從921集集大震 談建物破壞模式新建結構設計構想

地震來襲就像日本相撲比賽一樣,快著20秒慢著1分鐘就決定勝負,不像颱風來襲前有一段預警。最可怕的是主震之後餘震不斷,原先主震沒有震垮之建築物,在數次餘震後常造成倒塌,讓救援工作無法進行,只有冒著生命危險去搶救被壓在瓦礫堆的災民。

民國88年9月21日集集大地震,造成2,400多人喪生,接近一萬棟房屋毀損、倒塌。在100多公里長的斷層通過之處,地表隆起或下陷,無論再堅強的結構都無法逃過倒塌的命運。至於位於斷層以外的地方亦有大量的房屋倒塌或毀損。

先談低層建築物的破壞,根據88年10月31日內政部建築研究所的調查統計,1至3層的低層建築物,整體倒塌或塌陷者有2,563棟,傾斜者有681棟,嚴重破壞有1,555棟,中度破壞有1,267棟、輕度破壞為1,167棟,合計7,233棟,約佔全部破壞房屋8,489棟之84%,不可謂不驚人。

這些損毀倒塌的3樓透天厝一般是連棟興建,柱的尺寸是22公分*50公分,柱寬就是一個磚牆的厚度,施工時在預定柱位豎立好主筋,再紮柱箍筋,前後砌磚牆,留出50公分的柱位,砌完磚牆,柱的兩邊封模版澆灌混凝土, 於是梁、柱與牆一氣合成。在牆壁粉刷之後就看不到柱子。當然隔間磚牆可以分擔房子的垂直重力,地震時也可以當作剪力牆,以抵抗地震力。可是在橫向也就是大梁跨度方向地震時,柱寬只有22公分就是柱子最脆弱的地方,梁柱鋼筋接合不佳,這就是最標準的強梁弱柱現象。在一般中小型地震時,因為是連棟關係還可以經得起考驗,但是碰到類似921這種大地震,梁柱接合部就無法承受而爆開,於是乎所有連棟房屋在左右搖擺之後壓毀一樓柱子整個降至地面,看不到一樓,而二樓以上完好如初。如果外接水電瓦斯二樓以上還可以住人,所以令人搞不清楚這些房子是要判定全倒還是半倒。因為終就要拆除重建,算是全倒才對。

至於重建就要屏除傳統施工法,把柱子確實做出來,柱的短邊最少要30公分以上,並要完成耐震結構分析後自行配筋。施工時要在柱子完成拆模,才砌前後隔間磚牆,且結構設計要按照最新的地震分區及建築技術規則來設計。

農曆3月全台瘋媽祖,從電視畫面可以看得出,信徒為了神任何痛苦都可以忍受,即使赴湯蹈火也在所不惜。我們信奉媽祖,神也保佑我們闔家平安、風調雨順。為了捐款建廟,二話不說慷慨捐獻,所以台灣的廟梁、柱屋頂畫棟雕梁,美不勝收,奢華之至,所以建廟的成本相當高。在集集市內的武聖宮倒塌,屋頂趴在地上,那是要做921地震的紀念,留在原地不拆除以供人憑弔。看起來廟的柱子主鋼筋很粗唯柱中間箍筋間距太疏,由於屋頂太重,上下振動把柱壓潰箍筋爆開,還有柱頭與梁之接合處也被扭曲破壞。看了令人痛心、惋惜。

一座廟宇的興建投入之經費相當多,尤其花在梁、柱牆壁之藝術及雕塑作品最多。至於廟本身的結構體工程費微不足道。現在只因為結構體破壞,一切成果毀於一旦,對於日後的重建以及所有的新建廟宇,筆者提議全部改為SRC結構,因為結構體增加的費用並不多,而廟宇可以永久保存,即使以後再遇到類似921的大地震,即使所有房屋倒塌,神的住所廟宇將不易倒,如此廟宇可作為民眾的避難所。

中南部的大廟宇都有建三、四層的香客住宿客房,那是提供遠道而來進香團的香客住宿之用,這些建築物如加強耐震措施,新建者用SRC設計施工,將是未來提供民眾最佳的避難場所。

新加坡政府蓋組屋廉價賣給人民,分年分期攤還房價。據說全國有80%的人民住在組屋,解決人民住的問題。組屋的一樓除了樓梯間和電梯間有牆壁外其他只有柱子而已,原本以為是會淹水,因此一樓不便有人住,其實新加坡是島國,加上排水設施良好絕不會淹水。他們把一樓做為公共設施空間,提供住戶集會的活動場所,也提供住戶婚喪喜慶之用的空間。

新加坡位於赤道無風帶沒有颱風,又沒有地震的災害,所以房屋不必做耐震設計,大樓結構梁柱尺寸都很細很好看。大樓只要能蓋起來,完工啟用後就不會有倒塌之虞。這種老天恩賜的特性,令人羨慕不已。這種把一樓騰空做為開放空間使用,在新加坡可行,但在台灣未必可行,因為台灣位於地震帶,一樓光靠柱子抵抗地震還不夠,必須設置適當的剪力牆(耐震壁)才行。

在921大地震中,7至15層之大樓倒塌及毀損共有457棟,約佔全部毀損破壞房屋總數的5.4%,雖然比例不大但是財物的損失及人員傷亡卻相當可觀。大樓的一樓被破壞,整棟房屋傾斜或倒下,然而二樓上的結構並沒有什麼損壞,完完整整斜躺下來。因為地震係由遠方之震源傳送至大樓之地盤,再經基礎柱往上傳。當一樓的柱子被摧毀了地震能量就無法往上傳,因此二樓以上沒有破壞,如果地震的震動歷時一分鐘,第20秒鐘一樓柱子就被震壞,二樓以上在20秒鐘後就沒有振動,大樓就斜躺下來或倒塌。

大樓倒塌毀損的原因很多,主要是在軟弱的一樓,一樓有單獨的騎樓柱,一樓是店面牆壁較少,很多牆壁被打除以增加營業空間,尤其是三角窗的房子,道路側牆壁被打除改用玻璃窗只剩下柱子。由於牆壁分佈變成不對稱,地震時造成偏心扭曲增加柱子的負擔。另一方面本次大地震的特點是震動的垂直加速度甚大,日月潭、名間、魚池超過300gal(1g=980gal),草屯有415gal,石岡鄉最高達到519gal,垂直加速度就是增加柱子的載重,柱子因箍筋間距過大,被壓壞箍筋而爆開。另一個破壞點是一樓柱頂與二樓大梁接合處被扭曲破壞,再一個破壞點是一樓柱底部與地樑接合處扭曲破壞,由於此三處破壞使大樓的一樓柱不支倒地。

今後大樓的新建或重建最好是用全鋼構,或是SRC(鋼骨鋼筋混凝土)結構,或是採用RC(鋼筋混凝土)結構,依據最新的地震分區及新訂的建築技術來設計亦可。

不過筆者建議應做萬全準備,針對上述的破壞點,宜在RC結構大樓作局部加強,說明如下。

1.一樓配置適當的剪力牆,二樓以上同一位置亦要有剪力牆

2.一樓柱改為SRC柱,RC柱內有H型鋼柱,以抵抗上下擠壓之重力,並增加柱子的韌性。

3.二樓大梁改為SRC樑,與一樓柱頂均以SRC連接,亦即鋼樑柱接合,梁鋼筋左右通過連接,柱鋼筋上下通過。

4.一樓大梁亦改用SRC梁,與一樓柱底亦用SRC接合,以增加韌性。

5.一樓柱之H型鋼骨伸入2樓約2公尺,二樓柱為RC柱與SRC柱之漸變段。三樓以上之梁柱全部為RC構造。

6.如果大樓有地下室,不管是有幾層,地面以下全部用SRC構造。

7.因為2樓以上均為RC構造,RC部分較多,申請建照亦應以RC構造來申請。本文建議之改良式耐震結構有以下優點:

(1)施工H型鋼骨只有一樓柱、二樓大梁,及一樓大梁比起整棟房屋全部用SRC構造,節省很多經費。

(2)施工期間亦此全部SRC結構之工期為短

(3)即使今後數十年再遇到類似921之大地震,建築物會保持完好如初不被破壞。

後記:雖然921大地震已匆匆過了12年,本人認為還有很多疑問要去研究。這次大地震的水平及垂直加速,已超出設計規範的2倍甚至3倍,照理講全部房屋要倒塌才對,可是為什麼有些房屋不倒,據說不曉得是在東勢或中寮鄉有一條街之一整排全部倒塌,而同街對面的房屋卻沒有破壞倒塌,諸如此類現象,真是耐人尋味。

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