從2016/02/06美濃地震

評估 台南市市區建築結構的耐震性能

蘇源峰、楊金龍、徐茂卿 技師

一、前言

建築結構的耐震性能，必須能確保結構體在強震時保持不壞，即結構強度必須大於強震地震力。一般建築物的底層因為開放空間等因素，其結構強度較低，卻承受較大的垂直載重及地震力，可能造成結構強度小於地震力，進而影響建築物的完整性及穩定性。

本文是引用2016年2月6日美濃地震的地震記錄，來評估台南市市區建築結構的耐震性能。此處的地震強度分成兩種：第一種是原始記錄的地震強度；第二種是放大原始記錄到最大可能的地震強度。結構設計強度也分成兩種：第一種是韌性設計強度；第二種是減震設計強度。透過地震強度與結構設計強度的比較，來評估台南市市區建築結構的耐震性能，並建議結構耐震設計應該採取的對策，以確保建築結構能夠兼顧營建成本與耐震性能。

二、結構韌性設計與減震設計

1.  韌性設計

韌性設計是將建築結構假設為韌性梁柱構架，忽略RC牆的結構勁度及強度，並利用約30%的最大可能設計地震力，設計梁、柱斷面及配筋，而15公分厚的RC牆一律配置最小鋼筋量。

由於樓層變形，受到相當多數量的RC牆束制及T形梁的影響，理論上梁端不會產生塑性鉸；而實務上，梁端塑性鉸也甚少在台灣的震害中發現。由真實的情況反映結構系統缺乏有效的消能機制，設計地震力必須回歸到最大可能地震力，不應折減。

沒有消能機制的結構系統，會承受較大的地震力。如果一樓牆量相對較少、挑高或挑空，更會彰顯一樓柱子的結構強度不足；導致在中大地震時，牆、柱更容易遭受破壞，一樓的樓層相對變形會大幅增加。如果一樓的樓層相對變形過大，難以承受上部結構的重量，會造成完好的上部結構整個傾斜或倒塌。

如果一樓呈現軟弱層的現象不甚明顯，則沒有消能機制的結構系統，會導致全部樓層承受較大的地震力；中低樓層承受的地震力，如果超過其結構強度，會造成這些樓層的短柱、短梁及短牆，產生X形斜裂縫破壞。

另外，此等簡略的韌性設計方式，也會造成大樓的梁、柱斷面尺寸偏大及鋼筋量偏多，除了會減少室內空間、增加營建成本及結構體重量外，也會增加一樓的垂直載重及地震力。

2.  減震設計

減震設計，考慮建築結構全部板、梁、柱、牆的結構勁度及強度，並配合100%最大可能設計地震力，設計並檢核板、梁、柱、牆的斷面尺寸及配筋量。此外，THD減震結構在一樓結合適當的牆量及THD阻尼器，可增加將近一倍的樓層強度、降低約50%的地震力，消彌軟弱層現象。THD減震結構系統，除了確保整體結構，在強震時保持彈性、達到強震不壞的規格外，也連帶減少15～20%的梁、柱斷面尺寸及鋼筋量，削減沒有必要的營建成本。

三、台南市市區建築結構的耐震性能評估

1.  美濃地震台南市區地震紀錄

本文所評估的台南市區，包括東、南、西、北、中、安平、安南及永康區，總共8區、14個地震測站。其中東、南、西、北、中及安平區，共6區（簡稱舊市區）、9個測站，且這6區的法規地震設計強度皆相同。安南區有3個測站，其法規地震設計強度比前述舊市區稍大。永康區有2個測站，其法規地震設計強度又比安南區稍大。

台南市市區各測站的名稱及其東西向、南北向地震記錄的PGV（地表最大速度）、PGA（地表最大加速度)及震度大小，詳見表1；而震度大小與PGV、PGA的關係，詳見表2。從表2可知美濃地震發生當下，台南市市區的震度，大小介於5弱、5強及6弱之間。另外，表1也記載各地震記錄的PGV正規化到中度地震（震度5弱，PGV= 25 cm/sec）、設計地震（震度5強，PGV=50 cm/sec）、及最大可能地震（震度6弱，PGV=75 cm/sec）的規格時，其相對的PGA大小。一般耐震設計對結構安全性的最低要求：中度地震不壞、設計地震可修、及最大可能地震不倒。

2.  美濃地震台南市市區的地震反應譜及設計震譜

2.1地震反應譜

地震引起的地表加速度，會對不同高度的建築物產生不同的加速度反應，而加速度的高低與地震力的大小呈正比。單一地震記錄，對不同樓層數(X軸)建築物，造成的瞬間最大加速度(Y軸)，構成地震反應譜；其中建築物的樓層數是以週期(秒)表示，而樓層數與週期(秒)的關係，詳見表3。此處每一組地震記錄的地震反應譜分成兩種：第一種是針對原始地震紀錄；第二種是針對最大可能地震記錄，是將原始地震記錄的PGV正規化至75 cm/sec。

2.2 設計震譜

設計震譜，代表法規建築物最小設計加速度與週期(秒)的關係。最小設計加速度大小，與建築物所在的行政區域、地盤種類（台北盆地、堅硬地盤、普通地盤及軟弱地盤）及離斷層的距離遠近有關。此處設計震譜也分成兩種：第一種是韌性設計震譜，約略是最大可能設計震譜的30%，其設計地震力只用來設計梁、柱桿件；第二種是減震設計震譜，利用最大可能設計震譜的設計地震力，及只裝設在一樓的THD阻尼器，來設計並檢核板、梁、柱及牆。

2.3 地震反應譜與韌性設計震譜的比較

圖1～3分別是舊市區、安南區及永康區，美濃地震反應譜與韌性設計震譜的比較，其中地震反應譜，包括最大可能地震反應譜及原記錄地震反應譜；而此處的地震反應譜，是各區域內不同測站地震反應譜的平均值，且韌性設計震譜假設配合普通地盤。

圖1顯示，舊市區樓層數介於6～35層的建築物，其原記錄地震反應譜的加速度皆大於韌性設計震譜，其中12層樓的比值最大，約等於2.0。此外，針對所有不同樓層數的建築物，其最大可能地震反應譜的加速度，皆大於韌性設計震譜，其中也是12層樓的比值最大，約等於4.5。

圖2顯示，安南區樓層數介於8～35層的建築物，其原記錄地震反應譜的加速度皆大於韌性設計震譜，其中20層樓的比值最大，約等於2.0。此外，針對所有不同樓層數的建築物，其最大可能地震反應譜的加速度，皆大於韌性設計震譜，其中也是20層樓的比值最大，約等於5.5。

圖3顯示，永康區樓層數介於6～35層的建築物，其原記錄地震反應譜的加速度皆大於韌性設計震譜，其中20層樓的比值最大，約等於1.9。此外，針對所有不同樓層數的建築物，其最大可能地震反應譜的加速度，皆大於韌性設計震譜，其中16層樓的比值最大，約等於5.0。

2.4 最大可能減震反應譜與減震設計震譜的比較

圖4～6分別是舊市區、安南區及永康區，美濃地震最大可能減震反應譜與減震設計震譜的比較，其中最大可能減震反應譜，是針對各區域內不同測站地震反應譜的平均值，而減震設計震譜則假設配合普通地盤。最大可能減震反應譜及減震設計震譜，都是配合THD減震措施，用以降低加速度的放大倍數。

圖4顯示，舊市區樓層數小於8層的建築物，其最大可能減震反應譜的加速度，皆低於減震設計震譜，而樓層數大於8層的建築物，其最大可能減震反應譜的加速度，則約略等於減震設計震譜。

圖5顯示，安南區樓層數介於3～13層的建築物，其最大可能減震反應譜的加速度，皆低於減震設計震譜，而其餘樓層數的建築物，其最大可能減震反應譜的加速度，則與減震設計震譜幾乎吻合。

圖6顯示，永康區樓層數小於15層的建築物，其最大可能減震反應譜的加速度，皆低於減震設計震譜，而樓層數大於15層的建築物，其最大可能減震反應譜的加速度，則約略等於減震設計震譜。

四、永康區金龍維冠大樓震害探討

金龍維冠大樓樓高16層，週期約1.3秒，於美濃地震發生時，往東西向倒塌，造成115人不幸喪生。永康區有兩個測站，分別是CHY064永仁高中及CHY078永康氣象站，兩者東西向的地震記錄，詳見表1。圖7顯示，永仁高中東西向最大可能及原記錄地震反應譜與韌性設計震譜的比較，其中加速度放大倍數比，較明顯的兩處分別位於週期0.2秒及0.6秒，且對於樓層數大於6層的建築物，原記錄的加速度反應，皆大於韌性設計震譜。

從圖7可得知，永康區週期1.3秒的建築物，其韌性設計加速度等於0.133G，而美濃地震永仁高中東西向的PGA=0.140G，且原始地震記錄對於週期1.3秒的建築物，其加速度反應會放大2.2倍至0.305G，相當於建築物的加速度反應，等於2.3倍的韌性設計加速度，而事實證明，此等加速度反應足以造成建築物的破壞、倒塌。此外，如果考慮永康區全部4組地震記錄，從圖3可得知，建築物的平均加速度只有韌性設計加速度的1.60倍；亦即個別地震記錄所產生的建築物加速度反應，可以是平均反應值的1.43倍。

另外，對週期1.3秒的建築物，從圖7也可得，知永仁高中最大可能地震反應加速度是韌性設計加速度的4.3倍。

五、耐震性能評估結論

　1.美濃原始地震對台南市區的建築物，所造成的平均加速度，是韌性設計值的1.0～2.0倍。

　2.造成金龍維冠大樓倒塌的最大加速度，是韌性設計值的2.3倍。

　3.單一地震記錄對大樓所產生的加速度，可以是區域平均值的1.5倍。

　4.建築結構如果採用韌性設計，考量EPA與PGA關係、有效質量比、設計強度折減及存在牆量等因素，推斷其耐震安全係數約為2.0；而大樓承受的加速度，如果是韌性設計值的2.0倍以上，則大樓可能產生破壞、傾斜或倒塌。

　5.美濃最大可能地震，對台南市區的建築物，所造成的平均加速度約是韌性設計值的2.5～5.5倍，預期將對特定大樓造成破壞、傾斜或倒塌。

　6.減震設計，除了適當增加底層的結構強度外，也有效降低最大可能地震力達50%，大幅提升結構的耐震性能，避免結構遭受破壞。

六、耐震設計策略建議

　1.韌性設計，對建築結構未能提供有效降低地震力的機制，也未對相對軟弱的開放空間樓層(大樓一樓)，確認其結構強度是否大於最大可能地震力，耐震性能存在潛在破壞、傾斜或倒塌的變數。建議韌性設計方式儘量避免採用。

　2.減震設計，只在相對軟弱的開放空間樓層(大樓一樓)，配置THD阻尼器，除了提供建築結構有效降低地震力的機制外，也確認開放空間樓層的結構強度大於最大可能設計地震力，消除強震發生時結構產生破壞、傾斜或倒塌的變數。此外，減震設計考慮RC牆的結構勁度及強度，能夠減少15～20%的梁、柱斷面尺寸及鋼筋量。減震設計兼顧結構耐震安全及營建成本，建議優先採用。

表1 2016年2月6日美濃地震記錄

(台南市東、西、南、北、中、安平、安南、永康區)

表2  地震震度分級

表3  建築物週期與樓層數關係

圖1 美濃地震 東、西、南、北、中、安平區地震反應譜(韌性設計)

圖2  美濃地震 安南區地震反應譜(韌性設計)

圖3  美濃地震 永康區地震反應譜(韌性設計)

圖4 美濃地震 東、西、南、北、中安平區地震反應譜與設計震譜(減震設計)

圖5  美濃地震 安南區地震反應譜與設計震譜(減震設計)

圖6  美濃地震 永康區地震反應譜與設計震譜(減震設計)

圖7  美濃地震 地震反應譜(CHY064EW)