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。
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:
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。
照片1 大樓I棟扭曲橫躺於路面
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:
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。
照片3 H棟之混凝土支離破碎
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。
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。
【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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