我家房子怎幺耐震! (II)

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我家房子怎幺耐震! (I)- 谈传统耐震设计概念

板块运动使全世界许多国家与地区面对地震随时来袭的威胁,各国政府莫不谨慎因应,台湾位于欧亚大陆板块与菲律宾海板块的交界处,建筑物如何抗震更是我们无可逃避的重要议题。

现代社会发展的趋势,越来越多人口集中于都市,促使建筑物越盖越高、交通道路日益繁忙、桥梁与管线日益複杂。因此,地震工程科技必须不断提升,以因应更严峻的地震安全需求。传统建筑物之耐震设计因经济及使用性考量,採用「大震不倒但允许破坏」的概念,在一定强烈程度的地震来袭时,仅顾及生命安全之维护,而建物原有之功能性,往往因破坏严重而无法维持。

对于如医院、消防单位等需于地震后发挥功能的建筑物而言,这样的设计方式增加了防灾工作的不确定性与困难度。本文介绍建筑物另外两种耐震设计方式,皆利用特殊装置维持建筑物受振后主体结构之完整性与建物本身之功能性,依装置不同分为减震(vibration reduction)和隔震(vibration isolation)设计。

房屋隔减震原理

房屋的减震与隔震的原理,可用水桶和水族箱来比喻,如图1所示,水桶中的水量如同地震时地表振动能量,水越多,代表能量越大;水族箱的容量视同房屋的耐震能力,容量越大,耐震能力越大。

图1 (a)为不耐震房屋,水族箱容量过小,倒入时水溢出,代表房屋的耐震能力不足以容纳地震振动能量,造成损毁;(b)为减震设计房屋,如同水箱增设水龙头,水倒入时能被开启排出部分的水量,在大地震发生时,减震装置能消散部分地震能量,减少房屋震动;(c)为隔震设计房屋,改成在水族箱上方增设双导管漏斗,水倒入时,大部分的水从粗导管直接排掉,少部分进入水族箱,隔震装置如同漏斗,能过滤(隔绝)掉大部分地震能量,大幅降低地震对房屋的冲击。减震与隔震装置皆能有效防止水位超出水族箱之容量,如同以不增加水族箱容量的方式提升了房屋的耐震能力。

我家房子怎幺耐震! (II)

图1:房屋减震与隔震原理
(图片来源:《安全耐震的家–认识地震工程》,第五章)

减震技术

前述减震的原理,为利用减震装置消散房屋受震时的能量,而实际应用如图2(a)所示,将减震器设置在房屋结构框架中,藉由减震器受地震时的相对运动(变形),吸收部份结构振动能量,以达到缓冲并消能的效果,使结构物摆动的幅度降低。减震器的种类繁多,包括液压型阻尼器(图2(b))、黏弹性阻尼器、制震壁、挫屈束制支撑(图2(c))、钢板剪力墙等,各具特色。

我家房子怎幺耐震! (II)

图2 减震技术
(图片来源 (a):《安全耐震的家–认识地震工程》,第五章。(b), (c): 《隔减震应用之介绍》)

隔震技术

隔震的原理,是隔绝房屋受震时的能量。图3 (a)中,将隔震器置于房屋结构底部,藉由隔震器的水平滑动来隔绝地震能量传入房屋结构,隔震器之上的结构物犹如刚体,仅有小量的变形,而未隔震受震时房屋会整体甩动,容易产生变形而破坏。图3 (b)为一典型的隔震器「铅心橡胶支承垫」(Lead Rubber Bearing , LRB),其主要构造:1.天然橡胶材质较软且可承受大变形量,可使房屋水平滑动;2.铅心可帮助消散地震能量;3.内填钢板则可避免支承垫在垂直方向过于软弱,而使支承垫的变形集中于水平方向。隔震设计能够有效隔绝地震能量的传递,地震中仅感受轻微晃动与滑动感,能减少屋内家俱倾倒,提升安全性,亦可与减震装置同时设计使用,为安全耐震的良好选择。

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图3 隔震技术


参考资料

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