政大大學報

自復位建築新結構 消能減震盼緩震災

2018/11/07 20:04:05

【記者林傑立綜合報導】台灣地震頻繁,強大地震波能量會造成建築物受損,即使建物當下沒有倒塌,結構也已變形。來自國立台灣大學土木工程學系教授周中哲的團隊,發明「雙核心預力拉伸自復位消能支撐裝置」(Dual-Core Self-Centering Brace, DC-SCB),改良傳統減震裝置,藉彈力構件鋼絞線助變形結構自復位。

地震來襲時,建築物結構會因地震波的能量而變形,即使地震結束後,也會因外力過大導致結構傾斜,形成「殘餘變形」。 圖/林傑立攝

地震波侵襲建物時,建物結構也隨之變形,即使地震搖晃結束,不再有外力施加在建物結構上,建物結構仍不能回復至原本樣態。DC-SCB因可助建物結構自復位,解決建築物「殘餘變形」的問題,被認為具有高度建築市場價值,於10月25日獲得2018國家發明創作獎發明金牌獎。

DC-SCB是結合鋼絞線及三組鋼造管狀結構而成的斜撐裝置,所謂斜撐裝置即在建築構造中加裝斜向支撐柱,以減緩建築物的水平晃動。而裝置裡頭的彈力構件鋼絞線,可將變形結構拉回原位,使建物達到自復位效果。

周中哲形容該裝置就像是汽車避震器,鋼絞線好比避震器中的彈簧,用來穩定建築物結構,配合構造中的消能裝置以抵抗地震能量。DC-SCB的兩端配有兩塊凸起構件,當地震來臨時,突起的鋼板互相摩擦就會消釋地震能量,以達到減震效果。

早在2016年周中哲及其學生鍾秉庭、蔡文璟就共同發明「雙核心預力拉伸自復位挫屈束制斜撐減震裝置」。DC-SCB與之同樣擁有自復位功能,唯一不同的在於消能原理,DC-SCB所使用的是摩擦力消能,而挫屈束制則是透過裝置內鋼材的變形代替建物吸收地震波能量。

裝置到目前仍在嘗試不同的材料來改進抗震裝置,目前正嘗試以鋼筋做為消能裝置,以解決突出鋼材摩擦磨損的問題。 圖/林傑立攝

現行建築物制震裝置可簡單分為傳統、減震與隔震三種,周中哲發展的DC-SCB屬於減震裝置的一種。國家地震工程研究中心主任黃世建說明,傳統抗震裝置是在主要結構上加裝樑柱,讓地震波能量破壞樑柱,以保護主要結構;減震裝置則是增加消能器以取代樑柱結構,避免大量能量傳至結構體;效果最好的隔震裝置則是透過橡膠與鋼板層層堆疊,吸收大量地震能量。

其中減震裝置又分為位移型及速度型,速度型的減震裝置透過作用力與反作用力,當地震波的速度越大,減震效果越好;位移型則透過樓層間的相對位移達到減震效果。而DC-SCB將傳統位移型減震裝置上增加自復位功能,使裝置在減震同時還能穩定建築結構。

DC-SCB自2014年起開始研發,團隊成員、台大土木系研究助理鍾秉庭說:「一開始的發想非常困難,因為這樣的裝置是從無到有。」發展至今最大問題在於成本,周中哲表示,由於裝置具複合性功能,所需花費一定比一般斜撐裝置還多。但他也強調,DC-SCB可以撐過兩次七級以上大地震,且如果裝置磨損須替換,替換工程也比修復傾斜房屋容易。

周中哲教授與學生團隊,進行裝置中預力拉伸的測試,日後將利用模擬地震測試裝置。 圖/林傑立攝