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隔震建築 台灣發展方向

2016-07-29 08:57:44經濟日報 吳志強(永安結構技師事務所負責人、結構技師)

在提到「耐震能力」之前,先要對幾個地震名詞做個簡單說明。「芮氏地震規模M」是地震(釋放)能量E的一個量度,E正比於101.5M,地震規模每增加1,地震能量約是32倍 (101.5倍),例如M=7.3的地震能量約為M=6.3的32倍。

當一個地震規模M很大時,只要離該地震足夠遠,也可以不受它的影響,比起地震規模M,當地震波傳到建築物所在地點時,地表搖晃程度的大小對建築物是否會受損或崩塌是更重要的影響因素,「震度(seismic intensity)」即使這樣的指標,通常以「地表加速度」大小來表示,各國也常將震度予以分級,將某一範圍的震度劃分在某一個「震度分級」內,台灣的震度分級從0至7,與日本氣象廳大致相同,當地震震度分級達3或4級時,建築物內的人通常就會感到不安。

隔震建築是台灣未來可發展的方向。 圖/報系資料照
隔震建築是台灣未來可發展的方向。 圖/報系資料照

傳統耐震 建物確保小震不壞

在說明或評估耐震能力相關時,「震度分級」稍顯粗略,以地表加速度的大小來表示會較為精細,在台灣常用gal(=cm/s2)或重力加速度g)≒981gal)來表示。921地震時,北台灣大部分區域的震度分級都在4級,少部分區域達震度分級5-(約在100gal或0.1g左右)。

目前絕大多數的建築物都屬於「傳統耐震建築」,靠「強度」與「韌性」扺抗地震,當地震未超過「中小度地震」(PGA≒0.07g,震度分級為4級,地震迴歸期約為30年,50年之內發生大於此震度的地震機率約為80%)時,建築物結構不會產生任何裂損,有人稱之為「小震不壞」。

當地震超過中小度地震但未超過「設計地震」(PGA=0.24g ,震度分級為5級,地震迴歸期約475年,50年之內超越機率約10%)時,中低樓層的牆壁及梁開始產生裂損及變形,隨著地震變大,裂損及變形範圍會向中高樓層擴散,裂損寬度及長度也會增加,部分1樓柱底也可能產生裂損及變形,有人稱之為「中震可修」。「傳統耐震建築」的「耐震能力」,即是指結構設計時「設計地震」對應的震度PGA。

當地震超過設計地震但未超過「最大考量地震」(PGA=0.32g,震度分級為6級,地震迴歸期約2500年,50年之內超越機率約2%)時,牆壁及梁的裂損及變形更加擴大,1樓柱底多數也產生裂損及變形,但建築物維持不能倒塌,以讓建築物內的人能夠逃生,有人稱之為「大震不倒」。

因為規範的震區劃分因素,不同鄉鎮市區的「中小度地震」、「設計地震」及「最大考量地震」對應的震度PGA及震度分級可能不同(花蓮、台東地區的對應PGA值就屬於較高震區),但超越機率都是一樣的。

如果讓梁柱又粗又強壯,確實可以提升耐震能力,讓建築物在更大的地震時不倒塌,但是有以下2個問題:一是可居住性不佳,硬碰硬的結果是地震時室內的加速度反應過大,家具、家電及人會傾倒及滑動,人可能會因碰撞家具、家電及牆壁而傷亡;二是過大的梁柱會減少室內空間的可使用性。實際上這樣的建築物少之又少。

現在我們有「隔震」建築這個選項,日本稱為「免震」建築,在1994年美國洛山磯北嶺地震及1995年日本阪神大地震實證隔震建築可以同時大幅提升耐震能力且兼顧可居住性後,隔震建築開始成長發展,目前以日本及中國大陸的數量最多。地震時建築物所受的地震力大小Vbase大致上是與其「自然振動周期Tn」成反比,隔震建築可以容易的將Tn變成原來傳統耐震建築的2倍以上(Vbase變50%以下),在地震侵襲時緩慢搖晃,這是隔震建築可以降低建築物所受地震力的最大關鍵因素,其原理為在隔震建築配置「隔震層」,柱子下方配置「隔震支承(seismic isolator)」,隔震層內另視個案特性及需要有可能會再配置其他隔制震及抗風設備 (在此與隔震支承合稱為「隔震系統」),隔震系統的持性或要求如下:

1.隔震支承必須具有柔軟的水平勁度及變形能力,使建築物的Tn可以變長,同時在大的水平變位下仍具有安全承載建築結構重量及載重能力。2.隔震系統需具有自我回復能力,在地震過後使隔震建築大致回到原來位置。3.隔震系統需具有阻尼消能功能(damping function),使隔震層側位移不致過大,且可進一步降低建築物所受的地震力。4.隔震系統需有安全扺抗颱風侵襲的力量。

隔震設備 建築安全標準提升

能分別滿足上述1至4項其中1項或2項的隔制震設備種類不止一種,但「鉛心積層橡膠支承(LRB,Lead Rubber Bearing)」常可一次滿足上述1至4項的需求而成為日本、中國大陸及台灣隔震建築的主流,整個隔震層常可以只配置LRB,有時也會視結構系統特性常搭配滑動支承(slide bearing)及隔震層專用大衝程阻尼器(damper)及其他隔制震設備。

一個傳統耐震建築的設計,如改為隔震建築設計,假定隔震後其周期Tn變為原來的2.5倍,則建築物所受的地震力大小Vbase會大約變成原來的40%,又因隔震系統有阻尼消能功能,可進一步再降低地震力Vbase至原來的30%甚至再更低些,這表示隔震建築可由原來傳統耐震建築的「小震不壞」大幅提升到「中震不壞」,且地震時的加速度反應也變低,除了保障結構安全外,也保障室內家具等重要設備及人員的安全。在「設計地震時」隔震建築結構保持彈性沒有裂損也是建築物耐震設計規範的規定,亦即在設計規範的層面上,隔震建築的安全標準是遠高於傳統耐震建築。

看完以上比較,當然大家都會希望住在隔震建築裡,但是因為有隔震建築設計經驗或能力的建築師及結構技師很少,隔震建築的成本平均又比傳統耐震建築每坪至少多1、2萬元以上,再加上多數民眾對隔震建築不太了解,因此,目前在台灣隔震建築的數量並不多,非正式的推估在140個左右。希望當大眾對隔震建築的安全性及可居住性有更多了解後,可以促成台灣隔震建築的成長與發展。

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