第1367期-談 軟弱盆地危老都更宜防範共振加害

賴品寛工程師、賴明煌 技師

共振效應-讓新北震害比臺北市嚴重

2022年規模6以上地震達12次,已打破自1900年迄今,每年平均值2.5個的紀錄,今年堪稱為地震的活躍年!先說地震共振可怕的震害,建物受震波衝擊時,結構本身之頻率若與地質地層之自然頻率相近時,極易好發共振現象,再釀振幅更大引起更嚴重災損。如同美國華盛頓州西雅圖市南方之塔科馬海峽吊橋(Tacoma Narrows Bridge)1940年7月完工後,5個月內,因受側向湖面強風吹襲下,引起卡門渦流街(Kármán Vortex Street),致使橋身擺盪,當其卡門渦流街振動頻率恰與橋本身結構頻率相同時,引起該吊橋激烈共振而急速崩塌,成為全球首件有科學文獻記載之共振斷橋事件。

臺北首都圈為軟弱沉泥層之臺北盆地呈三角狀,最深處接近西北側泰山五股地區,約700米深(國道1號跨越淡水河橋三重蘆洲下方僅達350米深),才接近第3紀堅硬岩盤,故盆地各項不良特徵極易展現。因軟弱沉泥盆地場址效應(Seismic Site Effects)作用,讓震波振幅(Seismic Amplitude)加大與地震動延時( Earthquake Delay)加長及盆地重複繞射(Multiplicity Diffraction)等。一般低於40層建物,其自然振動頻率可由經驗公式推估,頻率約為該樓層數除10後取倒數,例如5樓高建物,其自然振動頻率約2Hz就是0.5秒有一周期。因往昔震波對場址放大倍率計算或振動主頻評估,多採用鄰近岩盤參考站之方式,即使用頻譜比法,如採用雙站頻譜比法(Borcherdt, 1970) ,惟適當岩盤參考站不易取得,故當Nakamura在1989年提出微地動(Microtremor)單1站頻譜比法(Horizontal to Vertical Spectral Ratio, HVSR),利用其水平來推估垂直向的頻譜比(H/V Ratio),即可推估地表沈積物厚度,並換算地表震波速度等所需資料等,這方法不需使用參考站,即可獲得地盤自然振動頻率(Dominant Frequency)及其相對應場址放大倍率,頗具經濟及施測快速之優點,就為廣泛使用。

以軟弱臺北盆地為例,不論中央研究院是可移動式、或交通部中央氣象局固定式的微地動測候站,以每公里內均有1站,總數超過589個微地動施測站佈設,可精細描繪出盆地及其周邊地區之地盤自然振動主頻,並藉此再往外到其他地區推廣量測。由此確認盆地邊緣與山麓帶具有較高之主頻。而盆地裡沉積沖積層分布較厚處,則呈低主頻,振動主頻高低與場址特性息息相關,即大地震在此發生與外地傳來時,位在盆地邊緣,頗多低矮建物,與位在中心區土層較厚較高樓層建物之低頻區,就較易有災損傳出之緣故[1] [2] [3]。

共振,並非越高樓就越危險

盆地內各項效應,致使地表建物搖得更大又更久,但盆地邊緣的新北市在受震時,反比盆地中心區傷害更慘呢?因盆地周邊,其岩場露頭多較堅硬且沉積物少,致使建物不易大搖和久搖,故天然振幅(Nature Amplitude),比盆地中心區為低。以地震站儀器量測盆地邊緣與山麓區新北市地表震動週期為0.3~0.5秒,盆地內則達1.2~1.6秒,檢視一般2層低矮建物之自然週期約為0.2秒而10樓則為1秒,故盆地邊緣較低矮公寓建物結構週期,就很符合該震動頻率,遂釀更危險共振 (Resonance Vibration)現象,發生致振更大更久的加害。

以臺灣有史以來最大地震921而言,震央在南投集集離新北板橋有150公里,卻釀46人死36人傷及全倒和半倒房屋數3494戶,光在新莊「博士的家」,這一建物就死45人,遠超臺北市401戶之近9倍慘劇。1986年11月15日,發生花蓮6.8級大地震,離震央110公里的中和員山路華陽市場3樓,因很多承重牆違法改建拆除,致倒塌壓扁為1樓,釀13死45人傷之慘劇,佔全國該震災87%傷亡之悲劇,可見新北市的震災規模不比臺北市少喔!且委身居市郊區,需長途通勤者,大多是經濟能力不如盆地中心佳,致其所居房屋也多為老舊公寓、且當地公共救災設施也較後段,故新北市民就雪上加霜,不僅每天塞車出入城,還要遭受震災更慘,這種窘境,12年來更加困頓與頹毀破滅,若要改善,必要有魄力首長與專業團隊來領軍。

101大樓反比盆地邊緣處更安全

2002年3月31日,宜蘭縣南澳地震站東偏南方55公里近花蓮,震源深14公里,發生芮氏規模6.8地震,傳到120公里外臺北盆地,釀北市與新北永和頂溪及離震央較近的宜蘭市地區,均是5級震度,並造成當時興建中101大樓進行56樓鋼構吊裝作業,其設置47與51樓層兩座吊塔,吊臂位在51與52樓的塔節桿上,相關螺栓等連結器脫牙爆裂,與吊臂塔節斷裂墜落,掉落現場砸死5人與傷26人之慘劇;但新北市,卻造成五百多棟建物受損比臺北市嚴重;因同一地震震度,在臺北盆地約因場址震波放大的搖晃程度,約每10樓增加1倍之力道與搖晃度,故斷塔處搖晃力約是地表面的6倍。

101大樓整體建築分層,採用特巨型結構(Mega Structure),另使用臺科大陳生金教授發明高韌性接頭(High Ductility Connection)之專利耐震技術在樑柱間,並在88~92樓上,設置總重660噸之「調諧質量阻尼器」(Tuned Mass Damper)合金大圓球,來反向減少擺幅搖晃程度。

整理2002年3月31日地震,各項加速度震度如表1所示,發現中和頂溪的加速度,約等距120公里臺北市各測站之距,恰等同離震央80公里之宜蘭站之震度,甚至垂直向與南北向,這兩個向量的值(gal)均超越之[4],故可知臺北盆地東南向約百公里之區域,只要該地區發生烈震之大地震,傳到該盆地就會造成頗大的傷亡[5]。

新北人口最多且夜間抗災最脆弱

新北市面積達2052km2,佔臺灣島1/16,現籍400萬人,為全國最大市。據內政部2022年發布《日夜活動人口統計》報告,按每人手機信令,推測該市日間活動人數376萬人,但夜間達441萬人,表示有65萬人以上,外出工作或就學之逆差,讓該市淪為「塞車回家睡覺之市」,故夜間才是新北市的實居人口最大時段。一天24小時裡,在凌晨夜間大多是災害最嚴重之時段,因夜間睡覺,所有住民警戒心均已鬆弛休息之中,況夜黑風高,面臨意外災害來臨時,抗災能力最低,而地震常釀很多安全偵測輔助設備失靈,或會再衍生其他二次災害併同發生,如2011年東日本311大地震(美國地質調查局USGS所測定之地震矩規模是芮氏9.1級),再衍生海嘯造成福島核電廠等複合型式破壞(Combined Disasters),釀近2萬人死亡;2023年2月6日土耳其-敘利亞在凌晨4時,發生極淺層的芮氏規模7.8級大地震,迄今10天已達4.14萬人死亡。既然我們知道夜間最脆弱,且此刻新北市民最多數,遂須事先提升市民有個安全抗災能力之全時家戶為抵禦外敵之堡壘,就成為勤奮實作首長必要之使命,且也要事前聯合鄰近,一起來努力預先抗災與事中救災等作預習演練 [6]。

政見是首長對選民之承諾

印尼總統佐科威(Joko Widodo),11月15日在峇里島,風光舉辦「2022年 G20」是全球20國集團第17次高峰會,未料6天後,在首都雅加達東南方百里的西爪哇Cianjur展玉地區,發生震源深約10公里5.6級地震,釀逾419人死亡、失蹤與千人受傷、與數千棟建築受損震害,真叫人驚訝!

而我新北市,目前逾40年屋齡老危樓近50萬戶,若以單戶有4人居住來算,將近200萬人身處危險老宅內,即新北市有近半50%市民均住在危宅中。故當地施政重點,應該要分輕重緩急,要減少錦上添花作秀,從事實際建設防災施政,才是優質政府首長掌舵應做之事。敬盼這些首長願站在保衛民眾安全與福國利民面向確實執行,讓同樣北漂租房在新北市的人們,以提升適當容積率與都市審議方式,願意支持這樣「1坪換1坪」的都更建設政策,在原住戶不吃虧又可提升安全與居住品質之情況下,放寬容積率等都管、建管措施,就可吸引建商,來合作興建較高層優質抗震建築(Anti-Seismic Structure Building ),並配合中央採用最新耐震法規,如2022年6月11日頒《建築物耐震設計規範及解說》,進行全面耐震評估,針對弱層檢核補助、補強設施,並給興辦建築加速危老都更執行來捍衛民眾居住危宅的困難。

表1 2002年331花蓮大地震各地震度各項加速度震度資料表

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參考文獻

1. 林士棋(2006)。利用微動量測探討台北盆地之場址效應,中央大學地球物理研究所碩士論文。

2. 黃雋彥(2008)。利用微地動量測探討台灣之場址效應,中央大學地球物理研究所碩士論文。

3. 林晟毅(2014)。利用微地動場址特性擬合技術推估台北盆地S波速度構造,中央大學地球物理研究所碩士論文。

4. 摘錄維基百科對交通部中央氣象局公開網站。「 個案地震報導 ..>20020331花蓮外海地震 ..>各地震度原始資料(ASCII)..>」。

5. 賴明煌(2019)。多震台灣
談外觀奇特建築物之安全,技師報第1190期。

6. 賴明煌(2022)。地震預測仍須努力、莫瞎猜誤導傳,技師報第1317期。

 

【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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