2016年8月11日 星期四

不再是一盤散砂/穩定且具有結構強度的砂土實驗

來源出處:PRACTICAIL ENGINEERING
Mechanically Stabilized Earth

砂土透過簡單的結構強化,就可以承受車的重量
而且不會鬆散、坍塌或變形。怎麼辦到的呢?
當要建造一個建築物,最重要的因素之一是材料。材料影響一切從外在到核心的一切特徵(重量、 強度);也或者是大家更關心的:施工材料及其對應的成本。基礎設施不需要光鮮亮麗,畢竟它往往就是透過你我繳的稅收來建構,所以大家都喜歡低成本。有一種施工的材料比別的材料更加便宜,那就是砂土。


<<點擊影片/觀看材料實驗過程>>

土壤是一種摩擦材料。不同於....分子鍵來組成鋼,或是水泥這樣的粘結劑之於混凝土,土壤的強度幾乎完全取決於土壤顆粒本身之間的內部摩擦。物理課中所教我們的,摩擦力的大小是正向力成正比。當有更大的垂直力推向滑動面,要滑動兩種材料所需的力就必須增加。如果我們想要避免滑動,摩擦力可以考慮為抗剪強度。當具備更多的摩擦時,抗剪力的切力具有更多的力量。
砂土的堆積有一個自身系統的坍塌角

讓我們看看土壤樣品並施與一個垂直向的力。如果你分析一個水平面,我們的施力方向就會是完全垂直的,這個法向量會增加土壤的抗剪強度。但如果我們嘗試一個傾斜的平面,事情會不太一樣。這個平面上部分的受力是正常的,增加垂直強度,但它一部分也以水平向增加剪應力。

破壞、坍塌的決定角度,越接近垂直向的力,越有助於增加抗坍塌的效力,並產生越少的剪應力;如果剪應力超過破壞強度,材料的滑動就會發生,也就是意味著這種材料是失敗的。這就是為什麼粒狀材料一般不能垂直站立。材料本身的重量就足以導致整體沿著傾斜面,崩塌損壞。


關於更多 MSE 的解釋,可以參考原文出處
下面是截錄自影片,在砂土中加入兩種不同的加勁材料(Reinforcement),測試其結構強度的表現與差異。
 舊 T-Shirt 當加勁材 
在砂土中擺放一層層的舊 T-Shirt

承載個人重量時的表現,出現外圍局部坍塌
 砂網當加勁材 
改以通透的砂網當加勁材

一層層堆疊

將砂土夯實

再次測試以一個人體重來承重

用汽車的部分重量來承受,也足以支撐

關於這個物理的現象,在 ETH 有一個相似的作品,請參考下面的連結
 延伸閱讀 
Gramazio Kohler and Skylar Tibbits' "Rock Print"


作品細部可見岩石與棉繩的交織與磨擦作用力

 延伸閱讀 
ICD Aggregate Pavilion 2015
這個作品是靠內部單元之間的牽制

堆疊的測試成果

作品發展的過程紀錄(大量單元採用射出成形)




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