緣起從2001年9月11日美國發生了造成約2,600人性命喪生的恐怖攻擊事件後，歐美各國開始重視結構物的抗崩塌強度，特別是當僅有局部結構桿件受到破壞時，是否會引致連鎖性的「漸進式崩塌」效應。所謂「漸進式崩塌」，根據ASCE 7-05規範的定義，乃是結構物的某一小部分或某局部區域遭到破壞後，所引致整體或大規模的連鎖性結構物破壞反應，其主要意義在強調結構物最終的整體性或大規模破壞與結構物最初所受到的局部或小部分破壞之間是不成比例的（disproportional）。如圖1中所示，原始結構在某處底層柱破壞，失去承載能力後，引起了大範圍的結構崩塌。事實上，漸進式崩塌的歷史案例可追溯到1968年5月16日發生在英國倫敦東部的22層樓Ronan Point公寓，當時在18樓的住戶引起瓦斯爆炸，先是導致靠近該樓層角柱的預鑄混凝土承重版崩塌，隨後其上方樓層部分因失去承重結構元件而向下崩塌破壞，最後由於上方樓層崩塌對下方樓層造成的衝擊載重，因而造成17樓到1樓的連鎖崩塌破壞，如圖2所示。此事件後英國當局即開始重視此種特殊的結構破壞行為，並即刻研究結構設計規範適時修改的必要性，並且在相關的設計規範中納入漸進式崩塌之考量。
破壞形式與規範考量根據美國經濟和平學會（Institute of Economics and Peace, IEP）所公佈的2014年全球恐怖指數顯示，從2001年至2013年，每年全球的恐怖事件數量與造成的死亡人數有逐漸增加的趨勢，其中以中東的伊拉克、阿富汗、巴基斯坦與非洲的奈及利亞為數量最多的國家。由於恐怖攻擊可能造成結構物崩塌的危險性，在2001-2012年這段時間內，國際間有關漸進式崩塌的相關研究文章，其發表數量逐年快速增加，從2001年前平均每年不到10篇論文，到2012年約有80篇相關研究論文產出，顯示其重要性與全球學者的重視。國外漸進式崩塌潛在威脅的需求，事實上主要是來自於恐怖份子的炸彈攻擊，當然也有部份是人為疏失引起的氣爆或大型交通工具造成的意外衝擊。在國內因為過去幾乎沒有所謂恐怖份子炸彈攻擊事件，因此有關漸進式崩塌的相關研究相當有限。但是，隨著都會區建築物高度日漸增加，加上全球化的趨勢，台灣都會區的一些指標性高樓，並非完全不可能成為國際恐怖份子的下一個目標。台灣在IEP的162個國家恐怖指數的排名為98名，屬於恐怖攻擊事件的低潛勢區，但並不代表類似恐怖攻擊事件不可能在我國發生。同時，根據這幾年國家統計資料顯示，自殺人口比率攀升，而引爆瓦斯自殺又是常見的手法之一。所以，對於這種衝擊載重（blast loading）所可能造成漸進式崩塌的潛在危機是存在的。所幸台灣位在地震帶，國內建築結構均需能抵抗耐震規範所制定的最小地震力，相對的就比許多非地震帶國家的建築結構有較大的漸進式崩塌強度。由於相對於地震而言，上述的人為災害發生機率遠低於地震發生率，因此若能在現有建築結構設計規範中，適度納入防止漸進式崩塌的設計概念，應該是最適於國內實務應用的作法。 根據一位德國學者的定義，可將漸進式崩塌的破壞類型區分為Pancake type、Zipper type、Domino type、Section type、Instability type等五種。各種破壞類型的差異，主要與破壞起因、傳遞機制與最後崩塌型式有關，其中較為常見的為Pancake type與Zipper type，前者最著名的案例即為9/11世貿中心雙子星大樓的垂直崩塌，如圖3所示，主要破壞是因大火延燒產生的高溫，使結構垂直構件承載強度降低，導致上部樓層垂直落下而引發的衝擊力所造成；後者則為1940年的Tacoma Narrows Bridge，如圖4所示，在強風下少數懸索斷裂後，使相鄰懸索需承擔其瞬間釋放的內力，瞬間釋放的動態效應造成相鄰懸索無法承擔其內力，因而產生接連的斷裂破壞。從分析的角度來看，漸進式崩塌發生的原因，主要是由於結構的載重型式（loading pattern）或邊界束制條件（constraint）在受到外力影響後產生改變，導致結構中其他桿件原有的荷載增加超過了其能力，因而導致破壞崩塌。結構物受到局部破壞後，殘存的結構被強迫需要有替代載重路徑以重新進行載重分配，因而隨著桿件破壞使得載重分配持續進行，一直到結構可以藉由分散載重或找到穩定的替代路徑為止。這種漸進式崩塌與一般地震災害造成的整體崩塌，主要差異在於漸進式崩塌一開始是局部的結構破壞，而經過一些時間後才發展成一般的整體崩塌。由於這種局部起始破壞與延遲整體崩塌的特徵，便可以藉由控制破壞型態與範圍使其最後的崩塌程度降到最低。
目前幾種有關預防漸進式崩塌的設計方法，大致上可以區分為事件控制（event control）、間接法（direct method）與直接法（indirect method）三大類。事件控制乃是以避免造成漸進式崩塌的事件發生為主，強調如何預防異常載重的產生，與結構物的強度與整體性無關，所以在土木工程上的應用性較為有限。間接法是藉由指定最小需求強度、連續性（continuity）與延展性（ductility），來提高結構物漸進式崩塌的抵抗能力。對一般結構而言，若是於設計準則中明確訂定最小強度與連續性的要求，使得結構部份破壞時足夠發展出一替代路徑以傳遞外力，則此方法便相當具有吸引力。而由於最小需求往往與不同結構型式與建造方式有關，此部分仍需要許多研究加以制定。直接法主要是在設計階段考慮結構物的抵抗漸進式崩塌強度與抵禦破壞能力，兩個最基本的方式為特定局部抵抗能力法（specific local resistance method）與替代路徑法（alternative path method）。所謂特定局部抵抗能力法，需要確認可能引起漸進式崩塌的載重型式（如瓦斯爆炸、炸彈攻擊等等），因此其局部抵抗能力乃是針對某個特定極限狀態而言。由於特定破壞型式的實際資料與歷史經驗有限，此特點往往成為該方法的缺點。一般而言，此方法主要是用於不可有任何桿件破壞而喪失承重能力的極重要結構。另一方面，替代路徑法則是著重在結構遭破壞後的行為，與異常載重型式無關，主要以結構之延展性與連續性來重新分配外力。對工程應用而言，顯然此法較具吸引力，因為所考量的是結構物在局部破壞後的整體結構行為，不需特別確認異常載重型式。 國外一些設計準則或規範已直接或間接考量預防漸進式崩塌的設計概念。例如大英國協1991年的UK Building Regulations在建築物設計部份明白規定，建築物於意外載重發生時，不可以產生與意外原因不成比例之廣泛性破壞。1996年的加拿大國家建築規範（National Building Code of Canada）強調，結構的整體性（structural integrity）需足以抵抗結構局部破壞而不會有大範圍之崩塌，並建議經由提供桿件接頭延展性、加強局部強度或提供替代路徑來達到滿足結構整體性之目的。美國土木工程師學會（ASCE）出版的ASCE 7-02也有一節有關結構整體性的描述，其中要求建築物與其他結構必須能承受局部破壞，維持整體結構的穩定性，不得產生與原局部破壞不成比例的大範圍破壞。ACI 318-02則是在鋼筋細節一章中包含了結構整體性要求，描述在鋼筋與接頭細節部分，結構桿件必須有效地繫結以增進結構整體性。相對於一般結構設計規範僅在其中某個章節提出定性化的規定，2003年美國的General Service Administration（GSA）出版了Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines，該指引中特別對聯邦公共建築物如何考量漸進式崩塌的設計與分析，作了完整的說明。同時，美國國防部（Department of Defense, DoD）在2009年，頒布了的建築物漸進式崩塌分析與設計準則，該準則建議先依照建築物使用類型進行類別區分，再根據不同類別提供不同的漸進式崩塌設計與分析要求。隨著近十多年來的相關研究發展，GSA與DoD亦於2013年公布了最新修訂後的指引，使漸進式崩塌設計與分析方法更趨成熟完整。從結構設計分析的觀點而言，美國國防部的設計準則比GSA的準則規定更為嚴格，且對於分析方法提供了更詳盡的說明，並隨著許多相關研究發展適時更新。 試驗議題很多土木結構的現象或行為探討，都必須要藉由結構試驗加以確認，在漸進式崩塌分析方面也是如此。過去10年來已有許多學者，嘗試以試驗方式了解結構物於喪失柱支撐時的行為反應，試驗方式大致可區分為動力與靜力兩類。動力方面包括實際施加動態載重，無論是特殊設計的油壓致動器加載方式或爆破方式，使目標柱喪失承載能力；或是以機械方式瞬間移除柱支撐，以獲得喪失柱後的動態反應。在歐美地區或是澳洲，曾有一些研究單位進行過多次的結構物抗爆反應試驗，其中不乏採用實際的炸藥進行試驗，也有利用動態油壓系統進行模擬爆壓載重試驗，希望可以觀察到結構物喪失單柱承載力的崩塌行為。我國國家地震工程研究中心於2006年曾針對一棟兩層樓的校舍建築，利用爆炸方式移除一根底層柱來觀測該建築柱移除後的動力行為；大約在相同時期，也曾針對類似的校舍建築，利用油壓千斤頂的瞬間卸油機制，模擬底層柱的瞬間喪失行為。對於此類實際結構或實尺寸結構的試驗，因為屬於破壞試驗，試體通常於完成試驗後就需丟棄，所以利用即將拆除的實際建築物會是比較經濟的作法。但是這種情況又常常是可遇不可求，且需要業主願意配合，所以相較於此類的大型結構或實際建築物動態試驗，絕大多數的試驗仍以縮呎構架或次構架（sub-assemblage）進行，其中又以如圖5所示的梁柱次構架最為普遍。而在實驗室進行的縮呎或次構架試驗，絕大多數採用單向靜力加載測試，主要是因為動態試驗需要設計特殊的瞬間移除裝置，模擬支撐柱瞬間破壞的情境，也因此增加試驗的複雜度與不確定性。
一般結構梁桿件於單向加載下的反應，與多數人較為熟析的反覆地震力作用下的反應，主要差異在於當建築結構物喪失支撐柱後，原支撐柱上方連接的兩根梁形成一根跨徑增加的增跨梁，該支撐柱所承受的載重因而需傳遞到該增跨梁進行重新分配。該增跨梁承受垂直載重的極限載重強度，並不完全由該梁所能發揮的塑性彎矩強度控制。當該梁發揮斷面塑性彎矩強度已至達到所謂的塑性機制後，若是垂直載重繼續增加，塑鉸斷面的彎矩強度會急速下降，取而代之的是斷面軸力的上升，最後則會形成以軸拉力為主的桿件行為，一般稱為「鏈索效應」（catenary effect），鏈索作用發揮後才會達到垂直極限載重強度，如圖6的RC梁柱次結構試驗結果所示。結構中梁桿件在水平地震力作用下需要承受反覆的載重作用，所以通常以斷面塑鉸彎矩強度作為最後一道防線；然而在喪失支撐柱後的垂直載重下，該增跨梁的破壞與否主要是由瞬間施加的重力載重決定，所以鏈索作用的發揮與否，也就成為該梁的最後防線。
數值分析議題除了相關試驗的發展外，隨著電腦分析程式的發展，許多漸進式崩塌的數值模擬與分析研究也就因應而生。主要的分析方法包括：線性靜力分析、非線性靜力分析與非線性動力分析。線性靜力分析為最簡單的方法，主要是利用結構桿件中需求與容量比值，判斷在喪失支撐柱後結構物是否能將載重重新分配至相鄰構件。受限於其簡易性，通常只適用於簡單的規則型建築結構。而非線性靜力分析可說是目前使用較為廣泛的方式，主要是因為能考慮材料與幾何非線性。然而誠如前述，從許多試驗結果發現喪失支撐柱後的增跨梁桿件，會呈現高度非線性行為，所以如何將材料非線性與幾何非線性兩者確實的在程式中模擬，也就成為非線性靜力分析方法的主要議題。目前許多分析模型乃是參考發展較為成熟的地震反應分析模型，再根據試驗結果進行適度修改，但是因為忽略了動力效應，非線性分析結果通常還需要考量動力放大因素，才能適時反映真實喪失支撐柱後的動態行為。至於非線性動力分析，算是最能完整呈現喪失支撐柱後動態行為的方法，但是除了材料與幾何非線性外，如何模擬結構桿件在衝擊載重或爆炸載重下的破壞，也是此方法在執行上的挑戰。以目前許多發展成熟的結構分析或有限元素分析程式，如圖7所示，只要運用得宜便能適當的呈現結構物的漸進式崩塌行為。
總結國內土木結構的設計規範，有很大一部分會參考美國與日本的規範發展，進行適度修正。也就是說，目前國內規範對結構整體性是有一定的要求，設計者必須遵照規範整體性要求進行細部設計，以降低結構物漸進式崩塌的潛勢。相較於美國國防部建立了自己的漸進式崩塌設計與分析方法，相信我國國防部或軍方相關單位，例如軍備局，應該也有類似的設計與分析指引。唯獨國內軍方在土木工程方面的資料頗為機密，並不像美國國防部會將一些軍方土木工程的設計方法公布於軍方網站，也因此一般民眾也就不容易知道我國軍方在土木工程防恐方面的發展現況。從2001年美國9/11恐怖攻擊事件以來，結構物的漸進式崩塌潛勢再度成為許多歐美學者重視的研究議題。經過10多年來的研究發展，近幾年已經開始嘗試將危害度或風險的概念，納入漸進式崩塌分析與設計過程中，並且亦開始朝功能性設計方向邁進，若是能與既有的抗震、抗風等較為成熟的設計規範結合，將可使未來結構物設計俱備複合性防災功能。對恐怖攻擊威脅首當其衝的美國、英國與歐盟，更是有學術或官方單位組成專責小組，針對結構物的強韌性（robustness）議題進行廣泛、深入的探討。雖然相對於許多天然災害而言，恐怖攻擊的機率甚低，但是對於其可能的人命威脅，即便是百萬分之ㄧ的年發生率，仍然需要在能力所及的範圍內加以預防或減緩可能災害。
|
