設備的地震力設計考量

前言

一次強烈地震所對建築物與使用者的損害可能包含了:人身安全傷害、建築主體結構破壞、建築附屬構造破壞與機電設備的損壞等幾個主要的項目。以這次東日本大地震為例，除了受到海嘯摧毀的建築物之外，相較於之前的阪神地震，直接受到地震加速度影響而損害的主體結構其實並不算多，反倒是像天花板等建築裝修構造或是機電管線在東日本大地震的損害比較多，這其中原因很多，有可能因為震源特性不同或是主體結構耐震規範的進步得到成效…等因素，不管原因為何，事實是當主體構造在地震下只遭遇輕微損害，但相對的建築物所附屬的裝修或是相關的機電設備卻可能受到嚴重損壞，進而使得建築物失去原有功能而使企業遭逢重大損失。

要進一步探討設備與附屬構造在地震下的損害，就必須探究損害的原因並予以分類，才能順藤索瓜釐清抗震的策略，依照美國FEMA 273中對建築物附屬構造與設備的地震損害分類包含下列三種原因:

1. 加速度敏感構造與設備 — 例如:天花版、書架、電腦機櫃、鋼瓶…等。
2. 位移敏感構造與設備 — 例如:伸縮縫蓋板、輸送系統軌道…等。
3. 加速度與位移都敏感構造與設備 — 例如:大型冰水管、壓力管線…等。

對於擁有高精密製程的半導體廠房來說，其附屬構造與製程設備的複雜度遠高於其他一般建築物，加上這些設備的價格往往是土建構造的好幾倍，其重要性自然不在話下，TSMC早就針對這個風險，提出15245規範作為所有MEP設備的抗震標準，然而相較於國內其他領域，過去長時間以來的注意力都比較在集中在保護建築結構不能在地震下倒塌，不僅有各式各樣的隔減震技術，學術界對這些保障人身安全的議題，也投入了許多心力進行研究與實驗，對於附屬構造與設備雖然也有規範與相關研究，但即使是建築科技進步的日本核電廠也在這次東日本大地震下遭逢許多附屬構造損害，其中隱含的問題實在不容小覷。由於附屬建築構造與設備相當廣泛，礙於篇幅有限，本文主要在探討MEP設備部分，希望能對日後的規劃與安全提升有所助益。

設備分類

MEP設備包含機械、電力、弱電與幫浦等水設備，以下逐一分類探討相關地震考量。

機械設備

依照美國FEMA標準，應納入抗震考量的機械設備包括:

• 所有重量在200kgf以上的設備。
• 重量在50kgf以上沒有錨定設備，且其抗傾倒安全系數低於1.5的設備。
• 重量10kgf以上固定於天花板、牆面且高於地版120cm之設備。
• 其他維持建築物機能的相關設備。

依照上面美國FEMA四項定義，由於廠房的功能就是在維持生產，半導體廠的廠務機械設備與製程機械設備都應納入抗震設計考量。一般來說機械設備屬於加速度敏感設備，常見的地震破壞包含了滑動、傾斜、傾倒、錨定鬆脫、管線脫落等。當設備重量超過200kgf且位於3F以上，就必須依照耐震設計規範進行地震力分析以確認錨固設計符合需求。以設備類型來說，包含下列機械: 鍋爐、排煙囪、貨物輸送設備、空調設備…等。

液體儲存槽

液體容器一般多屬於加速度敏感設備，依照其底部固定方式不同，可以分為下列兩大類：

• 第一類容器:容器下方以基腳固定。
• 第二類容器: 容器下方以平坦基座固定。

第一類容器常見破壞模式為基腳固定錨栓脫落、基腳挫屈、錨定鬆脫等，第二類容器常見破壞模式為位移、變形、洩漏等。兩種容器若有位移發生都可能有洩漏危險。

對於容量低於400公升的設備可以依照一般作業標準圖固定方式處理，400~4000公升容器必須依照耐震設計規範檢核強度，其他容量更大容器必須依照所屬內含物類別所對應的工業標準進行更詳盡的耐震設計，例如石油或是化工標準API/AINSI/AWWA等。

壓力管線

除消防系統，內壓力大於15PSI的管線均屬之，壓力管線一般多屬於加速度敏感設備，但是在伸縮縫位置就屬於位移敏感設備。管線可以依照工業標準設置斜撐予以固定，例如依照NFPA-13、TSMC Specification Section 15060 - Pipe and Pipe Fitting - General或是參考ASME/ANSI的最新標準來設計。管線必須能承受耐震設計規範所定義的地震力，並且在建築物伸縮縫預留適當的彈性接頭以允許建築物在地震下發生相對位移量，目前TSMC新廠結構設計完成後都會在15245規範中標示各棟建築物不同方向的地震位移量，其中包含了不同樓高的位移量，實務上所有相關設備廠商都應該依照該項資料，計算出管線所屬高程建築物的相對變位，作為彈性接頭的設計基準。

檢驗時應依照ASME/ANSI的最新標準，並且以150%的運轉壓力試壓。

消防水管

一般多屬於加速度敏感設備，但是在伸縮縫位置屬於位移敏感設備。常見破壞模式為接合點鬆脫、斜撐安裝不當、灑水頭與其他構造碰撞。相關抗震設計可以參考NFPA-13，TSMC Specification Section 13930 - Fire Protection Piping。

檢驗時應注意是否有適當斜撐加勁補強，伸縮縫位置是否有適當柔性可以在地震時後吸收變形，彎頭是否有適當斜撐加勁補強，並且要特別注意斜撐抗挫屈能力。

重力排放管線

與空氣接觸並且依靠重力排放流體管線，包含:雨排水、冷凝水、汙排水、輸油管線…等。依照對人體的危害可以分為兩類：

第一類：可燃性液體或是洩漏可能造成人身立即危害的液體，相關分類定義可以參考NFPA 325-94, 49-94 ,491M-91, 704-90。

第二類：洩漏可能造成財產損失，但不會立即危害人體的液體。

一般多屬於加速度敏感設備，但是在伸縮縫位置屬於位移敏感設備。常見破壞模式為接合點鬆脫、斜撐安裝不當等。

相關的抗震設計依照前面的分類分別為:

第一類：依照SP-58進行必要的加勁與斜撐補強，相關管線必須依照耐震設計規範進行地震力分析檢核，伸縮縫相對變位應該依照建築結構分析的數值設計。

第二類：對於尺寸屬於SP-58中標準作法範圍的管線，可以依照SP-58進行必要的加勁與斜撐補強，若式尺寸超出規範定義範圍，就必須依照耐震設計規範進行地震力分析檢核，伸縮縫相對變位應該依照建築結構分析的數值設計。

檢驗時應注意是否有適當斜撐加勁補強，伸縮縫位置是否有適當柔性可以在地震時後吸收變形，彎頭是否有適當斜撐加勁補強，並且要特別注意斜撐抗挫屈能力，高危險管線應有適當的隔熱設計。

風管

包含空調風管與緊急排煙風管等均屬之，基本上風管抗震要注意其懸吊桿件長度應在30CM內以減少晃動量。一般多屬於加速度敏感設備，但是在伸縮縫位置屬於位移敏感設備。常見破壞模式為接合點鬆脫、斜撐安裝不當等所造成的變位使得氣體洩漏。相關設計可以參考SMACNA Duct Construction Standards、TSMC Section 15140-Pipe and Duct Hangers, Supports, Anchors, Guides and Seals。

電力與資訊系統主機

電力與資訊系統包含：控制盤、電池、動力控制中心等。必須進行地震力檢討的設備有：

• 所有重量在200kgf以上的設備。
• 重量在50kgf以上沒有錨定設備，且其抗傾倒安全系數低於1.5的設備。
• 重量10kgf以上固定於天花、牆面且高於地版120cm之設備。
• 其他維持建築物機能的相關設備。

常見的地震破壞包含了滑動、傾斜、傾倒、錨定鬆脫、管線脫落等。

電力與資訊系統線路

電力與資訊系統包含：線路、線架、線槽與相關的固定構材。一般多屬於加速度敏感設備，但是在伸縮縫位置屬於位移敏感設備。常見破壞模式為接合點鬆脫、斜撐安裝不當或是與其他構造碰撞。相關的抗震檢核可以依照SMACNA規定、TSMC Specification Section 16071 - Electrical Seismic Control。

燈具

依照固定方式不同可以分為四類：

第一類：嵌於坪頂燈具。

第二類：固定於坪頂或是牆面燈具。

第三類：固定於懸吊天花燈具。

第四類：懸吊於天花燈具。

第一類與第二類燈具破壞多屬於所附著之結構破壞，第二類燈具破壞多屬於懸吊天花T-Bar破壞或是天花變形或是脫落，第四類燈具破壞多屬於晃動過大與其他構造撞擊、鏈條斷裂或是天花系統破壞。

貨架

貨架一般多屬於加速度敏感設備，常見破壞模式為內部加勁斜撐破壞、傾倒與基礎錨定鬆脫等，對於高大與重型貨架可以依照耐震設計規範進行結構分析檢核。

高架地版

一般高架地版高度都小於90CM，其構造包含鋼管柱、版片、抗震側向系統。高架地板同時屬於加速度敏感與位移敏感設備，可能會在地震時後有過大側向變位或是鋼管柱挫屈破壞，通常可以透過設置斜撐方式提供適當的抗震強度。相關的設計檢討可以依照FEMA 74的規定或是耐震設計規範的規定進行結構計算分析，分析時要注意高架地板上方的設備重量要一併納入計算檢討。

危險品儲存設備

係指長久設置於建築結構的危險品儲存容器，容器包含：錨固於結構體、直接放置於結構體、倒放於結構或是堆放於貨架等。內含物有：瓦斯、高壓氣體鋼瓶、乾濕化學物質等。大型工業用的油槽、發電機組、危險品必須依照相關工業標準進行耐震設計，不屬於一般建築物耐震設計包含的範圍。

傳送系統(AMHS)

同時屬於加速度敏感與位移敏感設備，常見破壞包含變形過大、機械設備受加速度過大損壞、軌道與其他建材碰撞受損、電源鬆脫失去動力等。對於必須通過不同建築物的輸送系統，伸縮縫的處理會是很大的挑戰，因為，一般來說輸送晶圓的軌道本身是不會設置彈性接頭的，通常都會採用直接連續穿越伸縮縫，透過軌道懸吊桿件吸收變形，但是依照過去的分析經驗，這些懸吊桿件約有20MM~30MM的容許變形能力，在比較大的地震力作用下還是有可能會超過容許值，不過這類地震應該不常見，可以在比較大地震後進行局部修復作業，所以一般建議AMHS軌道穿越伸縮縫位置最好位於相對位移較小的比較低樓層，或是提高潔淨管橋的勁度以減少變位，例如F12P1連通F12P4管橋就是在L20相接，可以減低變形量需求。相關設計必須依照耐震設計規範的規定進行結構計算分析。

耐震設計規範對設備抗震的規定

目前最新版2011年耐震設計規範已經把設備耐震分離出來，條文如下「有關機械及電器設備之地震力大小計算請參照內政部建築研究所研究案編號：MIOS891008 建築設備耐震規範條文與解說之研訂」，其他建築裝修部分之耐震設計，可參考日本之建築非結構之耐震設計指針，IBC2000，或FEMA273、274、302 與303 等規範與解說。

2011規範設備最小地震力：

2006規範設備最小地震力：

每個參數所代表的意義如下：

Fph=設備所承受的地震力

Wp=設備本身重量

0.4SDS

475年回歸期最大地表加速度，例如

竹科0.4S_DS=0.4*0.7=0.28g

中科0.4 S_DS =0.4*0.8=0.32g

南科0.4 S_DS =0.4*0.7=0.28g

I_p：用途係數(可以採用1.0,1.25,1.5等)目前TSMC對於設備耐震都採用I_P=1.5，已經是相當於消防隊救災等級的最高標準。

a_p (詳表C4.1)：動態放大因子，例如採用活動隔震基座的設備a_p為2.5會有比較大的共震放大係數，而採用固定式基座設備a_p為1.0不會放大地震力，兩者相較會有2.5倍差距。

R_p (詳表C4.1)：設備之地震反應折減係數，一般都採用1.3，對於僅容許小量變形配件及接著部採用1.0，加大地震力以限制韌性的發揮空間。

要特別注意的是，在2011年版與2006年版TBC有關設備地震力計算有大幅度的變更，兩版在Rp值有很大的不同，以AMHS為例，2006年版Rp=2.5，但是在2011年版改為Rp=1.3，由於之前2006年版Rp不能直接作為計算參數，必須以容許韌性Rpa計算，所以依2006年版Rpa=1+(Rp-1)/1.5=2.0，對於最後的地震力係數的差異為2.0/1.3=1.538，也就是地震力會增加53.8%，有相當大的增幅。

↑ 代表樓層架速度放大係數，hx為設備所屬高程，hn為屋頂高度，越是靠近屋頂會有越高的放大係數，例如當hn=hx屋頂設備放大係數為(1+2)=3，這項係數與屋頂的絕對高度無關，例如放在FAB屋頂上的設備所受地震力與管橋屋頂所受地震力放大係數是相同的。過去在F12P4與F12P1連通橋的設計過程中，採用動態模擬AMHS軌道固定於管橋屋頂所會延生出的加速度放大係數，來驗證規範對這項係數的合理性，分析採用地表加速度PGA=80gal作為輸入值，屋頂的加速度約放大為250gal，放大倍率約為3倍，可以看出TBC 2006規範對屋頂放大係數的考量算是相當合理。

對於a_p放大係數的驗證則是採用分析完成的屋頂加速度作為構架輸入地震波動，來驗證規範所訂的a_p=2.5參數是否合理，依照變行分析結果來看，規範靜態地震力變形量為24MM，動態地震歷時分析PGA由80gal放大到PAG=290gal，AMHS變形量應為7.1*290/80=25.7MM，與規範靜態分析結果接近。可以看出TBC 2006規範對於懸吊型的設備採用2.5倍動力放大係數做法算是合理。

結構模擬

結構分析過程必須能夠反應實際使用時受力狀況，以AMHS軌道系統為例，軌道車的密度與貨物荷重都必須納入考量。目前採用的分析設計軟體是SAP2000。

在設計分析過程中，常常會需要與設備供應商之間就構件類型與設計方案做來回溝通討論，由於設備廠商備料有一定的限制，相關設備也有運轉空間上的需求，所以結構分析的建議方案不一定會是最有效的解決方案，要經過討論後才能決定最經濟合理的方式。

最終的檢核過程還必須包含強度與變形量的檢討，與其他主體結構的接合介面也必須檢核螺栓強度，由於TSMC的供應商可能位於海外，相關的材料規格必須在設計初期就要能釐清，並且由供應商取得相關參數，分析軟體也要能支援設計規範，例如對鋁構件的強度檢核就必須用AA-ASD2000規範。

跨越伸縮縫

當管線跨越伸縮縫時，所有的管線都必須依照所對應的活動量設置彈性接頭，在MEP工程發包時會提供附帶TSMC 15245 MECHANICAL SEISMIC CONTROL 規範，其中有標示建築物相連接位置的伸縮縫寬度需求，承包商必須依照設備所屬高程與位置查出各棟需求再相互疊加，例如疊加完的結果若是40MM，這可能只是單方向縮短的需求，若同時考慮伸長與縮短就會變成是±40MM也就是80MM的總變形量。

變形量疊加的方式建議可以依照規範採用最大值疊加方式:

對分別附屬於不同結構系統A、B 之設備的兩個不同樓層（X 及Y）錨定點，其相對位移依下式計算：

Dp＝| δ_xA |+| δ_yB |

請注意δ_yB：是指於大地震時結構系統B在樓層y 的位移，所謂的大地震就是指475年回歸期的大地震，以竹科為例就是0.28g，這變位與一般80年回歸期結構彈性分析所對應的變形量不同，通常會有2.5~3.0倍的差距。當然在 15245規範中所附的變形量參數，已考慮過這種大地震放大因子，只是在使用上還是必須清楚這種風險考量的程度與背景。

沒有考慮到的風險

目前對設備所進行的結構分析通常只限設備固定基座的錨定，對於貨架、AMHS等構架比較清楚的設備還可以延伸到結構構件，但是對於自走車等複雜的機械機構，就不會在結構分析中被檢核，其他如追日型的太陽能板馬達或是油壓控制機構也很難分析檢核，這些部分還是要依賴設備廠商的設計單位處理，甚至必須透過結構試驗才能驗證這些複雜機構的能耐。

新城斷層列管

新城斷層已經被中央地調所列為第一類活斷層，目前內政部已委託國家地震中心修改耐震設計規範，未來將會在下一次修法時候列管，到時後竹科的設計地震力會比現行的規範增加約15%，可能的公告日期應該會在2012年，雖然法律不溯及過往，但勢必會對未來的建築物有相當的衝擊，過去設備廠商所習慣採用的構件也不一定能繼續沿用，這些衝擊還有待後續追蹤處理。

結論

目前國內對設備耐震規範還有很多的改善空間，最明顯的例子就是2011年的最新版耐震設計規範還會引用民國89年的技術報告作為MEP設備的準則，而且規範更迭後地震力會加大50%以上，其合理性很值得探討，地震力的增加就表示費用的增加，此外由於設備廠商基本上都是採用標準化量產，要如何克服這種特殊化的耐震需求也是個挑戰。

耐震設計規範列管斷層將會由7條增加為13條，對未來新建廠與新添購設備會有相當大的影響，當初廠房主體結構地震力設計用途係數若有提高為I=1.25應可以涵蓋這些加大的地震力，MEP採用Ip=1.5也應該足以考量這些衝擊。

未來其他製程設備若都納入抗震檢核，相關的機械與結構界面還有待進一步釐清，這可能都要在實際案例的執行下才有機會去進一步發掘。