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科普講堂

以助人為出發點,談「挫屈束制支撐技術」

2017年12月榮獲行政院<傑出科技貢獻獎>的「挫屈束制支撐 (buckling-restrained brace, BRB)技術」是由國立臺灣大學土木工程學系暨研究所蔡克銓教授花費數十年,率領台大研究生和國家地震工程研究中心(國震中心)助理研究員吳安傑、莊明介及技術師王孔君一起研發抗震技術的工作成果。



【上圖一】挫屈束制支撐技術研發團隊,由左而右依次為王孔君技術師、蔡克銓教授、吳安傑助理研究員,以及莊明介助理研究員
 

研發技術說明

「挫屈束制支撐技術」建造的方法是利用裝在建築裡面的鋼骨斜撐構件。將鋼骨斜撐(核心元件)先鋪設脫層材料(*註釋1),然後以套管(圍束鋼管)套住,再往套管內灌入混凝土作為填充材料。所以當挫屈束制支撐遭受拉力可達降伏(*註釋2)外,受壓力時,由圍束鋼管與混凝土所包覆的核心元件亦可避免挫屈(*註釋3)情形發生,穩定地發展出降伏強度。因此,在建築受震時的左右擺盪下,挫屈束制支撐在受拉、受壓的狀態皆可達到降伏,充份地發揮鋼構件的優異韌性來吸收地震能量,以減輕地震對建築物的破壞。

【上圖二】挫屈束制支撐構造示意圖與現地應用實況

而且在建築的建造費用上,由「挫屈束制支撐技術」構成的「挫屈束制支撐構架」(buckling-restrained braced frame, BRBF) 能夠提升建築物抗震所需的勁度、強度與韌性,並使整體工程造價大幅降低,新建或舊有建築補強工程也能以比較低的成本提升結構抗震能力與安全性能。使建築的受震反應得以減輕,有價的財產及無價的人命也能因此獲得更有效的保障。

那麼,相信很多人一定很好奇,這麼好的技術已經應用在哪裡了呢?


【上圖三】「挫屈束制支撐技術」應用實例

其實「挫屈束制支撐技術」目前已經應用在國內、外超過130棟建築中,且技術移轉(*註釋4)到國內15間及紐西蘭1間大型鋼構廠,並獲得中華民國、美國、日本、中國、加拿大、義大利與韓國等七國發明專利。累計設計生產超過16,000組,創造市場產值保守估計超過30億元。

註釋:

  1. 藉由脫層材料(debonding layer)可以降低核心元件與填充用混凝土間的摩擦力,確保核心元件於受拉與受壓的情況下能有類似的強度反應。經本團隊研究的結果顯示黏性橡膠很適合作為脫層材料,因為其具有可靠性、經濟性與優良施工性。
  2. 降伏(yielding)一詞,在此是指工程材料(例如: 建築用鋼材)受力超過彈性限度時,其應力/應變的比值降低,導致材料軟化的情形
  3. 挫屈(buckling)是指細長的結構桿件在受到壓力時,因桿件彎曲變形而造成結構不穩定的現象。
  4. 「技術移轉」( technology transfer ),就是由技術提供者(技術擁有者)透過簽訂技術移轉合約或其他契約的方式,對技術需用者或技術接受者根據約定提供技、機器設備、技術資料、製程資料或其他資訊與服務,使技術需用者或技術接受者能夠據以實施該等技術。

研發團隊專訪

我們榮幸能訪問到蔡克銓教授帶領的「挫屈束制支撐技術」研發團隊,以下為實地採訪:smiley

● 請蔡教授分享研發的起點,是什麼促使您想要研發出這項技術的呢?

蔡克銓教授:我希望可以幫助工程師。在我於美國念博士前曾擔任結構工程師的工作,我發現工程師常會遇到很多挑戰,很需要幫忙。而且唸完博士後也發現,如果當老師的話,幫助工程師的效率會更高。因為有實務經驗,又在教育界的關係,會藉由參加研討會以及讀文章受到的啟發,利用從事學術研究的成果轉至實務應用方法來幫忙改善工程師遇到的問題。

● 請分享家庭與求學過程,以及有什麼事情或人物是啟發影響您很深的

蔡克銓教授:我受家人的影響很深。我的父親是醫生,母親是老師,父親一心醫人、助人,為我們樹立良好的典範,母親則很注重教育,父母生育9個小孩,7女2男。家裡可能因為父親是醫生的關係,所以兄弟姊妹主要都是念醫學、科學相關,只有我和大姊分別念工程和法律。在家裡我排行第七,小時候看到哥哥、姊姊做什麼,我就很自然會跟著做,所以在成長過程可以說是很受他們的影響,也因此培養了像是欣賞與演奏古典音樂這樣的能力。
我覺得自己很幸運,曾念的書和從事的工作都是自己喜歡的,受曾在工程界工作的影響,後來做研究,一直保持跟工程師互動,而且現在教書的臺大土木工程學系有很多優秀的好學生,因為有好的團隊,所以才有辦法一起做出好的研究。

● 團隊在研發過程曾遇到最大的困難?以及如何克服?

王孔君技術師:蔡教授雖然要求很多(笑),但是他有一句話影響我很深—「應該辦得到的事,不要輕易退縮。」哪怕是不成功的實驗,也要力求能在該次的實驗中盡可能學到最多東西。所以我們就算是在實驗進行中發現已經失敗了,蔡教授也會試圖修改試驗計畫,把握每次實驗的機會,在研究上務求盡心盡力。
蔡克銓教授:能夠克服問題真的要感謝所遇到一群很棒的夥伴們,大家不會躲事情,也不會躲責任,這種大家一起作戰,彼此信任的感覺真的很好,研發的進展與困難的解決,靠的都是大家一起的努力。

● 挫屈束制支撐技術目前已技術移轉給國內多家廠商,請問是如何開始洽談技轉案,創造如此高的市場產值?

蔡克銓教授:首先很感謝國震中心的許健智副主任,因為我長年發展抗震技術所得到的很多項專利,在許副主任的建議下將這些專利轉入國震中心,透過發表文章,以及國震中心舉辦研討會的推廣,讓更多廠商認識到我們的研究,進而主動提出技術移轉的要求。

● 請問團隊在和廠商接洽時,是否有建議要注意的地方?

吳安傑助理研究員:結構工程師和鋼構製造商常覺得學術單位太過理想化,所以要做好溝通是一件很重要的事情。傾聽使用者的需求,以及第一線結構設計、施工人員的專業建議,要好好和他們溝通,也讓他們有信心應用本項技術。

● 請說明資訊科技在研發技術上的應用。

莊明介助理研究員:透過資訊技術所建置而成的BOD(Brace on Demand)雲端設計服務,已成為結構工程師在設計挫屈束制支撐的一大利器,藉由電腦高速運算的能力,可以讓完整且嚴謹的設計檢核工作在彈指之間即可完成。這項雲端服務,不僅可以有效提升結構工程師在挫屈束制支撐設計工作上的質與量,並且可以降低設計檢核工作中發生人為錯誤的機會。

● 請問團隊接下來的研發目標(或希望可以進一步改善哪方面)

蔡克銓教授:我們的目標是研發兼具高耐震性能、高接合穩定性、高消能容量、易施工性、高經濟效益的制震構件與應用技術。而且我們要不斷在技術上精進,對所用材料的性能要求也要更為提高,然後也需要因應使用者的需求,向高度更高與規模更大的建築挑戰。

抗震技術的研發,其實是一場全球的競賽,必須要不斷精進,不然可能很快就會被其他國家追上或超越,這也是我們要一直不斷努力提升技術的原因。

● 老師覺得發明家或研發團隊最需要什麼樣的特質?

蔡克銓教授:很多事情不是做的跟別人不一樣就行了,必須要求更便利使用,而且還要兼顧到安全與經濟的考量。如果想要在某個領域變厲害,就要多看看別人如何作,然後多練習使用那門技術,熟悉它,去做、去思考才會知道怎麼樣改善讓它變得更好。

因為曾在實務界工作過,所以我知道工程師會遇到那些困難。如果平常不去了解,怎麼知道如何幫助他人解決問題。很建議大家平日要好好鍛鍊自己的身體與心智。因為要先照顧好自己,才有辦法照顧別人。多和使用者跟製造者互動,了解使用者需要什麼,也傾聽製造者在實務上的建議,才有辦法讓事情做的更好,也更符合大眾需求。

● 老師給我們勉勵的話

蔡克銓教授:要團結,要互相幫助,而且有能力時,一定要主動去幫助別人。若不容易溝通和表達,可先做出成績,讓人家看到你們的貢獻,就會關心你說的話、所做的事。希望大家都可以努力更精進,並且互相幫助讓世界變得更好。

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