防颱工程-風災
臺灣本島及周圍離島的地理位置位於西太平洋島鏈,除地震災害的風險外,西太平洋海域形成的熱帶低氣壓挾帶著水氣而上,經過海洋吸收能量而逐漸轉變成颱風,進而登陸台灣本島或離島造成的經濟損失,甚或引起水災、房屋受損或生命傷亡。若我們考量風災及相關災害的綜合衝擊,考量十年下來所累積的颱風經濟損失,可能等同於數十年發生一次強大地震的影響。
防颱工程可以分為針對颱風造成的直接損害與傷亡,以及因颱風所帶來的雨量所造成的水災或坡地災害等複合式衝擊。要降低颱風直接對土木結構物所造成的可能損傷,可以透過適當的耐風設計方法來達到安全的目的。為此,各國均有針對建築物、橋梁結構物的耐風設計準則或規範,我國亦是如此。我國首版的「建築物耐風設計規範暨解說」係於2005年由內政部建築研究所審訂後,內政部營建署於2006年公告實施(內營字第0950805664號)。第二版本的「建築物耐風設計規範及解說」修訂草案則於2014年1月經由營建署專家會議逐條審議後修訂通過,內政部公告於2015年1月1日生效實施。
耐風設計規範主要內容可以分為兩類對象,第一類為結構物主要抗風系統,第二類則是結構物外表被覆物或局部構材。圖1中所示為花蓮和平電廠的儲煤倉在2005年受到強颱海棠時,風力所造成的大跨度屋蓋塌陷照片。由圖中所顯示的損壞很明顯是主結構系統完全失去抗風能力所造成的結果。一般來說,當結構物的外型屬於規則性矩形的建築物時,我們可以採用建築物耐風設計規範及解說中所提供的陣風反應因子法,來事前評估建築物的設計風力。當結構物的外型屬於如圖1所示的大跨度屋蓋結構物時,則可以採用如圖2中所示的風洞試驗方法,以縮尺的方式來了解風力的分布比例,進而推算實際設計風力的大小。
風力跟地震力不同之處在於風力受到建築物的幾何外型影響甚鉅,常常因為局部的外型改變而導致設計風力產生很大的變化。雖然規範中提供了許多結構物的設計風力參考圖表,但建築物的多元化變化,常常必須透過風洞試驗方法方能合理地評估設計風力。
圖3及圖4所示則為局部構材及外部被覆物的損壞照片,屬於耐風設計的第二類對象。建築物的外表經常會掛吊許多次要結構物,或者一般辦公大樓表面多以單元帷幕牆組成。在強風作用下,當次要結構物或者帷幕牆的連結強度不足時,這些局部構材或者外表被覆物會掉落並隨著強風飛散,形成類似砲彈的飛行體,對其他結構體甚或行人造成極大的傷害。此外,當帷幕牆被風破壞造成牆面破裂後,極有可能造成強風壓灌入而導致牆面內外壓差瞬間上升,進而導致牆面倒塌甚或屋頂被強大的內壓往上吹翻。由於風力受到結構物外型影響甚鉅,因此當結構物表面出現破洞時,會產生瞬間極大風壓的危險,進而影響結構物主要抗風系統的設計風力評估結果。除了建築物以外,像是圖5中的行道樹或者圖6中的路邊大型看板這類並非建築物或者橋樑的結構物,也常常受到強風的影響而造成莫大的損傷。
除了結構安全的疑慮必須解決外,工程師亦必須要設計出符合現代社會居住品質的優化建築。如圖7所示位於台北101大樓的抗風阻尼球即為一個十分具有代表性的案例。此抗風阻尼器的設立,不僅在強震強颱來襲時能有效降低主結構體的振動幅度,亦能夠在平時情況時透過消能機制來降低大樓的振動加速度,進而降低在大樓內進行活動的人體不舒適性。
我國土木工程教育對於防颱工程的觀念隨著時代的演變不斷進化。從過去僅注重在減少人命的損傷,到現在強調都市受到強震創傷後,在各層面的快速復原能力。這種韌性城市的觀念如同賦予了一座都市生命,而我們土木工程師不僅僅守護居民的安全,也時時為我們居住的環境把脈、永續經營。







作者:羅元隆副教授 / 國立臺北科技大學土木工程系