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建築研究簡訊第96期 《主題報導》

「沿街店鋪住宅對角配筋牆」研發成果獲專利,提高耐震能力

臺灣地處環太平洋地震帶,地震頻繁,常造成建築物損害與倒塌,對國民的生命財產造成嚴重威脅。如1樓的耐震力不夠,就有可能成為建築「軟腳蝦」!特別是臺灣許多地區常見的沿街店鋪住宅,由於通風、採光、通道等之需求,在1樓沿著街道方向(與街道方向平行)的牆面常有大量開口(如圖1所示),當地震來臨時,就有可能產生「軟腳蝦」式的軟弱層破壞,造成建築倒塌與人員之傷亡。在過去20年內,即已發生超過15起造成人員傷亡與建築損傷的大地震,著名的包括921大地震、331大地震、高雄美濃地震等,許多臺灣常見的沿街店鋪住宅沿街方向產生1樓「軟腳蝦」式的軟弱層破壞,造成1樓倒塌與人員之傷亡(如圖2所示),主要因為此類建築1樓沿街方向牆面常有大量開口,大幅弱化1樓抗震力所導致。

為因應沿街店鋪住宅1樓軟弱層的問題,本所於103年進行「低矮鋼筋混凝土沿街店鋪住宅典型開口外牆耐震性能提昇之實驗研究」委託研究案,並開發新型專利「應用於直立柱與開口牆段的鋼筋配置」(中華民國發明專利I563149,105年12月21日取得),提出開口牆之創新鋼筋配置方法。創新對角配筋牆(如圖3B所示)在開口旁牆壁內,以多件式螺紋續接器(如圖4所示)連接配置交錯的對角鋼筋,另於開口兩側配置特殊圍束鋼筋,提供比傳統鋼筋配置更有效的傳力路徑,大幅增進一樓開口牆的抗震力。

為驗證該專利之有效性,本所於所轄材料實驗中心製作實尺寸結構牆,進行破壞試驗(如圖5所示),傳統配筋牆(如圖3A所示)採雙層雙向D10鋼筋,垂直與水平間距皆為20 cm,另於開口四周配置2根D16補強鋼筋。因混凝土開裂時,水平向及垂直向雙向鋼筋對於抵抗斜向外力無法發揮作用,於是創新對角配筋牆於牆體左側垂直牆段部分配置兩組對角鋼筋,每組含3支D29之鋼筋,其兩端以彎鉤分別錨定於梁與基礎內。由於基礎之混凝土先於牆體澆置,因此對角鋼筋分為兩段施工,又因對角鋼筋兩端皆以彎鉤錨定,因此採多件式螺紋續接器(如圖4所示),使兩段對角鋼筋之續接可於不轉動兩段鋼筋之狀況下完成;為強化對於對角鋼筋與混凝土之圍束,創新對角配筋牆參考ACI 318-14對連接梁外圍束之規定,配置雙層雙向D10鋼筋,水平與垂直間距分別為10與15 cm,且於水平與垂直鋼筋交點配置D13繫筋;創新對角配筋牆並參考ACI 318-14之規定,於開口之兩側配置邊界構材鋼筋,其縱向鋼筋為D19,橫向鋼筋為D13且間距為6 cm。傳統配筋牆於左側垂直牆段部分之縱向與橫向鋼筋比分別為0.4%與0.8%,創新配筋牆則分別為1.0%與2.4%。

圖5A與圖5B分別顯示前述兩牆於1.5%位移比之破壞狀態,傳統配筋牆呈現顯著且集中之混凝土裂縫,混凝土顯現明顯之剝落現象,兩開口間之柱呈現剪力之破壞,開口外之完整牆塊提供並且主控了側向強度及勁度的大小,正向與負向裂縫相互交錯貫穿、並切割完整牆塊,主壓桿在被正負裂縫貫穿後,影響了其中個別混凝土塊的承壓能力,試驗過程中發現牆試體僅一向(不一定正向或負向)可達到預估的強度值,其推斷原因為牆面其中一處發生壓碎破壞後,試體整體之力量傳遞機制就會大幅的改變,並且傳統配筋牆體僅配置溫度與乾縮控制鋼筋,混凝土所受之圍束不足;創新對角配筋牆因採對角向鋼筋配置,試體之最大強度由對角向鋼筋提供,解決牆體因開口導致正負向強度差異及極限位移比差異問題,創新對角配筋牆呈現許多細小、均佈之裂縫,混凝土剝落較不顯著,兩開口間之柱破壞亦不顯著。圖5C與圖5D分別顯示兩牆之力與位移曲線,兩試體之曲線比對,顯示創新對角配筋牆的極限層間側移角、吸收變形能量及抗剪強度,分別可提升為傳統配筋牆的262%、417%及167%,如表1所示。

為確保沿街店鋪住宅的耐震能力,除了本案專利外,本所近年亦已有許多研究成果,提出有效提升住宅耐震能力的方法,例如屋後外牆門與窗開口應儘量集中,以儘量保留較大的完整牆面,提升耐震強度;另外,於一樓沿街方向設置梯間牆,開口旁設置邊界構材、牆體圍束鋼筋、密集配置牆體水平向鋼筋,也能有效提升住宅耐震能力。雖然結構耐震工程技術有所精進,但仍需提醒您,為了避免建築「軟腳蝦」,住宅的內、外牆體,都可能是抵抗地震力的重要構件,民眾切勿任意移除,以確保居住安全。

表1 傳統配筋牆與創新對角配筋牆耐震能力之比較

       配筋方式     耐震能力

傳統配筋牆

創新對角配筋牆

耐震性能提升百分比

(創新/傳統)

極限層間側移角

1.3% rad

3.4% rad

262%

吸收變形能量

4.8%

20%

417%

抗剪強度

133 tf

222 tf

167%

 

  1. 正面
  1. 背面

圖1.沿街店鋪住宅1樓沿街牆面常有大量開口

 


圖2 地震作用下沿街店鋪住宅易於1樓產生沿街方向倒塌

 

 

 

圖3.鋼筋配置立面圖

 

圖4 多件式螺紋續接器

圖5.傳統配筋牆與創新對角配筋牆試驗結果