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研究生: 林辰憶
Lin, Chen-Yi
論文名稱: 輪椅使用者地震安全之振動台實驗與數值模擬研究
Shaking table experiment and numerical simulation research on earthquake safety of wheelchair users
指導教授: 姚昭智
Yao, Chao-Chih
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 規劃與設計學院 - 建築學系
Department of Architecture
論文出版年: 2023
畢業學年度: 111
語文別: 中文
論文頁數: 130
中文關鍵詞: 防災地震輪椅安全
外文關鍵詞: Disaster Prevention, Earthquake, Wheelchair Safety
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  • 由於高齡化社會的到來,輪椅使用比率逐漸提升,也有研究開始關心輪椅使用者在地震時的安全性。由過往的研究得知,輪椅使用者在地震時可能會面臨到的輪椅振動行為包含(傾斜角度由小到大):Walking(走步),Rocking(搖擺),以及最危險的行為Overturning(翻覆),其中,翻覆分成側向翻覆以及向後翻覆。而對應到不同的加速度振幅、激振頻率(對應到各建築物樓高自振頻率),則會觸發不同的輪椅振動行為發生,其中激振加速度愈大、頻率愈低(高樓層建築物)愈容易造成輪椅的翻覆。
    本研究透過實驗以及建立數值模擬的方式發現,在同樣的加速度振幅作用下,當激振頻率低於輪椅翻覆的最高頻率時,輪椅亦會翻覆,因此,輪椅的翻覆頻率為一段範圍區間而非一特定值。當加速度振幅增加時,輪椅翻覆的最高頻率也會提升,低頻區間也隨著擴張。因此,對應到不同的加速度振幅,會有不同的輪椅翻覆頻率範圍。
    另外,本研究亦發現,輪椅在發生Walking的同時,雖傾斜角度相當小,若因前進距離過大導致撞擊到前方的障礙物,亦會讓原先的傾斜角度放大,進而發生輪椅傾倒的現象,而Walking前進距離的大小會因為輪椅性能而異,不同的輪椅會有不同程度的前進距離。前進距離愈大,表示輪椅的前進速度慣性也愈大,若在沒有發生撞擊的情況下,輪椅也愈不容易被反向震波向後推倒,也因此,某種程度上,在空曠的地方,當輪椅使用者沒有辦法用手握住周遭固定物的情況下,透過人體彎腰降低重心,雖然增加輪椅的前進距離,卻能夠降低輪椅向後傾斜的角度、甚至避開輪椅後傾的危險:然而此法並非萬能,在某些特定狀況下亦有彎腰無效的情形存在。
    輪距與傾倒頻率亦存在一定的關係,由本實驗中比較的兩款輪椅,其前後輪距差異可達1.7倍,輪椅前後輪距愈大,向後傾倒的頻率範圍愈小,愈不容易傾倒;而兩輪椅的左右輪距愈大,傾倒頻率範圍亦愈小,可知輪距大的輪椅較不易翻覆。
    最後,由本研究的實驗結果得知,以外部束制來固定輪椅的方式,能夠避免輪椅前後與左右傾倒,而裝設輪椅符合設計規範的防傾桿則是能夠完全避免掉輪椅向後傾倒的危險,於防止側向傾倒則不具備任何作用。然而相較於外部束制來固定輪椅,防傾桿為機動性較高的防傾方式。也因此呼籲輪椅使用者,基於地震安全性考量,平時切莫輕易拿掉輪椅的防傾桿。

    Based on previous research, it has been found that wheelchair users may experience different wheelchair vibration behaviors during earthquakes, ranging from walking, rocking, to the most dangerous behavior—overturning, which can occur in sideways or backward directions. Corresponding to different acceleration amplitudes and excitation frequencies related to the natural frequencies of different building heights, different wheelchair vibration behaviors can be triggered. Among them, higher excitation accelerations and lower frequencies typically associated with taller buildings are more likely to result in wheelchair overturning.
    Through experiments and numerical simulations, this study discovered that the frequency range of wheelchair overturning is not a specific value but rather a range. As the acceleration amplitude increases, the maximum frequency of wheelchair overturning also increases, expanding the low-frequency range. Therefore, different acceleration amplitudes correspond to different ranges of wheelchair overturning frequencies.
    Moreover, when the safe distance in front is insufficient, wheelchair tilting can be amplified and lead to tipping over after a collision caused by walking. Additionally, the study also found a correlation between wheelchair track width and overturning frequency. A larger track width results in a narrower range of overturning frequencies, making it less prone to overturning.
    Finally,based on the experimental results of this study, it is concluded that restraining the wheelchair externally can prevent tipping in the backward, and sideways directions. On the other hand, installing anti-tipping bars that comply with design specifications can completely eliminate the risk of backward tipping. However, they do not have any effect in preventing sideways tipping. In comparison to externally restraining the wheelchair, anti-tipping bars offer higher mobility as a means of preventing tipping. Therefore, wheelchair users are strongly advised, considering seismic safety, not to remove the anti-tipping bars from their wheelchairs without due consideration.

    中文摘要 I Extended Abstract II 致謝 XV 目錄 XVI 表目錄 XVIII 圖目錄 XX 符號表_定義補充 XXIV 第一章 緒論 1 1.1研究背景與動機 1 1.2研究方法與流程 2 1.3實驗試體介紹 3 第二章 文獻回顧 5 第三章 輪椅單軸向震波定性定量實驗 13 3.1 NB輪椅正弦波400gal各向振動行為反應 13 3.2 NB輪椅正弦波300gal與400gal各向振動行為反應對照 23 3.3 NA輪椅正弦波300gal與400gal各向振動行為反應 26 第四章 輪椅防傾實驗 31 4.1 NB輪椅固定實驗 31 4.1.1輪椅固定實驗結果 38 4.1.2輪椅固定實驗小結 44 4.2 E-Defense十層樓構架之輪椅固定實驗 48 4.3 NA輪椅防傾桿實驗 57 第五章 輪椅振動行為_數值模擬分析 61 5.1 數值模型建立 61 5.2 輪椅反應行為_Walking 65 5.3 輪椅撞擊行為反應分析 68 5.4 輪椅側向振動反應_R(r)ocking & Overturning 78 第六章 輪椅強震行為預測_數值模擬分析 84 6.1 輪椅振動反應模擬_X向 84 6.2 輪椅振動反應模擬_Y向 91 6.3 輪椅強震反應模擬結論_X、Y向 95 第七章 地震安全行為_彎腰姿勢數值模擬分析 96 7.1 彎腰安全模擬分析_X向 96 7.2 彎腰安全模擬分析_Y向 106 7.3彎腰安全模擬結論_X、Y向 111 第八章 結論與建議 112 8.1 輪距與傾倒頻率範圍之關聯性 112 8.2 摩擦係數與輪椅傾斜角度之影響 114 8.3 輪椅振動行為潛在危險因子 115 8.4 防傾方式總結與建議 115 8.5 臨震安全防傾建議 116 參考資料 117 附錄一:輪椅Walking撞擊傾倒模擬/實驗結果對照 119 附錄二:NA輪椅Y向數值模型之各參數影響 122 附錄三:NA輪椅前進距離模擬與實驗誤差之參數調整 124 附錄四:日本E-Defense十層樓構架數值模型相關資料(由NARLabs國家實驗研究院提供) 127

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    國家音樂廳無障礙輪椅席圖片 (2018),擷取自https://ent.ltn.com.tw/news/breakingnews/2355357
    高雄國賓義大影城無障礙觀眾席圖片 (2013),擷取自https://www.appledaily.com.tw/headline/20130123/VXCCQCO6OSWD7JJPPD6T5ATWWI/

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