0206美濃地震:低矮型住宅建築物之震損特徵

一、 前言

105年0206美濃地震,造成臺南市許多低矮型住宅建築物有結構性震損。地震發生後,國家地震工程研究中心(簡稱:國震中心)與美國普渡大學團隊等,自3月7日開始展開第二階段勘災,到3月18日止共出動196人次。第二階段勘災目標,主要為建立震損結構物資料庫,每棟建築物進行結構尺寸丈量及震損照片記錄,可供後續研究參考,本次勘災共蒐集了台南市134棟建築物,勘查點分布如圖1所示,其中有41棟低矮型街屋、52棟校舍、12棟區公所辦公廳舍、市場建築7棟、公有辦公廳舍9棟以及13棟中高層住商混合大樓,如圖2所示。

本文將介紹玉井區、仁德區及歸仁區等,低矮型住宅建築物之震損特徵。分就三角窗建築震損、軟弱底層、高窗短柱破壞、頂層增建結構及耐震方向性等,敘述如后:

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圖1 台南市勘災地點分布圖,紅色星點代表震央,

藍色圓點代表勘災點。

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圖2 美濃地震134棟建物震損資料庫

二、    三角窗建築震損案例

本案例位在台南市歸仁區信義北路與大仁街口,距離臺南市測站(TAI)直線距離約9 km。台南市測站(TAI)為D類地盤(Vs30= 198 m/sec),各方向加速歷時紀錄及反應譜,如圖3及圖4所示。

本建物推估興建年代為1997年以前,第一及二層為商業用途,第三層以上為住宅,屬7層樓RC構造住商混合建築。圖5顯示,本棟建築物位在路口,為三角窗建築,兩側面馬路方向皆有騎樓,而且底層為開放空間,右側及背側牆體呈現L型配置,右側面有完整的外牆,而背側牆多數開窗戶,可見為勁度不對稱結構。於地震後,整棟結構因底層為開放空間,形成軟層塌陷,如圖6所示;再加上因勁度不對稱而造成偏心扭轉現象,使得底層柱頭承受不住因偏心扭轉引致的大變形而斷裂,如圖7所示;背側有多數開口牆,此側勁度相對右側來得弱,造成扭轉倒塌(圖8)。

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圖 3 臺南市測站(TAI)加速度歷時記錄

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圖4 臺南市測站(TAI) 加速度反應譜

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圖5 位在路口的三角窗建築

地震前照片。
(google 街景照片)

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圖6 位在路口的三角窗建築,地震後倒塌照片。

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圖7 底層柱頭承受不住因偏心扭轉引致的大變形而斷裂

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圖8 位於背側的牆有大量開窗,結構勁度顯著不對稱。

三、 軟弱底層案例

本案例位在臺南市玉井區中華路,距離玉井國小測站(CHY062)直線距離約0.791km。玉井國小測站(CHY062)為C類地盤(Vs30= 598 m/sec),本測站記錄到南北向最大地表加速度為447 gal,東西向最大地表加速度為426 gal,而且兩方向的反應譜在短週期範圍內,已經超越現行設計地震及最大考量地震。各方向加速歷時紀錄及反應譜如圖9及圖10所示。

本案例建物興建年代為1996年,屬 3層樓RC造含填充磚牆構造,頂層以輕型鋼增建1層,如圖11所示。勘災團隊於現場進行樓地板面積、柱牆尺寸丈量,地面層(GL)結構尺寸測繪結果如圖12所示。圖12顯示,構架線3在GL層中,於BC及CD二跨間的隔戶牆打通,主要作為營業用空間,同樣位置在2FL以上各層則保留隔戶牆,形成軟弱底層;相同地,構架1至構架5中,於騎樓處(AB跨間)上方各層也保留隔戶牆,一樣形成軟弱底層。現場記錄顯示(圖12),構架A中GL層有4根騎樓柱剪力破壞,構架E中GL層有5根高窗短柱剪力破壞。圖13顯示A3柱剪力破壞,現場緊急以H型鋼做臨時支撐,構架D於D2、D3及D4柱跨間的開口磚牆,皆有剪力破壞(圖14)。

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圖 9 玉井國小測站(CHY062)加速度歷時記錄

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圖10 玉井國小測站(CHY062)加速度反應譜

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圖 11 玉井區中華路3層樓街屋

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圖12 地面層(GL)結構尺寸現場測繪圖

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圖13騎樓柱A3剪力破壞,現場緊急以H型鋼做臨時支撐

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圖14 GL層D2及D3跨間的開口磚牆破壞情形

四、 高窗短柱破壞案例

本案例位在臺南市玉井區中華路,距離玉井國小測站(CHY062)直線距離約0.794km(圖9及圖10)。建物興建年代為1990年,屬 3層樓RC構造,頂層以輕型鋼增建1層,如圖15所示。勘災團隊於現場進行樓地板面積、柱牆尺寸丈量,地面層(GL)結構尺寸測繪結果如圖16所示。構架A及構架E之1~6號柱皆產生高窗短柱剪力破壞,如圖17所示。此外,A1柱位在最後側,僅單側有開高窗,另一側則無束制,但是仍然發生剪力破壞,推測應為非韌性配筋柱,如圖18所示。
五、 頂層增建結構案例

本案例位在臺南市仁德區正義路。最近測站為台南市測站(TAI)直線距離約5.88 km)。建物興建年代為1988年,屬 5層樓RC構造典型街屋,勘災團隊於現場進行樓地板面積、柱牆尺寸丈量,地面層(GL)結構尺寸測繪結果如圖19所示。騎樓面南向,西側部分區域頂層以輕型鋼增建1層,如圖20所示;整幢結構的東側部分,在構架1至構架7之範圍頂層以RC造增建1層,其上再以輕型鋼增建1層,如圖21所示。勘查現場發現,在構架1至構架4以及構架6範圍,其地面層(GL)的隔戶牆被打通,此隔戶牆為10cm 鋼筋混凝土牆。顯見東側範圍重量增加,而且底層RC牆被打除,使底層柱承受超額軸力,因而多處騎樓柱發生剪力破壞之情形,細觀這些騎樓柱配筋細節發現,由於柱側邊內嵌電箱,在電箱範圍內,無配置箍筋,剪力強度不足,而發生破壞(圖22)。

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圖15 玉井區中華路3層樓商辦

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圖16 地面層(GL)結構尺寸現場測繪圖

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圖17 A2短柱剪力破壞

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圖18 最後跨側邊柱剪力破壞

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圖19 正義路街屋地面層(GL)結構尺寸現場測繪圖

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圖20 正義路5層樓街屋(西側面增建1層)

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圖21 正義路5層樓街屋(東側面增建2層)

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圖22南面A5騎樓柱剪力破壞,柱主筋裸露可見

六、 耐震方向性案例

傳統連棟街屋因使用需求,建築規劃上通常會在垂直騎樓方向配置隔戶牆,因而隔出相連的住宅單元,而平行騎樓方向則需配置開口牆,做為各住宅單元內的門廳、樓梯間牆、及屋後牆等,因此形成特定的耐震弱向。當地震力作用方向在結構弱向時,將會產生較嚴重的破壞。

本次勘災發現,在台南市歸仁區文化街與民權路口的三棟典型街屋,興建年代皆為1994年,同一批建商興建。其中,D1、D2兩棟建築座向為正座北朝南,D3棟建築則為座西朝東,兩組結構系統恰好呈現90度排列,如圖23所示。此處距離震央位置約26.4km,距離鄰近強地動測站台南站(TAI)約9.7 km,此測站測得東西向最大地表加速度值為234gal,南北向最大地表加速度值為152gal ,如圖3所示。

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圖 23 台南市歸仁區文化街與民權路口的三棟典型街屋

D1棟為4層樓鋼筋混凝土造建築,頂層局部用RC增建1層(圖24), 此棟騎樓柱已於2010年0304甲仙地震中發生破壞,之後以擴柱修復補強,但僅補強GL層,擴柱頂端收頭在2FL層柱底,本次美濃地震使這些騎樓柱兩側梁端發生撓曲破壞,如圖25所示。

D2棟也為4層樓鋼筋混凝土造建築(圖26), 此棟所有騎樓柱沿街道方向都發生剪力破壞,如圖27所示。圖28為屋後牆剪力破壞之情形。

D3棟也為4層樓鋼筋混凝土造建築(圖29),頂層局部以RC增建1層,本次地震中無損害。

經由現場勘災發現,D1棟及D2棟結構弱向為東西向,在東西向最大地表加速度值234gal作用下,產生沿騎樓方向破壞模式;相對的,東西向為D3棟的結構強向,因此無損害。可見街屋震損模式與地震力作用方向、及結構物耐震方向有密切關聯。

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圖24 D1棟4層樓鋼筋混凝土造街屋,
頂層局部增建1層。

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圖25 D1棟騎樓柱已於2010年0304甲仙地震後以
擴柱修復補強。
本次美濃地震使騎樓柱兩側梁端發生撓曲破壞。

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圖26  D2棟4層樓鋼筋混凝土造街屋。

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圖27  D2棟所有騎樓柱沿街道方向都發生剪力破壞 

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圖28  D2棟屋後牆沿騎樓方向剪力破壞

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圖29 D3棟4層樓鋼筋混凝土造街屋,
頂層局部以RC增建1層。

七、 結論

0206美濃地震造成台南地區多數建物損毀,其中以玉井區損壞數量最多,主要原因為該區震度高達七級,同時多數為老舊典型街屋。本次勘災經驗顯示,低矮型私有住宅建物震損特性,包括三角窗偏心扭轉、軟弱底層、短柱效應、非韌性柱配筋、頂層增建及耐震方向性等,多數與牆的方向、數量與配置有關,因此要評估低矮型建物的耐震能力,必須對牆的耐震行為進行相關研究。

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