在迈阿密的飞机机库中,工程师正在重新创造一些最强大的飓风,以袭击土地。这些5级风能眨眼间打破一座测试建筑。
但是它们还不够强大,无法跟上大自然。
当工程师建造风墙10年前在佛罗里达国际大学的测试设施,它受到了灵感安德鲁飓风,一场风暴的怪物,在1992年摧毁了南佛罗里达州。该设施旨在测试结构能够承受每小时最多160英里的能力。现在我们看到了多利安飓风,在2019年以184英里 /小时的风将巴哈马的社区切碎飓风帕特里夏,2015年的风在墨西哥沿海距离为215英里 /小时。
风墙
一所美国大学只有一个真人大小的测试设施,能够产生5类风,目前是最强大的飓风水平。就是这样风墙。
设施的一端是弯曲的12个巨型粉丝,每个人都像普通人一样高。他们一起工作,可以模拟160英里 /小时的飓风。水喷气机模拟了风雨。在另一端,建筑物打开了一个大型田地,工程师可以看到结构如何以及碎片苍蝇。
我们在这里创造的强大暴风雨使我们和其他工程师可以探究建筑和设计中的弱点,通过建筑物层叠的故障,并在接近现实世界风暴条件下测试创新的解决方案。相机和传感器将每毫秒作为建筑物,屋顶材料和其他物品捕获,或者同样重要,不要失败。
这里的十年研究帮助了建筑商和设计师降低损坏的风险。当预报员警告时,这很有帮助,就像他们在2022年一样,一个繁忙的飓风季节几次大飓风。
飓风测试的课程
我们已经在破坏性测试中发现该结构通常会在不到一秒钟的时间内撕裂。它所需要的只是渗透最弱点的风。
当多利安飓风袭击巴哈马时房屋变成弹片,创建另一个问题。一旦建筑物发生故障,即使是为了承受高风而建造的附近房屋,由于飞行碎屑。我们的测试已显示一栋建筑物的碎屑如何在130-140 mph或更高的连续风中取出下一栋建筑物,然后拿出下一栋建筑物。
屋顶通常是最弱的连接。屋顶是受到隆起力在暴风雨中,因此撞到建筑物表面的风需要能够逃脱。当风在该路径中碰到对象时,可能会造成损坏。
新设计正在改善建筑物如何迎接极端风。例如,风暴会产生强大的涡流- 风格几乎像在建筑物边缘的开瓶器一样旋转 - 可以剥去屋顶材料并最终抬起屋顶。一项创新使用水平风力涡轮机沿着屋顶的边缘扩散风并同时产生动力,这是双重好处。建筑物的形状也可以造成弱点或有助于偏转风。您会注意到,大多数现代高层避免了锋利的角落。测试表明更多的梯形或圆形边缘可以减轻建筑物的风压。
而且更好的安全不必成本高昂。一个实验显示了如何仅$ 250升级是一栋小型棚架大型建筑物的区别,站在第3类风暴中,或者没有。飓风带将屋顶桁架连接到房屋的外围。戒指指甲柄周围有螺纹以抓住木头,可以比光滑的指甲更好地抵抗风力。飓风百叶窗还阻止了风能穿透并触发灾难性故障的入口点。
安装也很重要,并有助于解释为什么似乎满足建筑代码要求的屋顶仍然会失败并在飓风中飞行。
我们进行的实验已经展示了边缘系统(墙壁和屋顶之间的金属元素)如何安装仅半英寸或低的半英寸,即使该系统的设计旨在承受5级飓风。安装沥青瓦和屋顶瓷砖的屋顶工可能需要超越当前代码防止他们在风暴中失败。
扩展测试:200英里 /小时的风 +风暴潮
工程师通过测试获得知识,但风暴的自然正在改变随着行星的温暖。
温度升高 - 通过增加人类活动的温室气体排放- 使空气保持更多的水分,温暖的海洋为更多的能量提供了更多的能量燃料飓风。研究表明更大,更激烈的风暴那是用水较重而且移动更慢的将锤击他们击中更多风,风暴潮,洪水和碎屑的区域。
一研究估计如果2008年摧毁德克萨斯州加尔维斯顿的飓风艾克(Ike)将在21世纪后期预计的气候中袭击,那么它的风将增长13%,并且速度将慢17%,并且潮湿34%。
这样的风暴就是为什么我们与其他八所大学合作设计新设施为了测试200英里 /小时的风,有一个水盆测试高达20英尺高的风暴潮的影响。
计算机可以对结果进行建模,但是它们的模型仍然需要通过物理实验来验证。通过结合风,风暴潮和波浪动作,我们将能够看到整个飓风以及所有这些组件如何相互作用以影响人们和建筑环境。
灾难测试正在寻找使房屋更安全的方法,但要确保他们知道自己的结构的弱点,这取决于房主。毕竟,对于大多数人来说,他们的家是他们最有价值的资产。
理查德·奥尔森(Richard Olson)是佛罗里达国际大学极端活动研究所的主任;Ameyu B. Tolera是佛罗里达国际大学工程与计算学院的研究助理;Arindam Chowdhury是佛罗里达国际大学土木工程教授;和Ioannis Zisis是佛罗里达国际大学土木工程副教授。