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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一○五年五月二十八日

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本期主筆:鄧勝軒
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文字記者:許素梅

維冠金龍大樓倒塌模式探討

陳正平技師

前言

2016年2月6日上午357凌晨,高雄美濃地震發生芮氏規模6.4強震,地震深度16.7公里,全台都有感,南台灣也陸續傳出災情,其中台南市新化震度7級為最大,台南市為5級。台南市區災情最為慘重,可能是地盤「場址共振效應,造成台南有多處大樓倒塌,包括歸仁區大仁街與信義北路路口的幸福大樓、台南市永康區永大路2139號的維冠金龍大樓等。據台南市應變中心資料彙整,總計約有16件建築物倒塌,造成多人死傷、數百人無家可歸

台南多個地區位處平原、土層軟弱,所以搖晃時間比較久,依據氣象局永康 (TAI1) 測站資訊,永康地區的最大地表加速度,Z max44.98 galNS max105.16 galEW max148.34 gal[1]]東西向最大地表加速度148.34 gal僅達五級震度 (80~250 gal) 的中間值,卻造成位於台南市永康區永大路的維冠金龍大樓向東倒塌,整棟呈90度轉折,橫躺在永大路二段上(見圖1),災情最為慘重。

經過救災單位連日搜索,最終在2016218日該大樓確定死亡人數達115[1], 生還者175人,其中96人受傷,超越了於1999921日倒塌的東星大樓87人死亡),成為臺灣史上因單一建築物倒塌而造成傷亡最慘重的災難事件。救災單位亦不眠不休,不顧自身安危,積極搶救長達8天實在令人敬佩。土木技師公會及結構技師公會亦派員長駐災區發揮專業知識及技術,提供災區救災環境安全性評估研判、建議安全有效的救難途徑等,協助救難人員救災,對土木、結構技師的社會形象大幅提升。

依據民國10547日,臺南地檢署,偵辦維冠金龍大樓倒塌相關案件,偵結新聞稿指出:臺南地檢署就臺南市永康區「維冠金龍大樓」倒塌,造成115人死亡,多人受傷事件,經將該棟大樓倒塌原因,委託專業單位鑑定完畢,於刑事責任部分之調查偵查終結。

起訴事實有關結構安全部分主要之認定,略以:梁、柱配筋詳圖應按照結構計算書草圖繪製,竟然偷工減料及增加樓版面積,未按照結構計算書之配筋表(柱配筋表、梁配筋表等),擅自減少梁柱接頭配筋量及縮減部分柱斷面尺寸、改變部分梁柱接合情形,以致影響維冠金龍大樓結構安全;未有建築師審核該棟大樓之建築設計相關圖說;未依圖說施工, 7號以上鋼筋,Fy4200公斤/平方公分之高拉力鋼筋,僅採用2800公斤/平方公分之中拉力鋼筋,使主筋鋼筋拉力強度不足設計值約三分之一,約等同鋼筋數量不足三分之一;梁柱接頭未按圖施作箍筋及梁主筋無足夠錨定長度,造成建築物倒塌後無法維持矩型構架;鋼筋續接器品質不合格,或鋼筋續接施工不當;於計算維冠金龍大樓建築物靜載重(W)時,漏未計入柱、梁重量之結果,使建築物靜載重(W)至少不足約44.3%,致原設計之地震橫力約減少16.3%,造成柱、梁構材設計強度不足,以致斷面尺寸及所配鋼筋量顯然減少甚多,且於建模時將所有柱之長、寬與圖面之長、寬顛倒,大幅降低建築物所能抵抗之地震力;鋼筋續接器,續接位置均於同一斷面;未依圖說施作梁柱接頭箍筋,梁主筋錨定長度不足等缺失,致建築物耐震強度、韌性均再次降低。使「維冠金龍大樓」於本次美濃地震時,因前揭錯誤導致維冠金龍大樓之耐震強度、韌性不足而快速倒塌,且因有未施作梁柱接頭、梁主筋錨定長度不足之缺失,造成建築物無法維持完整結構崩毀,使住戶易受困其中難以逃生,致生此次嚴重傷亡之結果。

臺南地檢署就臺南市永康區「維冠金龍大樓」倒塌起訴書內容,讀者可對維冠金龍大樓之結構設計與施工之品質缺失,獲得進一步的瞭解。筆者於大年初一趁倒塌大樓尚未拆除前,赴現場了解建築物結構破壞模式,探討倒塌原因,並於技師報1003期提出「維冠金龍大樓倒塌原因初探」一文,供工程界記取慘痛教訓,不要再重踏覆轍。今再依維冠金龍大樓倒塌後之樣態,探討可能之倒塌模式與倒塌原因,不當之處亦請工程先進不吝指正。

倒塌後之樣態

「維冠金龍大樓」倒塌,現場沒有監視設備留下倒場瞬間之影像,唯一剩下的倒塌後,橫躺在永大路上之樣態 (見圖1) 目前亦已拆除。維冠金龍大樓倒塌後之樣態非常特別,很像「魚骨」之形狀[3]。要往回推測維冠金龍大樓倒塌之模式,首先要推測是什麼力量,大到可將第一跨之梁由外柱位置往上推擠,將各層梁往上彎折(由南側往北看是反時鐘方向)。又是什麼力量可將第二跨由第三根柱往上推擠(由南側往北看是順時鐘方向),而倒成魚骨之形狀。由維冠金龍大樓倒塌之樣態,有許多疑問必須先一一釐清,才能找出合理之倒塌模式及倒塌原因。

筆者在技師報第1003期探討可能之倒塌原因,由現場觀察到之破壞現象,其中與「魚骨」之形狀有關之破壞現象有:建築物從一樓柱斷裂,整體倒向東側永大路二段馬路上,倒塌後各層梁柱接頭已呈接近45度轉折,但梁主筋部分僅出現抽出接頭區,及接頭處柱筋受側力彎曲突出現象(見圖14)一樓橫隔版於北側靠近西側有大範圍破損現象,且大樓地下室東側外牆與原地盤間有向東脫離約15公分之間隙以及一樓版破損塌陷現象,研判一樓橫隔版有向東位移變形等現象;連接騎樓外柱之垂直向 (匯集構材) 梁之背拉軸力疑似有拉斷梁縱向鋼筋,或接頭脫開現象。

倒塌模式探討

高樓建築物之基礎,並非只有筏基單一構材,而是包括整個地下室外牆、地下一樓柱,及一樓橫隔版等,共同組合成一廣義的箱體基礎。依據現行“建築物耐震設計規範”第六章 (結構系統設計詳細要求)中:

6.2.11 (基面以下之構架) 之規定:「基面與基礎間之構架,其設計之強度與勁度不得低於上部結構者。有關鋼筋混凝土構造及鋼構造之韌性特別規定,應同樣適用於將地震力由基面傳至基礎之構材。亦可以基面以上產生之極限層剪力為橫力,施加於基面代替之,但垂直構材仍應依韌性相關規定設置緊密箍筋」。其解說中亦敘明:「基面與基礎間之地下室構造,因有勁度很高的外牆,因此其梁、柱不容易降伏,因此亦應可容許不做韌性設計,惟此時強度要足夠,應以地面層產生的極限層剪力強度時的剪力設計之,使地下室構造在大地震時仍保持彈性,如地梁之設計如取地面層的極限層剪力 (或以上部結構系統之超額強度因子Ω0Vp / Ve),或設計地震力之1.4倍所引致之內力,進行工作應力法設計時,則可容許不做韌性設計。如果一樓版剪力傳遞失效,或地下室外牆產生破壞時,地下室構材的韌性設計就會發生功效,工程師應做適當的判斷,決定地下室構材設計的最好方式。

又第6.2.6(匯集構材) 規定:「建築物某部分產生之地震力,應經由匯集構材,將其傳遞至抵抗地震力結構系統上。匯集構材及與抵抗地震力結構系統之接合處,其地震力應放大1.4倍設計之」。其解說中亦敘明:「匯集構材、與剪力構材垂直接合處,要避免剪力摩擦破壞,因會影響原先假設之橫力抵禦系統塑性變形能量之消散。故匯集構材及其接合處之地震力應放大1.4倍設計之」。

現行“建築物耐震設計規範”上述規定可知,一樓橫隔版上之匯集構材與剪力構材垂直接合處,除須依第6.2.11節放大設計地震力外,尚須依第6.2.6節之規定放大1.4倍設計之。

一樓橫隔版於作結構電腦程式分析時,通常會將一樓橫隔版簡化為剛性橫隔樓版,因此一樓橫隔版內所需檢核及設計之數據,沒有電腦分析之輸出資料,尤其是早期電腦程式之功能,尚不完整的情況下,必須依賴人工,從橫隔版周邊的數據求取。抵抗地震力之結構系統若為韌性立體剛性構架系統,則一樓之水平地震力,由一樓柱構材往下傳遞進入地下一層時,水平地震力之分布,在一樓以上原來依一樓豎向構材之勁度,分配在各豎向柱構材上,但進入地下一層後,則多了勁度非常高的地下室外牆。因地下室外牆之勁度特別高,大部分水平地震力,會經由一樓剛性較高之橫隔版,傳遞至地下室外牆上。此時一樓橫隔版,便是一個須作進一步檢核之傳力路徑重要的位置。

但高樓結構系統之分析模式,一般設計者為減少輸入及輸出之工作量,以及電腦分析的作業時間,分析模式會作某種程度的簡化,其中尤其以橫隔版假設為剛性橫隔版之簡化動作,對結構分析模式之輸入及輸出工作量,及電腦分析的作業時間,以及輸出報表量可大幅減少。因為橫隔樓版之剛性很大(樓版開孔太多及長條形橫隔版除外)。若一樓橫隔樓版與鋼筋混凝土構造地下室及外牆結合,就會形成幾乎沒有側向位移的箱形結構體。此箱形結構體,也是傳遞水平地震力及固定全部豎向構材之最有效模式,但設計此橫隔樓版之工作,須配合其結構力學行為的特性,及結構力學專業素養,才能充分掌控結構體傳力路徑之整體安全性。

高樓結構系統之柱構材由電腦結構分析所得之輸出力量,可得柱構材在一樓上、下之豎向剪力分佈示意圖 (見圖3)。一般(中間)樓層之柱頂及柱底之束制條件較平均,故反曲點大部份位於接近柱中間高度的位置,同一層柱底與柱頂之彎矩值會接近。在一樓之柱則會因地下室箱形結構的高束制現象,致一樓柱之彎矩反曲點很高,甚至已進入二樓之中間高度,故一樓柱底之彎矩特別大,常會在一樓柱底產生塑鉸,此即為高勁度地下室穩定系統之力學模式使然。此種行為會造成地上一層柱底之柱剪力方向,與地下室之柱頂剪力方向相同,二者同向作用於一樓橫隔版上之現象。此時須將各柱線上之所有水平剪力加載於一樓橫隔版,並將一樓橫隔版視為一水平擺置之深梁,來檢核一樓橫隔版在水平方向之彎矩與剪力。

橫膈版、集力構材、及其接合部的需求強度,須按現行“建築物耐震設計規範”第6.2節之規定,以上部結構系統之超額強度(超額強度因子Ω0Vp / Ve)來設計橫隔版,並對匯集構材與剪力構材接合處,除須依第6.2.11節放大設計地震力外,尚須依第6.2.6節之規定放大1.4倍設計之。橫隔版之需求強度計算,另應包含面外載重、地震載重與其他載重同時作用之影響。

一樓橫隔版平面形狀呈長條狀,或長條不規則形狀時,除會有柔性變形之行為外,於檢核總水平力在橫隔版面內傳遞時,將面臨產生之長向面內水平彎矩太大,而致橫隔樓版之邊構材斷面,不足以容納撓曲鋼筋量的情況。且長條狀一樓橫隔版之短邊較短,所能承受之剪力較小,因此如果一樓橫隔版剪力或彎矩傳遞失效,致地下室外牆產生外推破壞時,即可能造成建築物倒塌。維冠金龍大樓一樓平面形狀呈長條狀,承受地震剪力及彎矩時位移變形大,屬柔性橫隔樓版。一樓橫隔版長向所需承受之水平彎矩亦較大,及短向樓版剪應力較大,以及承受往東之地震力時,騎樓柱須賴其垂直向梁 (匯集構材) 來背拉穩定(見圖3),且此垂直向匯集構材之背拉軸力,會因桿槓作用而放大。

維冠金龍大樓一樓橫隔版,於北側靠近西側端(短向)已有出現大範圍破損現象(見圖2),及大樓地下室西側(長向)外牆與原地盤間有向東脫離約15公分之間隙,及一樓版橫隔樓版破損塌陷等現象。另由倒塌後,梁柱接頭處柱鋼筋有受拉向外突出現象(見圖4),及倒塌成魚骨形之破壞樣態推測(見圖1及圖5),連接騎樓柱之垂直向梁之背拉軸力,疑似有拉斷梁縱向鋼筋、或接頭脫開現象(示意圖見圖3),為可能造成騎樓外柱首先折斷,致建築物外側因自重向下掉落而撞擊地面,致使第一跨反時鐘方向轉折,進而H棟柱筋被拉拔斷而向外甩出,使第二跨呈順時鐘方向轉折(見圖5) 

 

維冠金龍大樓倒塌後呈「魚骨」形狀[3]

 

一樓橫隔版北側有大範圍破損現象

     

 

外柱與匯集構材接合示意圖   2排柱倒塌後柱筋受側拉彎出
     

   
外柱著地碰撞地面梁變形呈魚骨狀

 

 

結語

維冠金龍大樓倒塌原因的推測,各方專家、學者提出多種倒塌原因的初步看法,均可能為造成倒塌的原因之一,但未聞有對一樓橫隔版傳力路徑進行探討者。筆者從結構系統、一樓橫隔版之平面形狀及興建當年電腦程式之功能;一般結構設計者都容易遺漏一樓橫隔版傳力路徑之檢核;一樓橫隔版現場既有損害及變形現象;以及維冠金龍大樓倒塌後之樣態,綜合初步研判,一樓橫隔版匯集構材傳力路徑中斷之損壞現象,很可能是導致造成建築物失去廣義基礎支撐而向東位移,傾倒慣性力矩合併地震力,及大變位後繼而產生之P-△效應等現象,繼而拉斷西側柱之軸向鋼筋,為最可能是造成維冠金龍大樓向東側傾覆倒塌,成魚骨形樣態的主要原因。若進一步進行原設計完整之結構分析及設計,並檢核一樓橫隔樓版傳力路徑及其接頭之應力比,並與原設計圖說、現況結構施工品質瑕疵、現場損壞位置及損壞現象等,進行檢視比對,更能作進一步的確定。

【參考文獻】

1.Yi-Hsuan Tu (2016).reconnaissance  Report 2016/02/06 Meinong EarguakekaohsiungTaiwan

2.黃武龍  (2016)。“台南維冠大樓倒塌原因探討”。

3.施忠賢(2016)。“維冠金龍大樓結構初探”。

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