從美濃地震探討維冠金龍大樓之震害

 

前言

美濃地震發生於今年2月6日清晨3點57分,地震規模M6.4,與1946年的新化地震、1964年的白河地震、2010年的甲仙地震,及2012年的霧台地震之規模,十分類似。由於台灣西南部有密集之斷層,如旗山斷層、甲仙斷層、潮州斷層、左鎮斷層與新化斷層等,故發生強震非常頻繁。美濃地震之震源在地表下16.7公里,少於20公里,屬於淺層之地震。震區週遭之鄉鎮,如嘉義縣、台南市、高雄市與屏東縣等,最大之震度達5級,雲林縣之最大震度則高達6級。距離震央較遠之地區,反而會發生較大之震度,此乃軟弱地層受到震波放大、波速減慢、震期延長之影響。震區相關之地震延時與各測站之地表加速度峰值,如表1。

表1 各震區之地震延時與地表加速度【1】【2】

縣市 地區 地震延時(秒)   測站 垂直向PGA(gal) 南北向PGA(gal) 東西向PGA(gal)
台南市 市中心 4.6 台南市TAI 82.49 152.17 233.82
永康區 4.68 永康TAI1 44.98 105.16 148.34
新化區 8.16 佳里SCL 54.37 232.93 224.73
善化區 5.88 善化SSH 65.44 229.04 225.09
嘉義縣 嘉義市 5.12 嘉義市CHY 39.9 118.5 171.37
草山 2.3 草嶺CHN5 93.31 240.4 344.12
雲林縣 四湖鄉 3.34 四湖鄉WSF 27.46 164.67 129.8
高雄市 旗山區 1.74 旗山TWM1 31.4 87.93 57.72


建築物之損害

受美濃地震影響之台南市建物,傾斜或倒塌者計有:山上區南洲里104號市場傾斜、新化區中山路586號京城銀行8層大樓傾斜、歸仁區信義北路46號7層大樓壓縮傾斜、歸仁區中山路三段455號大樓傾斜、仁德區太子路101巷36號大樓傾斜、關廟區和平路100巷9弄18號平房倒塌、東區長東街103巷2號4樓建築壓縮倒塌、永康區南興街13號3樓建築倒塌,與永康區永大路二段139號16樓大樓倒塌等九件【3】【4】。其中災害最嚴重者,莫過於永康區永大路二段與國光五街路口之維冠金龍大樓,該大樓為地上16層地下1層之鋼筋混凝土建築,平面配置呈凹字型,共有A~I等9棟,詳圖1,地震時整棟建築全毀,橫躺在永大路上。

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圖1 維冠金龍大樓平面示意圖

其他尚有許多民宅局部受損;全台有455學校所受損,其中台南市184所,高雄市93所,嘉義縣33所。茲謹就維冠金龍大樓之設計施工等技術問題探討如下。

平面不規則之建築物

若建築物的平面不規則,地震作用時,由於剛心與質心之偏心距明顯,容易造成平面扭轉之現象,額外增加構材之應力,結構體容易受損。建築物耐震設計規範1.6節規定,建築物結構及其側力抵抗系統的平面幾何形狀,具有凹角者,超過凹角部分之結構尺寸,大於沿該方向結構總長之15%以上者,屬於平面不規則性結構。規範6.2.9節規定,設計時須符合下述規定:

 一、橫隔版面內之變形,不得超過其附著構材的容許變形。容許變形應為附著構材在此變形下,仍能繼續支承加於其上之外力,而無損其結構完整性。

 二、樓版與屋頂版應能抵抗下式之地震力,且不得小於1004-8-7

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Fpx:第x層樓版之設計地震力
Ft:頂層外加之集中橫力
Fi:第i層分配的地震力
Wi:第i層之重量
Wpx:第x層樓板之重量
 三、橫隔版與匯集構材之接頭,匯集構材與抵抗地震力豎向構材之接頭,其設計不得採用容許應力法,提高1/3應力之規定;亦不得採用強度設計法,地震力載重係數乘以0.75之規定。

規範2.14節復規定,地震力的計算,除了須考慮質心與剛心偏位之扭矩外,尚須外加5%的意外扭矩。規範3.7節之動態扭矩亦有相同之規定,必須將各層質心偏移,計算質心±5%建築物平面尺度的四個位置,進行動力分析。若沿地震力方向最大側邊層變位,大於兩側邊平均層變位的1.2倍以上時,視為具扭轉之不規則性系統,除應檢討前述6.2.9節之規定外,尚須依6.1節規定,考慮地震作用方向不沿建築物主軸方向之效應。

維冠金龍大樓之平面,已屬平面不規則結構系統,其設計是否確實符合規範,應有嚴謹之審查機制與調查。特別是各樓層之剛性牆體,配置不規則時,地震時之平面扭轉非常誇大。從照片1之I棟扭曲橫躺在馬路上的情況研判,該大樓應有平面扭轉之現象。

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照片1 大樓I棟扭曲橫躺於路面

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照片2 I棟倒塌後仰視之三樓樓版


立面不規則之建築物

於立面不規則的建築結構,例如豎向牆體不連貫,高樓區有剛性牆體,而低樓區之相對位置則未設牆體,造成軟腳蝦之現象,地震時建築物之側向位移過大,容易遭致壓垮。或一樓設計突兀之挑高柱子,造成過度細長之受壓構材,亦容易受壓挫屈而破壞。

規範1.6節規定,若某樓層之側向勁度低於其上一層之70%,或其上三層平均勁度之80%者,屬於勁度不規則之軟層,必須採用動力分析。若樓層之側向勁度,低於其上一層之60%;或其上三層平均勁度之70%,屬於勁度不規則之極軟層,此種結構系統為規範所禁止的。同條規定,若某樓層抗剪強度與其設計層剪力的比值,低於其上層比值80%者,屬於立面不規則之弱層,結構系統必須調整或改善強度。

維冠大樓沿路面之1樓店面,皆為高挑之柱子,1樓之側向勁度與強度,都必須檢討其軟弱層之效應。由於路邊G棟柱子,受到壓縮破壞時,背側之I棟柱子,勢必受到嚴重拉拔而損壞。照片1橫躺之I棟其右邊為第3樓,左邊則為頂層第16樓,復從照片2之I棟倒塌後第3樓頂版之損壞研判,G棟之1、2樓之柱牆已完全壓縮毀損,而I棟之1、2樓柱子則嚴重拉拔斷裂。

垂直向振動

本次地震屬淺層地震,地震剛發生時,建築物之上下振動頗大,部分建物,因受上下激盪振動而壓縮底層,甚或傾斜。如果地質為疏鬆砂土又有地下滿水時,地震時造成土質液化,建築物之下陷或傾斜將更為嚴重。建築物耐震設計規範2.18節的靜力分析特別規定,台灣嘉南地區的斷層錯動,由於震源深度較淺,會有顯著的垂直向地震,必須適度考量垂直地震力。設計時應將樓版的靜載重乘以垂直地震力係數Kz,加諸於梁上一併分析。Kz之大小為:

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Kz:垂直地震力係數
I:用途係數
αy:起始降伏地震力放大倍數
Sad,v:垂直向設計譜加速度係數
Fuv:垂直地震力折減係數
規範亦提示當水平地震力全數考慮時,垂直地震力須考慮30%;於垂直地震力全數考慮時,水平地震力須考慮30%,兩者比較取其大者設計之。至於動力分析,因為一般分析程式並不具備樓層在垂直方向的自由度,固然無法進行垂直向的地震動力分析,但規範3 .11節規定仍應參照靜力的規定採用等值方法進行動力分析。美濃地震所造成之三棟建築物倒塌、二棟建築物樓層壓縮傾斜、四棟建築物歪斜,應與垂直振動有密切之關聯。

混凝土之膠結性

維冠金龍大樓倒塌的模式,係整棟撲倒在永大路上,A棟與G棟分別被H棟與I棟壓在底下,從照片1之I棟與照片3之H棟比較,兩棟破壞之外觀截然不同。照片1顯示I棟之外觀損壞較少,惟照片3之H棟則非但斷成三節且外觀支離破碎。從H棟各樓層混凝土塊之分崩離析推測,本建築物之混凝土材料膠結性,有待釐清,有可能水灰(膠)比(w/c)過大,強度降低;或澆置延時太久,造成混凝土初凝。一般混凝土之水灰比,除非事先調配特別之配比並經過試拌,否則正常之水灰比大約在0.5左右,且施工中嚴禁加水。而混凝土從出廠至澆置完成之閒置時間,則應控制在60~90分鐘,否則混凝土呈現初期凝結,導致膠結性太差。

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照片3 H棟之混凝土支離破碎

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照片4 握裹性欠佳


混凝土之握裹性

維冠金龍大樓倒塌時,前面A~G棟理當承受壓力,而後面之H與I棟則會承受拉力,照片4為H棟之後柱受拉破壞之現況,破壞模式顯示,柱子之混凝土因承受拉拔而脫落,推測握裹力全然喪失。

鋼筋混凝土構造係以混凝土及鋼筋為主要材料,混凝土之抗壓性良好,其抗壓強度自3,000psi至10,000psi不等,甚至還可以更高,可惜混凝土之抗拉性太差,其抗拉強度約為抗壓強度之10~15%,因此必須採用竹節鋼筋補強其抗拉強度,所以外國人稱為「已補強之混凝土」Reinforced Concrete,簡稱R.C.,國內翻譯為「鋼筋混凝土」。

當混凝土材料之抗拉功能失效時,必須借重竹節之功效,傳遞拉力至鋼筋,稱為握裹力之傳遞,如果混凝土不夠密實,內部充滿孔隙或蜂窩,則由於握裹傳遞失效,即使使用超量的鋼筋,也無法發揮鋼筋之抗拉強度。鋼筋的用量,無論是理論探討或規範的規定,都不得超量使用,反而是少量鋼筋比較好,鋼筋之用量須少於平衡比之75%,以保證構材於受力時,鋼筋必須先降伏破壞,不得讓混凝土先行壓碎。因此健康的鋼筋混凝土構材,於受到超額之力量後,鋼筋必須先降伏,乃至於後續的裂斷,可惜照片4所顯示,的確是混凝土脫落,並非鋼筋在受力較大部位之拉斷破壞。

鋼筋的紊亂與銹蝕

照片5為當天破壞的現況,顯示柱筋之綁紮紊亂,保護層不確實,且有鋼筋生銹之情形。主筋之生銹為局部生銹,研判為完工後之生銹,因為施工中若使用生銹之鋼筋,應為整支鋼筋均勻生銹,少有可能集中於局部生銹。而箍筋整支生銹,則有可能在施工前或施工中所發生之生銹。

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照片5 鋼筋紊亂銹蝕保護層欠佳


國內的氣候潮濕,暴露在外的鋼筋,在大氣狀況之下,大約2.5個月就會嚴重生鏽,故鋼筋在加工時,經過預彎更會提早生銹。於混凝土構造內之鋼筋若生銹,會因銹體之體積膨脹而擠爆混凝土,造成結構性之缺失。混凝土,係由水泥成份之(CaO)與水(H2O)之化學反應,而成為氫氧化鈣Ca(OH)2之膠黏糊體,其化學性質屬於強鹼,pH≒13。在此強鹼之環境下,鋼筋外表會形成鹼性保護膜,保護鋼筋不致生銹,又稱「鈍化模」或「鈍態膜」,如果混凝土受外來因素影響,如CO2之作用,而失去鹼性特質成為中性之材質時,鋼筋外表之鈍化膜會自然消失,則鋼筋甚容易生銹。根據經驗,未塗油漆之混凝土,其中性化之速度每年平均約1.5mm深,屋齡超過20年之老舊房子,中性化程度很容易超越鋼筋之保護層,造成鋼筋之銹蝕,影響鋼筋與混凝土之粘結性,甚至於造成混凝土之爆裂,一旦受拉就容易與鋼筋鬆脫。

總結

建築物因地震所造成損壞之原因很多,必須多方調查與探討,才能找出真正原因。建築物的防震,端賴設計、施工與監造等相關單位,事先發揮工程專業之技術,通力合作,以避免如此重大災害。若於發生災害後,再作一些無可挽回之亡羊補牢措施,實乃無濟於事。

【參考文獻資料】

1.維基資料, 2016年2月7日。
2.中央氣象局地震報告,2016年2月6日。
3.自由時報,2016年2月7 日。
4.Google Map,2016年2月7日。
5.內政部(2011年4月)。建築物耐震設計規範。營建雜誌社。
5.陳純森(2006年11月)。鋼筋混凝土工程實務。科技圖書公司。
6.陳純森(2015年11月)。工程事件之鑑識預防與法務。科技圖書公司。

 

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