我們的星球被構造板塊覆蓋，這些板塊緩慢移動，沿著稱為斷層的邊界相互推擠或滑動。摩擦有時會導致兩個板塊沿著斷層的某些點彼此卡住。張力會在數年、數十年甚至數個世紀內累積，直到斷層突然斷裂。斷裂的兩側互相猛衝過去，釋放出地震。
從斷層破裂的地方開始，地震波向四面八方擴散。當它們到達地球表面時，它們會使建築物或任何其他結構震動——如果地震強度足夠大且距離足夠近，則會劇烈且具有破壞性，就像襲擊土耳其和敘利亞的兩次強烈地震在 2 月 6 日發生，同一天還發生了強烈的餘震。
這些地震造成 45,000 多人死亡，其中許多人死於倒塌的建築物中。雖然地震無法預防或預測，但科學確實有一些方法可以保護建築物以及裡面的人。《大眾科學》與幾位地震工程專家進行了交談，以瞭解更多關於如何使用正確的建築方法來防止房屋、辦公室和其他結構屈服於地球反覆無常的運動。
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地震期間建築物會發生什麼？
想象一下，您正在開車下路，突然需要停車。當您猛踩剎車時，坐在乘客座位上的雜貨（以及任何其他未綁好的東西）將以與汽車最初行駛方向和速度相同的方向飛起來。這是因為慣性——物體保持靜止或保持勻速和路徑的趨勢，直到受到其他力的作用。同樣的趨勢使建築物在地震期間面臨風險。
在地震期間，建築物下方的地面快速來回移動。但是由於建築物具有質量，因此它具有慣性。“地震正在晃動地面，而建築物試圖保持原位，”加州大學洛杉磯分校的結構工程師埃爾圖魯爾·塔西羅格魯說。但是一旦建築物開始移動，它就想保持沿地震拉動它的任何方向繼續前進——本質上，它總是滯後於地面運動。這些滯後會在建築物上產生水平慣性力，導致任何垂直柱子和牆壁以一定角度變形（如果從矩形建築的側檢視來看，則形成平行四邊形形狀）。當建築物有多層時，每層都支撐著上面樓層的重量。這意味著較低的樓層必須承受比上面樓層更大的慣性力。如果牆壁和柱子設計或加固不當，它們可能無法支撐曾經承受的重量。
地震越大，離地表越近——建築物離斷層破裂越近——地震期間作用在該建築物上的慣性力就越大。建築物所處地面的型別也可能起作用：與堅硬的岩石相比，較鬆散的土壤會放大地面運動。
我們如何建造建築物使其在地震期間不會倒塌？
為了在地震發生時保持建築物完好無損，需要將其建造為抵抗水平慣性力。具體如何做到這一點取決於所使用的建築材料。讓我們重點關注兩種最常見的材料：混凝土和鋼材。土耳其受災地區的大部分建築存量都使用了這些材料。
在正常情況下，混凝土是一種非常適合支撐建築物重量的材料，因為它在工程師所說的壓縮下表現良好。如果混凝土建築物只需要支撐自身的重量，則可以輕鬆使用數十年。然而，地震產生的慣性力會使垂直牆壁和柱子搖擺，使混凝土處於張力狀態，這與壓縮相反。儘管力試圖拉伸混凝土，“但它不會屈服。它不會讓建築物變形，而是試圖牢牢抓住，並且它會產生這些慣性力，”不列顛哥倫比亞大學的結構工程師佩裡·阿德巴說。受力的混凝土柱子和牆壁最終可能會破裂和失效，因為它們無法再支撐上面的重量。
混凝土仍然是世界上使用最廣泛的建築材料之一，部分原因是它廉價且豐富，並且具有承受結構重量的能力。為了使混凝土更適合地震活躍地區，工程師添加了鋼材（以鋼筋的形式），鋼材更具柔韌性。“您必須在任何需要承受張力的地方放置鋼材，”阿德巴說。
當受到一定程度的張力時，鋼材會表現出彈性。想象一下輕輕拉動金屬絲衣架的底部，看到當您鬆開手時它會彈回原狀。但是當受到較大的張力時，例如在非常強烈的地震中，鋼材“會變成塑性並變形，”阿德巴解釋說。想象一下用力拉金屬絲衣架的底部，使其彎曲變形。在地震期間的建築物中，“這正是您想要的，”阿德巴說，因為變形的鋼材有效地吸收了這些慣性力，但仍然可以支撐重量。
這是否意味著建築物已損壞？
在強烈地震中，是的。鋼筋混凝土建築物仍然會遭受相當大的損壞，甚至可能達到地震後無法使用的程度。這與政府制定的建築規範有關，這些規範告訴工程師如何設計建築物以承受一定程度的地震震動。規範，包括美國和土耳其的規範，通常要求建築物在給定區域的最大預期地震下實現所謂的“生命安全”。“我們的抗震規範只是最低要求，”國家標準與技術研究院的研究地震工程師西西·尼古拉烏說。“您只希望這些建築物至少在發生大地震時給您逃生的機會，前提是它們可能會受到嚴重損壞。”這種情況類似於汽車在碰撞中變形：車輛吸收衝擊力以保護乘客，但它會報廢。
當然，對於被認為是關鍵且需要在地震後繼續執行的建築物或其他基礎設施（例如醫院），有不同的標準。尼古拉烏等專家也開始重新思考生命安全標準，以便更多的結構在地震後可以使用。這樣做可以避免人們數月或數年無法返回家園的情況。土耳其現在有許多人面臨這種可能性，數萬棟建築物被認為有因 2 月 6 日地震造成的損壞而倒塌的風險。
有一些方法可以使建築物在地震後仍可居住。一些方法涉及使用鋼筋混凝土等常用材料進行更智慧的設計。它還需要更具技術性的方法，例如“基礎隔震”。使用這種技術，建築物不是剛性地連線到地基上。相反，它位於柔性結構之上，這些結構使其與地基分離——因此也與晃動的地面分離。然而，這種型別的系統會增加建築成本，並且一些業主可能無法或不願意為此付費。在美國，它已被用於保護醫院等關鍵結構，並在保護其原始建築的同時改造歷史建築。土耳其的一些醫院採用了基礎隔震系統，並在最近的地震中倖存下來。
即使建築物按照抗震規範建造，為什麼仍然可能倒塌？
建築物的設計目的是承受一定程度的震動，這取決於其所在位置的地震風險。例如，洛杉磯的建築物將比紐約市的建築物更能抵抗更大的地震。但地震學家並不總是確切知道斷層可能產生多大的地震。“工程設計的主要困難在於未來地震的不確定性，因為我們不知道會發生什麼，”塔西羅格魯說。震級越大，地震就越罕見。一些最大的地震可能每幾百年或幾千年才發生一次——但現代地震測量僅追溯到幾十年。許多地震學家認為，東安納托利亞斷層——土耳其-敘利亞地震所涉及的斷層——可能產生的最大震級為 7.4 或 7.5 級。但 2 月 6 日的地震為 7.8 級——在地震震級對數尺度上大約大四倍。因此，塔西羅格魯說，土耳其一些按照規範建造的建築物可能只是經歷了超過其設計承受能力的力。
建築規範也隨著科學對抗震風險和工程學的理解而發展，因此，在建造時符合規範的建築物可能不符合更新的標準。改造此類建築物通常成本過高。塔西羅格魯說，這很可能是土耳其許多建築物嚴重損壞或倒塌的原因。
人為錯誤也可能發揮作用。它可能包括有意的、以利潤為導向的偷工減料，也可能包括在設計或建造過程的各個環節中發生的誠實錯誤——除非發生像大地震這樣的事情，否則這些錯誤不會被發現。