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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○二年七月十三日

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本期主筆:吳亦閎
執行編撰:李惠華
文字記者:許素梅

「窗台」是短柱效應的原凶嗎?

劉樹賢 技師 

法規代表國家的政策,921地震過後,筆者曾在2000年出版「談地震工程」一書,基本上以批評「法規」的角度來談論「地震工程」,書中第24頁說明提到:「有工程師看見『簡支』型式的橋梁倒了,就建議要用『連續』式橋梁;有教授看到學校的教室出現『短柱』效應,就規定窗台和柱子要隔開,筆者對以上的建議都不敢認同,如果一個原則性的錯誤反被當成『耐震指針』,要比工人『偷工減料』的問題更嚴重。」

   
照片1  2010地震-台南玉井國中校舍變危樓    

短柱效應(Short Column Effect)是什麼?

我今年630日參加公會舉辦的一場「建築物耐震能力評估及補強」講習會,學者專家精彩介紹了非結構牆之效應,強化我原先對窗台(非結構牆)的想法,我想挑戰教育部「窗台和柱子要切開」的規定。

先要問什麼是短柱效應?依照「國家地震工程研究中心」的說法:「學校教室為了採光關係,在柱子兩側開窗,柱子下端則由窗台圍束,柱子上端則被窗框圍束,窗框的強勁度遠低於窗台,無形之中柱子長度就變短,承載重量也減少,形成短柱效應。當地震來時,柱子和窗台間就會傾向剪力破壞,並出現 X 字型裂空。要避免短柱效應,就要在柱子和窗台之間設置空隙,或在之間填充特殊彈性物質來避免短柱效應」。

   

圖片1 解決短柱效應的辦法

   

這個說法似乎已經為學術界普遍接受,網路也有類似的說法:「避免短柱效應可於柱牆相接處以空隙隔離,使柱子維持原正常設計高度,以符合原設計考慮。」另外類似的說法:「短柱效應」則是在設計時易被忽視的一個問題。以窗台為例,發生短柱效應的原因是在設計之初,窗台為非結構牆,在應力分析時未將其考慮在內,把被窗台圍束的柱當作一般柱作應力分析,而忽略掉該柱真正的高度(短柱剛度大、韌性差),因此,每逢地震發生後常造成嚴重的剪力破壞,校舍的柱子因為受到窗台的約束,出現「短柱效應」。

推垮實驗--長柱子背後的問題

教室窗台短柱效應的說法,只要作一個簡單的推垮實驗就可以證明這說法是錯誤的。國中小學老舊校舍經常在強震之後,出現窗台短柱的破壞,因此,國家地震工程研究中心於民國94年之後,利用預定拆除的老舊校舍,進行了一系列校舍耐震補強的現地試驗。反覆載重側推現地實驗為戶外實尺寸結構推垮實驗,此現地試驗計畫包含空構架、鋼板補強構架、RC擴柱補強構架與後拉式預力補強構架等四種不同結構性質的校舍建築,各補強試體與標準試體之推垮曲線比較後,可以看出三種補強工法的成效相當良好,大幅提高校舍耐震能力。

然而現地實驗少了短柱效應(非結構牆)之實驗,因為並未將柱子和窗台切開後進行推垮實驗,無法證明柱與窗台預留空隙,可以將校舍耐震能力提高。因為沒有足夠證據,所以,引發校舍倒塌的短柱效應,指元兇是窗台的說法似乎是冤枉的。以筆者的工程經驗判斷,柱與窗台之間切割,不但不會提高校舍耐震能力,反而校舍耐震能力會下降。或許這也是大家都有的直覺,所以柱子和窗台之間沒有切割空隙進行現地推垮實驗。

筆者認為黑板牆(1B磚牆)的存在,否定了短柱效應,黑板牆沒有倒塌之前,有足夠的勁度主導側推力量的分配。圖片1沿走廊路方向「短柱效應」的說法應該是2D的一種錯覺,沒看到長柱子背後黑板牆的存在;以3D觀察照片1,窗台柱子產生較大的破壞有其必然性,因為短柱四面皆空。然而,黑板牆因為與長柱子是連接在一起,在整體框架的強力護衛之下,長柱子產生較小的破壞也是必然的。教室這種必然的破壞型式,根本不是什麼「短柱效應」。

什麼是短柱?

   

照片短柱破壞

   

視覺上比較短的柱子,不一定就是「短柱」,依據大陸規範:鋼筋混凝土框架的短柱是指柱的淨高與截面長邊尺寸之比小於4的柱,即 H/0<4 (H 為層間柱的淨高,0為柱截面長邊尺寸)

  依照內政部建築研究所委託張順益等教授的研究,發現當柱的淨高寬比小於3 時,即可能發生短柱破壞的現象,至於發生短柱破壞的臨界條件,至今並沒有明確的研究成果可供參考。

  張順益等教授研究的結論:當柱構件之淨高寬比大於或等於4 時可視為是一般柱,一般柱受力後的破壞行為係屬於撓曲控制破壞,當柱構件之淨高寬比遠小於4時,則很可能發生短柱。

窗台是抗震功臣

  觀察照片3,受到窗台圍束的柱子淨高寬比大於5,可視為是一般柱,屬於撓曲控制破壞。國中小學老舊校舍,早期一般的剪力箍筋間距25cm,無法提供核心混凝土良好的圍束,會發生撓剪破壞。

老舊的國中小學校舍,一般柱尺寸為30公分x40公分,因為柱子勁度小,台度(1B磚勁度相對較大)才能圍束柱。921之後新建的國中小學校舍,一般柱尺寸為70公分x70公分,一般12公分的窗台(勁度相對較小)沒有能力圍束70公分的大柱子,受力後的破壞行為皆屬於柱撓曲控制破壞,大柱有足夠的勁度主導側推力量的分配,不會有「短柱效應」。筆者不敢認同「要柱子和窗台之間切割」的作法,圖片一根本是一項多餘的規定。校舍在強震後倒塌,學術界長期普遍認為是

「未切割窗台而造成短柱效應」,窗台柱是舊教室倒塌元兇,筆者認為此一說法是冤枉窗台。老舊教室耐震不足的根本原因是柱子「小」,如果教育部要小柱和窗台之間再切割,小柱就被改成為小軟柱,真是雪上加霜,筆者認為窗台是抗震功臣,請部長大人「明察秋毫」,還給窗台一個公道。

   

照片 柱淨高寬比大於5

   
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