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如何为一栋大楼“体检”
  • 2021-08-27 17:05
  • 来源:山东省地震局
  • 发布机构:汕头市地震局
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  •   当地时间2017年9月19日下午1点14分,墨西哥一所小学下方的断层运动了。一场7.1级的地震在墨西哥普埃布拉州发生,地面裂开了40千米长的地裂缝,近400人在地震中死亡。这个小镇的许多房屋都发生了开裂或倒塌,小学的两层校舍也发生了破坏。


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      地震时,所有学生和老师都安全撤离出来,事后校舍也得到了妥善维修。但是当学生们返回教室时,却害怕校舍并不安全,甚至充满了担心,“天呐,现在一有动静,我们都会觉得地震又来了!”

      但是自从校舍安装了一个小小的传感器,学生们就再也不怕了。他们学校作为墨西哥第一批安装的单位,配备了“房屋监测系统”,能在地震时根据监测到的震动自动评估建筑是否发生了损坏,并发出警报。


       这套系统其实就是一个传感器,背后的想法被称为Pulse,也并不新鲜。很多桥梁、摩天大楼很早以前就被放置了这样的传感器,方便地震工程师们在地震发生后寻找隐藏着的致命危险。

    假如能在地震易发区的所有建筑中都安装这套系统并连续监测,就可以时刻了解建筑是否“健康”,挽救更多生命,并在发生破坏性地震后,帮助专家判断哪些建筑需要立即修复,而哪些建筑破坏程度较轻,可以稍后再修。可以说,这是工程界的梦想之一!


      这个神奇传感器的关键设备,其实就是小型加速度计。手机、汽车、游戏手柄里都有,可以准确测量三维空间随时间的变化。想想用Switch打棒球、打乒乓球、跳绳,甚至玩健身环大冒险,都离不开小型加速度计。如今这种加速度计越来越灵敏,甚至可以检测到遥远的震动和建筑物微小的振动。当然,加速度计的价格也越来越便宜。现如今,传感器和处理数据需要的云计算成本直线下降,使得大家开始考虑在更多地方部署传感器,梦想正在逐渐走向现实。



    如何实现为楼房体检?


      首先我们先来回想一下,地震当中,对建筑物破坏最大的是S波,其表现形式是使大楼“左右摇摆”。简单来说,建筑物都是“扛压不扛剪”,即一栋楼房可以承受巨大的自身重量和承重量,即压力(此为扛压),却难以承受巨大的摇摆,即剪切力(此为不扛剪),那么对楼房体检的切入点就在这个“左右摇摆”上。实现起来很简单,就是在楼房的每一层都放置加速度计,通过测量一个反映建筑结构“健康程度”的关键指标——层间偏移率,即在地震中每个楼层突然偏离原本对齐状态的幅度。

      建筑物可以承受一定程度的层间偏移,但一旦超过建筑物的承受范围,损坏甚至倒塌都有可能发生。而且可以肯定的是,不同建筑物能承受的层间偏移必然不一样。一栋楼房可承受的极限值——阈值,要根据它的结构图精心计算模拟得出。

      可是放眼望去街上每栋楼都不一样,每一栋楼都精心计算,未免有点不太现实。所以这也是为什么小学成为第一批配备房屋监测系统的原因,像那样两层楼高的校舍,在墨西哥比比皆是,几乎都采用了一样的设计蓝图。这样标准化的建造方式就减少了计算房屋阈值的困难。


      同样标准化的生产模式也大大降低了传感器的价格。类似的传感器部署在菲律宾和我国台湾地区的部分建筑里,价格还不到1000美元,而地震学家和专业的建筑检测公司使用的传统传感器,少说也要数万美元。


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      你看,就是图中的传感器,像不像圆形的红绿灯柱?地震发生后,如果绿灯亮着,建筑物很可能是安全的,红色或橙色的灯则分别表示损坏或可能的损坏,在工程师进行检查之前,任何人不得进入建筑物。

           当然,这种传感器无法取代专家的实地考察,但它可以帮助专家在强烈地震后混乱的几个小时甚至几天内,快速识别受损和未受损的建筑物,同时也可以使人们知道自己的房屋和办公室是否安全,远离潜在的危险。例如,就在2017年墨西哥地震停止后的50分钟,墨西哥城的一栋四层办公楼倒塌了,而倒塌前刚有人返回大楼工作。


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      希望有一天,几乎所有建筑物都能享受到“体检”的待遇,并且能有科学家为每个建筑物“量身定制”阈值模型。让更多人住有所安。


      

    参考资料:Is your building safe after an earthquake? These cheap sensors could tell you  By Lizzie Wade



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