開口牆作為剪力牆之適用性探討

一、前言

民國105年10月18日,筆者與陳建民技師代表技師公會,參加營建署研商「混凝土結構設計規範」修正草案第1次會議。現行「混凝土結構設計規範」,係內政部依建築技術規範構造編41-1條授權,於民國91年6月27日,以台內營字0910084633號令訂定發布「結構混凝土設計規範」。經筆者發現「結構混凝土設計規範」之主詞為「混凝土」,而該規範之內容為「結構設計」,經筆者提案建議該部修正,嗣經多方討論後,該部接受筆者之建議修正名稱,復以100年6月9日,台內營字1000801914號令,修正為「混凝土結構設計規範」。本次研商「混凝土結構設計規範」修正草案第1次會議內容,為內政部建築研究所所提之修正草案。對開口剪力牆之剪力計算強度Vn之計算方法擴充解釋為,「混凝土結構設計規範」第15.8.4節之內容,可包含鑲嵌在構架內之剪力牆體。但筆者認為,圖1所示之「有開孔之 (剪力) 牆段」,係屬鑲嵌在構架內之牆體,該牆體必須依賴構架才能穩定,與15.8.4節原條文對可單獨自立穩定之剪力牆之開口情況不同 (見圖2所示)。鑲嵌在構架內之牆體,其強度與「牆體和構架」間之邊界束制條件有關,必須視邊界束制條件之狀況而定,其穩定性亦須視牆段與構架之連結狀況有關,亦會因牆體開口而產生二次彎矩須作細部檢核設計。不能單純以「平行剪力方向之混凝土最小總斷面積」、或開孔強度折減係數,來決定牆體之強度,甚至構架內之牆體有時會妨礙構架梁及柱之韌性行為的發展,有些情況會有影響結構安全之疑慮。因此筆者提議暫緩討論,並獲在場大部分委員及主席同意,退回該二提案,再另研議。

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圖1 有開口牆體之牆段

二、建築研究所所提之修正草案內容

本次營建署研商「混凝土結構設計規範」修正草案第1次會議,有關建築研究所所提之修正草案內容如下:

(一)內政部建築研究所民國103年混凝土結構設計規範第15.8.4節之解說中,增加「對有開孔之 (剪力) 牆體,Acv可取牆高程內最小水平總斷面積,如圖R15.8.4.1(見圖1)所示,最小水平總斷面積為牆段3水平斷面積,加上牆段4水平斷面積」(見圖1所示)。

(二)增訂第15.8.4.6節:開口牆剪力強度可按下式計算:

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圖2 (圖R15.8.4.5 )具上下開孔之水平牆段

四、鑲嵌在構架內之開口牆體安全性探討

「混凝土結構設計規範」第15.8.3節 (設計剪力) 規定:「設計剪力Vn應由含側力之各種載重分析所得剪力,按第2.4節載重因數及載重組合之規定計算之」。而分析所得之鑲嵌在構架內之開口剪力牆體之設計剪力,係依各結構桿件之相對勁度分析而得,因此設計者最迫切需要得到是:「鑲嵌在構架內之開口剪力牆體」之勁度如何決定,才是最重要的。若分析鑲嵌在構架內之開口剪力牆體之設計剪力時,係以未開口之剪力牆體的勁度參加分析,則所得到之開口剪力牆體之設計剪力必然是高估的,相對而言,構架所承受之剪力是低估的。但開口剪力牆體之開口樣式非常多,且開口剪力牆體在開口後會産生二次彎短,開口邊構材之補強方式及其補強鋼筋量、邊構材之強度,以及邊構材鋼筋之伸展與錨定,是否可確實發揮效果等等,其變數非常多,因此幾乎沒有辦法歸納出一個簡單可行的規則。

若剪力牆之開口樣式如圖3所示,僅有中間帶有牆體,二側為開口,則此時中間帶之牆體有如耐震間柱,牆體上、下端會產生二次彎矩,牆體左、右邊之邊構材強度不足、或邊構材上、下端之錨定強度不足、或上、下梁之固定強度不足等情況,中間之剪力牆體均無法發展其剪力強度。又當二側有牆體,而中間沒有牆體時,則會造成短梁現象 (如圖4所示),地震時會產生梁剪裂的現象。當水平向之Acv大於垂直向之Acv時,會出現水平牆段先破壞的現象 (如圖5所示),此時牆體之剪力強度受到水平牆墩之剪力強度所控制。當開口位置形成對角配置時(如圖6所示),二開口對角相連處僅為點狀相接,此時是否還可將上部牆段之剪力往下傳遞?
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圖3 僅中間有牆體時形成耐震間柱模式

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圖4 僅二側有牆體時造成短梁現象

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圖5 垂直牆體剪力先破壞之情況

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圖6 對角開口造成藕斷絲連之情況

五、結語

由「混凝土結構設計規範」第15.8.4節之規定及示意圖(見圖2)顯示,所定義之水平牆段及垂直牆段,形成一可單獨自立之剪力牆,且開口位置及形狀均呈對稱規則配置,其力學行為非常明確,所需邊構材鋼筋均可直通錨定,傳力路勁簡單明確,細部設計容易,施工時亦不易發生錯誤;然而,鑲嵌在構架內之開口牆體,未規定容許之開口可配置之位置及可開口之形狀,開口剪力牆體在開口後會産生二次彎矩,開口邊構材之補強方式及其補強鋼筋量、補強鋼筋在邊構材内之伸展與錨定,是否可確實發揮效果,以及邊構材之強度是否足夠承受零碎剪力牆段傳來之力量等。因而有可能會產生多種破壞模式,因此牆體之剪力強度,不能單純以「平行剪力方向之混凝土最小總斷面積」,或開孔強度折減係數,來決定牆體之強度。且若採用拉壓桿之設計模式,則其結點區須先評估是否可提供足夠之錨定強度,此時牆體之設計方式才可採用拉壓桿模式。

由以上討論可知,鑲嵌在構架內之開口剪力牆體之設計剪力,變數非常多,且牆厚度不足以供配置結構牆所需之配筋量,可能會在中、小地震力作用下即會發生嚴重龜裂,而須一再修復,住戶將會不勝其擾。因此實在不宜拿鑲嵌在構架內之開口牆體來做為結構桿件。因此筆者建議鑲嵌在構架內之開口牆體不要納入「混凝土結構設計規範」第15.8.4節,這種連研究機構都無法考慮周詳之零碎構材,最好僅做為非結構構材使用,或在低矮建築物之耐震補強等,為了使用空間不足或經費不足等不得已之情況下才勉強使用。以上拙見僅供參考,尚請不吝指正。

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