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建築與防災(四):我要耐震的房子!

李柏昱
・2014/12/20 ・3143字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 503 ・六年級

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

不同結構的建築物,都必須符合防震規範的設計標準,因此安全性是一致的。圖為臺灣現代建築經常使用的RC結構。(圖片來源:WikimediaCommons 作者:Argyriou )
不同結構的建築物,都必須符合防震規範的設計標準,因此安全性是一致的。圖為臺灣現代建築經常使用的RC結構。(圖片來源:WikimediaCommons 作者:Argyriou )

李柏昱 | 國立臺灣大學地理環境資源學系

從臺灣過去幾次大震災的慘痛教訓中,可以看出單純的地表晃動並不會對生命財產構成威脅,無法抵抗地震而倒塌的建築才是傷亡的主要原因。但是影響建築物抗震的因素何其多,本次專訪請到國家地震工程研究中心的林克強研究員,由建築結構的角度切入,分享建築結構在抗震設計上必須考慮的因素,以及地震來臨時,建築中哪些地方最容易被破壞?還有臺灣常見的RC、SRC、SC結構,在耐震上該如何考量跟選擇?

建築結構必須注意的問題

林克強研究員說,由於臺灣地處地震帶,因此整個台灣在做建築設計時都必須將地震威脅納入考慮,建築物耐震設計幾個必須注意的點包含地質因素、結構特性、建築高度、建築規則性與個人使用習慣。

地質因素─如果建築物所處的地質比較堅硬,地震波來的時候就容易消減,不會反覆震盪,建築物受到的震波相對就比較小。例如台北市的盆地效應,1987年的花蓮地震就導致華陽市場倒塌,盆地效應有如一只裝滿水的水盆,輕輕一晃可以看到水面劇烈的波盪起伏;如果換成裝滿混擬土,怎麼晃表面都不動如山。

結構特性─不同結構系統的耐震能力並不相同,不過在進行建築耐震設計時,原則是不管採用哪種結構系統,都會要求建築物的安全性必須通過耐震標準,建築物並不會因為是鋼構還是鋼筋混凝土構造,就比較容易倒塌,耐震設計上都是合格的。

建築高度─由於高度越高,樓頂所受的加速度越強,加上底層承載的重量越重,越有可能因為結構設計不良或施工不良而倒塌。

建築物的規則性─建築物在立面上或是平面上是否規則。若建築物某樓層之重量與其相鄰之樓層有明顯差異,或是建物立面幾何形狀不對稱,前者如設置游泳池或是一樓完全開放設計,後者如某樓層退縮或外推,皆被視為立面不規則;平面上,建築幾何形狀最好是方形、矩形或圓形,如果是十字型、H型、L型平面等等,則被視為平面不規則。越規則的建築受到地震的影響就越不明顯,越不規則就越容易出現「軟層」或是「弱層」的問題,地震便相當容易對這些軟弱層造成破壞。

個人使用習慣─林研究員特別強調這個因素,是臺灣社會與政府長期忽視的一塊。個人使用習慣與社會文化息息相關,比方說拆除或增設隔間牆,當然會影響建築物受地震效應的影響。在台灣,一樓經常當作店面使用,而將一樓隔間牆敲除,使一樓成為軟弱層,加上一樓又乘載了整棟建築物的重量,整棟房子如同一隻「軟腳蝦」,地震一來一樓就不見了。此外,地震對建築物產生的效應與建築物重量密切相關,台灣盛行屋頂加蓋,但是建築設計是否能容納這些多餘的負重?

地震對建築構件的破壞

林研究員說,遭遇地震建築物一定會受到損害,臺灣對建築物的耐震要求是「小震不壞、中震可修,大震不倒」。建築物最容易受損的地方,往往是建築物第一個受到地震力的地方。對台灣的建築物而言,這個首當其衝之處便是牆,因為牆壁受到的徑向作用力最大,地震發生後經常看見許多房屋的牆壁出現裂痕,引起民眾恐慌。耐震規範中,對於牆的耐震要求是能裂但不能倒,所以牆壁些微龜裂是建築物吸收地震能量的正常反應,對於過寬、過高的牆,耐震規範中都要求必須增設額外的強化設施。

另外一個很容易被地震破壞的地點,是建築構建彼此相交的節點,例如梁柱交接點。對建築物而言,最嚴重的破壞莫過於柱子的破壞,雖然並不如牆壁龜裂來得常見,但通常柱子一倒建築物就會倒塌。

從耐震設計的角度來看,只要能避免人命傷亡,這棟建築物的耐震設計便可算成功。目前對於耐震的要求已逐漸提高到「大震可修」,並維持一定的功能;災後擔任重要功能的建築,比如說學校校舍、醫院、政府機關,能夠在震後繼續使用更顯重要。

隨著建築法規的演進,近年來地震因為建築倒塌的傷亡數量降低許多,非結構性的破壞才是目前造成地震人員受傷的重要原因,比如說掉落的天花板、傾倒的家具、破碎的玻璃窗等等。林研究員強調,如果要保障人民的生命財產安全,這些非結構性的要求也是相當重要的。

三大結構大車拼,維護費用須考量

臺灣的建築耐震法規經過多次修訂,不管使用哪種結構系統,只要建築物依據「建築物耐震設計規範」來設計,施工落實結構設計並顧及每一施工細節,耐震強度應無疑慮。臺灣現代建築主要有鋼筋混凝土(RC)、鋼骨鋼筋混凝土(SRC)以及鋼骨結構(SC)三者,各有不同的優缺點以及施工上需要注意之處。

RC是台灣最常見的建築結構,初期造價便宜,還有防火性能佳、隔音效果好等優點。但是RC結構施工程序複雜,品質控管難度高,施工細節成為建築結構是否耐震的重要關鍵,需要注意鋼筋與混凝土的品質、箍筋的角度以及諸多施工細節。

SC結構適合興建高層大樓,而且鋼材研展性佳,SC結構大樓相當耐震,但有初期造價高昂、隔音差、不耐高熱等缺點。施工過程鋼骨焊接處的品質控管與鋼材的選擇相當重要。

SRC結構結合上述兩者的優點,兼顧RC的防火與隔音效果,又有SC的延展抗震能力。但也因此SRC施工過程相當繁複,需要注意的地方也是上述兩者的集合,必須同時注意鋼骨焊接、鋼筋以及混凝土的品質等等。

但是從實際面觀之,還必須考慮建築物的生命週期,林研究員說「你能夠容忍怎麼樣的破壞,台灣地震不斷發生,你願意在建築物的生命週期中投入多少成本來修復?」就初期建造成本來看,當然是SC結構最為昂貴,SRC結構次之,RC最為便宜。不過如果考慮修復成本,RC結構容易因為地震而導致開裂,需要經常修補,而SC結構只要不破裂就不會有維修問題。

林研究員說:「台灣人使用建築有一個錯誤的觀念:建築物蓋好後就不用維護了。基本上建築物蓋好後每隔幾年就應該要做基本維護,也能提早發現建築物容易受損的地方。」,許多人都希望能有一間能遮風避雨的小窩,但愛屋如同人的身體,也必須面對生老病死的宿命,國外大約每隔15年會做一次建築的檢查,藉此判斷建築是否需進行更新。唯有好好照顧自己的安身之所,下次地震來時,才能繼續盡忠職守保護屋內人的安全。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

 

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「專題報導」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

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李柏昱
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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。


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如何幫畜牧業減排溫室氣體?——教會小奶牛上廁所,可有效降低「一氧化二氮」排放!

阿咏_96
・2021/10/17 ・2612字 ・閱讀時間約 5 分鐘

近年來,大眾對於「氣候變遷」這個詞越來越不陌生,國際間也會簽訂不同協議與政策,來減緩溫室氣體的排放,講到這邊,我們通常會想到化石燃料的使用,但較少被人們注意到的是,畜牧業也是排放甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等溫室氣體的大宗,甚至會造成水污染及空氣污染。

最近由心理學家團隊發表的研究,提出一種可能的解決方案,以減少畜牧業對環境的影響,也就是——「教小奶牛上廁所」!

看到這邊一定頭上冒出好幾個問號,為什麼畜牧業會對氣候變遷造成影響?是哪方面的影響?為什麼教奶牛尿尿可能可以減緩對環境的衝擊呢?要怎麼教?

圖/Pixabay

畜牧業和氣候變遷到底有什麼關係?

首先,根據聯合國糧食與農業組織 (FAO) 的報告,全球畜牧業每年約排放 7.1 兆噸的二氧化碳,大約是人為排放溫室氣體的 14.5%,其中,牛是排放量最大的物種,佔畜牧業排放量的 65 %,而大約來自於腸道發酵、糞便儲存與加工、飼料生產過程、其他能源使用等活動,FAO 也提出了目前評估可實行的減緩方案,其中一項便是提高奶牛的飼料開發以及飼養技術,來減少消化過程中和分解糞便時產生的甲烷 (CH4) 與一氧化二氮 (N2O) 。

而這篇研究的主角之一就是一氧化二氮 (N2O) ,雖然它只佔全球溫室氣體總排放量的 5% ,但它把熱留在地球的能力卻將近是二氧化碳的 300 倍!除此之外,每次排放的一氧化二氮 (N2O) 都會停留在大氣中超過一世紀,可以說是一種「長壽」的溫室氣體。從 1990 年起,紐西蘭的一氧化二氮排放量增加了五成,主要是來自乳製品業擴展以及氮肥使用,因此紐西蘭政府制定了一個目標,要在 2050 年之前將一氧化二氮的排放減少到淨零。

但這和牛有什麼關係呢?

紐西蘭的一氧化二氮排放量增加與乳製品業擴展有關。 圖/Pixabay

從「牛尿尿」開始的氮旅程

原因是牛尿液中氮含量很高,而動物尿液中的氮來源主要是尿素  (CH₄N₂O),在紐西蘭和澳洲,通常將牛飼養在戶外,牠們排尿之後,就開始一趟名為「氮循環」的旅程,首先尿素會迅速在土壤裡被水解成銨鹽 (NH4+) ,再經過微生物「亞硝化菌」氧化成亞硝酸根 (No2),接著,另外一群微生物「硝化菌」,將亞硝酸鹽 (No2) 再氧化成硝酸根 (NO3),以上的過程稱為「硝化作用 (Nitrification) 」。

當然,旅程還沒有結束,另一群稱作「脱硝菌」或「脫氮菌」的微生物會將硝酸鹽還原成氮氣 (N2),叫做「去硝化作用」或「脫氮作用」,而一氧化二氮 (N2O) 是反應的中間產物,會直接被釋放到大氣中。

難道把牛飼養在牛舍裡就沒有問題了嗎?

代誌不是憨人想得這麼簡單!當牛尿液中的氮和地板上的糞便混在一起時,會產生另一種空氣污染物——氨 (NH4)。

File:Nitrogen Cycle 2.svg
生態環境中的氮循環系統。細菌在其中扮演了關鍵角色,將氮源轉換為各種化合物,能夠被生物利用。圖/WIKIPEDIA

所以,如果牛的尿液可以被收集處理,裡面所含的氮就可以被轉換,減緩對環境的衝擊,但是要怎麼收集牛的尿液呢?

最直接的方式就是,教小牛到「廁所」裡尿尿。

要怎麼教會小牛尿尿?獎勵和拆解步驟是關鍵

研究團隊利用行為心理學的原理,訓練小牛到特定的地方排尿,這個原理便稱為「操作制約 (Operant Conditioning)」,由美國哈佛大學心理學教授史金納 (B.F. Skinner) 於 1938 年提出,當時有個著名的動物實驗稱為「史金納箱 (Skinner Box)」,將飢餓的小白鼠放在箱子裡,內有電動裝置紀錄動物的正確反應次數和頻率,因飢餓不安而活動的小白鼠,偶然壓到槓桿就會得到少量食物,當以後小白鼠看到槓桿,再去壓桿的頻率就會比以前高。對小白鼠來說,因反應而出現的食物是「強化物」,對壓桿這個「操作性反應」產生了強化作用。

除此之外,他們還運用訓練小孩上廁所,一種叫做「反向鏈接技術 (Backward Chaining Technique) 」的方式,將目標拆解成小步驟,從最後一步開始訓練到第一步。

首先,小牛被限制在圍欄設置成的廁所區域裡,當小牛排尿後再給予牠們喜歡的食物進行強化。然後,把小牛帶到圍欄外的一條走廊上,並再次強化進去廁所裡尿尿的行為,如果小牛在走廊上就排尿,便會用讓牠稍微不開心的噴水阻止牠。

經過幾次強化訓練,他們訓練的八頭小牛中,有七隻學會了在廁所尿尿,而且學習的速度和人類小孩差不多快!牠們大約只受了 15 天的訓練,大部分的小牛在 20 至 25 次排尿後學會了整套,比三到四歲的人類小孩還快。

小奶牛在廁所尿尿的影片。資料來源/參考資料 1

由此,研究團隊得到了兩個結論,第一是牛能夠學會注意自己的排尿反射,在準備尿尿時會移動到廁所裡;第二,在可以得到獎勵的情況下,牠們學會先憋尿,除非到了正確的地方。

牛牛學會了,然後呢?

在知道可以訓練牛牛到廁所排尿後,下一步要怎麼做才能夠離減排溫室氣體的目標越來越近呢?

作者認為希望未來可以優化廁所裝置,自動檢測排尿以及給予獎勵,就像是放大版的史金納箱一樣。除技術層面外,像是紐西蘭、澳洲等地的畜牧業,大多將牛飼養在開放的圍場,應該要把廁所設在哪裡,或者牛願意走多遠過來上廁所,都是需要進一步了解的問題,也才能夠將這項技術真正運用在不同國家的畜牧業,實際做到減緩畜牧業對氣候變遷的影響。

參考資料

  1. Dirksen, N., Langbein, J., Schrader, L., Puppe, B., Elliffe, D., Siebert, K., … & Matthews, L. (2021). Learned control of urinary reflexes in cattle to help reduce greenhouse gas emissions. Current Biology, 31(17), R1033-R1034.
  2. Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., … & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: a global assessment of emissions and mitigation opportunities. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
  3. 張春興(民80)。教育心理學:三化取向的理論與實踐。台灣東華書局。
  4. Backward Chaining Technique
  5. 全國法規資料庫:空氣污染防治法施行細則
  6. The science of nitrous oxide

阿咏_96
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