The effects of reducing design drift limits: evidence from the field and nonlinear dynamic analyses
本研究结合了来自1,800多栋建筑的实地数据与非线性动力分析，旨在证明将设计层间位移角限制降低至1.0%，可以在不牺牲位移能力的情况下，显著降低结构与非结构构件发生倒塌及严重损坏的风险。
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当地震发生导致地面震动时，建筑物并不仅仅是静止不动或直接倒塌；它们会发生摆动。工程师将这种左右晃动的运动称为“漂移”，即一层相对于其下方楼层移动的距离。几十年来，建筑规范一直对允许这种漂移增长的程度设定了限制，其基本假设是：如果一座建筑被设计成能在不折断的前提下弯曲一定程度，它就能幸存下来。长期以来的普遍观点认为，为了减少这种摆动而增加建筑刚度（使其更硬）可能成本过高，或者可能引发其他问题，例如导致内部物品受到过于剧烈的摇晃。然而，一项新的研究挑战了这一长期存在的假设，该研究表明，保护建筑及其内部人员和设备的最安全方法，是设计出比当前标准要求显著更刚性的结构，前提是这些结构必须具备足够的内部强度来承受压力。
这项工作的研究人员来自苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和坎特伯雷大学，他们旨在测试收紧这些漂移限制是否真的能提高安全性。他们从两个角度切入这个问题：一是观察过去地震发生后数千座真实建筑的情况；二是通过创建详细的计算机模型，模拟按照不同刚度标准设计的建筑。在现实世界中，他们收集了全球十六次不同地震后对一千八百多座钢筋混凝土建筑进行的调查数据。他们关注一个简单的物理特征：建筑的墙壁和柱子空间相对于其楼层面积的比例。用工程术语来说，这些垂直支撑的密度越高，意味着建筑越刚硬，摆动就越小。通过将这种密度与损坏报告进行对比，他们发现了一个清晰的模式。拥有更多墙壁和柱子、因此摆动较小的建筑，遭受灾难性破坏的情况要少得多。具体而言，与垂直支撑较少的建筑相比，垂直支撑密度较高的结构发生严重损坏或坍塌的可能性要低约十倍。
团队还关注了经常被忽视的建筑内部损坏问题，例如天花板破裂、医疗设备受损以及隔断损坏等。他们分析了智利在一次重大地震后111家医院的报告。结果令人震惊：采用柔性框架（即摆动较大的结构）建造的医院，其非结构组件遭受严重损坏的可能性，是那些采用刚性混凝土墙建造的医院的十倍。这一发现直接反驳了一个常见的担忧，即较硬的建筑会使内部物品受到过于剧烈的摇索。数据表明，刚性建筑增加的稳定性实际上比摆动的框架更好地保护了精密的设备和内部装修。
为了准确理解这种现象发生的原因并预测未来的表现，研究人员随后转向了计算机模拟。他们设计了十六种不同的钢筋混凝土框架建筑和十六种不同的钢筋混凝土墙-框架建筑。每一组建筑都按照四种不同的漂移限制进行设计，范围从极柔性的2.5%到极刚性的1.0%。至关重要的是，他们确保每座建筑都配备了强大的内部钢筋加固，这意味着即使是最刚硬的建筑，也具备与最柔性建筑相同的弯曲和吸收能量而不折断的能力。随后，他们将这些虚拟结构置于模拟的地震力之下，包括可能每2500年发生一次的极端罕见且强烈的震动。
模拟结果证实了在现实世界数据中所看到的趋势。当设计的摆动限制从2.5%降低到1.0%时，建筑在巨大地震中坍塌的风险降低了十倍。更刚硬的建筑在结构元件和楼层方面的损坏也较轻。此外，研究发现，增加建筑的刚度并不会增加内部物品所感受到的加速度，而这正是此前阻碍工程师追求更刚性设计的担忧所在。相反，更刚硬的建筑保持了其完整性，并使楼层更加稳定。
研究结论指出，将允许的设计漂移限制降低到1.0%是一种简单且有效的方法，可以显著提高抗震安全性。这种方法将大幅降低坍塌和严重结构损坏的风险，同时也能保护建筑内有价值的财物和非结构性元素。证据表明，关于刚度与安全性之间存在权衡的看法是一个误解；通过在不牺牲内部强度的前提下设计出更刚硬的建筑，工程师可以创造出对剧烈地动更加具有韧性的结构。
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