台南市維冠金龍大樓倒塌原因初探

 

一、前言

小年夜(2016年2月6日上午3時57分)凌晨,高雄美濃地震發生芮氏規模6.4強震,地震深度16.7公里,全台都有感,南台灣也陸續傳出災情,其中雲林縣草嶺震度6級為最大,台南市為5級。除有高速鐵路電車線受損,造成台中以南暫時停駛,其中以台南市區災情最為慘重,可能是地盤場址效應,造成台南有多處大樓傾倒或倒塌,包括歸仁區大仁街與信義北路路口的幸福大樓、台南市永康區永大路2段139號的維冠金龍大樓等。

據台南市應變中心資料彙整,總計約有16件建築物受影響,造成多人死傷、數百人無家可歸。位於台南市永康區永大路的維冠金龍大樓倒塌災情最為慘重,整棟呈90度轉折,橫躺在永大路二段上(圖1),救災單位不眠不休,不顧自身安危,積極搶救,令人敬佩。土木技師公會及結構技師公會,亦派員長駐災區,發揮專業知識及技術,提供災區救災環境安全性評估研判、建議安全有效的救難途徑等,協助救難人員救災。台南市長賴清德2月9日亦於媒體上提到,土木技師建議從版下方鑿孔成功救出受難者之案例,對土木技師社會形象,有大幅提升的作用。

新聞媒體亦有報導多方專家、學者提出倒塌原因的初步看法,其中主要觀點有:1、結構系統不佳「高寬比」偏大,穩定性欠佳;2、柱箍筋閉合接頭及繫筋端部為90度彎鉤,及梁柱接頭區之箍筋間距較設計圖所標示者為大(圖2及圖3);3、一樓挑高及柱鋼筋量較少; 4、單跨構架梁柱接頭鋼筋過密,可能因而影響施工品質;5、續接器品質不良又在同一斷面全數續接,造成柱主筋續接處脫牙現象(圖2);6、土壤液化;7、工址曾為鯽魚大湖(牛屎鯽仔湖),算湳仔地,地質偏軟;8、沙拉油桶埋入結構梁、柱構材;9、柱之實際斷面尺寸比原設計圖為小;10、大樓1至3樓隔間牆有被打掉供作為賣場使用等情事。筆者在除夕夜見電視報導,有一家九口只剩一活口之慘劇,除夕夜寢食難安,在過年的情況下,受災戶發生這種生離死別不能團圓的災難,令人為之鼻酸,於是決定大年初一,趁倒塌大樓尚未拆除前,赴現場了解建築物結構破壞模式,探討倒塌原因,提出改善意見供工程界記取慘痛教訓,不要再重蹈覆轍,亦可提供鑑定單位參考,不當之處亦請不吝指正。

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圖1 維冠金龍大樓倒塌整棟橫躺在永大路二段上

二、現況初勘結果

1.建築物從地面層柱斷裂

建築物從一樓柱斷裂(圖2至圖5),整體倒向東側永大路二段馬路上(見圖1),倒塌後各層梁柱接頭已呈接近45度轉折,但梁主筋部分僅出現抽出接頭區現象,未拉斷(見圖1)。所幸未大量壓到馬路對側房屋,否則災情不堪設想。

2.柱折斷處混凝土碎散

西側柱拉斷處混凝土碎散,疑似混凝土抗壓強度欠佳(圖4)。

3.斷裂之柱

柱主鋼筋於同一斷面處作續接,未錯開。續接處有部分出現脫牙現象(圖2至及圖4),部分為拉斷現象(圖5)。

4.橫隔版破損嚴重

一樓橫隔版於北側靠近西側,有大範圍破損現象(圖6及圖7中"橫隔版內剪力傳遞"位置)。且大樓地下室東側外牆與原地盤間,有向東脫離約15公分之間隙,以及一樓版破損塌陷等現象。研判一樓橫隔版,有向東位(永大路方向)移變形現象。

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圖2 箍筋閉合接頭90度彎鉤及鋼筋續接處脫牙現象

 

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圖3 建築物從一樓柱斷裂

 

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圖4 鋼筋續接處部分為脫牙現象及西側柱拉斷處混凝土碎散

 

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圖5 柱鋼筋拉斷現象

 

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圖6 一樓橫隔版北側有大範圍破損現象

三、倒塌原因初步研判

維冠金龍大樓一樓橫隔樓版,疑有傳力路徑中斷現象。高樓建築物之基礎,並非只有筏基單一構材,而是包括整個地下室外牆、地下一樓柱,及一樓橫隔版等,共同組合成一廣義的箱體基礎。一樓橫隔版於作結構電腦程式分析時,通常會將一樓橫隔版簡化為剛性橫隔樓版,因此一樓橫隔版內所需檢核及設計之數據,沒有電腦分析之輸出資料,尤其是早期電腦程式之功能,尚不完整的情況下,必須依賴人工從橫隔樓周邊的數據求取。抵抗地震力之結構系統,若為韌性立體剛性構架系統,則一樓之水平地震力由一樓柱構材往下傳遞進入地下一層時,水平地震力之分布,在一樓以上原來係依一樓豎向構材之勁度,分配在各豎向柱構材上,但進入地下一層後,則多了勁度非常高的地下室外牆。因地下室外牆之勁度特別高,大部分水平地震力,會經由一樓剛性較高之橫隔版,傳遞至地下室外牆上。此時一樓橫隔版便是一個須作進一步檢核之傳力路徑重要的位置 (傳力路徑示意圖,見圖7)。

但高樓結構系統之分析模式,一般設計者為減少輸入及輸出之工作量,以及電腦分析的作業時間,分析程式均作了某種程度的簡化,其中尤其以橫隔版假設為高度剛性橫隔版之簡化動作,對結構分析模式之輸入及輸出工作量,及電腦分析的作業時間,以及輸出報表量,可大幅減少。因為橫隔樓版之剛性很大(樓版開孔太多及長條形橫隔版除外),若一樓橫隔樓版與鋼筋混凝土構造地下室及外牆結合,就會形成幾乎沒有側向位移的箱形結構體。此箱形結構體也是傳遞水平地震力及固定全部豎向構材之最有效模式,但設計此橫隔樓版之工作,須配合其結構力學行為的特性,及結構力學專業素養,才能充分掌控結構體傳力路徑之整體安全性。

高樓結構系統之柱構材由電腦結構分析所得之輸出力量,可得如圖8所示之柱構材在一樓上、下之豎向剪力分佈示意圖。一般(中間)樓層之柱頂及柱底之束制條件較平均,故反曲點大部份位於接近柱中間高度的位置,同一層柱底與柱頂之彎矩值會接近。在一樓之柱則會因地下室箱形結構的高束制現象,致一樓柱之彎矩反曲點很高,甚至已進入二樓之中間高度,故一樓柱底之彎矩特別大,常會在一樓柱底產生塑鉸,此即為高勁度地下室穩定系統之力學模式使然。此種行為會造成地上一層柱底之柱剪力方向與地下室之柱頂剪力方向相同,二者同向作用於一樓橫隔版上之現象。此時須將各柱線上之所有水平剪力加載於一樓橫隔版,並將一樓橫隔版視為一水平擺置之深梁,來檢核一樓橫隔版在水平方向之彎矩與剪力(一樓橫隔版在水平方向產生之彎矩與剪力平衡模式示意圖,見圖9所示)。

橫膈版、集力構材、及其接合部的需求強度,須按現行"建築物耐震設計規範"第6.2節之規定,以上部結構系統之超額強度(超額強 度因子Ω0=Vp / Ve)來設計橫隔版。橫隔版之需求強度計算,應包含面外載重、地震載重與其他載重同時作用之影響。

一樓橫隔版平面形狀呈長條狀,或長條不規則形狀時,除會有柔性變形之行為外,於檢核總水平力在橫隔版面內傳遞時,將面臨產生之長向面內水平彎矩太大,而致橫隔樓版之邊構材斷面不足以容納撓曲鋼筋量的情況。且長條狀一樓橫隔版之短邊較短,所能承受之剪力較小,因此如果一樓橫隔版剪力或彎矩傳遞失效,致地下室外牆產生外推破壞時,即可能造成建築物倒塌。

維冠金龍大樓一樓平面形狀呈長條狀,承受地震剪力及彎矩時位移變形大,屬柔性橫隔樓版。一樓橫隔版長向所需承受之水平彎矩較大,及短向剪應力較大,以及承受往東之地震力時,騎樓柱須賴其垂直向梁來背拉穩定,且此垂直向梁之背拉軸力會因桿槓作用而放大。維冠金龍大樓一樓橫隔板,於北側靠近西側端(短向),已有出現大範圍破損現象(見圖6);及大樓地下室東側(長向)外牆,與原地盤間有向東脫離約15公分之間隙,及一樓版橫隔樓版破損塌陷等現象。由以上現象研判,疑似東側南北向邊構材有受拉變形,及連接騎樓柱之垂直向梁之背拉軸力,疑似有拉斷梁縱向鋼筋或接頭脫開現象。

維冠金龍大樓倒塌原因的推測,各方專家、學者提出倒塌原因的初步看法,均可能為多種造成倒塌的原因之一,但筆者從結構系統、一樓橫隔版之平面形狀、及興建當年電腦程式之功能,一般結構設計者都容易遺漏一樓橫隔版傳力路徑之檢核,以及一樓橫隔版現場既有損害 (圖7中"橫隔版內剪力傳遞"位置) 及變形現象等,綜合初步研判,一樓橫隔版傳力路徑之損壞現象,很可能是造成建築物失去廣義基礎支撐而向東位移,地震力之慣性傾倒力矩,及大變位後繼而產生之P-△效應等現象,繼而拉斷西側柱之軸向鋼筋等現象,為最可能是造成維冠金龍大樓向東側(永大路側)傾覆倒塌的主要原因。

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圖7 房屋結構系統配置及傳力路徑示意圖

 

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圖8 豎向構材在一樓橫隔版上之剪力分佈示意圖

 

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圖9 隔版水平力傳遞至地下室外牆力學模式示意圖

四、結語

造成一棟建築物的倒塌,通常不會是單一的原因,可能同時包含設計及施工品質等多重缺失因素。維冠金龍大樓倒塌原因的推測,各方專家、學者提出倒塌原因的初步看法,均可能為衆多造成倒塌的原因之一,惟筆者認為這些設計及施工缺失,尚不太可能造成整棟建築物傾倒。筆者從,結構系統平面配置、一樓橫隔版之平面形狀、興建當年電腦程式之功能等,推測一般結構設計者都容易遺漏一樓橫隔版傳力路徑之檢核 (近年筆者參與之新建建築物之高樓結構審查或高樓集合住宅之結構安全鑑定,亦均發現有一樓橫隔版傳力路徑檢核不完全之缺失),以及一樓橫隔版現場既有破損及變形現象、西側柱為柱筋全數斷裂等現象,初步綜合研判,一樓橫隔版之損壞現象很可能是造成維冠金龍大樓整體倒塌的主因之一。維冠金龍大樓若有依現行"建築物耐震設計規範"第6.2節之規定來設計橫隔版,應不致於發生一樓橫隔版之嚴重破損現象。筆者認為只有一樓橫隔版結構系統傳力路徑中斷的系統性損壞情況,最可能導致建築物的整體傾倒模式,不過一切真正倒塌原因,都須待鑑定單位進行原設計完整之結構分析及設計,並檢核一樓橫隔樓版傳力路徑等之結果,與原設計圖說、現況結構施工品質瑕疵、現場損壞位置及損壞現象等,進行檢視比對,才能作進一步的確定。

【參考資料】

1.ACI 318委員會(2014)。結構混凝土建築規範及解說(ACI 318-14)。

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