抗震利器 克服難題
 
2012/11/12
 
吳美枝 | 《科學發展》特約文字編輯
 
 
台灣地處菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊的交界線上,經常發生地震。據統計,每年平均約有18,500次地震,其中大約有1,000多次是「有感地震」。地震如此頻繁,無形中對這片土地上的建築物造成潛在影響,也為國人帶來巨大的陰影。

潛在危機 難以處理

政府在民國30年代到40年代之間,為因應國民教育的需求與教育水準的逐漸提升,開始大量興建學校。據統計,目前高中以下的校舍約有2萬多棟,多數校舍都使用了數十年,長年飽受地震影響,再加上早年建築概念與結構工法都不如現代進步,其中有非常大的比率已有結構上的安全問題,急需修補。

這些國內青少年與幼兒幾乎每天活動的場所,發生了安全性的疑慮,拆掉、重建校舍是最治本的方法。但這做法的可行性極低,除了財務支出大如天文數字外,施工時間的影響也無法估計。甚至改以傳統補強建築物結構的方法來做,也因校舍數量過於龐大,難以同時處理。

針對這個攸關學童安全的問題,在民國80年代起,成功大學許茂雄教授等人就提出以「非線性推垮曲線應用於校舍耐震評估、補強」的想法,而國家地震工程研究中心黃世建組長帶領的團隊受到啟發,針對這種低矮型鋼筋混凝土的校舍,發展出一套相當完整的耐震評估與補強方法,也因此獲頒「行政院2011年傑出科技貢獻獎」。

校舍大健檢

傳統上,針對一棟建築物在結構上的修補,大都以「彈性分析方法」實施,基本上就是採「個案處理、量身訂做」的方法。這對民間一般建築物也許可行,但面對數量龐大,每棟都不相同的「校舍群」,實在不甚適用。黃組長的研究團隊改以「非線性分析方法」為基本觀念,建立一套可行的策略與流程來批次處理校舍問題。

「這是一種『健康檢查』的概念。」黃組長這樣形容他們的方法。首先針對建築物重要結構的安全性,依照一些要項進行檢查與「初步評估」,其結果可以量化成某種「危險指數」,可代表這棟建築物的危險程度,指數較高或有疑慮的,再進行第二階段的「詳細評估」。經過兩階段的評估後,就可針對建築物進行補強工程的設計與施作,如有必要也可拆除重建。

這樣分階段、先以大項目來初步檢查建築物結構安全,再進行細部評估,最後施工的流程,能有效率地分批次進行校舍補強工程。由於初步階段的檢查內容頗為精簡,估計只需一位工程師花費半天時間,就可評估完成一棟低矮校舍,耗材費用也壓低至6,000元左右,因此可同時間、批次地完成數棟校舍的「初步評估」工作。另外,在「詳細評估」與最後的補強工程中,都以「國家耐震規範」為準繩,並以科學性的做法來提升流程效率,以維持統一的品質與標準。

從理論到實務

「對於學術研究,我們可以有無限想像與創新。但如果要實際應用,就必須以實用為主;先擬定策略,再視需求去選用、開發技術。」黃組長一針見血地指出研究團隊所面對的情況。校舍補強的工程不可能由研究團隊一手包辦,而施工完成後,所有的責任應由施工單位或工程師負責,因此黃組長的研究團隊在建構好評估策略與方法後,隨之而來的難題是:提出可行且有效的補強方法與科學證據,來說服工程師使用。

由於國內與國外建築物使用的材料與配置方法不盡相同,造成房屋結構的特性有差異,以致許多國外的經驗或情況無法全面參考。再加上地理環境的不同,與校舍年代久遠,原始建築物材料已不可取得等諸多問題,研究團隊面對這些棘手問題時,決定以「在地化」的角度切入。

他們在實驗室裡盡可能模擬台灣校舍的各種重要結構在各種等級地震下的反應,以建構出台灣校舍諸多桿件的載重與位移間的特殊關係,乃至倒塌的行為曲線。之後,再針對各項實驗結果進行補強材料開發與桿件設計,並精選4種業界常用且施作容易的方法—分別是「擴柱」、「翼牆」、「剪力牆」與「複合柱」補強法,進行補強設計。

這一連串的過程都是以理論推導為骨幹,輔以實驗與設計,最後再搭配包含九二一集集大地震校舍災損資料庫在內的各類數據資料,反覆驗證。而所有的設計與實驗都直接以台灣校舍為對象,期望日後能應用在實際建物上。

但是再多的科學實驗終究還是「模擬」,沒有真實的應用案例表現,實難令工程師真心信服。研究團隊非常難得地透過教育部的協助,在幾處即將拆除的老舊校舍上,進行各種類型的「現地實驗」。研究團隊笑稱,這些是「真」的不能再真的實驗模型,因為連建築年歲和地基都「如假包換」。透過一連串可貴的「現地實驗」,結果不但相當完美,也讓研究團隊能向工程師們提出一份最有力的證據。

棟棟都重要 那誰先來

研究團隊建構了完整的工程評估方法與流程,也提出有科學證明兼具實用性的補強方法。除此之外,他們還跨越了工程科學研究的範疇,進一步發展了一套完整的行政作業程序。「在那些等待修補的校舍中,有一棟裡有富人家的小孩,另一棟有窮人家的小孩,試問哪一棟需要先修補呢?」研究團隊直指工程技術之外的另一個重要問題。

他們認為,面對如此大批需要補強的校舍,必須建立一套「程序」,才能有效率且公平地全面處理。這裡所指的是一種「規則」,是先以科學方法估算而來的「危險指數」做為參考,建立校舍修補順序的排列方法,再依照國家各種現行法規下的行政程序,發展成一套說明詳盡到包含「招標」、「發包」等枝節的作業流程。如此,這一整套的行政作業程序,從中央到地方政府,乃至各級單位,全國各地都可同步進行修補工程。

此外,研究團隊還製作了一部「校舍結構耐震評估與補強技術手冊」,內容除了包含校舍結構耐震評估方法與合格標準外,還針對校舍補強工法與技術,提出經濟有效的規畫與建議,可供工程師進行補強設計時的依據。

與時間賽跑

2010年3月4日,高雄甲仙發生芮氏規模6.4的強震。在離震央處不遠的台南玉井市區,已用團隊方法補強校舍完成的玉井工商,建築物無多大損傷,但相鄰的玉井國中,校舍已評估有耐震疑慮,卻尚未來得及進行補強工程,結果建物損毀嚴重,這無疑是為研究團隊提供了一個最真實的案例。

「我們做的事情,是與時間賽跑。」黃組長語重心長地表示,利用研究團隊的方法,在過去3年內雖已修補了一千八百多棟校舍,但仍有非常多的學校對這樣的方法缺乏信心而裹足不前。未來如何積極地去推廣這種「看不到效果,卻很重要」的校舍修補工程,甚至把對象擴展到包含醫院、政府組織、重要交通設施等範疇,是團隊們的下一個挑戰。

【行政院2011年傑出科技貢獻獎得獎人專訪】
 
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