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深浅层地震及建筑物结构差


未命名1 深淺層地震及建築物結構差? 對建築物損害程?之探討 ?加?西?2000?科技展覽

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會 作者簡介 作 者:鄭 翔 文 就?學 校:靜心國中 指導?師:許 光 溫 我是鄭翔文,一個?觀開?充滿自信的少?,目前即 將升上高中,在學校我對物?、化學 及地球科學相關的知?具有強?的興趣,

因為 對我而言它們很合?輯。在國中三?級上學期時, 由於在我居住的地方—台灣,發 生?巨大的震災—921集集大地震,那段期間報章媒體?斷的報 導建築物受損的災 情,引起我對建築物結構的差?與地震所帶?的損害嚴重程?的關?性,產 生?探 ?其究竟的強?欲望。在規劃模擬實驗器材以及進?研究過程中,遭遇??少困難與 瓶 頸,也曾感受到挫折與突破困境的喜悅。非常幸運地我的作品獲選為國際科展正 選代表,辛苦 的付出終於得到肯定,這真是畢生難忘的經驗,同時也?我永遠難以 忘懷那段埋首於實驗器材 堆?的時光。一?走?除?要感謝學校與?師的指導和協 助,?要感謝我的雙親對我的支持與 鼓?。 一、研究動機 由於921集集大地震造 成巨大的損害,據媒體報導指出各次地震發生震源深淺?同, 帶?的損害各有其差 別,所以應有進一步探討的價值。其次對於各災區?同建築物受損倒 塌,據媒體所 述:有的可能是因為底層挑高建 築的影響,有的可能是因為底層建築樑柱被破壞的 關係,還有底面積窄小獨?高?也特別容 ?毀損。種種?法眾?紛紜,這部分應? 有進 一步探討的價值。所以決定以深淺層地震及建 築物結構差?對建築物損害程?作為 研究實驗方向。 二、研究目的 (一)、各種?同結構組合及差?條件之建 築物,其抗 震能?是否具有某種程 ?上之相關性。 (二)、?同深淺層所發生地震對建築物造 成 破壞程?之差?性。 (三)、?同震波方向所發生地震對建築物 造成破壞程?之差? 性。 三、研究設備器材 模擬岩層-以2000磅硬紙板及彈簧自?設 計製作。 ? 明: 依 地震儀慣性運動之原?,以 四張八開2000磅硬紙板,每張 硬紙板間平均以二十四根 彈簧 支撐,作成模擬岩層;再用? 絲釘釘在全開硬紙板上。而後 在全開硬紙板各邊 角以小鐵柱 作為支柱,與模擬岩層以長彈 簧?結,如此則可在上下?同 層次的模擬 岩層,以及?同方 向??、放彈簧?同長?,作 為模擬深、淺層與?同強?及 ?同 震波?源方向之地震。 模擬建築物-以2000磅硬紙板及彈簧自? 設計製作。 ? 明: 以2000磅硬紙板模擬建築物各 ?層的?板,再以彈簧模擬建 築物各?層間支撐?板 的柱。 如此則可依?割硬紙板面積與 形?的?同,以及彈簧的?目 與長短差?,作 成各種?同結 構條件的建築。 測?器材-以2000磅硬紙板、三角架、? 射指示器及球 面鏡自?設計製 作。 ?明: 運用光的入射角等於出射角的 原?,以及球面鏡各點平 面角 ?差?的特性,將球面鏡鎖定 於架在攝影用三角架上硬紙板 之固定位置。如此 則可將?射 指示器固定在模擬建築物的頂 層,藉由?射光投射在球面鏡 中心點,反 射在測?牆面 (畫 有方格以供記?測試位移?) ;則模擬建築物頂層震動時, ?射光 會由原投射球面鏡中心 點產生反覆晃動;即可在測? 牆面的方格紙上記?到明顯的 X軸與Y軸位移情形。四、研究過程或方法 (一)、分別以?長與模擬岩層?結彈簧5 ㎜、10㎜、15㎜、20㎜,模擬? 同大小的震?。 (二)、分別以?長模擬岩層上 、下 層所 ?結彈簧,模擬深層與淺層?源的 地震。 (三)、分別以?長模擬岩層90°、180° 與45°角方向所?結彈簧,模擬 ?同震波?源方向的地震。 以上所模擬各種?同震?大小、?同震波?源方向與深層、淺層?源的地震, 對以下? 同結構條件的模擬建築物進?實驗,每組實驗測試五次,記??射光 反射點在測?牆面的方 格紙上的X軸與Y軸位移情形後,計算其平均值;再進 ?比較與討?。 (一)、底面積200平方公分之模擬建築物 (10cmX20cm)-高??

未命名1 同(二、四、 ?層) (二)、底面積?同之模擬建築物(100c㎡ 與200c㎡) (三)、底面 積200平方公分之模擬建築物 -?板形??同(正方形、長方形 與L字形) (四)、 底面積100c㎡獨棟與?棟並排及 200c㎡長方形之模擬建築物 (五)、底面積100c ㎡ 獨棟與間隔相當距 ??棟頂層?結及頂層底層均?結 之模擬建築物 (?)、 底面積200平方公分長方形之模擬 建築物-震波方向?同(90°、180 °與45°角方 向) (七)、底面積200平方公分長方形之模擬 建築物-樑柱平均分佈與底層(? 層)?平均分佈 (八)、底面積200平方公分長方形之模擬 建築物-底層樑柱減少 (九)、底面積200平方公分長方形之模擬 建築物-高?四層-底層或頂層加 高

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五、研究結果

未命名1 ?、討 ? 依據實驗所測得之每次X軸與Y軸位移?據,我們做成如五、研究結果所? 示各種情況 平均值之比較表,同時為?於觀察其差?,並分別作成折線圖與直條 圖;由於模擬岩層以及 模擬建築物?可能達到精確程?,且自?設計的測?器材亦 嫌粗糙,難以掌握的變因仍多, 所以我們只能就實驗所觀察結果加以討?。 對於所 有的實驗對照組發現如下共同現象: 1、當模擬地震施?程?越強時,差?? 為明

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顯。

2、同一施?程?模擬地震,淺層地震所

造成的X軸與Y軸位移程?明顯的大於 深層地震。至於其他各別實驗對照組則產生如 下現象: (一)底面積200平方公分之模擬建築物 (10cmX20cm)-高??同(二、四、? 層):模擬建築物?層?越高時,模擬 地震造成X軸與Y軸位移程?越大。 (二)底面積 ?同之模擬建築物(100c㎡與 200c㎡): 由於底面積100c㎡係正方形,為避免 因底面形 ?差?產生影響,所以同時 將底面積200c㎡正方形與長方形一起 ?入比較。 ?板底 面積?同時,底面積較小者, 模擬地震所造成的X軸與Y軸位移程? 較大。 (三)底面 積200平方公分之模擬建築物- ?板形??同(正方形、長方形與L字 形): 模擬建築 物?板底面積相同形??同 時,模擬地震所造成的X軸與Y軸位移 程?之由大至小排 ?-正方形→ 長方 形→L字形。 由於本項實驗係180°角震波方向,所 以對正方形與 長方形之差?,推?應該 是與震波方向垂直面愈大者,位移程? 愈大;正方形、長 方形與震波方向垂直 面之長?分別為 14. ㎝、 10 ㎝ ,所 以正方形的位移程?大於長 方形。 至於L字形的位移程?最小,推?應係 L字形的X軸與Y軸長?相乘後之積為 270 c㎡(15㎝×18㎝)大於正方形與長 方形的200 c㎡;或係L字形的X軸與 Y軸長?相加 後之和為 33㎝(15㎝+18 ㎝)大於正方形的28.2 ㎝(14.1㎝+ 14.1㎝)與長方形的30 ㎝(10 ㎝+20 ㎝) (四)底面積100c㎡獨棟與?棟並排及200c㎡ 長方形之模擬建築物: 底面積 100c㎡獨棟與?棟並排及200c㎡ 長方形之模擬建築物,模擬地震所造成 的X軸與Y軸 位移程?之由大至小排?順 序為-100c㎡獨棟→?棟並排→200c㎡ 長方形。 觀察推 ?底面積100c㎡?棟並排之 模擬建築物,由於相鄰並排建築在受震 反覆震動時有相 互倚靠支撐的效果,所 以位移程?小於獨?模擬建築,但位移 程?仍大於完全?結 在一起的200c㎡長 方形模擬建築。 (五)底面積100c㎡獨棟與間隔相當距??棟 頂層? 結及頂層底層均?結之模擬建築 物: 底面積100c㎡獨棟與間隔相當距? ?棟頂層? 結及頂層底層均?結之模擬 建築物,模擬地震所造成的X 軸與Y 軸 位移程?之由大 至小排?順序為-100 c㎡獨棟→頂層?結→頂層底層均?結。 觀察推?底面積100c㎡ ?棟間隔 相當距??棟頂層?結之模擬建築物, 由於頂層?結建築在受震反覆震動 時除 ?有相互倚靠支撐的效果,而且頂層平 均增加重?有強化穩定的效果,所以位 移程?小於獨?模擬建築,而頂層底層 均?結之模擬建築物,因底層?結其穩 定效 果?佳,所以位移程?最小。 (?)底面積200平方公分長方形之模擬建築 物-震波方 向?同(90°、180°與 45°角方向): 底面積200平方公分長方形之模擬 建築物,當震波 ?源方向?同時,模擬 地震所造成的X軸與Y軸位移程?之由大 至小排?順序為- 90°角方向震波→ 45°角方向震波 →180°角方向震波。 觀察推?與震波方向垂直面愈大 者,其位移程?愈大;180°角方向震 波、90°角方向震波與震波方向垂直 面之長?分別為 10 ㎝ 、20 ㎝ ,所 以90°角方向震波的位移程?大於180 °角方向震波。 至於45°角方向震 波的位移程? 介於?者之中,推?應係從斜角方向 而?的震波,模擬 建築X軸與Y軸相互 垂直?面同時受?,受?互成犄角, 所以有部份? 相互抵銷的原故。 (七)底面積200平方公分長方形之模擬建 築物-樑柱 平均分佈與底層(?層)? 平均分佈: 本項實驗之設計係源於當前建築 業為使價值較高的一、二?的裝潢設 計?能充分運用有限的空間;所

未命名1 以往 往將原本平均分配的樑柱盡?的往邊 角集中,所以模擬建築將等 ?的模擬 樑柱集中在四角與平均分佈的模擬建 築比較。 底面積200平 方公分長方形之模 擬建築物,當樑柱平均分佈與底層(? 層)?平均分 佈比較時,模擬地震所造 成的X軸與Y軸位移程?確實存在明顯 差?, 顯然樑柱?平均分佈者受震影 響較大。 (八) 底面積200平方公分長方形 之模擬建 築物-底層樑柱減少: 本項實驗之設計係源於當前建築 業主 為使價值較高的一?的裝潢設計 ?能充分運用有限的空間;所以往往 將原本已有的樑柱予以破壞,所以模 擬建築將底層模擬樑柱??減少 與正 常樑柱??的模擬建築比較。 底面積200 平方公分長方形之模 擬 建築物,當底層樑柱??減少與正 常樑柱??的模擬建築比較時,模 擬 地震所造成的X軸與Y軸位移程?確實 存在明顯差?,顯然樑柱?? 減少者 受震影響較大。 (九)底面積200平方公分長方形之模擬建 築物- 高?四層-底層或頂層加高: 本項實驗之設計係源於當前建築 業為使 價值較高的一?的?顯得富? 堂皇且能充分運用有限的空間;所以 往 往將一?樑柱予以挑高,所以模擬 建築分別將底層及頂層模擬樑柱予 以 挑高與正常樑柱的模擬建築比較。 底面積 200平方公分長方形之模 擬建築物,當底層及頂層模擬樑柱予 以挑高與正常樑柱的模擬建築 時,模 擬地震所造成的X軸與Y軸位移程?確 實存在明顯差?,顯然底 層樑柱加高 者受震影響程?最大,而底層樑柱加 高者受震影響程?較 小,但仍然大於 正常樑柱的模擬建築。七、結 ? (一)經實驗觀察比較 結果顯示地震源於深 層或淺層、震波方向差?以及建築結 構組合的? 同對建築物所蒙受地震所 帶?的破壞?的確有明顯差?存在; 然而各 項模擬設計尚屬粗糙,難以掌 握的變因仍多,所以我們只能就實驗 所 觀察結果加以探討。 (二)同一強?地震,淺層地震所造成的影 響程? 明顯的大於深層地震。 (三)當地震強?增強至一定程?以上時, 地震所造成的影響程?會明顯的增加 。 (四) 整體建築物?層?越高者,地震所造 成 影響程?越大。 (五) 建築物?板面積較小者,地震所造成 影響程?較大。 (?) 建築 物?板面積(即建敝?或容積?) 相同時,L字形(即中空或建築體圍著 空心)的建 築物,地震所造成影響程 ?較小。 (七) ?棟相鄰並排建築物較獨棟建築物能 夠承受 地震所帶?的損害。 (八) 頂層相?中間?層?空中庭建築物較 個別獨?建築物能夠 承受地震所帶? 的損害。 (九) 震波?源方向與建築物的結構正面( 即長形建築的較 長的面)成?同方向 時,震波?源方向與建築物的結構正 面較垂直者,地震所造成 影響程?較 大。 (十) 建築物的樑柱?分佈?平均且極?偏 向邊角,則地震發生時, 所蒙受地震 所帶?的損害較大。 (十一) 建築物的樑柱?隨意予以減少,則地 震發生 時,所蒙受地震所帶?的損害 較大。 (十二) 建築物的樑柱?予以挑高,則較難以 承 受地震所帶?的損害,而底層挑高 尤較頂層挑高嚴重。 八、評 語 1999?9月21日台 灣發生影極大地震,作者探討深層及淺層地震對建築物之影響並按? 同之面積,建 築物?同高?及?同形?判斷受地震之影響情形﹙由?射光之反射位移判斷﹚ 本作 品是有創意且具實用功能,推薦赴?西??展。

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