先进结构与技术方面的研究。例如该中心持续检讨现行耐震设计规范,协助交通主管部门“国道新建工程局”完成公路桥梁耐震性能设计规范草案研拟,确保新建桥梁达到预期耐震设计目标,降低震后受损风险。
在发展新材料、新工法及新技术方面,该中心研究人员提出结构自体调谐质量系统最佳化设计方法,探讨医院非结构物耐震行为,提出钢板剪力墙底层柱耐震设计方法,并由试验与数值分析验证。另外,还研制出一种滚动式隔震支承系统,是目前最为可行且直接有效地提升其耐震能力的方法,具备良好的消能机制以及自复位能力,能有效降低传递至上方设备或设施的地震力,可应用于高科技、通讯网络及金融产业的电脑服务器、资料存储与通讯设备防震设计,以及医院、防救灾单位、能源产业的精密电子通讯设施、博物馆或美术馆的艺术品的防震保护等。
在实验需求日渐增加下,该中心实验室油压系统原设计总流量已无法满足振动台、反力墙及多轴向试验系统(MATS)同时使用。因此2010年完成实验室油压系统流量扩充,由原有1315 GPM增至1695 GPM,以提升实验室对外服务效能。另外,该中心还持续提供各界地震工程实验服务。其中,2013年完成54项振动台实验服务、95项反力墙实验服务、8项500吨万能材料试验机实验服务,满足岛内地震工程实验需求。
重要研究成果
2003年,该中心在岛内首创全桥光纤监测系统,适用于台湾常见的跨河长桥,可24小时全方位监测可能危害桥梁的重要关键,包括桥面板水平变位、桥墩沉陷或倾斜、斜张桥钢缆拉力以及河川水位高度,并结合云计算技术,可通过电脑或智能手机,24小时全方位随时监测桥梁安全状态。一旦发生异常事件,系统将即时发布警讯,通知桥梁管理机构进行紧急处置,以确保用路人安全。该监测系统已实际应用于南投集鹿大桥(2009年)与台北大直桥(2012年),并协助交通主管部门进行中山高五杨高架段修复补强及载重实验,以验证其安全性,使其能顺利通车。未来可推广应用至高铁、公路、铁路、捷运等各式桥梁或高架路段。
在桥梁延寿技术方面,该中心整合台大、新竹交大、“中央”大学、北科大、云科大等10位教授进行跨领域研究,完成宜兰牛斗桥现地桥梁耐震实验。此为全球首次桥梁现地实验,藉此可更深入了解桥梁实际耐震行为。另建成模拟桥梁受洪水冲刷及流木撞击水工试验平台,以及考虑基础裸露后土壤与桥梁结构互制效应的振动台实验平台,提供岛内相关机构研究人员进行后续相关实验。
为减少河川冲刷对桥梁造成的危害,帮助大桥延年益寿,该中心研发出“感测装置及其应用于大地与河川监测系统”技术,并获得岛内外专利。2012年完成实验室测试,目前正利用该技术协助台当局高速公路管理部门在“国道”1号及3号经过大甲溪的桥梁和新建双园大桥进行桥梁检测系统建设与测试,验证其成效及可靠性,希望能针对如封桥作业等急迫性高的问题提出建议解决方案,并发展先进监测及桥梁延寿技术。
在先进耐震技术研发方面,完成设备物简易评估与初步设计的检核表,提供科技厂房与医院独立式设备物进行耐震评估。完成特殊钢骨同心斜撑试验,研究面外与面内挫屈型式同心斜撑构架系统耐震行为,作为发展特殊钢骨同心斜撑耐震设计流程的依据。完成超高强度钢筋混凝土柱承受高轴压下的力学行为研究试验,发展超高强度钢筋混凝土技术。完成机动式无线感测系统的建设,可应用于现地微震量测。完成饱和砂土桥基裸露双向剪力盒振动台实验,进行基础裸露桥梁耐震设计与补强策略研究,完成三箱室缩尺波形钢腹板复合桥断面力学实验以了解其结构行为,同时该中心还研发成功一种“后拉式预铸节块桥柱、波形钢腹板桥”施工法,可应用于环境敏感地带及城市区,降低施工对于环境及交通的冲击,有效减轻桥体重量,增加桥墩跨径,减少河川冲刷对桥墩的影响。目前这种施工法已应用于台中“生活圈”4号线的桥梁工程,并获得2010年台湾第十届公共工程金质奖。
由于台湾处于板块交接的多震地带,对建筑结构的耐震度提出高标准要求。但在遇到地震前,要如何预先测试庞大建筑物的耐震度?2009年9月,该中心完成启用的多轴向试验系统,就是为此需求而生的大型多功能结构试验设备。该系统可同时模拟来自垂直、水平、侧面三方向的作用力,让建筑设计师和工程师能够提前了解他们在建筑中所使用的消震措施在真实情况下的承受情形。目前已有许多美日著名厂商借由该试验系统进行隔震消能元件的测试,而这些受测试的产品也已应用在岛内许多桥梁及高楼建筑中,以确保建筑的结构安定,提高安全的交通与居住品质,更能提升岛内学术与工程界的研发能量,进而促进岛内耐震规范的升级。
为应对震灾紧急应变与风险管理需求,该中心持续研发震灾境况模拟与地震动潜势评估技术,提升岛内地震应变与风险管理能力。在震灾境况模拟技术方面,完成台北、兰阳供水区最具灾害潜势地震(考虑山脚断层与宜兰外海地震事件)的境况模拟,辨识各自来水供水分区震后供水率下降情形,提供各事业单位震灾应变规划的参考。收集公路路网相关资料,汇集成为公路系统数据库,可将桥梁震损评估结果应用于公路路网系统震后服务效能分析。建立以ArcGIS Server为基础的地震灾情资料上传与管理系统,提供震灾勘查人员各震损资料上传平台。在地震动潜势评估技术方面,完成地震动工程参数数据库,并建立30个结构周期以上的谱加速度衰减律,提供重要结构物地震危害度评估参考,并建立第一类活动断层近断层区域于不同距离下的近断层调整因子表,提供现行建筑规范及各界参考;完成5,527笔微震双差分重新定位,以及412笔微震的震源机制解算,评估多条断层的活动度及震源参数等相关数据;完成21个测站的现场调查工作,并在其中19个测站进行地质钻探调查及悬荡式波速井测。
台湾老旧校舍数目庞大,如果要全数拆除重建需要极为庞大经费。2005年至2007年间,该中心校通过实验室结构试验及校舍现地推垮实验,利用花莲县新城中学、云林县口湖小学、桃园县瑞捕小学以及量南县关庙小学等4所学校待拆除的老旧校舍,共进行了17次校舍现地实验验证,研发校舍耐震评估与补强技术,依据台湾各县市耐震设计需求建立校舍安全柱量比,提供未来发展街屋快速耐震能力评估技术的参考,并完成钢筋混凝土构架含砖墙试验,邀集学者专家完成校舍补强工法参考图说(扩柱、翼墙、剪力墙),并提出损坏修复工程对应图说,同时制定新的《建筑物耐震设计规范》。
2009年至2011年,该中心配合台湾教育主管部门专案办公室,协助执行“加速高中职及中小学老旧校舍及相关设备补强整建计划”,并提供技术支持。截至2012年底,利用该中心团队所开发的补强技术,在不增加预算额度下,已完成13.5%的校舍和3500栋建筑耐震补强工程,可有效保障约33.2万名师生安全,同时大幅降低台当局的经费负担。这项校舍耐震评估与补强技术获得2011年台湾行政主管部门杰出科技贡献奖。2013年3月27日南投发生强烈地震,经过该中心补强作业的校舍没有一栋发生结构毁损。
以现今的科学技术,地震仍无法事前预估。但可以利用地震波传递的特性,侦测传播速度较快的P波,并参考过去地震资料,推估接踵而来的S波震度及其到达时间,争取数秒至数十秒的应变时间提早发布警报降低地震灾害。为此,该机构还会同“国研院”下属灾害防救科技中心、高速网络与计算中心组成的研发团队,与台湾气象主管部门及相关研究机构合作,开展现地型强震即时警报技术、自动化警报展示系统以及自动化减灾控制系统的开发与整合,实际建造一栋两层楼模型展示屋,并在地震工程研究中心的三轴向振动台以921地震纪录进行实机整合测试,最终成功研发出一套现地型强震即时警报系统。
以921地震为例,依据各地区距离震中的远近,可以分别为嘉义、台中、新竹与台北市多争取11、7、17与27秒的预警时间,通过广播、字幕机、电视插播等方式自动发出预警。若再结合智慧型控制系统,还能自动关闭家用燃气灶,避免火灾的发生,同时开启大门、逃生动线指示灯以利逃生,将电梯停至最近楼层并开启电梯门,减低伤亡与受困。该系统目前已在台北市芳和中学、宜兰市宜兰小学、南安国中、中兴保全罗东分公司、花莲火车站、光复小学、玉东中学、嘉义县中正大学以及港坪小学等地,完成建设9个示范站,持续进行长期现地验证,在实际地震下均能发挥预警功效,同时结合校园地震防灾演练,加速未来推广与应用。