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建築研究簡訊第107期 《業務報導》

應用非線性動力分析法於中高樓層軟弱層及扭轉不規則建築之詳細耐震能力評估

       根據現行部頒「建築物耐震設計規範與解說」規定,建築物具下列三類不規則者須進行動力分析。包括(1)高度等於或超過50公尺或15層以上之建築物;(2)建築物超過20公尺或5層以上,且其勁度、重量配置或立面幾何形狀具有立面不規則性,或具有平面扭轉不規則性者;(3)建築物超過5層或20公尺,非全高度具有同一種結構系統者。一般而言,側推分析僅適用於規則性建築,不規則建築應以動力分析為主,其中又以非線性動力歷時分析法最為精確。

       因目前國內建築物高度在50公尺以上者,應將結構設計委託審查,結構設計品質較有保障,反觀20至50公尺之中高樓層建築物常因其商業用途及使用機能所需,其結構特性常產生力傳遞路徑不良、贅餘度不足、底層軟弱、結構不規則效應過大及非韌性配筋等問題,以致易產生震損甚至倒塌造成大量人命傷亡。目前常用耐震能力評估程式皆屬於定義構件非線性鉸的工具,但中高樓層建築物之動態行為需考慮高模態與地震歷時方向組合的影響,僅採用側推分析法之準確性不足,詳細耐震評估方法仍以非線性動力歷時分析為佳。

       有鑑於此,本所在本部「都市危險及老舊建築物加速重建條例」及「住宅性能評估實施辦法」推動下,賡續推動建築耐震相關研發與推廣工作,可適用於新建及既有建築物。配合行政院「全國建築物耐震安檢暨輔導重建補強」計畫,針對快篩後疑似具有高危險疑慮建築物,高度在20至50公尺者,採用非線性動力分析法,進行軟弱層及扭轉不規則建築之詳細耐震能力評估研究,以協助所有權人辦理詳細耐震評估。

       本研究發展一實用之機率式建物倒塌耐震評估方法與流程,分析流程包括:(1)建立倒塌結構數值模型;(2)挑選數組合適的歷時震波;(3)選定倒塌判定準則;(4)執行增量動力分析;(5)建立倒塌易損曲線; (6)計算倒塌機率性能指標,及(7)判定倒塌機率是否滿足容許值等步驟。該方法係簡化自美國FEMA P-58之非線性增量式動力分析法、倒塌易損分析法,並計及結構在強震下的非線性動態特性及地震力的不確定性等項因子。本流程中每一步驟都可視學理發展、程式改版與實務需求做精進改善,使分析結果更能忠實反映結構受震倒塌機率。惟因FEMA P-58對於建物倒塌的判定準則與倒塌性能指標的選擇並無明確的建議。因此,本文乃參採PEER-TBI與ASCE 41-13技術報告針對RC構造建議二項倒塌判定準則,分別稱為「整體結構」與「局部構件」倒塌判定準則。整體結構準則為任一樓層之最大層間變位角達4%,局部構件準則為任一柱構件達軸向破壞位移,參照TEASPA V3.1所計算之Da

       為檢驗梁柱局部構件塑鉸定義之合理性,本計畫收集34組柱實驗資料,其中12組來自Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER)實驗資料庫、9組來自日本實驗室資料庫、13組來自國家地震中心實驗資料庫。有關梁、柱構件塑性鉸設定,經由實驗與分析驗證顯示,ASCE 41-13所建議之塑性鉸,針對最大強度的預測與單曲率柱實驗值接近,但高估雙曲率柱的強度。極限變形部分,低軸力下約可預測4%層間位移角,但隨軸力增加則降低2%層間位移角,屬於較保守的預測。相反的,TEASPA V3.1所定義之塑鉸參數,可有效掌握各種破壞模式,對於初始勁度、最大強度及極限變形,也有較合理的預測結果,如圖1至圖4所示。

       進行非線性動力歷時分析時,如採用商用軟體(如:ETABS程式),塑鉸之設定必須由原有側推分析的P-M2、P-M3轉換為M2、M3塑鉸,使能啟動遲滯迴圈規則,例如Takeda模式,來描述塑鉸的加載與卸載行為。值得注意的是,受限於程式功能,動力分析中無法呈現軸力變化對塑鉸參數變化的影響。因此,M2及M3塑鉸參數至少須考慮構材的初始軸力(即靜載重及1/2活載重)。

        有關倒塌性能指標的訂定方面則參採ASCE 7-10及FEMA P695建議之倒塌機率容許值,亦即:「最大考量地震力之倒塌機率」小於10%,作為判定建物是否有倒塌疑慮之標準。其中,前者之最大考量地震力可採用我國設計規範之值,十分方便實務之應用。

       本研究分別以1個扭轉不規則及1個軟弱底層中高樓建物案例,說明本文所建議倒塌性能評估法之執行程序,並和靜力側推分析比較。案例分析如圖5至圖8,及表1與表2顯示,非線性動力分析因為採用直接積分法且處理不平衡力的迭代,計算時間較非線性靜力側推分析長,但對於平面或立面不規則性結構仍有必要。具扭轉不規則建築結構或軟弱底層建築結構,以機率式倒塌易損曲線方式判定,其地表加速度值較側推分析評估結果低。尤其,扭轉不規則建築結構受觀測點之點位選擇影響,側推分析結果變異性大,分析結果恐有不保守的疑慮。

       綜合上述,對於扭轉不規則與軟弱底層建築物,採用非線性靜力側推分析,無法反映中高樓建物的高模振態及其地震反應中的諸多不確定因子,在中高樓結構耐震評估應用上有所不足。若採用非線性增量動力分析法時,於非線性分析模型中輸入依FEMA P-58程序所挑選與調整後之雙向地震波,再搭配PEER TBI-Task 7「總體結構」及國家地震工程研究中心「局部構件」之準則,建立倒塌易損性曲線。並參採ASCE 7-10及FEMA P695,由倒塌易損性曲線獲得最大考量地震等級且倒塌機率10%所對應之有效地表加速度值,使分析結果能忠實反映結構受震倒塌機率,以完成詳細耐震能力評估。

       本研究已針對建築物耐震設計規範及解說第八章既有建築物之耐震能力評估與耐震補強等節之條文或解說,提出修正建議,並提供內政部營建署參採。另所提鋼筋混凝土梁柱塑鉸之設定,業以國內外程式驗證,其塑鉸模型、相關柱構材實驗資料庫與詳評法模型驗證等成果,可提供業界以非線性動力法,進行中高樓層軟弱層及扭轉不規則建築耐震詳評之參採。

 

 

1案例1分析與實驗結果比較

 

 

圖2案例2分析與實驗結果比較

 

 

圖3案例3分析與實驗結果比較

 

 

圖4案例4分析與實驗結果比較

 

 

圖5扭轉不規則結構模型與側推分析塑鉸分佈(左:x向、右:y向)

 

表1 扭轉不規則結構之側推分析結果

 

 

 

 

(a)增量動力分析曲線                                          (b)倒塌易損曲線

圖6轉不規則結構之非線性動力歷時分析結果

 

圖7弱底層結構模型與側推分析塑鉸分佈(左:x向、右:y向)

 

表2 軟弱底層結構非線性靜力側推分析結果

 

 

 

(a)增量動力分析曲線                                       (b)倒塌易損曲線

圖8軟弱底層結構非線性動力歷時分析結果