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建築研究簡訊第110期

  • 日期:109-12-31
主題報導周楷峻
研訂既有建築物防倒塌階段性耐震補強法規與設計方法

 中高樓層建築物因商業用途及使用機能所需,導致結構產生力傳遞路徑不良、底層軟弱、平立面不規則效應過大及非韌性鋼筋配筋搭接不良等問題(圖1),易有震損甚至倒塌。本案將耐震性能要求以防止倒塌為基準,研擬簡易、無須整體補強,以防止倒塌為主之耐震補強評估、補強設計方法與工法,建立既有建築物受震倒塌可能性評估方法,並參考國內震害防治策略及日本既有中高樓層建築結構防止倒塌,提出篩選原則與補強策略初步建議。

圖1 國內中高樓層RC建物常見弱點

  在日本的耐震能力診斷基準中訂定形狀指標,提供計算方式,協助判定結構物的形狀特性。在國內相關耐震設計規範或評估方法中,對建築物立面不規則、平面不規則或地震力傳遞路徑不規則,僅於設計與分析時依相關規定辦理。但結構物具不規則性,受震後各樓層的動態反應與側向力分佈,與靜力分析時所得之結果有明顯的不同,則須再進行動力分析以獲取正確的反應。縱使結構物外觀對稱,可能因挑高或用途不同(如游泳池)造成樓層勁度差異大或重量較大,都可能造成地震力傳遞不連續或軟弱等現象。另外,包含平面不對稱或具凹角性,可能造成結構物質心與剛心位置不同之偏心,受震後易產生扭轉效應,在設計上也須考量意外扭矩之影響,針對偏心扭矩放大並考慮動態扭矩等進行動力分析。

  參考日本耐震能力診斷基準,針對結構物形狀分類進行探討,並以本所「鋼筋混凝土建築物耐震評估程式增修與應用研究案」及國震中心「低矮型鋼筋混凝土建築結構耐震能力初步評估」等進行比較:

(一)凹角性

  本所以概括討論平面及立面對稱性,提供三種等級供評估者判斷;國震中心則以是否有三角窗轉角騎樓,並考量建築物為雙向騎樓或單向騎樓來判定。

(二)剛性比

  本所以概括討論軟弱層顯著性,依結構物之剪力牆上下連續性、隔間牆量變化及樓層挑高程度等判斷其顯著性;國震中心則以牆體是否中斷來判定。

(三)有無地下室

  本所與日本皆考慮有無地下室,且利用地下室面積除建築面積之比例計算區分等級,而國震中心則無相關規定。

  耐震補強規劃之基本策略,以強度增加方式或(及)韌性增加方式來達到耐震性能需求,設計者應選用能達耐震性能需求之最經濟、影響性最小及不過度影響建築物功能性之補強方式。其基本策略建議如下:

(一)老舊低矮建築物或用途係數高之建物,採強度補強策略。

(二)高層建築或規範規定第四類建築,採強度搭配部份構材韌性補強策略。

(三)高層建築或建物既有結構韌性佳之建築物,採消能補強策略。

  具軟弱層建築物如採階段性補強,建議以結構系統補強方式為宜,其可區分為鋼筋混凝土(RC)剪力牆、鋼造斜撐或鋼板剪力牆、挫屈束制支撐、消能補強,及其他補強方式(圖2)。

圖2 常見之鋼構架型式示意圖

  本案以國內震損之住商混合建物為案例,並以日本評估法計算其凹角性及剛性比等形狀指標項目,發現這二項目可反應出具軟弱底層建築物之弱點及折減耐震能力,藉由改善凹角性及剛性比,進行底部少數樓層補強,在大量降低費用下,提昇建築物之耐震能力。

  行政院擬定「安家固園計畫–106年執行計畫」列有政府主動輔導單棟大樓階段性補強係屬新興之工法及技術,主要採用鋼筋混凝土剪力牆及翼牆補強方式濕式工法,做成階段性補強之研究及製作技術手冊,目標輔導10棟(幢)公寓大廈作為示範案例,以供後續推廣示範使用,並供業界與民眾應用。目前國內外耐震補強設計,不論使用FEMA或本所SERCB等分析程式,都是再次分析建築物結構判斷其耐震能力,且不論在結構補強設計前或後,僅以非線性側推分析確認耐震能力,其分析結果不如新建結構有完整方法,故本案以改善偏心率與剛重比分析法,以有效、有系統的達到補強目的,提供相對於其他計畫或研究多採取濕式工法,本所研發以樓地板面積計算設計監造費及工程單價之施工成本、補強施工工期分析、簡易無須整體補強之階段性耐震之乾式補強工法供參考。不同於濕式工法,乾式工法有機會於施工期間維持原空間持續使用,且在有限經費下提昇建築物耐震能力,提供建築物耐震補強工法另一選項。本案所提之偏心率與剛重比兩形狀指標除可定量反映結構之底層軟弱及平立面不規則弱點外,亦可作為評定階段性、防倒塌補強方案使用。此外,以住商混合大樓為研究對象(1、2樓為商店、銀行等,3樓以上為住宅),以施工期間不影響建築物使用原則,採用鋼板剪力牆、挫屈束制支撐、消能補強等乾式工法,可供業界實務操作參考。