2019年3月28日

與地牛翻身的對抗賽

洪崇展/成功大學土木工程學系教授,研究新型混凝土材料與結構,發展有效結構修復與補強方法,提升災害下之安全。
胡福堯/2017年於成大土木工程學系取得碩士學位,目前任職於土木工程相關單位。
顏誠皜/2018年於成大土木工程學系取得碩士學位,目前任職於土木工程相關單位。

(該圖片由Angelo Giordano在Pixabay發布)

大地震往往會造成嚴重的災害,而災害可區分為直接性與間接性。直接災害包含山崩、地陷、岩層液化、海嘯與地面斷裂;間接性災害則因地震,造成管線破裂、火災與水庫壩體遭受破壞而引發的洪災等,在強烈地表振動下,使建築物毀損、橋梁斷裂與道路坍方也屬此類。另外,當斷層產生錯動時,若建築物正好跨越斷層帶會受到強烈的拉扯作用(圖一),造成嚴重的扭曲或斷裂,建築物倒塌或受損的風險提高。臺灣處於地震帶,大小地震不斷,因此建築在抗震議題格外重要。

圖一:近斷層效應。(國家地震工程研究中心)

地震對建築物的反應——
搖晃程度取決於週期與阻尼
週期是建築物的重要特徵,如同物體受外力會產生規律的反覆運動,建築物本身亦存在自然振動模式,而來回運動一次所需要的時間稱為自然振動週期。不同的建築物有不同的週期,工程師可藉由建築物週期大小推算地震來臨時,房屋受到的地震衝擊力。影響週期的要素則有結構設計、營建材料及樓高等。

一般建築結構,越寬矮的建築物週期越小,反之週期越大。規則型樓房的自然振動週期,約為樓層數1∕10,如10層樓高的建築,自然振動週期約為1秒。但地震並不會只以單一的週期發生,而是許多不同頻率組合的寬頻運動,至於每種頻率含量比重,每次地震皆不相同,但會存在主要的振動頻率。若是地震的主要振動週期接近1秒,則對10層樓高的建築物產生共振效應,可能會有較大程度的搖晃,而對20層的大樓,搖晃程度則可能較小。

結構系統受外力作用下,為保持其慣性,系統會產生相應力量阻止運動,此現象稱之為阻尼(damping)。一般而言,阻尼的力量方向會與運動方向相反,力量大小則與物體運動的速度成正相關,但不一定是正比。在地震作用下,藉由梁、柱、牆、樓板及非結構元件,利用本身反覆的彈塑性變形,抵銷地震能量,這種房屋本身的基本消能機制稱為結構物的固有阻尼。利用阻尼比,可描述結構系統在受到擾動後振盪及衰減的情形,阻尼比越高,即建築物可消散能量多,結構地震反應小。

建築結構物抵抗外力的機制——
建築結構物的類型
臺灣常見的建築結構分別為鋼筋混凝土結構、鋼結構及鋼骨鋼筋混凝土結構(圖二)。

圖二:不同建築結構物的類型之外觀,鋼筋混凝土結構(左);鋼結構(中);鋼骨鋼筋混凝土結構(右)。(國家地震工程研究中心)

鋼筋混凝土結構為利用鋼筋與混凝土為材料,建構梁、柱、版與牆的建築結構,臺灣的建築物約有90%以上屬於此類,其抗震機制為鋼筋與核心混凝土消化地震能量。鋼筋混凝土建築是最傳統也是業界施工技術最純熟的工法。因其混凝土佔較大比例,剛性較大,地震來襲時之搖晃位移量較小,故屬較剛硬的結構性質。

鋼結構的主體為鋼骨,多為辦公大樓。施工過程是將鋼鐵廠預先鑄造完成的型鋼運送至工地現場,再以螺栓與焊接等方式接合。鋼材的強度相對重量的比值大、韌性佳,建築相對輕盈,適合建造高樓或超高樓建築。但也因結構輕盈,且阻尼相對鋼筋混凝土構造較小,遭遇強風時容易搖晃,位於高樓的人易感不適。

為了兼顧高樓的耐震與舒適性,結合鋼筋混凝土與鋼骨建材,梁柱中間以鋼骨支撐,兼具純鋼骨與鋼筋混凝土的優點,屬於鋼骨鋼筋混凝土建築。然而,其設計與施工上較另外2種構造更為複雜,技術層面較高,品管要求需更嚴謹。

一般的建築物適合採用鋼筋混凝土結構,但超高層建築則採用鋼骨鋼筋混凝土或鋼結構,因鋼骨材料強度高,總體鋼材斷面積大,可減少梁柱斷面尺寸大小,增加整體內部使用空間。然而,若採用此混凝土材料做設計時,其結構斷面尺寸可與鋼骨鋼筋混凝土結構並駕齊驅。無論如何,建築結構物都需面臨地震作用下的抗震議題,依據現行耐震設計規範是以「小震不壞、中震可修、大震不倒」為基本原則,只要依據此規範設計,並且具有良好的施工品質下,3種結構皆能具有相同的耐震能力。

如何增加結構物的耐震能力
一般人認為現行耐震設計規範所設計的建築物,在受到地震侵襲下需完全無損傷,才為良好的耐震設計,若有發生損傷,則是因設計或施工上不良所導致。然而,這是錯誤的觀念,若要求建築物遭遇大地震毫無損傷,會造成建築經費與材料的浪費,亦因梁柱斷面增加,將減少建築實際利用空間。地震發生時,現行耐震規範下,建築物的耐震能力為震度5的中地震時,每層樓間變位角〔註一〕控制在1∕200以下,結構體只受到輕微損傷;震度6的大地震時,每層樓間變位可容許為中地震的2倍以上,但建築物不可倒塌的設計原則。

提升建物之抗震能力,可分為「內-改善建物體質」與「外-攜帶耐震機具」,使建築物在遭受到強烈地震侵襲時,增加結構安全性並減低建築物的劇烈晃動。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第592期】

〔註一〕樓層間變位角為結構物損害程度的衡量參考。

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