我们的星球被构造板块覆盖，这些板块缓慢移动，沿着称为断层的边界相互推挤或滑动。摩擦有时会导致两个板块沿着断层的某些点彼此卡住。张力会在数年、数十年甚至数个世纪内累积，直到断层突然断裂。断裂的两侧互相猛冲过去，释放出地震。
从断层破裂的地方开始，地震波向四面八方扩散。当它们到达地球表面时，它们会使建筑物或任何其他结构震动——如果地震强度足够大且距离足够近，则会剧烈且具有破坏性，就像袭击土耳其和叙利亚的两次强烈地震在 2 月 6 日发生，同一天还发生了强烈的余震。
这些地震造成 45,000 多人死亡，其中许多人死于倒塌的建筑物中。虽然地震无法预防或预测，但科学确实有一些方法可以保护建筑物以及里面的人。《大众科学》与几位地震工程专家进行了交谈，以了解更多关于如何使用正确的建筑方法来防止房屋、办公室和其他结构屈服于地球反复无常的运动。
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地震期间建筑物会发生什么？
想象一下，您正在开车下路，突然需要停车。当您猛踩刹车时，坐在乘客座位上的杂货（以及任何其他未绑好的东西）将以与汽车最初行驶方向和速度相同的方向飞起来。这是因为惯性——物体保持静止或保持匀速和路径的趋势，直到受到其他力的作用。同样的趋势使建筑物在地震期间面临风险。
在地震期间，建筑物下方的地面快速来回移动。但是由于建筑物具有质量，因此它具有惯性。“地震正在晃动地面，而建筑物试图保持原位，”加州大学洛杉矶分校的结构工程师埃尔图鲁尔·塔西罗格鲁说。但是一旦建筑物开始移动，它就想保持沿地震拉动它的任何方向继续前进——本质上，它总是滞后于地面运动。这些滞后会在建筑物上产生水平惯性力，导致任何垂直柱子和墙壁以一定角度变形（如果从矩形建筑的侧视图来看，则形成平行四边形形状）。当建筑物有多层时，每层都支撑着上面楼层的重量。这意味着较低的楼层必须承受比上面楼层更大的惯性力。如果墙壁和柱子设计或加固不当，它们可能无法支撑曾经承受的重量。
地震越大，离地表越近——建筑物离断层破裂越近——地震期间作用在该建筑物上的惯性力就越大。建筑物所处地面的类型也可能起作用：与坚硬的岩石相比，较松散的土壤会放大地面运动。
我们如何建造建筑物使其在地震期间不会倒塌？
为了在地震发生时保持建筑物完好无损，需要将其建造为抵抗水平惯性力。具体如何做到这一点取决于所使用的建筑材料。让我们重点关注两种最常见的材料：混凝土和钢材。土耳其受灾地区的大部分建筑存量都使用了这些材料。
在正常情况下，混凝土是一种非常适合支撑建筑物重量的材料，因为它在工程师所说的压缩下表现良好。如果混凝土建筑物只需要支撑自身的重量，则可以轻松使用数十年。然而，地震产生的惯性力会使垂直墙壁和柱子摇摆，使混凝土处于张力状态，这与压缩相反。尽管力试图拉伸混凝土，“但它不会屈服。它不会让建筑物变形，而是试图牢牢抓住，并且它会产生这些惯性力，”不列颠哥伦比亚大学的结构工程师佩里·阿德巴说。受力的混凝土柱子和墙壁最终可能会破裂和失效，因为它们无法再支撑上面的重量。
混凝土仍然是世界上使用最广泛的建筑材料之一，部分原因是它廉价且丰富，并且具有承受结构重量的能力。为了使混凝土更适合地震活跃地区，工程师添加了钢材（以钢筋的形式），钢材更具柔韧性。“您必须在任何需要承受张力的地方放置钢材，”阿德巴说。
当受到一定程度的张力时，钢材会表现出弹性。想象一下轻轻拉动金属丝衣架的底部，看到当您松开手时它会弹回原状。但是当受到较大的张力时，例如在非常强烈的地震中，钢材“会变成塑性并变形，”阿德巴解释说。想象一下用力拉金属丝衣架的底部，使其弯曲变形。在地震期间的建筑物中，“这正是您想要的，”阿德巴说，因为变形的钢材有效地吸收了这些惯性力，但仍然可以支撑重量。
这是否意味着建筑物已损坏？
在强烈地震中，是的。钢筋混凝土建筑物仍然会遭受相当大的损坏，甚至可能达到地震后无法使用的程度。这与政府制定的建筑规范有关，这些规范告诉工程师如何设计建筑物以承受一定程度的地震震动。规范，包括美国和土耳其的规范，通常要求建筑物在给定区域的最大预期地震下实现所谓的“生命安全”。“我们的抗震规范只是最低要求，”国家标准与技术研究院的研究地震工程师西西·尼古拉乌说。“您只希望这些建筑物至少在发生大地震时给您逃生的机会，前提是它们可能会受到严重损坏。”这种情况类似于汽车在碰撞中变形：车辆吸收冲击力以保护乘客，但它会报废。
当然，对于被认为是关键且需要在地震后继续运行的建筑物或其他基础设施（例如医院），有不同的标准。尼古拉乌等专家也开始重新思考生命安全标准，以便更多的结构在地震后可以使用。这样做可以避免人们数月或数年无法返回家园的情况。土耳其现在有许多人面临这种可能性，数万栋建筑物被认为有因 2 月 6 日地震造成的损坏而倒塌的风险。
有一些方法可以使建筑物在地震后仍可居住。一些方法涉及使用钢筋混凝土等常用材料进行更智能的设计。它还需要更具技术性的方法，例如“基础隔震”。使用这种技术，建筑物不是刚性地连接到地基上。相反，它位于柔性结构之上，这些结构使其与地基分离——因此也与晃动的地面分离。然而，这种类型的系统会增加建筑成本，并且一些业主可能无法或不愿意为此付费。在美国，它已被用于保护医院等关键结构，并在保护其原始建筑的同时改造历史建筑。土耳其的一些医院采用了基础隔震系统，并在最近的地震中幸存下来。
即使建筑物按照抗震规范建造，为什么仍然可能倒塌？
建筑物的设计目的是承受一定程度的震动，这取决于其所在位置的地震风险。例如，洛杉矶的建筑物将比纽约市的建筑物更能抵抗更大的地震。但地震学家并不总是确切知道断层可能产生多大的地震。“工程设计的主要困难在于未来地震的不确定性，因为我们不知道会发生什么，”塔西罗格鲁说。震级越大，地震就越罕见。一些最大的地震可能每几百年或几千年才发生一次——但现代地震测量仅追溯到几十年。许多地震学家认为，东安纳托利亚断层——土耳其-叙利亚地震所涉及的断层——可能产生的最大震级为 7.4 或 7.5 级。但 2 月 6 日的地震为 7.8 级——在地震震级对数尺度上大约大四倍。因此，塔西罗格鲁说，土耳其一些按照规范建造的建筑物可能只是经历了超过其设计承受能力的力。
建筑规范也随着科学对抗震风险和工程学的理解而发展，因此，在建造时符合规范的建筑物可能不符合更新的标准。改造此类建筑物通常成本过高。塔西罗格鲁说，这很可能是土耳其许多建筑物严重损坏或倒塌的原因。
人为错误也可能发挥作用。它可能包括有意的、以利润为导向的偷工减料，也可能包括在设计或建造过程的各个环节中发生的诚实错误——除非发生像大地震这样的事情，否则这些错误不会被发现。