結構耐震設計與評估:以側推分析檢核軟弱層

鍾立來1,2,3、陳俊鴻2、楊耀昇4、邱聰智1

1國震中心、2臺大土木系、3成大土木系、4永安土木技師事務所

從1999年集集地震,到2016年美濃地震 [1],再到2018年花蓮地震 [2],不難發現百分之九十以上之人命傷亡,皆源自於樓房崩塌。若為矮胖型樓房 (高寬比小者),低樓層垂直向下塌陷,人員性命難保,而高樓層則可能尚有存活之空間;若為瘦長型樓房 (高寬比大者),低樓層之崩塌往往伴隨著高樓層之翻覆,人員傷亡慘重,不忍卒睹。

樓房之靜載重及活載重,由樓板傳至梁,再傳至柱子,一層層地往下傳,一樓承受之垂直力最大。樓層之地震力正比於其重量及高程,樓層之地震力往下累加,以樓層之剪力平衡之,故一樓承受之水平剪力亦最大。可是,相較於其上之樓層,一樓柱子之尺寸,不見得較大,一樓牆量,不見得較多,因此,一樓弱層遂形成。再加上弱柱強梁,一樓崩塌即為其最可能之破壞模式。不論樓房作商業或住宅用,為求氣派之門面,一樓挑高司空見慣,故一樓軟層已然形成。

目前弱層之檢核,多採線彈性分析之結果,以線性外插,求得樓層之極限剪力強度 [3]。惟樓層發揮其極限強度時,結構已超出線彈性之範圍,進入非線性之階段,以線性外插之方式,未必能充分掌握其極限強度。有鑑於此,本文嘗試提出:以非線性靜力側推分析之結果,檢核樓房結構之軟弱層,期更能反映其極限行為。同時,輔以示範案例,闡述軟弱層檢核之程序。

一、軟層之檢核

根據建築物耐震設計規範及解說 [4] 之表1-1,軟層者係指該層之側向勁度低於其上一層者之 70% ,或其上三層平均勁度之 80%,即:

1175-3-1

 

1175-3-2

 

1175-3-3

2.2範例樓房之弱層檢核

依2.1節之程序,逐次設置非線性鉸,僅於某一樓層垂直構件及其上下樓層水平構件 (圖5 7),朝+X方向執行側推分析。當基底剪力達最大值時,取該樓層垂直構件之剪力和,即為容量 (表3)。一樓之剪力容量最低 (467.2 tf),肇因於一樓挑高,撓曲所形成之剪力強度較低。除6樓 (頂樓) 外,樓層愈低,剪力容量愈小。

依2.1節之程序,取得設計層剪力 (表3),即為需求。樓層愈低,需求愈大,一樓之剪力需求最大 (670.0 tf)。剪力容量與需求相除,得容量需求比,樓層愈低,比值愈小,以一樓最小 (0.697)。某樓層剪力容量需求比與其上一層相較,最小0.714 (5樓),最大0.814 (3樓)。一、二、四及五樓之比值皆小於0.8,依檢核準則 (式4),同屬弱層。

由於一樓剪力之容量需求比最小,當震度 (需求) 漸增時,一樓率先出現弱層。當一樓破壞後,結構之基底剪力強度下降,上傳之力量即停止上升,因此,二、四及五樓之剪力需求不會再增加,故此些樓層不會出現弱層。

側推第12步 (強度點) 之層間位移 (表2),以一樓最高12.50 cm,高達二樓 (4.78 cm) 之2.62倍 (圖4)。雖然一樓挑高,其層間位移角 (2.232%) 仍為二樓 (1.328%) 之1.68倍。

範例樓房之+X方向具一樓弱層之特性,樓房之破壞 (非線鉸之出現) 較集中於一樓。循同樣之程序,即可完成-X、+Y及-Y等四個方向弱層之檢核。

三、結語

二十年來,樓房崩塌一再出現,並不是歷史重演,而是軟弱層的問題,始終未能全然解決。大地震所到之處,潛在之問題即刻浮現。若未能正視問題,日後仍會再現。因此,軟弱層之檢核,至為重要。新建樓房之設計,檢核其軟弱層,若有,調整設計,避免之;既有樓房之評估,檢核其軟弱層,若有,耐震補強,排除之。本文提出:以非線性側推分析,闡述軟弱層檢核之程序,掌握樓房之耐震表現。示範案例之檢核,與側推分析結果相呼應,所提方法實屬可行,或可供工程界作耐震設計、評估及補強之參考,共同減緩軟弱層之集中式破壞。

參考文獻

1. 鍾立來、施忠賢、楊耀昇等(2016)。「0206美濃地震:維冠金龍大樓可能之倒塌機制」。技師報,第1017期,https://youtu.be/z04ffPqPN2k。

2. 鍾立來、翁樸文、蕭輔沛等(2018)。「0206花蓮地震中高樓建築物倒塌之勘察」。地工技術,第156期。

3. 中國土木水利工程學會(2011)。「混凝土工程設計規範之應用(土木404-100)下冊」。科技圖書。

4. 內政部營建署(2011)。「建築物耐震設計規範及解說」。

表1 軟層之檢核

1175-3-4

 

表2 側推第1與12步 (強度點) 之層間位移及其位移角

1175-3-5

 

表3 弱層之檢核

1175-3-6

 

1175-3-7

圖1 3D結構模型

 

1175-3-8

圖2 結構模型平面圖

 

1175-3-9

圖3 容量曲線 (基底剪力與屋頂位移之關係圖)

 

1175-3-10

圖4 樓房側推之Frame 3變形及非線性鉸發展圖

 

1175-3-11

1175-3-12

 

1175-3-13圖5 樓層剪力強度發揮時之Frame 3塑鉸發展 (1F~6F)

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 

 



【版權重要說明】:本網站內容係由該著作權人或團體同意下轉載、或由該作者或會員自行創作上載發表之沒有違反著作權之圖稿內容,一切內容僅代表該個人意見,並非本網站之立場,本站不負任何法律責任;若讀者認為文章或評論有侵權不妥之處,請與聯絡我們,將儘速協同處理;同時未經本網站同意請勿任意轉載內容,我們也將保留一切法律追訴權利。