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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(gòu)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(gòu)造活動的國家和地區(qū)已經(jīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)材料的重量,以及活荷載,如建筑物內(nèi)的人員、家具和其他設(shè)備)。在發(fā)生地震時,地震波傳遞的側(cè)向力使整個結(jié)構(gòu)發(fā)生振動,這可能導(dǎo)致從表面損害到結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的搖擺。但是,除了結(jié)構(gòu)加固外,建筑物的材料也能發(fā)揮關(guān)鍵作用。木材作為一種結(jié)構(gòu)材料,在地震情況下結(jié)構(gòu)效果極佳,因為木材抗側(cè)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(jīng)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(zhì)纖維的拉/壓應(yīng)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(zhì)。建筑物的質(zhì)量越小,地震波產(chǎn)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生巨大的位移,破壞建筑部件。一些實際測試和調(diào)查表明,由大量木材制成的鋼木結(jié)構(gòu)建筑,其性能足以應(yīng)對這些自然現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(fù)是可能的。”


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(guān)重要的,以便在緊急關(guān)頭提供援助,并允許災(zāi)后重建。災(zāi)后建筑(post-disaster building)被定義為在災(zāi)難發(fā)生時提供服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施。


這意味著這種類型的設(shè)施在建造時的抗震設(shè)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(chǔ)設(shè)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(zāi)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(shè)計的,這意味著這些結(jié)構(gòu)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(shè)計成便利的社區(qū)中心,在地震或其他類型的災(zāi)害發(fā)生后提供安全的庇護和服務(wù)。


在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面,他指出:“在Bayview小學和SirMatthew Begbie小學的抗震設(shè)計中,我們使用了CLT剪力墻系統(tǒng),這是一種大型木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)束后被重新利用,并且在火災(zāi)中甚至在地震帶也是安全的。

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