2011-2012学年研究性学习优秀论文展示
2012-06-20 10:27:00   来源:   评论:0 点击:

可利用地震能量的防震建筑设计方案研究三明市第二中学高一(15)班苏国贤林浩澜罗志磊詹强指导老师:吴健【摘要】为了减小地震对人民生命财
可利用地震能量的防震建筑设计方案研究
 
三明市第二中学高一(15)班苏国贤林浩澜罗志磊詹强
指导老师:吴健
【摘要】
为了减小地震对人民生命财产造成的损失,为了趋利避害,将地震能量加以利用,本小组成员经过认真的思考、仔细的研究,设计了兼具抗震和转化地震能量为电能的建筑设计方案,构建了可行的实际模型,并利用了大量的真实模拟实验进行研究,希望创造一种新型防震建筑模型,为研究抗击地震、利用地震尽自己的绵薄之力。
[Summary]
In order to reduce the losses caused by earthquakes on people's lives and property, and to take advantage of the seismic energy, after careful consideration, seriousresearch, with the help of a lot of real simulation study, ourteam members created a new kind of earthquake-resistant construction model which can not only reduce the damage of the earthquake, but also conversion the seismic energy into electrical energy, with the hope of making our own contribution to help fight against the earthquake.
【关键词】地震防震建筑转化地震能电能
【引言】
2008年里氏8.0级汶川大地震袭击中国,顷刻间地崩山摧,数十年积累化为乌有,经卫星图像对比,40~60%的城区老旧民房倒塌,造成超过7万人遇难,2万人失踪,直接经济损失达8451亿人民币。
图为汶川地震中倒塌的房屋
然而在2011年3月11日,日本东北部海域发生里氏9.0级地震并引发海啸,造成14063人死亡、13691人失踪,多数建筑虽然外墙出现了一定损坏,但坚固的纵横交错的钢筋结构却使大楼免于倒塌。
由此可见,建筑防震对保障人民生命财产安全至关重要。
图为日本阪神地震中的房屋。虽然外墙出现了一定损坏,但坚固的纵横交错的钢筋结构却使大楼免于倒塌
本组成员经过认真的研究,认为传统防震建筑设计方案尚具有可以改良之处,我们希望为保障人民的生命财产安全尽一份绵薄之力,设计出兼具防震和能源开发与利用的建筑设计方案。
【地震能量及地震波】
众所周知,地震是地层深处的地壳断层断裂错动产生的。
地震释放出的巨大能量产生绝大部分以机械能(岩石破裂和位移)和转化为热能的形式存在于震源区,只有少部分以弹性波的形式向外传播,可根据地表或附近的地面震动来计算地震波的能量。根据古登堡-里克特的计算公式,震级为0的地震,其弹性波总能量约为6.3×104,震级为8.9级的地震,其弹性波总能量约为6.3×1018(详见表一)。
表一不同震级地震波释放的能量
图一地震波
地震波可分为纵波、横波和面波,其中面波以发明者命名,有乐夫波和雷利波。(具体传播方式见图一)。
 
【设计意图】
一:防震:
地震波造成地面的摇晃和颠簸,使房屋各部分有了反应加速度,造成房屋结构变形,楼板坍塌。房屋应具有合适的抵抗形变的强度和抵抗破坏的刚度,以削弱地震对房屋结构造成的形变与破坏。房屋要轻巧,质量和刚度不应过大,以柔克刚,吸引的地震力小,抵抗破坏的能力强。
 
二:利用地震能量:
“给荒地种上麦子,杂草就会离你而去。”经过仔细的思考,本组成员意图在传统的防震建筑加入利用能量发电的装置,在消耗地震能量的同时,将地震的能量为人所用,我们希望有一天,地震波释放出的能量将能够造福人类。
 
 
【方案先例】
中国古建筑采用的柔性框架体系,比起西方数千年中一直采用的承重墙体系有明显的优越性。这种框架体系具有以柔克刚的结构优越性,产生“墙倒屋不塌”的功效,其柔性的连接又使得它具有强大的弹性和自我恢复能力。其中,斗拱起到了良好的减震效果。斜撑增强结构抵抗水平抵抗冲击的能力。梁枋将内外两层结构连接成一个整体,大大增加了整个结构的安全性。
在汶川地震中,许多文物建筑的墙体均不同程度地受损,但体结构仍未倒塌,表现出这种抗震结构的优越性。
 
【设计方案】
我们的设计方案由四部分组成:
一、钢结构框架
以钢结构替代传统的钢筋混凝土框架结构,钢结构重量轻,比相同规模的钢筋混凝土结构受震力小,同时具有强度高,截面尺寸小,变形能力大的诸多优点,可以承受比钢筋混凝土结构更大的变形而不至于倒塌而破坏。
二、轻质楼板和外墙
轻质的楼板和外墙可以减轻结构自重,从而减小地震力破坏,轻质外墙与框架之间的连接应有比较大的转动和变形能力。地震发生时,能随框架的变形而变形,不发生掉落。
三、隔震垫
在房屋的底部安装隔震垫,吸收大部分的地震能量,减小建筑结构本身受到的地震作用,被破坏。隔震垫由弹簧和弹簧中间的脆性支撑物组成,当强震到来时,脆性支撑物发生断裂,使弹簧生效。弹簧用于吸收地震能量,防止建筑物垮塌。脆性支撑物用于防止了日常生活中因各种人类活动而发生的房屋摇动。
四、消能墙
消能墙由内板和外板组成,内板和外板中分别植入磁铁,并在内板之间悬挂摆锤,摆锤由线圈和其中心的金属芯组成,当地震到来时,消能墙中的摆锤发生阻尼振动消耗地震能量,并其转化为电能,储存到蓄电池中。
模型设计蓝图从左至右,从上至下依次为:主视图,左视图,俯视图,实物图,电路图绘/詹强摄/苏国贤
 
【方案可行性探究实验】
一、
实验目的 通过模拟地震,测试房屋减震效果
实验对象 抗震建筑模型
实验组织形式 分组对照
实验步骤 1.分别将10个小人模型粘接于抗震建筑模型与普通建筑模型上。
2.通过摇动模型模拟地震波动产生的反应加速度,对比两建筑模型上小人模型的稳度。
实验现象 普通建筑模型上的小人模型全部倒塌,抗震建筑模型上的小人模型完好无损。
实验结论 该防震建筑设计方案可以有效减轻地震波动给房屋带来的损伤。
二、
实验目的 通过模拟地震试验该装置在地震到来时的防震和发电效果
实验对象 抗震建筑模型:
该模型以泡沫为主体结构,在各泡沫板内部分别植入两块钕铁硼磁铁,两泡沫板之间悬挂摆锤,摆锤由线圈和线圈中心的金属芯组成,线圈内径为2.5cm,外径为4.5cm,缠绕70m铜线。
底部和前后用弹簧制作了隔震垫,底部四角各一个,前后各两个,弹簧直径1.4cm,长度2cm,丝径0.1cm。
实验组织形式 分组对照
实验步骤 一、制作模型: 1)准备材料:
1.大小为10*20cm、40*40cm的Abs塑料板各一块;
2.三维300*150*3mm的有机玻璃板一块;
3.三维300*300*18mm的松木板一块;
4.三维60*40*5mm的钕铁硼N38磁铁两块;
2)切割材料:
1.大小为15cm×30cm的木板1块;
2.大小为37.9cm×19cm的木板2块;
3.大小为19cm×7.2cm的木板2块;
4.大小为15cm×25cm的泡沫板2块;
5.大小为15cm×8cm的有机玻璃板1块;
3)制作线圈
先后使用了长度30m,丝径0.19mm和长度40m,丝径0.22mm的两根铜线,缠绕在直径为25mm,由3个铝制硬币叠加而成的金属芯上。
3)粘接模型;
4)电路设计:
由12个支路(每个支路上1个发光二极管)组成的并联电路;
 
二、实验: 将模型悬挂于铁架台上,通过改变下放的位置与平衡位置的位移,控制产生的加速度,模拟不同大小的地震波动产生的摇晃程度,进行对照实验。多组实验取平均值。
  实验数据如下表:
  位移(cm) 电压(mV)
组一 10 257
组二 20 453
组三 30 576
实验步骤 二、实验:


 
实验结论 建筑物内的发电装置可以有效利用地震能量发电。
电能利用 在实验中我们将发电装置连接LED小灯泡,以表示示实验现象,实际中可将发电装置连接至蓄电池,将电能储存在蓄电池中,用于生产生活,节能减排。

【后记】
通过不断的对比,我们证明了该建筑设计方案具有减震的作用,同时可以利用地震能量进行发电。从目前的研究看来,该方案具有一定的可行性。
为防止发电装置对室内电器元件造成破坏,可在墙面上喷涂屏蔽导电漆(能导电漆膜,屏蔽体对外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量(涡流损耗)、反射能量(电磁波在屏蔽体上的界面反射)和抵消能量(电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场,可抵消部分干扰电磁波)的作用,从而屏蔽电磁干扰,)。
由于实际情况比我们所能够模拟的情形要复杂得多,我们将不断努力,继续改良本设计方案,期待有朝一日它能真正造福于民。
组长:苏国贤
副组长:罗志磊
组员:陈国华郭立烨林浩澜温栋林张俊康詹强
(按姓名首字母排序)
2012年4月21
【参考文献】
[1]《房屋抗震的几个关键词》.文/余安东
[2]《以柔克刚——中国古代抗震建筑的抗震智慧》. 文/李华东
[3]《地震时,我们的房子安全吗?》. 文/徐永刚
[4]《日本,地震成就建筑》. 文/杨鹏
(《中国国家地理》2008年第6期,总第572期)
[5]《汶川地震直接经济损失8451亿元人民币》(网易新闻)

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