觀點投書:老舊建物真的比較危險嗎?

作者指出,無論是921或是這次的花蓮大地震,主要的房屋的傾倒災害,都是發生在發生錯動的斷層附近。而房子蓋在活動斷層旁邊,就算房屋的設計與施工都夠嚴謹,品質良好。也很難確保建築物可以在這種極端狀態下存活。(陳明仁攝)

作者指出,無論是921或是這次的花蓮大地震,主要的房屋的傾倒災害,都是發生在發生錯動的斷層附近。而房子蓋在活動斷層旁邊,就算房屋的設計與施工都夠嚴謹,品質良好。也很難確保建築物可以在這種極端狀態下存活。(陳明仁攝)

花蓮震度七級的強震下  ,所謂的老舊建物卻沒有發生倒塌的案例!這是一件值得研究的事情 。

當我們在說老舊建物的時候 。有一種結構形態普遍的存在於台灣各地 。早期五樓以下的住宅房屋 ,因為不用裝設電梯 。建商為了成本考量 ,大多只會蓋到五樓 。在1980年代以前建造的住宅大多是這種無電梯 ,五層樓以下的房屋 。還有一種是屬於透天的房屋 。這兩種房屋大多是屬於加強磚造的結構形式。跟以純鋼筋混凝土或鋼骨蓋的大樓 ,在結構形式上是不一樣的 。簡單說前者屬於以承重牆為主體 ,較偏向剛性的結構 ,在應對地震力時結構上比較偏向是硬碰硬的方式 。而後者屬於偏柔性跟韌性構造 ,以房屋結構具有相當的柔軟度跟變形量的韌性 ,來對抗地震力的傷害。兩者的設計方法並不一樣 。

加強磚造建築 ,僅以鋼筋混凝土來作為樑跟柱子的材料 ,通常樑與柱的尺寸不會很大 ,裡頭的鋼筋量也比純鋼筋混凝土的房屋少 。其以約24公分厚度的紅磚牆做為外牆 ,並且鑲嵌在房屋外周的樑與柱形成的框架內 ,使紅磚與鋼筋混凝土連成一體 ,在工程技術相對落後的古早時代 ,那算是一種經濟實惠的建築形式 。結構力學上 ,主要以紅磚牆來當作承重牆 ,承載房屋的重量以及對抗地震力 。雖然它們都是在耐震法規還很落後的年代所設計跟建造的建築物 。但是也因為當年設計分析的科技並不普遍 ,許多都是以經驗值來設計跟施工 。其房屋結構真正能夠抵抗多大的地震力 ,其實少有人去研究 。

這一大批的房屋現在被稱為老舊建物 。雖然鋼筋混凝土在工程學理上有大約50以上的生命周期 。但是當年的紅磚普遍品質較好 ,強度也很高 。加上混凝土幾乎都是採用天然鵝卵石跟純水泥以及天然河砂攪拌 ,然後以人工搗實所建造的 ,如果不是有海砂影響的話 ,結構材料的強度應該還不算差。結構上比較偏剛性構造的承重牆系統 ,只要外牆沒有太大的改造 (尤其最怕一樓的磚牆被打掉 ),結構強度應該還是具有相當可靠度的 。

20180208-總統蔡英文8日來到花蓮慰問災民,與災民一同用餐。(取自蔡英文臉書)
花蓮地震。(取自蔡英文臉書)

筆者本來也認為老舊的加強磚造建築很脆弱 ,但是經過了花蓮地震後 ,開始懷疑這個假設 。事實上鋼筋混凝土的大樓跟古早時期蓋的加強磚造建築是兩種截然不同的結構形式 ,根本不應該用同一種韌性構造的觀念與標準來評估 。另外 ,地質特性、地震的震度(搖晃劇烈程度)跟他震動的時間長短 ,以及房屋結構本身的特性跟品質之間 。存在著複雜的關係 ,房屋安不安全的問題 。實在不宜以所有早期蓋的房子都不安全的說法來嚇唬人 。至少這次花蓮地震顯示出來的事實經驗不是如此 。

至於台北有沒有可能發生像花蓮那樣震度七級以上的震度或是超過400cm/sec2的地表加速度 。筆者認為 ,在以黏土層為主的台北盆地 ,那樣的震度幾乎是不可想像的 。事實上有記錄以來 ,台北盆地也沒出現過五級以上的震度(地表加速度80cm/sec2以上)。其實台北盆地的地質條件 ,很難出現像花蓮這麼大的震度(地表加速度)。為什麼 ?

以七級震度的下限 ,400cm/sec2來推算好了 。台北盆地的工址震動周期約1.6秒 ,而單向震動是一半的時間約0.8秒 。在這種加速度下 ,地表擺動的幅度高達0.5*400*0.8*0*8=128cm。這幾乎是不可想像的 !黏土本身是很大的阻尼 。地震波透過岩盤傳遞 ,作用在厚度數十公尺的黏土地層上 。黏土本身就會有吸收能量 ,讓地震波衰減的作用 。只是這黏土層會像是豆腐果凍一般 ,不停的來回震盪 ,然後震度會隨時間衰減 。

台北的地震特性是震動時間很長 。以這次花蓮為例 ,主震才震了十秒左右 ,而台北盆地卻震了一分鐘以上 。加強磚造的房屋是類似剛體的結構 ,怕的其實是高震度的地震(花蓮矮房子沒倒是因為時間很短) 。而台北怕的是長時間中高震度的震動 ,尤其是高樓層的樓房。因為地層反覆的來回震動可能會引發建築的共振效應 ,而破壞建築結構 ,而低樓層的老建物因為震動周期很短 ,根本不會發生共振 。較小的地表加速度 ,也不容易對低樓層建物發生損害 。

這不表示老公寓一定安全 ,但至少老建物不一定比新建物危險多少 。個案還是要看建物本身的結構狀態以及地震的強度與延時 。

地震力是一種慣性力 ,依照牛頓定律 :

地震力=房屋的質量*地表加速度

20180207-花蓮,震後影響即景,0206花蓮地震 ,年節,觀光,住宿,地方特產,交通。接近災區的民宿,只是路面破裂,但生意大受影響,門外斷耳的迎賓兔孤立著。(陳明仁攝)
0206花蓮地震 。(陳明仁攝)

地震力造成的結構破壞 ,又跟地盤的震動周期以及房屋本身的振動周期有關 。簡單說 ,地盤的震動周期因地而不同 。而房屋的振動周期跟結構有關 。一般而言 ,樓層愈高周期愈長 ,反之 ,周期愈短 !而可怕的共振就是發生在地盤的震動周期與房屋的振動周期一致的現象 !(註:周期是指像老時鐘的擺錘一樣 ,擺錘來回一次的時間稱為周期)

當大家在談地震災害時 ,多半只有談到震度(地表加速度) 或規模(其實規模對地震災害來講最沒意義) ,其實真正的殺手級的地震是 ,很高的地表加速度加上很長的延時 ,加上形成共振。當年的921也是七級震度 ,但是震動時間長達一分鐘以上。中部地盤的特性是震動周期較短 ,低樓層的房屋較容易形成共振。倒塌的數千棟房屋即是以低矮的建築物為主 。而這次花蓮也是屬於地盤震動周期較短的地區 。只倒四棟大樓 。嚴格來說算是幸運的了 ,要是地震再延長個數十秒 ,那後果幾乎是不可想像的 !

另外 ,低矮的房屋因為基礎比較淺 ,在砂土質地盤區域 。因為地震而引發的土壤液化才是比較可能的殺手 。只是這一類的房屋損壞跟直接被地震力擊倒的房屋損壞不同 。土壤液化會造成地基下陷 ,房屋傾斜或其他破壞 。而結構本身卻有可能不會有很大的損壞 ,對人命的威脅也比較小一些 !

至於大家都常聽到的軟腳蝦建築,就是那種一、二樓挑高而缺少牆壁的大樓。在這次花蓮的地震受災的大樓裡。軟腳蝦建築被指為元凶。然而,真的是因為一樓跟二樓沒有牆才造成建築物倒塌嗎?這在工程學上是值得商榷的。前面說過,現代的大樓結構設計是採用以樑柱框架式的非承重牆結構系統來作為大樓的結構主體。除了部分專門設計來讓大樓的側向變形量不致於太大或是增加抵抗地震力的剪力牆以外。其他的剛性的鋼筋混凝土牆,都不應該出現在樑柱的框架之中,結構設計追求的是大樓整體由下到頂,彈性的均勻度以及在遭逢極大地震而導致結構受損時 ,可以讓結構不會發生脆性的立即性斷裂或倒塌 ,讓人員可以在災害來臨時 ,尚能有充分的時間逃生 。此部分的性能稱之為韌性。當結構的彈性夠均勻時。地震來的時候,整棟大樓能夠用到每一個樑柱接頭的變形來吸收地震的能量。而如果其中出現了多餘的剛性牆版,那會束制住樑柱框架在地震來臨時的變形 ,而形成結構本身受力不均勻的現象。

2018-02-08-花蓮地震,雲門翠堤大樓救援現場,近午時尋獲一名受困者送醫。(陳明仁攝)
花蓮地震,雲門翠堤大樓救援現場。(陳明仁攝)

以統帥大樓為例。結構系統上 ,一樓二樓牆體明顯少於三樓以上 ,彈性不均勻的情況很嚴重 。因為三樓以上的樑柱可能因為牆體而無法完全自由的變形 。那會讓大部分地震傳遞到結構上的能量,集中由低樓層的柱子承擔。軟腳蝦建築會容易倒,正是這種上面硬,下面軟的結構型態所造成的。解決的方法應該是回歸到結構工程學上的基本原理。讓該軟的上部結構軟,而不是在低樓層增加很多樑柱之間的牆壁。那種建築就類似柯比意的現代建築,將大樓外牆作在邊柱的外側。讓外牆遠離柱子跟主樑。因為樑柱都在室內。建築立面上會看不到樑柱。

可是,這樣做會形成在室內的空間裡出現「過樑」。而這樣設計的結果,又會形成風水學上的「壓樑煞」。這種建築相對較安全的產品,反而難以被社會大眾接受。而這也是典型的風水與科學衝突後,反而害到相信風水的人的例子。

最後,無論是921或是這次的花蓮大地震,主要的房屋的傾倒災害,都是在發生錯動的斷層附近。而房子蓋在活動斷層旁邊,就算房屋的設計與施工都夠嚴謹,品質良好。也很難確保建築物可以在這種極端狀態下存活。

就這次的大地震,為了未來,應該要做的重要事情。筆者認為有兩件事。一是徹底調查活斷層周邊的房屋量,到底有多少?那才是真正危險的房屋 ,無論新舊。第二,趁著災害剛剛發生,內政部營建署,應該快速的開始調查災區附近房屋的現況,收集房屋抗震性能的資料,以做為將來評估老舊房屋耐震能力評估更為準確的依據。在這麼大的地震裡,房屋倒塌的原因固然重要。然而既存的較早期蓋的 ,沒有精細設計也沒有存在設計圖的房屋,為什麼不會倒?也是一件值得研究的問題?

參考資料 柯比意 薩伏瓦別墅

*作者為土木技師

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