“末日机器”拯救未来
时间:2017-12-07

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  美国迈阿密迈阿密国际大学的风墙阻挡了5级飓风。图片来源:Robert Sullivan

  在过去的一年中,塔拉·哈钦森(Tara Hutchinson)试图了解在遭受大地震袭击后,钢架建筑正在发生什么事情。

  为此,她在加利福尼亚州圣地亚哥郊区的一个布什山上建造了一座六层高的塔楼,看起来像一个青柠色的手指。这座建筑里充满了数以百计的应变片和加速度计,它们非常敏感,甚至可以检测到一阵风吹过墙壁。现在,哈钦森是一切,只是在等待地震。

  这在世界大部分地区都是一个问题。即使在这个刚刚经过市中心的地方也有一个大的断层,这个地区最近的一次地震发生在6年前,震中位于墨西哥附近。但加州大学圣地亚哥分校的结构工程教授Hutchinson并不需要制版。今年夏天,她与世界上最大的地震机器之一达成协议。

  这个装置是美国过去15年来建立的一个研究网络的一部分,用更现实和更复杂的实验来推动自然灾害的科学研究。这个耗资2.8亿美元的项目得到了美国国家科学基金会的支持,使得科学家能够更好地模拟一些最强大,最具破坏性的力量,如地震,海啸和山体滑坡。

  这项工作的结果是形成新的建筑标准和更好的方式来建设或改善各种类型的建筑设施,从码头到旧混凝土建筑。科学家已经获得了许多关于地震如何破坏墙壁和天花板上的管道以及如何使高速公路坡道,加固建筑物,停车场,木屋和砖房更加抗震的知识。

  该项目还在扩大。在耗资6200万美元的五年项目中,Doom机械网络正在进一步扩展以模拟飓风和海啸,并与计算机建模团队合作研究如何预测自然母亲对于物理实验来说过于庞大巨大的灾难。

  受到灾难的困扰

  这个网络系统的诞生是由于加州的北岭地震。 1994年的地震,造成72人死亡,总共损失250亿美元,导致洛杉矶地震。地震发生后,议会提交的一份报告警告说,美国需要更系统的研究如何减少地震的严重程度。

  作为回应,NSF建立了一个价值8200万美元的地震工程仿真网络。这些资金在全国建成了14个地点。此外,在2014年又增加了2亿美元用于经营这些地点。包括加利福尼亚大学圣地亚哥分校在内,学校于2004年开放了世界上最大的室外摇床面纱。

  这些灾害设施的描述通常使用最高级的形容词,如最大,最大,最强等。除了圣地亚哥的设置之外,该项目还得到了原始项目及其后续自然灾害工程研究基础设施(NHERI)的资助,其中包括世界上最大的俄勒冈大学在北美海啸研究方面的最大波谷在佛罗里达国际大学的飓风模拟设备。

  过度炫耀并不好,但是在建筑物如何应对自然灾害的破坏力方面,规模通常是非常重要的。例如,土壤颗粒结合在一起的方式是滑坡风险的一个重要因素,取决于向下增加多少质量。另外,你不能把建筑物缩小到1/10,然后把它放在风洞中。这在物理意义上是行不通的。佛罗里达风力工程师Forrest Masters说。

  然而,计算机模型在准确地复制破坏所有自然力量的过程中也有缺点,例如造成桥梁扭曲和摇摆的程度。有这么多的剪辑在同一时间被拉向这么多的方向,模型很难预测现实是什么。

  今年五月的一个早晨,哈金森正在测试它正在使用的测试的最后准备。她指着墙壁连接的一层房间天花板上的一个小裂缝,而这种裂缝并没有出现在电脑模型中。但重要的是要弄清如何在建筑物的不同部分之间进行承载,以及在下次地震中建筑物可能造成多大的损害。很难想象每一个小小的螺丝,她说这个损坏程度有多小。

  巨人

  设计一台能模拟8.0级地震或5级飓风的机器既不容易也不便宜。圣地亚哥摇床的一瞥将了解这种设备所需的肌肉力量,监督摇床操作的学校工程教授Joel Conte把记者带到了一个完全机械化的地下室通道。

  一个两万升的金属盒装有驱动整个系统的液压油。两台泵在34000千帕的压力下将流体泵入路灯杆等50个细长的黑色圆柱体。如此高的压力是至关重要的,因为它能够产生足够的力量来瞬间平整整个建筑物。

  在现实世界中,你很难预料到这一点。 Coute说,你不能说我会坐在这个大楼前等待下一次地震,我会投入很多的传感器,所以你可能需要等待30年,40年,甚至50年。所以通过这个我们可以手动地震。

  振动器从建设开始,价值1000万美元,已经测试了一个四层的混凝土停车库,一个风力发电机和一个五层的混凝土建筑,有电梯和台阶。在目前的测试中,哈金森希望看到在震中和震后,六层轻钢筋会发生什么事情。

  测试结果不仅具有学术意义,而且具有实用价值。测试赞助商还包括钢结构零件制造商,保险业务和州政府。孔蒂正在游说加州政府官员投资1400万美元进行设备升级,以便进行更实际的测试。

  下一步:混合模拟

  科学家们也将类似的物理测试与计算机建模相结合,进行更大的测试。 Pai利哈伊大学的土木工程师James Ricles说,这种混合测试模拟可以检测庞大而且难以装入任何测试设备的大型结构。他的实验室也是NSF网络的一部分,主要是测试计算机部件的部件,这些部件已经知道了它的结构和物理测试难以处理的部件。

  Ricle“实验室通过物理测试水泥支柱和在计算机上对桥面板进行虚拟模型测试来模拟高速公路在地震中的升力行为。最近,他还用同样的策略来测试一座摇摆不定的钢铁建筑的建筑设计在地震中来回走动。

  加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程教授Gilberto Mosqueda说,破坏性绝对是对这项工作的一种吸引力。你建立这些模型,然后让他们振动,直到他们被摧毁。然而,这些测试产生的大量数据也为建造大量更复杂的模型打开了大门,这些模型有一天可能承担末日机器所做的工作。

  如果早期的NSF项目专注于大型测试平台,NHERI计划投入更多资金进入虚拟空间。得克萨斯大学奥斯汀分校获得了1370万美元的资助,建立了一个数据库和软件平台,用于存储多年来在现场实验中收集的信息。将来,工程师应该能够向数据库提供更多信息,并提高计算机模型的准确性。 NSF即将启动一个价值1100万美元的计算机建模和仿真中心。

  通过建模所有东西,我们能否对未来灾难的潜力充满信心?这可能还有很长的路要走。在美国弗吉尼亚州阿灵顿资助测试的NSF项目总监,结构工程师Joy Pauschke说。但是,希望当我们测试和改进这些模型时,我们正在向更强大的计算机建模迈进。

  我想20年后,人们可能会以非常复杂的方式来模拟一个城市。马欣说,这样的分析将有助于减少未来自然灾害造成的破坏。 (金南)

  “中国科学”(2016-08-04第3版国际)

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  科学报告(英文)