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房屋耐震、減震、隔震差在哪?怎樣選擇才能住得安心?──《地震:火環帶上的臺灣》

春山出版
・2019/11/20 ・2292字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

雖然耐震規範的各種係數與專有名詞對一般人來說有點艱深,但依目前臺灣的法規落實程度,民眾大可對規範的作用抱持信心。不過這不表示九二一地震前蓋的房子一定不安全,勘災經驗也顯示,原本被劃分為弱震區的南投、臺中等地,大部分建築仍能倖免於難。況且建築物是否堅固,關鍵仍在於施工品質。

若民眾對自己的住家耐震能力有疑慮,可至「街屋耐震資訊網」進行簡易試算,當然最保險的方式還是委託專業單位如土木技師公會等進行結構安全評估,或至營建署網頁「老舊住宅耐震安檢專區」查詢相關資訊。

「任意改建」也會影響房屋的耐震能力

即使房屋一開始蓋得很堅固,任意改建也會影響它的耐震能力。

隨意敲出一個大洞,影響的可能是整棟樓的安全!圖/GIPHY

幾米的繪本《向左走.向右走》描述一對住在同一棟公寓相鄰房間的男女,因為一人出門總是習慣先向左走,另一人習慣先向右走而彼此錯過的故事,在繪本最後一頁,作者畫了一堵被敲出一個大洞的隔間牆,這個畫面固然很適合說明男女主角最終重逢的快樂結局,在結構安全上卻大有問題,會讓牆被打掉的這層樓成為前文提到的「軟弱層」,甚至可能危及整棟樓的安全。

其他諸如拆除陽臺外牆把室外空間變成室內空間頂樓加蓋以致載重超出原有建築結構承重能力,都會增加建築在地震時受損的風險。

當有能力買房子,我們該選哪種「宅」好呢?

假設繪本中的男女主角中了樂透,有能力買新房子,那麼面對市面上五花八門的「耐震宅」、「制震宅」、「免震宅」,該如何選擇呢?

在幫他們做決定前,我們得先瞭解這些名詞的意義。只要是符合耐震規範,單純以建築本身的梁、柱、牆等結構來吸收地震能量的建築,都算是「耐震」建築;「制震」為日文漢字直譯,正式中文名稱為「減震」,藉由在梁柱構架中裝設減震器(耐震規範中稱為「消能」元件),可幫助結構吸收約二○%至三○%地震能量,使建築在地震時晃動的時間縮短、幅度縮小;「免震」也是日文漢字直譯,正式中文名稱為「隔震」,在建築物和地面間設置隔震層,安裝隔震元件,可隔絕六○%以上地震波,但施工難度及造價高。

一般來說,標榜制震、隔震的建築售價都會較高,民眾不免會想知道自己的錢是否有花在刀口上。

要怎麼辨識房子安不安全呢?圖/GIPHY

游忠翰說,關於這個問題,即使是專家也很難光從建築外表判斷,如果是裝設減震器的制震宅,理論上裝愈多愈有效,但在結構分析上,一棟樓會有變形量較大的樓層與變形量較小的樓層,這與它的外型、設計細節有關,如果可以對症下藥,在變形量較大的樓層裝設減震器,數量就不一定要太多。這也是為何「有沒有效」很難從外表判斷的原因之一。

不過若一個建案在廣告上寫「花崗岩制震」、「SRC 制震」等用語,民眾至少可以詢問賣家用的是哪個廠牌的減震器、是否有廠商檢驗報告,如果沒有裝設減震器卻宣稱是制震宅,就是將建材(如 SRC)本身的「耐震」效果與「制震」混為一談,頂多只能算是一般的耐震建築。

減震和隔震有什麼差別?

九二一地震後,減震、隔震等技術日益受到重視,二○○五年修訂後的耐震規範也將相關設計內容納入,由於目前臺灣在隔震建築的興建上經驗仍不多,為避免不當或錯誤設計施工,耐震規範要求隔震建築須經專業機構進行事前審查評定,消能建築之分析與設計細節應由一獨立之審查小組進行審查。民眾可詢問賣家審查機構為何、是否能提供相關證明。

隔震與減震建築結構上的差異。圖/嵌入自國家地震工程研究中心左圖右圖

游忠翰說明,隔震與減震建築的差異,在於隔震系統屬於結構物的一個樓層,一開始就包含在整體建築設計中, 而臺灣目前幾乎大部分減震建築的減震器都是外加的,一棟建築裝設減震器前,本身就要符合耐震規範的要求,裝設減震器的目的是「提升性能」,就像腳踏車的避震器一樣,沒有避震器的腳踏車還是能正常使用。

對一般人來說,選擇隔震或減震住宅的意義在於,遭遇「大震」時一般住宅的受損狀況會比隔震或減震住宅嚴重,等於是事先投資以節省未來可能的修繕費用,而在遭遇「中震」或「小震」時,所感受到的搖晃也較輕微,居住上更為舒適。對於災後需要確保功能不受影響的機構像是醫院、防救災單位等,採用隔震建築的效益更加明顯,例如位於新北市新店區的慈濟醫院、臺北市災害應變中心等。

游忠翰提醒,不論是耐震、減震或隔震建築,都要有定期維護、檢修的觀念,並非裝了相關設備就一勞永逸。

減震、隔震建築需制訂檢測、維護計畫,這在耐震規範中都有明文規定,一般耐震建築也最好至少每隔十年請結構技師檢查結構是否安全,就像人需要做健康檢查一樣。如果是地震後需緊急判斷房屋是否仍可居住,則可參考國家地震工程研究中心手冊《安全耐震的家》所列舉的裂縫型態等徵兆,以判斷是否需要立即撤離或請專業技師進一步檢查。

——本文摘自泛科學 2019 年 11 月選書《地震:火環帶上的臺灣》,2019 年 10 月,春山出版

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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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