結構耐震設計:雙塔式建築之樓板剪力傳遞
鍾立來1,2,3、賴濤2、賴昱志2、曾建創1,2、黃國倫4、江世雄5
1國家地震工程研究中心、2國立臺灣大學土木工程研究所、3國立成功大學土木工程學系、4內政部建築研究所、
5臺灣省結構工程技師公會
雙塔式建築結構特性為高樓層分為二棟,低樓層則透過樓板相連在一起,若樓板剪力強度不足,在地震下率先破壞,恐導致二棟塔樓之相接處局部崩塌。而在相接之樓板破壞後,二棟塔樓之束制條件丕變,結構之基本振動週期、剛心與質心之相對位置或地震力之分布,可能超出預期,而形成局部或整體破壞。因此,連接二棟塔樓之樓板相當重要,設定合理之剪力需求,作適當之設計,務必充分掌握雙塔式建築結構之耐震行為,排除非預期之損壞 [1]。
在樓板設計時,若採二棟塔樓同步運動,以此時樓板所受剪力作為設計需求,則會讓相連之樓板承受過小剪力,低估剪力需求;反之,若採二棟塔樓反向運動,則相連之樓板承受過高剪力,高估剪力需求。事實上,在地震作用之過程中,二棟塔樓未必全程作同步運動,亦未必全程作反向運動,故相連樓板之剪力需求,必然介於同步運動及反向運動之間。因此,相連樓板剪力需求之設定,乃雙塔建築結構耐震設計重要之一環。
有鑑於此,本文旨在探討雙塔式建築之相連樓板,參考土木404-100之案例 [2],擴充為雙塔式建築結構,而以二棟塔樓承受同向地震力、僅一棟塔樓承受地震力、二棟塔樓承受反向地震力等三種載重情況,檢討相連樓板之剪力,從而訂定樓板剪力之需求,以免過低或過高。
一、樓板之剪力需求
「混凝土工程設計規範之應用 (土木404-100) 下冊」 [2] 之整體結構設計例,座落於臺中市,為10層樓鋼筋混凝土建築物,高33.3 m,二水平方向各3跨。簡化該案例為柱梁構架系統,並以此為基本,在其旁複製另一棟,使之形成雙塔結構。二棟塔樓在1、2樓之樓板相連 (圖1),3樓及其上之樓層則分離 (圖2),二棟塔樓在二水平方向皆有3跨,相連部分則有1跨 (圖3)。在Y向地震力之作用下,檢討相連樓板之剪力傳遞。二棟塔樓採土木404-100案例 [2] 之地震力,如表1所示。
三、結語
針對雙塔式結構之相連樓板,在地震之過程中,二棟塔樓同時達到最大地震力 (結構最大絕對加速度) 之可能性極低。若僅考慮二棟塔樓受到同向之地震力 (同時達到正最大絕對加速度,或同時達到負最大絕對加速度),則嚴重低估相連樓板之剪力需求,非常不保守。若僅考慮二棟塔樓受到反向之地震力 (一棟達到正最大絕對加速度,另一棟達到負最大絕對加速度),則高估相連樓板之剪力需求,太保守。
因此,本文提出其剪力需求之設定方式,考慮最惡劣之境況(即二棟塔樓受到反向地震力),並依規範取此境況之相連樓板的剪力,折減為0.6倍,以作為剪力需求。
參考文獻
[1] 賴昱志、林聖學、鍾立來、曾建創、黃國倫 (2016)。「結構耐震設計:樓板剪力傳遞之驗證」。技師報,第1018期。
[2] 中國土木水利工程學會(2011)。「混凝土工程設計規範之應用(土木404-100)(下冊)」。混凝土工程委員會,科技圖書。
[3] 內政部營建署 (2011)。「建築物耐震設計規範及解說」。內政部100.1.19台內營字第0990810250號令,自中華民國100年7月1日生效。
[4] 內政部營建署 (2011)。「混凝土結構設計規範」。內政部91.6.27台內營字第0910084633號令訂定,內政部100.6.9台內營字第1000801914號令修正。
表1 塔樓之地震力
樓層 | 樓層地震力 (tf) |
RF | 222.15 |
10 | 143.77 |
9 | 128.49 |
8 | 113.2 |
7 | 97.92 |
6 | 85.8 |
5 | 70.08 |
4 | 54.39 |
3 | 38.5 |
2 | 24.96 |
表2 相連樓板之剪力
境況 | 相連樓板之剪力 (tf) |
二棟塔樓承受同向地震力 | 0 |
僅一棟塔樓承受地震力 | 57.86 |
二棟塔樓承受反向地震力 | 115.71 |
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圖1 雙塔式結構之一、二樓平面圖 | | 圖2 雙塔式結構之三樓及其上樓層平面圖 |
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圖3 雙塔式結構之立面圖 | | 圖4a 左側塔樓相連樓板之自由體圖 |
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圖4b 右側塔樓相連樓板之自由體圖 | | 圖5a 左側塔樓2樓樓板之自由體圖 (二棟塔樓承受同向地震力) |
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圖5b 右側塔樓2樓樓板之自由體圖 (二棟塔樓承受同向地震力) | | 圖6a 左側塔樓2樓樓板之自由體圖 (僅左側塔樓承受地震力) |
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圖6b 右側塔樓2樓樓板之自由體圖 (僅左側塔樓承受地震力) | | 圖7a 左側塔樓2樓樓板之自由體圖 (二棟塔樓承受反向地震力) |
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圖7b 右側塔樓2樓樓板之自由體圖 (二棟塔樓承受反向地震力) | | |