國內外建築物耐震設計研究現況與發展方向

近年來台灣、日本、美國、加拿大、紐澳及歐洲的建築物耐震設計規範研修規劃 有相當的進展與更新，例如設計反應譜的製作方式、新型結構系統的相關設計參數、

各類結構系統或元件的性能檢核方式、動力歷時分析所用的地震歷時挑選與強度縮放 方法之檢討、非結構構材及設備地震力要求、非建築結構的地震力要求及性能檢核方 式、液化潛能評估方法、結構系統超強因子與位移放大係數之應用與檢討、隔減震消 能元件之性能測試程序等，皆是近年來國際上各國的建築物耐震規範修訂規劃內容中 常見的主題。

傳統耐震設計的要求(耐震設計哲學)由於建築形式與設備較簡單，而著重於結構 的安全及其對生命的保護；另外受限於分析工具(電腦軟、硬體)的功能，規範條文做 了很大的簡化，許多設計要求隱含於規定之中，並未明白提示。然而隨著時代的進步，

新形式、新材料的建築逐漸出現，且建築物內的設備也越趨複雜昂貴，對建築物的服 務性要求更趨嚴格，傳統耐震設計哲學已經不符合現實的需求。現代耐震設計的要求 除了對結構的安全及其對生命的保護外，對於設備的保護也越受重視，於是『性能設 計法』(performance-based design)也在近十餘年內逐漸發展，美國規範如 ATC-40(1996)、

FEMA 273(1997) 、 IBC 2000(2000) 、 IBC 2003(2003) 、 FEMA 450(2003) 以 及 日 本 JSCA(2000) 等皆為此類性能導向規範，其基本精神為根據預設之風險考量及結構物與 其設備之特性，設定各種風險條件下結構物所必須保有之性能標準或要求，所考慮的 各種風險條件以不同回歸期之設計地震力來表示，對應之性能標準隨結構物之重要性 而不同，依此來做設計，可使結構與非結構損壞所造成的經濟損失降到最低，也可確 保在某一地震層級下建築的功能維持正常運作。

傳 統 之 現 行 耐 震 設 計 規 範 或 者 是 純 粹 只 利 用 靜 力 側 推 分 析 （static Pushover Analysis；SPA）進行評估耐震性能之第一代耐震性能評估與設計指針（ATC-40/1996，

FEMA 273/1997）的範疇中，只有在其上游的概率式地震危害度分析（Probabilistic Seismic Hazard Analysis；PSHA）階段當中，才會有考慮地震模型之不確定性（epistemic uncertainty）以及地震發生與地表運動之天然隨機性（aleatory randomness）以得到不 同超越機率水準的地振動強度估計（Intensity Measure；IM，通常以譜加速度大小來度 量其強度）作為工程結構耐震設計之依據。而在其後的結構分析、設計階段，則完全 不考慮地震輸入運動之不確定性以及隨機性對於結構耐震性能之影響。這種設計方式 稱之為基於強度（Intensity-based）的設計法。

有鑑於基於強度設計法之缺點；美國太平洋地震工程研究中心（PEER Center）於 西元 2000 年 SAC/FEMA 鋼造抗彎構架計畫中開始醞釀構思接著由 Cornell 與 Krawinkler（Cornell and Krawinkler，2000）提出新一代全機率式基於性能的地震工程 架構（framework for performance-based earthquake engineering；PBEE）如圖 1.2 所示（或 稱之為基於風險（risk-based）之性能設計架構）。此一PBEE 架構係由串聯在一起的概 率式地震危害度分析（PSHA）、概率式需求危害分析（PDHA）、概率式結構損傷分析

（PSDA）以及概率式損失估計分析（PLEA）等四個分析階段所構成，系列分析完成 之後亦可作為決策支援之參考。在提出此一架構之後，美國藉由陸續執行一系列之 ATC-58/FEMA P-58-1＆2、ATC-63/FEMA P-695、ATC-63-1/FEMA P-795、ATC-72、

FEMA P-440A/ATC-76-6/NIST GCR 10-917-9、ATC-82/NIST GCR 11-917-15 以及 ATC-84 計劃分別完成架構中所需的資料庫建置、具體指針以及使用介面與分析工具之 開發。這些一系列的研究計畫可以概分為三類：第一類研究計畫：ATC-58/FEMA P-58-1

＆2 與 ATC-82/NIST GCR 11-917-15 計劃，主要是以方法論（methodology）、資料庫建 置以及使用介面與分析工具之開發為主。第二類研究計畫：ATC-63/FEMA P-695、

ATC-63-1/FEMA P-795、FEMA P-440A/ATC-76-6/NIST GCR 10-917-9 以及 ATC-84 計 劃，主要是將所開發基於風險之性能設計法的概念回饋至檢討修訂其「現行耐震設計 規範（即美國之FEMA P-750 /ASCE 7-10/2012 IBC）」當中。第三類研究計畫：ATC-72，

才是真正將所開發基於風險之性能設計法的概念用於研擬提出以超高層建築物作為優 先考慮實施對像的耐震性能設計規範草案。

ATC-58 計畫由美國聯邦災害管理局( Federal Emergency Management Agency, FEMA)補助，將美國太平洋地震工程研究中心(PEER Center)所發展之新一代耐震性能 評估法進一步擴充，已於2011 年底完成，稱為新一代的房屋結構耐震性能評估法準則，

此準則可考慮地震的不確定性，基於不同的地震強度(Intensity-Based)、地震境況 (Scenario-Based)或是時間週期(Time-Based)內房屋可能遭致的風險，配合針對房屋結構 的分析，以靜力分析法(簡易評估法)或是非線性動力分析法(詳細評估法)，求得結構損 傷程度，房屋結構的損壞程度與死傷人數、維修金額、維修時間有關，依據不同結構 系統可訂定各構件、構材的損傷程度，從而判定當地震發生導致結構位移(或層間變位) 時相關的生命與財產損失(包含無法營運之潛在經濟損失)等，即所謂易損性曲線 (Fragility Curve)，ATC-58 採用結構反應參數如層間變位角、最大樓層加速度、樓板反 應譜值等作為易損性曲線的變數，取代傳統以最大地表加速度、第一模態反應譜值等，

可充分反映地震歷時間的不確定性，兩筆具有同樣尖峰地表加速度之時間歷時其頻率

內含可能完全不同，因而造成不同之結構反應，ATC-58 目前建立之易損性曲線資料庫 已包含600 種以上之結構與非結構元件，以利工程師進行房屋結構之耐震性能評估。

此新一代房屋結構耐震性能評估法準則不似傳統的性能分析檢核規範，以結構物受力 或位移等結構反應參數來決定結構設計結果，而以結構物受不同程度的地震侵襲後，

死傷人數、維修金額修繕或是時間為性能指標。透過此類性能指標之計算，工程師可 比較不同結構系統之潛在年平均地震風險或不同耐震補強手段之後續效應；業主可參 考此資訊作各項決策，例如結構系統之選擇、耐震脆弱元件之補強及保費合理性之評 估。

國內目前建築物耐震設計之研究，除針對新建建築研究更經濟、實用之設計方法 外，考量現存大量的老舊建築暴露在地震風險中，結構耐震評估與耐震補強亦為十分 重要之課題。針對新建建築部分，自921 大地震後，內政部建築研究所協同國家地震 工程研究中心、台大地震工程研究中心以及中華民國地震工程學會等相關單位，以集 集大地震後的調查結論為基礎，配合中央氣象局量測之強地動觀測資料，並參考美國 IBC2000 規範以及國內外之相關研究成果，針對建築技術規則及耐震設計規範進行一 系列之檢討與修訂，提出大幅改版之建築物耐震設計規範及解說，為目前施行版本之 骨幹，爾後國震中心自民國95 年成立「規範研究發展委員會」，針對耐震設計規範議 題進行研擬與檢討，相關修定議題如建築物規範之週期上限係數之調整、地盤分類標 準、建築物之間隔規定、液化潛能判定所採用之地表水平加速度、臺北盆地設計地震 微分區修訂以及隔、制震規範修訂等，均已經委員會討論決議後，送交內政部營建署 審議，並於 100 年 1 月公告，7 月施行，即為目前建築物耐震設計規範現行之版本。

此版規範後續仍有相關議題如土壤剪力波速經驗式修訂、建築物容許層間相對側向位 移角、消能元件及隔震元件之實體試驗與性能保證試驗、土壤－結構互制效應等目前 仍在研擬修訂中。

除持續檢討以及修訂現行之耐震設計規範外，同時進行的還有下一代性能設計規 範的研擬，國內研究團隊如中興工程顧問社於2005 年提出之「建築物耐震性能設計規 範之研擬」， 以及國震中心團隊提出之「耐震與性能設計規範研究」等，均針對性能 設計規範提出建議以及初步草案。未來亦參考國外發展之「機率式性能檢核」設計規 範，從傳統性能檢核僅考慮「均布地震危害(Uniform Hazard)」，以側推得出結構需求 曲線的方式，逐步發展至「均布地震風險(Uniform Risk)」，用非線性動力分析方式求 得結構需求曲線，更可概算出建築潛在經濟損失，此為國內未來耐震規範的發展方向。