| □陳純森／結構技師 土木技師 成功大學建築研究所 副教授專家 |
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去年0206美濃地震的災害突顯了國內既有建築物結構檢查與補強的急迫性，政府相關單位陸續推出建築物之耐震能力檢查與補強方案，建築物之耐震能力如果不足時，究應如何改善或加強，其相關技術與應該注意事項又是如何，均值得探討。一般構造物設計之使用年限約為50年，惟如維護保養妥善可以維持百年以上。隨著頻繁的地震與耐震規範的精進，民國86年以前興建之建築物，其耐震能力大部分不足，必須作適度之提升或補強改善。提升建築物耐震能力的方法包括「減重工法」、「調整系統工法」、「構材補強工法」、「減震工法」與「隔震工法」等五種。 |
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一、減重工法 有許多中小學校舍之耐震能力明顯不足，惟鑑於學校受到少子化影響，招生人數逐年顯著減少，教室供過於求，為提升校舍之耐震能力，最有效之方法為減重工法。因為於地震發生時，建築物所承擔之地震力，與建築物自身之重量成正比，如能減輕建築物之重量，確實是提升耐震能力最有效的方法，可將校舍拆掉一樓層甚或兩樓層均可達到提升耐震能力之功效。二、調整系統工法 包括調整剛心位置與加強建築物剛度之豎向牆體、鋼斜撐、廊外增柱與封高窗等工法。(一)調整剛心位置 增設剪力牆或鋼斜撐，或調整其位置之工法，可有效防止建築物之扭轉與側向變形，對耐震能力之提升大有幫助，惟兩者都必須植筋於既有之混凝土構造內部，如圖1與圖2。施工時，剪力牆頂應設置喇叭槽之模版，方便梁底之混凝土澆注，立向植筋垂直度之管控為重點，鑽孔時為了閃躲構材內之既有鋼筋，許多植筋孔之偏斜度都超過規範之1:6容許斜度，降低補強效果，如照片1。外牆增設剪力牆之缺點為減少室內之採光與通風效果。剪力牆之整體綁筋如照片2。   係於建築物之走廊外側增設柱梁框架之工法，不至於變更室內之既有配置，但有時必須敲除走廊之樓板與懸臂梁，如圖3與照片3。   許多建築物之地下室，為了有效採光與通風，都設有高窗，造成短柱之耐震能力不足，如照片4為高窗短柱受到地震力剪斷之情形。封高窗的工法可採用封閉部分之窗戶，尚能維持原建築物之採光與通風，圖4為封高窗工法，照片5則為封高窗之綁筋情形。 (四)短柱之消弭 至於地上層結構，於設有窗台之牆體亦會造成短柱現象，地震時會增加短柱之彎矩與剪力，致短柱提早破壞，消弭短柱之工法可採用隔離縫、補強短柱或封牆，如圖5與圖6。  建築物各樓層之牆體宜上下層連貫，如果僅有上層具備剛性之牆體，其相對位置之下層未設牆體，勢必造成「軟腳蝦」系統，不利建築物之耐震功能，改善之方法可在下層相對位置設置勁度相同之牆體，或將上層改為輕質牆，除可減輕建築物之重量外，亦可降低其上層之剛度，減少軟腳蝦行為。 三、構材補強工法 補強工法係加強建築物之構材強度以抵抗地震侵襲之方法。包括牆體增厚、外貼斜撐、更換牆體、增設翼牆、擴柱、碳纖圍束與鋼板包覆等工法。(一)牆體增厚或外貼斜撐 牆體增厚與外貼斜撐都是增加建築物牆體之強度，可提高建築物之抗剪能力，而且不影響建築物既有之配置，如圖7。  建築物之牆體如有輕隔間或磚牆，於必要時可將材質更換為強度較高之鋼筋混凝土牆或鋼支撐，即可提高建築物之耐震能力，如圖8係將既有磚牆改為鋼筋混凝土牆。 (三)增設翼牆 增設翼牆之工法係在既有柱子兩側增設窄牆，本工法會縮小既有門窗之寬度，對採光與通風影響輕微，如圖9。照片6為翼牆各種綁紮鋼筋之情形，豎向鋼筋之垂直度不甚良好。於重作窗戶時必須確實固定，照片7之固定片太稀疏。  擴柱工法必須局部敲除既有樓版，方能使柱子上下層連貫，但擴柱工法會影響走廊寬度與室內使用空間。示意如圖10，為業界常用之補強工法。柱頂與柱底之綁筋如照片8與照片9。  鋼板補強柱子時，除可提高混凝土之抗壓強度外，鋼板本身亦可貢獻強度；包覆於梁構材時，必須藉化學錨栓或拉桿固定，鋼板之鑽孔放樣為其重點，必須事先掃描既有構造之內部鋼筋，以避免植筋之干擾，補強之示意圖如圖11。本工法須在鋼板與混凝土間灌注樹脂粘結，灌注後應檢查是否有空心之情形。  四、減震之工法 鑒於地震之震度大小瞬息萬變，並無明確之最高限，而建築物之「耐震設計規範」所訂定之耐震能力卻僅有一定之標準，如按照耐震規範補強建築物之耐震能力，仍無法抵抗超高標之地震侵襲，因此部分之建築物捨棄耐震設計之模式，而改採「減震設計」以減少地震侵襲之能量，在建築物之內部構造裝設可緩衝建物搖晃之設施，如「阻尼」(damper)等，阻尼器又稱「減震器」或「消能器」，此等工法在日本業界稱為「制震工法」，乃坊間所謂「制震壁」之由來。對於低矮建築或剛性建築物，減震器之效果並不顯著。減震器包括位移型與速度型兩種，前者以結構建材為主，後者則附加化學材料如可壓縮矽膠等。(一)液壓阻尼 液壓阻尼之構造與裝設分別如圖12與圖13，可承受軸向之緩衝壓縮，於裝設後可減緩建物之側向變形，有如消能之功用，故又稱消能器。其安裝工法簡單，可設置於室外，施工時較無噪音也不影響建築物之使用，如照片10，其支承之固定則如照片11。惟許多室外阻尼的設置都有偏心行為，會降低其減震功效。   以牆體之變形阻礙作為地震消能之功用，部分制震壁在鋼板間添加黏滯性材料，以提升其阻礙效果。粘彈性之制震壁構造如圖14所示。  圖15與圖16分別為鋼料摩擦消能器、鋼料降伏阻尼等之構造示意圖。照片12則為鋼料降伏制震壁之裝設情形。  五、隔震工法 有些特殊建築物，如醫院手術房或高級精密儀器裝配廠，即使是輕微地震的搖晃都會妨礙其正常作業，事業主有時會採用「隔震工法」，設法將地震與建物徹底隔絕，不受地震之干擾，日本的業界稱為「免震」。其作法乃將建築物與地表之間設置隔震橡膠墊，或單擺支承，藉著橡膠之彈性特性以吸收地震作用之能量。隔震措施必須確實驗證其功能與施工品質，如果疏於驗證與維護保養，或工法簡陋，結構材料又隨意折減，將陷建築物於更高風險狀態。照片13與照片14分別為橡膠隔震墊之裝設，與建物之防撞隔離坑道。 六、常用之補強與減震工法之注意事項 (一)一般補強工法建築物之耐震評估、補強設計與監造工作應委請專業結構技師辦理，其設計作品或評估成果亦應委請專業委員或團體審查，施工階段宜組成專業之督導小組協助工程之督導。 施工前應先保護既有設施、設備、管路或樹木植栽等，拆除既有構造應採用低噪音、少振動之工法，如有切割作業應保持切割面之整齊劃一，修補之裝飾材儘量與既有面材一致或互相搭配。施工中之假設工事必須確實施作，照片15至照片18均不符規定。    (二)減震設計之技術審查 減震阻尼是一種特殊之建材或設備，其主要功能在延遲建物受震後之變位，對於剛性建築或位移較小之低矮層建築，其減震效果與功能較不顯著。故設計者必須具備特殊之專業技術與豐富經驗，建築物耐震設計規範特別規定，除設計者必須確實具備阻尼之專業技術外，設計之審查與相關試驗計畫應由另一獨立之工程審查小組辦理，審查之內容至少須包括下列項目： 1.地表運動狀況 2.阻尼測試之要求 3.阻尼設計參數之確定與製作品質之保證 4.計畫性維護與監測要求 5.線性或非線性分析 6.耐震系統與消能系統之初步與定案審查 (三)減震阻尼之驗證 阻尼之試驗，包括「實體試驗」與「性能保證試驗」兩種。實體試驗須在設計完成尚未生產製造前辦理，目的在確認阻尼之受力與變形之關係及阻尼值等參數，且試驗結果必須經專業技師審查通過。各類型與各尺寸之阻尼須各取兩個全尺寸之實體試驗，不得採用縮尺樣品。若有相似尺寸且相同材料、相同內部構件與靜動態內壓，及相同組裝過程與製造品質控制程序，且已有實驗室測試通過者，可不需辦理實體試驗，惟須提供下述文件資料： 1.相關測試數據及合格證明 2.製造者須向專業技師證實已測試之相似性 3.規範已認可之測試數據 性能保證測試係在阻尼器已經製造完成後，由設計專業技師按各類型阻尼器特性，訂定抽樣比例及內容，以確保生產之品質管控符合設計需求，例如力-速度-位移之特殊性等，才能安裝在建築物之上。 部分阻尼器涉及專利之技術問題，公有工程之設計案宜留意有無綁標之爭議。阻尼在工廠製造時監造單位應駐廠監工，以監督製造工廠製造過程，是否與試驗樣品之製程屬相同之品質管制。阻尼之材料以鋼料為主，必須考慮防火時效的問題。 七、結論 建築物於耐震補強之後，仍需長期觀測保養。如設置減震阻尼，設計者應提供必要之維護保養手冊，供使用單位日後定期檢查與保養，必要時請專業技術廠商作適當之維護或整修，方有減震效果。參考文獻 1.夜流阻尼防震技術之研發，徐德修，2002年。2.三角形鋼板消能器之理論實驗與應用，蔡克銓，結構工程，民國82年12月。 3.工程事件之鑑識預防與法務，陳純森，科技圖書公司，2015年11月。 4.鋼筋混凝土工程實務，陳純森，科技圖書公司，2006年11月。 5.鋼結構工程實務，陳純森，科技圖書公司，2012年3月。 6.建築物修繕與補強工法講義，陳純森，法務部工程查核組，2016年1月。 |
