Om gebouwen te ontwerpen die bestand zijn tegen de grootste stormen, Kostas Keremidis, een doctoraat kandidaat bij de MIT Concrete Sustainability Hub, gebruikt onderzoek op de kleinste schaal - die van het atoom.

Zijn aanpak, die gedeeltelijk voortkomt uit materiaalkunde, modelleert een gebouw als een verzameling punten die op elkaar inwerken door krachten zoals die op atomaire schaal.

"Als je naar een gebouw kijkt, het is eigenlijk een reeks verbindingen tussen kolommen, ramen, deuren, enzovoort, ", zegt Keremidis. "Ons nieuwe raamwerk kijkt naar hoe verschillende bouwcomponenten met elkaar verbonden zijn om een ​​gebouw te vormen zoals atomen een molecuul vormen - vergelijkbare krachten houden ze bij elkaar, zowel op atomaire als bouwschaal." Het raamwerk wordt op moleculaire dynamica gebaseerde structurele modellering genoemd.

Eventueel, Keremidis hoopt dat het ontwikkelaars en bouwers een nieuwe manier zal bieden om de schade aan gebouwen door rampen zoals orkanen en aardbevingen gemakkelijk te voorspellen.

Modellen maken

Maar voordat hij bouwschade kan voorspellen, Keremidis moet eerst een model samenstellen.

Hij begint door een gebouw te nemen en de respectieve elementen ervan in knooppunten te verdelen, of 'atomen'. Dit is een standaardprocedure genaamd "discretisering, " waarbij een gebouw in verschillende punten wordt verdeeld. Vervolgens geeft hij elk "atoom" verschillende eigenschappen volgens zijn materiaal. Bijvoorbeeld, het gewicht van elk "atoom" kan afhangen van of het deel uitmaakt van een vloer, een deur, een raam, enzovoort. Na ze gemodelleerd te hebben, hij definieert hun banden.

Het eerste type binding tussen punten in een gebouwmodel wordt een axiale binding genoemd. Deze beschrijven hoe elementen vervormen onder een belasting in de richting van hun overspanning, met andere woorden, ze modelleren hoe een kolom krimpt en vervolgens terugkaatst onder een belasting, als een veer.

Het tweede type verbinding is dat van de hoekverbindingen, die weergeven hoe elementen zoals een balk in zijwaartse richting buigen. Keremidis gebruikt deze verticale en laterale interacties om de vervorming en breuk van verschillende bouwelementen te modelleren. Breken treedt op wanneer deze bindingen te veel vervormen, net als in echte constructies.

Om te zien hoe een van zijn gebouwen het zal doen onder omstandigheden zoals stormen of aardbevingen, Keremidis moet deze geassembleerde atomen en hun bindingen grondig testen onder talrijke simulaties.

"Zodra ik mijn model en mijn gebouw heb, Ik loop dan rond de 10, 000 simulaties, " legt Keremidis uit. "Ik kan 10 toewijzen, 000 verschillende belastingen op één element of gebouw, of ik kan ook dat element 10 toewijzen, 000 verschillende eigenschappen."

Voor hem om de resultaten van deze gesimuleerde omstandigheden of eigenschappen te beoordelen, Keremidis keert terug naar de obligaties. "Als ze vervormen tijdens een simulatie, deze obligaties zullen proberen het gebouw terug te brengen naar zijn oorspronkelijke positie, " merkt hij op. "Maar ze kunnen ook beschadigd raken, te. Dit is hoe we schade modelleren - we tellen hoeveel obligaties worden vernietigd en waar."

De schade zit in de details

De innovaties van het model liggen eigenlijk in de schadevoorspelling.

traditioneel, ingenieurs hebben een methode gebruikt die eindige-elementenanalyse wordt genoemd om schade aan gebouwen te modelleren. Net als de aanpak van MIT, het breekt ook een gebouw op in samenstellende delen. Maar het is over het algemeen een tijdrovende techniek die is opgezet rond de elasticiteit van elementen. Dit betekent dat het alleen kleine vervormingen in een gebouw kan modelleren, in plaats van grootschalige inelastische vervormingen, zoals breuk, die vaak voorkomen bij orkaanbelastingen.

Een bijkomend voordeel van zijn moleculaire dynamica-model is dat Keremidis "verschillende materialen, verschillende structurele eigenschappen, en verschillende gebouwgeometrieën" door te spelen met de lay-out en de aard van atomen en hun bindingen. Dit betekent dat moleculaire dynamica elk element van een gebouw kan modelleren, en sneller, te.

Door deze benadering verder te schalen dan individuele gebouwen, moleculaire dynamica zou ook de stad beter kunnen informeren, staat, en zelfs federale inspanningen voor risicobeperking.

Voor risicobeperking, steden vertrouwen momenteel op een model van het Federal Emergency Management Agency (FEMA), genaamd HAZUS. Er zijn historische weergegevens en een tiental standaard bouwmodellen nodig om de schade te voorspellen die een gemeenschap tijdens een gevaar kan oplopen.

Hoewel nuttig, HAZUS is niet ideaal. Het biedt slechts een tiental gestandaardiseerde gebouwtypes en biedt kwalitatieve, in plaats van kwantitatief, resultaten.

Het MIT-model, echter, zal belanghebbenden in staat stellen tot in detail in te gaan. "Met FEMA's HAZUS, het huidige niveau van categorisering is te grof. In plaats daarvan, we zouden 50 of 60 gebouwtypes moeten hebben, ", zegt Keremidis. "Met ons model kunnen we dit bredere scala aan gebouwentypes verzamelen en modelleren."

Omdat het schade meet door de verbroken bindingen tussen atomen te tellen, een moleculaire dynamische benadering zal ook gemakkelijker de schade kwantificeren die gevaren zoals stormen of aardbevingen aan een gemeenschap kunnen toebrengen. Een dergelijk kwantificeerbaar begrip van schade door gevaar zou moeten leiden tot nauwkeurigere schattingen van de mitigatiekosten en herstel.

Volgens het Amerikaanse Congressional Budget Office, windstormen veroorzaken momenteel jaarlijks 28 miljard dollar schade. tegen 2075, ze zullen $ 38 miljard veroorzaken, als gevolg van klimaatverandering en kustontwikkeling.

Met een moleculaire dynamische benadering, ontwikkelaars en overheidsinstanties hebben nog een hulpmiddel om deze schade te voorspellen en te beperken.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.