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与地牛翻身的对抗赛

大地震往往会造成严重的灾害,而灾害可区分为直接性与间接性。直接灾害包含山崩、地陷、岩层液化、海啸与地面断裂;间接性灾害则因地震,造成管线破裂、火灾与水库坝体遭受破坏而引发的洪灾等,在强烈地表振动下,使建筑物毁损、桥梁断裂与道路坍方也属此类。另外,当断层产生错动时,若建筑物正好跨越断层带会受到强烈的拉扯作用(图一),造成严重的扭曲或断裂,建筑物倒塌或受损的风险提高。台湾处于地震带,大小地震不断,因此建筑在抗震议题格外重要。与地牛翻身的对抗赛
地震对建筑物的反应—— 摇晃程度取决于週期与阻尼

週期是建筑物的重要特徵,如同物体受外力会产生规律的反覆运动,建筑物本身亦存在自然振动模式,而来回运动一次所需要的时间称为自然振动週期。不同的建筑物有不同的週期,工程师可藉由建筑物週期大小推算地震来临时,房屋受到的地震冲击力。影响週期的要素则有结构设计、营建材料及楼高等。

一般建筑结构,越宽矮的建筑物週期越小,反之週期越大。规则型楼房的自然振动週期,约为楼层数 1∕10,如10层楼高的建筑,自然振动週期约为1秒。但地震并不会只以单一的週期发生,而是许多不同频率组合的宽频运动,至于每种频率含量比重,每次地震皆不相同,但会存在主要的振动频率。若是地震的主要振 动週期接近1秒,则对10 层楼高的 建筑物产生共振效应,可能会有较大程度的摇晃,而对20 层的大楼,摇晃程度则可能较小。

结构系统受外力作用下,为保持其惯性,系统会产生相应力量阻止运 动,此现象称之为阻尼(damping)。 一般而言,阻尼的力量方向会与运动方向相反,力量大小则与物体运动的速度成正相关,但不一定是正比。在地震作用下,藉由梁、柱、墙、楼板
及非结构元件,利用本身反覆的弹塑性变形,抵销地震能量,这种房屋本身的基本消能机制称为结构物的固有阻尼。利用阻尼比,可描述结构系统在受到扰动后振荡及衰减的情形,阻尼比越高,即建筑物可消散能量多,结构地震反应小。

建筑结构物抵抗外力的机制—— 建筑结构物的类型

台湾常见的建筑结构分别为钢筋混凝土结构、钢结构及钢骨钢筋混凝土结构(图二)。

钢筋混凝土结构为利用钢筋与混凝土为材料,建构梁、柱、版与墙的 建筑结构,台湾的建筑物约有90% 以上属于此类,其抗震机制为钢筋与核心混凝土消化地震能量。钢筋混凝土建筑是最传统也是业界施工技术最纯熟的工法。因其混凝土佔较大比例,刚性较大,地震来袭时之摇晃位移量较小,故属较刚硬的结构性质。

钢结构的主体为钢骨,多为办公大楼。施工过程是将钢铁厂预先铸造完成的型钢运送至工地现场,再以螺栓与焊接等方式接合。钢材的强度相对重量的比值大、韧性佳,建筑相对轻盈,适合建造高楼或超高楼建筑。但也因结构轻盈,且阻尼相对钢筋混凝土构造较小,遭遇强风时容易摇晃,位于高楼的人易感不适。

为了兼顾高楼的耐震与舒适性,结合钢筋混凝土与钢骨建材,梁柱中间以钢骨支撑,兼具纯钢骨与钢筋混凝土的优点,属于钢骨钢筋混凝土建筑。然而,其设计与施工上较 另外2 种构造更为複杂,技术层面 较高,品管要求需更严谨。与地牛翻身的对抗赛
一般的建筑物适合採用钢筋混凝土结构,但超高层建筑则採用钢骨钢筋混凝土或钢结构,因钢骨材料强度高,总体钢材断面积大,可减少梁柱断面尺寸大小,增加整体内部使用空间。然而,若採用此混凝土材料做设计时,其结构断面尺寸可与钢骨钢筋混凝土结构并驾齐驱。无论如何,建筑结构物都需面临地震作用下的抗震议题,依据现行耐震设计规範是以「小震不坏、中震可修、大震不倒」为基本原则,只要依据此规範设计,并且具有良好 的施工品质下,3种结构皆能具有相 同的耐震能力。

如何增加结构物的耐震能力

一般人认为现行耐震设计规範所设计的建筑物,在受到地震侵袭下需完全无损伤,才为良好的耐震设计,若有发生损伤,则是因设计或施工上不良所导致。然而,这是错误的观念,若要求建筑物遭遇大地震毫无损伤,会造成建筑经费与材料的浪费,亦因梁柱断面增加,将减少建筑实际利用空间。地震发生时,现行耐震规範下,建筑物的耐震能 力为震度5 的中地震时,每层楼间 变位角〔注一〕控制在1∕200以下, 结构体只受到轻微损伤;震度6 的 大地震时,每层楼间变位可容许为 中地震的2 倍以上,但建筑物不可倒塌的设计原则。

提升建物之抗震能力,可分为「内-改善建物体质」与「外-携带耐震机具」,使建筑物在遭受到强烈地震侵袭时,增加结构安全性并减低建筑物的剧烈晃动。

内-改善建物体质 新型高强度钢筋混凝土结构系统
目前常见的钢筋混凝土建筑物,钢筋 强度约280~420百万帕斯卡(MPa)、 混凝土强度约为28~56 MPa。依据 现行钢筋混凝土设计规範,可兴建 约 30 楼层高的建筑物,但在重力 与垂直地震力作用下,高楼层建筑的低楼层柱构件需承受相当大的力量而採用较大的柱断面,影响建筑物低楼层的使用空间。因此,台湾目前积极研发新型高强度钢筋混凝土结构系统,可在不增加结构构件尺寸的条件下,使钢筋混凝土结构更有效地高层化。高强度钢筋混 凝土的钢筋强度提升至685~785 MPa,混凝土强度亦提升于70~100 MPa,钢筋强度约能提升1.7 倍, 混凝土约提升 1.8~2.5倍(图三)。与地牛翻身的对抗赛
建筑物在搭配高强度材料建造时,施工品质对安全影响较大,需具有更严谨的施工要求。举例而言,日本普遍流行施工条件佳、先进快速的预铸工法。......

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