首次实验 NHERI Tallwood——成功通过测试的世界最高抗震建筑

文摘   生活   2023-06-09 18:00   北京  

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前言

当一栋10层高的建筑在世界上最大的户外振动台之一上接受地震测试时会发生什么?

2016年9月-2023年5月,在美国国家自然科学基金会NSF的资助下,工程师们用近七年的时间,研究、建造并测试高层木结构建筑抗震设计,并在今年5月9日于加州大学圣地亚哥分校取得了此次木结构建筑抗震性能测试实验的圆满成功。

▲NHERI Tallwood ©Lever Archtiects



#01 基本介绍

时间:2016年9月-2023年5月

地点美国加州大学圣地亚哥分校

材料:交叉层压木材CLT为主的重型工程木材

资助美国国家自然科学基金会NSF

目的:开发和验证基于高层木结构建筑抗震的弹性设计方法

定位:经过全面抗震测试的最高木结构建筑

两次地震模拟第一次为1994年美国洛杉矶的北岭地震(震级6.7);第二次为1999年中国台湾的集集地震(震级7.7)


#02 实验过程

The Tallwood building,意译为高层木结构建筑,是有史以来在地震模拟器上建造和测试过的最高全尺寸建筑。
2023年5月9日,该建筑经历了两次近代历史上较具破坏性的地震的模拟测试:第一次测试是1994年发生于美国洛杉矶的北岭地震,震级为6.7级;第二次测试是1999年发生于中国台湾的集集地震,震级为7.7级。
▲NHERI Tallwood ©Nicholas Kielbasa
在每次测试之前,结构工程教授 Joel Conte 都会在扬声器上大声宣布每次地震模拟的倒计时。Joel Conte 教授是加州大学圣地亚哥分校振动台实验设施升级以及运营和维护项目的首席研究员。
他称“这些测试是具有历史性的意义”,强调 Tallwood 项目是有史以来在振动台上测试的最高木结构建筑。
场地震测试视频©Timberlab

每次测试之后,研究人员都会检查建筑物以评估损坏情况。

“它的表现完全符合我们的预期。在连续两次模拟重大破坏性地震后,该建筑仍然没有损坏。”美国科罗拉多矿业学院副教授兼NHERI高木项目首席研究员Shiling Pei 说道。

▲Shiling Pei (视频截图) 视频来源©KPBS Public Media

两次测试均在加州大学圣地亚哥分校NSF地震模拟器上进行,这是世界上最大的两个振动台之一,它位于加州大学圣地亚哥分校的Englekirk结构工程中心,是NSF自然灾害工程研究基础设施的一部分。
该振动台具有世界上最大的有效载荷能力,它能够承载和摇晃重达2000公吨或4万磅的结构。

▲工作人员在现场调试(视频截图) 视频来源©KPBS Public Media
2017年,该团队在两轴振动台上测试了两层低层木结构建筑,而 Tallwood 建筑在三轴振动台上进行,经历的是更为逼真的地震晃动模拟。
NSF 还为该项目提供了相关概念及技术支持。2016年,NSF 成立 NEES CLT 规划项目,旨在研发8-20层高度的抗震高层交叉层压木材(CLT)系统,研究团队还提出了分层 CLT 高层建筑在地震荷载下的性能预期。

▲Test Building at NHERI ©UCSD


#03 材料结构

这座10层的建筑由交叉层压木材CLT制成。CLT 是一种在建筑和施工中越来越受欢迎的重型工程木材料,可替代混凝土和钢材。
Tallwood 项目的目标之一是测试由重型工程木材建成的高层建筑在地震中的表现。
▲NHERI Tallwood ©Paul Vu
在此次实验项目中,研究人员测试了一种低损伤的横向结构系统,又称摇摆墙系统。
它由一块钢缆或钢杆锚定在地面上的实木墙板组成,钢缆或钢杆提供较大的拉力,在侧向力的影响下,面板来回摇晃,从而减少地震的影响。地震结束后,钢缆或钢杆会将建筑拉回至原有状态。
这是一个更具抗震能力的结构系统,对弹性性能的实现能够帮助建筑物在地震中降低损害至最小程度,并且可以在地震后快速被修复回原状。
▲NHERI Tallwood ©Paul Vu
“弹性设计还必须考虑建筑物的非结构系统,这些系统不是结构抗负载系统的一部分,但在建筑物的功能及其地震后恢复能力中起着重要作用。”内华达大学里诺分校项目共同研究员兼工程教授Keri Ryan说。

#04 未来意义

-促进国际建筑规范完善

NHERI Tallwood 项目的成功不仅在木结构建筑的抗震属性图上补充了高层木结构建筑这一板块,再次证明了木结构建筑的抗震性能,而且还为相关抗震建筑设计以及规范提供了完善依据。

项目实验在建筑上署了800个传感器, 用于记录在实验过程中产生的各种数据;建筑内部设有摄像机,用于补充震时的室内情况。

这些数据及影像资料将帮助设计在强烈地震中更安全的建筑物,以及完善商业和住宅建筑的设计规范。

▲NHERI Tallwood ©Nicholas Kielbasa


-推进抗震建筑技术研究

NHERI Tallwood 项目的成功建立在现有抗震技术研究的基础上,验证了一个超越建筑规范的先进结构系统,并为建筑师和工程师们提供了实现创新木材项目的广阔可能性。

NHERI Tallwood 项目的成功脱颖于 Framework 项目。Framework项目是美国第一个获得许可的木结构高层建筑项目,并将抗震的 "CLT摇摆墙技术 "作为其规范审批的一部分。

由于市场状况,Framework 在2017年被搁置,但项目的研发成果非常成功,并帮助改变了国际建筑规范,允许在美国建造高层重型工程木材建筑。

▲Tall Wood Building Example: Framework Project
如今,来自Framework 项目的建筑和结构团队继续成为NHERI Tallwood 项目的核心成员,将 Framework 项目的抗震能力从概念带入到一个完整的实际测试。


-助益木结构在建筑环境的话语权

NHERI Tallwood 项目为广泛地采用重型工程木材——这一可持续的、强大的和多功能的建筑材料打下了基础,尤其在容易发生地震活动的地区,重型工程木材更加拥有被选择的理由。

该项目不仅验证了重型木材优良的性能,还能够促进其他创新技术的产生,使建筑拥有更抗震、安全的结构体系。推动重型工程木材已经作为一种可持续的、低碳的建筑材料而闻名全球。

▲NHERI Tallwood ©Nicholas Kielbasa

美国软木木材委员会SLB总裁兼首席执行官Cees de Jager说,“这些测试将证明重型工程木材作为一种安全、有效以及可持续的建筑材料在地震活跃地区的可行性,为在全国范围内更广泛地采用较高的大规模木材结构铺平道路。"



部分文章参考来源链接 
  • https://www.pik-potsdam.de/en/news/latest-news/buildings-can-become-a-global-co2-sink-if-made-out-of-wood-instead-of-cement-and-steel
  • https://news.wsu.edu/news/2023/04/26/seismic-testing-of-nheri-tallwood-building-to-set-a-new-record/
  • http://nheritallwood.mines.edu/
  • https://www.woodworksinnovationnetwork.org/projects/0-story-clt-building-for-shake-table-tests
  • https://today.ucsd.edu/story/engineers-shake-tallest-full-scale-building-ever-constructed-on-uc-san-diego-earthquake-simulator
  • 视频来源Mass Timber + Seismic Resiliency: NHERI 10-Story Timber Tower_Timberlab Youtube



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