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一起搖擺吧! 2015抗震盃競賽

比賽情況二

2015抗震盃競賽現場。圖/國研院提供

「2015抗震盃:地震工程模型製作國際競賽」昨天(9/20)落幕,高中、大專與研究生近百隊伍參賽,學生自製建築模型,置於振動平台,測試各種耐震設計。高中和大專組用木棒等簡單材料現場製作模型,主要訴求堅固,研究生組則進一步要求構思如何減震,每次「地震」有一分鐘多,震力一關比一關強,看誰能隨地震擺盪共舞到最後!

大專組和高中組在現場以橡皮筋、木棒、綿線和熱融膠築起膝蓋般高的模型,並依照樓層面積大小,加載至少10.795公斤的鐵塊。振幅逐漸加大,直到競賽規定的最大地震強度,或所有模型都崩塌為止。這些模型簡直在跳「音浪」(影片為高中組800 gal):

研究生組不限定媒材,可自由設計減震裝置,因此模型樣貌最多變,但須在每層樓加上10公斤、總計40公斤的鐵塊。他們還有一道困難任務,模型若剛好通過1000 gal地震力、在1050 gal時倒下(倒塌、零件掉落、傾斜等都算),就能獲得最高分。「作堅固的東西不難,拿捏結構、讓它在一定震力的時候倒下最困難。」總裁判、國家地震研究中心研究員林沛暘說。

林沛暘提到,以前會放一杯水在模型上,震完後看杯裡還剩多少,以此判別模型的抗震力;今年則於入圍隊伍的模型頂樓安裝加速度計,量測頂樓所受的地震力加速度,加總數字越小,分數越高。模型旁邊還插了幾根生脆的義大利麵條,用以標誌位移界限,麵條斷裂就知道模型搖晃出界了。

模型置於5公尺x 5公尺的振動平台上,觀眾像競技場一樣圍坐四周。在地震力400 gal和800 gal關卡,只見各模型微微顫動,而後左右搖擺,再隨著振動幅度平緩而恢復靜止;到了950 gal開始有零件飛出,兩棟模型匡啷應聲倒塌;1200 gal時有模型鐵塊掉落,有的底盤幾乎掀起,左右「踏步」。每一關振動完畢,裁判會上前檢查、當場用推車搬走沒通過的組別。

研究生組影片(清單有800、950、1000、1200gal):

台灣大學土木工程所學生陳培榮、樊鵬、陳正鴻、葉昶辰組成團隊,奪得研究生組首獎與創意獎,獲得共新台幣13萬的獎金!

團隊設計了「斜面滾動支承」,以多滾軸在斜面上的滾動機制,控制傳遞至上方結構的加速度,不管震波有多強,皆能有效減震一定幅度。在400、800、1000 gal時,模型頂樓的加速度計量測結果分別為296、682、725 gal,相較之下,其他隊伍模型的量測結果大多比平台產生的震力還高,在平台振動為800 gal時,頂樓處就衝上一兩千gal了。

模型並輔以「摩擦阻尼器裝置」消散地震能量,調節阻尼裝置的鬆緊度,便能控制建築的位移幅度。陳正鴻解釋,一般建築和抗震建築主要差別就在底盤結構,前者整棟固定在一起,地震時會如節拍器般劇烈甩動,越往頂樓越晃;抗震建築底盤的柔性設計則能吸附部分震力,並讓樓房整體較均勻地隨地震擺動。

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台大團隊與模型合影。圖/劉珈均攝

「台大團隊模型的耐震性和舒適性都很好。」林沛暘擔任了十幾年抗震盃裁判,他解釋,比賽期待高中與大專生建造堅固的房屋,但研究生組則要發想如何隔震、兼顧舒適度。「像博物館、醫院或電廠就需要地震時還可以運作功能。」他說,建築不能一味要求「堅固」,若沒有防震設計,房子固然不易受損,但地震時屋內的人和東西會被摔地七葷八素。中央大學團隊的模型最穩固,直到1200 gal仍沒倒,卻也因此被扣分,「這個太over了,像個大鐵塊。」

振動平台平時給各界測試減震器、產品耐震度等,也能應地震研究需求「重播」各地地震,「時序和三軸向波形都能一致重現。」他也說,模型和真實房子的尺度差很多,受相同震力的反應無法相提並論。他舉例,921地震重災區的地震加速度約200~800 gal;前幾天(16日晚間)花蓮近海的地震讓台北很有感,但台北只有十幾gal,花蓮約40 gal。

抗震盃自2001起舉行,由國家實驗研究院和英國文化協會主辦,希望藉此推廣地震工程防災教育,參賽選手涵蓋英、美、日、香港、印尼、澳洲等國。今年高中、大專、研究生組共95支隊伍參賽,其中有30支外國隊伍,總參賽人數近470人。

註:得獎隊伍一至三名排序

研究生組

研究生組:台灣大學、香港科技大學、馬來西亞英迪國際大學。圖/國研院提供

大專組

大專組:香港科技大學、明新科技大學、越南峴港大學。圖/國研院提供

高中組

高中組:永年高中、虎尾農工、台中高工。圖/國研院提供

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關於作者

劉珈均

PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。