結構耐震評估與補強設計結果之檢核(上)

楊耀昇1、周維苓2、鍾立來2,3,4、賴勇安2、邱聰智3、賴昱志2

1永安土木技師事務所、2臺大土木系、3國震中心、4成大土木系

隨著結構耐震設計規範修訂,既有結構之耐震能力未必符合現行規範要求,實有必要透過耐震評估,評定其耐震能力,不足者,可透過耐震補強,提升其耐震能力。結構補強評估結果攸關結構所有權人及使用者之權益。由於分析程式可不厭其煩地重覆類似的程序,輔助工程師完成耐震評估,故工程師於耐震評估時十分仰賴分析程式之協助,以提高工作效率。但若工程師與分析程式溝通不良,即出現系統性之錯誤,而工程師又未能即時察覺分析結果有誤,則可能嚴重誤判評估結果,傷及結構所有權人及使用者之權益。因此,本文嘗試提出評估結果 (補強前後) 之檢核 [1],藉此提供工程師一方法,於完成耐震評估後,檢核分析結果是否合理,避免因與程式溝通有誤造成之誤判,共同維護工程之專業,贏取社會大眾之信任,進而減緩地震之災害。

檢核要點共有11項

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一、結構之全部靜載重

依據建築物耐震設計規範 [2] 式(2-3),結構之耐震需求正比於其重量 (結構之全部靜載重)。由結構及其構件之尺寸等,計算結構之靜載重。若少算結構之重量,則低估其耐震需求,進而高估其耐震性能 (容量需求比),造成誤判。原為耐震能力不足之結構,可能誤判為耐震足夠,進而影響安全。若多算結構之重量,則高估其耐震需求,繼而低估其耐震性能,可能造成補強過度,或不必要之補強。過猶不及,都不足取。因此,結構補強前後之重量計算,相當重要。

然而直接由結構之重量,不易判斷其合理性,遂以樓地板面積,將之正規化,改由單位樓地板面積之重量,判斷其合理性,可適用於整體結構或單一樓層。訂定單位樓地板面積之重量的合理範圍,若過低或過高,應究其原因,避免重量計算錯誤,且結構補強後之重量應不低於其補強前。除了靜載重,同樣方式亦可用於活載重。

 

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二、結構之分析模型

於結構之分析模型建立完成後,檢視其3D及2D模型,確認構件 (柱、梁、牆、斜撐) 之設定及配置無誤。結構補強後,亦須確認模型中之補強構件,設定及配置無誤。

本文將案例簡化為只有梁、柱構件之結構,比對平面圖(圖1)及模型之3D圖 (圖3) ,柱與梁的數量與位置皆正確無誤。

三、垂直構件之軸力

結構模型施加靜載重後,檢視一樓垂直構件 (柱、牆、斜撐) 之軸力於垂直向之分量(即柱、牆之軸力及斜撐之軸力於垂直向之分量),其和應相當於結構之全部靜載重,以確認輸入結構模型之靜載重無誤。同樣方式,適用於活載重。

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四、非線性鉸之參數

每一類構件之非線性鉸,最少取一樣本,從結構模型中,輸出其非線性鉸參數,包括五點 (A、B、C、D及E) 之座標值、力 (彎矩、剪力或軸力) 之比例因子 (scale factor) 與位移 (或轉角) 之比例因子,並與事先備妥之計算值比對 [4],確認與結構模型溝通無誤。結構補強後,比照檢核補強構件非線性鉸之參數。

取一樓C1柱與二樓B9梁(圖4)檢核其非線性鉸參數。手算之彎矩非線性鉸和剪力非線性鉸參數與模型中的非線性鉸之參數比較(圖5~圖8),檢核A、B、C、D、E 五點之座標值與比例因子 (scale factor),誤差皆不超過0.3%,確認非線性鉸之參數無誤。

五、非線性鉸之位置

檢視結構模型非線性鉸設定之位置,確認柱、梁之彎矩非線性鉸設於構件之兩端,剪力非線性鉸設於構件之中央,若牆以斜撐模擬,則軸力非線性鉸設於斜撐之中央,若梁受牆之束制,則將彎矩非線性鉸和剪力非線性鉸移至未受牆束制部分 [4]。結構補強後,其補強構件非線性鉸設定之位置,比照檢核。

從圖9可確認柱、梁之彎矩非線性鉸設於構件之兩端,剪力非線性鉸設於構件之中央。

(本篇先介紹五項檢核要點,另外六項於下一篇介紹,待續)

表1 九棟新建建築單位樓地板面積之重量

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表2 靜載重作用下一樓柱底之軸力

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C1

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-20.218

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C2

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-29.060

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-49.285

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C4

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-41.219

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C5

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-28.147

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C6

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-11.931

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C7

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-24.621

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C8

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-26.975

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C9

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-13.647

一樓柱底之軸力總和

-245.103

 

表3 靜載重作用下二樓柱底之軸力

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C1

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-9.838

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C2

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-14.583

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C3

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-24.741

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C4

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-20.990

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C5

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-14.069

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C6

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-5.832

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C7

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-12.180

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C8

DEAD

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-13.416

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C9

DEAD

0

-6.720

二樓柱底之軸力總和

-122.369

 

 

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圖1 案例平面圖

 

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圖2 柱、梁斷面與配筋圖

 

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圖3 案例模型之3D圖

 

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圖4 案例模型之梁柱編號

 

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圖5 手算與程式計算之1樓C1柱彎矩非線性鉸參數

 

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圖6 手算與程式計算之1樓C1柱剪力非線性鉸參數

 

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圖7 手算與程式計算之2樓B9梁彎矩非線性鉸參數

 

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圖8 手算與程式計算之2樓B9梁剪力非線性鉸參數

 

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圖9 模型之非線性鉸設定位置

 

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