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圖 新聞投稿
2023-06-30
影音》地科系博士生陳耀傑研究101大樓振動 榮登國際期刊封面
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在臺師大地科系陳卉瑄教授(右)帶領的研究團隊下,博士班學生陳耀傑(左)分析臺北101大樓的連續振動紀錄,論文榮登國際學術期刊《美國地震學會公報》(Bulletin of the Seismological Society of America, BSSA)及其封面。
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Volume 113, Number 2, April 2023, Bulletin of the Seismological Society of America (BSSA)
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圖表1:臺北101大樓之測站分布示意圖。4個測站分別分布在地下5樓、74樓以及90樓,而90樓的2個測站除了可以記錄水平方向的振動以外,也可以記錄旋轉的速度。
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圖表2:利用功率譜密度圖,呈現不同方向之儀器記錄的波形主要頻率。F1到F3分別表示水平方向振動的前3個主頻;R1到R3分別表示旋轉方向振動的前3個主頻。
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圖表3:水平和旋轉振動方式的頻率及與環境參數之相關性。圖(a)到(f)分別表示水平方向第1振動模態(F1),與雨量、氣壓、絕對溼度、溫度、風速及風向之關係圖;圖(g)到(l)分別表示旋轉方向第1振動模態(R1),與雨量、氣壓、絕對溼度、溫度、風速及風向之關係圖。
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圖表4:所有分量以及振動模態與溫度和風速之相關性。圖(a)和(b)分別顯示水平和旋轉分量對溫度以及風速的相關性。
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圖表5:2014年一整年之環境因素以及振動主頻變化。不同顏色表示不同環境參數以及主頻在2014年中一整年之變化。
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圖表6:水平和旋轉振動模態與振幅之關聯性。圖(a)和(b)中紅色、藍色以及黑色,分別表示水平以及旋轉模態的第1到第3模態(F1到F3、R1到R3)。圖(c)和(d)分別呈現F1和R1對於振幅與溫度之相關性;圖(e)和(f)分別呈現F1和R1對於振幅與風速之相關性。
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圖表7:F1到F3之振幅在BLE分量之時間與振幅的密度圖,以及年溫度、風速、人流之變化。圖(a)、(c)、(e)呈現F1到F3之振幅密度圖。圖(b)和(d)呈現年溫度、風速、人流之變化。圖(f)中紅線和黑線分別表示1天中F1振幅與人流的變化。

溫度、風速和人流等因素 都可能造成高樓建築搖晃

國立臺灣師範大學地球科學系博士班學生陳耀傑,在陳卉瑄教授帶領的研究團隊下,分析臺北101大樓的連續振動紀錄,發現「溫度越高,頻率越高」、「風速越高,頻率越低」,以及「人流」造成早上9時至晚上9時的振動幅度較大。本論文也提供未來分析「建築物健康程度」的監測手段,更榮登了國際學術期刊《美國地震學會公報》(Bulletin of the Seismological Society of America, BSSA)及其封面。

設置調諧質量阻尼器 分析建築物健康程度

地科系陳卉瑄教授與中央研究院地球科學研究所黃柏壽特聘研究員組成研究團隊,觀測分析2010年布設於101的建築物地震儀陣列。另外,原先位於88至92樓的「調諧質量阻尼器」(Tuned Mass Damper, TMD),是由加拿大的Rowan Williams Davies & Irwin Inc. (RWDI)以及Motioneering Inc.設置;2011年11月,則由中研院地球所接管觀測,並提供即時阻尼球運動軌跡介面。

陳耀傑說,對於「建築物健康程度」分析的研究,在世界各地如美國和日本等,都持續進行;然而,針對像是101這樣的高樓,持續監測卻是非常少的,而臺灣又處在颱風與地震頻繁的區域,種種條件使得101的科學研究價值極高,也理所當然成為團隊研究的主體。

陳耀傑說,長期觀測時間內,由於每一年監測資料,可能因為軟硬體維修、網路連接等等因素而不完整,所以,資訊的連續性及其品質仍需經過人工審視,進行前處理或資料剔除,往後才能分析處理,而經過檢視後,2014年就成為首要研究的年分。

長期和短期觀測成果 平移與旋轉差異比較

因此,研究團隊便提出了問題意識:時時刻刻在微弱振動著的101,其對應的3個主頻特徵和環境因子的關係為何?

為了回答這個問題,除了利用安裝在90樓的地震儀,其於2014年的連續振動紀錄,並且採用「隨機遞減技術」(Random Decrement Technique, RDT),分析建築物的「主頻」與「阻尼比」,距101約1.06公里的中央氣象局(The Central Weather Bureau, CWB)信義測站觀測資料,包含雨量、氣壓、溼度、溫度、風速、風向的連續資料,也成為研究團隊的分析目標。

首先,在「長期」觀測紀錄中,101對應的6個主頻頻率,可區分為「平移」及「旋轉」的振動頻率分量。「平移」的F1、F2、F3分別為0.15、0.43、0.78赫茲;「旋轉」的R1、R2、R3分別為0.23、0.59、0.93赫茲。

而「平移」振動頻率分量上,與氣壓和溼度有高相關的「溫度」及「風速」,與建築物主頻變化有顯著的高相關性,「溫度越高,頻率越高」、「風速越高,頻率越低」。

但「旋轉」振動頻率分量上,其受「溫度」影響的表現則相反,且機制更複雜,決定因素在於阻尼器受溫度影響時的移動特徵。這也說明了旋轉地震儀紀錄,在釐清101的振動模態上,扮演了舉足輕重的角色,更證明了將旋轉運動分析引入「建築物健康程度」的重要性。

此外,主頻頻率也會隨著「振幅」的增加而減少;不過,F1表現較不明顯。研究團隊推論,這可能與101的阻尼器抑制F1振動有關。

其次,在「短期」觀測紀錄中,一天內,主頻振動幅度較大的時間段,正是人類活動較活躍的時期,即早上9時至晚上9時。而這一點,也是令研究團隊相當振奮的研究成果之一。

榮登國際期刊及其封面 跨域展望地震和工程學

陳耀傑表示,很感謝《美國地震學會公報》肯定,刊登了論文,並選為當期封面:「對他來說,仍然處於非常早期的研究階段,能受到這樣肯定,真的受寵若驚,也給了自己很大信心,堅信自己的研究很有價值!又可以登上期刊封面,非常感謝一路上每位幫助過他的人!」

陳耀傑指出,在這篇研究裡,目前僅使用一年的資料;但從2010年至今,其實已累積了10多年資料尚未進行完整分析,隨著資料量的豐富,希望能得到更多有趣的結果。另外,尚有機器學習、方法改進等方面,都能繼續往後發展。

除此之外,也希望自己在研究上能看得更廣,知道更多面向,並了解現在研究的動向,知道什麼才是最重要的,才可做出更多貢獻:「對現在還很資淺且早期的我而言,要說對於『觀測地震學』有什麼展望,可能並不是很合適;但我相信,未來觀測地震學將會結合更多新技術,如光纖監測等,提升資料的質和量,並應用機器學習等方法,幫助我們更理解無論是斷層上的未解之謎,或者是近年來愈發熱門的『城市地震學』。」

陳耀傑補充,「地震學」及「工程學」一直是緊密相關,如臺灣的國家地震工程研究中心(National Center for Research on Earthquake Engineering, NCREE),有「地震模擬振動臺」,可以針對不同實驗設計,進行真實建築物的振動模擬,再搭配上儀器量測,將理論模型和真實觀測結合比較。且不論在地震學或者工程學,各項技術發展都已十分完善。

陳耀傑說:「從我的觀點看,其實並不是整合的問題,而是『資料』上的問題:臺灣人口稠密,除了重點建築物外,一般建築物的長期監測是較少的。國震中心以及各大研究中心,已經在全臺灣橋樑與建築物設立許多測站;但是,據我所知,大多數仍非長期或利用連續紀錄進行監測目的,主因在於此舉所需硬體以及人力成本較高。因此,先分析並改善危險度或者脆弱性最高的建築物,再普及測站的布設,且運用更好的資料收集分析手法,幫助我們完善建築物的設計,更監測建築物的安全性。或許,這才是我們現在的首要議題。」

陳耀傑說:「未來在因應氣候變遷下,氣象條件改變以及迎向零碳排的可能用電限制,建築物如何設計能達到風險最低、耗電最少的室內溫度條件,確實需要地球科學跨領域專家和建築學家的溝通與討論。」

這篇研究彙整、討論全世界高樓層的連續振動分析成果,樹立了目前為止最高樓層所能看到的振動風景!因為前人架設以及維護地震儀的苦工,101連續振動的特徵得以被量化,科學價值得以成形,而又經由和環境因子的比較,101主頻變化的控制因子可以被一一釐清,提供未來分析「建築物健康程度」可期的監測手段。(撰文:公共事務中心吳韋諒/攝影:張適/編輯:胡世澤/核稿:鄧麗君)

論文原始連結:https://doi.org/10.1785/0120220147

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