結構耐震評估及補強:韌性與容量需求比

鍾立來1,2,3、李梓綸2、賴昱志1、邱聰智1,4、鄧凱文5、楊耀昇6

1國震中心、2臺大土木工程學系、3成大土木工程學系、4臺科大營建工程系、5力行佳工程顧問有限公司、6永安土木技師事務所

建築結構發揮其耐震能力之管道有二:強度及韌性(變形能力) [1]。耐震能力不足之既有建築結構,其補強策略亦為:強度及韌性[2]。強度補強之工法有:剪力牆、翼牆、開口牆;韌性補強之工法則有:鋼板包覆、纖維包覆、窗台切縫、高窗填充。根據建築物耐震設計規範[1],因結構之韌性,得以折減其設計地震力(耐震需求),折減之程度,隨其基本振動週期及韌性容量而變化。結構愈柔軟(週期愈長),韌性愈容易發展;韌性容量愈高,耐震需求折減愈多。

本文旨在探討韌性於結構耐震評估及補強之角色,結構之韌性延長其振動週期,增加其阻尼,提升結構之耐震能力。透過耐震評估之方法[2],量化韌性對短週期結構(低矮樓房)及中長週期結構(中高樓房)之貢獻,以作為耐震評估(補強前後)結果檢核之參考[3,4]。

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八、結語

建築結構從彈性段進入塑性段時,勁度軟化,並形成遲滯消能。韌性發揮程度愈高,結構之等效週期延長愈多,而無上限;等效阻尼比亦隨之提升,對既有鋼筋混凝土結構,上限為26.2%。

短週期結構之設計反應譜處於等加速度段,需求譜加速度不因週期之延長而降低,僅因阻尼比之提升而遞減。而中長週期結構之設計反應譜處於等速度段,需求譜加速度反比於基本振動週期,故同時隨週期之延長及阻尼比之提升而遞減。因此,韌性發揮程度愈高,需求譜加速度愈小,容量需求比愈大,且中長週期結構之需求譜加速度之降幅及容量需求比之升幅皆較高。

某既有結構之破壞模式為脆性,不具韌性,韌性比為1,若經補強後,韌性比提升至4,短週期結構之容量需求比可增至1.617倍,而中長週期結構則增至3.024倍,中長週期結構之韌性補強效果較佳,但仍有限制。當既有結構稍具韌性,韌性比為2,若韌性補強至比值4,短週期結構之容量需求比提升至1.617/1.482 = 1.092倍,而中長結構則提升至3.024/1.966
= 1.538倍,稍具韌性之結構,再作韌性補強,雖仍有效果,程度卻下滑。

參考文獻

1.內政部營建署(2011),「建築物耐震設計規範及解說」,內政部100.1.19台內營字第0990810250號令修正部分規定,自中華民國100年7月1日生效。

2.邱聰智、鍾立來、涂耀賢、賴昱志、曾建創、翁樸文、莊明介、葉勇凱、李其航、林敏郎、王佳憲、沈文成、蕭輔沛、薛強、黃世建 (2020),「臺灣結構耐震評估與補強技術手冊(TEASPA V4.0)」,國家地震工程研究中心,研究報告20-005。

3.鍾立來、陳俊鴻、楊耀昇、邱聰智、涂耀賢(2019),「結構耐震評估:審查重點及結果彙整表」,技師報,第1180期。https://youtu.be/5jdmMc2Pp_0

4. 鍾立來、涂耀賢、邱聰智、楊智斌、楊耀昇 (2019),「審查重點及結果彙整表(二):結構耐震補強」,技師報,第1198期。https://youtu.be/HUPeptMjZQM。

表1 容量需求比與屋頂位移

 

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表2 短週期及中長週期結構之阻尼修正係數[1]

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圖1 容量曲線 (側推曲線)

 

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圖2 等效週期與屋頂位移之關係

 

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圖3 等效阻尼比與屋頂位移之關係

 

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圖4 短週期結構阻尼修正係數與屋頂位移之關係

 

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圖5 中長週期結構阻尼修正係數與屋頂位移之關係

 

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圖6 短週期結構之需求譜加速度與屋頂位移之關係

 

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圖7 中長週期結構之需求譜加速度與屋頂位移之關係

 

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圖8 短週期結構之容量需求比與屋頂位移之關係

 

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圖9 中長週期結構之容量需求比與屋頂位移之關係

【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】


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