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建築研究簡訊第100期 《專題報導》

0206花蓮地震建築物震害分析及本所耐震研究成果

壹、前言

本次地震發生於107年2月6日午夜23時50分,震央於臺灣花蓮縣近海,芮氏地震規模為6.0,導致4棟大樓倒塌、17人罹難、近300人受傷。我國現行「建築物耐震設計規範」設計地震之震度為5級或6級(震度5級及6級,其地動加速度分別為80-250 gal及250-400 gal)。而本次地震最大震度7級發生在花蓮市(434 gal)、太魯閣(482 gal)、南澳測站(428 gal),因超出花蓮縣設計地震地表加速度(320 gal),造成花蓮縣建築物發生嚴重的破壞。依據媒體報導統帥飯店、雲門翠堤大樓等4棟建築物的倒塌與毀損,除鄰近米崙斷層外,可能包括軟弱層結構(一樓為大廳或車庫)、老舊建築物以舊有規範水準進行設計、施工品質不良及頂樓違法加蓋等因素所致。

貳、0206花蓮地震建築物震害分析

本次地震造成建築物倒塌者包括統帥飯店、雲門翠堤大樓、吾居吾宿大樓,以及白金雙星大樓等鋼筋混凝土建築。茲據媒體報導資料整理,建築物震害原因樣態主要可能為地震震度過大、鄰近斷層、軟弱層結構、老舊建築,這些因素交織重疊所致,與105年0206臺南地震震害樣態類似。

一、地震震度過大

本次地震最大震度7級發生在花蓮市(434 gal)、太魯閣(482 gal)、南澳測站(428 gal),最大地表加速度顯已大於花蓮縣設計地震地表加速度(320 gal),因此附近建築物遭受破壞。

二、鄰近斷層

依據媒體報導,本次地震統帥飯店、雲門翠堤大樓、吾居吾宿大樓,以及白金雙星大樓等倒塌建築,皆緊鄰米崙斷層,推測斷層經過是造成建築物崩塌的重要原因。

三、軟弱層結構

軟弱層即是因一樓為騎樓或挑高,且牆壁量較其上部樓層少,致其勁度或強度相對於其上一樓層較小,強烈地震時使底層產生大變形而破壞。

四、老舊建築

由於早期建築耐震專業知識與耐震設計技術規定較為不足,鋼筋混凝土建築設計與施工法規,以及配筋韌性要求,不及目前的規範水準,導致耐震能力不足而倒塌。

參、本所研究成果

鑑於105年0206臺南地震震害教訓,本所積極檢討修訂相關建築政策制度、構造規範,以及強化建築耐震評估補強技術,主要研究成果如下:

一、建築政策制度之研訂

因應0206花蓮震災,在緊急優先對策方面,本部營建署已提出供公眾使用建築物強制實施耐震評估、快篩檢出具軟弱層及結構型態有潛在高危險疑慮建築物,必要時實施階段性補強,使能達到大震不倒之目標;在全面性長期對策上,為確保其餘眾多私有建築的耐震安全,本所亦參酌日本相關法規及本部近期相關施策,研擬「既有建築物耐震評估補強促進法(草案)」,做為推動之法令依據,本草案涵蓋以下建議:

1.分類分期實施計畫:主管機關得依建築物耐震能力之脆弱度(如具有軟弱層建築、騎樓及其他平面、立面不平衡之建築物等)、供公眾使用、危險物儲存場所及影響救災避難之建築物進行調查列管,並就列管建築訂定分期分區之耐震評估補強推動計畫。

2.限期實施與罰則:有緊急危險建築物應限期評估補強,否則得依建築法之規定限制使用。

3.容積建蔽率與同意比例放寬:為補強增加之建蔽、容積率予以放寬;緊急危險之區分所有建築物同意比從3/4調降為1/2。

4.獎勵與補助:提供租屋協助、評估補強補助、低利貸款、貸款保證及稅捐減免等措施。

5.資訊公開及標章制度:供公眾使用等建築物資訊應公開,符合耐震標準建築物得給予標章。

此外,經研究分析發現僅將臺北市未經耐震設計老舊建築物補強至符合中震之耐震水準,即可減少8,000棟建築物倒塌,1,600餘人傷亡及730餘億的財務損失;而且震前投入耐震評估補強之成本僅為實際災損的20~30分之1,因此災前投入國家資源進行評估補強工作,是維護居民生命安全、降低社會經濟損失,並促進建築、土木、營建等專業共創防災產業之三贏策略。

二、建築構造規範之修訂

(一)混凝土結構技術規範

本所參考美國ACI 318-14規範,強化預鑄混凝土構材及鋼筋續接器設計與施工內容,並配合近年來我國耐震設計規範與CNS國家標準之修訂情形,研擬可滿足國內混凝土結構安全需求與符合國際技術發展之「混凝土結構技術規範」草案。

本草案主要特色包括:章節內容大幅重組,便於使用者參閱;強化耐震與預鑄構造規定,提升耐震安全及施工品質;調高混凝土最低抗壓強度,增進混凝土耐久性與韌性;納入SD 490鋼筋(鋼筋強度較高)使用,有利於提升施工品質;新增混凝土耐久性要求,落實地球資源永續經營的理念;參考國內研究成果,建立本土性混凝土彈性模數公式。

(二)建築物基礎構造設計規範

針對105年0206臺南地震造成臺南市部分地區產生土壤液化災害,本所修訂現有規範之相關內容,主要包括:(1)液化評估方法,建議採用本土性雙曲線(HBF)法、NCEER(1997)與AIJ(2001)法;(2)增加液化沉陷之評估法;(3)修正液化土質參數折減之相關規定;(4)增訂液化耐震設計章節,使修正後之內容更加完整。

另配合國內工程界慣常使用之工作載重設計法,於各基礎之設計方法中逐步引入性能設計之觀念,對於不同之設計情況(載重),規定分析設計時應考量所設計結構物與基礎之性能需求,針對容許載重與容許位移依設計載重情況作適度之考量與規定,使其逐步走向性能設計化之方向,以因應世界規範發展之潮流。

(三)鋼筋機械式續接性能標準及檢驗規範

完成現行「混凝土結構設計規範」第15.3.6.4節及新版「混凝土結構技術規範」(草案)第18.2.7.1節條文及解說之修訂建議,並新增一節規定鋼筋機械式續接品質檢驗準則,提升鋼筋機械續接之品質管制水準。

本研究成果可提供作為國內每年2400至3000萬個(用於土木工程及建築工程大約各半)鋼筋續接器之品質驗證依據,以保障建築物與公眾生命財產安全。續接器修正草案已送營建署參考。

(四)增訂「建築物耐震設計規範及解說」結構贅餘度規定

國內現行建築物耐震設計規範未訂定結構贅餘度(靜不定度)之規定,然而在臺灣921大地震及0206臺南地震之建築物震災調查結果發現,結構贅餘度之良窳與否,影響中高樓層建物之耐震性能甚鉅,本所研提相關規定建議納入。

(五)開口結構牆剪力強度計算方法

鑒於國內結構設計者於檢核弱層時,因不知如何計算開口結構牆之剪力強度,忽略開口牆體對側向強度之貢獻,而無法合理檢核1、2樓弱層,本所研提開口結構牆剪力強度之計算方法,並已送請營建署納為混凝土結構設計規範之修正。另針對新建築研提「沿街店鋪住宅結構系統耐震設計技術手冊研究(含示範例)」,提供業界使用。

三、建築耐震評估

(一)「鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估平台(PSERCB)」

本所為利於建築師、專業技師執行耐震能力初步評估作業,開發耐震能力初步評估雲端平台輔助工具,供執行「都市危險及老舊建築物加速重建條例」及「住宅性能評估實施辦法」使用,並可藉此彙集國內建築物耐震性能之龐大資訊,做為分析統計之基礎,有助於政府對於建築管理、耐震評估補強施政參考。

(二)增修「鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估平台(PSERCB)」

鑒於目前初評流程未能將結構不規則性、底層梁柱構件強度與韌性及P-△效應(構架二階效應)等加以量化作為評估之具體依據,尤其對既有中高樓層建物有可能影響其評估結果之準確度,建議在PSERCB初評流程有關結構系統之平面對稱性與立面對稱性,可納入結構不規則性量化等級作為評分標準;並將剛重比指標或結構穩定性因子列入評估項目,以適切反映P-△效應(構架二階效應);另外,亦建議將柱構件剪力比指標與強柱弱梁檢核指標列入評估項目,以適切考量梁柱破壞模式之影響。

(三)鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估

隨著國內鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物增加,此類建築物之耐震能力初步評估方法的建立越來越重要。本所建置鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估系統,以因應業界對於此類建築物耐震能力初步評估的需求。

四、建築耐震補強

(一)鋼筋混凝土建築結構耐震補強技術手冊

近十年來補強技術精進及工程實務經驗累積,並配合本部「安家固園計畫」之分工,本所完成近年補強技術資訊與實務案例探討之研究計畫,重新彙編適用民間私有建築之耐震補強技術手冊,增列對具軟弱底層建築補強之特別檢討;另從社會經濟面進行建物補強效益評估,發現除可減少人員傷亡外,其震災損失約為事前補強成本之20倍,適足說明建物評估補強之重要性,因此亦參酌美日規制,進行立法促進私有建築評估補強之可行性研究。

(二)中高樓層建築非韌性RC配筋柱擴柱補強技術

本所參考臺灣屋齡約20年、樓高7樓以上、未滿50公尺之中高樓層RC建築低樓層柱之設計,透過大尺寸結構試驗,提出大樓擴柱配筋細節與設計方法,可用於大樓擴柱之耐震補強,特別是針對低樓層之柱,可加強其抵抗地震之能力,以改善常見大樓低樓層軟弱之問題。

肆、取得專利

一、填充型鋼管混凝土梁柱的接頭結構(發明專利,證書號:I493092)

鋼管混凝土柱可分為組合箱型、矩形及圓形鋼管斷面,組合箱型柱及矩形鋼管推廣應用已行之有年,圓形鋼管混凝土柱則因其與H型鋼梁在梁柱接頭交會區施工不易,應用上受到限制。本所成功研發出以梁翼板貫入梁柱接頭之簡單且方便接合型式,主要是針對圓形鋼管混凝土柱與H型鋼之接合,包含預先以鋼板貫入圓型鋼管與梁接合處並完成銲接,再運至現地與H型鋼接合及灌入混凝土,除可解決施工不便、銲接及灌漿經常發生瑕疵之狀況,並可確保其具有足夠耐震性能。

圖1本所研發填充型鋼管混凝土梁柱接頭結構專利

二、應用於直立柱與開口牆段的鋼筋配置(發明專利,證書號:I563149)

一樓的耐震力不夠,就有可能成為建築「軟腳蝦」!特別是臺灣許多地區常見的沿街店鋪住宅,在一樓沿街方向的牆面有大量開口,當地震來臨時,就有可能產生「軟腳蝦」式的軟弱層破壞,造成建築倒塌與人員之傷亡。為因應沿街店鋪住宅一樓軟弱層的問題,本所提出開口牆之創新鋼筋配置方法。在開口旁牆壁內,以新型鋼筋續接器連接配置交錯的對角鋼筋,另於開口兩側配置特殊圍束鋼筋,提供比傳統鋼筋配置更有效的傳力路徑,大幅增進一樓開口牆的抗震力。

圖2本所研發應用於直立柱與開口牆段鋼筋配置專利

伍、後續工作重點與展望

國內建築法規與建築技術規則參考國內及世界各地地震工程資料與法規,歷經數次修訂,對於建築物之耐震能力已有大幅提昇,並與美、日等先進國家之水準同步;此次震災後,建築相關耐震設計法規與技術規則或尚有檢討改進之處,惟如何從根本上強化專業技師設計、監造與審核之責任,落實營造廠商之施工管理與品質管制,並更正國人任意更動建築物內部結構、隔間與不當使用之行為,以維護建築物耐震能力,當為政府與全體國人未來因應地震發生,減少地震傷亡與財產損失的努力方向。

因本次地震引致花蓮縣統帥飯店、雲門翠堤大樓等多處建築物倒塌造成慘重傷亡,為強化現行建築物審查、勘驗及竣工查驗等制度,借鏡日本在阪神大地震後實施的「中間檢查制度」,避免日後震災再次造成相同傷害,藉由第三公正單位辦理審查、現場勘驗及竣工查驗,以落實三級品管,並確保建築物設計及施工品質,營建署刻正規劃導入第三方專業機構辦理建築審查、施工勘驗與竣工查驗等方向,並據以修正建築法相關條文,本所亦將持續關注後續發展,並提供相關研究成果供參。