Földrengések hatása épületekre

Földrengések kipattanása során nagy mennyiségű energia szabadul fel. Ez az energia szeizmikus hullámok formájában áthalad a Föld különböző rétegeiben. A felszínre érve az általuk keltett talajmozgás okozza az épületekben és más épített szerkezetekben a károk nagy részét.

A földrengéshullámok különbözõ hullám típusokból épülnek fel. Ezekben a talajrészecskék mozgásiránya különböző, függőleges és vízszintes irányú komponenseket egyaránt tartalmaz. Ha a hullámok elérnek a felszínen egy épületet, mozgásba hozzák elõször annak alapját, majd ez a mozgás bonyolult módon átterjed az épület többi részére is.
A létrejött elmozdulások az épület dimenziójához képest általában nem nagyok, a károkat legtöbbször inkább a kialakuló, változó irányú, igen magas gyorsulások okozzák. Rázkódás hatására ugyanis a tartószerkezetekben az épület súlyával és a gyorsulással arányos erők ébrednek.
Károkozás szempontjából a vertikális irányú gyorsulások - kivéve a nagyon nagy rengéseket - kevésbé kritikusak. Egyrészt általában kisebbek a horizontális irányúaknál, másrészt a függőleges gyorsulások miatt fellépő erők a súlyerőt növelik illetve csökkentik bizonyos mértékig, mely egy jól alapozott építménynél nem okoz károsodást. Annál kritikusabbak viszont a horizontális irányú gyorsulások a tartószerkezetekben ébredő nyírófeszültségek miatt, melyek a szerkezet repedését, törését, esetenként összeomlását okozhatják.

A gyorsulást sok esetben a g gravitációs gyorsulás tört részeként adják meg. Például 1m/s² gyorsulás közelítőleg 0,1g-nek felel meg. Mérésére speciális, az un. erős mozgást regisztráló, gyorsulásmérõ szeizmográfokat használnak.
Az okozott károk nagyságát a maximális gyorsulás mellett az erős gyorsulások idõtartama és a mozgás frekvencia tartalma egyaránt befolyásolja. Minél magasabb gyorsulások fordulnak elő, általában annál nagyobb az okozott kár. Emellett nagyon fontos, hogy milyen hosszú az az időtartam, amely alatt mindvégig nagy a gyorsulás. Ugyanolyan nagy, vagy még nagyobb is lehet a pusztító hatása, egy alacsonyabb gyorsulással és hosszabb időtartammal rendelkező, mint egy magasabb gyorsulással rendelkező, de rövidebb földrengéshullámnak.
A harmadik, de a tervezés szempontjából kulcsfontosságú paraméter a rengések frekvenciája. Egy adott helyen a felszíni mozgás különböző frekvenciájú hullámösszetevők szuperpozíciójaként áll elő. Ezen összetevők frekvenciája általában 0-15 Hz között van, ezt nevezik frekvencia tartalomnak. A mozgás frekvencia tartalmát annak ún. Fourier amplitúdó spektrumával, vagy a mérnöki gyakorlatban szokásos válasz spektrummal jellemzik. Egy adott helyen általában bizonyos frekvenciájú összetevők erősebbek a többinél, ezek a rezgésszámok ugyanannál a rengésnél is helyről-helyre változnak.
A különböző épületek azonos a rengésre azonos helyen is különbözőképp reagálnak. Először igen komlex módon kezdenek el mozogni, majd rezgésük frekvenciája fokozatosan egy adott érték felé tolódik el, ezt az épület sajátfrekvenciájának nevezik. Gyakran használják a sajátperiódus kifejezést is, mely a sajátfrekvencia reciproka, és azt adja meg, hogy az mennyi idő alatt tesz meg egy teljes lengést. Általában minél magasabb egy épület, annál alacsonyabb a sajátfrekvenciája, vagyis hosszabb a sajátperiódusa.

Az épületek akkor szenvedik el a legnagyobb kárt, amikor a talajmozgással rezonanciába kerülnek, vagyis amikor a földrengéshullámok legnagyobb energiájú komponenseinek frekvenciája és az épület sajátfrekvenciája megegyezik.