談工程師對設計規範應有之認識

國內發生數起房屋建築物地震中倒塌的案例,大部分建築物的倒塌原因,都是包含設計與施工之多重缺失因素累積的結果,一個結構物的倒塌不太可能是單一因素所造成。但是一旦發生倒塌事件,檢調單位都會找技師公會進行鑑定,大部分鑑定單位都從常見或容易確定的缺失開始著手,例如,混凝土抗壓強度是否足夠、柱箍繫筋之設計或施作數量及間距是否足夠、柱箍繄筋之接頭是否有作180°彎鉤、續接器是否有產生脫牙或斷裂現象、梁主筋進入梁柱接頭深度是否足夠、計算建築物所承受地震水平橫力之總重量是否有低估等常見之缺失,只要能夠找出其中一、二項就可交差結案。若不能從這些常見缺失中找到一些明顯缺失,建築物已發生倒塌,總不能將鑑定報告的結論歸為「設計及施工均無缺失」。因此一定要找到一個可歸就責任的原因為止,一旦鑑定報告下了設計也有部分疏失的結論,則設計人就要面臨司法審判,司法審判過程中法官的自由心證難以捉摸,因此其煎熬可謂度日如年。以台南維冠大樓倒塌案為例,造成115人死亡96人受傷的事件,設計人只要被判決分攤百分之一的損害賠償責任,就可能遭逢牢獄之災及傾家蕩產。

因此專業技師在進行結構工程設計時,與其緊抱單一規範條文規定,堅持符合該規範條文,而不管是否有其他規範之相關規定,一旦發生災害,還是要面對結構安全鑑定報告的考驗、及法官自由心證的審判。因此,與其面對司法審判,不如綜覽相關規範條文規定,並依據結構力學原理,作周延綜合專業的判斷,不出現災害,才是可永遠避開司法審判之上策。以下幾個特殊案例,特別提出討論,供工程先進參考:

案例一、剪力牆樁帽基礎版彎矩臨界面

剪力牆樁帽基礎版之最大彎矩臨界面,理論上是在樁帽基礎版剪力分布圖中,剪力等於零的位置,因此最大彎矩不會在柱的外側表面處,尤其是在樁基礎當基樁承受上舉拉力的情況下,其平衡力是集中在柱或邊構材之軸向受拉鋼筋,因此實務上,最大彎矩臨界面應取在柱或邊構材中心為宜。但筆者提出此觀點後,設計單位回覆以:依據"混凝土結構設計規範與解說"第8.5.2節規定:「獨立基腳之最大設計彎矩須按第 8.5.1節規定之方法,在下述臨界斷面位置計算之:(1) 承載混凝土柱、墩柱或牆之基腳-在各柱面、墩柱面或牆面處。(2) 承載圬工牆之基腳-在牆中心線與牆面之中點處。(3) 承載鋼基鈑之基腳-在柱面或墩柱面與基鈑邊緣之中點處。」;又依據第8.8.3節規定:「基腳支承於基樁者,計算彎矩與剪力時可假設基樁之反力集中於樁之中心。」,因此彎矩臨界面應可取在牆面處,其臨界面彎矩值可取基樁反力,乘以基樁中心至牆面間之距離。

惟筆者認為設計工程師仍不甚了解結構力學中,由桿件之彎矩與剪力對照分布圖中,可看出剪力等於零之位置即是彎矩最大的位置(見圖1)。因此樁帽基礎版之最大彎矩位置,應取剪力牆之邊構材中心可較為接近理論值。尤其是剪力牆傾倒力矩對基樁產生上舉拉力時,在剪力牆外緣之混凝土並無法平衡基樁之上舉拉力,只有在剪力牆邊構材之主筋,才有能力平衡基樁之上舉拉力。因此樁帽基礎版之最大彎矩臨界面,取在剪力牆之邊構材中心,才符合結構力學行為。至於第8.5.2節之規定,對基樁受壓時,最大彎矩臨界面「取在混凝土柱、墩柱或牆之基腳-在各柱面、墩柱面或牆面處」,僅可得略偏不保守側之概略值;對承受較大上舉拉力時,其嚴重程度恐已達足以影響結構安全的程度。

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圖1 剪力=0處為彎矩最大之位置示意圖

案例二、剪力牆連梁鋼筋錨定

某集合住宅之結構系統,採剪力牆與韌性抗彎矩構架之二元系統,其中,剪力牆系統採二片剪力牆間,以連梁連結在一起。剪力牆連梁之主筋最多為12-D32配置成"X"形之對角鋼筋,而設計圖係將剪力牆連梁之對角鋼筋,以標準彎鈎再加Ldh ,錨定於連梁二端之剪力牆內。如此雖可符合受拉鋼筋伸展長度之規定,但其埋深僅 Ldh ,難以滿足12-D32鋼筋之總拉力須小於混凝土拉破強度的需求。筆者曾詢問數位參加"混凝土結構設計規範與解說"制訂小組成員,亦認未違反規範規定,令筆者甚感驚訝。依據 "混凝土結構設計規範與解說"第8.5.2節規定:「......對角向鋼筋入結構牆之深度,應以受拉鋼筋伸展長度計算之。......」。因規範未強調「應以受拉鋼筋"直線"伸展長度計算之」,甚至群錨(樁)效應之拉破強度,須大於12-D32鋼筋產生群錨(樁)效應之拉破強度,僅在規範解說中附圖示意(詳圖2),而設計者又未與設計規範附篇D(混凝土結構用錨栓)中相關規定一併考慮,若因而產生群錨效應之混凝土拉破現象或因而倒塌,則又須面對損害賠償鑑定及司法審判。

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圖2 剪力牆連梁對角鋼筋配置示意圖

案例三、梁柱接頭之梁筋在柱圍束核心區之錨定

依據現行 "鋼骨鋼筋混凝土設計規範與解說"第8.6.2.5.節規定:「鋼骨鋼筋混凝土梁之主筋錨定於柱內時,受張力之鋼筋應以超過柱中心線再彎折錨定為原則...。」。但依據"混凝土結構設計規範與解說"第15.6.1.3節規定:「梁縱向鋼筋終止於柱內時,應延伸至柱圍束核心區之另一面...」。梁柱接頭之梁主筋,必須延伸至柱圍束核心區之另一面,並將標準彎鉤向內側鉤住對角混凝土受壓桿,才能滿足錨定需求。由上述差異顯示"鋼骨鋼筋混凝土設計規範"之規定是錯的,技師必須要有專業素養及判斷能力,才不致於一旦有瑕疵或損害,又須面對損害賠償鑑定及司法審判。

案例四、鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭梁主筋以直通為原則?

現行"鋼骨鋼筋混凝土設計規範與解說"第8.5.1.1.節規定:「鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭處之梁主筋,應以直接通過接頭為原則,宜儘量避免以鋼筋續接器銲於鋼柱翼板上以續接主筋。」。

但筆者考量「梁柱接頭區不同材料間力系互傳及平衡之需求,以及耐震結構系統傳力路徑之完整性」,在梁柱接頭區有或多或少的力量,在鋼筋混凝土構架與鋼骨構架間互傳。鋼筋則因表面有竹節,可提供握裹力。依據現行"混凝土結構設計規範與解說"第15.6.1.4.節規定:「當梁主筋貫穿梁柱接頭時,若使用常重混凝土,則平行於梁主筋方向之柱尺寸不得小於最大梁主筋直徑之20倍,若使用輕質混凝土,則上述之柱尺寸不得小於最大梁主筋直徑之26倍」。其解說中亦說明「許多研究指出,在承受反覆彎矩作用下,梁柱接頭內直的梁主筋可能滑移,其握裹應力可能很大。為顯著降低梁塑鉸旁梁柱接頭內主筋之滑移,柱尺寸須達梁主筋直徑的32倍,如此將使接頭過大。檢視試驗資料後,規範取平行於梁主筋方向之柱尺寸不得小於最大梁主筋直徑之20倍,若使用輕質混凝土,則為26倍」。然而鋼骨表面為光滑面,若未提供足夠的剪力錨定設施,無法提供足夠的握裹力。即使有些情況混凝土與鋼骨間可藉由鋼骨之鋼板轉角處之錨定效果,及桁架力系模式來傳遞鋼筋與鋼骨間所需轉傳之力,但其效果不但有限又不明確。且鋼板轉角處之錨定作用會使鋼板產生面外之力及面外變形,而致外周混凝土龜裂、剝離或剝落。因此筆者認為,第8.5.1.1節之規定,雖解決了一部分鋼筋排紮的施工的問題,但對「梁柱接頭區不同材料間力系互傳及平衡之需求,以及耐震結構系統傳力路徑之完整性」不但毫無幫助,尤其是RC集力梁之軸力與箱型鋼柱間之傳遞情況,鋼柱之光滑柱面,只能提供有限的握裹力,可能帶來結構物倒塌的災難。

案例五、RC梁接鋼柱是否必須以托梁轉接?

"鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範與解說"第8.7節(構材斷面之轉換續接)之規定:「...當設計鋼骨鋼筋混凝土柱與鋼筋混凝土梁相接時,為使應力傳遞平順,應使鋼筋混凝土梁之應力先傳遞至鋼骨鋼筋混凝土梁上, 再由鋼骨鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱相接合」。但低強度之RC梁轉接入鋼柱,無需大費周章,以難以設計的托梁(拱頭)轉接,且在梁端轉接違反現行"混凝土結構設計規範"第15.4.2.3節規定「受撓鋼筋之搭接必須於搭接範圍配置閉合箍筋或螺箍,此橫向鋼筋之最大間距不得大於d / 4或10 cm。搭接不得用於:(1)構材接頭內;(2)距接頭交接面2倍構材深度以內範圍,及(3)分析顯示由構架非彈性側向變位所引起撓曲降伏之位置。」所規定之緊密圍束箍筋圍束之。」之規定。

依據 "混凝土結構設計規範"第15.3.6.5節規定「......第二類機械式續接則准許使用於任何位置。」。因此建議採用第二類鋼筋續接器直接或間接銲於鋼骨上來續接,較可符合結構力學行為與規範之規定,且傳力路徑直接明確,又可符合經濟效益與結構安全性的設計最高原則。鋼筋續接器已有二十餘年的製造及使用經驗,品質及強度已有長足進步,而鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範"對鋼筋續接器的使用似仍停留在20年前,尚未跟上時代的腳步。

結語

國內工程設計規範,均為參考或翻譯自國外工程設計規範,國外設計規範主文之前,均附有警告條款或注意事項,以美國混凝土學會所出版之 "結構混凝土建築規範要求(Building Code Requirements for Structural Concrete)"為例,其前言即以:「"結構混凝土建築規範要求"(以下簡稱"本規範")針對混凝土建築結構物及可適用之非建築結構物,提供材料、設計及細節上之最低要求」。其『發行者的聲明』中亦以:「ACI 委員會報告、指南和解說,係作為規劃、設計、執行(施工)和(施工)檢查之指導。本解說(318R-14)係提供給有能力評估其內容及建議之涵義與限制條件的個人使用,及提供對於其所包含資訊之應用須擔負責任的使用者。ACI 不承擔所提出原則內容之任何及所有責任,ACI學會亦不承擔由此所產生之任何損失或損害責任。"參考本規範"的規定,不應成為契約圖說的一部分。如果規範中有某項目是建築師/工程師希望成為契約圖說的一部分,則應當由建築師/工程師以強制性語言重新編寫......」。

另以美國鋼結構協會(AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION)所出版之"鋼結構設計規範(Specification for Structural Steel Buildings)"於其首頁亦略以:「本設計規範之內容係依據已熟知之工程設計習慣及原理編輯而成,僅供一般資料使用。縱使信任本規範之正確性,本規範亦不得由無專業證照者驗證使用。亦因工程設計個案千變萬化,設計習慣及方法亦各有不同,本規範僅能供設計者依個案之情況酌予參考,使用本規範前均須經資深專業技師檢核其正確性及適用性,尤其是摘自各參考資料中之圖表均須洽詢原提供廠商確定其正確性、適用性及使用方法以免誤用。在此特別強調,使用本規範所產生之一切責任及專利等問題,使用者均須自行負責。」。

筆者認為雖然設計規範係經一群小組研討制訂,但畢竟無法完美呈現,新的發現及材料更新仍然層出不窮,以至於隔數年即修訂一次。因此工程師進行結構設計時所面臨的環境,不像律師所面對「惡法亦是法」的限制,工程師必須要有足夠的專業素養及結構力學靈敏的判斷力,而面對設計規範,不能像律師一樣緊抱單一法律條文之規定,堅持符合該條文,而不管是否有安全顧慮。因此專業技師在進行結構工程設計時,對於設計規範僅能視為最低要求並合併相關規範作綜體應用,要秉持綜覽相關規範條文規定,並依據結構力學原理作綜合專業的判斷,才能達到「藝術」的境界。

 

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】


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