10 Teknologier, Der Hjælper Bygninger Modstå Jordskælv

{h1}

Jordskælv er ikke altid dårlige nyheder for bygninger, hvis de er udstyret med disse 10 teknologier. Lær om jordskælvsresistente teknologier.

Bronzealderen oplevede fremkomsten af ​​flere vellykkede civilisationer, herunder nogle få, der formåede at bygge imponerende byer med bestilte rister og sofistikeret VVS. Nu tror forskere, at tektonisk aktivitet kan have bidraget til nedgangen i nogle af disse antikke kulturer. For eksempel antyder forskning, der udføres i byen Megiddo (nu en del af nutidige Israel), at et massivt jordskælv kan have ødelagt byen, hvilket fører til sandwich-lignende lag, der findes i udgravninger. Og en række jordskælv kan have bragt ned Harappan civilisationen (i det nu er Pakistan), som forsvandt pludselig i 1900 B.C.E.

Vi er lige så modtagelige i dag til eftervirkningerne af kraftige jordskælv. Når de udsættes for de pludselige laterale kræfter, der frembringes af seismiske bølger, kan selv moderne bygninger og broer mislykkes fuldstændigt og sammenbrud, knuse folket i, omkring og omkring dem. Om noget er problemet blevet værre, da flere mennesker bor i bymiljøer og som strukturer er vokset. Heldigvis har arkitekter og ingeniører i løbet af de sidste par årtier udtænkt en række kloge teknologier for at sikre, at huse, multidwelling-enheder og skyskrabere bøjer, men ikke bryder sammen. Som følge heraf kan bygningens indbyggere gå uharmede og begynde at samle stykkerne.

På de næste par sider har vi samlet 10 af disse temblor-thwarting teknologier. Nogle har eksisteret i flere år. Andre, som det første element i vores nedtælling, er relativt nye ideer, der stadig bliver testet.

10. Levitating Foundation

10 Teknologier, der hjælper bygninger modstå jordskælv: teknologier

Det viste sig, at det gamle Utah Capitol blev anset for at være sårbart over for et moderat jordskælv, så det slyngede sit eget basisoleringssystem, som blev afsluttet i 2007. iStockphoto / Thinkstock

Ingeniører og seismologer har favoriseret baseisolering i årevis som et middel til at beskytte bygninger under et jordskælv. Som navnet antyder, bygger dette koncept på at adskille underbygningen af ​​en bygning fra dens overbygning. Et sådant system indebærer at flyde en bygning over dets fundament på blygummilejer, som indeholder en solid blykern indpakket i skiftende lag af gummi og stål. Stålplader sætter lejerne til bygningen og dens fundament, og så, når et jordskælv rammer, tillader fundamentet at bevæge sig uden at flytte strukturen over det.

Nu har nogle japanske ingeniører taget basisolering til et nyt niveau. Deres system leviterer faktisk en bygning på en pude af luft. Sådan virker det: Sensorer på bygningen registrerer det jordiske kæmpes seismiske aktivitet. Netværket af sensorer kommunikerer med en luftkompressor, som inden for en halv sekund af at blive varslet, tvinger luft mellem bygningen og dens fundament. Luftpuden løfter strukturen op til 1,18 tommer (3 centimeter) væk fra jorden, isolerer den fra de kræfter, der kan rive den fra hinanden. Når jordskælvet sænker, slukker kompressoren, og bygningen sætter sig tilbage til fundamentet. Det eneste der mangler, er temasangen fra den "største amerikanske helt".

9. Stødabsorberende

10 Teknologier, der hjælper bygninger modstå jordskælv: modstå

Støddæmpere er ikke kun til biler. Hvis du gik på Coney Island Parachute Jump tilbage på dagen, ville du have været glad for at se støddæmpere hvile i bunden, klar til at blødgøre din landing. iStockphoto / Thinkstock

En anden forsøgt-og-sand teknologi til at hjælpe bygninger står op til jordskælv tager sit signal fra bilindustrien. Du er bekendt med støddæmper - Enheden der styrer uønsket forårsbevægelse i din bil. Støddæmpere sænker og reducerer størrelsen af ​​vibrerende bevægelser ved at dreje den kinetiske energi af din hoppende suspension i varmeenergi, som kan spredes gennem hydraulisk væske. I fysikken er dette kendt som dæmpning, hvorfor nogle mennesker henviser til støddæmpere som dæmpere.

Udviser dæmpere kan være nyttige ved udformning af jordskælvsresistente bygninger. Ingeniører placerer generelt dæmpere på hvert niveau af en bygning med den ene ende fastgjort til en søjle og den anden ende fastgjort til en stråle. Hver spjæld består af et stempelhoved, der bevæger sig inde i en cylinder fyldt med silikoneolie. Når et jordskælv rammer, forårsager den vandrette bevægelse af bygningen stempelet i hver spjæld at skubbe mod olien, der omdanner jordskælvs mekaniske energi til varme.

8. Pendulkraft

10 Teknologier, der hjælper bygninger modstå jordskælv: jordskælv

Den indstillede massespjæld ved Taipei 101 i Taiwan © Victor Fraile / Corbis

Dampning kan tage mange former. En anden løsning, især for skyskrabere, indebærer at suspendere en enorm masse nær toppen af ​​strukturen. Stålkabler understøtter massen, mens viskøse væskedamper ligger mellem massen og den bygning, den forsøger at beskytte. Når seismisk aktivitet får bygningen til at svinge, bevæger pendulet i modsat retning, hvorved energien spredes.

Ingeniører henviser til sådanne systemer som indstillede massedæmpere fordi hvert pendul er indstillet præcist til en strukturens naturlige vibrationsfrekvens. Hvis jorden bevirker, at en bygning oscillerer ved sin resonansfrekvens, vil bygningen vibrere med stor energi og vil sandsynligvis opleve skade. Arbejdet med en indstillet massespjæld er at modvirke resonans og for at minimere strukturens dynamiske respons.

Taipei 101, der henviser til antallet af etager i den skydegrave på 1.667 meter høj (508 meter høj), bruger en indstillet massespjæld for at minimere de vibrationsmæssige effekter i forbindelse med jordskælv og stærke vinde. I hjertet af systemet er en 730 tons (660-metriske ton) guldkugle fjernes af otte stålkabler.Det er den største og tyngste tunede massespjæld i verden.

7. Udskiftelige sikringer

10 Teknologier, der hjælper bygninger modstå jordskælv: hjælper

Ved du, hvordan en elektrisk sikring blæser, hvis den er overbelastet? Ingeniører forsøger at indarbejde dette koncept i jordskælvsbeskyttelse af bygninger. iStock / Thinkstock

I elektricitetsverdenen giver en sikring beskyttelse ved at svigte, hvis strømmen i et kredsløb overskrider et bestemt niveau. Dette bryder strømmen af ​​strøm og forhindrer overophedning og brande. Efter hændelsen udskifter du simpelthen sikringen og genopretter systemet til normal.

Forskere fra Stanford University og University of Illinois har eksperimenteret med et lignende koncept i stræben efter at bygge en jordskælvsresistent bygning. De kalder deres idé a styret gyngesystem fordi stålrammerne, der udgør strukturen, er elastiske og får lov til at rocke oven på fundamentet. Men det ville i sig selv ikke være en ideel løsning.

Ud over stålrammerne introducerede forskerne vertikale kabler, som anker toppen af ​​hver ramme til fundamentet og begrænser rocking bevægelsen. Ikke kun det, kablerne har en selvcentrerende evne, hvilket betyder at de kan trække hele strukturen oprejst, når rysten stopper. De endelige komponenter er de udskiftelige stål sikringer placeret mellem to rammer eller i bunden af ​​kolonner. Sættets metal tænder absorberer seismisk energi som bygningen klipper. Hvis de "blæser" under et jordskælv, kan de udskiftes relativt hurtigt og omkostningseffektivt for at genopbygge bygningen til sin oprindelige, båndformede form.

6. Rocking Core-wall

10 Teknologier, der hjælper bygninger modstå jordskælv: teknologier

En fire-etagers trærammebygning testes under betingelser for en række historiske jordskælv ved hjælp af verdens største udendørs skakbord af forskere ved University of San Diego California den 17. august 2013. © Mike Blake / Reuters / Corbis

I mange moderne højhuse bruger ingeniører kernevægskonstruktion for at øge seismisk ydeevne til lavere omkostninger. I dette design løber en armeret betonkerne gennem hjertet af strukturen omkring elevatorbankerne. For ekstremt høje bygninger kan kernevæggen være ret betydelig - mindst 30 fod i hver planretning og 18 til 30 inches tyk.

Mens kernevægskonstruktion hjælper bygninger med jordskælv, er det ikke en perfekt teknologi. Forskere har fundet ud af, at fastbaserede bygninger med kernevægge stadig kan opleve betydelige uelastiske deformationer, store forskydningskræfter og skadelige gulvaccelerationer. En løsning, som vi allerede har diskuteret, indebærer basisolering - flydende bygningen på blygummilager. Dette design reducerer gulvaccelerationer og forskydningskræfter, men forhindrer ikke deformation ved bunden af ​​kernevæggen.

En bedre løsning til strukturer i jordskælvszoner kræver en gyngekernvæg kombineret med basisisolering. En rockende kernevæg klipper på jorden for at forhindre, at betonen i væggen bliver permanent deformeret. For at opnå dette forstærker ingeniører de nederste to niveauer af bygningen med stål og indbygger efterspænding langs hele højden. I efterspændingssystemer er stålsnegler gevindskåret gennem kernevæggen. Senerne virker som gummibånd, der kan strækkes straks af hydrauliske stik for at øge kernevæggenes trækstyrke.

5. Seismisk Invisibility Cloak

10 Teknologier, der hjælper bygninger modstå jordskælv: modstå

Vi er vant til at se koncentriske ringe i krusende vand. Nogle seismologer tror, ​​at plastkoncentriske ringe kan være nyttige til beskyttelse af bygninger mod jordskælvsskader. Men hvad sker der med nærliggende bygninger, hvis overfladebølger fortsætter på deres vej med fuld kraft? Hemera / Thinkstock

Du kan tænke på vand eller lyd, når du overvejer emnet bølger, men jordskælv producerer også bølger, der er klassificeret af geologer som legeme og overfladebølger. Den førstnævnte rejser hurtigt gennem Jordens indre. Sidstnævnte rejser langsommere gennem den øvre skorpe og omfatter en delmængde af bølger - kendt som Rayleigh bølger - der flytter jorden lodret Denne op-og-ned-bevægelse forårsager det meste af rystningen og skaden i forbindelse med et jordskælv.

Forestil dig nu, om du kunne afbryde overførslen af ​​nogle seismiske bølger. Kan det være muligt at afbøde energien eller omdirigere den omkring byområder? Nogle forskere tror det, og de har kaldt deres løsning den "seismiske usynlighedskappe" for dens evne til at gøre en bygning usynlig for overfladebølger. Ingeniører mener, at de kan danne "kappen" ud af 100 koncentriske plastringe begravet under fundamentet af en bygning [kilde: Barras]. Når seismiske bølger nærmer sig, kommer de ind i ringene i den ene ende og bliver indeholdt i systemet. Udnyttet i "kappen" kan bølgerne ikke give deres energi til strukturen ovenfor. De passerer simpelthen rundt om bygningens fundament og dukker op på den anden side, hvor de forlader ringene og genoptager deres langdistancerejse. Et fransk hold testede konceptet i 2013.

4. Formhukommelseslegeringer

10 Teknologier, der hjælper bygninger modstå jordskælv: modstå

Ryo Ota, en gruppeleder for Olympus Optical Company i Japan, har et formhukommelseslegeringsrør. Ingeniører mener, at disse smarte materialer kan vise sig nyttige til at forhindre jordskælvsskader på bygninger. © TWPhoto / Corbis

Som vi diskuterede tidligere i nedtællingen, udgør plastikens plasticitet en stor udfordring for ingeniører, der forsøger at bygge jordskælvsresistente strukturer. plasticitet beskriver deformation, der forekommer i ethvert materiale, når kræfter anvendes på det. Hvis kræfterne er stærke nok, kan materialets form permanent ændres, hvilket kompromitterer evnen til at fungere korrekt. Stål kan opleve plastisk deformation, men det kan også beton. Og alligevel er begge disse materialer meget udbredt i næsten alle kommercielle byggeprojekter.

Gå ind i form hukommelse legering, som kan udholde tunge stammer og stadig vende tilbage til sin oprindelige form. Mange ingeniører eksperimenterer med disse såkaldte smarte materialer som udskiftninger til traditionel stål-og-beton konstruktion. En lovende legering er nikkel titanium eller nitinol, som giver 10 til 30 procent mere elasticitet end stål [kilde: Raffiee]. I en studie i 2012 sammenlignede forskere ved University of Nevada, Reno, den seismiske præstation af brokolonner af stål og beton med kolonner af nitinol og beton. Formhukommelseslegeringen overgik de traditionelle materialer på alle niveauer og oplevede langt mindre skade [kilde: Raffiee].

3. Kobberfiberpapir

10 Teknologier, der hjælper bygninger modstå jordskælv: jordskælv

Dette jordskælv advarselsskilt blev opført ved indgangen til basilikaen på Carmel Mission i Carmel, Californien. Basilica begyndte at få en seismisk retrofit i 2012. © Michael Fiala / Reuters / Corbis

Det er fornuftigt at overveje jordskælvsresistens, når du bygger en ny struktur, men eftermontering af gamle bygninger for at forbedre deres seismiske ydeevne er lige så vigtigt. Ingeniører har fundet ud af at tilføje basisoleringssystemer til strukturer er både gennemførlige og økonomisk attraktive. En anden lovende løsning, meget lettere at implementere, kræver en teknologi kendt som fiberforstærket plastfolie, eller FRP. Producenter producerer disse wraps ved at blande carbonfibre med bindende polymerer, såsom epoxy, polyester, vinylester eller nylon, for at skabe et letvægts, men utrolig stærkt kompositmateriale.

Ved eftermonteringsapplikationer kan ingeniører simpelthen vikle materialet omkring betonstøttekolonner af broer eller bygninger og derefter pumpe trykpoxy i mellemrummet mellem søjlen og materialet. På baggrund af designkravene kan ingeniører gentage denne proces seks eller otte gange, hvilket skaber en mumi-indpakket stråle med betydelig højere styrke og duktilitet. Utroligt kan selv jordskælvsbeskadigede søjler repareres med carbon-fiber wraps. I en undersøgelse fandt forskerne, at svækkede motorvejsbrokolonner cocooned med kompositmaterialet var 24 til 38 procent stærkere end uoppakkede søjler [kilde: Saadatmanesh].

2. Biomaterialer

10 Teknologier, der hjælper bygninger modstå jordskælv: teknologier

Muslinger: De er velsmagende og nyttige til jordskælvsbestandighed. iStock / Thinkstock

Selvom ingeniører gør med formhukommelseslegeringer og carbonfiberindpakninger, forventer de en fremtid, hvor endnu bedre materialer kan være tilgængelige for jordskælvsresistent konstruktion. Og inspiration for disse materialer kan sandsynligvis komme fra dyreriget. Overvej lavt musling, en toskallet bløddyr, der er fastgjort til havets klipper, eller efter at den er fjernet og dampet i vin på vores tallerken. For at forblive knyttet til deres usikre perches udskilles muslinger klæbende fibre kendt som gummistråder. Nogle af disse tråde er stive og stive, mens andre er fleksible og elastiske. Når en bølge styrter på en musling, forbliver den lagt, fordi de fleksible tråde absorberer stød og udslipper energien. Forskere har endda beregnet det nøjagtige forhold mellem stive til fleksible fibre - 80:20 - der giver muslingens klæbrighed [kilde: Qin]. Nu handler det om at udvikle byggematerialer, der efterligner muslinget og dets uhyggelige evne til at blive sat.

En anden interessant tråd kommer fra den sydlige ende af edderkopper. Vi ved alle, at pund for pund er edderkoppesilke stærkere end stål (spørg bare Peter Parker), men MIT-forskere mener, at det er det dynamiske svar fra det naturlige materiale under tung belastning, der gør det så unikt. Når forskere trak og trak på enkelte tråde af edderkoppesilke, fandt de trådene oprindeligt stive, derefter elastiske og derefter stive igen. Det er dette komplekse, ikke-lineære svar, der gør spindelvævene så modstandsdygtige, og spindeltråd er et så spændende materiale som at efterligne i den næste generation af jordskælvsresistent konstruktion.

1. Kartonrør

10 Teknologier, der hjælper bygninger modstå jordskælv: jordskælv

I denne illustration kan du se papkatedralen designet af japansk arkitekt Shigeru Ban. Den midlertidige struktur, der også bruger træ, stål og en betonbase, vil rumme 700 lånere, mens en permanent katedral er bygget. Christchurch Cathedral via Getty Images

Og hvad med udviklingslande, hvor det ikke er økonomisk muligt at indarbejde jordskælveteknologier i huse og kontorbygninger? Er de dømt til at lide tusindvis af ofre hver gang jorden ryster? Ikke nødvendigvis. Team of ingeniører arbejder over hele verden for at designe jordskælvsbestandige strukturer ved hjælp af lokalt tilgængelige eller let opnåelige materialer. For eksempel har forskere i Peru gjort traditionelle adobe strukturer meget stærkere ved at forstærke vægge med plastnet. I Indien har ingeniører med succes brugt bambus til at styrke beton. Og i Indonesien står nogle boliger nu på nemme at lave lejer med gammeldags dæk fyldt med sand eller sten.

Selv pap kan blive et robust, slidstærk byggemateriale. Japansk arkitekt Shigeru Ban har designet flere strukturer, der indeholder kartonrør overtrukket med polyurethan som de primære rammelementer. I 2013 afslørede Ban et af sine designs - Transitional Cathedral - i Christchurch, New Zealand. Kirken bruger 98 gigantiske kartonrør forstærket med træbjælker [kilde: Slezak]. Fordi karton-og-træstrukturen er ekstremt lys og fleksibel, udfører den meget bedre end beton under seismiske hændelser. Og hvis det falder sammen, er det langt mindre tilbøjeligt at knuse folk, der er samlet inde. Alt i alt gør det dig lyst til at behandle paprørene, der ligger i din toiletpapirrulle med lidt mere respekt.

Ville Sonic Hedgehog være i stand til at overleve sin egen hastighed?

Ville Sonic Hedgehog være i stand til at overleve sin egen hastighed?

Kan Sonic the Hedgehog realistisk håndtere supersoniske hastigheder? WordsSideKick.com udforsker, hvad ellers Sonic måske skal overleve sin hurtighed.


Forfatterens note: 10 teknologier, der hjælper bygninger, modstår jordskælv

Da jordskælvet i 2011 ramte, var jeg omkring 55 miles (89 kilometer) fra epicenteret. Det fremkalder en lokomotiv-lignende rumbling og flyttede jorden på en foruroligende måde, der er svært at beskrive. I de små byer Louisa og Mineral i nærheden af ​​min mors hus faldt et par strukturer sammen, og mange flere oplevede betydelig skade. Selv om selve skælvet var skræmmende, var det mere foruroligende vores kollektive fornemmelse, at vi på en eller anden måde var isoleret fra disse slags begivenheder, idet vi var så langt fra brandens ring og den konstante trussel om tektonisk aktivitet. Gør mig spekulerer på, om bygningskoderne i Virginia er blevet opdateret for at inkorporere nogle af disse jordskælvsresistente teknologier.


Video Supplement: Paul Romer: Why the world needs charter cities.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com