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921大地震房屋倒塌研究分析-結構設計6問題

一、結構設計方面的主要六大問題

1、結構平面不規則

規則性建築的平面形狀可為方形、矩形或圓形。一棟方形或矩形的建築若僅具有輕微的凸角時,仍可視為大致規則的建築結構系統,但若凸角的尺寸過長、過大時,則應視為建築結構平面不規則。
因為這類具有較大、較長凸角建築,當遇到地震時會與結構平面規則建築的地震反應大不相同。當地震來臨時,結構平面不規則的建築會造成更大的額外扭力及伴隨而來的應力集中問題。且將改變房屋各個柱子所受的側力分佈,而導致房屋扭轉在轉角處形成集中應力容易造成破壞,因此我們將這類建築歸類為平面不規則結構(如下三張示意圖)。故在建築結構設計時,必須將凸角長度降至規定的範圍內,或做特別的加強設計,來克服不規則平面的建築,特別會有的扭轉及應力集中的問題。

▲ㄇ型2D示意圖


▲ T型2D示意圖


▲ L型2D示意圖


▲ 921大地震L型結構系統局部拆除後,剩下部分平面規則建築受損輕微。


▲ L型建築物角隅處之樓版易因應力集中而龜裂。

2、結構立面不規則

在921地震損毀的房屋中,發現房屋結構配置不良的不規則性結構,是致使房屋結構發生破壞的主要原因。房屋若結構具立面不規則性,在地震來襲時,各層樓震動後所導致的樓層側向力,會與平常靜止狀況有明顯的差異,所以房屋結構屬立面不規則時,就更必須以特別的動態分析進行規劃設計,以確保建物結構安全。

3、柱子太少

以房屋的結構設計而言,最簡單的傳遞力量途徑就是最好的傳遞力量途徑。當地震來襲時,房屋所承受之地震力的傳遞途徑是先由柱子傳到大樑,再由大樑傳至小樑,最後由小樑傳至樓版,因此,柱子可說是房屋中最重要的抗震結構體。在「遇到強震,即使損毀,也不立即崩塌」,這是房屋結構設計的最高指導原則。就是說明就算是遇到強震時,也要儘可能做到柱子絕對不能崩塌,或至少也要延緩崩塌的時間,讓住在房屋裡面的人有足夠的時間逃生。


▲ 921大地震,台中霧寮一大廈因柱太少,造成一樓前半部倒塌。

在921大地震中,有許多倒塌案例均有柱子太少及柱子間距過大的缺失,其中大多是1排2支柱子,而柱子與柱子間的距離甚至長達十公尺以上的情形。很顯然在原始的房屋設計中,為了增加使用空間而犧牲了房屋的結構安全。這種在設計之初,如果沒有作特別加強設計與補強,將使房屋存在於受地震損毀的高風險中。在大地震來襲時,若1排只有2支柱子,1支柱子損毀了,往往就很容易拖垮僅存的另1支柱子,那整棟房子當然就跟著垮了;但若1排3支柱子,就算是1支柱子損毀了,剩餘的2支柱子,往往還可以將那整棟房子撐起,就大大降低強震來襲時生命財產遭受威脅的風險。所以,在充分利用房屋空間使用設計及美學觀感設計的同時,如何將柱子至少保有1排3支柱子的規劃,建議也應該儘可能用心一併考慮及配置,以確保建築之安全。


▲ 1排2支柱:其中1支柱子損毀,容易拖垮僅存的另1支柱子。


▲ 1排3支柱:1支柱子損毀,剩餘的2支柱子,可以將整棟房子撐起。

4、軟弱層問題

A、軟層

許多大樓在一樓處,常採挑高的開放空間設計,甚至為了視覺美觀,將許多協助柱子側向力的大樑拿掉,在柱子太高、而樑及牆面數量不足的情況下,形成軟層。當地震來襲時,在一樓的柱承受最大的壓力,而其強度不足,又沒有因應加強的措施情況下,會造成一樓柱子嚴重破壞且崩塌的危險。因此在921大地震過後,建築法規對此類建築已要求設計時要特別檢討,以確保其建築結構安全。


▲ 軟層現象-一樓柱子嚴重破壞相片。

B、弱層

房屋若其某一樓層的高度較上下相鄰的樓層高出許多,則該層的強度會因高度的增加而減小,或是某一樓層的牆面較上下相鄰的樓層少了許多,則該層的強度會因牆面的減少而變弱,在房屋結構規劃設計時,無法或沒有增強該層強度以達與相鄰的樓層相當時,該樓層形成弱層,當強震來襲時,就存在著損壞的風險。


▲ 軟樓的三樓因牆量和上下層差異過多,承受不住地震的震力,因此塌陷下來。

5、短柱效應

有些房屋為了採光關係,而在柱子兩側開窗,柱子下端則有窗台與柱連結一起,柱子上端則僅有窗框頂著,窗框的強度遠低於窗台,無形的柱子長度就像變短了,承載剪力範圍縮小,與原規劃設計分析範圍不同,形成短柱效應。當地震來時,柱子和窗台間就容易產生剪力破壞,並出現X字型裂縫。


▲ 短柱剪力破壞。

6、短樑效應

房屋因為樑的跨度太短或在樑的下方局部設置牆,下方有牆的樑強度提高,相反的,沒有設置牆的位置如門上的樑,則會因為地震發生時,力量集中在短樑上,造成樑的破壞,形成短樑效應。


▲ 非結構性間隔牆造成短樑型式。

二、書籍介紹

真正的好宅、豪宅不僅是擁有建築外觀的美學,
更需要重視的是〜結構安全!
作者戴雲發,在建築業界鑽研二十餘年,
經歷921大地震的震撼洗禮,
以「看不見的地方才更重要」的信念,
針對每個環節改良結構安全性,研發更有效率的系統工法,
期許推動業界建築品質進化提昇。

本文出自《挑房FOLLOW ME!-好宅應該內外兼具-戴雲發教你挑選安全耐震的好宅

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