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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


中華民國一一一年三月五日

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本期主筆:楊耀昇
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文字記者:許素梅

談 結構設計理念與建築物耐震性能(

蘇源峰、楊金龍、徐茂卿  技師

一、前言

一般建築物的使用年限約50年,而台灣平均每隔30年,會發生一次大地震,且法規對於建築結構的耐震安全性能,只規範最低需求:「小震不壞、中震可修、大震不倒」。

"小震”相當於“50年內超越機率為80%的中小度地震”;而“不壞”代表結構設計強度=韌性設計地震力=中小度地震力,結構體彈性受力、不需修復及補強。

“中震”相當於“50年內超越機率為10%的設計基準地震”;而“可修”代表結構設計強度<設計基準地震力,結構體產生塑性變形,局部結構強度降低、破壞,需要修復及補強。

“大震”相當於“50年內超越機率為2%的最大可能設計地震”;而“不倒”代表結構體嚴重受損,但是不能傾斜、倒塌,造成人命傷亡;不過,修復及補強不易、必須拆除。

上述的地震強度,是以地震的地表最大加速度PGA(≒震度)定義,然而實際作用在建築物的地震力大小,除了與震度有關外,也跟地震與結構產生共振效應的程度,有很大的關係。

建築物的破壞、傾斜及倒塌,會造成居住者重大的財產損失及人命傷亡,嚴重浪費社會資源。由於結構耐震分析設計軟體及消能、隔震設施發展迅速,結構耐震性能很容易達到大震不壞的等級,甚至還能兼顧營建成本及居住機能性;以往利用結構桿件產生韌性破壞、降低地震力的設計理念,已經不能滿足居住者的需求。

本文旨在闡述強震不會破壞的隔減震設計理念,及中強震會破壞的韌性設計理念;且兩者皆與結構強度及共振效應有關。

二、地震力與結構強度

1.震度

震度是以建築物地表最大加速度PGA或最大速度PGV分級,如表1所示。震度5弱相當於小震,震度5強相當於中震,震度6弱相當於大震;而5級以上的震度是以代表地震能量的PGV表示,可進一步反映震害與震度的關連性。

6.韌性設計震譜

將最大可能設計震譜或設計基準震譜的反應加速度,分別依照週期給予不同的折減,即為韌性設計震譜,如圖2所示,幾乎是921地震反應譜的下限值。以台北盆地的鋼構高樓為例:韌性設計地震力約是最大可能設計地震力的26%

7.減震設計震譜

依照阻尼比ξ多寡折減最大可能設計震譜。以台北盆地的鋼構高樓為例:阻尼比ξ=0.25的減震設計地震力是最大可能設計地震力的64%;亦即減震設計地震力是韌性設計地震力的2.46=64%/26%

三、韌性設計

1.理念

利用構架內的梁、柱及牆產生韌性變形,延長結構週期、消散地震能量及降低地震力。圖2所示為韌性梁柱構架及韌性剪力牆,且任何會妨礙構架韌性變形的因素,都必須加予考慮。

2.忽略梁與樓板為複合斷面

梁的韌性變形是韌性設計最主要的消能機制。一般分析設計,假設梁斷面為RC矩形梁或鋼造工字梁;然而,實質上梁是結合RC樓板的TL形斷面,會影響梁的消能作用。

3.忽略RC隔牆

梁柱構架內外,存在許多厚度15 cmRC隔牆,這些RC隔牆會束制梁柱構架的韌性變形,造成韌性梁柱構架變成非韌性的梁柱牆構架,導致消能機制喪失、地震力未能折減。

忽略RC隔牆,是造成國內震害重發生最主要的原因;這些震害包括軟弱層、短桿件及偏心扭轉破壞,如圖3所示。

軟弱層破壞梁柱牆構架,一樓樓層較高、牆量較少,或二樓部分樓板挑空,造成一樓與二塿共同形成軟弱層。由於梁柱牆構架沒有降低地震力的消能機制,遭遇共振效應明顯的中大地震,地震作用力會超越軟弱層的結構強度,造成軟弱層破壞、變形放大;如果變形過大,而軟弱層無法承受上部結構的重量,會造成完好的上部結構傾斜或倒塌。軟弱層破壞,同樣也會發生在低矮建築,表3顯示921地震1-6F的破壞比例將近95%

短桿件破壞:如果一樓軟弱層的現象不明顯,遭遇共振效應明顯的中大地震,地震力會超越中低樓層的結構強度,造成中低樓層變形不易的短桿件(牆開口形成的短梁、短柱及短牆,長寬比0.52.0),產生X形斜裂縫脆性破壞。

偏心扭轉破壞:樓層的牆、柱平面配置不規則,中大地震時樓層會產生偏心扭轉,造成牆量較少的邊構架變形放大,導致地震力超越其結構強度而破壞。

4.設計基準震度從5強變6

非韌性梁柱牆構架簡化為韌性梁柱構架,並將耐震係數,從0.24G (震度5)增加到0.264G (震度6),此種設計方式,對於構架的消能作用幫助不大,且會增加結構工料成本、結構重量及地震作用力。

5.SRC構造

RC構造樓層超過30層,因為採用所謂的韌性設計,造成梁、柱斷面尺寸偏大,影響室內使用空間,所以才改用SRC構造。然而,實質上SRC構造與RC構造設計強度相同,也同樣沒有消能機制,不僅施工繁複,而且營造成本又比RC構造高。日本自1995年阪神地震後,已逐漸減用SRC構造,詳見4,並以新RC構造,配合高強度混凝土、鋼筋及隔震設施代替。

6.SS構造

在耐震設計規範內,在良好的設計條件下,鋼結構系統之韌性容量R可採用4.8,進而提高地震力折減係數Fu,來降低設計地震力。而,鋼結構梁柱接頭之韌性表現便相當重要。國內鋼結構之梁柱接頭,採用梁腹板螺栓接合、翼板工地全滲透銲接的美式工法;然而,1994年美國杉磯北嶺地震,鋼結構震害多發生於梁柱接頭中。目前國內部分建案,改用減弱式梁柱接頭,也應一併檢討樓板及RC帷幕牆效應。

7.制震設計

原理:利用外加的消能元件、和梁柱接頭,一起消散地震能量,以降低梁柱接頭的韌性需求。同樣的問題,樓板、RC隔牆及RC帷幕牆效應,會妨礙梁柱接頭及消能元件的消能作用。

四、隔震設計

1.理念

在結構基礎層裝設柔性的隔震設施,藉以延長結構週期;並利用地盤週期相對較短、而結構週期相對較長的關係,減緩地盤與結構的共振效應、降低地震力。

10樓以下、週期較短的中低樓,透過柔性、低強度的隔震設施,變成週期較長的中高樓;但是,如果結構原先就是中高樓,隔震設計的適用性需要再檢討。

建築物如果不是座落在週期較短的堅硬地盤,而是在週期較長的軟弱地盤,或是建築物工址靠近斷層,兩者皆會產生長週期效應,隔震設計的適用性,也需要再檢討。

2.設計

隔震設施只配合設計基準地震力,且隔震層上部結構,承受最大可能設計地震力允許韌性變形。

隔震元件的力學特性變異性高,設計參數驗證,需要配合實體試驗與性能保證試驗。

3.成本

隔震設施費用高、施工複雜(隔震元件安裝、隔震層碰撞距離、柔性管線及電梯通道等),且需定時維修保養。

五、減震設計

1.理念

考慮最大可能設計地震力、及增加結構阻尼比,大幅減緩共振效應、降低地震力,且高強度結構體彈性受力、不壞。

2.結構系統

一樓RC牆與鄰近梁、柱隔離,一樓柱子成為隔震柱,且部分一樓RC牆的牆頂、與2樓梁底之間,以阻尼器連接形成消能牆;一樓為隔震層,而二樓以上與一般梁柱牆構架相同,如圖5所示。如果是鋼構造:一樓使用消能斜撐等消能設施,而二樓以上使用一般斜撐。

3.設計

阻尼器,取代梁、柱及牆韌性破壞消能,且消能牆減少約40%的最大可能設計地震力,也承擔隔震層將近一半的結構強度。

以台北盆地以外的RC/SRC構造高樓為例:減震設計地震力是韌性設計地震力的2.36倍,鋼構造則是2.83倍。雖然減震設計採用較高的設計地震力,但是減震設計考慮RC隔牆的結構強度,梁、柱斷面尺寸及鋼筋量的需求,比沒有考慮RC隔牆的韌性設計減少約15%

4.驗證案例一:台南市永康區維冠金龍大樓

6顯示大樓外觀,樓高16層,週期約1.3秒。大樓於2016.02.06美濃地震時,由西向東倒塌,造成596人受傷、115人不幸喪生。4記載最靠近大樓工址的測站(永康區永仁高中CHY064),在美濃地震時的地震紀錄:原始地震紀錄南北向震度5弱、東西向震度5強。

地震震度分級

震度 PGA(cm/sec2) PGV(cm/sec)
無感 0級 <0.8 <0.2
微震 1級 0.8~2.5 0.2~0.7
輕震 2級 2.5~8.0 0.7~1.9
弱震 3級 8.0~25 1.9~5.7
中震 4級 25~80 5.7~15
強震 5弱 80~140 15~30
5強 140~250 30~50
烈震 6弱 250~440 50~80
6強 440~800 80~140
劇震 7級 >800 >140

 

2  RC建築物週期與樓層數關係

建築物週期(秒) 建築物樓層數
0.5 5
1 10
1.5 18
2 25
2.5 35

 

台灣地區921集集大地震所造成對建築物的損害情形

 

4 台南市、花蓮市震損建築物工址的地震紀錄

測站 原始地震紀錄 最大可能地震紀錄
PGV PGA 震度 PGV PGA 震度
(cm/sec) (G) (cm/sec) (G)
20160206美濃地震台南市永康區永仁高中 南北向 19.72 0.115 5弱 75 0.437 6弱
(CHY064) 東西向 40.14 0.14 5強 75 0.261 6弱
20180206花蓮地震花蓮市花蓮商職(HWA008) 南北向 79.93 0.343 6弱 >75 - -
東西向 94.81 0.235 6強 >75 - -
20180206花蓮地震花蓮市花蓮氣象站(HWA019) 南北向 90.46 0.429 6強 >75 - -
東西向 132.96 0.394 6強 >75 - -

 

 
結構與地震的共振效應   台北盆地921地震反應譜
     
 
3  921地震三大破壞模式   日本RC/SRC構造高樓數量統計
     
 
隔震柱減震結構系統   台南市永康區維冠金龍大樓

 

 

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