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附錄二學校建築耐震規劃設計及評估
附錄二、學校建築耐震規劃設計及評估
張嘉祥 陳嘉基 王貞富 葉旭原
成功大學建築系
一、 前言
二、 學校建築常見震害
三、 耐震規劃設計過程應考慮事項
3.1上部結構規劃原則
3.2 建築物間之接續及伸縮縫
3.3 基礎及地盤
3.4 非結構及設備
四、 學校建築耐震規劃評估
4.1 上部結構
4.2 基礎及地盤
4.3 非結構
五、結語
六、誌謝
一、前言

  學校是培育人才的處所,在社會有緊急災變時,學校又常常充做臨時收容場所,因此學校建築之耐震安全是個不容忽視的問題,但本省之學校建築不論從耐震評估結果或從實際震害都顯示普遍存在著耐震能力不足的問題。
  在耐震評估方面,民國81年至82年間成功大學建築系曾針對台南市轄區內之國中、小及幼稚園鋼筋混凝土校舍進行耐震評估,評估結果在130棟校舍中,只有12棟之崩塌地表加速度達到嘉南地區475年迴歸期地表加速度之要求(280gal),其它118 棟均低於此標準,其中更有7棟甚至低於此標準之一半;另民國80年至81年,成大許茂雄教授亦曾以增量震譜方式評估嘉南地區觸口斷層十所校舍之耐震能力,結果只有兩棟崩塌地表加速度達到280gal之要求,若再考慮建築技術規則中學校建築之使用係數1.25,則不足程度將更大。上述評估雖然是針對嘉南地區之學校建築,但本省之學校建築,不論在構造方式或空間型態上都相類似,因此其他地區之校舍耐震能力,情況與嘉南地區亦不致有太大之區別。
  在實際震害方面,近年來,本省之學校建築幾乎每次只要地震較大,災害就會產生。民國75年11月台北地震造成景美女中、中山女中、實踐學院等校舍遭到嚴重損壞;民國79年12月花蓮地震,花蓮地區受到損壞的學校,就有明禮國小等十幾間,其嚴重程度遠超過一般建築物之損壞;其他如民國80年3月台南北門地震,龍安國小之損壞;民國81年台東成功地震,花蓮富里國小之損壞,以及最近(民國84年12月)台東興昌國小之損壞,可以說都是校舍損壞具體的例子。
本省學校建築之所以普遍耐震能力不足,動輒遭到震害,除了與過程施工管理制度不夠嚴謹有關外,最主要的還是結構系統在先天上耐震不佳所致。一般而言,本省之學校建築,由於通風採光需要,平面上常規劃成細長條形,這種細長條形平面,短向有牆體來分隔各個教室,長向則幾乎全部做為開窗或出入開口部。長、短向由於牆體配置懸殊,耐震上也就強弱不均,萬一較大地震沿著長向作用,則損害幾乎是很難避免。
  針對本省學校建築耐震方面所顯現的問題,今後在新建校舍時,除了須滿足教學空間機能外,還必須是一個健康、耐震的結構系統。健康、耐震之結構系統受到地震作用時,通常較不易損壞,即使損壞,震後也是可以修護。這就像一個先天骨架強壯的人,這種人即使偶然走路跌倒,了不起僅及皮肉之傷;反之,一個骨架組織不良的人,(例如患骨骼疏鬆症的人)雖然只是不小心絆到石頭,很可能就骨折而倒地不起。為了使新建校舍都能成為一個先天健康良好,組織上沒有特別脆弱部位之結構系統,本文針對過去學校建築常見之震害,研擬耐震規劃設計過程中應考慮事項以及規劃設計評估表,做為學校建築相關人員作業過程之參考。

二、學校建築常見震害

  學校建築由於空間機能較為單純,且通風、採光之要求特別重要,因此經常發展成細長條形、U形、L形、H形等平面。這些平面形式對於地震而言,正好又是耐震上較為不利的,因此地震一來經常發生損壞,一般學校建築於地震中經常發生破壞之位置及破壞方式如下:
在上部結構方面,主要有

1. 長向耐震能力大都低於短向耐震能力。
2. 不規則形狀之損壞遠比規則形狀來得嚴重。
3. 整棟建築物損傷最嚴重樓層通常為第一層。
4. 上部結構損害主要發生平行於長向之柱子,破壞方式大都是剪力破壞。
5. 附有窗台的柱子常形成短柱,產生剪力破壞。
6. 廁所及樓梯間的高窗處形成極短柱,地震時產生45O剪力破壞裂縫,較嚴重者混凝土掉落,鋼筋外露。
7. 柱破壞皆發生於箍筋較少一端,或箍筋彎鉤施作不良之端點。
8. 樓梯間的垂直窗帶常形成極短樑,並遭到剪力破壞。
9. 懸臂樑處有彎矩裂縫產生。
10. 樓梯間旁邊的教室樓板角隅處,在地震時形成45度裂縫。
11. 砌磚與RC接合部位在地震時開裂。
12. 不同時期興建之校舍,續接處常因碰撞造成混凝土塊掉落,甚至造成柱、樑、樓板的損壞。
13. 校舍過於細長,且地震之作用方向正好接近或平行校舍細長方向時,兩端部之牆、隔間、以及樑經常產生損壞,較嚴重者則從整棟校舍中央分裂開來。
14. 鋼骨造屋架與混凝土接合部位,錨定螺栓常遭拔起或剪斷。
15. 鋼骨造建築物(如體育館)長向斜撐常遭挫屈或拉斷。
16. 鋼骨柱腳在地震時拔起,或造成螺栓鬆動。
17. 鋼骨斷面受雨水侵蝕變小,構材斷面變小處在地震時經常產生大變形。
18. 鋼骨柱樑焊接不良處在地震時損壞。

  在基礎與地盤方面,主要有

1. 位於海邊、沙洲、回填地等土壤容易液化區,在地震時經常導致建築物傾斜、水平移動。
2. 地震後擋土牆背後土壤經常塌陷。
3. 校舍跨越不同土層處,造成不均勻沉陷。
4. 校舍重量分佈不均(如只有部份興建地下室),造成不均勻沉陷。
5. 樁基礎頭部由於地震力作用,遭到剪壞、壓壞。
6. 校舍位於斷層附近時,靠近斷層側損傷較為嚴重。
7. 校園操場、道路、停車場等,經常在地震後產生下陷、龜裂。

  在非結構及設施方面,主要有

1. 屋頂水塔或冷卻塔震後經常傾斜、倒塌、甚至掉落。其破壞情況一般有下列三種
(1) .底座錨定處螺栓被拔起或剪斷
(2) .支撐架壓縮構材挫屈
(3) .焊接處斷裂
2. 學校圍牆倒塌。
3. 女兒牆、欄杆掉落。
4. 內外裝修材掉落。
5. 天花板掉落。
6. 窗框變形,玻璃破裂。
7. 日光燈、吊燈、電扇、視聽教學設備等懸吊物掉落。
8. 理化實驗室、自然教室中實驗器材、藥品翻倒。
9. 圖書室中書架傾斜或翻倒。
10. 教室或辦公室中置放資料之櫥櫃翻倒。

三、耐震規劃設計過程應考慮事項

  本文分(一)上部結構(二)基礎及地盤(三)伸縮縫及建築物連續(四)非結構及設備 四個部份來說明學校建築在耐震規劃設計過程中所應考慮之事項。為了使說明更為具體,並使非建築技術專業人員以及學校行政人員亦能瞭解,各個考慮項目均規劃成獨立一頁,頁中除簡要文字說明之外,並以照片或圖示來說明地震損壞及耐震規劃設計上之參考做法。

3.1上部結構規劃原則

  本部份所包括之項目及各項目主要內容如下:

1. 平面形狀(編號甲-1)。本項說明如何選擇耐震上較為良好之校舍平面及幾何比例。
2. 平面形狀(編號甲-2)。本項說明如何選擇耐震上較為良好之校舍立面形狀及幾何比例。
3. 柱位及柱距(編號甲-3)。本項建議柱子如何與教室單元空間配合,以增強校舍長向耐震能力。
4. 柱與樑之關係(編號甲-4)。本項說明平面及立面上柱、樑之軸線關係。
5. 柱構造規劃(編號甲-5)。本項說明RC柱內部鋼筋之配置原則。
6. 短柱之耐震處理(編號甲-6)。本項說明短柱之結構行為及校舍結構中有短柱時如何補救。
7. 樑構造規劃(編號甲-7)。本項說明樑之結構行為以及柱樑構架中樑端配筋原則。
8. 短樑之耐震處理(編號甲-8)。本項說明短樑之結構行為及補救措施。
9. 柱樑節點(編號甲-9)。本項說明RC構架中柱樑節點配筋方式。
10. 牆體在平面之安排(編號甲-10)。本項說明牆體配置對整體結構之影響以及如何安排良好之配置。
11. 牆體在豎向上之安排(編號甲-11)。本項說明如何避免牆體在立面不良之配置方式。
12. 窗台(編號甲-12)。本項說明窗台在地震時對柱子的不良效應,以及適當處理方式。
13. 樓板(編號甲-13)。本項說明樓板之主要結構行為及配筋原則。
14. 樓板角隅及開口部(編號甲-14)。本項說明如何避免樓板角隅及開口部周邊之破壞。
15. 走廊(編號甲-15)。本項說明走廊型式與校舍耐震關係,並建議耐震上較為適當之走廊型式。
16. 樓梯(編號甲-16)。本項說明RC樓梯在地震時較容易破壞之部位以及如何防止。

3.2建築物間之接續及伸縮縫

  本部份所包括之項目及主要內容如下:

1. 伸縮縫位置(編號乙-1)。本項說明無伸縮縫時校舍結構容易發生之問題以及伸縮縫適當規劃位置。
2. 伸縮縫構造(編號乙-2)。本項說明平屋頂、樓板、牆體伸縮縫之構造方式。
3. 增建時柱之連續(編號乙-3)。本項說明校舍在高度方向增建時,柱之接續以及如何做預留。
4. 增建時樑之接續(編號乙-4)。本項說明校舍在水平方向增建時,樑之接續以及如何做預留。
5. 增建時樓板之接續(編號乙-5)。本項說明校舍在水平方向增建時,樓板如何做預留。
6. 校舍間之連結走廊(編號乙-6)。本項說明連結走廊與校舍結構體間適當之構造關係。

3.3基礎及地盤

   本部份所包括之項目及主要內容如下:

1. 坡地(編號丙-1)。說明校舍建於坡地時容易產生之破壞及預防方法。
2. 回填地(編號丙-2)。說明校舍座落於回填地時基礎規劃原則。
3. 谷地或低地(編號丙-3)。說明校舍座落於谷地或低地時,必要之耐震安全措施。
4. 沖積地(編號丙-4)。說明沖積地對校舍結構行為之影響以及基礎規劃原則。
5. 水邊地(編號丙-5)。說明水邊地必要之結構安全措施。
6. 近鄰陡峭或懸崖地(編號丙-6)。說明陡峭地或懸崖地之潛在危險以及必要之安全措施。
7. 軟硬懸殊地質(編號丙-7)。說明校舍結構位於此種地質時潛在危險以及安全規劃原則。
8. 基地下層有容易滑動之軟弱層(編號丙-8)。說明此地質對校舍之潛在危險以及安全規劃。
9. 高液化潛能地質(編號丙-9)。說明校舍座落於此種地質時,耐震安全上必要之規劃考慮。

3.4非結構及設備

  本部份共21個項目,範圍包括學校建築中之傢俱、設備、及柱、樑、 樓板、基礎以外之非結構部份。各項目名稱及主要內容如下:

1. 教具櫃或資料櫃(編號丁-1)。說明一般教具櫃或資料櫃在地震時經常發生之損害模式以及改善措施。
2. 雙層鐵櫃或疊砌式櫥櫃(編號丁-2)。主要說明這兩種傢俱之耐震安全改善方式。
3. 瓦斯瓶或高壓氣瓶(編號丁-3)。說明廚房及實驗室中,這兩種具爆炸危險性之設備如何做改善。
4. 放置瓶罐、藥品、器皿之層板(編號丁-4)。說明如何改善層板或櫥門以避免瓶罐、藥品、器皿掉落,造成爆炸、火災、毒氣等二次災害。
5. 圖書架(編號丁-5)。說明如何連繫圖書層架以及加強個別層架以增加耐震能力。
6. 天花板(編號丁-6)。針對目前常用輕鋼架天花板說明正確之構造及施工方式。
7. 教室日光燈(編號丁-7)。說明燈座及燈管防震落構造。
8. 懸吊電扇或懸吊視聽設備(編號丁-8)。說明教室中懸吊設備應如何防止震落。
9. 展示櫥櫃及佈告欄(編號丁-9)。說明固定方式以防震落造成危險。
10. 桌上置放型儀器及設備(編號丁-10)。說明如何以鍊條、鬆緊帶、黏扣帶等來加強桌上儀器、設備之安全。
11. 輪車型設備(編號丁-11)。說明如何防止輪車型設備在地震時產生碰撞或翻覆。
12. 採光玻璃面(編號丁-12)。說明玻璃面週邊之構造,以防止地震擠壓破壞。
13. 門窗開口部(編號丁-13)。說明耐震安全上門窗開口部之構造。
14. 外牆裝修材(編號丁-14)。說明幾種常用外裝修材耐震上之構造。
15. 內牆裝修材(編號丁-15)。說明牆面貼磁磚、石材時之構造及施工方式。
16. 磚造圍牆(編號丁-16)。說明如何在構造上加強磚造圍牆之耐震能力。
17. 升旗台及旗桿(編號丁-17)。說明旗桿端部固定構造及平常之安全維護。
18. 屋頂水塔或空調冷卻塔(編號丁-18)。說明固定於樓板之方式以及規劃位置。
19. 冷氣機(編號丁-19)。說明如何防止窗型冷氣機被震落造成危險。
20. 屋頂女兒牆(編號丁-20)。說明加強女兒牆耐震安全之方法。
21. 校園雕塑及美化物(編號丁-21)。說明防止雕塑物及美化物墜落應注意事項。

四、學校建築耐震規劃評估

  為避免學校建築在規劃設計過程對耐震的考慮有所疏漏,規劃設計階段有必要針對一些耐震影響較大之項目進行評估。評估後若未能合乎要求,應立即就規劃設計結果做調整,以使施工前校舍耐震安全考慮達到較完善之地步。本研究中學校建築規劃設計評估分為上部結構、基礎及地盤、以及非結構三部份,除了提供建築師、工程師等專業人員規劃、設計過程自行評估之外,亦可做為學校行政人員與專業人員共同查核規劃設計結果之用。

4.1上部結構

  上部結構之評估包括 1.平面形狀 2.立面形狀 3.室外走廊型式 4.壁量比5.垂直構材載重比 6.極短柱 7.極短樑 8.樓板挑空 9.剛、質心之偏心比 10.接續縫寬高比 11.預防鄰棟碰撞間距。每個項目評估結果皆分為良好、普通、待改善三個等級。表4.1為各項目之評估方式。

表4.1 校舍上部結構規劃評估表(1)
表4.1 校舍上部結構規劃評估表(2)

4.2基礎及地盤

  本部份之評估項目包括 1.規劃校舍與斷層之距離 2.規劃校舍與陡坡、河海、湖泊、沼澤之距離 3.基地土壤液化潛能 4.基地滑動潛能 5.校舍在強震時不均勻沉陷 6. 校舍在強震時之總沉陷量7.土壤單位面積載重 7.校舍與基地基本振動週期之比。每個項目評估結果皆分為良好與待改善兩個等級。表4.2為各項目之評估方式。

表4.2校舍基礎及地盤規劃評估表

4.3 非結構

  非結構涵蓋範圍極廣,其中有很多都是在建築物完成之後再增設,並未與建築及結構主體同時做規劃設計,因此本文中只選取六個主要項目來做為評估。這些項目為 1.櫥櫃 2.輕鋼架天花板 3.吸頂或吊式照明設施 4.採光玻璃面5.主要出入口門框容許變形角 6.校園圍牆。這六個項目評估結果均分為良好及待改善兩個等級。表4.3為各項目之評估方式。

表4.3 校舍非結構規劃評估表

五、結語

1、本文所研擬之規劃設計過程考慮事項和評估表可做為教育主管單位、學校行政人員、以及規劃設計專業人員作業上之共同參考,除了有助於校舍之耐震安全外,對於作業過程中校舍耐震共識之建立亦將有所幫助。

2、學校建築在規劃設計過程中多做一分耐震考慮,建築物完成後就多一分安全保障。本文所研擬之考慮事項雖包括上部結構、基礎及地盤、伸縮縫與校舍聯接關係、以及非結構和設備四個部份,但內容可以說皆屬最基本者,因此在實際進行校舍規劃設計時,教育主管單位、學校行政人員、建築師仍應針對建築物實際情況如環境、規模、用途、設備、施工條件、未來維護做更進一步之考慮和評估,以使整個耐震安全之考慮達到更周延之地步。

六、誌謝

  本文為內政部建築研究所專題研究「新建學校建築耐震規劃設計與既有學校建築耐震補強指針研擬」(計畫編號:MOIS-860010)研究成果之一部份。感謝建研所張所長世典、蕭副所長江碧、葉組長祥海、鄒研究員本駒在本案研究過程所提供之協助。

附錄