2019-07-04 23:08:01
原子级竖立器组

为了设计能承受最大风暴的建筑物,Kostas Keremidis博士。麻省理工学院混凝土可持续发展中心的候选人正在使用最小规模的研究 - 原子的研究。

他的方法部分源于材料科学,将建筑物模拟为通过原子尺度上发现的力相互作用的点的集合。

“当你看一座建筑物时,它实际上是柱子,窗户,门等之间的一系列连接,”Keremidis说。 “我们的新框架着眼于不同的建筑构件如何连接在一起形成一个像原子一样的建筑物形成一个分子 - 类似的力量将它们组合在一起,无论是原子还是建筑规模。”该框架称为基于分子动力学的结构建模。

最终,Keremidis希望它能为开发商和建筑商提供一种新方法,以便随时预测飓风和地震等灾害造成的建筑物损坏。

制作模型

但在他预测建筑物损坏之前,Keremidis必须先组装一个模型。

他首先将建筑物分成节点或“原子”。这是一种称为“离散化”的标准程序,其中建筑物被分成不同的点。然后他根据材料给每个“原子”不同的属性。例如,每个“原子”的重量可以取决于它是地板,门,窗户等的一部分。在对它们进行建模后,他定义了它们的键

建筑模型中点之间的第一种类型的粘合称为轴向粘合。这些描述了元素在其跨度方向上在负载下变形的方式 - 换句话说,它们模拟了柱子如何收缩然后在负载下弹回,如弹簧。

第二种类型的连接是角度连接,其表示像梁一样的元件如何在横向方向上弯曲。 Keremidis使用这些垂直和横向相互作用来模拟不同建筑元素的变形和破坏。当这些键变形过多时就会发生断裂,就像在真实结构中一样。

为了了解他的一座建筑物如何在风暴或地震等条件下运行,Keremidis必须在众多模拟中彻底测试这些组装的原子及其键。

“一旦我拥有了我的模型和我的建筑物,我就可以进行大约10,000次模拟,”Keremidis解释道。 “我可以为一个元素或建筑分配10,000个不同的负载,或者我也可以为该元素分配10,000个不同的属性。”

为了评估这些模拟条件或属性的结果,Keremidis回归债券。 “当他们在模拟过程中变形时,这些债券将试图将建筑物恢复到原来的位置,”他指出。 “但它们也可能也受到损害。这就是我们模拟损害的方式 - 我们计算了有多少债券被破坏以及在哪里被破坏。”

损坏在于细节

该模型的创新实际上在于其损伤预测。

传统上,工程师使用称为有限元分析的方法来模拟建筑物损坏。与麻省理工学院的方法一样,它也将建筑物分解为组成部分。但它通常是一种耗时的技术,围绕元素的弹性设置。这意味着它只能模拟建筑物中的小变形,而不是在飓风负荷下经常发生的大规模非弹性变形,如断裂。

他的分子动力学模型的另一个好处是,Keremidis可以通过玩原子及其键的布局和性质来探索“不同的材料,不同的结构特性和不同的建筑几何形状”。这意味着分子动力学可以对建筑物的任何元素进行建模,并且更快。

通过将这种方法扩展到单个建筑物之外,分子动力学还可以更好地为城市,州,甚至联邦减灾工作提供信息。

为了减轻危害,城市目前依赖联邦紧急事务管理局(FEMA)的模型HAZUS。它需要历史天气数据和十几种标准建筑模型来预测社区在危险期间可能遭受的损害。

虽然有用,HAZUS并不理想。它提供大约十几种标准化建筑类型,并提供定性而非定量的结果。

然而,麻省理工学院的模型将使利益相关者能够更详细地了解情况。 “对于FEMA的HAZUS,目前的分类水平太粗糙了。相反,我们应该有50或60种建筑类型,”Keremidis说。 “我们的模型将使我们能够收集和建模更广泛的建筑类型。”

由于它通过计算原子之间断裂的键来测量损害,因此分子动力学方法也将更容易量化风暴或地震等危害对社区造成的危害。对危害损害的这种量化理解应该能够更准确地估算减缓成本和恢复。

据美国国会预算办公室称,风暴目前每年造成280亿美元的损失。到2075年,由于气候变化和沿海开发,它们将产生380亿美元。

通过分子动力学方法,开发人员和政府机构将拥有一种预测和减轻这些损害的工具。

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