既有鋼筋混凝土校舍結構「高窗短柱」耐震補強工法建議

前言

國內中小學老舊校舍與一般老舊房屋結構經常因廁所或梯間位置配置,高窗作為隱閉又兼通風與採光之用(高窗短柱現象見照片1),此種高窗的配置無形中出現短柱的現象,也因此在歷年來的校舍結構震害中,經常出現短柱破壞的案例,致使校舍結構耐震能力不足。張順益(2001)[1]針對含台度磚牆之鋼筋混凝土構架進行短柱行為的研究,該研究案蒐集了國內112棟中小學校舍之台度磚牆資料進行統計分析,發現柱之淨高寬比小於3之間的比例高達20%。由震後的災害勘查亦可以發現,當柱的淨高寬比小於3時,即可能發生短柱破壞的現象。

張順益(2001)[1]將鋼筋混凝土構架填充不同高度磚牆之實體試驗中,觀察其遲滯迴圈消能的特性結果,發現短柱在地震力作用下之力學行為可歸納如下。

1. 當柱構件之淨高寬比大於或等於4時,可視為是一般柱,一般柱受力後的破壞行為屬於撓曲控制破壞;當柱構件之淨高寬比遠小於4時,則很可能發生短柱破壞現象(高窗短柱試驗破壞情形見照片2 [1] )。

2.柱構材之淨高寬比大於4之試體,觀察其破壞發展行為,發現構架所填充之磚牆於受力後,磚牆的破壞與否將明顯影響構架之遲滯消能行為。若磚牆沒有發生破壞,此時撓曲塑鉸很可能發生於柱有效淨高的兩端。若磚牆發生破壞,構架邊柱的有效淨高將回復到原始柱高,此時撓曲塑鉸可能發生於原始柱高的兩端,但因柱底受到台度磚牆之圍束,靠近基礎附近之塑鉸發展可能受破壞磚牆的限制而較不易形成,因而撓曲塑鉸會發生於柱頂。

3.短柱破壞發生的臨界條件可以經由估算磚牆的剪力強度以及邊柱的剪力強度來預測磚牆是否發生破壞,進而確認是否發生短柱破壞。對於含台度磚牆進行耐震詳細評估時,可提供設定邊柱塑鉸位置的參考,進而提升分析結果的可靠性。

4. 現階段的耐震詳細評估為了保守起見,將決定磚牆剪力強度的紅磚與水泥砂漿的抗壓強度進行大幅度的折減,此折減對於四面或三面圍束磚牆確實能達到保守評估的目的,然而對於台度磚牆則未必是保守的評估。因為紅磚與砂漿的強度經過折減之後,將可能低估台度磚牆的剪力強度,進而預期磚牆將先發生破壞而不會發生短柱破壞。如此一來,除了無法得到可靠的耐震詳細評估結果外,亦將錯失提早發現短柱破壞的潛在威脅而無法給予適度的耐震補強。

5. 對於一般中小學校舍而言,因高窗的設置或是樓梯間半層梁的配置而造成短柱的現象非常普遍,經由估算台度磚牆的剪力強度以及邊柱的剪力強度,即可判別出含台度磚牆構架之邊柱是否有可能發生短柱破壞,進而可以透過耐震補強來避免短柱破壞的發生,提升整棟建築物的耐震能力。

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照片1 高窗短柱現象

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照片2 高窗短柱試驗破壞情形[1]

現階段校舍結構「高窗短柱」耐震補強工法

筆者參加國家地震中心所辦理之中小學老舊校舍耐震能力詳細評估及補強設計之審查案中,發現結構設計者對柱構材之淨高寬比小於4時而可能發生短柱破壞現象之「高窗短柱」的既有校舍結構須進行耐震補強時,所採用之工法可彙整如下。

1.增設磚翼牆補強工法

增設磚翼牆補強工法(見圖1 [2])雖然可減少發生短柱破壞的機率,但根據參考文獻[1]所提供之磚牆英式砌法之臨界破裂角θcr(見圖2 [1]),圖中之l、w和h分別為磚塊的長度、寬度和厚度,而gh和gv分別為水平和垂直的磚縫寬,所採用的紅磚尺寸為l=20cm、w=9.5 cm及h=5.3 cm,水平和垂直的磚縫寬皆為1 cm,計得之破裂角θcr約為與水平軸成31度之臨界破裂角。當地震力作用方向由右向左時,高窗磚翼牆之破裂線很可能只通過磚翼牆,而無法產生等同四面圍束磚牆之「等值斜撐」效果,若磚翼牆之寬度較小,則提早產生磚翼牆破裂之可能性更高。但一般結構補強設計者一旦作了增設磚翼牆補強,即假設其效果即等同四面圍束磚牆之「等值斜撐」效果來進行耐震能力詳細評估分析,此種假設明顯高估磚翼牆之貢獻。

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圖1 增設磚翼牆補強工法示意圖[2]

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圖2 磚牆英式砌法之臨界破裂角[1]

增設鋼筋混凝土翼牆補強工法

增設鋼筋混凝土翼牆補強工法(見圖3 [2]),因鋼筋混凝土翼牆之剪力強度遠高於磚牆,因此,其破裂面可能產生在增設之鋼筋混凝土翼牆與台度磚牆之交界面,因此交界面之長度遠小於台度磚牆之全長,可能提早產生滑動現象,待此交界面產生滑動後,因台度磚牆的反作用力亦可能進而產生柱構材剪力破壞模式。當鋼筋混凝土翼牆之寬度較小時,產生柱構材剪力破壞之可能性更高。

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圖3 增設鋼筋混凝土翼牆補強工法示意圖[2]


增設鋼筋混凝土翼牆嵌入台度磚牆補強工法

增設鋼筋混凝土翼牆嵌入台度磚牆補強工法(見圖4 [2]),因鋼筋混凝土翼牆之剪力強度遠高於磚牆,且因嵌入台度磚牆內,可利用嵌入台度磚牆之部分提供承壓面,帶動更長的破裂面。其補強效果更佳。但若鋼筋混凝土翼牆寬度不足或嵌入台度磚牆之深度不足,則可能產生台度磚牆局部破壞,進而產生柱構材剪力破壞模式圖4。

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圖4 增設鋼筋混凝土翼牆嵌入台度補強工法[2]

4.台度磚牆弱化處理工法[2]

台度磚牆弱化處理工法大致可分為切割台度磚牆與柱構材間之界面而留出長度不等垂直向之伸縮縫,或在台度磚牆二側或中央嵌入玻璃磚等工法,惟此等工法會破壞台度磚牆原有三面圍束效果之穩定性,地震時可能造成面外方向倒塌之疑慮。民國88年九二一地震時,南投地區曾發生欄杆牆面外方向倒塌,而造成鄰房毀損及人員傷亡事件。因此,採用弱化處理工法時,須配合設置防止磚牆面外方向倒塌之措施。例如,設置牆周角鋼導溝或水平向夾緊磚牆之橫梁,惟須注意是否會妨礙活動空間或造成碰撞受傷等疑慮。。

5.台度磚牆二側柱構材強化處理工法

台度磚牆二側柱構材強化處理工法為將台度磚牆二側柱構材之短柱範圍打除鋼筋保護層,增設箍筋補強,提升柱構材之剪力強度處理工法。惟此法常因既有柱構材之混凝土強度偏低而無法大幅提升柱構材之剪力強度,且因施工空間受二側磚牆或既有窗戶之限制致施作困難,或工程費用較高等缺點。

增設 “U”形鋼筋混凝土構架嵌入台度磚牆補強(建議)工法

由於一般採用之補強工法存有增設磚翼牆補強材料強度不足、增設鋼筋混凝土翼牆寬度不足、植筋量不足或增設鋼筋混凝土翼牆嵌入台度磚牆深度不足等疑慮。且均尚無法藉由可靠的分析方法來確認補強之有效性。台度磚牆弱化處理工法有潛在滲水及磚牆結構在地震力面外方向作用下之安全疑慮。台度磚牆二側柱構材強化處理工法則有造價較高及施工困難的問題存在。張順益(2001)[2]「具極短柱構架之補強試驗研究」,對前述工法有效性驗證之研究正在進行中,在尚未能對現有常用之補強工法提供具體可行之驗證方法之前,筆者建議採用於「高窗內嵌入U形鋼筋混凝土構架」工法。U形鋼筋混凝土構架底面與既有台度磚牆之界面,只要打除U形梁之高度,保持打除後之粗糙面,並移除鬆動之磚塊。U形構架之側面及頂面則依台度磚牆之剪力強度計算剪力摩擦筋數量予以植筋連結,再於台度磚牆上直接綁紮鋼筋。U形構架之二內側立面模板可採吊模之方式,頂端並留喇叭口,即可一次完成灌築混凝土。此工法可明確計算出台度磚牆之等值剪力強度,據以設計U形鋼筋混凝土構架之配筋量及所需植筋量,於U形鋼筋混凝土構架頂部及側面植剪力摩擦筋與既有鋼筋混凝土構架連結。

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圖5 增設 “U”形鋼筋混凝土構架嵌入台度補強工法[2]

結語

U形鋼筋混凝土構架耐震補強工法,由於所需斷面積最小,除補強之有效性最為明確,施工性亦甚為方便外,對高窗採光及通風之衝擊亦最小。增設 “U”形鋼筋混凝土構架嵌入台度內補強後不但可明確消除「高窗短柱」現象,且經由妥善之細部連結設計,其耐震性能更可提升至高於四面圍束磚牆之耐震效果 (見圖5)。此工法可供補強設計工程師參考。

【參考文獻】

[1]張順益、陳亭偉、廖文義〔2001〕。鋼筋混凝土構架填充磚牆之短柱行為實驗研究。

[2]張順益、陳亭偉、廖文義〔2001〕。具極短柱構架之補強試驗研究研究案。

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