Att designa byggnader som tål de största stormarna, Kostas Keremidis, en doktorsexamen kandidat vid MIT Concrete Sustainability Hub, använder forskning i minsta skala - atomens.

Hans tillvägagångssätt, som delvis härrör från materialvetenskap, modellerar en byggnad som en samling punkter som samverkar genom krafter som de som finns på atomskala.

"När du tittar på en byggnad, det är faktiskt en serie kopplingar mellan kolumner, fönster, dörrar, och så vidare, "säger Keremidis." Vår nya ram ser på hur olika byggnadskomponenter ansluter sig till en byggnad som atomer bildar en molekyl - liknande krafter håller ihop dem, både i atom- och byggnadsskala. "Ramverket kallas molekylär dynamikbaserad strukturell modellering.

Så småningom, Keremidis hoppas att det kommer att ge utvecklare och byggare ett nytt sätt att snabbt förutsäga byggnadsskador från katastrofer som orkaner och jordbävningar.

Gör modeller

Men innan han kan förutsäga byggnadsskador, Keremidis måste först montera en modell.

Han börjar med att ta en byggnad och dela dess respektive element i noder, eller "atomer". Detta är ett standardförfarande som kallas "diskretisering, "varigenom en byggnad är uppdelad i olika punkter. Sedan ger han varje" atom "olika egenskaper beroende på dess material. Till exempel, vikten av varje "atom" kan bero på om det är en del av ett golv, en dörr, ett fönster, och så vidare. Efter att ha modellerat dem, han definierar deras band.

Den första typen av bindning mellan punkter i en byggnadsmodell kallas en axiell bindning. Dessa beskriver hur element deformeras under en belastning i riktningen av deras spann - med andra ord, de modellerar hur en kolumn krymper och sedan returerar under en belastning, som en fjäder.

Den andra typen av anslutning är den för vinkelbindningarna, som representerar hur element som en stråle böjer sig i sidled. Keremidis använder dessa vertikala och laterala interaktioner för att modellera deformation och sönderdelning av olika byggnadselement. Brytning sker när dessa bindningar deformeras för mycket, precis som i verkliga strukturer.

För att se hur en av hans byggnader kommer att klara sig under förhållanden som stormar eller jordbävningar, Keremidis måste noggrant testa dessa sammansatta atomer och deras bindningar under många simuleringar.

"När jag väl har min modell och min byggnad, Jag springer då runt 10, 000 simuleringar, "förklarar Keremidis." Jag kan tilldela 10, 000 olika laster till ett element eller en byggnad, eller jag kan också tilldela det elementet 10, 000 olika fastigheter. "

För honom att bedöma resultaten av dessa simulerade förhållanden eller egenskaper, Keremidis återvänder till obligationerna. "När de deformeras under en simulering, dessa bindningar kommer att försöka få byggnaden tillbaka till sin ursprungliga position, "konstaterar han." Men de kan också bli skadade, för. Så här modellerar vi skada - vi räknar hur många bindningar som förstörs och var. "

Skadan finns i detaljerna

Modellens innovationer ligger faktiskt i dess skadeprognos.

Traditionellt, ingenjörer har använt en metod som kallas finite element analys för att modellera byggnadsskador. Liksom MIT:s tillvägagångssätt, det bryter också ner en byggnad i komponenter. Men det är i allmänhet en tidskrävande teknik som sätts upp kring elementens elasticitet. Detta innebär att den endast kan modellera små deformationer i en byggnad, snarare än storskaliga oelastiska deformationer, som fraktur, som ofta förekommer under orkanbelastningar.

En extra fördel med hans molekylära dynamikmodell är att Keremidis kan utforska "olika material, olika strukturella egenskaper, och olika byggnadsgeometrier "genom att leka med atomernas layout och natur och deras bindningar. Detta innebär att molekylär dynamik potentiellt kan modellera alla element i en byggnad, och snabbare, för.

Genom att skala detta tillvägagångssätt bortom enskilda byggnader, molekylär dynamik kan också bättre informera staden, stat, och till och med federala riskbegränsande insatser.

För riskreducering, städer för närvarande förlitar sig på en modell av Federal Emergency Management Agency (FEMA) som heter HAZUS. Det krävs historiska väderdata och ett dussin standardbyggnadsmodeller för att förutsäga skadorna som ett samhälle kan uppleva under en fara.

Även om det är användbart, HAZUS är inte perfekt. Det erbjuder bara ett dussin standardiserade byggnadstyper och ger kvalitativa, snarare än kvantitativt, resultat.

MIT -modellen, dock, kommer att göra det möjligt för intressenter att gå in på detaljer. "Med FEMA's HAZUS, den nuvarande kategoriseringsnivån är för grov. Istället, vi borde ha 50 eller 60 byggnadstyper, "säger Keremidis." Vår modell gör att vi kan samla och modellera detta bredare utbud av byggnadstyper. "

Eftersom den mäter skada genom att räkna de brutna bindningarna mellan atomer, ett molekylärt dynamiskt tillvägagångssätt kommer också lättare att kvantifiera de skador som faror som vindstormar eller jordbävningar kan orsaka ett samhälle. En sådan kvantifierbar förståelse av riskskador bör leda till mer exakta uppskattningar av minskningskostnader och återvinning.

Enligt U.S. Congressional Budget Office, vindstormar orsakar för närvarande 28 miljarder dollar i skada årligen. År 2075, de kommer att orsaka 38 miljarder dollar, på grund av klimatförändringar och kustutveckling.

Med ett molekylärt dynamiskt tillvägagångssätt, utvecklare och myndigheter kommer att ha ytterligare ett verktyg för att förutsäga och mildra dessa skador.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.