在地震中活命:你不知道的 10 種房屋抗震科技

作者 | 發布日期 2015 年 05 月 01 日 12:00 | 分類 尖端科技 , 環境科學 follow us in feedly

像地震這樣的天災總會降臨在人們頭上,成功預測和有效抵禦它們,成為天文和地理學家、工程師奮鬥終生的目標。然而,在現實中,再強大的地震預測機制也很難打出足夠的提前量,讓受災地區人民提前撤離。



但這並不意味著地震學家的學術工作沒有意義:他們為另一群人——建築工程師們——提供了最關鍵的抗震指導,告訴了這些工程師應該在哪些地區建造抗震等級多高的建築物。接下來的事情,就交給工程師了。

這些絕頂聰明的天才研發出了許許多多種增強建築物強度,或提高其耐受能力的技術,當中許多你可能從來沒見過,甚至沒想像過會出現。今天,PingWest 品玩帶你見識世界上最厲害的 10 種建築物抗震科技——感謝它們和發明它們的工程師吧。

 

1. 懸浮結構

絕大多數建築物都不是你所見到的樣子,為了穩固,在表面之下還有地基以及利用地基建設的地下室。然而,地基 / 地表建築一體化的結構在抗震方面並不理想,當發生夠強大的地震時,地基被擠壓和振動造成的形變足以對地表以上的建築帶來災難性的破壞。

工程師登場了,帶來了一種充滿創造力的新結構——懸浮結構:將地表建築和地基分離開來,中間加上由培林(bearing)組成的「懸浮層」,當地震襲來時,地基發生的劇烈晃動對地表建築造成的影響將被極大地減小。

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地震頻繁國家日本的工程師更時髦:建築的傳感器感知到地震波,在半秒鐘內啟動一個壓縮裝置,將地表建築和地基之間的充滿高壓氣體,讓建築物真的「浮」在地基之上。地震結束後,壓縮裝置開始洩壓,房屋又能恢復到原來的地基結構之上——沒人受傷,地表房屋也沒有遭到破壞,皆大歡喜。

 

2. 減震器

你最熟悉的減震器在汽車裡:簡單來說,這是一套由彈簧和液壓系統組成的結構,能夠將汽車行駛當中產生的震動吸收轉化,從而讓駕駛和乘坐汽車的人感覺舒服一點。如果沒有減震器,那麼當你開車路過減速坎的時候可要小心點了,因為每一道檻都足以讓你的腦袋頂穿車頂……

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建築工程師將減震器應用到了建築當中。和汽車當中大部分垂直放置的減震器不同,建築物當中的減震器水平或傾斜放置在每一樓層當中,當地震發生時建築物的扭動使得樓層之間產生水平方向的動能,而減震器將動能的一部分吸收轉化為熱能,從而降低了這種動能對建築物帶來的撕裂效應。

 

3. 阻尼器

你去過台北 101 大樓嗎?如果去過的話,那你一定對樓頂的金色大球印象深刻吧?101 大樓還推出過以這個大圓球為原型的吉祥物「Damper Baby」。其實,大圓球是 101 大樓的「鎮樓神球」——風阻尼器,學名叫做 Tuned Mass Damper(調諧質量阻尼器)。

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對於 101 這樣的摩天塔狀大樓來說,不需要地震,當風力夠大時就足以對建築物產生形變,使得居於其中的人感覺到「震感」。而大圓球被放置在樓頂,當外力作用於建築物的時候,建築物的擺動產生的能量會被傳導至大圓球,而大圓球的質量剛剛好可以在建築物整體擺動時,由於慣性的作用向相反方向擺動,從而中和建築物的形變。

是不是很好玩?

 

4. 可更換鋼連梁「保險絲」

燃燒自己,保衛生命。

大多數人的生活中可能只見過空氣開關了——還記得以前的保險絲嗎?

保險絲可以承受一定程度的電流,而當電流強度超過額定情況時,保險絲就會熔斷,從而將整個電路切斷,保護電器進而保護人身安全。

工程師將保險絲的邏輯應用到了建築當中。鋼架結構建築物由於金屬的特性本身具有一定的彈性,從而可以吸收一定程度的震動能量。除了鋼結構之外,建築工程師還將在整個建築物從頭到腳用垂直的可更換鋼纜「纏緊」。這些鋼纜就像橡皮筋一樣,可以將整個結構受力。當地震發生時,鋼纜可以吸收相當大一部分的動能,保持建築物的結構端正。

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一旦受力過高,鋼纜會像保險絲一樣崩斷,將能量釋放給鋼結構以及其他的鋼纜。就像保險絲一樣,鋼纜是可替換的——勒緊自己,保衛生命!

 

5. 搖擺牆

高科技往往意味著高造價。對於抗震要求不太高的建築物來說,在有限的造價內實現足夠的抗震等級,建築師往往會採用 core-wall(核心牆)技術:在建築物的中心位置(通常是電梯井的四周)砌築強化鋼筋混凝土牆。

搖擺牆則是在核心牆上繼續加裝前面提到的一些彈性強化裝置,比如可調節的鋼筋等。結果就是在較低的造價上實現了建築的核心結構具有足夠的震動耐受性。

 

6. 地震波「隱形衣」

地震不是簡單的地面來回震動,它沒你想像的那麼簡單。震源發出地震波,具體體現為地表以下內部傳遞的實體波,和更複雜的、多種波型經過多次折反射在地表傳遞的表面波。

地震波和光波一樣,都是一種波。人們總是憧憬著隱形衣的問世,光可以直接穿過這種材質,不會讓掩蓋在材質後面的人或物顯現出來(可以參考《不可能的任務:鬼影行動》裡伊森·韓特和他的夥伴班吉在克里姆林宮地下室通道裡曾經使用過的「障眼幕布」,雖然實現原理不同,不過效果差不多,見下圖)。

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然而這種材質的物料,從組成的粒子大小和例子的排列結構上都十分特殊,以至於現實生活中非常難以實現……

所幸,地震波相比光波來說,因為頻率、波長等參數的關係,想要實現「隱形」更容易一些,更何況隱形根本不需要那麼嚴格,只需要將地震波偏振到其他方向,即可讓「隱形衣」所保護的建築免受地震波的波及。

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2013 年一次試驗中,法國科學家在 5 米深的地下,用點陣方式排了一系列直徑 0.3 公尺左右的高強度塑料材質圓柱。從地表下傳來的地震波的動能,在進入之後被鎖定在了這個結構當中,然後被平移到了結構的外側,從而有效降低了結構上方的建築物所接受到的動能。

然而,「隱形衣」往往只對特定頻率的地震波有效,而真實情況中的地震波往往是多種多樣的。前面提到的表面波才是造成傷亡的最大原因,而這種結構對表面波幾乎沒有效果;更何況這種結構本身就很脆弱,在對抗大地震時自身也脆弱的不堪一擊……

但,有效果總比沒效果好,對吧?

 

7. 形狀記憶合金

建築當中主要採用兩種材料:(鋼筋)混凝土和鋼鐵,因為他們的堅固性較高。但是,抗擊地震不僅需要堅固性,還需要耐受力。耐受力高的材質在地震發生時可以產生形變而吸收地震的動能,同時將動能轉化為其他形式的能量。而一旦動能太過強大,材質的形變程度超過其可耐受的程度,就會直接斷裂、破碎。

人類社會最早使用極為黏土結構建造房屋,後來他們不滿足於簡單的黏土結構,開始使用木頭;還不滿意,有了磚木混合;還不滿意,有了混凝土;依然不滿意,有了鋼筋混凝土;仍然不滿意,有了純鋼架結構。但即便是最為堅固的鋼架結構依然會有耐受力不足的情況。於是,材料科學家和建築工程師開始考慮使用一種更為強大的材質:形狀記憶合金(Shape Memory Alloys)。

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由鎳和鈦組成的鎳鈦記憶合金可以比現有的建築用鋼在彈性上提升 30% 的水平。當一次災難性的地震發生,連鋼架都因為強大的動能被撕裂的時候,形狀記憶合金和鋼筋混凝土建成的建築物依然堅挺。這種合金在被人們稱為「智慧合金」。

它就像你的記憶枕一樣,可以在你躺下的時候用最合適的姿勢承受頭的質量,在你起床的時候回復原來的形狀。形狀記憶合金用在建築上並不一定能回復到 100% 的原樣,但至少建築裡的人沒事,財產受到的影響不大,夠偉大了。

喔對了,矯正過牙齒嗎?鎳鈦記憶合金就是你鋼牙裡的那條金屬線哈~

8. 碳纖維加固改造

在剛發生的尼泊爾大地震中,人員傷亡和財產損失是一方面,許多歷史遺產建築遭受的損失更是無法估量。

保護這些年久失修的古建築,提升其抗震性,可能遠比修建新的抗震建築重要,然而尼泊爾過去沒有把握住這樣的機會。警鐘已經敲響,我們該怎樣提升這些在建設過程中沒有考慮抗震性能的建築?

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工程師們用碳纖維和尼龍、聚酯、乙烯基質等化纖材質的線纜攪和在一起,捆綁在建築物的承重結構上,比如橋樑的橋墩、建築物的承重牆,從而用較低的成本實現對非抗震結構建築物的抗震加固改造。這種方式叫做 FRP——Fiber-Reinforced Plastic wrap。研究顯示,經過這種方式進行多次加固的建築物抗震能力能夠提升 20-40%。

 

9. 生物材質

蜘蛛和牡蠣,給材料科學家和建築工程師帶來新的靈感。

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在單位粗細和數量上對比,蜘蛛絲比鋼鐵還要堅韌。然而材料科學家們發現蜘蛛絲擁有一種特別有趣的、「非線性」的堅韌表現:當被拽壓變形時,蜘蛛絲的韌度先提升;當力度到達一定程度時,蜘蛛絲開始變得柔軟以應對形變;力度繼續提高,蜘蛛絲又開始變得堅韌——很顯然,蜘蛛人彼得·帕克充分利用了這一點。

生物學家們還發現了海中的一些有殼軟體動物和他們的殼相連的那段部分(對,就是你們經常吃的瑤柱)在堅固和柔軟之間的配比極為合適——大約為 4:1。這種配比使得這些貝殼類生物在面對海上的風浪時得以存活。

好吃,救命……

10. 紙板

相對較複雜的多層紙板結構極為堅固——這其實並不需要科學家去研究,把你家買電器產品留下的紙板箱多折幾層就能發現了。

日本建築師有坂茂將紙板捲成筒,刷上用來密封、黏合和防水保溫的有機高分子材料聚氨酯,當做建築物的主要框架材料。2011 年 2 月紐西蘭百年大教堂因地震倒塌,奪走近 200 條人命。現在,原址上拔地而起的新大教堂就是用上面描述的這種紙板筒結構,加上加固用的木樑建成的。

紙板結構非常堅固,兼具彈性,質量極輕。用這種材質結構建造的建築,抗震性能較好;一旦倒塌,也比傳統的混凝土 / 鋼架結構建築對人員和財產造成的損害小……

上完廁所,也許你應該重新認識一下用完的紙捲筒……

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 (本文由 PingWest 授權轉載) 

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