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建築研究簡訊第103期 《業務報導》

既有建築RC柱乾式鋼板補強實驗分析

       國內有許多屋齡超過20年、樓高7樓以上、未滿50公尺之老舊鋼筋混凝土(簡稱RC)結構大樓,因當時時代背景及法規規定,一般僅採非韌性配筋,可能有橫向鋼筋配置不足,造成混凝土圍束效果不佳、剪力強度較低之問題,但是這類大樓在低樓層之柱所受軸力通常較高,使用非韌性配筋抵抗地震力,容易呈現受壓崩潰式破壞甚至於該樓層倒塌,引致居民傷亡。因此,針對這類大樓耐震行為及耐震補強進行研究,是國內耐震方面勢在必行的重要課題。

       目前國內有RC擴柱補強、增設翼牆、增設RC剪力牆、包覆鋼板補強、碳纖維補強及外加構架補強等補強方式,其中包覆鋼板補強所需佔用的面積較其他工法小,施工技術要求較低,且施工較不影響原空間功能,適合推廣用於警政消防廳舍、醫院、學校建築等希望可維持原空間功能的建築。本所106年度研究案「老舊RC建築既有非韌性配筋柱包覆鋼板補強之研究」已證明鋼板補強可有效提升高軸力下非韌性配筋RC柱之耐震性能,惟敲除保護層仍較偏屬濕式施工,若不需敲除即保有足夠的耐震韌性,則可增加補強意願,故本研究嘗試採用乾式鋼板補強來提升大樓RC柱之耐震韌性。

       本研究試體設計列表如表1所示,試體之立面圖如圖1至圖2所示,試體柱斷面圖、鋼筋材質及尺寸配置如圖3所示,SND試體為模擬老舊RC建築大樓低樓層柱同時承受一般軸力及地震力之試體;而SNDR1及SNDR2試體為SND試體以厚度10 mm鋼板補強之試體,並使用容許拉力至少52 kN之M24化學錨栓進行柱底強化措施,SNDR1試體係直接以鋼板補強灌漿製作而成,SNDR2試體係柱體灌漿7天後,將鋼板補強範圍內柱體保護層敲除,再以鋼板補強灌漿製作而成。所有試體皆在固定軸力P作用下進行撓曲反覆載重試驗,所有試體軸力P與Agfc'之比例(簡稱軸力比)約為20%,其中Ag為柱之全斷面積,fc'為混凝土標稱抗壓強度。

       實驗時試體所受軸力P皆為158.8 tf,故實際軸力比皆為26 %,試驗結果各試體側力-位移遲滯迴圈及包絡線圖分別如圖5及圖6所示,可知非韌性配筋RC柱之塑性轉角容量僅約1.8 % rad,不滿足國內規範塑性轉角容量至少3 % rad之規定。以乾式鋼板補強一般軸力作用非韌性配筋RC柱,可將塑性轉角容量由僅約1.8 % rad,提升至超過8 % rad,滿足國內規範塑性轉角容量至少3 % rad之規定,直接進行乾式鋼板補強的試體,其塑性轉角容量(9.2 % rad)與敲除保護層後再進行鋼板補強的試體(8.11 % rad)相近,表示對無表面飾材之非韌性配筋RC柱,無需敲除保護層,即可直接進行乾式鋼板補強。由於本研究試體進行鋼板補強時並未承受軸力,軸力係試驗時才施加,與實務上對已經承受軸力之柱進行鋼板補強不同,實務上鋼板補強的效果可能比本研究實驗結果略小一些,建議實務上可在補強前,先將該柱上層之載重儘量移除,等補強完畢後再恢復,可得到更佳之補強效果。

表1.梁柱實驗試體規劃

圖1.SND試體之立面圖                                      圖2.SNDR1及SNDR2試體之立面圖

圖3.試體柱斷面圖

圖4.各試體側力-位移遲滯迴圈及包絡線圖

圖5.各試體側力-位移包絡線比較圖