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建築研究簡訊第109期

  • 日期:109-09-26
主題報導李台光
因應近斷層地震效應之隔減震建築設計

壹、前言

國內工程業界日漸重視隔減震設計對於建築結構與非結構物耐震性能的影響,減震消能元件被視為可加強結構物抗震能力的額外裝置,隔震元件則可降低地震輸入至建築結構物或非結構物的能量,故提升工程師對建築耐震設計的應用。根據統計,國內已有超過50件隔震建築設計案例興建完成,亦有超過100件採用減震消能元件的建築設計案例。

國內隔減震建築工程實例日益增加,相關設計理論與商用結構分析程式亦日益成熟,而國內現行「建築物耐震設計規範及解說」亦已增設「隔震建築物(第9章)」與「含被動消能系統建築物之設計(第10章)」等專章,供設計依循。雖然隔減震技術引進國內之歷史尚短,但相關規定仍需適度因應現行技術發展加以調整,而且國內業界對於相關裝置之實際性能、設計與實務經驗,仍有疑慮。有鑑於此,本所於去(108)年度特別委託國立臺灣科技大學辦理「因應國際規範修訂與國內近斷層地震效應對於國內隔減震建築設計規範之研修考量」研究案。

貳、規範修正方向與重點

我國於民國94年修正頒布的建築物耐震設計規範及解說,首次增列「隔震建築物設計」與「含被動消能系統建築物之設計」等兩專章,嗣後再於民國100年頒布的修正版,僅針對第9章隔震建築物設計之內容進行微調。目前於前揭規範中,國內隔減震建築設計之分析與測試規定,主要仍參採FEMA 273與FEMA 274 (1997年)之內容。然而,於FEMA 368與FEMA 369 (2000年版),以及其後發行的相關正式報告與準則,包括FEMA 450 (2003年版),以及ASCE/SEI 7-05、7-10、7-16等,對於隔減震建築之設計概念,已有大幅度之變更。因此參酌美、日等國耐震概念的演進及設計規範的脈動、因應國內工程業界於實務設計之回饋意見,以及彙整分析納入國內近期所記錄,具長週期高脈衝速度效應之近斷層地表運動(如民國88年921集集大地震與民國107年花蓮地震),提出國內建築隔減震設計規範修訂建議,重點如下:

一、隔震設計之變異性(增訂規範9.1.8):隔震建築設計,應考量隔震元件力學行為之變異性,對於隔震系統及隔震建築物所造成之影響。

二、隔震元件之實體試驗、出廠試驗與性能試驗(修訂規範9.5):

(一)實體試驗:為評定隔震元件供應商設計製造隔震元件之能力,進而建立隔震元件力學性質之報告。

(二)出廠試驗:為依據設備供應商提出之合格標準,經專業技師認可後,透過實驗以確保隔震元件從生產製造到成品組裝的每一個製程的品管穩定性。

(三)性能試驗:為驗證專業技師於設計中,所使用隔震元件之力學性質。

三、實體試驗(修訂規範9.5.2):

(一)進行實體試驗時,元件供應商原則上至少須使用2組相同全尺寸試體進行試驗,除非專業技師同意,試驗試體不得再用於現地安裝。

(二)相似規格之隔震元件,若可提出經由國內相關研究分析資料或試驗報告之證明,並且經專業技師認可,則可不需進行實體試驗。

(三)上開實體試驗應由國內具隔震元件試驗設施認證之實驗機構辦理。

四、通則(增訂規範10.7.2.1):

(一)消能元件不應為承重系統之一部分,亦即消能元件之消能行為,不得導致承重系統產生不穩定,但仍得承受部分重力。

(二)消能元件基本試驗順序,每1消能元件試體,均應加載其裝設於建築上所承受之重力及其安裝時環境溫度的影響。

五、位移型消能元件(增訂規範10.7.2.2):

(一)應進行反覆漸增變形之循環加載,不同加載階段,應包含元件降伏時對應之變形量,以及設計地震力作用下,設計樓層相對側位移所對應元件變形量的0.5倍、1.0倍、1.5倍及2.0倍,各加載階段應進行2個完整循環加載。

(二)完成前項試驗加載後,應以設計地震力作用下之設計樓層相對側位移所對應元件變形量之1.5倍,進行反覆變形疲勞循環加載。

(三)應就所施反覆變形及反力情形,繪製受力-變形曲線。

(四)受測元件在前述第1項,或第1及第2項試驗中,所得之累積非線性變形量,須大於元件降伏時對應變形量之200倍。

六、速度型消能元件(增訂規範10.7.2.3):

(一)進行至少5種不同頻率或位移振幅的循環試驗,每組試驗至少加載5個完整循環。試驗受力方向之最大位移,應包含在最大考量地震作用下消能元件對應之最大位移,其對應之頻率應為feM(=1/TeM),其中feM(TeM)為消能建築物於最大考量地震下之有效振動頻率(週期)。

(二)若速度型消能元件的特性,會因環境溫度不同而有顯著差異時,應分別於設計最大溫度、環境溫度與設計最小溫度下,進行5個完整循環試驗,試驗之軸向位移應為最大考量地震下消能元件之最大位移,對應之頻率應為feM

(三)進行20個完整循環試驗,試驗之軸向位移應為設計地震作用下消能元件之最大位移,對應之頻率應為feD(=1/TeD),其中feD(TeD)為消能建築物於設計地震下之有效振動頻率(週期)。

(四)進行2,000個完整循環試驗,試驗之位移應為設計風力(半年回歸期風力)下消能元件之最大位移,對應之頻率應為f1(=1/T1),其中f1(T1)為未含消能元件結構之彈性裝設消能元件方向之結構顯著模態振動頻率(週期)。

參、推廣與應用

根據本所相關研究成果所提於建築物耐震設計規範第9章及第10章之修訂建議,包含隔震系統設計參數之變異性、隔震元件出廠試驗等新增之修訂條文,以及動力分析方法、減震建築之定義與隔減震元件試驗等規定,業召開數次產官學界專家座談會協商討論,已儘量兼具其嚴謹性、公平性及正確性。本所已將修訂完成之第9章及第10章修正草案之內容,提送內政部營建署納為修訂相關規範之參採,俾利現有「建築物耐震設計規範與解說」,能與國際接軌及符合國內工程環境,並早日頒布供工程界使用。未來將規劃結合建築師、土木結構技師等公會團體,辦理推廣講習會,宣導建築物耐震理念,強化業界重視工程品質,提升民眾對耐震建築的認知。