你是否想知道,摩天大楼是如何在如此大的重力作用下岿然屹立的?若遇到地震这样更强大的力量,摩天大楼又会怎么样呢?一栋大楼的设计,通常要结合材料自身性能,才能帮助建筑完好无损地抵御各种来源的抖动与震动。例如,世界上曾经最高的建筑——位于马来西亚首都吉隆坡的双子塔——达到了惊人的452米高,而马来西亚是频繁遭遇地震的地区,所以在设计这些建筑时,不得不考虑测向震动力的影响。如果你是个业余的设计爱好者,是否有能力设计出这样一栋可承受地震侧向荷载的建筑呢?
建筑师与工程师设计的建筑物,一定要能承受各种各样的力的作用,比如自身重力、人的荷载、建筑材料的重量、天气以及环境的影响等。如果设计得十分稳定,这些建筑物就会很坚固,不会坍塌。地震发生时,横向震动是建筑物受到破坏的主要原因。你不难从“横向震动”的名字里猜出,这种破坏力的方向基本与地面平行。在设计建筑物的时候,考虑抵御横向震动能力,不仅仅是为了防御地震,也是为了防御风力引起的侧向破坏。工程师必须清楚大楼可承受多大侧向力。这可以通过将模型放在反复水平移动的“震动台”上,模拟地震引起的应力作用来进行研究。
2.把两个活页夹的封面板叠在一起,用两根橡皮筋把它们绑在一起,橡皮筋绑在两端、大概离板子边缘2.5厘米的位置。
4.在双层板上,再铺一个大而平的乐高基板,并且将基板套进橡皮筋里面。一个测试抵抗震动的能力的“震动台”就做好了!
1.尝试从水平方向,向外拉动“震动台”的顶层,然后松手,“制造”一次侧向震动。
2.在水平的方向上,轻轻向外拉动顶层,在不损坏“震动台”的前提下尽可能向外拉。测量出顶层的位移距离,即移动后的顶层,与固定的底层之间的水平距离。
3.搭起四个或者更多的乐高塔。每个塔的基座尺寸和形状都要相同,只有高度不同。这些塔都有多高?
4.从最矮的塔开始测试,而后逐渐换个头更高的塔。将每个乐高塔平稳地放置在“震动台”表面的中心位置,然后将“震动台”的顶层向外拉出之前测量过的距离,形成一个侧向震动。哪些高度的塔倒塌了?如果一些倒下了,而另外一些没有倒下,那么这些塔在高度上有什么不同?一般来说,是不是高的塔会比矮的塔倒塌的次数更多?
小窍门:如果所有的塔都没有倒塌,试着把塔搭得更高,或者减小基座的尺寸。如果所有的塔都倒了,试着把塔改短,或者将基座加宽,这样做才能够使其底部占据更多的空间。你也能减小震动台顶层移动的位移。
补充实验:在这次实验中,每座乐高塔的底座大小相同,只是高度不同。现在,你可以试着测试基座尺寸不同的乐高玩具塔的“抵抗震动的能力”。想一想,改变塔基底面积,是不是能够在增高建筑物的同时,也让建筑物变得更稳定?你是否能够计算出基座的面积(以厘米为单位,用长度乘以宽度),再除以每个塔的高度,得到一个比值?这个比值和乐高塔的“抗震能力”之间,有什么样的关系?
补充实验:尝试用不同的材料建塔,并进行测试。推荐使用的测试材料包括稻草、冰棍棒、牙签和棉花糖。试着比较设计成不同形状——如方形,三角形,六角形——的塔的抗震能力。你还可以在设计中添加不同的结构元素。你能够设计出一个坚固的结构吗?在保持稳定的前提下,你的塔可以修到多高?
一般情况下,是不是较高的塔容易倒,而较矮的塔能够依然屹立?如果改变了塔的基底面积,大基底的塔,是不是比小基底塔更稳定?
过高或过“瘦”的建筑,一般都较不稳定,在遭受侧向力的情况下更容易倒塌。而相比之下,更矮、(地基)相对宽的建筑更稳定。工程师与建筑师根据建筑学的基本规律,使用各种富有创造性的技术,创造了令人惊叹的摩天大楼,在保证摩天大楼笔直矗立的同时,也增加了它们的安全性。
摩天大楼的诞生,要感谢一项发生在19世纪末的重大技术突破——钢材的出现。在这之前,绝大多数的大楼的主要材料是砖块和石头,而钢材要比砖石轻得多,也坚固得多。建筑师和工程师们设计摩天大楼时,选择用钢材作为大楼的框架,这就从另一方面代表着墙壁不再像先前那样需要承受巨大的重量。这一突破,与其他的创新性理念和材料一道,使得我们与天空的距离慢慢的接近。