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建築物的盔甲-結構減震技術

結構減震技術就好比盔甲一般保戶建築物,和建築物共同承擔地震所帶來的衝擊力,降低傳遞至本體的衝擊能量,進而減少你所感受到的搖晃程度。

在上一次的分享中,我們介紹到,如何從設計加速度反應譜中,看出你家房屋在地震中搖晃程度有多大(上期分享請點此)。今天我們要來介紹,如何降低你家房屋的搖晃程度。

請回想一下,當我們騎著一般腳踏車,行經路面有高低差的時候,是不是往往會因為手臂跟臀部受到瞬間衝擊力,而感覺到不舒服;反之,若腳踏車安裝有避振器,行經同樣路面的時候,是不是就覺得這種衝擊力緩和了不少。避振器最主要的作用,便是用來吸收衝擊能量。在生活中很多事物都運用了這種原理,比如說:運動鞋的鞋墊、汽車的安全氣囊等等。同樣的原理,也可以運用在建築物上。就好比盔甲一般,和建築物共同承擔地震所帶來的衝擊力,降低傳遞至本體的衝擊能量,進而減少你所感受到的搖晃程度。在工程領域上,我們不會稱之為避振器,而是更專業地稱為阻尼器或是消能元件!

房屋可以透過安裝消能元件的方式,降低地震所帶來的衝擊力消能元件中最典型的一種,便是黏性阻尼器,外型上為圓筒狀金屬元件,像是放大十倍、沒有外套彈簧的機車避振器。通常會像是下圖中,和鋼構件一起串接兩個相鄰的構架;當地震來臨時,樓層間相互的錯動,便會連帶使阻尼器發生活塞運動,進而消散地震能量。黏性阻尼器屬於速度相依型的消能元件;意思是說,當阻尼器兩端相互運動的速度越大,阻尼器出力越大,而所消散的能量也就越多。由於房屋結構受力最大的時候,正是兩個相鄰樓層錯位最大的時候;同時從單擺運動我們也可以知道,擺錘經過原點時速度最快。因此,黏性阻尼器發揮最大力量的時間點,恰巧會是結構受力最小的時候,可以減少房屋結構額外的負擔。

▲ 安裝於房屋結構上的黏性阻尼器

另一種典型的速度型消能元件為黏彈性制震壁,通常以類似於牆壁的形式安裝於房屋內,好處是不會占用額外的空間,並且易於透過室內裝修隱藏。黏彈性阻尼器與黏滯型阻尼器不同之處,在於黏彈性阻尼器不只與速度相關,更可以提供彈性回復力,所以常被應用於高樓中,同時抵抗地震力與風力。

▲ 安裝於房屋結構上的黏彈性制震壁

消能元件的種類繁多,但就像是我們常說的,不管是哪一種阻尼器,只要能夠安全有效降低結構物反應的,就是好的阻尼器!