Bumi bergetar jutaan kali setiap tahun. Seringkali, gempa bumi ini menyerang di tempat-tempat yang sudah dikenal, seperti gempa yang mematikan baru-baru ini di Ekuador dan Jepang. Di lain waktu, gempa mungkin melanda tempat yang kurang akrab dengan gempa, seperti gempa berkekuatan 5.8 yang melanda Virginia pada 2011 dan merusak Monumen Washington.
Struktur bersejarah seringkali rentan selama gempa. Beberapa Situs Warisan Dunia di Nepal hancur atau rusak parah pada tahun 2015 saat gempa berkekuatan 7, 8 dan gempa susulan sekuat 7, 3. Praktek bangunan yang lebih tua dan bahan bangunan yang menua membuat sebagian besar struktur bersejarah kurang mampu menahan getaran yang terjadi selama gempa bumi atau dari angin kencang. Teknik bangunan modern dapat digunakan untuk memperbarui struktur ini untuk mengurangi beberapa potensi kerusakan, tetapi bahkan kemudian mereka lebih rentan daripada rekan-rekan modern mereka.
Sekarang para insinyur di Pusat Penerbangan Luar Angkasa Marshall di NASA di Huntsville, Alabama, mengatakan mereka dapat membantu bangunan bersejarah bertahan dari peristiwa yang menghancurkan ini. Mereka telah mengembangkan cara untuk mengubah bagaimana bangunan merespon gerakan yang disebabkan oleh gerakan di kerak bumi. Dan semuanya dimulai dengan roket.
Teknologi ini berasal dari pekerjaan roket Ares, kendaraan peluncuran yang dirancang untuk program Constellation yang, sebelum dibatalkan pada tahun 2010, diharapkan untuk menggantikan Pesawat Ulang-alik karena membawa astronot ke luar angkasa. Roket itu bergetar sangat parah sehingga akan melukai siapa pun di dalamnya, sehingga para insinyur NASA harus menemukan cara untuk membuat kendaraan itu aman. Namun, cara biasa untuk mengendalikan goncangan, dengan menambah berat badan, bukanlah pilihan karena roket akan terlalu berat untuk mengangkat dirinya sendiri dari atmosfer Bumi.
Tim menemukan cara untuk menggunakan bahan bakar roket untuk menyelesaikan masalah. Dan solusi yang sama dapat bekerja untuk bangunan bergetar, termasuk yang dibangun ratusan tahun yang lalu, kata Rob Berry, seorang manajer proyek NASA di Marshall.
Struktur bersejarah dapat kekurangan jenis koneksi, seperti tulangan baja, yang mengubah potongan-potongan individual bangunan menjadi sistem kohesif yang lebih tahan lama. Namun, insinyur dapat memperbaiki bangunan-bangunan dengan ikatan eksternal yang menyatukan bangunan. "Pada [beberapa] bangunan ini, Anda akan melihat pelat di bagian luar dengan baut melaluinya dan mur tua di ujungnya, " kata Michael Kreger, direktur Laboratorium Struktur Skala Besar di Universitas Alabama . "Mereka biasanya akan mengecat benda-benda ini hitam sehingga mereka terlihat seperti mereka pernah berada di sana selamanya."
Pilihan lain adalah menghilangkan lapisan interior, seperti panel dan cetakan trim, dan membangun dinding baru yang diperkuat baja di sekitar aslinya. Dinding-dinding itu kemudian ditutup-tutupi, sehingga modifikasi tidak bisa dilihat.
Upaya ini mahal, dan tidak membawa seluruh struktur ke aturan bangunan saat ini, kata Kreger. Dan beberapa struktur bersejarah tidak memiliki ruang yang diperlukan untuk menambah dinding atau menyembunyikan balok baja untuk mitigasi gempa.
Bangunan baru menggabungkan banyak teknologi ini selama konstruksi. Metode yang paling umum untuk mengurangi pergerakan bangunan adalah alat yang disebut dengan peredam massal (TMD). Contoh dari ini adalah benda yang sangat berat, massa, ditambahkan ke bangunan di atas mata air yang diatur ke frekuensi tertentu. Ketika gempa terjadi, atau angin bertiup, massa digerakkan oleh gerakan bangunan. Berat tambahan ini bergerak ke arah yang berlawanan dan mengurangi keseluruhan gerakan bangunan. Perangkat seperti itu tidak sempurna. Bangunan harus bergerak sebelum TMD akan berfungsi, dan beberapa detik pertama dari gempa bumi bisa sangat merusak.
Tim Berry menemukan cara baru untuk menggunakan bangunan itu sendiri atau sejumlah kecil massa tambahan untuk menghasilkan gerakan yang lebih dramatis. Kebanyakan TMD menggunakan objek yang setara dengan sekitar 1 hingga 2 persen dari berat bangunan untuk mencapai pengurangan pergerakan sekitar 50 persen. Di gedung pencakar langit, benda itu bisa menimbang sebanyak 2 juta pound. Untuk mengatasi masalah roket, para insinyur NASA menggunakan bahan bakar roket untuk mengurangi getaran dan mencapai pengurangan 95 persen dalam gerakan untuk roket seberat 650.000 pound mereka. Itu mungkin dengan perangkat seperti balon yang disebut Fluid Structure Coupler, kata Berry.
“Pikirkan balon. Taruh udara di dalam balon, itu menjadi lebih besar; keluarkan udara dan semakin kecil, ”katanya. “Jika saya menaruh [balon] ke kolam renang, air akan bereaksi. Ketika balon itu berkontraksi, air mengikuti kontraksi balon. Jika mengembang, cairan bergerak menjauh darinya. ”
Karena air merespons gerakan balon, dimungkinkan untuk mengubah frekuensi alami cairan dengan menyesuaikan tekanan di dalam balon. Dengan sebuah bangunan, seorang insinyur dapat menggunakan konsep itu untuk menyesuaikan bagaimana struktur akan bergerak.
Pertama, para insinyur menentukan frekuensi alami bangunan untuk belajar kapan akan mulai bergerak. Kemudian mereka mengatur coupler (balon) ke frekuensi yang berbeda. Dengan menempatkan coupler ke badan air, seperti di kolam renang, atau menambahkan pipa berisi air yang melekat pada atap, air mengubah getaran alami bangunan. Cairan tersebut bertindak seperti jangkar untuk sebuah ayunan — ayunan itu akan tetap bergerak, tetapi akan jauh lebih sulit untuk didorong. Bangunan itu, juga, bergerak kurang selama gempa atau angin kencang.
NASA berhasil menguji konsep ini pada struktur bersejarahnya sendiri, Dynamic Structural Test Facility pada 2013. Namun Berry dan timnya mengakui bahwa tidak semua desain bangunan memiliki ruang untuk menambahkan sistem berbasis cairan semacam ini. Jadi mereka menerapkan apa yang mereka pelajari untuk mengembangkan alat mekanis yang akan menghabiskan lebih sedikit ruang tetapi menyediakan jenis jangkar yang sama.
Sekarang, tim telah datang dengan versi baru dari teknologi, yang disebut disruptive tuned mass (DTM), yang menggunakan sebongkah logam, bukan air, untuk mengurangi pergerakan bangunan. Ini jauh lebih kecil dari TMD konvensional dan jauh lebih murah untuk diproduksi — tetapi sama efektifnya.
Awal bulan ini, Kreger dan rekan-rekannya, yang skeptis dengan klaim NASA, melakukan pengujian pertama pada gempa bumi di Pusat Infrastruktur Berkelanjutan Universitas Alabama. Itu sukses.
“Tes ini dengan jelas menunjukkan bahwa massa tuned yang mengganggu mengungguli peredam massa yang disetel, dan itu jelas menunjukkan bahwa itu berguna untuk mitigasi gempa bumi, ” kata Berry. Pendekatan baru ini, katanya, "adalah contoh hebat lainnya di mana teknologi yang diturunkan untuk program luar angkasa dapat memberikan kemampuan baru bagi industri."
Kreger setuju dan berharap untuk bermitra dengan NASA dalam pengujian dan pengembangan sistem DTM masa depan.
Teknologi ini adalah prototipe, tetapi NASA bekerja sama dengan perusahaan swasta untuk mengembangkan produk komersial yang dapat digunakan untuk mitigasi gempa bumi di gedung-gedung publik dan pribadi, termasuk struktur bersejarah.
Teknologi baru ini bahkan mungkin membantu Monumen Washington menahan getaran gempa bumi dan angin, kata Berry. "Saya berani bertaruh mereka telah melihat berbagai cara untuk mengurangi, " katanya. “Tetapi jika gempa yang sama terjadi di sana dengan massa yang disetel yang dipasang, responsnya akan sangat berbeda. Kita bisa mematikan responnya. ”
Dia melanjutkan, “Saya ingin orang Monumen Washington menelepon. Teknologi ini dikembangkan dengan uang pembayar pajak, jadi milik mereka. ”
