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木材是地震區(qū)建筑材料的好選擇嗎?
2022-09-14



對于一些人來說,想到我們居住在一個圍繞太陽運行的球體上,其核心溫度高達6000℃,而所有的人類活動都位于地殼上,即所謂的構造板塊中最薄的一層,這可能是很可怕的事情。這些板塊漂浮在地幔上,更準確地說,是在軟流層上,有時會發(fā)生碰撞引起地震。

正如我們在許多互動地圖上所看到的,地震比我們想象的要頻繁得多,全世界每天都有幾十次地震發(fā)生,其中許多是不被注意的。但是有些地震的威力極大,當它們發(fā)生在城市附近時,是地球上最具破壞性的力量之一,造成的死亡和對建筑環(huán)境的破壞極其嚴重。


隨著工程研究、測試和實驗的進步,頻繁發(fā)生構造活動的國家和地區(qū)已經有了減少這些事件造成的死亡和破壞的知識。一些解決方案和材料應對地震發(fā)生效果更好。木材就是其中之一。


地震發(fā)出的沖擊波間隔短而快,就像一個極其猛烈的水平波。建筑物一般都能很好地負擔垂直荷載(包括永久荷載,如結構材料的重量,以及活荷載,如建筑物內的人員、家具和其他設備)。在發(fā)生地震時,地震波傳遞的側向力使整個結構發(fā)生振動,這可能導致從表面損害到結構的完全倒塌。


在有地震活動的地區(qū),靈活的地基系統(tǒng)、配重物甚至阻尼器被用于高層建筑,以避免或平衡結構的搖擺。但是,除了結構加固外,建筑物的材料也能發(fā)揮關鍵作用。木材作為一種結構材料,在地震情況下結構效果極佳,因為木材抗側力系統(tǒng)往往具有高度的延展性。


這意味著它是一種可以在其斷裂之前抵抗嚴重變形的材料。也就是說,它在斷裂之前就已經彎曲了。試想一下,一棵樹在暴風中的樣子。因為木材是由長、薄、強的細胞組成,細胞壁的拉長使木材具有平行于紋理的高強度,這使其性能成為可能。木制品可以承受非常高的負荷,特別是在承受平行于木質纖維的拉/壓應力的情況下。


在這些情況下,木材的另一個優(yōu)點是它的輕質。建筑物的質量越小,地震波產生的慣性力就越小。不列顛哥倫比亞大學木材工程專業(yè)助理教授CristianoLoss專門研究高性能木結構系統(tǒng)和結構的抗震性。他參與了木材組件的實驗測試,指出了這種系統(tǒng)的固有優(yōu)勢?!暗侥壳盀橹?,使木材更堅固的是它更輕的重量。你可能認為這是一個缺點,但它實際上是一個很大的優(yōu)點,”他解釋說?!澳静谋然炷凛p五倍,大大減小了建筑受到的地震力”。


簡而言之,在地震中表現良好的建筑是平衡剛度和重量的建筑。太過剛性的建筑會變得很脆弱,因為它的結構最終會隨著震動而斷裂,而較輕的、不那么剛性的建筑則會使住戶搖晃得更厲害,并產生巨大的位移,破壞建筑部件。一些實際測試和調查表明,由大量木材制成的鋼木結構建筑,其性能足以應對這些自然現象。


Cristiano Loss 指出了木材系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢:它們的連接系統(tǒng)暴露在外?!坝捎跊]有在材料和結構系統(tǒng)中使用鋼筋,損壞可以很容易地被檢測到。只要你在系統(tǒng)中進行了良好的連接,及時修復是可能的?!?/span>


在地震常見的地方,在發(fā)生強震時找到安全的地方為民眾提供庇護是至關重要的,以便在緊急關頭提供援助,并允許災后重建。災后建筑(post-disaster building)被定義為在災難發(fā)生時提供服務的基礎設施。


這意味著這種類型的設施在建造時的抗震設計荷載將大大高于典型的住宅或商業(yè)建筑。這包括電力中心、支持性基礎設施和水電運營中心。木材已被確定為建造這類建筑的理想材料,因為它能抵抗地震力,在面對風甚至火災時也很耐用。


Fast+Epp公司負責人,工程師 Nick Bevilacqua 說,加拿大不列顛哥倫比亞省的學校是按照高重要性類別設計的,這意味著這些結構在地震中的抗震要求比普通建筑高30%。除了保護學生,它們還被設計成便利的社區(qū)中心,在地震或其他類型的災害發(fā)生后提供安全的庇護和服務。


在結構創(chuàng)新方面,他指出:“在Bayview小學和SirMatthew Begbie小學的抗震設計中,我們使用了CLT剪力墻系統(tǒng),這是一種大型木結構組件,它提供了抗震系統(tǒng)必須能夠滿足的延展性。延展性是指一個結構在不發(fā)生故障的情況下所能彎曲的程度。” 剪力墻通過四角的鋼支桿連接到地基上,在發(fā)生地震時,整個結構可以發(fā)生移動并分散能量而不會倒塌。

發(fā)展能夠減少建筑物在地震中的風險和損害的解決方案,激勵著世界各地的眾多研究人員。據觀察,木材建筑很輕,有足夠的強度,可以通過使用包括鋼在內的混合系統(tǒng)吸收和分散部分地震能量。


地震展示了大自然的全部力量,以及我們面對它的脆弱程度。大型木結構是一個高韌性的建筑系統(tǒng),此外,它還是一個高度可持續(xù)的建造方式,可以在其使用壽命結束后被重新利用,并且在火災中甚至在地震帶也是安全的。

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