109 學年度中國科大土木與防災系學會抗震盃大賽 地震工程模型製作競賽規則
1.活動說明
參與本活動之隊伍需要設計並現場完成製作一個房屋結構模型，用以承受鐵 塊載重並接受本系振動台所產生的人工地震之測試。本活動時間共計一天，主辦 單位將安排 5.0 個小時的模型製作時間 (含用餐時間)，讓參賽隊伍利用主辦單 位所提供之材料與工具進行模型之製作。本次競賽目的在讓同學了解如何製作低 樓層應付高頻率震動模式之模型製作。
所有參賽模型將同時被安裝於本中心振動台上，接受數次不同大小的人工地 震測試，人工地震將由小地震開始，逐次加大至最大加速度 PGA 達 800 gal。本 競賽主要以效率比(Efficiency Ratio)做為評比依據，效率比是根據房屋結構模 型的質量、加權承載鐵塊數量與模型能抵抗的最大地震之 PGA 值來進行計算，
並根據效率比高低來排列比賽名次。請參賽隊伍發揮巧思以克服問題，建造出經 濟且耐震的結構模型。
本競賽依實際需要得增加特別獎。
2.參賽隊伍的組成
參賽隊伍必須包括四位同校之在學學生與一位指導老師。指導老師必須在報名校 系任教， 且模型製作過程中，指導老師不可動手參與模型的製作。
3.材料與工具
參賽隊伍一律只能使用主辦單位提供的材料與工具進行模型製作。參賽隊伍可以 自行攜帶筆、尺、橡皮擦、計算機等文具，但僅可使用於材料尺寸之標記與輔助 計算，不可用於模型材料之切削用途。
3.1 材料
主辦單位提供的材料包括：
項目 數量 說明
1.木質模型底板 1塊 材質為中密度纖維板(MDF)，底板厚度約0.55 公分。
2.木條 37條 材質為中密度纖維板之木條，用於模型、解說牌之 製作。每條長約70 ± 0.5 公分，其斷面積約為 5.5mm4mm
3.熱熔膠條 12條 每條長約30 公分的熱熔膠條，其直徑約6 公釐。熱 熔膠條僅能配合熱熔膠槍使用，做為結構元件之黏 結材料，
不可直接做為模型之結構元件使用。
4.橡皮筋. 12條 每條橡皮筋寬約3 公釐，厚約1.5 公釐，周長約240 公釐。
5.紙張 5張 A4 紙張。
6.棉繩 1條 長度4 公尺之染色棉繩。
7.竹籤 1支 用於小隊旗之製作。
3.2 工具
項目 數量 說明
1.剪刀 一把 一般事務用剪刀。
2.線鋸 一組 寬度約 0.9cm，長度約 30cm。
3.熱熔槍 一把 一般熱熔槍。
4.大型美工刀 二把 刀片寬度約 1.8cm。
5.鉛筆 一支 文書用鉛筆。
6.直尺 一支 長度 30cm 塑膠直尺。
7.棉手套 二副 使用熱熔槍時防燙傷穿戴用。
參賽隊伍於開始製作模型前，須自行檢查材料及工具，若有損傷或短缺，請向負 責裁判反應，由負責裁判進行處理。
4.模型結構規則
為鼓勵參賽隊伍充份發揮創意，參賽模型可以製作為各種型式與形狀，但模型必 須符合以下要求：
項目 說明
4.1 基本結構 4.1.1 參賽模型之結構系統須符合建築常規，具有房屋結構的基 本骨架，即由梁、柱、板、牆、斜撐等結構元件所建構成。
4.1.2 參賽隊伍可以但不強制要求製作建築美觀之包覆或裝飾
，但必須符合相關淨空要求，亦不得阻礙裁判檢視模型或計算 樓板面積。
4.2 模型建築 範圍
4.2.1 參賽模型須建置在主辦單位提供的模型底板(26×26×0.55 公分）上，且底板週邊 3 公分範圍必須完全淨空，以便將底板 固定在振動台上(違反者將增加模型之懲罰質量)。
4.2.2 建築範圍為模型底板中央之斜線區域，即整個參賽模型 的垂直投影必須座落於圖 1 之斜線區域區域內。
4.2.3 水平震動方向亦如圖 1 所示之 X 向。
基地範圍
往復震動方向
20cm
20
26cm
26
圖 1 模型建置範圍及地震模擬方向
4.3 模型 底板 固定 木條 數
4.3.1 參賽隊伍可在模型底板固定柱子，但所有於底板固定之木條總數 最多為 22根。
4.3.2 所有於底板直接固 定之木條或透過木條、連結 材料(熱熔膠、紙張、綿繩、
橡皮筋)等與底板間接固定 之木條均須計入，包括鑽孔 固定柱、非鑽孔固定柱及各 種與底板連結之木構件(斜 撐、短柱、地梁…等)，木
條數計算例詳圖 2。 圖 2 底板木條數計算例
4.3.4 除必要的鑽孔外，模型底板須保持完整。模型底板之底面必須保 持平整，不可有任何材料(如木條、熱熔膠、棉繩、橡皮筋等)凸出，否 則於模型審查時須自行切除乾淨。
4.4 模型樓層 定義及高 度限制
4.4.1 模型樓層定義如圖 3 所示；模型結構至少必須具有 4 個完整 樓層，即除 1 樓外，至少須有 4 個放置鐵塊之樓地板；最多不超過 5
個完整樓層，即除 1 樓外，至少須有 5 個放置鐵塊之樓地板。
4.4.2 模型總高度至少須達 40 公分，但不得超過 55 公分。模型總高 度計算至屋頂層樓地板上緣。
4.5 模型 樓層 數
除了 1 樓外，
其餘樓層(含 屋頂層)均須 放置質量塊。
計算效率比 時，各樓層所 置放質量鐵塊 之權重如圖 3 所示，越高之 樓層其權重越 大。
1FL 2FL 3FL 4FL
5FL RFL
RFL
樓地板 面積
>=300cm2
>=300cm2
>=150cm2
>=300cm2
>=150cm2
鐵塊 權數
1 2 2 3 3
圖 3 模型模型樓層定義、樓地板面積要求及鐵塊權重
4.6 樓地 板面 積
各樓層之樓地板面積定義為與柱相接之大梁所 圍面積(計算至大梁外緣)，如圖 5 之黑虛線所示 範圍。其中，大梁定義為兩端均須與柱相接的 梁；且柱須固定於 1 樓底板後連續向上伸展。
梁、柱構件必須採斷面完整之木條。如圖 4 所 示，模型 4 樓及其以下樓層之樓地板面積不得小 於 300 平方公分，其餘樓層之樓地板面積不得小 於 150 平方公分，1 樓不放置鐵塊。
圖 4 樓地板面積示意圖
4.7 樓層 淨高
4.7.1 模型 1 樓之樓層淨高不 得小於 12 公分。
4.7.2 模型除 1 樓外，其餘各樓 層之淨高不得小於 8 公分，且不 得大於 10 公分。
4.7.3 樓層淨高的計算是由上 層最低大梁下緣至下層最高大
梁上緣，如圖 5 所示。 圖 5 樓層淨高示意圖(側視圖)
4.8 樓 層外部 淨空
圖 6 圖 7
8.1 在一個真實的房屋中，每一樓層周圍都會有門窗等開口空間及動線 需求。故參賽模型每一樓層外圍必須留設一定的周邊空間不能安置任何 構件或材料，亦即每一層樓未被斜撐、斜柱或牆等所佔據之留設淨空寬 度(例如圖 6 所示之 Xi)總和與該樓板總周長之比值常須控制在某一特 定比例以下。注意，斜撐、斜柱或牆所佔的投影長度須考慮其向上或向 下之投影。
8.2 參考圖 6（側視圖），樓層外圍總淨距ΣLi 即為樓地板面積範圍(參 見圖 4)的周長，其中在模型某個面向最外側之大梁外緣周距為 Li，而 未被斜撐、斜柱或牆等所佔據之寬度即為留設淨空寬度 Xi。
8.3 參見圖 7（俯視圖），將模型某一樓層各個面所測量樓層外周長度 相加而得樓層外圍總淨距ΣLi，亦將樓層各個面所測量之留設淨空寬度 相加得到留設淨空寬度總和ΣXi，則可計算出該樓層之外部淨空比值 (ΣXi /ΣLi)。
8.4 模型 1 樓以外之其餘樓層之外部淨空比值(ΣXi /ΣLi)皆須大於 0.5。圖 8 假設短向有斜撐橫跨兩柱之平面圖為例
X1=16cm L1=18cm
L2=12cm X2=0cm
圖 8
ΣXi /ΣLi=2*16/2*(18+12)=0.533>0.5 OK!
8.5 模型 1 樓須保持外部完全淨空，參賽模型不可在 1 樓配置斜撐、
斜柱或牆等構材。
4.9 樓 層內部 淨空
9.1每一樓層內部垂直剖面上的材料，不允許形成封閉空間，必須留下 某一特定寬度以上的空間(意即所謂內部淨空)作為出入通道。
圖9 圖10
9.2在模型內部所增加的材料(圖9)，從垂直投影來看，每個面向都需要 保留通道寬度5cm(圖10)。
5.載重規則
實際房屋結構均會承受多種類型之載重。在本活動中，以放置鐵塊來模擬樓層所 承受的垂直向載重，鐵塊放置規則說明如下：
5.1 每個鐵塊的重量以 635 公克計算。鐵塊的長、寬、高約分別為 6 公分、4.5 公分與 3 公分。
5.2 每平方公分樓地板面積最多可承載 10 公克載重，各樓層鐵塊配置數量依樓
地板面積進行計算。鐵塊配置數量以公式(1)進行計算，計算所得塊數若有 小數點則採小數點以下第二位四捨五入方式。以模型建築範圍之面積為 340 cm2為例，其對應之配置鐵塊數為 340*10/635= 5.35，故該樓層可配置鐵塊 數上限值為 5 塊；各樓層可配置鐵塊數取決於各組模型之實際樓地板面積。
Calculated Steel Blocks = Floor Area (cm2) × 10 / 635 公式(1) 5.3 鐵塊須平放或立放於樓地板，但不可上下堆疊。
5.4 鐵塊可放置於大梁或小梁上，唯不可與柱或斜撐相接觸，否則視為結構的一 部份，該樓層之淨高、淨空將以接觸點的最高位置進行計算。
5.5 鐵塊必須安裝於大梁所圍之樓地板面積內，不可突出於樓板。
5.6 鐵塊在模型被固定在振動台上時一併安裝，鐵塊僅可使用熱熔膠進行固定，
不可使用其他材料如紙張、棉繩、橡皮筋等。
假設樓層面積如下表，各層對應之最大鐵塊數和權數如下 Floor No. Floor Area Calculated Steel Blocks Required Steel Weighting
(cm2)(A) (B)=(A) × 10 / 635 Blocks (C ) (D) RFL 260 4.09 4 3
5F 300 4.72 4 3
4F 320 5.04 5 2
3F 340 5.35 5 2
2F 340 5.35 5 1
6.評分規則:效率比 ER
本競賽主要評比依據為「效率比(ER: Efficiency Ratio)」，依模型效率比進行 排名，效率比乃是將模型可承受最大加速度乘與總加權鐵塊數後，再除以模型建 造材料質量(包含懲罰質量)，利用愈少材料抵抗愈大地震的隊伍其效率比則愈高，
提高模型總加權鐵塊數亦可提高效率比，「效率比 ER」之計算公式詳細說明如 下：
P B M
i i
M M M
W N Ratio I
Efficiency
ER
)
( 公式(2)
其中，
I ：為模型能承受的最大地震大小(gal)。
Ni：為模型各樓層之總加權鐵塊數，各樓層之鐵塊權重如圖 3 所示
Wi：對於 2 樓之鐵塊權重為 1、3 樓及 4 樓之鐵塊權重為 2；對於 5 樓以上的樓 層，鐵塊權重為 3。
MM：為模型結構本身質量 (含底板，但不含鐵塊)。
MB：為模型底板質量 (底板於模型製作前已先秤重)。
MP：為違反模型製作規則的懲罰質量，計算規則如表 1 所列，非整數部份將按比
例計算，有關懲罰質量的詳細計算，請參考模型審查表。
表 1 懲罰質量計算規則
不符合以下規定者 懲罰質量
1.場地清潔及工具整理 500g
2.模型建築範圍可否通過檢核框；底板週邊淨空(>=3 cm) 300g
3.模型總高度(40cm≦H≦55cm) 200g
4.模型總樓地板面積(1200cm2≦A≦2000cm2) 100g
5.模型 1 樓之內部及外部淨空要求 500g
6.所有於底板固定之木條總數(包括：鑽孔固定柱、非鑽孔固定 柱、斜撐、短柱..等) (≦22 支)
50g/支
7.各樓層之淨高(1FL≧12cm ;其餘樓層≧8cm & ≦10cm) 50g/cm 8.各樓層之外部淨空 (1FL:全淨空); 1 樓以外之其餘樓層:
(ΣXi/ΣLi>50%)
10g/%
9.各樓層之內部淨空(1FL:全淨空；1 樓以外之其餘樓層≧5cm) 100g/cm 10.各樓層樓地板面積(2-4FL：≧300 cm2；5FL-RFL：≧150cm2) 5g/cm2
11.比賽時，固定鐵塊時間超過限定時間 50g/min
12.模型製作時，模型擺置方向與規定不符合者 100g
例:某參賽隊伍在模型審查時質量為 700 克(MM)，底板質量於賽前已秤重得知為 272 克(MB)，該隊因違反模型製作規則判定須加計懲罰質量 50 克(MP)。該模 型在 2、3、4、5 及頂樓樓板分別放置 6、6、6、5 及 4 塊鐵塊，並在測試中 通過 800gal，則該模型效率比 ER 計算如下:
50 272 700
) 3 4 3 5 2 6 2 6 1 6 ( ) 800
(
P B M
i i
M M M
W N Ratio I
Efficiency ER
=95.4
7.抗震測試程序
7.1 本競賽將由小地震開始施加且逐次提高，其目標 PGA 值依序為 250gal、
400gal、500gal、600gal、700gal 與 800gal。(1gal=1cm/sec2)
7.2 受限於本系震動台每次震動只能放置一個建築模型，故對於每一地表加速度 均採用固定振幅為
2cm。
7.3 震動時間及頻率 震動時間：12
秒
震動頻率分配如下PGA (gal) 250 400 500 600 700 800 頻率(次/秒)
1.78 2.25 2.51 2.76 2.98 3.18
a=rw2=r(2πf)2
8.模型破壞準則
在振動台測試中，一旦模型發生以下任一情形，該模型將被判定未通過該次地 震力的測試。
8.1 模型任何一樓層發生不穩定或崩塌。
8.2 鐵塊脫離、掉落或發生劇烈晃動。
8.3 半數或半數以上的柱子脫離底板。
8.4 模型最大傾斜投影位移量達 10 公分(包括 10 公分)。
8.5 其它經裁判團認定破壞者。
9.模型建築範圍檢核框
主辦單位將提供參賽隊伍一個建築模型檢核框，以便參賽隊伍於模型製作過 程中，可以隨時使用該模型檢核框由上向下套入模型來檢驗模型，以確保參賽模 型位於建築範圍內。模型審查時，裁判將以模型檢核框進行參賽模型建築範圍檢 核，若參賽模型無法通過模型建築範圍檢核，將處以懲罰質量
