我家房子怎幺耐震!(I) (谈传统耐震设计概念)

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地震是大地的震动,在空旷区域产生强烈地震,并不致引起严重伤亡,假若于邻近都市城镇人口集中区域发生地震,建筑物倒塌将造成严重死伤。世界各地的地震灾害造成严重伤亡的事件如南亚海啸、日本311地震,加上台湾地区地震频繁,民众对于自身所居住建筑物的耐震能力越来越关心。

关于台湾建筑物的耐震能力规定,由内政部营建署所制定《建筑物耐震设计规範》,为招集国内地震工程专家,进行研究、讨论及修订,作为建筑物耐震设计的準则。该规範对新建建筑物的设计目标,至少要能达到「小震不坏、中震可修、大震不倒」的耐震标準,具体说明如图 1:

我家房子怎幺耐震!(I) (谈传统耐震设计概念)

图 1 耐震规範对新建建筑物的设计目标 (图片来源:《安全耐震的家–认识地震工程》,第五章)

传统的耐震设计利用规範的流程,依建筑物的资讯(楼层高、建筑物重量、地理位置…等),计算建筑物所需的「最小设计地震力」,进而设计此建筑物的结构体(如樑、柱)。

至于结构物要如何做到「小震不坏、中震可修、大震不倒」的耐震标準,主要核心为「韧性」的观念。「韧性」为结构体利用自身的变形来抵销地震的能量。韧性佳的结构物在遭遇超过弹性限度的地震力作用下,虽然会有损伤及明显的变形,但仍能抵抗一定程度的地震力而不倒塌;韧性差的结构物一旦地震力超过自身的弹性限度,就非常容易产生突然的破坏,甚至倒塌。另外,房屋建筑耐震设计多採「强柱弱梁」的观念,使结构形成较有利的破坏机制,来达到上述所提的耐震标準。因为楼版与梁所承受之载重会透过柱子往基础传递,一旦柱(尤其是越低楼层的柱)破坏,其影响範围远超过梁破坏。

如何确保建筑结构的韧性,除了遵循规範的建议有良好的设计之外,施工细节亦非常重要。以钢筋混凝土结构断面的箍筋及繫筋作说明,图 2所示为一柱子未浇灌混凝土前的钢筋笼,图 3为正确钢筋绑扎细节之柱断面横剖面示意图,图 4则为一不符合要求的柱断面横剖面示意图。

图中红色圆点为沿着柱子纵向的主要钢筋,蓝色与黄色部分分别代表箍筋及繫筋,箍筋内部的混凝土称为核心混凝土,外部的混凝土则称为保护层。由图 3可知正确的细部施工,箍筋及繫筋皆须施做的弯钩,将弯钩嵌入核心混凝土中。若贪图一时方便而如图 4施做,当地震来袭,保护层混凝土将脱落而使箍筋外露鬆脱,主筋失去箍筋,又无繫筋的侧向支承,将会很快被压弯曲,核心混凝土失去箍筋的围束,强度也将大大降低。只是简单的弯钩角度,竟严重的影响了整根柱子的耐震能力。基于同样的道理,规範也规定了箍筋摆放的间距。理论上箍筋间距越小,对于核心混拟土的围束效果越好,防止主筋侧向弯曲的能力也越好,但实务上也需考虑过度密集的箍筋会防碍混拟土浇注时的流动性,反而可能造成不良影响。

我家房子怎幺耐震!(I) (谈传统耐震设计概念)

图 2箍筋(图片来源:IDEERS网站)

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图 3正确的箍筋与繫筋绑扎(图片来源:《安全耐震的家–认识地震工程》,第四章)

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图 4 不良的箍筋绑扎(图片来源:《安全耐震的家–认识地震工程》,第四章)

传统耐震设计以韧性对抗地震,但韧性虽能使结构物不至于倒塌,严重的变形往往使结构物原本之功能性无法维持。例如医院在地震后虽然没有倒塌,但可能因墙壁的严重损坏,内部管线与天花板之损毁而需经长时间之修缮后,方能使用,无法立即在地震后收容伤患。随着科技日新月异,土木业发展出减震建筑及隔震建筑,能降低结构及设备物的损坏程度,保存建物之功能性。请见另文「我家的房子怎幺耐震II」之介绍。


参考资料

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