我家房子怎麼耐震！(I) （談傳統耐震設計概念）

我家房子怎麼耐震！ （談傳統耐震設計概念）
國立臺灣大學土木工程研究所詹鉅洋

地震是大地的震動，在空曠區域產生強烈地震，並不致引起嚴重傷亡，假若於鄰近都市城鎮人口集中區域發生地震，建築物倒塌將造成嚴重死傷。世界各地的地震災害造成嚴重傷亡的事件如南亞海嘯、日本311地震，加上臺灣地區地震頻繁，民眾對於自身所居住建築物的耐震能力越來越關心。

關於臺灣建築物的耐震能力規定，由內政部營建署所制定《建築物耐震設計規範》，為招集國內地震工程專家，進行研究、討論及修訂，作為建築物耐震設計的準則。該規範對新建建築物的設計目標，至少要能達到「小震不壞、中震可修、大震不倒」的耐震標準，具體說明如圖 1：

圖 1 耐震規範對新建建築物的設計目標 (圖片來源：《安全耐震的家–認識地震工程》，第五章)

傳統的耐震設計利用規範的流程，依建築物的資訊（樓層高、建築物重量、地理位置…等），計算建築物所需的「最小設計地震力」，進而設計此建築物的結構體（如樑、柱）。

至於結構物要如何做到「小震不壞、中震可修、大震不倒」的耐震標準，主要核心為「韌性」的觀念。「韌性」為結構體利用自身的變形來抵銷地震的能量。韌性佳的結構物在遭遇超過彈性限度的地震力作用下，雖然會有損傷及明顯的變形，但仍能抵抗一定程度的地震力而不倒塌；韌性差的結構物一旦地震力超過自身的彈性限度，就非常容易產生突然的破壞，甚至倒塌。另外，房屋建築耐震設計多採「強柱弱梁」的觀念，使結構形成較有利的破壞機制，來達到上述所提的耐震標準。因為樓版與梁所承受之載重會透過柱子往基礎傳遞，一旦柱（尤其是越低樓層的柱）破壞，其影響範圍遠超過梁破壞。

如何確保建築結構的韌性，除了遵循規範的建議有良好的設計之外，施工細節亦非常重要。以鋼筋混凝土結構斷面的箍筋及繫筋作說明，圖 2所示為一柱子未澆灌混凝土前的鋼筋籠，圖 3為正確鋼筋綁紮細節之柱斷面橫剖面示意圖，圖 4則為一不符合要求的柱斷面橫剖面示意圖。

圖中紅色圓點為沿著柱子縱向的主要鋼筋，藍色與黃色部分分別代表箍筋及繫筋，箍筋內部的混凝土稱為核心混凝土，外部的混凝土則稱為保護層。由圖 3可知正確的細部施工，箍筋及繫筋皆須施做的彎鉤，將彎鉤嵌入核心混凝土中。若貪圖一時方便而如圖 4施做，當地震來襲，保護層混凝土將脫落而使箍筋外露鬆脫，主筋失去箍筋，又無繫筋的側向支承，將會很快被壓彎曲，核心混凝土失去箍筋的圍束，強度也將大大降低。只是簡單的彎鉤角度，竟嚴重的影響了整根柱子的耐震能力。基於同樣的道理，規範也規定了箍筋擺放的間距。理論上箍筋間距越小，對於核心混擬土的圍束效果越好，防止主筋側向彎曲的能力也越好，但實務上也需考慮過度密集的箍筋會防礙混擬土澆注時的流動性，反而可能造成不良影響。

圖 2箍筋(圖片來源：IDEERS網站)

圖 3正確的箍筋與繫筋綁紮(圖片來源：《安全耐震的家–認識地震工程》，第四章)

圖 4 不良的箍筋綁紮(圖片來源：《安全耐震的家–認識地震工程》，第四章)

傳統耐震設計以韌性對抗地震，但韌性雖能使結構物不至於倒塌，嚴重的變形往往使結構物原本之功能性無法維持。例如醫院在地震後雖然沒有倒塌，但可能因牆壁的嚴重損壞，內部管線與天花板之損毀而需經長時間之修繕後，方能使用，無法立即在地震後收容傷患。隨著科技日新月異，土木業發展出減震建築及隔震建築，能降低結構及設備物的損壞程度，保存建物之功能性。請見另文「我家的房子怎麼耐震II」之介紹。

參考資料

1. 國家地震工程研究中心：《安全耐震的家–認識地震工程》，第四、五章， (http://w3.ncree.org/ZH/ITEE_handbook.aspx)。
2. 國家地震工程研究中心IDEERS網站(製作小組：張智開、高志豪、張閔淳)，(http://ws1.ncree.org/Ideers2008Edu/origin/origin.htm)