從臺灣建築抗震規範 談震害崩潰房屋之鑑定取樣與災變分析(三)

 

肆、震害建築構造物崩潰後的安全性

受到強烈地震侵襲而崩潰的建築構造物安全性與受創崩塌的模式有密切關係。

一、直下型崩潰

直下型崩潰之建築構造物,除已經崩潰的樓層外,殘餘跌落坐在地表的建築構造物,雖然主要抗震構件有損傷,殘餘構造體的構造重心與形心,仍與原設計的假設條件相近,所以仍具有一定程度的抗震容量;因此,救災條件較為簡單與安全,即便仍有較強的餘震發生,也不至於出現二次災害。其主要原因是,因為樓層數減少,相對地震效應的反應也減少,雖然的底部呈現鉸接現象,仍具有一定程度的抗傾倒能力,抗震的主要構件,仍具有相當的原設計強度。

二、平躺型崩潰

發生完全平躺型崩潰的建築構造物,在某一角度看來也屬相對安全,可是他的抗震構造系統的行為已經改變;此時,建築構造物的柱體變成梁體,而梁體因崩塌平躺後變成支撐柱,原來的抗剪力的梁腹變成抗撓曲的梁寬,原來抗撓曲的梁寬變成抗撓曲的梁深,受力行為成90度的轉變。由於平躺形構造體傾倒後的破損程度不同,因此救災的安全度也不同。就以1999年921地震造成新莊區博士的家(照片4)、和2016年0206美濃地震,造成台南市永康區維冠金龍大樓全數破碎的損害完全不同;新莊區博士的家低層受拉拔而傾倒,上部構造體完整沒有崩潰現象,反觀維冠金龍大樓,不但受拉拔而傾倒,上部也完全破損崩潰,還出現剪推(擠壓)破碎行為;同樣是平躺型崩潰,卻有不同的崩潰型態,所以救災的安全性也就不同。

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照片4 19990921地震崩潰的新莊博士的家

(摘自技師報146期)

因此,這類型崩潰的建築構造物,救災時是必須考慮殘餘構造體是否完整,會不會因餘震造成二次崩塌的可能及安全性。

三、傾斜型崩潰

出現傾斜型崩潰的建築構造物,是最為危險的建築構造物。由於原設計建築構造物的抗震系統不健康,使建築構造物向脆弱的方向傾斜崩潰。此時,它行為是豬羊變色,就是柱體與梁體變成斜向,同時承受有軸力、剪力、扭力及彎曲力矩等多力系作用的多力構件;對柱體而言或許還屬安全,但對於梁體可能就沒這麼樂觀。因為梁體不具備承受軸向壓力與拉力的能力,殘餘構造體的結構不穩定度極高;因此,建築構造物形體改變以後,梁體有可能會因為餘震、或救災過程的局部拆除,發生二次災害的可能。

傾斜崩潰的建築構造物,呈現壓縮側為鉸接行為,拉拔側因為鋼筋錨定失敗,而與柱體、牆體可能脫離或部分已經脫離,此時若有較牆大的餘震發生時,傾斜度有可能加劇,及局部崩潰的現象發生。

伍、鑑定崩潰原因之取樣要項

鑑定崩潰原因,主要在澄清造成建築構造物崩潰,到底是屬於人為不可抗拒、或是人為疏失所致。造成建築構造物的崩潰因素相當的多且複雜,其可能原因也與構造物的抗震系統,或施工有關,也有可能是竣工後的使用情形有關,也或者是上述綜合共同因素;因此,對於地震受創崩潰的建築構造物,進行「崩潰樓層構造構件」的取樣是屬必要的,以便釐清責任歸屬。

取樣項目需要之資料,概有:

1.原核准建造設計與使用許可等圖說:包括建築圖說、結構設計書圖、設備圖說及建築構造物各層之用途、相關專業部分設計人等。

2.建築管理單位施工科之施工管理資料:包括建築圖說、結構配筋圖、建築設備配置圖、施工廠商、材料供應商、工地各施工階段進用鋼筋之加工類別、施工用各類構造材料之工程性質(混凝土、鋼筋)取樣檢驗資料、竣工文件等。

3.崩潰構造物現場取樣:震害崩潰建築構造物取樣之目的,在於收集崩潰構造體施工使用的材料規格、鋼筋接續與綁紮情形、混凝土強度與澆築情形,以及構造體表層裝修情形等等。由於構造體受震害之樓層之柱梁接頭區、柱體等多數幾乎完全潰散、不完整,取樣時必須從殘破構造體內辨識的困難度,也相當高。因此現場取樣,盡可能著重於柱梁接頭區附近,如柱體盡可能取到上下柱端各近半樓層高,梁體則距柱體表面,向外延伸約2.5倍梁深之長度,目的在了解圍束箍筋的施作情形、與主要鋼筋的接續情形。為清楚了解構造體的鋼筋施作情形,所有試體如能進一步剔除保護層厚度,使主要鋼筋及箍筋露出,清楚呈現可見,並配合量尺拍照,就可一目了然當年施工的情況,有助於釐清施工爭議。

對於發生地震而崩潰的建築構造物,在收集基本當時的設計資料時,可能出現有些建造年代已久,沒有完整構造體的設計施工配筋圖說、及基本構造設計書圖等文件可供查核;有些雖然建造年代不久,但是因為各地方建築主管機關的管理方式不同,也有可能出現構造體設計之施工配筋圖說、及基本構造設計書圖等不齊全的現象。因此,就必須借助崩塌建築構造體現場殘破的構件體,進行採證,來輔助查明崩潰的可能原因。

對於有完整圖說的崩塌建築構造物而言,僅需針對崩塌樓層部位進行隨機取樣,做為比對使用,及由現場崩塌構造體的施工尺寸、鋼筋配置及鋼筋錨定與接續情形(續接方式)等,現況資料與原設計施工圖說比對,就能夠檢討出崩潰的主要原因。相反的,原設計圖說保存不完整,難以有足夠的書圖資料與崩潰現場之構件做比對時,就必須從現場就崩塌樓層逐一調查與丈量,各個構造之抗震構件的施工尺寸、鋼筋配置及鋼筋錨定與接續情形(續接方式)等現況資料,以利重新建立該建築物的設計原貌模型。

由於震害崩潰的建築構造物,多數是發生在低層區域,如照片5所示。崩潰時該樓層的柱梁接頭、柱體、牆體與梁體等,幾乎崩潰或完全崩潰,因此要取得完整的構造體的構架幾乎不可能,多數為片段構體而已。

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照片5 震害樓層構件支離破碎的情形

假使可取得相對完整的柱樑接頭附近檢體時,藉由連續端或不連續端,柱梁接頭上下柱端各約半個樓層高,梁各約2.5倍梁深的擷取檢體為最好的情況。但不幸的是,多數崩潰樓層的構件,大多數呈支離破碎的狀態,因此,我們盡可能檢驗下列項目:

1.構造物的混凝土抗壓強度值。

2.粉刷層厚度及保護層厚度。

3.剔除粉刷層檢視混凝土澆築情形,是否有蜂窩修補、施工冷縫與工作縫等現象。

4.敲除保護層,檢視鋼筋綁紮情形是否有按圖施工,比對鋼筋施工數量與號數。

5.保護層移除後,鋼筋續接之類型、續接長度或續接器的型態等與現況。

6.將不連續端之柱樑接頭區混凝體敲除,檢視樑端鋼筋錨定情形,錨定深度是否足夠。

7.鋼筋斷裂處,鋼筋斷裂情形,是脆斷或具延展性斷裂;90度彎鉤的埋置長度是否足夠,是否有埋置長度不夠的問題;90度彎鉤在彎鉤後段的直線長度是否足夠等。

陸、結構模型重建與原因分析

我國的建築構造物,在民國63年起才開始有抗震設計規範之訂定。因此,在進行崩塌原因的分析檢討時,必須先清楚該崩潰建築構造物的設計年代、及所援用的抗震設計規範之規定。

就筆者個人的瞭解與經驗來看,民國70年以前,因為個人電腦尚未普及,結構設計人員多數採用拉計算尺以手算方式辦理,以二次彎矩分配法(Two Cycle Method,垂直力分析)加武騰清法(水平側向地震力分析)進行構件的受力分析工作,也常引用卓瑞年技師的著作:工作應力法或強度設計法這兩本書籍,進行查表分析後配筋。民國70年以後,個人電腦出現如Canon公司的個人電腦出現,這時有蕭清江、李憲政等人編寫上述之電腦分析程式供業界使用。

到了民國70年至76年左右,房屋建築構造的分析應用程式有SAP(有限元素法),平面(2D)構架之有限元素法程式TABS,及三度空間(3D)構架之有限元素法程式ETABS等程式陸續引進台灣的業界使用。

無論是使用哪一種電腦分析程式,進行構造物的構件受力與變位,都有該應用程式的先決假設條件;因此,使用者在使用時,應該留意並清楚該程式的使用限制與假設條件。例如二次彎矩分配法加武騰清法,是平面形式的簡化計算法,只能計算出每一構件的結點受力及與樑中間位置之受力情形,無法計算變位,因此無法得知構造物在受外力作用後的變位、及是否有力與位移相諧和的要件,因此相對誤差就比較大。

又TABS及STAAD分析程式雖然屬於有限元素原理的應用程式,可以計算出構件的應力狀態與結點的變位,但它只適用於在同一平面上組成之構架,對具有轉折的構架則不適用,因為具有轉折座標之構架屬於三度空間的行為,因此TABS分析程式就不能被使用。因此,當構架出現三度空間者、或要以三度空間分析的構架,就必須使用SAP、ETABS或MIDAS等等有限元素解析的應用程式較為合適。

無論是採用哪一種應用程式進行分析,使用者應該清楚瞭解,這些程式都具有一個共通點,即在應力與變位分析時,都是在彈性範圍內做的分析與檢討,在設計時則是以材料的非線性(非彈性)行為設計,除非是早年使用的工作應力法就另當別論。

辦理震災後崩潰建築構造物原因之檢討鑑定檢討事項,概如下述:

一、原設計所使用的分析程式及其適用範圍與該程式的假設條件。

二、原設計時對建築構造物所選用的基本假設條件,包括援用設計規範、使用材料之工程性質、構造物可能出現的各類荷重,及經調查得知場址的工程性質等。

三、進行現場事證的採證資料收集,作為判定是否符合原設計施工圖說之施工要求,及是否有違反當時的施工規範與違背設計書圖之指示等事項。

四、鋼筋之加工、接續與錨定之埋置長度,續接的類型:鋼筋車牙式續接器、螺牙式續接器、套筒式續接器,或瓦斯壓接等。

五、混凝土抗壓強度、鋼筋拉伸強度、伸長率與彎曲率等檢測。

六、現場混凝土澆築情形:有無蜂窩、施工冷縫,續接縫等。

七、以現行的應用程式重建構造物的分析模型,進行分析,分別以原設計所設定的基本假設要件、或模擬當年代的工程習性,並比較造成構造物崩潰時的地震強度與設計時的法規強度,以釐清設計者是否有疏失;更進一步可以進行耐震詳細評估,以估計該構造物的可能崩塌地表加速度容許值、當年度的法規加速度值、及崩潰時的地表加速度值一起比對。

柒、結論

安全就是生命。沒有安全就沒有一切,所以對設計者、施工者、投資者及消費者等都是挑戰,尤其是從事建築構造的設計人員與施工人員,對安全的挑戰與工作責任更為重要,須時時謹慎的提醒自己。雖然安全事故不可能完全杜絕,但我們可以學習失敗的教訓、反省與研究對策,研發新技術、新工法,來減少與預防同樣的事故,重複一再發生。

 

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