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【紀錄】「哇!災!」:天龍國搖搖

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文 / 陳妤寧

長期以來,大台北地區會發生強烈地震的耳語,不斷在民間流傳。今年2月12日的清晨,大台北地區因大屯山的地震而劇烈晃動,使得該議題再度獲得重視。大台北地區發生強震將有慘重災情,是危言聳聽嗎?在歷史上,大台北曾發生哪幾次重大的地震呢?假若大地震是難以避免的,人們該如何因應,才能把損害降到最低呢?今年度的第二場「哇!災!」邀請到中央氣象局地震測報中心的郭鎧紋主任、以及國家地震工程研究中心建物組鍾立來組長,分別向大家分享台北區域歷史上的地震記錄,以及從建築結構的角度而言如何加強耐震。

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郭鎧紋:大台北地震史

幽默風趣的郭鎧紋主任擔任中央氣象局地震測報中心主任已經超過十年,每逢地震發生,國人便能在電視上看到他的詳盡解說。今天郭鎧紋主任一路從歷史文獻分析到日益發達的測震儀器,討論台北地區過去和未來可能遭遇的斷層活動、火山運動以及海嘯等災害。

從1897年到2014年的大台北地震榜

在1897年台灣裝設第一部測震儀器之前所發生的地震,地質學家僅能憑歷史文獻推估受災規模。例如1694年4月24日形成「康熙台北湖」的大地震,以及1867年12月18日引發高達8公尺大海嘯的基隆外海地震,前者即出自清朝官員郁永河的著作《裨海記遊》之記載。當時因土壤液化地層陷落,淡水河進入台北盆地,淹沒現今社子島、三重、蘆洲一帶,面積超過30平方公里,時間長達一百多年。而後者為同治六年的基隆外海大地震,基隆港內的海水急速往外海退去,甚至露出海床,基隆金山沿岸居民從700戶變成16戶,傷亡慘重。

在地震儀出現後,1909年4月15日的中和地區測出了規模 7.3 的大地震,釋放出的能量幾乎和九二一大地震相當。但這次地震為深度80公里的深源地震,因此損害較小,不過仍震斷了萬華龍山寺的石柱。有關振動方向和柱子載重能力的關係,鍾立來組長在後面的分享做了更為深入的解說。

上述三個的地震,震央都是在大台北附近;但1986年分別發生了規模 6.2 和 6.8 的兩場大地震,雖然震央在花蓮外海,仍然對台北造成災情。台北市復興南路裕台大樓傾斜、中和區華陽市場大部份一、二樓的支柱折斷,造成嚴重傷亡。鍾立來組長也一再強調低樓層對於承載整棟建築物重量的重要角色。

而1999年的九二一大地震、2003年的三三一大地震、以及2014年因大屯火山活動而在台北市士林區引起的規模4.2之有感地震,皆為近年來國人印象較為深刻的大地震。而2014年的地震因為是台灣較少發生的火山活動造成,格外引發關注。郭鎧紋主任表示大屯火山目前仍是活火山,5500年前曾經噴發,以地質學家的眼光來看其實是很近的時間。即使被稱為「休火山」,睡覺的火山仍然是活著的火山。

不過郭鎧紋主任也表示,氣象局和臺灣火山中心密切合作監測地震波的動態,目前的技術雖然無法「預測」地震,但可以利用利用電波跑的比地震波快的原理,為距離震央兩、三百公里遠的地方,爭取到十幾秒的「預警」時間。海嘯警報約可爭取到十幾分鐘,火山警報則可爭取到數天。郭鎧紋主任以菲律賓的皮納土波火山為例,從觀測、異常到噴發共歷經了「68天」,且預測噴發日和實際噴發日僅有一天的誤差。因此郭主任請大家回家安心睡覺,未來兩個月內他確定天龍人並不會一覺醒來就被火山灰活埋的。

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斷層之上/震波之爪──誰來搖我?

「山腳斷層」是目前北部地區最主要的活動斷層,經海底探測調查,山腳斷層從林口台地邊向東北一直延伸到海底,至少共有74公里長,如果整段一起錯動的話,可以引發規模 7.0 以上的地震。山腳斷層屬於第二類的活動斷層(註:過去1萬年內曾活動者,為第一類活動斷層;在過去10萬年至1萬年內曾活動者,為第二類活動斷層。),現在台北盆地已無造山運動,並且在張裂當中,因此就台北盆地內本身的斷層直接錯動風險來看,郭主任認為對各位天龍人暫無威脅,興建一零一大樓的計畫亦是安全的。

此外,若從版塊結構的角度來看,世界上其他各地的大地震是否有可能牽連到台灣呢?郭鎧紋主任說,由於菲律賓海版塊跟太平洋版塊中間隔著深達兩萬公尺的馬里亞納海溝,其他地方的地震和台灣是無法連動的。以2011年東日本大地震為例,餘震都集中在太平洋版塊跟北美版塊交界點,無法越過日本東京灣之後的菲律賓海版塊和歐亞大陸版塊,因此台灣完全未受影響。

談到近年來每年大小地震總數的變化,郭主任提到2011年海底監測站完工後,隔年測定到規模小於 1.0 的地震較過去多了十倍,代表地震測報中心能力大幅提昇。這些規模小於 1.0 雖然不被大家放在眼裡,不過可能提供重要的訊息在其中,例如火山的可能動向、地底下盲斷層的所在等等,可以對於提供警訊發揮貢獻。


鍾立來:建築防震補強

「為什麼建築物這麼重要呢?因為隨著都市化的擴張,大家很少待在曠野中,除非你剛好站在斷層破裂帶上囉!」國家地震工程研究中心鍾立來組長的專長為結構控制及地震工程,致力於耐震設計、評估及補強之研究與發展。他從生活中淺顯的例子和大家解釋建築結構中的重要角色,以及如何以經濟實際的作法、評估並補強現有建築中抗震不足的地方。

鍾立來組長首先提到,由於我們是住在具有重力的地球上,所以房子需要樑柱來承受重力。建築物的載重有兩種,一是靜載重 (dead load),用以承受本身的自重,如牆壁、隔牆、梁柱、樓板及屋頂等;二是活載重 (live load),承受的是建築物中各種家具、儲物、活動隔間和室內人員等可移動的重量。這些都屬於地心引力的「鉛直」力量,是一棟建築物每日每年都需要承載的重量。然而地震事件則屬「水平」力量,如果疏於考量這點,不夠力的柱子就可能彎折或傾塌。總而言之,建築結構面對地震時最大的關鍵,就在於柱子,其次才是大樑、小樑以及牆面。在台灣,為了爭取更寬闊的空間,有些房子會減少柱子的數量、或是擴大柱子間的距離,地震來臨時就可能發生危險。

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大震不倒、中震可修、小震不壞

要求房子「完全不會倒」並非實際的目標,考量地震的頻率和建造的成本,其實只要掌握「大震不倒、中震可修、小震不壞」的原則,就足以讓房子在大地震時不會完全倒塌、人員有足夠的餘裕得以逃生。

例如說,增加結構體的「剛性」就是一種抗震的方式。剛性表示材料或結構抵抗變形的能力,在建築設計上採取一種以柔克剛的哲學,把房子建成一個不易被扭曲變形的整體,使得建築在面臨地震的時候至多傾斜、位移,而不會倒塌或裂開。

其中方法有筏式基礎和 RC 牆。筏式基礎指所有的柱子地基結合為一體,房子在晃動時就像木筏一樣搖擺晃動,以減低建築體之間的結構互相「拉扯」、「撕裂」而倒塌的風險。RC 即鋼筋混凝土(reinforce concrete construction),為水泥及砂石粒加水攪拌而成,強度高且不易拆除,而其中的鋼筋數量、號數及綁紮是否確實,都會影響耐震強度。

此外,地基的重要性可謂不言而喻。鍾立來組長詳細解釋了土壤液化的原理,當土壤中的水份遇到地震的震動時,水壓增加而浮到原本承載建物的沙地之上,就會使得房子傾倒或是陷落。因此,如果房子的地基可以將地樁打到岩盤上,這樣縱使地表和岩盤之間發生土壤液化,岩盤也尚能支持地基。

鍾立來組長強調,即使在工法上採取了較為抗震的方式,但前提仍需採「小而美」原則。也就是樓層不能蓋太高、面積不能太大、單一建築優於整排連棟屋舍(後者例如校舍或街屋)。其實蓋房子原理就如同堆積木,震動時低矮型建物較不易倒塌。

傳統連棟屋舍的弱點與補強方式

回到「載重」的思考核心,一樓是整棟房子中受重最高、耐震能力最關鍵的角色,但對民間來說,一樓的商業價值高,經常把牆打掉來做店面,如此一來一樓的抗震力反而比其他樓層更弱。樓梯牆、完整牆面、開門的方向皆會影響房子的耐震能力,所以連棟房屋縱向的長面若開窗開門的多,也會減弱縱向的抗震力,這亦是許多長排型校舍設計上的問題。台灣古時城市常見的「街屋」,每戶店面相連,如果震波從同一面過來,一整排房屋連在一起搖晃重量更為增加,如果內部的牆和柱沒有適量的平均力量就容易倒塌。

鍾立來組長以甲仙地震的玉井國中和玉井商工為例,後者由於先行進行了耐震補強的工程,引此免於校舍損壞的命運。增強抗震強度的原理在於「降低建築物重量」或「增加補強構件」,考量經濟性和施工性,耐震補強通常以「增加補強構件」的方式進行,例如增加柱的尺寸、增設RC翼牆或剪力牆。

此外,鍾立來組長還補充了隔震、消能減振、骨架、懸吊線、支撐組等各種抗震原理,例如管線採用可彎曲的材質、並且預留足夠的變形長度,利用剛體運動減少建築物搖晃,以及利用消能設計來吸收能量。

從工程的角度來看待地震,鍾立來組長認為地震固然無法避免或預測,但是人可以從預防和預警的角度努力,例如郭鎧紋主任先前提到利用電波和地震波的時間差爭取十幾秒的預警時間,這段時間可以為我們生活中的許多機械設備提供緩衝時間,例如電梯可以停在最近的樓層避免有人被困在裡面無法逃生,高鐵可以提早進入煞車減速程序、減低因軌道變形而出軌的危險,核電廠也可以進入停機程序、爭取切換到緊急發電系統的反應時間。人定勝天這句話,如今也許該將「勝」轉換為「順應」的思維,天龍人以及所有地球人才能在這個美麗星球上「與災共生」。


6月26日晚上七點在台北的 Changee 還有一場「哇!災!」講座!將邀請國家災害防救科技中心的蘇文瑞組長、以及究心科技的莊國煜執行長,跟大家一起聊聊資通訊科技在防災領域中扮演的角色。想了解網路公民如何以資通系統為盾,以社群媒體為矛,進化為更強悍的防災小尖兵(嘎?),就別錯過這場「哇!災!」囉。報名詳情請密切關注 Pansci 泛科學的FB專頁公告。

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本活動由元智大學資訊社會學研究所主辦,感謝科技部補助之「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」計畫支持。

參考資料:

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關於作者

熱愛將知識拆解為簡單易懂的文字,喜歡把一件事的正反觀點都挖出來思考,希望用社會科學的視角創造更宏觀的視野。