隔震相關技術淺釋(1)
台灣位處菲律賓與歐亞大陸板塊交接帶,在地殼變動與板塊相互推擠的影響下,地震頻繁,平均每年大小地震超過四千次、有感地震達二百餘次,且隨時有發生強震的可能,在此威脅下耐震成為一般結構設計的基本考量。國內鐵公路交通運輸網中,橋梁結構一向位居關鍵樞紐,一旦橋體在地震時損壞,除修復不易及對生命財產可能造成的直接損失外,因交通中斷影響區域搶修復原工作進行的間接損失更是難以估計,因此一般橋梁結構的設計要求常在於維持震後系統的正常使用。
傳統結構物之耐震設計係以建築物本身強度及韌性容量來抵抗地震力,使結構桿件在中、小型地震下能維持於彈性變形範圍內,於較大地震下具足夠之韌性來消散地震輸入結構之能量,避免結構倒塌。整個消能機制完全仰賴結構自身主構件的非線性變形行為,因此構件的韌性設計及震後的維修補強作業,是傳統耐震結構應用的主要限制。
有別於傳統結構的耐震設計邏輯,結構控制的基本原理在於降低地震輸入的能量或是將能量消散集中於適當的消能裝置內,以降低或防止主結構的非線性變形產生。一般結構控制系統可分為主動、被動與混合型式等三種:主動控制系統是以透過外加能量控制結構反應;被動控制系統以隔震或減震裝置保護結構主構件;混合控制系統則是組合上述兩種型式的優點以達結構控制的目的。
國內橋梁設計在民國八十四年公路橋梁耐震設計規範頒布後,工程師便深受影響而使耐震設計的理念得以落實於後續橋梁工程中,而921地震更令整個社會的耐震意識提高,進而加速國內隔、減震技術的應用發展。
若結構無任何外加之能量消散裝置,依循傳統耐震設計仍能設計出抗震能力優良的結構系統。也界上許多國家皆有傳統的耐震設計規範,其訂定了結構物的最低抗震需求。若以美國FEMA 273規範為例,其為一對於鋼構、RC結構、石造與木造建築物依功能表現為基礎的耐震評估方法,乃依照不同的地震大小等級及不同的建築物性能等級訂定不同的抗震目標。其中地震大小等級是指建築物於使用年限內可能遭受到地震危害,50年內超越機率百分比愈小代表所遭受地震愈大;建築物性能等級則代表建築物遭受地震後可維持的功能,共分為4級:正常運作、可立即使用、人命安全與建築物不倒塌。FEMA 273為使建築物達到大震不倒、中震易修、小震不壞原則,訂定了基本的安全目標,其規定為建築物於較小的地震危害下,建築物的性能需達到人命安全等級;於大地震時建築物的性能需達到建築物不倒塌等級。
傳統結構物在受到地震力引致之擾動時,能量消散係藉由梁柱構架系統產生非線性變形行為,或遲滯行為,以發展結構桿件的遲滯能。此種利用結構物桿件(如:抗彎構架中的梁系統)之消能機制往往會損及結構物。若嘗試修復損壞結構物中之桿件,不僅昂貴且結構物之功能性於修復前無法發揮。在新建結構物及現有結構物中增設額外之消能裝置,可使結構物受到外在擾動時(尤其為地震力),能量消散於消能系統中,進而保護結構物及其內之財產及人員。
一般隔、減震技術為被動控制之一環,其原理是透過隔震裝置或減震裝置(消能裝置)的作用,減少地震輸入結構之能量或降低主構件所分配的能量,以達到保護系統中主構件的目的。