日本建成世界上最大的地震模拟器

2020-08-11 13:41:28
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  日本的建筑和建筑规范随着时间的流逝而发展,以抵御不断发生的地震威胁。尽管如此,没有任何计算,小规模的物理模型或虚拟计算机建模可以替代现实世界的测试。

  1995年神户发生的6.8级地震是日本政府的一次警钟。“总的来说,”建筑师Alastair Townsend写道,“地震和随之而来的火灾摧毁了大约150,000处房屋,使30万人无家可归。有6300人丧生。” 可以预见的是,许多没有足够承受横向载荷(左右摇晃)的老建筑被损坏或破坏。但是,新建筑在地震中遭受的损失也超出了预期。

  曾在日本从事建筑业务多年的汤森德解释说:“这些令人惊讶的失败暴露出令人不安的真相:仅凭计算就无法完全预测导致建筑物在重大地震中倒塌的复杂运动。” 计算机模型有帮助,但必然是抽象的。微型物理模型会扭曲全方位力。但是“为了消除所有疑问,人们将必须建立一个完整的模型并对其进行全力地震模拟,以确认其地震强度并暴露出任何关键的失效点。” 听起来这似乎是不可能的解决方案,但是日本政府却继续建造了这样的模拟系统。

  神户大地震发生后,日本国立地球科学与防灾研究所(NIED)开始设计一个巨大的“震动台”,可以模拟7级地震。该项目正式称为3D全面地震测试设施,于2005年完成了E-Defense的测试。该机器“本身就是一个工程奇迹”,正如Townsend所描述的那样,“其破坏性堪比机器人机甲为保护日本城市免遭流行漫画和动漫系列的歼灭而战的巨人。”

六层公寓楼,位于地震模拟平台上进行测试

  在项目的实验大楼内部,整个多层大楼都放置在一个可以前后移动的平台上,可以在三个维度上模拟复杂的地震效应。可以从外部观察结果,但也可以使用放置在摇动结构内部的一系列摄像机和传感器在内部进行测量。

  Townsend解释说:“振动台由液压系统提供动力,就像可上下颠簸的低矮悬架一样。在附近的一个棚子里,四台巨大的4,300马力的燃气发动机为对系统加压的液压泵提供动力。” 特殊的接头和活塞使平台可以在三个维度上移动。

  E-Defense系统将某些测试建筑物推向极限,并展示了在其他建筑物中进行改造的功效。实验也超出了结构的范围,在室内,房间可以摆放全尺寸的家具,固定装置和人物雕像。从这些栩栩如生的模拟中学到的经验教训可用于应对可能的灾难的面向未来的新架构。

  NIED除降雨模拟器和涡旋环境模拟器外,还具有较小的振动台。其中的最后一个旨在使用造雪机和风洞系统研究雪灾(包括雪崩,通常是地震造成的)。

  在日本,地震是日常生活中的一个事实,居民已经学会了期待地震。房地产行业甚至使用模拟灾难期间性能的视频(如上述视频)销售一些房屋。汤森(Per Townsend):“晃动和颠簸的频繁感突显出建筑物不是静止的,而是表现为动力机制……。见证建筑物如此大规模地行驶,无视我们的默契,认为它们是坚固,易碎且坚硬的物体。”

  对地震的这种熟悉早已为日本的历史建筑传统提供了信息,并导致了诸如将木节互锁 (不使用螺钉或胶水)的创新。结合将木质建筑物宽松地放置在地基上的做法(使它们自由振动),这些松散的接缝可以运动,进而有助于吸收震动。

  构造危险的持续性还为新的混凝土,玻璃和钢结构建筑的拆除和拆除提供了依据。例如,已经开发出了一些技术,可以 在短短几十年后仔细地对过时的建筑物进行解构,同时最大程度地减少过程中的污染,浪费,能源和费用。


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