這個blog便嘗試向大家分析一下關於地震和抗震工程設計.
四川地震發生近兩個月, 什麼豆腐渣工程、短樁、偷工減料、預製件、抗震設計等字眼都在報章上看到. 而亦在這時開始搜集資料, 為這篇blog足足用了兩個月時間準備, 因為在香港和英國建房子,不如日本般要考慮抗震設計, 所以我在英國讀大學時老師沒有詳細說明. 不過,在日本的建築系是屬於工程學系的一部份, 抗震設計是考試必考的題目.
首先, 什麼是地震? 地是上下震,還是左右震? 大家都知道地殼是會移動, 當兩個不同板塊互相向對方移動便會形成壓力, 壓力不會立即釋放出來, 能量會貯起來直至超過地殼之間的磨擦力便一舜間爆出來, 所以地震只是60秒, 便可造成重大傷亡. 因此,地震不單只是上下震、 左右震、 連前後都會震, 即X、Y、Z軸都可能震如圖示.
地震能否預知? 我問過很多工程師都坦白對說現在只能計算那板塊之間的壓力有多大, 但何時爆出來真的不能如天氣報告般準確預測.
災難發生後, 有些人說地震不能抗衡, 是真還是假? 在兩個情況下, 地震是不能抗衡.
第一: 共振現象(Resonance)
共振現象這名詞我在介紹倫敦千禧橋時曾提及這名詞, 今次我再加解釋,當地震的震動頻率與建築震動頻率相同時, 便會發生共振現象. 這樣任何結構都會倒下來, 因為正正得正, 負負得正, 結構除要承受地震的能量外, 還要承受自身震動的能量, 所以,結構荷重能量可以說是無限大. 如大家記起中學時物理課所說的Interference, 就是這現象, 建築物可能會是除地震的波幅3D方向扯爆整個結構.
擴展基礎(Footing)
第二: 地殼液化(Lique Faction)
當泥土中的水份在地震情況下, 沙便會和水混成泥令其荷重大幅減低. 具體來說, 你把沙和水放入杯中, 過一段時間後, 水便會停留在沙層的低部, 在大力搖晃下沙和水混成泥, 而沙層的表面的張力便大大減低. 如上圖中的建築物, 由於建築物沒有打樁的關系, 只用擴展基礎(Footing). 擴展基礎是低層建築常用的結構, 香港大部份村屋都是用這基礎結構.所以當地殼液化時, 儘管建築物的結構沒有破壞的情況下,整個建築物便如骨牌一樣倒下來,不過在屋內的居民都有機會在建築物後逃出來.
今次地震有數以萬計的房屋倒下來, 其中一個原因是房屋相信沒有進行抗震工程設計,我需沒有進過災場但從上圖中可以看到這房子是用紅磚造結構, 而結構磚牆是放在兩則, 樓板放在磚牆之上,這便形成雙向性結構(Bi directional spanning). 簡單一點, 就好像兩本書垂直站立, 一本書放在兩本書之上,在靜止的狀態下當然沒有問題, 但當地震時, 房子會左右搖擺, 便很可能令房子失去平衡,只要一幅磚牆倒下來, 整個房屋都可倒下來就好像這房子的高層部份.
上圖中房子的高層在地震中完全倒下來, 是沒有使用四向性結構(Introverted spanning) 即四邊都是磚牆, 磚牆只在個別的位置開洞作門和窗. 如房子四邊都是磚牆的話, 搖擺的幅度可以減少特別在高層搖擺的幅度較大的位置.
不過奇怪的是, 為何用紅磚作結構? 我入行以來都未見過用紅磚作結構牆, 結構牆多數是由 混凝土磚組成,在我記憶中香港只有英皇書院是紅磚結構, 不過亦是四向性結構.
除磚建築外, 混凝土建築物亦有倒塌, 為何連混凝土建築物也不堪一擊? 首先,混凝土是什麼? 混凝土是水泥 + 石粉或河沙 + 水 + 石組成, 整個過是一個化學反應(Chemical process). 所以,混凝土中的水份、酸鹼值(pH value) 都會影響混凝土的硬度, 混凝土的一般是pH~13.記起50,60年代的香港曾出現鹹水樓的結構問題, 就是混凝土的酸鹼 值出現問題導致硬度不足. 而水泥有分325級、425級、525級、625級, 這是什麼意思? 325代表混凝土的受力度為325 m2·kg-1; 所以, 級數愈高, 硬度愈強, 香港和英國是用525級的水泥, 日本和美國個別州份特別在地震帶是用625級. 在內地是用425級, 但我一些工程師朋友相信四川部份建築物是用325級甚至更低.
今次災難中最令人痛心很多學生在學校上課時被活埋, 為何預製件建築物出現這麼大的問題? 預製件是各混凝土的建築部件會先在工廠製成, 然後在工地裝置, 好像是Lego屋一樣, 好處是快而便宜, 因為不用在工地扎板、扎鐵, 部件可在工廠大量生產. 另外, 由於生產過程的溫度、酸鹼值和氣壓都得到控制, 所以,混凝土的硬度可以提高, 因此香港的天橋、Y形屋、學校都是用預製件的方式建造. 但四川的問題就出在部件與部件之間的接口, 因為新舊的混凝土很難完美地接合, 當混凝土凝固後未必能與新的混凝土產生化學作用. 所以,香港公屋漏水的地方往往都在這接口位置, 現在雖然有新方法接合新舊的混凝土, 不過程況未完全改善. 如果接口的強度不足, 在地震時儘管柱和樑夠強,上層的樓板一樣可以壓至導致大量師生傷亡如上圖示.
有一點我需然不肯定但一定要提出大家思考, 混凝土的受壓力強, 但拉力弱, 而鋼筋受壓力弱, 但拉力強, 而它們的熱漲泠縮情度一樣, 天衣無縫的配合, 所以工程界別都說鋼筋和混凝土是上帝給予人類的禮物. 至於,豆腐渣工程除水泥的問題外,極可能出在鋼筋上, 第一鋼筋數目可能不足, 或可能不夠粗, 不過現在不得而知, 因為沒有計算過. 但根據我在國內建房子的經驗, 儘管鋼筋數目、大少符合規格, 但鋼筋接合 都可能出現問題, 因為在柱中的鋼筋必需一枝鋼筋直上, 特別在柱中的四角, 如果要接合都必需經工程師批准. 偷工減料的情況極可能是他們沒有用完整一枝鋼筋而用一些碎料接合而成的鋼筋, 從上圖中的柱是從中間斷開, 這根柱需有9根鋼筋與我們常見的設計相同, 但會如此斷開有點奇怪,我需不能斷定柱是豆腐柱, 但我推斷這根柱的鋼筋很可能有問題.
我和一眾工程師們需沒有進過災場, 亦不是這方面的專家, 但從圖中的情況可以令我們相信這些倒下來的建築物是沒有作抗震設計. 大家請提出自己專業的見解.
災難過後, 要面對未來. 災後重建的房子一定要有考慮抗震設計.
第一: 使用預力混凝土預製件作橫樑或樓板.
當然除要使用合規格的鋼筋和混凝土之外, 預製件的製造方式需要改善, 我們應使用預力預製件(Pre-stress concrete), Pre-stress concrete是鋼筋在未加入混凝土之前,先被拉緊至較高的拉力,令鋼筋可以乘受更大的受壓力, 因為當混凝土受更大的壓力時, 壓力可以被預加的拉力抵消.
第二: 減少採用磚作結構牆
儘管用混凝土磚牆都有潛在危險因為磚牆始終接合點太多, 磚與磚之間的水泥的份量和水份都難以控制, 在香港砌磚牆的技術可以說是失傳, 能夠只用雙手和灰持就能造出一幅完全垂直的結構磚牆的師傅, 在香港應沒有多少人, 有的都已退休, 所以磚牆在香港只是用作間隔牆.
第三: 加強結構,減少震幅
上圖是東京的一角, 為何這大廈的窗口會這麼細少, 因為窗與窗之間都是柱和橫樑, 令整個大廈無論在彎力(Bending force) 和剪力(Shear force) 都可加強, 最重要是令大廈的震動週期縮短,盡快達至Simple hamonic motion (S.H.M.)的平衡點(Equilibrium). 一大堆名詞,即是什麼? 大廈就好像垂直的跳水板, 當運動員跳在板上的一刻, 跳水板便會由大震動然後慢慢變為餘震, 愈強的跳水板餘震的幅度便少, 時間亦會較短, 所以加強大廈四周的柱和橫樑就是令餘震的幅度減少, 減少倒塌的危險.
除此之外, 可在大廈的頂層加入阻尼(Damper),Damper是一個大約數百噸重的混凝土塊, 四邊用彈簧連接, 當大廈在搖動時Damper會移至另一方以減少震動的幅度如上圖示.
另外, 日本研制出免震建築設計, 大廈的底部與地樁之間由多個大型彈簧連接, 當地震時, 彈簧會吸收大廈的震動, 避免地樁與大廈的結構受到保護如上圖示.
最重要是室內的家具和門窗沒有受到破壞; 因為在日本, 地震帶來的傷亡不是樓房倒塌而是室內的雜物和窗口跌下來而導致傷亡, 所以日本學校教學生當地震時先躲在椅子之下, 當第一次地震完結後才疏散至室外.
今日全國合力重建四川, 不過如過沒有做足夠的抗震設計, 當下一次災難來到的時候, 這些不合格的房子將是殺人的凶器, 四川需要是重建家園的安樂窩而不是用混凝土製造的棺材.