Flexibele staalskeletten en rubber kussens beschermen wolkenkrabbers en ziekenhuizen in Californië bij een zware aardbeving tegen instorten. Nieuwe modelberekeningen geven echter aan, dat die bescherming waarschijnlijk niet voldoende is.
ACHTERAF KWAM de stad Los Angeles er, deze week precies een jaar geleden, nog heel genadig vanaf. Een aardbeving met een kracht van 6,7 op de schaal van Richter deed weliswaar op verscheidene plaatsen viaducten instorten, de meeste gebouwen, inclusief de wolkenkrabbers in de zakenwijken, bleven netjes overeind. Ten opzichte van angstige toekomstvoorspellingen over vele duizenden dodelijke slachtoffers viel het feitelijke aantal, bijna zestig, reuze mee.
Voor de Californiërs was de verleiding groot de mildheid van de schade mede toe te schrijven aan de goede constructie van hun gebouwen. Al vele jaren houden bouwers in hun ontwerpen immers rekening met de mogelijkheid van hevige aardschokken. Sinds 1991 moeten ze zelfs voldoen aan wettelijke normen op grond van de Uniform Building Code, die nauwkeurig voorschrijft hoe gebouwen tegen aardbevingen bestand moeten worden gemaakt. Zelfs na zeer zware bevingen mogen ze niet instorten.
Dat vertrouwen is niet terecht, constateerden deze week onderzoekers van de Amerikaanse Geologische Dienst (USGS) en het Californische Instituut voor Technologie (Caltech). In het tijdschrift Science (dl. 267, p. 206) gooien zij een knuppel in het hoenderhok met modelberekeningen naar het effect van een beving met een magnitude van 7,0. Wanneer die berekeningen kloppen, zullen bij de eerste de beste zware aardbeving nabij de binnenstad vele flatgebouwen, maar ook ziekenhuizen, als kaartenhuizen in elkaar zakken. Zelfs panden die gebouwd zijn volgens de meest recente bouwverordeningen zullen niet blijven staan. Wie écht ‘veilig’ wil bouwen, zal zijn toevlucht tot draconische en dus onbetaalbare voorzorgsmaatregelen moeten nemen.
Hoge gebouwen zijn kwetsbaar voor aardbevingen vooral voor aardbevingen die gepaard gaan met horizontale bewegingen van de grond. Wanneer de fundamenten plotseling naar voren schuiven, moeten uiteindelijk alle verdiepingen, tot en met de bovenste, mee. Het dragende skelet krijgt daardoor enorme zijwaartse krachten te verduren. Wanneer die krachten niet meer kunnen worden opgevangen, schuiven de bovenste etages over de onderste heen. Het resultaat is te zien op vele foto’s uit rampgebieden uit het verleden: reddingsploegen op zoek naar slachtoffers tussen vloeren en plafonds die bijna op elkaar liggen.
Voor het shockproof maken van grote gebouwen zijn in Californië twee verschillende methoden in zwang geraakt. De eerste wordt vooral gebruikt bij hoge gebouwen, en berust op het vervangen van starre door flexibele constructies.
Oude flats en wolkenkrabbers danken hun stevigheid aan een skelet van aan elkaar verankerde betonnen muren en pilaren. Het nadeel daarvan is, dat schokken ongedempt aan alle delen van de constructie worden doorgegeven. De nieuwe bouwmethode maakt gebruik van een stalen skelet bestaande uit aan elkaar geschroefde stalen balken. Anders dan beton kan staal een beetje buigen, zodat de heen-en-weer-gaande bewegingen, op de grond zich als een golf naar de bovenste verdiepingen kan verplaatsen.
De tweede methode is minder geschikt voor hoge, maar wel voor lage gebouwen. Ziekenhuizen en andere panden die juist tijdens een ramp van cruciaal belang zijn, mogen al niet meer zonder deze bescherming worden gebouwd. De truc bestaat uit grote rubberen kussens, die tussen het gebouw en zijn fundamenten worden aangebracht.
Wanneer de grond zich snel naar voren beweegt, geven de rubberen kussens deze beweging vertraagd en gedempt door. Als alles goed gaat, wiegt het gebouw op de kussens hooguit zachtjes heen en weer. Om al te grote uitschieters te voorkomen, staan er bij wijze van stootblokken betonnen muren rondom.
De twee technieken genieten een groot vertrouwen — menig inwoner van Los Angeles en San Francisco voelt zich in moderne wolkenkrabbers, volgens de jongste inzichten gebouwd, veilig. Of dat vertrouwen terecht is, is in de praktijk echter nog nooit aangetoond. De laatste decennia kenmerkten zich juist door een relatieve rust in de woelige Californische bodem. De belangrijkste test was de beving van 17 januari 1994, en die viel op twee punten mee: de kracht bleef beperkt tot 6,7, en de grootste schok verplaatste zich van de stad af, in de richting van de bergen.
Om de betrouwbaarheid van de voorschriften te toetsen zijn we daarom afhankelijk van twee soorten computermodellen: één die berekent hoe de bodem onder invloed van een beving schudt, en één die de gevolgen van die schokken in gebouwen simuleert. FOTO AFP San Francisco, 1989: bovenetages van Victoriaanse huizen belanden door hevige zijwaartse bewegingen op straat.
Modellen
Voor het eerste model maakten geologen T. Heaton en D. Wald gebruik van gegevens van meetstations die zich toevallig vlak in de buurt van tien grote, recente aardbevingen bevonden. Daaruit leidden zij af, dat de schokken in de nabijheid van een epicentrum heviger zijn dan wordt gedacht.
De geologen ontdekten dat er, wanneer twee aardlagen plotseling langs elkaar schuiven, in de richting van de breuk vaak één grote schokgolf ontstaat. Die golf is vergelijkbaar met de knal van een vliegtuig die de ‘geluidsbarrière’ neemt: de snelheid waarmee de verschuiving zich langs de breuk verplaatst is bijna even groot als de snelheid van de schokgolven die erdoor worden veroorzaakt. Het resultaat is één grote trilling de optelsom van vele kleinere trillingen.
Deze schokgolf kan leiden tot woeste bodemverplaatsingen, zo blijkt uit de meetgegevens. In 1993, toen Californië bij het plaatsje Landers door een beving van 7,2 werd getroffen, registreerde een meetstation op 1 kilometer van het epicentrum een snelheid van 1,4 meter per seconde, en een totale verplaatsing van twee en een halve meter.
De Caltech-ingenieurs J. Hall en M. Halling lieten deze gegevens los op hun modellen van ‘beving-veilige’ gebouwen. Het eerste gebouw telde twintig verdiepingen, gebouwd met een stalen skelet. De schokgolf deed alle etages hevig zwaaien ten opzichte van de begane grond kreeg het dak een afwijking van twee en een halve meter te verwerken.
Of het gebouw die aanslag zou doorstaan, valt uit het model moeilijk af te leiden: de stalen balken en verbindingen gaan bij dergelijke krachten buigen, barsten en draaien, en zulke reacties zijn moeilijk in berekeningen te vervatten. Duidelijk werd wel dat de zwaaiing op de hevigst schuddende locaties driemaal heviger was dan wat wordt gezien als ‘ernstig. In een gebied van ruim dertig bij dertig kilometer zouden zulke flatgebouwen meer dan ‘ernstig’ zwaaien.
De problemen ontstaan, aldus de onderzoekers, wanneer het gebouw net ‘op snelheid’ is gekomen door de eerste snelle bodembeweging. Als juist op dat moment de bodem weer snel terug beweegt, komt de klap dubbel hard aan.
Ook de rubber kussens bieden niet genoeg bescherming. In het gebied dat het hevigst schudt, slaat de onderste verdieping met een snelheid van anderhalve meter per seconde tegen de stootblokken aan wanneer die ten minste op 40 centimeter afstand staan. In de praktijk is die tussenruimte soms nog kleiner. Na zon klap zal de schade aanzienlijk zijn.
Voor ongeruste bewoners van aardbevingsgebieden is de verleiding groot de schokkende conclusies als ‘speculatieve modellen’ af te doen. Toch lijken de modellen meer werkelijkheidswaarde te hebben dan zij hopen. Nauwkeurige inspectie van de meer dan honderd ‘veilige’ gebouwen in Los Angeles die vorig jaar overeind bleven staan, leverde een onverwacht groot aantal breuken in het stalen skelet op.
De eerstkomende ‘zware beving’ onder zal uitwijzen of de strenge bouwinstructies voor niets zijn geweest. En de kans dat zon beving binnenkort optreedt is, meldden geologen deze week haast terloops, nog hoger dan al werd gedacht.