We willen uiteraard niet dat het gebouw, waar we ons in vertoeven, als een kaartenhuisje in elkaar stuikt wanneer de aarde aan het schudden gaat, een gebeurtenis die in onze contreien gelukkig eerder zeldzaam is. De wetenschap nodig om gebouwen sterk genoeg te maken is onder andere gebaseerd op de eigenfrequentie van de structuur, en dat is iets waar kleuters en hooligans veel meer over weten dan we denken…

Een aardbeving is een goed gekozen woord, want een aardbeving is samengesteld uit vele trillingen met een frequentie en een amplitude. Het spreekt vanzelf dat de amplitude een graad is voor de zwaarte van een aardbeving, maar ook de frequentie speelt een grote rol in de manier waarop een gebouw zal reageren. Ondertussen zijn er tal van aardbevingen geregistreerd en weet men welke amplitudes en frequenties kunnen optreden bij aardbevingen, en met gesofisticeerde software kun je zelfs een gebouw virtueel blootstellen aan een reeds opgetreden aardbeving, waarvan de parameters gekend zijn.

We moeten dus een analyse maken van de manier waarop een structuur zal reageren bij dynamische belastingen. Dat is gemakkelijker gezegd dan gedaan, daarom gaan we eens kijken waar we trillingen waarnemen rondom ons. Op dit moment hoor ik bijvoorbeeld de wasmachine vertragen van toerental en als je er goed op let lijken de bewegingen bij een bepaalde lage frequentie veel heviger dan bij een hoger toerental. We stellen dus vast dat een wasmachine een eigenschap heeft, waarbij hij lijkt te willen dansen bij een bepaalde frequentie. Deze frequentie noemen we de eigenfrequentie.

Maar dat moet je niet aan kleuters uitleggen, want die rennen naar een schommel en vinden zonder enig probleem de eigenfrequentie van het systeem. Ook hooligans moet je niet lastigvallen over wiskundige formules betreffende het dynamisch gedrag van een stilstaande interventiewagen. Ze vinden feilloos de eigenfrequentie van het voertuig en weten precies wanneer ze een extra duwtje moeten geven om het ongelukkige voertuig te kapseizen. En dat doen ze trouwens altijd volgens de dwarse en dus zwakke richting van het systeem, zonder dat ze de kwadratische oppervlaktemomenten hebben berekend. Straf toch.

Zoals een wasmachine, een schommel en een voertuig hebben gebouwen ook frequenties waarbij ze gemakkelijker trillen, deze frequenties zijn afhankelijk van de eigenschappen van het gebouw (gebruikte materialen, stijfheid, vorm, hoogte,..). Je kan je wel inbeelden dat voor een hoog regelmatig gebouw het heen en weer bewegen een basisvervorming zal zijn, die hoort bij een bepaalde frequentie. Als de aardbeving net trilt op die basisfrequentie (horende bij de basisvervorming), dan zullen de krachten op het gebouw zeer groot worden (denk maar aan de hooligans die altijd net op het juiste moment een duwtje geven tegen een voertuig) en die zullen aanleiding geven tot grote vervormingen. Dit alles kan leiden tot het bezwijken van het gebouw, zeker wanneer de amplitude (het aantal hooligans in onze analogie) groot is. Je zou kunnen zeggen dat er resonantie is van het gebouw met het trillen van de aarde.

Niet alleen het trillen van de aarde kan resonantie veroorzaken in een constructie. Er bestaat een filmpje van de Tacoma Narrow Bridge waarbij de resonantie werd veroorzaakt door de wind, maar met niet minder fatale gevolgen voor de constructie van de hangbrug. Los van de resonantie een ‘cool’ filmpje om te zien. Maar het bezwijken had dus niets met aardbevingen te maken. En dat is net zo tof aan wetenschap dat je alles wel ergens aan elkaar kunt linken, maar toch niet helemaal.

Wat zorgt er nu voor dat een gebouw tegen een duwtje kan? Vooreerst moet het gebouw goed gefundeerd zijn. Als de grond verzakt tijdens een seismische gebeurtenis, dan zal het gebouw uiteraard mee bewegen. Hoewel het meestal een goed plan is om een gebouw zo stijf en zo sterk mogelijk te ontwerpen, is er toch een iets andere denkwijze nodig in het ontwerp tegen aardbevingen, en dat heeft alles te maken met het dissipatievermogen van het gebouw. Dissi-wat?

De dissipatie is de absorptie van de energie (van de aardbeving) door het plastisch gedrag van het gebouw. In feite is het opnieuw logisch te begrijpen als we het vergelijken met een auto die botst tegen een muur. Als je in die auto zit dan zal je blij zijn dat de auto-ontwerper een kreukelzone heeft voorzien tussen jezelf en de voorkant van de auto (even in de veronderstelling dat je frontaal tegen die muur bent gereden). Die kreukelzone absorbeert de energie van de botsing. En dat willen we ook zoveel mogelijk introduceren in een gebouw.

Hoe meer kreukelzones in het gebouw, hoe groter het dissipatieve vermogen van het gebouw, hoe meer we op ons twee oren kunnen slapen bij een aardschok. En omdat niemand hen zou begrijpen hebben wetenschappers ook hier afkortingen geïntroduceerd… wanneer ze spreken van DCL, DCM of DCH, bedoelen ze dus respectievelijk ‘ductility class low’ (geen kreukelzones), ‘ductility class medium’ (kreukelzones) en je raadt het al DCH is ‘ductility class high’, wat staat voor een gebouw met een zeer groot dissipatief vermogen. Het verfrommelt serieus maar het kan wel tegen een duw zonder in te storten.

Iedereen doet er eigenlijk goed aan om bij een botsing zoveel mogelijk zich te gedragen als een kreukelzone. Zo stappen ladderzatte passagiers, die zich gedragen als een zak patatten, soms zonder kleerscheuren uit een auto, terwijl de meer nuchtere reisgezellen, die zich schrap hebben gezet (verhoogde stijfheid), meerdere breuken oplopen.

Mijn welgemeende excuses mocht ik hiermee mensen op bizarre ideeën hebben gebracht, maar het is gewoon toegepaste wetenschap!

Dissipatieve groeten,

T.E.