206地震发生至今,小弟无法对于震灾有任何贡献
虽已有前辈技师们针对部分结构议题公开回复
但小弟这里在把相关结构工程的资讯再整理,抛砖引玉
期望大家能对结构工程与结构安全有更深的认识
从认知中提升台湾的结构安全。
结构安全概述
结构倒塌是一个现象,是由许多因素所构成,若要一言以蔽之,就是:"先天不良,后天
不足"。所谓"先天"是指天然条件及结构系统,而"后天"是指结构设计及施工细节。天然
条件是指结构物在其所在地会遭受之地震力、风力、山坡挡土、地下水、土层条件等,结
构系统是指建筑师根据基地范围所规划的建筑楼高、梁柱版配置等,这里要强调是"建筑
师"的原因是在建筑技术规则中建筑师是法定的唯一设计及监造者;结构设计是指土木或
结构技师(能签证范围略有不同,但以下均简称为技师)根据天然条件及结构系统进行受力
分析及构件设计,而施工细节则是工地根据建筑及结构的规划实现盖好一栋房子的方式。
我们可以说,一栋安全的房子一定要妥善考虑天然条件、结构系统、结构设计及施工细节
,这就是结构安全的概述。
京城银行倒塌原因
任何把结构失败的原因归咎于单一因素上,都是过于狭隘的说法,接下来我会以"先天不
良,后天不足"的论述来说明两栋损害最惨重的建筑物失败的原因。天然条件上除地震力
在这次地震中台南因软弱土层放大效应外,并无特别不利的天然条件,但观察京城银行未
倒塌前的外观:
http://goo.gl/GUkxbD
京城银行在结构配置上属于长方形,在其长向左右两侧易因建筑物偏扭而放大柱受力,而
该处骑楼墙面又不规则配置,有一处甚至为完全挑空的状态(上图红框线),是一个极易引
向软层机构的建筑配置,是为"先天不良"。
小弟灾后有到现场勘查京城银行受损的状况(想到维冠大楼有救援需求就没去勘查了),部
分照片与大家分享如下:
http://goo.gl/l7hzCe
http://goo.gl/h0ZS0A
由照片中可见柱主筋未加放系筋,导致主筋于在混凝土剥落后完全失去围束力,在高轴力
底下直接挫屈而失败,所谓挫屈是指构件未发挥强度前即因不稳定而溃败的状态,系筋量
不够是为"后天不足"。
http://goo.gl/gKuOfA
本张照片是另一个方位京城银行底层柱溃败的情况,而左边椭圆红色标注为邻房受京城银
行挤压后受损的情况,亦为一个很好的对照:箍筋及系筋良好的设置的柱,在混凝土脱落
后应能保护柱之围束力!
维冠大楼倒塌原因
前面已有许多前辈探讨过维冠大楼倒塌原因,可参考
http://news.ltn.com.tw/news/life/breakingnews/1596746
http://news.tvbs.com.tw/life/news-638946/
这里则是想综合观点来说明维冠大楼倒塌原因,维冠大楼从街景图来看有底层挑高配置,
如下图所示,且内外墙量比差异过大,易发生软层。
http://goo.gl/V0rABg
同时建筑副本图被调出来后,基本上有结构设计经验者都会同意是个极差的结构系统配置
,以上两者是为"先天不良"
http://goo.gl/gjwNYU
此种结构系统差的原因在于,看起来建筑规划是倒ㄇ字型配置,但实际上完整的构架系统
仅有红色框线处,蓝色框线处因为大梁搭大梁配置及梁柱不连续,未能发挥抗弯矩功效(
简单来说就是猪一般的队友),若仅考虑红色框架,则实际上为高宽比甚大的建筑物(假设
单跨10m,16层总楼高50m,就接近1:5了!),此类结构物的特色是容易因倾倒弯矩而出现
柱底拉拔力,因此我们可以在维冠大楼看到很多拉拔破坏。
http://goo.gl/ytL75t
http://goo.gl/yIJxWd
在结构设计方面,设计者很可能错估了柱底拉拔力,箍、系筋量亦未妥善设置(柱主筋亦
有开花的现象),而在施工因素方面钢筋应有续接失败的问题,以机械式续接不应有钢筋
拔出破坏之情况,亦即破坏处不应发生于续接器上,此部分施工厂商的品管有很大的问题
,此为"后天不足"。我不倾向责怪失败原因于单一因素,因为土木结构事实上都具有一些
设计时保守的安全余裕考量在内,会失败表示安全余裕全部用尽(这并不容易),必然是总
和许多失败的原因在内而导致!
90-135度弯钩与921大地震
对于90-135度弯钩可以延伸阅读国家地震工程研究中心的解说
http://www.ncree.org/SafeHome/ncr04/pc3_3.htm
简言之,我们可以说箍筋与系筋的配置是钢筋混凝土柱韧性发挥重要的关键!921大地震
之后因为发现双向皆为90度弯钩其震后弯钩易有开裂的现象,故建议改采90-135交叉配置
的方式,可以说是历史给的教训。但,921前设计的房子真的耐震能力不足吗?而有没有
需要对台湾房屋结构安全进行全面健诊?
921时,某些特定形式的校舍耐震能力被视为是有问题的,而且这种形式被广泛的采用于
台湾中小学的校舍中,在921后大家才意识到这类的校舍须进行补强。这个专案持续了十
余年,对于提升校舍结构安全有很大的帮助,可参考:
http://school.ncree.org.tw/school/home/news.php
但是这个工作并不是地毯式的扫描所有校舍,跟是利用高风险的建筑结构特征来排序补强
先后顺序。如同前面提到的,结构安全是一个体系运作下的结果,故若仅用箍筋未采
90-135度弯钩而判定是有问题的话,则过于偏颇,但是对于高风险的结构筑群:例如挑高
骑楼,或房屋墙、梁或柱已有先行开裂等者,应优先列为鉴定补强对象。
软弱土层场址放大效应跟土壤液化
在本次地震此两者议题亦有浮上台面,所谓软弱土层场址放大效应是指地震震波在软弱土
层上会放大其摇晃程度,可以想像你拿一块肥皂(坚硬土质)左右摇晃,肥皂上面的振幅与
你手的摆动会是一致的;但若你拿一块布丁(软弱土层)左右摇晃时,布丁上方的摆动往往
大过于你手上的振幅,台南的土层亦有此现象,可参考:
http://news.ltn.com.tw/news/focus/paper/957156
但此点"先天不良"是否为本次房屋结构倒塌的主因?场址效应的确放大了地震力,但最有
问题的是结构发生了脆性破坏,所谓脆性破坏是指建筑物在无预警的状态下直接破坏,妥
善的结构设计应为开裂后尚韧性有给人民逃生走避的空间,而"韧性"最重要的关键点即为
箍筋、系筋的设置!
而土壤液化根本次震灾更没关系,所谓土壤液化是指松软砂土层于地震时超额孔隙水压升
高而失去承载力的状况,实际发生土壤液化时建筑物受震强度反而会降低,因此本次土壤
液化不是主角。而对于某前部长认为要考量土壤液化的进行灾害型都更,我认为是应该都
更拉,但是拿土壤液化的名目就文不对题(此点可再参考中央大学土木系黄俊鸿教授脸书
的说明),但台北市的确有许多老旧房屋有耐震疑虑。
沙拉油桶与专业傲慢
另外一个争议是沙拉油桶是否为维冠倒塌元凶?此点议题是我觉得最难回复的!若以我所
学我会说:沙拉油桶多半是拿来装饰柱用,无结构承载用途,所以无关于本议题。但是我
要补充:专业人员若不懂得考量社会观感也是不妥当的。
921地震发生过后,其实车笼埔断层再次发生这么强烈地震的可能性已经不高,因为该处
断层已破碎且大地震回归期甚长,但是当初制定规范时台大名誉教授蔡益超老师就有提到
,当地居民经历强震摧残,若采用一般抗震系数则易造成民心恐慌,认为住家不够安全,
我才意识到原来规范的制定不应仅是学理的应用,某种程度上更要符合当地社会人文的期
待。回到本议题有些人"夸饰"表达:说沙拉油桶为装饰柱没问题的人,是专业傲慢!实在
是让人气短,我们很多从业人员仅是就事论事而已,被强带上专业傲慢的说词实在太过,
但转念一想这种做法的确观感不佳,所以我也不认为这是妥善的方法。
这是一个很好的机会让我们思考台湾建筑的走向,像装饰柱用沙拉油桶及外墙磁砖掉落等
问题其实是因应台湾人喜好而生的产物,这就跟我们对新闻的品味造成现在的新闻素质是
相同的道理,不过再扯下去就太远了!
最后国家地震中心其实有提供很好的房屋结构科普教材:耐震安全的家
http://w3.ncree.org/ZH/ITEE_handbook.aspx
若大家对于此议题有兴趣可自行前往阅读!(非常推荐)
除了诸多技师公会已动员鉴定人员前往勘灾外,亦有国家地震工程中心人员前往协助
我这几天广泛的收集资料、消化情报并前往京城银行查看,诸多心得想跟大家分享
希望能够提供建筑结构相关的知识,为这个震灾尽一份心力。也希望各位先进不吝指教。
若有问题也欢迎提问,小弟尽我所学回答!