26層的高層住宅在地震中倒塌,頂樓和底樓哪個安全?
2001年9月11號,美國紐約世貿中心雙子塔先后遭到兩架飛機的撞擊,隨后在幾個小時之內先后垮塌。
兩架飛機的機型都是波音767,每架飛機的油箱里都有9萬升航空煤油。
雙子塔垮塌的非常的徹底,雖然這不是地震,有類似于地震的效果。
那么這兩個塔到底是怎么倒的呢?
實際上,飛機撞擊大樓以后,大樓還在熊熊的大火中堅持了一段時間。
大火首先把撞擊部位的鋼制橫梁燒軟,垂下來的鋼梁對支撐的鋼柱產生了一個拉力,把主承重鋼柱拉彎了。
鋼柱失去了對上層建筑的支撐力,上層建筑幾乎以自由落體的方式砸到了下層建筑上,所以從上到下以粉碎性的方式解體。
在地震中,房屋的結構性破壞,也有可能會讓承重結構失去對重量的支撐作用。在這種情況下,建筑物垮塌的方式和世貿大廈雙子塔垮塌的方式類似,上層以自由落體的方式砸向底層。
我們知道,按照經典力學,運動是相對的,作用力等于反作用力。高層建筑上層砸向下層,上層和下層受到的沖擊力是相等的,所以破壞的程度一樣。
如果我們轉換一個坐標系,把上層建筑看成固定不動的,可以把這個過程看成下層建筑或者是地球,砸向上層建筑。
當然這只是垂直垮塌的情況。
還有一種情況,就是高層建筑整體剛度比較好。在地震中整個結構仍然保持完好,但是由于地基被破壞,造成建筑向一側傾覆倒塌。
上層建筑導向地面的時候,在重力的作用下,在空中運動了更長的時間,觸地的時候速度高,動能大。
所以上層建筑的損害更大。底層建筑基本上沒有受到任何沖擊,所以底層建筑的人基本上不會受到損失。
如果是磚石混合結構的建筑物,在地震中是很容易發生粉碎性解體垂直坍塌的。
26層以上的高層建筑,基本上都會采用鋼筋混凝土框架結構,這些框架結構在設計的時候已經被設計成了超靜定結構。
所謂超靜定,就是結構部件所受到的力學約束,遠超過穩定所需要的約束。用通俗的話來說,斷掉一根梁或者是一根柱子,對整體沒有什么危害。
因此框架結構的民用建筑在地震中側向倒塌的可能性更大。
在地震發生過程中還要考慮到,人逃離危險區域所需要的時間。
樓房底層的居民逃離危樓的時間,要比頂層的人少很多。從這一點對于磚石混合結構的建筑和鋼筋混凝土框架結構的建筑里的居民,是相同的。
最后把上面的分析匯總一下,地震過程中到底是頂樓安全還是底樓安全,取決于建筑物的破壞方式,可以分成以下幾種情況。
第1種,磚石混合結構的建筑物,地震中突然垮塌,居民沒有逃離時間,頂樓和底樓是一樣危險的。
第2種,鋼筋混凝土框架結構建筑,地震中突然倒塌,居民沒有逃離時間,大概率底樓比頂樓安全。
第3種,主承重結構剪切破壞,在破壞部位會呈45度的斜角裂縫,破壞大多發生在框架結構建筑物的中低層。在這種情況下,剪切破壞發生的樓層受損最嚴重,其次是頂層建筑,最后是底層建筑。
下面這張圖是典型的剪切破壞,破壞的部位已經用黑色橢圓線圈出。
造成剪切破壞主要是底層受力結構沒有考慮到地震帶來的額外應力影響。
但是,總的來說,地震發生時,住在底層的人更安全。
由于現在還沒有準確預報地震的技術,地震中的逃生歷來是一個大難題。
為了安全起見,購買住宅最好選用鋼筋混凝土框架結構,當然全鋼結構更好。