從日本東北海域超大地震省思防震策略

前言

2011年3月11日，日本時間下午2:46分發生東北海域之超大地震，規模高達芮氏9.0(日本氣象廳原計8.8後上修)，我國921地震規模為7.3相當於46顆原子彈,而日本此次主震則為921地震釋放能量之355倍!

當大眾從媒體中得知震災之慘況，對於位處環太平洋火環帶的我國，必想瞭解我們所居住建築物到底能承受多大的地震，然而耐震設計本來即具專業性，也牽涉到技術性之看法，特別是宜蘭建築物的耐震度，本文試作初步之解說。 

建築物受地震影響應該是以加速度越大受力也越大來討論，也就是說以其能耐震之「地震震度」比較有意義，而提到建築物能耐多少「地震規模」則是不太合理的問題。所謂「直下型地震」是指震源就在陸地下方之意，「淺層地震」則是指震源近地表之地震，無論如何即使規模比較小的地震，但發生位置比較近的話，其地表也可能發生很高的加速度。由於土壤傳遞震波時，屬於壓縮形態的P波(約4~5KM/sec)比S波(約3~4KM/sec)來的快些，因此常讓人感覺先是跳動一陣子再跟隨很大的搖動。通常遠方傳來的深層地震S波搖動會感受比較明顯，而近震源之淺層地震的P波跳動感也會相當明顯，這是因為傳遞過程中P波會衰減比較多的緣故。其實對建築物來說，S波的影響還是比較大的，因此所謂「地震力」就是將這種動態作用轉化成橫方向的力量加在建築物上來作力學分析設計。921地震之後垂直方向的力量(P波所致)也被加入結構設計考量了。

鄰近地區發生能量規模大的地震，當然建築物會受到非常大的震度考驗，只是術語將物理觀念問題變得不太容易釐清。要注意是目前震度最大只分到7級(400gal以上都算7級)，是很多人尚不瞭解的；而問建築物能不能耐地震9級(?)則應該是討論鄰近地區有沒有機會發生規模9的強震才對。

「規模」與「震度」都以「級」來稱呼，再加上複雜的專業術語，在大地震造成嚴重災害後加大了大眾的關注也衍生混淆。

建築物的耐震度

提及建築物的耐震能力常說其蓋的好不好，除常說施工良否以外，主要還是要看依循規範所對應的耐震水準。規範不斷修改，以下節錄往年的地震力規範條文：

1.                民國63年2月至民國71年6月

V=KCW（地震最小總橫力）

其中，

(1)W為建築物重量，包括隔間牆重量在內之全部靜載重與四分之一之活載重。倉庫、書庫、水箱、水池等改用全部活載重。

(2)依地震分區調整地震最小總橫力設計，

強烈地震地區為1.25W

中度地震地區為W

輕度地震地區為0.75W

A.強烈地震地區：

一、   新城、花蓮、壽豐、鳳林、瑞穗之間地區。

二、   苗栗、銅鑼、三義、豐原之間地區。

三、   鵝鸞鼻、恆春之間地區

四、   斗六、虎尾、斗南、大林、民雄、嘉義、後壁、新營、白河、關子嶺、吳鳳、梅山之間地區。

B.中度地震地區：

一、   沿蘇澳、南方澳、天祥、玉里、新港、臺東之間地區。

二、   大武、楓港、枋寮之間地區。

三、   環繞信義、集集、名間、溪洲、北港、朴子、學甲、臺南、新化、玉井、瑪雅之間地區。

四、   環繞新竹、竹南、後龍、苑裡、大甲、清水、台中、東勢、卓蘭、大湖、獅潭、竹東之間地區。

五、   基隆、台北、板橋、桃園、中壢之間地區。

六、   蘭嶼。

C.輕度地震地區：強烈地震及中度地震以外地區。

(3)KC為橫力係數，包括組構係數(K)與震力係數(C)

一般建築物（不超過三十公尺之十層樓），可假定為0.1，

十層或三十公尺以上則依C=0.1/3/sqrt(T)計算。

T=0.09Hn/sqrt(D)，T為基本震動週期，Hn（公尺）為地面至屋頂面高度，D （公尺）為平行橫力方向建築物之尺度。

剛構架建築物，未受其他加勁構材妨礙其抵禦橫力時，基本震動週期T可假定為樓層數十分之一。

組構係數依下列規定：

由韌性立體剛構抵禦全部橫力K=0.67

韌性立體剛構與剪力牆共同抵禦橫力K=0.8

無構架全由剪力牆抵禦全部橫力K=1.33

前列以外及不能完全符合韌性立體剛構耐震要求時K=1.00

此期間未有鋼筋混凝土構造韌性設計之相關規定。

2.                民國71年7月至民國76年5月

V=ZKCIW（最小總橫力）

其中，

(1)W為建築物全部靜載重，包括活動隔間之重量。一般倉庫、書庫等之W應為全部靜載重加上四分之一之活載重；水箱、水池等容器之W應為全部靜載重加上全部內容物之重量。

(2)C為震區係數，強震地區為1.0，中震地區為0.8，弱震地區為0.6。

A. 強震地區

一、   花蓮、台東兩縣各市、鄉、鎮。

二、   （雲林縣）林內鄉、斗六鎮、古坑鄉、斗南鎮；嘉義市

（嘉義縣）大林鎮、梅山鄉、民雄鄉、竹崎鄉、水上鄉、中埔鄉、番路鄉、大埔鄉；

（台南縣）東山鄉、白河鎮、後壁鄉、鹽水鎮、新營鎮、下營鄉、柳營鄉、六甲鄉、官田鄉、大內鄉、楠西鄉、玉井鄉；

（苗栗縣）獅潭鄉、頭屋鄉、苗栗鎮、公館鄉、銅鑼鄉、大湖鄉、三義鎮、卓蘭鎮；

（台中縣）后里鄉、東勢鎮、石岡鄉、豐原鎮、神岡鎮、清水鎮、沙鹿鎮、梧棲鎮；

（屏東縣）恒春鎮、滿州鄉。

B. 弱震地區：

一、   澎湖縣各鄉鎮。

二、   （台北縣）八里鄉、林口鄉；

（桃園縣）蘆竹鄉、龜山鄉、桃園市、大園鄉、觀音鄉、中壢市、八德鄉、新屋鄉、楊梅鎮、平鎮鄉、龍潭鄉、大溪鎮；

（新竹縣）新豐鄉、湖口鄉、新埔鎮、關西鎮；

高雄市；

（高雄縣）茄萣鄉、湖內鄉、路竹鄉、阿蓮鄉、永安鄉、彌陀鄉、岡山鎮、梓官鄉、橋頭鄉、燕巢鄉、大社鄉、仁武鄉、鳥松鄉、大樹鄉、鳳山市、大寮鄉；

（屏東縣）九如鄉、屏東市、萬丹鄉、新園鄉、東港鎮、崁頂鄉、南州鄉、林邊鄉、琉球鄉。

C. 中震地區：強震及弱震以外之地區。

(3)I為用途係數，依下規定：

災害發生，必需維持機能之重要建築物及儲存多量危險物品之建築物，I=1.5。（詳略）

供公眾使用之建築物，I=1.25。（詳略）

其他建築物，I=1.00

(4)C為震力係數，C=0.125/sqrt(T)，T為基本振動週期，依下式計算：

A. 剛構架構造物，未受其他加勁構材妨礙其抵禦橫力者，鋼筋混凝土建築物T=0.06Hn*EXP(0.75)，鋼構造建築物T=0.085Hn*EXP(0.75)。

B. 其他構造物，T=0.09Hn/sqrt(D)，D（公尺）為平行橫力方向構造物之尺度。

Hn（公尺）為地面至屋頂面高度

3.                民國76年6月至民國86年5月

台北盆地C=0.248/T<=0.15，且C>=0.0625。最小總橫力與震區劃分均與民國71年6月至民國76年5月同。

4.                民國86年6月至民國88年10月

V=ZI/1.4/alphaY*(C/Fu)modified*W

(1)C為工址正規化水平加速度反應譜係數。（詳略）

(2)W為建築物全部靜載重。活動隔間應計入75kg/m2之重量；一般倉庫、書庫等應計入至少四分之一活載重；水箱、水池應計入全部內容物之重量。

(3) Z：為震區水平加速度係數，代表工址所屬震區回歸期475年地震地表加速度與重力加速度g之比值。地震一甲區為0.33、地震一乙區為0.28、地震二區為0.23、地震三區為0.18。各震區包括之鄉、鎮、市如下列：

一、   地震一甲區

宜蘭縣：南澳鄉、蘇澳鎮。

花蓮縣：花蓮市、秀林鄉、新城鄉、吉安鄉、壽豐鄉、

豐濱鄉、鳳林鎮、光復鄉、萬榮鄉、瑞穗鄉。

雲林縣：斗六市、古坑鄉、林內鄉、斗南鎮。

嘉義縣：大林鎮、梅山鄉、民雄市、竹崎鄉、中埔鄉、

番路鄉、大埔鄉、水上鄉。

嘉義市

台南縣：東山鄉、白河鎮、後壁鄉、鹽水鎮、新營市、

下營鄉、柳營鄉、六甲鄉、大內鄉、官田鄉、

楠西鄉、玉井鄉。

二、   地震一乙區

宜蘭縣：除地震一甲區以外之各鄉鎮市。

    花蓮縣：卓溪鄉、玉里鎮、富里鄉。

    台東縣：綠島鄉、蘭嶼鄉、及各鄉鎮市。

    苗栗縣：獅潭鄉、頭屋鄉、苗栗市、公館鄉、銅鑼鄉、

大湖鄉、西湖鄉、造橋鄉、三灣鄉、後龍鎮、

三義鄉、卓蘭鎮、苑裡鎮、通霄鎮、竹南鎮、

頭份鎮。

台中縣：東勢鎮、石岡鄉、豐原市、神岡鄉、清水鎮、

沙鹿鎮、梧棲鎮、潭子鄉、大雅鄉、大甲鎮、

大安鄉、外埔鄉、后里鄉。

雲林縣：除地震一甲區以外之各鄉鎮市。

嘉義縣：溪口鄉、新港鄉、太保市、鹿草鄉、六腳鄉、

朴子市、義竹鄉、布袋鎮、東石鄉。

台南縣：北門鄉、學甲鎮、將軍鄉、佳里鎮、西港鄉、

麻豆鎮、安定鄉、善化鎮、新市鄉、山上鄉、

新化鎮、左鎮鄉、南化鄉。

屏東縣：恆春鎮、滿州鄉。

三、地震三區：

台北縣：林口鄉、八里鄉。

桃園縣：除大溪鎮、復興鄉外各鄉鎮。

高雄縣：茄萣鄉、湖內鄉、路竹鄉、阿蓮鄉、永安鄉、

彌陀鄉、岡山鎮、梓官鄉、橋頭鄉、燕巢鄉、

大社鄉、仁武鄉、鳥松鄉、大樹鄉、鳳山市、

大寮鄉、林園鄉。

高雄市

屏東縣：屏東市、萬丹鄉、新園鄉、東港鎮、崁頂鄉、

南洲鄉、林邊鄉、琉球鄉、九如鄉。

澎湖縣：各鄉鎮市。

四、地震二區：上述以外之地區。

金門與馬祖不屬上述任一震區 但其震區水平加速度係數可分別取0.20與0.15。

5.                民國88年11月至民國89年1月

以內政部八十八年十月三十日台八八內營字第八八七七七二零號函規定，台中縣、台中市及南投縣其震區水平加速度係數依地震一甲區辦理。

6.                民國89年2月至民國95年12月

(1)修訂台北盆地之C（工址正規化水平加速度反應譜係數）。（詳略）

(2)台灣地區劃分為地震甲區及地震乙區，其對應之加速度係數分別為0.33及0.23。各震區包括之直轄市、縣(市)及鄉(鎮、市)如下所列。

一、   地震甲區：

宜蘭縣、新竹市、新竹縣、苗栗縣、台中市、台中縣、彰化縣、

南投縣、雲林縣、嘉義市、嘉義縣、台南市、台南縣、花蓮縣、

台東縣。

高雄縣：三民鄉、六龜鄉、內門鄉、甲仙鄉、杉林鄉、美濃鄉、

桃源鄉、茂林鄉、旗山鎮。

屏東縣：九如鄉、三地門鄉、內埔鄉、里港鄉、車城鄉、牡丹鄉、    恆春鎮 、長治鄉、來義鄉、泰武鄉、高樹鄉、春日鄉、

獅子鄉、瑪家鄉、萬巒鄉、滿洲鄉、霧台鄉、鹽埔鄉、麟洛鄉

二、   地震乙區：

基隆市、台北市、台北縣 、桃園縣、高雄市、澎湖縣。

高雄縣：大社鄉、大寮鄉、大樹鄉、仁武鄉、田寮鄉、永安鄉、

岡山鎮、阿蓮鄉、林園鄉、梓官鄉、鳥松鄉、茄萣鄉、

路竹鄉、湖內鄉、鳳山市、燕巢鄉、橋頭鄉、彌陀鄉

屏東縣：竹田鄉、林邊鄉、東港鎮、佳冬鄉、枋山鄉、枋寮鄉、

南州鄉、崁頂鄉、屏東市、琉球鄉、新埤鄉、新園鄉、

萬丹鄉、潮州鎮。

金門與馬祖不屬上述任一震區。但其水平加速度係數可取地震乙區。

7.                民國95年1月迄今

本規範不再以震區係數(Z)作分區，而係以訂定各分區地震危害度之堅實地盤短週期及一秒週期設計水平加速度譜係數SSD、S1D，及最大考量地震水平加速度譜係數SSM、S1M，共四項參數，依地盤種類調整Fa、Fv乘積計算得到設計水平譜加速度係數SaD，近斷層區域則另須乘以Na、Nv求得。所得再除以韌性容量、降伏安全係數及放大係數(1.4)計得最小設計地震總橫力V。

設計地震橫力另以避免中小度地震降伏V*及最大考量地震崩塌VM，取大者計算。

近斷層之區域定義包括：

1. 近車籠埔斷層

2. 近獅潭斷層、神卓山斷層

3. 近屯子腳斷層

4. 近梅山斷層

5. 近新化斷層

6. 近大尖山斷層、觸口斷層

7. 近花東地區斷層（包括米崙斷層、玉里斷層、池上斷層、奇美斷層）

 (SSD、SS1、SSM、S1M)

以宜蘭來說，依現行規範要求之標準設計建築物應達到地震水平加速度0.36G~0.4G的瀕塌水準。如果要評量以往規範規定之要求耐震性並不容易，下表則係以類似條件概略比較歷年設計危害度標準。

(上表容許韌性容量以2估計)

 95年因各地區之地震危害度之設計目標多出最大考量地震，以往常提及之震區係數Z已不復見。對應Z值可用新規範中之0.4SSD計算，即475年回歸期地震水準。故以宜蘭來說，其地震分區相當於以往所稱0.32G(強烈地區、強震區、一甲區、甲區)。

耐震設計為概率標準

基本上，所謂耐震設計的標準，主要建立在各地震分區之地震機率水準之上。而建立地震危害之機率模式還是利用以往已發生之地震來統計計算。因此當大地震(如921大地震)發生後，有新的發生地震資料，以致重新分析結果調整危害度。其結果即是原為中震區一舉被調高為強震區，這種作法是目前所能作的。

即使日本大地震的發生，以我國目前的情況，如果沒有新的資料出現，大概還不會作大幅調高地震力的狀況。

依據目前的耐震規範中所揭示的耐震設計原則即是：

中小度地震 (回歸期約30年地震)：無損

設計地震(回歸期約475年地震)：可修

最大考量地震 (回歸期約2500年地震)：不倒

儘管最大考量地震指的是2500回歸期地震，其地震力約為475年的1.1~1.33倍(即SSM/SSD)不等。

 建築設計時不可能漫無邊際調高地震力，總會有規範訂定的底線，承平時期均以最低之計算值為依據，否則有造成不經濟之問題出現。當重大的地震事件發生時，當然又會聚焦在耐震力需要再提升之議。

 日本此次大地震發生在其東北海，規模高達9.0，傳佈到宮城縣震度高達6級強(約為339gal，相當我國之震度6級)

(日本震度級公式I＝２・log(a0)＋0.94)

以如此強大之地震加速度，如果發生在宜蘭地區，對於最近設計建築物而言，幾乎已達到2500年迴歸期地震水準，應該還能承受不至崩塌的地步；不過早些年的設計來說，以475年迴歸期設計標準大概有0.32G(313gal)，可能會有些數量崩塌並不意外。

公共建築物部份因有用途係數的規定，在使用1.25或1.5之情形下，應該能夠在此震度下不發生倒塌情形，當然要看是否確實的設計及施工。

大地震來襲有非常多的餘震會陸續接踵而至。目前已知為數很多的餘震雖然有逐步遞減之情形，不過對於多次往復承擔地震力的建築物是否會也降低承擔能力，以致主震未倒卻在餘震時倒了下來，以現行規範並不見得有詳細的考慮。

現行的防震制度

在日本此次大地震中，最令人感到恐懼的是海嘯，此字原文Tsunami即來自日文漢字「津波」發音，其危害恐比地震造成建築物崩塌為甚。目前我們的防震制度大概可以分成幾個區塊：

一、建築物耐震設計與施工

建築物是人造產物，其耐震能力在設計階段就已經決定，一般大眾也需要信任專業來設計及建造耐震性高的建築物。畢竟具巨大重量的建築物崩塌後，其人員傷亡損失將難以估計。

藉由傳統耐震設計之外，為提高耐震性能之構造方式如消能、隔震(免震)構造均提供更好的防震選擇。

二、現有建築物補強

對於現有較為早期設計施工之建築物，透過一些篩選方式(建築物耐震能力初步評估)，對有疑慮的建築物進行築物耐震能力詳細評估後，進行耐震補強。

三、震災後建築物緊急評估

對於震災後緊急性需要，避免餘震造成崩塌、或掉落物、基礎塌陷等等臨時緊急性評估，必要時還可作為危險程度判定。

四、震災災害應變

 震害防救災目前係屬於消防救災之系統，由中央組成防救災行政體系統籌救災進行。

結語

日本東海域大地震的發生，令人不忍卒睹，即使重視耐震設計的日本人，亦難以預估到如此出乎預料的大地震。海嘯的發生也超乎所謂耐震之層次，國人很快的發現到海嘯其實也是震災的一種，海底斷層錯動以巨大能量抬降海水，其傳遞區域無一倖免。核子發電廠在設計初必定根據一定的設計程序「預估」在某個機率水準下作耐震設計，如今發現當初的預估失了準頭，來了如此大的超大地震。然而日本在地震預警系統給了遠處大眾有幾十秒的警戒時間，亦減少一定數量的生命損失(近震源處作用並不大)；整個災救體系開始運作，平時大眾的防震觀念也在這個時候用上了，仍然值得我們學習。

本文撰寫時，日本地震仍在發生中，據報導亦可能有芮氏規模高達7的餘震發生，福島第一電廠1號機、3號機相繼因氫氣爆炸造成核污逸散，2號機亦亟亟可危，油廠爆炸….希望災害能早日控制，天佑日本。