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看木结构建筑以柔克刚,减轻地震灾害

看木结构建筑以柔克刚,减轻地震灾害

打印 0条评论来源:加拿大木业协会(ID:canadawood)


地震,似乎离我们的生活很遥远,但其实地球上的地震活动远比我们想象得要频繁得多,世界各地每时每刻都会发生数十次强弱不一的地震活动,其中大部分都未被我们注意到。一旦发生高强度的地震,对建筑环境的直接破坏以及人员伤亡的后果是及其沉重的。


随着科技的进步,尤其是人类在材料领域的不断探索,地震频发地区的居住者常常运用一些特定建材来帮助减弱地震发生时的伤亡影响,木材就是其中之一。



许多人对于木材有不少误解,认为木材是一种脆弱的建材,觉得用木材建造的房子是极不稳定的,但事实上木材强度高而质量轻,具有良好的韧性,反而能够以柔克刚,使得木结构房屋可以有效的抵御强风和地震。


在地震作用下,建筑物会发生变形。变形的性质和程度取决于结构材料和结构布置的特点,如刚度、强度和弹性,以及三者之间的相互作用。为减小变形和震颤,必须达到一定的刚度。结构材料还应具备足够的强度,特别是较高的强度重量比。好的建筑材料都具有很好的韧性,虽然变形但不会造成垮塌,作为结构用建筑材料,木材具有良好的抗震特性。


地震和强风产生的横向荷载,容易对墙体结构造成损坏,在可能有强风或强震的地区,木结构剪力墙墙体的强度应更高,墙体之间的间距应更小,低层的墙体承受更大的竖向和横向荷载,有更高的承载力。此外,高层建筑中通过合理的建筑设计和结构设计,甚至安装阻尼器减轻结构的振动响应,确保了建筑的安全性。


1994年,美国洛杉矶北岭地震期间,桥梁墩柱击穿了桥面,科研人员意识到地震期间地面有过强烈的垂直运动。1971年,在圣费尔南多地震期间,建筑物发生的扭曲和摇摆让人们相信地震期间地面可能发生了转动,地面不仅仅是在水平振动的。对于科研工作者而言,重现完整的地震运动因而变得非常必要。



2016年,世界上最大的室外地震模拟器在美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校开始工作,由该校结构工程师们运维。NSF(美国国家科学基金)提供了1630万美元的经费,用于升级该地震模拟器以扩展其试验能力。


第一个在升级后振动台上进行试验的结构便是一个由交叉层压CLT木板制成的10层木结构建筑。其试验的目标是收集关键的基础数据,为设计高达20层的木结构建筑做测试。这样一个精密的地震模拟器,对于地震带上的城市实现旧建筑改造以及新建筑规划都至关重要。



目前,在我国地震带上的地区房屋主要还是砖瓦结构。对比1923年日本关东大地震、1976年我国的唐山大地震和2008年的汶川大地震都证明了砖瓦结构房屋抗震性十分差。在关东大地震后,轻型木结构房屋成为日本乡村房屋的主流。


1987年新西兰南岛6.7级地震发生之后,证实了木结构房屋的优越性,此后新西兰政府便大力提倡木结构住宅。目前,在地震多发的日本、新西兰等大部分都是木结构房屋。



从材料性能来看,木材的顺纹抗压强度较大,而横纹抗压强度相对较小。地震时,木结构建筑自重轻,又有很强的弹性恢复力,对于瞬间冲击载荷和周期性疲劳破坏有很强的承载能力,所以在同等地震作用下产生的作用力小于钢结构和混凝土结构。


简单来理解,就像一棵树在暴风雨中弯腰的形态,往往更不容易被风吹断。此外,木结构中使用的众多紧固件和连接件为极端力提供了多个负载路径,即便某些连接断裂,结构倒塌的概率也被降低。


在日本,除了传统的木结构,还会有特定公司回收利用建筑用的木材废料,加入聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等,做成新型的木制材料,通过加工工艺,生产出新型的建筑材料。这样既安全抗震,又节省能源。




木结构如果在施工过程中紧密连接,再加上其本身较轻,就能保证它的整体性而且更不容易倒塌。



对于地震事件频发的地方,在危急时刻布局救援设施,搭建临时居住点以及之后重建基础设施都至关重要。尤其是包括电力中心、配套基础设施和水电运营中心在内的这类建筑,其抗震设计载荷需要高得多。


木材已被确定为建造此类建筑的理想材料,因为它在抗震,防风及防火方面的表现都非常优异。



国际结构工程公司Fast+Epp的总工程师Nick Bevilacqua表示,加拿大UBC大学被设计为高重要性类别建筑,这意味着这些结构的设计在地震中能够承受比普通建筑物高30%的抗震力。除了保护学生之外,还是一个便利的社区中心,在地震或其他类型的灾难之后提供安全、庇护和服务等功能。


在结构创新方面,Bevilacqua还指出“对于Bayview小学和Matthew Begbie爵士小学的抗震设计,使用了CLT剪力墙系统。”连接件和紧固件也十分重要,因为他们将结构材料和结构构件连接在一起传递地震荷载。



人类在强大的大自然面前是脆弱的,但人类是智慧的,使用恰当的建筑材料和建筑方案,可以有效降低地震中建筑物风险和损坏。


木结构建筑自重轻,在地震中,自重越轻,惯性越小,水平荷载也就越小,建筑的晃动幅度也得以减缓。



木材具有较好的弹性,并不会直接折断、垮塌,能够为受灾人民赢得更多的逃生时间。


木结构结构稳定,传力路径众多的房屋一般被认为在结构上具有冗余性。他们在地震中可以提供额外的安全性。


便于施救工作的展开。地震发生后,便于后期的施救工作,可更进一步的减少人员伤亡,并且木结构较好的弹性使它不容易像其他建筑结构一样发生二次坍塌。


木结构房屋不仅可以减少伤亡,保护环境,具备社会效益和经济效益。加强木结构房屋抗震性好、节能环保的宣传引导是必要的,同时制定木质房屋抗震标准,规范木结构行业,培育一批带动性强的木结构房屋生产企业,推动木结构建筑配件标准化也是重中之重。


有条件的地区,可以结合乡村振兴,将木结构房屋推广与美丽乡村、康养小镇建设结合起来。在当下,绿色金融、碳汇交易等市场机制愈发成熟的背景下,重木结构在震区的推广势在必行。


参考资料:


https://www.baidu.com/link?url=VLGGviRfxMLzL7ZuynAx5zj37pNjK_9RGp1hZnrGmJskoZZ6XAL1eMKA--TMZchwG57zffhxXQQpqnZ1_paEQfkplXNaPLG2GlWXC92bXI9a30Ek_Xc3xF_O_vSizsDDXiSO7mFJGdM860TOEvyfsTresWVPU1cTgncdPf-7xS6stg3jzOCxCnDGw1QN-mZsYYId-sZBHnOdHCkqvEET3q&wd=&eqid=89b582de000015e00000000461dbdb71


https://news.gmw.cn/2020-03/25/content_33685343.htm


http://nheritallwood.mines.edu/index.html


https://www.thinkwood.com/resilience


https://mp.weixin.qq.com/s/KHliZkzHE_gW_z4RvLSAUw


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(编辑:奚雅青)



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