Badania eksperymentalne i numeryczne nad bocznym zachowaniem histeretycznym oraz uproszczonym modelem typowego Dou‑Gong z dynastii Ming i Qing

Starożytne drewniane belkowania chroniące budynki przed trzęsieniami ziemi

Wiele z wielkich historycznych chińskich bram, sal i wież przetrwało przez stulecia trzęsień ziemi. Jednym z kluczowych powodów jest charakterystyczny układ zazębiających się drewnianych bloczków i belek zwany Dou‑Gong. Badanie to przygląda się szczegółowo, jak jedna istotna grupa tych belkowań z okresu dynastii Ming i Qing kołysze się i ślizga podczas drgań oraz jak można uchwycić to zachowanie w prostym modelu inżynierskim. Zrozumienie tego ukrytego drewnianego „amortyzatora” pomaga lepiej chronić zabytkowe budowle o światowej wartości i projektować bezpieczniejsze nowoczesne konstrukcje inspirowane nimi.

Drewniana układanka o znaczeniu społecznym

Dou‑Gong to nie tylko trik konstrukcyjny; jest także symbolem statusu. W przeciętnych historycznych domach dopuszczano jedynie małe, proste belkowania, podczas gdy oficjalne miejskie bramy i cesarskie sale miały duże, bogato malowane stosy drewnianych bloczków. Autorzy koncentrują się na tych średnio‑ i wysoko‑poziomych belkowaniach z okresu Ming–Qing stosowanych w ważnych budynkach publicznych. W porównaniu z wcześniejszymi, bardziej rozbudowanymi wersjami z dynastii Song, Dou‑Gong z okresu Ming–Qing jest smuklejszy i bardziej zwarty, z mniejszą liczbą wysuniętych ramion i bardziej bezpośrednią drogą przenoszenia sił z dachu do słupów i ścian. Te różnice sugerują, że może reagować na trzęsienia ziemi w charakterystyczny sposób, a nie zachowywać się jak starsze belkowania, które badała większość wcześniejszych prac.

Trzy typy belkowań, trzy pozycje w ramach konstrukcji

Naukowcy zbadali trzy typowe układy belkowań, z których każdy zajmuje inne miejsce w drewnianej ramie. Jeden typ znajduje się między słupami (DGPS) i nie jest z nimi bezpośrednio połączony. Drugi typ spoczywa na szczycie słupów (DGZT), a trzeci umieszczono w narożnikach, gdzie spotykają się dwie ściany (DGJ). Na podstawie starannych badań terenowych historycznych bram i wież w Pekinie i Shanxi zespół odtworzył te trzy układy w skali jednego trzeciego, używając tego samego rodzaju drewna sosnowego, co w oryginałach. Przetestowali podstawową wytrzymałość samego drewna, a następnie zmontowali próbki belkowań wiernie odzwierciedlające historyczne kształty.

Poruszanie belkowaniami, aby ujawnić ukrytą ruchomość

Belkowania zamocowano w solidnej stalowej ramie i poruszano nimi tam i z powrotem w powolnych, kontrolowanych cyklach, aby naśladować ruchy sejsmiczne. Małe obciążenia reprezentowały nacisk dachu z góry. W miarę narastających przemieszczeń zespół obserwował pękanie, rozdzielanie i uszkodzenia oraz rejestrował siły pchnięć i pociągnięć. Wszystkie trzy typy wykazały silne ślizganie między dopasowanymi powierzchniami drewnianymi, wraz z stopniowym miażdżeniem i rozszczepianiem włókien drewna w kluczowych miejscach styku. Krzywe siły względem przemieszczenia tworzyły pętle zwężające się w środku, efekt nazywany „zaciskaniem”, który wskazuje, że elementy konstrukcji otwierają się i zamykają w trakcie każdego cyklu oraz że sztywność stopniowo się obniża. Spośród trzech, belkowania umieszczone na szczycie słupów (DGZT) i narożne (DGJ) lepiej pochłaniały energię, podczas gdy belkowanie między słupami (DGPS) zachowywało więcej swojej sztywności, ale rozpraszało mniej energii.

Od skomplikowanego rzeźbienia do prostych linii

Ponieważ rzeczywiste Dou‑Gong składa się z wielu małych bloczków i powierzchni styku, szczegółowe modele komputerowe są czasochłonne i kosztowne przy analizie całego budynku. Aby temu sprostać, autorzy zbudowali dopracowane trójwymiarowe symulacje każdego belkowania, a następnie wyśledzili główne wewnętrzne „ścieżki przepływu sił”, gdzie koncentrowały się naprężenia. Zastąpili złożoną geometrię kilkoma uproszczonymi belkami i wzmacnianiami, włączając elementy, które nie występują dosłownie w drewnie, lecz oddają jego ogólny efekt. Szczególną uwagę poświęcono temu, jak zgniatane drewno odkształca się wokół ukrytych kołków, które kontrolują, jak daleko elementy mogą się przesunąć przed plastycznym odkształceniem. Rezultatem jest uproszczony model belkowy wykorzystujący ułamek pierwotnych zasobów obliczeniowych — rzędu kilku procent elementów i węzłów — jednocześnie odtwarzający kluczowe zachowania kołysania i ślizgu.

Sprawdzanie, czy skrót naprawdę działa

Uproszczone modele poddano następnie działaniu wirtualnych przemieszczeń takich samych, jak użyte w testach laboratoryjnych. Porównując wyniki, badacze stwierdzili, że uproszczone modele odtwarzały ogólny kształt krzywych eksperymentalnych oraz sposób, w jaki sztywność malała wraz ze wzrostem przemieszczeń. Wzory miejsc o wysokich i niskich naprężeniach w wersjach uproszczonych również odpowiadały tym z szczegółowych symulacji. Pojawiły się pewne różnice przy bardzo dużych przemieszczeniach, gdzie istotne stają się wady rzeczywistego drewna i złożone efekty tarcia, lecz w zakresie najistotniejszym dla oceny konstrukcji zgodność była wystarczająco dobra do praktycznego zastosowania.

Co to oznacza dla dzisiejszych zabytków

Dla osoby nietechnicznej główna wiadomość jest taka, że te warstwowe drewniane belkowania nie są kruchą ozdobą; działają jak wbudowane poduszki pozwalające zabytkowym budynkom kołysać się, ślizgać i rozpraszać energię sejsmiczną bez zawalenia. Badanie pokazuje, że nawet „prostsze” wersje z okresu Ming–Qing pełnią tę ochronną rolę i oferuje inżynierom zwartą metodę reprezentacji ich w modelach komputerowych całych budynków. To znacznie ułatwia sprawdzenie bezpieczeństwa dużych drewnianych pomników i planowanie napraw czy wzmocnień z poszanowaniem ich pierwotnego charakteru.

Cytowanie: Cui, Z., Chun, Q., Yuan, Y. et al. Experimental and numerical research on the lateral hysteretic behavior and simplified model of typical Dou-Gong in Ming-Qing dynasties. npj Herit. Sci. 14, 57 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02340-x

Słowa kluczowe: Dou‑Gong, zachowanie sejsmiczne, dziedzictwo drewniane, architektura Ming–Qing, dysypacja energii