耐震防災新科技：斜面滾動隔震技術
105/03/09
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汪向榮｜
國家實驗研究院國家地震工程研究中心
游忠翰｜
國家實驗研究院國家地震工程研究中心
林旺春｜
國家實驗研究院國家地震工程研究中心
「房屋耐震」等於「生命保障」
一般房屋的屋齡大約50年。我國《建築物耐震設計規範及解說》開宗明義就很清楚地闡明，在這50年中，建築物必須滿足「小震不壞、中震可修、大震不倒」的基本原則。
也就是說，小地震時，房屋結構如梁、柱或剪力牆等不會有任何的損壞，不會發生降伏行為。中等地震時，房屋結構允許發生降伏行為，並可以利用適當的降伏行為消散地震能量，而因降伏造成結構損害的部分，則可以透過修補技術復原。大地震時，房屋結構也許會嚴重損壞且無法修復，但即使如此，房屋仍然不允許倒塌，必須讓你我有足夠的時間從嚴重損壞的房屋中撤離。
因此，一棟依照規範設計、施工的房屋雖然遭遇到大地震時會因為嚴重損壞而造成財物上的損失，但不必擔心生命沒有保障。
只有房屋耐震還不夠
既然一棟符合規範的房屋不會對生命造成威脅，還需要擔心的是什麼呢？
舉例來說，消防、警務、緊急應變機關、醫院、科技廠房、電廠、博物館、美術館等建築物通常會比你我居住的房屋更堅固，目的是保護建築物內部的通訊救災設備、精密醫療儀器、精密製程設備、重要發電設備、古文物、藝術品等。然而，就算這些建築物夠堅固、夠耐震，且無論遭遇到多大的地震都不會倒塌，是否就能夠保護得了這些貴重物品呢？其中有些一旦在地震中損壞且失去了功能，損失的不但是巨額的金錢，甚至有可能牽連到無數人的生命。
因此，保護房屋安全只是基本要求，確保設備能夠耐震且在地震中與震後維持正常功能才是更應該關心的課題！
不能土法煉鋼
對於設備採取的耐震措施，以往大都只限於加強本體的強度，以及把設備或櫃子，固定於房屋結構的梁、柱、牆或地板上。以櫃子為例，使用較厚且強度較佳的板材，或以角鐵等把櫃子鎖定在牆上或地板上。這些做法的確可以降低地震帶來的損害，也可以避免因為櫃子傾倒而造成的二次破壞，或危害你我的安全。
然而，這種做法保護的是人，是櫃子本身，卻不是存放在櫃內的重要物品。即使櫃子固定得再堅牢，地震過後，櫃內的物品可能會被震得東倒西歪，甚至摔壞。過去的地震中，許多精密電子設備內的半成品破壞，或博物館中無價古文物與藝術品毀損，屢見不鮮。
設備隔震技術
該如何保護設備在地震中不會破壞，又可確保設備內的重要物品在地震中與震後的安全與正常功能呢？最簡單有效的方法就是應用隔震技術。
隔震技術是透過安裝在保護對象底部的隔震支承，在地震搖晃過程中，藉由隔震支承本身的運動，把大部分的地震振動隔離在支承下方，因此保護對象的晃動程度可大幅降低。
其實設備與建築物隔震技術的概念和原理是一樣的，最大的差異只在於保護對象的不同。一是設置在建築物基礎或低樓層，對上方建築的隔震；一是裝設在建築物內不同樓層的樓板上，對上方設備的隔震。
隔震支承可分為橡膠類、滑動類、滾動類。橡膠類與滑動類的隔震支承，不論是承載能力還是水平向的變形能力，都非常適合於建築物的隔震設計。而透過滾軸或滾珠以滾動方式運動的滾動類隔震支承，由於滾軸或滾珠本身的承壓面積很小，可能無法用於承載建築物，卻非常適合於承載較輕設備的隔震設計。
為了達到更佳的隔震性能，利用各種不同機構設計的隔震支承可以說是五花八門，除了上述的設計之外，還有利用彈簧、油壓、電磁、槓桿等機構所發展的設備隔震支承。種類雖然琳瑯滿目，但有實際應用價值且耐久性高的產品卻不多。如何以很簡單的機構達到最佳的設備隔震效果，才是目前最需要的。
斜面式滾動隔震支承
斜面式滾動隔震支承是國家地震工程研究中心近年來的研發重點，可兼顧機械構造簡單及耐久性的原則，達到有效而且穩定的隔震性能。
斜面式滾動隔震支承由於性能穩定、構造簡單，不但可僅以單組隔震支承對保護對象隔震，也可以把數個隔震支承連結起來，針對大型儲藏櫃或數個活動櫃同步隔震，以提高穩定性與空間使用效率。甚至可以把一系列排放的隔震支承結合起來，共同對一整個區域的樓板隔震，通常應用於資訊機房中的高架地板。
不倒翁的精神
斜面式滾動隔震支承的主要構造相當簡單，由三塊金屬版與四支滾軸堆疊而成，每兩片金屬版之間夾有兩支平行的滾軸。更精確地說，如果把與地面相接的金屬版稱為下版，則由下而上分別是下版、中版與上版。因此，下版與中版之間以及中版與上版之間，各夾有一組兩支相互平行的滾軸，但每一組滾軸的擺放方向在水平面上是相互垂直的。
若下版與中版之間滾軸的軸心以前後方向擺放，這兩個金屬版之間就可以透過滾軸的滾動而左右移動。而中版與上版之間滾軸的軸心以左右方向擺放，則中版與上版之間就能夠前後移動。如此一來，隔震支承便能夠透過這4支滾軸，在兩個相互垂直的水平方向上自由運動，這也意味著隔震支承可以在水平面上360度有效發揮隔震作用。
至於斜面式滾動隔震支承為什麼可以在受到擾動之後回復到初始的位置呢？祕密就藏在主要的三塊金屬版中。若從側面觀察金屬版的形狀，會發現其表面並不是平面，而是斜面。滾軸下方與上方所接觸的金屬版表面形狀剛好互相對稱。滾軸下方金屬版表面的形狀會呈現出類似英文字母W的形狀，滾軸上方金屬版表面的形狀則是對稱於下方金屬版表面，而呈現出倒W的形狀。
當隔震支承在靜止狀態時，兩支滾軸剛好位於下方金屬版W形狀的兩個最低點（也就是兩個斜面的交界處），以及上方金屬版倒W形狀的兩個最高點。當受到擾動時，滾軸會反覆來回滾動於斜面上。而當擾動結束後，若滾軸仍停在斜面上，也不需要擔心，透過上方保護對象本身的重量，會讓滾軸自動滾回原先靜止的位置。這就是為什麼斜面式滾動隔震支承可以如同不倒翁一般，永遠都能夠在擾動後回復到初始位置的原因。
不變應萬變
傳統的隔震支承的隔震位移越大，傳遞至隔震支承上方的加速度就越大。換句話說，地震擾動的程度越大，傳遞至隔震支承上方的力量也越大。
反觀斜面式滾動隔震支承，因為滾軸的滾動面設計成斜面，由靜力平衡的觀念不難想像，因重力恆不變，若把滾軸固定在斜面上任何位置，其所需要的水平力不會改變。因此，只要斜面角度固定不變，無論隔震位移多大，傳遞至隔震支承上方的加速度都是固定值。也就是說，無論多大的地震發生，保護對象的加速度都不會超過這一固定值。
此外，因為傳遞恆定的加速度，因此不像傳統的隔震支承有固定的周期，較不易與擾動產生共振現象。
絲綢般滑順
設備最害怕的就是因碰撞或瞬間高速振動所產生的衝擊力，這一點與建築物有所不同。由於建築物的梁、柱等結構構件都經過緊密的接合，而瞬間振動或輕微碰撞所輸入的能量有限，因此不太容易對建築物造成傷害，但對設備而言恰恰相反。舉例來說，由於許多精密儀器都在高速運轉中，瞬間的振動會對生產過程中的儀器與產品造成很大的影響。
斜面式滾動隔震支承在設計上特別留意到這一點，因此採用滾動而不是滑動的運動機制，主要是由於剛體滾動的運動方式僅會產生相當微小的摩擦力。另一方面，在斜面的交界處，也就是滾軸所在的初始靜止位置上，特別設計成圓弧形式的交界面，同樣是為了避免在往復來回運動的過程中，滾動面角度上的突然變化而產生非預期的碰撞。
有效的空間利用
台灣地狹人稠，土地可以說是寸土寸金，更遑論建築物內的空間利用，都非常講究最大效益。隔震技術是利用位移的增加來換取隔震後傳遞加速度的減少，因此無論是建築物隔震或設備隔震，尤其是後者，如何在一個既定空間的限制條件下設計，並且在降低傳遞加速度之餘，也可以節省隔震所需要的位移空間，就是一個很重要的課題。
為了降低建築物隔震系統的位移，往往會藉由隔震支承本身的消能能力或其他消能元件提供阻尼。同樣地，斜面式滾動隔震支承為了能有效降低隔震位移，在隔震支承主體的側邊加裝了可調整摩擦阻尼力的穩定消能系統，因此其阻尼表現不會受到上方重量的影響，設計上較簡易且有彈性。
國家地震工程研究中心研發的斜面式滾動隔震支承，不但機構簡單、耐用性高，並且具備自動復位的能力、傳遞加速度不因擾動放大而增加、內置穩定摩擦阻尼系統等特點，目前已受到國內各產業與機關的廣泛應用。
