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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一○六年五月二十日

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總  主 筆:周子劍
本期主筆:周子劍
執行編撰:李惠華
文字記者:許素梅

RC隔間牆:國內常見樓層建築物之RC牆破壞模式探討

楊雨潔1、林智隆1、劉德賢1、涂耀賢2、邱聰智3、鍾立來4、劉俊秀5

1交大土木系碩士2德霖土木系副教授3國震中心副研究員

4台大土木系教授5交大土木系教授

1.  研究動機

我國建築物不論是低矮型建築或高樓集合住宅,為區分活動空間以及住戶區隔的需求,在建築物內設置大量的隔間牆、隔戶牆與外牆,此類牆體之鋼筋量配置,僅達到溫度鋼筋需求,屬於非結構牆,而工程師於設計分析時,均將其忽略。

對於高樓建築中配置RC隔間牆之試驗結果,研究團隊曾於技師報1034期發表「RC隔間牆,對高樓建築結構耐震能力之影響」[1]介紹。本期就低矮型建築及高樓集合住宅兩種建築物中,RC隔間牆含牆構架之破壞形式及耐震行為,以試驗結果說明之。

2.  試體設計細節

我國高樓集合住宅多為12層樓以上之建築物,依據黃科銘等[2] 之研究顯示12層樓之柱尺寸約為100100cm;而低矮型建築物柱斷面尺寸,則約與建築物高度成正比,若以四~五層樓之建築物而言,柱斷面尺寸約為4040cm。我國普遍將RC隔間牆,設置於兩柱之間,牆厚為12cm,樓層淨高約為300cm、柱心到柱心之跨距常見為600cm

本文選取柱深100cm正方形之單跨單層含牆構架,代表高樓層建築;柱深40cm正方形之單跨單層含牆構架,代表低矮型建築。兩座試體均填充厚度12cm RC牆,牆體配置單層雙向(水平及垂直向)鋼筋,鋼筋量僅滿足規範之溫度鋼筋規定。

為考量試驗場施力系統容量及試體最大強度需求,故將原尺寸縮尺50%,兩座試體之編號,分別為C50W6C20W6C50W6表示構架之柱為5050cm方形斷面,構架內填充6cmRC牆,柱深與牆厚比值為8.3C20W6表示構架之柱為2020cm方形斷面,構架內填充6cmRC牆,柱深與牆厚比值為3.3。試體斷面尺寸及設計細節如圖1所示,其材料強度如表1、表2所示

1 試體尺寸與柱鋼筋配置

 

1 混凝土抗壓試驗表

試體代號

齡期(天)

設計抗壓強()

試驗抗壓強度()

C50W6

49

245

277

C20W6

69

245

339

 

2 鋼筋抗拉試驗表

鋼種

編號

設計降伏強度()

試驗降伏強度()

SD420W

D22(#7)

4200

4745

竹節鋼筋

D25(#8)

4200

4765

SD280W

D13(#4)

2800

3779

竹節鋼筋

D7(#2)

2800

3761

3.  試驗結果

試體測試採擬動態推拉試驗,藉由致動器在試體一側進行反覆推拉,試體測試前先於梁頂施加軸力, C50W6試體施加180tf軸力;C20W6試體施加84.1tf軸力。以下摘錄說明兩座試體測試過程中主要階段之觀察。

1C50W6試體測試結果

側推試驗之遲滯迴圈如圖2,破壞包絡線則如圖3所示,試驗最大強度為2294kN,發生於層間變位角(梁中心水平位移除以梁中心至柱底的高度)Drift Ratio = 0.375%時,此時的裂縫發展如圖4所示,裂縫為對角傾斜發展,裂縫由柱外側頂部向下傾斜,經過牆板至另一側柱底的外側。當極限強度發展後,破壞包絡線出現近似平台段,平台段範圍Drift Ratio = 0.75%~3.0%,平台段之起點(Drift Ratio = 0.75%)之強度為1683kN,裂縫發展如圖5所示,圖中顯示牆板除出現較極限強度時,更多的對角剪力裂縫外,牆體沿梁底部出現水平寬且大的裂縫,沿兩側邊界柱垂直界面出現些微垂直界面裂縫。柱身出現較極限強度時更多的斜裂縫。平台段之終點(Drift Ratio = 3.0%)之強度為1607kN,裂縫發展如圖6所示,圖中顯示牆板除出現寬大的對角剪力裂縫,沿兩側邊界柱及梁的周邊出現明顯ㄇ字型寬且大的裂縫,單一側柱身出現明顯剪力裂縫,另兩側邊界柱身的斜裂縫明顯較平台段起點(5)多了很多。隨後強度開始下降,最終實驗結束於Drift Ratio = 5%,此時強度剩447kN,低於極限強度之20%,此時的裂縫發展如圖7所示,除寬大的對角剪力裂縫外,沿兩側邊界柱及梁的周邊出現明顯ㄇ字型寬且大的裂縫,兩側柱身上下兩端均發生寬大的X型剪力裂縫,柱的保護層剝落嚴重、柱主筋挫屈、柱箍筋爆開。

 

2  C50W6遲滯迴圈

  3  破壞包絡線
     
 
4  C50W6極限強度點裂縫發展   5  C50W6平台段起點裂縫發展
     
 
圖六 C50W6平台段終點裂縫發展   圖七 C50W6試驗結束點裂縫發展

2C20W6試體測試結果

側推試驗之遲滯迴圈如圖8,破壞包絡線如圖9所示,試驗最大強度為1110kN,發生於層間變位角Drift = 0.5%時,此時的裂縫發展如圖10所示,裂縫為對角傾斜發展,裂縫由柱外側頂部向下傾斜,經過牆板至另一側柱底的外側。當極限強度發展後,正向與負向施力的破壞包絡線不同,正向施力線型發展較為平坦,而負向施力線型發展呈現急速下降。最終實驗結束於Drift Ratio = -0.75%時,發生構架喪失軸力承載能力,軸力加載系統無法加載,此時的裂縫發展如圖11所示,與Drift = 0.5%時之裂縫數近似,裂縫僅略微變寬,但在兩側柱底發生明顯混凝土握裹劈裂裂縫。於Drift Ratio = +0.75%時之側力為1033 kN,而Drift Ratio = -0.75%時之側力為233 kN。發生此現象研判是由於進入Drift Ratio = -0.75%時,發生柱底混凝土握裹劈裂裂縫,致使構架喪失軸力承載能力。

 
8  C20W6遲滯迴圈   9  C20W6破壞包絡線
     
 
10  C20W6極限強度點裂縫發展   11  C20W6試驗結束點裂縫發展

3)測試結果討論

C20W6試體之邊界構材尺寸相對於牆版厚度較小,故而其抗側向能力相對小於牆板,在牆板損壞時,邊界構材亦一併損壞,因而試體沒有呈現出邊界構材獨立抗彎構架的能力。反觀C50W6試體之邊界構材抗側向能力較強,在牆版損壞後,邊界構材損壞有限,因而邊界構材仍可發展獨立抗彎構架的能力。此兩座試體測試結果呈現出兩種不同的破壞行為,亦即顯示隔間牆設置於不同總樓層高度之建築物中,所發生之破壞模式不同。

含牆構架在極限強度前,柱與牆兩者合為一體,因斷面屬深短構件,因此偏向於剪力主控,柱牆之剪力強度與各別斷面積成正比,我國多將RC牆填充於兩柱間,而柱之斷面常取為正方形,故柱與牆之剪力強度可以柱深對牆厚的比值呈現。本文討論的兩座試體之柱斷面均為正方形,試驗結果顯示,當柱深與牆厚比值達8.3時,於牆板損壞後,可發生邊界構材獨立抗彎構架的能力;當柱深與牆厚比值僅3.3時,於牆版損壞後,無法保有邊界構材獨立抗彎構架的能力。

上述本文探討之隔間牆係採用12cm厚,然工程師亦常用15cm以上之牆體。由上述試體行為描述,如在柱深70cm之中高樓層(7~8層樓)中填充20cmRC牆,其柱深與牆厚比值為3.5,應較偏向於低矮型建築之無法保有邊界構材獨立抗彎構架能力行為。

4.  結論與建議

結果顯示,屬高樓建築之含牆構架,先發展RC牆行為,在RC牆損壞時達到試體之極限強度,隨後由邊界構材繼續發展抗彎構架的能力。而屬低矮型建築之含牆構架,雖亦先發展RC牆行為,但在RC牆損壞時即達到試體之極限強度,邊界構材亦達到損壞程度,無法發揮其獨立抗彎構架的能力。此試驗結果說明,高樓建築與低矮型建築之含牆構架分析,應開發不同的分析模式。

由上述顯示,工程師忽略之RC隔間牆,設置在不同的總樓層高度建築物時,將會呈現不同的破壞模式。此現象應與柱深度對牆板厚度的比值有關,本研究團隊將於後續探討不同柱深對牆厚的比值與破壞模式的關係。

參考文獻

[1]   劉德賢、涂耀賢、邱聰智、周逢霖、鍾立來、劉俊秀、江文卿(民國105101日)。「高樓建築物中RC隔間牆對耐震能力影響探討」。台灣省土木技師公會,技師報, 1034

[2]   黃科銘、陳建成、蘇子倫、沈伊婷(民國103222日)。「以柱斷面尺寸判斷建築物加蓋之可能性」。台灣省土木技師公會,技師報, 898

本文作者更正啟事: 技師報1034期「RC隔間牆,對高樓建築結構耐震能力之影響」[1]一文中,C50W6試體施加180tf軸力誤植為376tfC50試體施加147tf軸力誤植為192tf,特此更正。 

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