從臺灣建築抗震規範 談震害崩潰房屋之鑑定取樣與災變分析(一)

壹、概述

根據我國建築物耐震設計基本原則,是使建築物構造體在中、小度地震時,能夠保持在彈性限度內,使地震過後建築物的抗震構造體沒有任何損壞,以避免建築物需在中、小度地震後修補之麻煩。

建築物構造的設計地震不是真正的地震力,因為它藉由韌性消能機構,來折減建築物地實際地震力,即構造主要抗震構件的韌性設計;因此,設計地震力遠比實際地震力小很多,如圖一所示。依照耐震設計規範之規定,設計地震力是以回歸期475年之地震,在50年內發生大地震,其超越機率約為10 %左右的假設條件下,在這設計地震力考慮下,設計的建築物不能產生嚴重損壞,以避免造成嚴重的人命及財產損失;至於重要性較高的建築物,它的地震所對應的回歸期更長。

此外,建築物的設計地震力,也有考慮最大地震發生時的可能性,這個最大地震是以回歸期為2500年內發生毀性地震為考量,這種地震發生的機率,為50年超越機率約為2 %左右。目的在使建築構造物於此罕見之烈震下不會產生崩塌,可以避免發生嚴重之損失或造成二次災害。

規範所規定之設計地震力,是屬於最小設計地震力,任何設計如有需要,都可以大於這個最低限度值,但絕對不可以低於規範規定的設計地震力值。

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圖一 建築物的設計地震力、側向變位、層間位移角與破壞程度關係示意圖

接下來談建築結構的抗震系統的分類。依目前科技建築物的抗震系統,概可分為三大類:耐震、制震與隔震。

一、耐震系統

耐震系統是世界各國普遍廣泛採用對抗地震防災之系統。在鋼筋混凝土建築的耐震系統,是利用緊密箍筋的圍束效果,使混凝土在承受高應力反覆作用下產生微細裂縫,藉由箍筋的緊密配置,使圍束範圍內之混凝土核心,即使開裂破碎,但不至於被排擠出圍束箍筋的外面,使抗震構件仍具有一定程度的軸力、剪力(含扭力)及彎曲力矩的承載容量,使建築物不會因此崩塌。

至於鋼構造,則是利用鋼骨降伏後的降伏強度,來繼續提供一定程度的軸力、剪力(含扭力)及彎曲力矩等承載容量。鋼構造使用之鋼骨材料,雖然相較於混凝土具有均質性,但它的脆弱位置,最容易發生在於銲接或鉚栓或螺栓接合的位置上。因為銲接產生的高熱,使得銲接位置及鄰近位置的材質結晶排序與材質的改變,較容易脆化;栓接位置則因為栓孔的排序、相鄰間距、連接板之厚度與強度等等的影響,造成撕裂傷或脆斷,加上為防火之需要,表面做防火披覆處理與外飾裝修材料等所覆蓋,因此,在大地震襲擊時,在構件接合處發生的損害,不會像鋼筋混凝土構造來的顯明易見。

二、制震系統

我國在1999年921大地震之後,從國外引進、或國內學者研究開發制震與隔震裝置元件;自此,我國的抗震設計,從耐震設計進入制震與隔震共同使用的時代。

制震系統是利用經特殊設計的消能構件,如:採用單擺設施、低強度降伏鋼材的耐震間柱、BRB消能斜撐(位移型)及黏遲滯性消能斜撐或剪力牆(速度型)等,配合安置於構造的抗震體系裡,使與主要耐震構件共同抵抗來襲的地震。

這些制震構件的消能特性,係以挫曲變形、高度軟化降伏或黏力的遲延緩阻,來吸收地震的能量,以達到減少地震對於建築構造物的直接衝擊,避免破壞。

三、隔震系統

建築構造物受地震發生的影響,主要有地震發生初期的垂直地震波(壓縮波,又稱P波),及隨後而來之水平搖晃的剪力波(稱為S波)及表面波。

隔震從字面上看來,好像是阻隔地震的侵襲,使建築構造物不受的震的災損;事實上,今天的隔震系統,僅針對水平側向地震力,具有大幅降低的功效而已,對於垂直地震仍然束手無策。

隔震系統使用的隔震消能裝置,是利用一層(裝置層)的空間,在建築構造物興建之時,按照設計的位置,安置在主抗震構件隔震基礎樑柱位的下方,這些隔震消能構造元件,利用其具有相對柔軟性與可容許大量側向變形的功能,來吸收反覆作用的地震能量,僅讓少量的地震效應,傳給該裝置上方建築構造物。

貳、臺灣的建築構造物的抗震規範演進史

我國自民國63年02月15日起,正式對建築物構造實施抗震相關要求。以下就我國內政部頒布施行建築技術規則,自民國63年02月15日起至民國94年07月01日間,相關建築構造物的抗震之設計最小地震力、結構系統之要求與耐震特別規定等規定,抄錄如下:

一、地震之最小總橫力

(一)民國63年02月15日規範第43條(630215-710615)規定,地震之最小總橫力(V)為V=KCW。

(KC)為橫力係數

一般建築物(不超過30m之10層樓)構造,其震力係數(C)可假定為0.1。10層樓或30m以上建築物構造之震力係數(C)可依下式計算:

C=0.1/1108-3-5 但不必大於0.1。

(T)秒,基本振動周期,可測得或計算之;缺少資料時,可依下式計算:T=0.09hn/1108-3-4

(hn)公尺,地面至屋頂面高度。

(D)公尺,平行橫力方向建築物之尺度。

若剛構架建築物,未受其他加勁構材妨礙其抵禦橫力時,基本振動周期(T)可假定為樓層數1/10。

特殊高層建築物之振動周期,應由熟習研究之專門技師,集議研究規定,並經主管建築機關同意後應用之。

組構係數(K)應依下列規定:

1、具韌性立體剛構抵禦全部橫力者,K=0.67。

2、韌性立體剛構與剪力牆,依下列方法之一共同抵禦橫力,K=0.80。

(1)剛構與剪力牆相互作用,依剛度比分別抵禦橫力。

(2)剪力牆除與韌性立體剛構分開作用外,並能抵禦全部橫力。

(3)韌性立體剛構能抵禦1/4 以上橫力。

3、無構架全由剪力牆抵禦全部橫力,K=1.33。

4、前列以外結構方式,及能完全符合韌性立體剛構耐震要求時, K=1.00。

5、建築物以外亦不包括於本章第46條之規定者,K=2.00。

6、不支架於建築物上,單獨支撐架立之水塔及水箱,K=3.0。

(W),建築物重量包括隔間牆重量在內之全部靜載重與1/4活載重。倉庫、書庫、水箱、水池等改用全部活載重。

強烈地震地區,其最小總橫力不得少於本條規定之1.25倍。

輕度地震地區 ,其最小總橫力為本條規定之75%。台灣區各地地震分區應依附圖及分區說明規定。

(二)民國71年06月15日規範第43條(710615-860501)構造物所受地震之最小總橫力(V)及震區之劃分,V=ZKCIW。

(Z),震區係數。強震地區為l.0,中震地區為0.8,弱震地區為0.6。

(K),組構係數,

(C),震力係數之規定如下:

震力係數(C)依下式計算:

臺北盆地

C=0.248/T

但不必大於0.15,亦不得小於0.0625。

前項所指之台北盆地包括台北市及台北縣、三重市、新莊市、板橋市、中和市、永和市、新店市、蘆卅鄉、五股鄉、泰山鄉、樹林鎮、土城鄉。

台北盆地以外地區

C=1/81108-3-2 但不必大於0.15。

(T)秒,基本振動周期,依下式計算:

1、剛構架構造物,未受其他加勁構材妨礙其抵禦橫力者:

鋼筋混凝土建築物T=0.061108-3-3

鋼構造建築物T=0.0851108-3-3

(hn)公尺,基面至屋頂面高度。

2、其他構造物: T=0.09hn/1108-3-4

(D)公尺,平行橫力方向構造物之尺度。

基本振動周期得用其他結構力學方法計算,但所用之值不得大於上列三式計算所得值之1.4倍。

省(市)主管建築機關基於地區土層之情形,或其他相關因素之考慮,並經可信技術資料之證實,報經中央主管建築機關之核可,得另訂替代之震力係數。但其對應之震力係數不得小於本編第44條規定震力係數之80%。

組構係數(K)依下列規定:

1、僅具韌性立體剛構架,並由其抵禦全部橫力者,K=0.67。

2、韌性立體剛構架與剪力牆(或斜撐鋼架)共同存在,並依下列規定設計者,K=0.80。

(1)剛構架與剪力牆(或斜撐剛架)具互制作用,且依其剛度比,共同抵禦全部橫力。

(2)剪力牆(或斜撐剛架)與韌性立體剛構無分開作用,剪力牆(或斜撐剛無)應抵禦全部棋力。

(3)韌性立體剛構架應抵禦全部橫力1/4 以上。

3、不具完整豎向承重之立體剛構架(箱式構造物),由剪力牆(或斜撐剛架)抵禦全部橫力者,K=1.33。

4、前列以外之構造物,及不能完全符合韌性立體剛構耐震要求者,K=1.00。

5、建築物以外不包括於本編第46 條之規定者,K=2.00。

6、不支架於建築物上,單獨以四個以上具交叉斜撐架之水塔及水箱,K=2.50。但(KC)值不得小於O.23。

(I),用途係數,依本編第44-1條規定。

(W),建築物全部靜載重及本編第21條規定活動隔開之重量。但一般倉庫、書庫等之(W) 應為全部靜載重加上至少1/4活載重;水箱、水池尊容器之(W),應為全部靜載重加上全部內容物之重量。

2、台灣地區震區劃分依附圖及震區說明。各地區皆應依照本節規定並依本編第5章、第6章有關耐震規定,設計建造建築物,使各主軸向構造,均能承受最小總橫力。

用途係數(I)依下列規定:

1、災害發生,必需維持機能之重要建築物及儲存多量危險物品之建築物,I=1.50。

(1)消防及警務單位使用之建築物。

(2)醫院及衛生所等類似用途之建築物。

(3)發電廠、自來水廠、儲存瓦斯及石油之廠庫。

(4)儲存多量危險物品之建築物。

(5)其他經中央主管建築機關認定之建築物。

2、在列供公眾使用之建築物,I =1.25。

(1)學校、體育館、博物館、美術館、圖書館、集會室、商場、市場,及供300人以上聚會一室之其他類似用途之建築物。

(2)電影院、劇院、演藝場、歌廳、舞廳、夜總會、保齡球館及其他類似用途之建築物。

(3)其他經中央主管建築機關認定之建築物。

3、其他建築物,I=1.00。

(三)民國78年05月05日規範,因於民國75年11月15日花蓮地震,造成當時臺北市復興南路裕台大樓剪力牆主結構破壞傾斜,連續壁破裂;臺北縣中和市(現新北市中和區)員山路的華陽市場崩塌,因此根據這次地震對地層的影響,修訂震力係數(C)。

台北盆地:C=0.248/T,但不必大於0.15,亦不得小於0.0625。

前項所指之台北盆地包括台北市及台北縣、三重市、新莊市、板橋市、中和市、永和市、新店市、蘆洲鄉、五股鄉、泰山鄉、樹林鎮、土城鄉。

台北盆地以外地區 C=1/81108-3-2 ,但不必大於0.15。

(四)民國86年05月01日規範第42 條(860501-931214)規定建築物構造之耐震設計、地震力及結構系統,應依據下列規定設計:

建築物之耐震分析可採用靜力分析方法或動力分析方法,其適用範圍由規範規定之。

第43條規定有關震區之劃分由地震主管機關公告之;第43-1條(860501-931214)建築物構造採用靜力分析方法者之規定如下:

1、適用於高度未達50m或未達15層之規則性建築物。

2、構造物各主軸方向分別所受地震之最小設計水平總橫力V應考慮下列因素:

(1)應依工址附近之地震資料及地體構造,以可靠分析方法訂定工址之地震危害度。

(2)建築物之用途係數值(I)如左:建築物種類依規範規定。

a.第一類建築物:I=1.5。

b.第二類建築物:I=1.5。

c.第三類建築物:I=1.25。

d.第四類建築物:I=1.0。

(3)應依工址地盤軟硬程度或特殊之地盤條件,訂定適當之反應譜。地盤種類之判定方法依規範規定。使用反映譜時,建築物基本振動週期得依規範規定之經驗公式計算,或依結構力學方法計算。但所得周期值不得大於經驗公式周期值1.4倍。

(4)計算地震總橫力時,建築物之有效重量應考慮建築物全部靜載重。至於活動隔間之重量、倉庫、書庫之活載重百分比及水箱、水地等容器內容物重量亦應計入;其值應依規範規定。

3、最小總橫力應豎向分配於構造之各層級屋頂。屋頂外加集中橫力係數反應建築高振態之效應,其值與建築物基本振動周期有關。地震力之豎向分配依規範規定。

4、建築物地下各層之設計水平地震力依規範規定。

5、重直地震力應考慮地震震央發生於陸地及屬淺層地震之強震地區之情況。

二、結構系統之要求

根據民國71年06月15日至民國86年05月01日之規範,對結構系統之要求如下:

1、韌性要求

(1)各種建築物之組構係數(K)值,如用0.67或0. 80,該建築物應為韌性立體剛構架,其設計依本章第5章、第6章有關該類構架之耐震規定。

(2)高度50m以上之建築物,須具至少抵禦1/4地震總橫力之韌性立體剛構架。

(3)凡用於抵禦部份橫力之混凝土立體剛構架、及位於豎向支承周邊線上之混凝土剛構架,應為韌性立體剛構架。但後者設計以剪力牆承受全部橫力者,得按下款規定設計之。

(4)凡剛構架不設計為抵禦橫力者,須具足夠能力以承受豎向載重、及因橫力引起變形之(3/K)倍之衍生彎矩。其他構體之勁度依本篇第48條規定。

(5)立體剛構架及韌性立體剛構架,得圍接以剛性較高之構體。但構體之作用或破壞,應不得妨礙立體剛架抵禦橫力之能力。

(6)斜撐剛構架依本篇第43條所定之最小總橫力1. 25倍設計,其接頭之設計,應使各構體充分發揮耐實能力,或依據上述之最小總橫力,在不提高材料容許強受下設計之。

(7)建築物之鋼筋混凝土剪力牆依本編第6章之規定。

(8)構造物之組構係數(K) 取為0. 67及0. 80,地下之構體應依本篇第5章、第6章有關韌性構造之規定設計,使能傳力於基礎。

2、設計要求

(1)現有建築物或構造物,若有局部變更,其變更後之結構系統,應能抵禦原設計採用之橫力。

(2)構造物之磚石構體或混凝土構體,依本篇第3章及第6章之規定,以鋼筋加勁之。磚石構體用於立體剛構架之建築物,其主鋼筋之間距應依Cp=0.35計算,但不得大於60cm。

(3)橫力與豎向載重共同作用,應考慮靜載重與活載重引起之合成應力,但屋頂之活載重不計。並應考慮最小豎向載重及橫力引起之合成應力。(待續)

 

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