Et erektorsæt i atomskala

At designe bygninger, der kan modstå den største storm, Kostas Keremidis, en ph.d. kandidat på MIT Concrete Sustainability Hub, bruger forskning i den mindste skala - atomets.

Hans tilgang, som delvist stammer fra materialevidenskab, modellerer en bygning som en samling af punkter, der interagerer gennem kræfter som dem, der findes på atomskalaen.

"Når man ser på en bygning, det er faktisk en række forbindelser mellem kolonner, vinduer, døre, og så videre, "siger Keremidis." Vores nye ramme ser på, hvordan forskellige bygningskomponenter forbinder hinanden for at danne en bygning som atomer danner et molekyle - lignende kræfter holder dem sammen, både i atom- og bygningsskala. "Rammen kaldes molekylær dynamikbaseret strukturel modellering.

Til sidst, Keremidis håber, at det vil give udviklere og bygherrer en ny måde at let forudsige bygningsskader fra katastrofer som orkaner og jordskælv.

At lave modeller

Men før han kan forudsige bygningsskader, Keremidis skal først samle en model.

Han begynder med at tage en bygning og opdele dens respektive elementer i knudepunkter, eller "atomer". Dette er en standardprocedure kaldet "diskretisering, "hvorved en bygning er opdelt i forskellige punkter. Derefter giver han hvert" atom "forskellige egenskaber alt efter dets materiale. F.eks. vægten af ​​hvert "atom" kan afhænge af, om det er en del af et gulv, en dør, et vindue, og så videre. Efter at have modelleret dem, han definerer deres bånd.

Den første type binding mellem punkter i en bygningsmodel kaldes en aksial binding. Disse beskriver, hvordan elementer deformeres under en belastning i retning af deres spændvidde - med andre ord, de modellerer, hvordan en kolonne krymper og derefter rebounder under en belastning, som en fjeder.

Den anden type forbindelse er vinkelforbindelserne, som repræsenterer, hvordan elementer som en stråle bøjer i lateral retning. Keremidis bruger disse lodrette og laterale vekselvirkninger til at modellere deformation og nedbrydning af forskellige bygningselementer. Bryde sker, når disse obligationer deformeres for meget, ligesom i virkelige strukturer.

For at se, hvordan en af ​​hans bygninger vil klare sig under forhold som storme eller jordskælv, Keremidis skal grundigt teste disse samlede atomer og deres bindinger under talrige simuleringer.

"Når jeg har min model og min bygning, Jeg løber derefter omkring 10, 000 simuleringer, "forklarer Keremidis." Jeg kan tildele 10, 000 forskellige belastninger til et element eller en bygning, eller jeg kan også tildele det element 10, 000 forskellige ejendomme. "

For at han kan vurdere resultaterne af disse simulerede forhold eller egenskaber, Keremidis vender tilbage til obligationerne. "Når de deformeres under en simulering, disse obligationer vil forsøge at bringe bygningen tilbage til sin oprindelige position, "bemærker han." Men de kan også blive beskadiget, også. Sådan modellerer vi skader - vi tæller, hvor mange bindinger der ødelægges og hvor. "

Skaden er i detaljerne

Modellens innovationer ligger faktisk i dens forudsigelse af skader.

Traditionelt set ingeniører har brugt en metode kaldet finite element analyse til at modellere bygningsskader. Ligesom MIT's tilgang, det nedbryder også en bygning i komponenter. Men det er generelt en tidskrævende teknik, der er opsat omkring elementernes elasticitet. Det betyder, at den kun kan modellere små deformationer i en bygning, snarere end uelastiske deformationer i stor skala, som brud, der ofte forekommer under orkanbelastninger.

En ekstra fordel ved hans molekylære dynamik -model er, at Keremidis kan udforske "forskellige materialer, forskellige strukturelle egenskaber, og forskellige bygningsgeometrier "ved at lege med atomernes layout og natur og deres bindinger. Dette betyder, at molekylær dynamik potentielt kan modellere ethvert element i en bygning, og hurtigere, også.

Ved at skalere denne tilgang ud over individuelle bygninger, molekylær dynamik kunne også bedre informere byen, stat, og endda føderale indsatser mod farlig begrænsning.

Til farebegrænsning, byer er i øjeblikket afhængige af en model af Federal Emergency Management Agency (FEMA) kaldet HAZUS. Det kræver historiske vejrdata og et dusin standardbyggemodeller at forudsige de skader, et samfund kan opleve under en fare.

Selvom det er nyttigt, HAZUS er ikke ideel. Det tilbyder kun omkring et dusin standardiserede bygningstyper og giver kvalitative, frem for kvantitativ, resultater.

MIT -modellen, imidlertid, vil give interessenter mulighed for at gå i detaljer. "Med FEMA's HAZUS, det nuværende kategoriseringsniveau er for groft. I stedet, vi skal have 50 eller 60 bygningstyper, "siger Keremidis." Vores model giver os mulighed for at indsamle og modellere denne bredere vifte af bygningstyper. "

Da den måler skade ved at tælle de brudte bindinger mellem atomer, en tilgang til molekylær dynamik vil også lettere kvantificere den skade, som farer som vindstorm eller jordskælv kan påføre et samfund. En sådan kvantificerbar forståelse af fareskader bør føre til mere præcise estimater af omkostninger til afbødning og genopretning.

Ifølge U.S. Congressional Budget Office, vindstorme forårsager i øjeblikket 28 milliarder dollar i skade årligt. I 2075, de vil forårsage $ 38 mia. på grund af klimaændringer og kystudvikling.

Med en molekylær dynamisk tilgang, udviklere og offentlige instanser vil have endnu et værktøj til at forudsige og afbøde disse skader.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.