2022-06-03 14:33

風之墻可以吹走5級颶風強度的建筑,幫助工程師設計更安全的房屋——但即使這樣也不夠強大

A person looks tiny standing next to a wall of 12 giant wind turbines stacked two high.

在邁阿密的一個飛機庫里,工程師們正在重現一些有史以來最強大的颶風。這些5級風可以在眨眼間摧毀一座測試建筑。

然而,它們的力量還不足以跟上大自然的步伐。

10年前新加坡房價,工程師們在佛羅里達國際大學(Florida International University)建造“風之墻”(Wall of Wind)測試設施時,受到了安德魯颶風(Hurricane Andrew)的啟發。1992年,安德魯颶風是一場可怕的風暴,摧毀了南佛羅里達。

該設施的設計目的是測試建筑承受時速160英里(257公里)大風的能力。現在,我們看到了像颶風多里安這樣的颶風,2019年以184英里/小時(296公里/小時)的風速摧毀了巴哈馬群島的社區,2015年在墨西哥海岸以215英里/小時(346公里/小時)的風速摧毀了颶風帕特里夏。

A person jumps over debris next to what remains of a home. Its roof is missing, and the walls are askew.
5級颶風多里安摧毀了巴哈馬群島的社區。美聯社照片/ Espinosa雷蒙

研究表明,隨著氣候變化以及海洋和空氣溫度的上升,熱帶風暴的強度正在增加。設計房屋和基礎設施來抵御未來像多里安這樣的風暴,將需要新的測試設施,遠遠超出今天的能力——我們認為應該被稱為6級風暴。

風之墻

目前,在一所美國大學里只有一個真人大小的測試設施能夠產生5級風,這是目前最強大的颶風級別。那是風之墻。

該設施的一端是由12個巨型風扇組成的弧形墻,每個風扇都有普通人那么高。他們一起工作,可以模擬時速160英里的颶風。水射流模擬風驅動的降雨。在另一端,建筑打開了一個大的領域,工程師們可以看到結構是如何以及在哪里失效的,以及碎片在哪里飛舞。

我們在這里創造的強大風暴使我們和其他工程師能夠探測建筑和設計中的弱點,跟蹤在建筑中層疊出現的故障,并在接近真實世界的風暴條件下測試創新的解決方案。攝像頭和傳感器捕捉到建筑物、屋頂材料和其他物品分解的每一毫秒——或者,同樣重要的是,不要失敗。

十年的研究幫助建造者和設計師降低了損壞的風險。當天氣預報員像2022年一樣發出有幾次主要颶風的繁忙颶風季節警告時,這是很有幫助的。

颶風測試的經驗教訓

我們在破壞性測試中發現,一個結構通常會在不到一秒的時間內斷裂。只要風穿過最薄弱的地方就行了。

當颶風“多里安”襲擊巴哈馬群島時,許多構造欠佳的房屋變成了彈片,造成了另一個問題。一旦一座建筑倒塌,就連附近那些可以抵御強風的房屋也會因為飛濺的碎片而陷入困境。我們的測試表明,在130-140英里或更高的風速下,一棟建筑的碎片如何摧毀下一棟建筑,然后再摧毀下一棟建筑。

屋頂往往是最薄弱的環節。在暴風雨期間,屋頂會受到抬升力的作用,所以撞擊建筑物表面的風需要能夠逃逸。當風在這條路徑上撞擊物體時,就會造成損害。

新的設計正在改進建筑抵御極端大風的能力。例如,風暴可以產生強大的漩渦——在建筑物邊緣旋轉的風就像開塞鉆一樣——可以剝離屋頂材料,最終將屋頂本身掀開。其中一項創新是在屋頂邊緣安裝一個水平風力渦輪機,既能分散風力,又能發電,一舉兩得。

當風吹過建筑物的一側時,會產生漩渦,把屋頂材料刮掉。Horizo 連接在屋頂邊緣的Ntal風力渦輪機可以抑制這些漩渦,如圖所示,使用煙霧,也可以發電。事業單位

建筑物的形狀也可以制造弱點或幫助風偏轉。你會注意到大多數現代高樓都避開尖角。測試表明,更多的梯形或圓形邊緣可以降低建筑物的風壓。

更好的安全性并不需要付出昂貴的代價。一項實驗表明,僅僅250美元的升級費用就能決定一棟小型建筑是否能抵御3級風暴。颶風帶將屋頂桁架固定在房子的周圍。環柄釘子,在釘子周圍有螺紋來抓住木頭,比光滑的釘子能更好地抵抗風力。颶風百葉窗也阻擋了入口,在那里風可以穿透并引發災難性故障。

安裝也很重要,并有助于解釋為什么看起來符合建筑規范要求的屋頂仍然會在颶風中失效并飛起來。

我們所做的實驗表明,一個邊緣系統——即墻和屋頂之間的金屬元件——安裝在半英寸高或低的地方,即使該系統被設計成能夠抵御5級颶風,也會在較低的風速下過早地失效。安裝瀝青瓦和瓦片的屋頂工人可能需要超越當前的規范,密封邊緣,以防止它們在風暴中失效。

A neighborhood of homes with shredded roofs, some missing most of their roof tiles or shingles, others with parts of the roof missing entirely.
1992年8月,颶風安德魯襲擊了南佛羅里達,持續風速高達每小時165英里。美聯社照片/馬克·弗利

擴展測試:風速200英里/小時+風暴潮

雖然工程師們通過測試獲取知識,但隨著地球變暖,風暴的性質正在發生變化。

人類活動導致的溫室氣體排放增加,導致氣溫升高,使空氣能夠保持更多的水分,海洋變暖為颶風提供了更多的能量。研究表明,體積更大、強度更大、含水量更大、移動速度更慢的風暴會給受災地區帶來更多的風、風暴潮、洪水和碎片。

一項研究估計,如果2008年摧毀德克薩斯州加爾維斯頓的颶風艾克(Hurricane Ike)在21世紀后期氣候變暖的情況下襲擊,它的風力將增強13%,移動速度將減慢17%,濕度將增加34%。

像這樣的風暴是我們與其他八所大學合作設計一個新設施的原因,以測試建筑在200英里/小時(322公里/小時)的風速下的建設,有一個水盆來測試高達20英尺(6米)高的風暴潮和海浪的影響。

計算機可以模擬結果,但它們的模型仍然需要通過物理實驗來驗證。通過結合風、風暴潮和波浪作用,我們將能夠看到整個颶風,以及所有這些組件如何相互作用,影響人們和建筑環境

災難測試正在尋找使房屋更安全的方法,但這取決于房主確保他們知道自己結構的弱點。畢竟,對大多數人來說,他們的房子是他們最寶貴的資產。

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