高窗短柱及窗台短柱處理(上)

RC建築物之短柱效應

在同樓層中,柱長度原以樓層高度設計,但在實務上有部分柱子因與窗台矮牆相連,在窗台矮牆的側向束制下,使柱子的有效長度縮短,進而大幅提高柱的側向勁度。當地震侵襲時,此短柱因勁度大,而較其他正常柱承擔更大的水平側向力,當此短柱所承受的剪應力超過其負荷而出現開裂破壞,此即短柱破壞或短柱效應[1]。短柱的成因可以經由圖1的簡單計算而得到理論的驗證。

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圖1 短柱之成因

圖中之左圖為正常柱,假設其兩端為固接,有效淨高為H,因而其側向勁度為12EI/H3。另一方面,右圖因為受到窗台矮牆的側向束制作用而使其有效淨高由原來的縮短為αH,此時其側向勁度變成為12EI/(αH)3。當建築物受地震力作用時,同一樓層之柱子因與柱頂及柱底相連接的樓地板勁度相對較大而發生大致相同的側向變形,如圖所示,如原柱有效淨高為,而受到窗台側向束制之柱的有效淨高為αH=0.6m,此時短柱所承擔的側向剪力將為正常柱的125倍,因而容易發生短柱破壞。

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圖2 潛在發生短柱破壞的建築配置

在現有建築物中,容易出現短柱破壞的情形如圖2所示。其中2(a)為廁所、梯間或貯藏室常見的高窗短柱,2(b)為地下室因採光通風的需求開高窗形成短柱,或是一般楣梁的設置形成短柱,如2(c)。另一方面,建築基面傾斜因地勢高低而導致柱子的高度不同,自然就會出現短柱,如2(d);樓梯間因中間平台梁版錯層而引起之短柱,如2(e);ㄧ般樓層很可能因夾層局部過梁的配置而無形中引起短柱,如2(f)。圖3為強震侵襲下,建築物發生短柱破壞的實際案例[2]。

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圖3 短柱破壞之實例

RC建築物潛在構架短柱破壞之模擬

磚牆的破壞與否將直接影響到鋼筋混凝土構架的耐震行為,尤其是對於潛在發生短柱破壞的鋼筋混凝土構架,如果磚牆先破壞,其邊柱的束制將大幅減小而可能避免短柱破壞的發生,如圖4(a)所示;相反地,如果磚牆未發生破壞,則可能會發生短柱破壞,如圖4(b)所示。

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圖4 強震時磚牆是否先發生破壞直接影響到短柱破壞與否

另方面,建築物進行耐震詳細評估[3]時,一般都需要針對梁柱構架系統預先設定可能發生塑鉸的位置,因此磚牆的破壞與否將直接影響到分析時塑鉸的設定位置,進而可能影響耐震詳細評估的結果。

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圖5 柱之塑鉸設定受磚牆破壞與否的影響

圖5(a)所示係假設磚牆將先於邊柱發生破壞,因而將邊柱之塑鉸可能發生的位置分別設定於柱頂、柱中央以及柱底等三個位置,其中柱頂與柱底為彎矩塑鉸,而柱中央則為剪力塑鉸。另一方面,如假設磚牆不會先發生破壞,此時邊柱之塑鉸設定位置可能如圖5(b)所示,這是因為磚牆未發生破壞而將對柱產生側向束制作用,使柱的有效淨高縮短所致。由於塑鉸設定位置的不同,將可能直接影響到建築物耐震詳細評估時的塑鉸發展圖以及最後的分析結果,因此可靠的預測磚牆的剪力強度也是提升耐震詳細評估品質的重要事項之一。

RC建築物之短柱補強工法

為了避免RC構架內短柱破壞發生,可以從兩個方向著手[4],一是提高構架邊柱的側向抗剪強度,並使其側向抗剪強度大於台度牆的側向抗剪強度,而使台度牆先發生破壞,此時台度牆對於構架邊柱所產生的束制作用將大幅減少而無法形成短柱效應。另一方面,弱化台度牆的側向抗剪強度,並使其側向抗剪強度小於構架邊柱的側向抗剪強度,此時台度牆對於構架邊柱所產生的束制作用將因大幅減少而避免短柱效應。

有相當多的補強方法可以用來提高構架邊柱的側向抗剪強度,如針對整支構架邊柱進行擴柱[5~8]、增設磚翼牆[9]、增設RC翼牆 [5~7,10~11]、包覆鋼板[12~13]或包覆碳纖維[14~16]等不同方式來進行補強,這些補強方法需先移除整個邊柱周圍的既有磚牆才能進行施工,除了增加工期與經費之外,明顯影響建築物的正常使用。另一方面,為了縮短工期與經費,並降低對建築物正常使用的影響,可以考慮僅在台度磚牆頂部與頂梁底部之間進行構架邊柱的局部補強,如填充磚牆、填充RC牆、包覆鋼板或包覆碳纖維等方式來進行補強。當然如無採光通風需求也可使用填滿高窗的方式來避免短柱破壞。

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圖6 填充磚牆或RC牆可提高構架邊柱的側向抗剪強度

填充磚牆和填充RC牆是指在構架邊柱旁局部填充牆體補強,如圖6所示,而與構架邊柱旁的整支增設翼牆補強並不相同。不管是增設翼牆補強或填充牆體補強,皆可有效提高構架邊柱的剪力強度。一般而言,增設翼牆補強是希望經由構架邊柱之剪力及彎矩強度的增加而能提升整體樓層的側向抗剪強度,而填充牆體補強一般則是希望構架邊柱之短柱能因剪力強度的增加而延緩或避免此局部構件發生短柱破壞。特別值得一提的是增設翼牆或填充牆體都會使梁的有效長度縮短而潛在發生短梁破壞,因此於補強設計時需加以注意。就一般校舍而言,多為3m跨度的梁,在兩端增設寬度為50cm的翼牆或填充牆體後,其淨跨度仍有2m尚不致會有短梁破壞的發生。至於弱化台度牆則以在構架邊柱與緊鄰台度牆間切割適當寬度的隔離縫最為普遍,如圖7(a)所示,這是因為此隔離縫將使構架邊柱受緊鄰台度牆束制的影響有效減少而不再形成短柱。另一方面,直接降低台度牆的高度並置換為大面積窗戶也是可以採行的方式,如圖7(b)所示。

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圖7 切割隔離縫或窗戶置換可弱化台度牆

(一) 整片高窗填滿磚牆或RC牆

1. 適用狀況

對於沒有採光通風需求的高窗短柱,可以考慮將整片高窗填滿以避免短柱破壞,如圖8(a)和(b)所示分別為整片高窗填滿RC牆之前後外觀圖。如仍有採光通風需求則可以選擇性地將部分高窗整片填滿,以提高整體結構物在高窗短柱該樓層的側向抗剪強度以避免短柱破壞,例如地下室整排的高窗短柱可以選擇性將部分高窗整片填滿,圖8(c)為每隔一垮將整片高窗填滿之完工圖。

2. 特性說明

將整體構架開口的高窗填滿,其整個邊柱將受到充分束制而自然就沒有發生短柱破壞的風險。地下室整排高窗短柱可以選擇性將部分高窗填滿而不須將所有的高窗填滿,只需確認部分高窗填滿後整體樓層的側向抗剪強度大於實際所需的耐震強度即可。

3. 施 工 法

將窗框移除,原窗框與構材界面之嵌縫砂漿及粉刷層敲除乾淨後,並將RC構材面打毛及濕潤,即可進行高窗填滿施作。採用RC牆填滿高窗則需進行植筋、配筋、組模以及混凝土澆築,而採用磚牆填滿則不需植筋直接砌磚即可。施工圖說請至http://www.twce.org.tw/modules/news/article.php?storyid=24309下載附件1所示。

4. 注意事項

(1) 進行高窗填滿時,其厚度應與原來牆體厚度一致,填充牆體材料宜與原台度牆材料一致,亦即台度牆原材料為鋼筋混凝土窗台或牆,宜採用鋼筋混凝土來填充高窗,而如原為砌磚則可考慮使用磚牆來填滿高窗。

(2) 新舊磚牆底砌砂漿,宜採用樹脂砂漿以增加黏結力,梁下方之空隙應以無收縮水泥填補。

(3) 封填完成後,內外牆面需與現有裝修完成面一致。

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圖8 無採光通風需求之高窗可整片填滿

(二) 部分高窗填充磚牆

1. 適用狀況

對於有採光通風需求的高窗短柱,且窗台為RC構造或磚構造時,可以考慮在邊柱旁填充磚牆以避免短柱破壞,如圖9所示。

2. 特性說明

在構架邊柱填充磚牆可以有效提高邊柱的側向抗剪強度,並使其側向抗剪強度大於台度磚牆的側向抗剪強度,而使台度磚牆先發生破壞,此時台度磚牆對於構架邊柱所產生的束制作用將大幅減少而無法形成短柱效應。

3. 施 工 法

先將窗框移除,原窗框與構材界面之嵌縫砂漿及粉刷層敲除乾淨後,並將RC構材面打毛及濕潤,即可進行填充磚牆的施作。施工圖說請至http://www.twce.org.tw/modules/news/article.php?storyid=24309下載附件2所示。

4. 注意事項

(1) 填充磚牆之厚度應與原來厚度一致,並適當選用寬度,可以參考圖10(a)之破壞模式,並利用圖10(b)所示之對角斜撐可概估填充磚牆所需之最小寬度,特別注意寬度不宜太大以避免引起短梁破壞。

(2) 梁下方之空隙應以無收縮水泥填補。

(3) 封填完成後,內外牆面需與現有裝修完成面一致。

(4) 新舊磚牆底砌砂漿,宜採用樹脂砂漿以增加黏結力或須考量是否需設置剪力榫,以避免沿新舊磚牆交接面破壞。

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圖9 部分高窗填充磚牆之前後對照圖 (婁光銘技師提供)

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圖10 部分高窗填充磚牆之破壞模式

參考文獻

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