國內外非結構設計地震力修訂沿革

國內非結構物耐震設計之依據包括「建築物耐震設計規範及解說」(內政部，2011) 與「建築設備耐震規範條文與解說之研訂」(姚昭智等，2000)，安裝施工則為依據公 共工程施工綱要規範，而「建築物耐震設計規範及解說」與「建築設備耐震規範條文 與解說之研訂」之非結構耐震設計地震力部分的規定，為參酌美國1994 年版 UBC (ICC, 1994)、2000 年版 IBC (ICC, 2000)與 FEMA273 (ATC, 1997)訂定。本節主要介紹近年來 美國非結構耐震設計演變以及走向，並針對非結構耐震設計地震力的部分，與我國耐 震規範比較，概略說明我國非結構耐震設計地震力之演變。

壹 美國非結構耐震設計相關規定沿革

美國耐震設計規範之演變，與歷次發生重大震災息息相關。早期美國非結構規範 之發展，以加州與西部各州採行之Uniform Building Code (簡稱 UBC)為主流，此外尚 發展美國中南部適用之Standard Building Code (簡稱 SBC)，以及全國性之美國國家建 築規範(BOCA National Building Code)。西元 2000 年之後，美國建築規範由昔日的三 大規範合併為全國通行之單一規範 International Building Code(簡稱 IBC)，而首版之 2000 年版 IBC 耐震設計部份即以 1997 年版 NEHRP(BSSC，1997)規範為基礎，並融合 部分1997 年版 UBC(ICC, 1997)。目前(西元 2014 年 12 月 31 日前)所適用之 2012 年版 IBC(ICC, 2012)則以 ASCE/SEI 7-10(ASCE, 2010)為依據，而 ASCE/SEI 7-10 訂定基礎 即為2003 年版 NEHRP (BSSC，2003)。下文依據美國各年代主要的耐震規範與準則，

分述UBC、NEHRP 與 ASCE 等規範之非結構耐震設計相關規定。

1. Uniform Building Code (UBC)

UBC 於 1927 年發行第一版，約每三年修訂一次直至 1997 年版。UBC 中對於非 結構物的規定，起因為1906 年 San Francisco 地震與 1925 年 Santa Barbara 地震之震損 經驗，美國意識到磚造女兒牆與外牆於強震崩塌時，可能造成重大傷亡。UBC 非結構 相關重要規定之演變如下：

(1) 1927 年版 UBC(ICBO, 1927)的附錄中，以文字敘述一般建築非結構構件的耐震安 裝措施規定，後續版本之UBC 持續於附錄中提升非結構物固定的耐震要求。

(2) 1935 年版 UBC(PCBOC, 1935)首次以「F=CW」表示非結構構件最小設計水平總橫 力。

(3) 1961 年版 UBC (ICBO, 1961)始正式將非結構構件耐震規定納入規範條文之中，並 添加非結構構件的錨定要求。

(4) 1964 年 Alaska 地震與 1971 年 San Fernando 地震中非結構構件嚴重的災損情形，使 後續版本的UBC 陸續擴大非結構構件耐震設計的適用範圍，如外牆嵌板、懸吊式天花 板、儲物櫃及機械設備等。

(5) 由於外牆面板構件災損高達建物修復經費的 50%，且可能因掉落而造成危險，1967 年版UBC (ICBO, 1967)首次提出非結構相對位移耐震要求—外牆面板構件必須容許至 少兩倍層間變位設計值。

(6) 1976 年版 UBC(ICBO, 1976)新增用途係數規定。

(7) 1979 年版 UBC(ICBO, 1979)提升非結構構件 50%的設計地震力。

(8) 為考量柔性非結構物之動力放大效應，1988 年版 UBC(ICBO, 1988)首次出現針對 非剛性構件(non-rigid)要求。

(9) 1991 年版 UBC(ICBO, 1991)新增規定，考量地震作用下相對位移對於設備錨定的 影響。

(10) 1997 年版 UBC 將先前版本之容許應力法(ASD)改以強度設計法(strength design)為 基礎，並依據NEHRP 提出之 FEMA 302 報告 (下文簡稱 1997 年版 NEHRP；BSSC, 1997)，

以NEHRP 之非結構設計地震力公式基本雛型取代 UBC 原先之設計地震力公式。

依據1997 年版 NEHRP 之非結構設計地震力公式，1997 年版 UBC 之非結構設計 地震力公式考量更多參數，如當非結構所在之建物基地為軟弱地盤或在近斷層範圍內 時，必須考量基地特性之影響，此外，由於建築物樓板加速度隨樓層數增加而放大，

故固定於建築高樓層之非結構構件的耐震需求，也隨之調整以較大的地震力設計。

2. National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP)準則

NEHRP(National Earthquake Hazards Reduction Program)耐震設計準則由聯邦政府 資助，每三年經由BSSC(Building Seismic Safety Council)修訂發行。1993 至 1994 年間，

美國三大規範之 BOCA/National Building Code 與 SBCCI/SBC，均採用 1991 年版 NEHRP (BSSC, 1991)作為耐震設計部分的規範，因而提升 NEHRP 準則對於美國耐震 設計規範的影響力。NEHRP 首版(BSSC, 1986)為依據 1978 年 ATC3-06 (ATC, 1978)編 修而成，其非結構規範部份直至1991 年版，並未作明顯變更。早期的 NEHRP 非結構

設計水平總橫力為根據UBC 與 California Administrative Code，再調整為極限強度設計 法，並在機械、電力設備方面，從原先主觀判斷之設計地震力係數(Cp 值)獨立出共振 放大倍數(Equipment Amplification Factor)，考量設備與建築結構體共振放大效應。1994 年版NEHRP(BSSC, 1994)做了大幅度調整，除了非結構構件自重 (Wp)與用途係數(Ip) 外，將非結構設計地震力係數細分為樓高加速度係數(Ap)、共振放大倍數(ap)與地震反 應折減係數(Rp)，並明確訂定設計地震力的上下限值，而形成 2003 年版 NEHRP 公式 的雛型。其中，樓高加速度係數(Ap)與共振放大倍數(ap)訂定均參考 T. T. Soong 之

“Assessment of the 1991 NEHRP Provisions for Nonstructural Components and Recommended Revisions” (T. T. Soong, 1993) 。樓高加速度係數(Ap)將各樓層設計加速 度以倒梯形分布，屋頂層加速度可自地表加速度放大至四倍。共振放大倍數(ap)可依 據結構體與非結構構件自振週期比值決定，但為簡化設計，NEHRP 將剛性(自振週期 小於0.06 秒)與柔性兩類非結構構件之 ap 設定為表列值 1.0 或 2.5。除了設計地震力之 外，所有非結構構件亦須考量不同樓層或結構體間的相對位移值。

1997 年版 NEHRP(BSSC, 1997)依據 1997 年版 UBC(ICC, 1997)與其他相關文獻等 報告，調整非結構設計水平總橫力之地震反應折減係數 Rp 值(範圍由 1.5~6.0 調降為 1.25~3.5)，並調降屋頂層加速度為地表加速度之三倍。雖然早期研究統計顯示屋頂層 加速度最高可自地表加速度放大至四倍，但若觀察地表加速度峰值超過0.1g 的強震紀 錄資料，屋頂層加速度放大地表加速度三倍為較合理之邊界值。至此 NEHRP 非結構 耐震設計地震力與位移要求大致底定，2000 年版 NEHRP(BSSC, 2000)與 2003 年版 NEHRP(BSSC, 2003)則作些微調整。2000 年版 NEHRP 除了新增玻璃材非結構構件耐 震設計章節外，另要求支撐非結構構件的結構體局部構件必須證明有足夠的強度與勁 度，作為非結構設計地震力之傳遞路徑。2003 年版 NEHRP 增加擬訂消防撒水頭耐震 要求，與修正懸吊之非結構構件與螺栓錨定要求，並於附錄新增管線系統之耐震性能 設計方法。

3. American Society of Civil Engineers / Structural Engineering Institute (ASCE/SEI) 2006 年版 IBC(ICC, 2006)與美國防火協會 NFPA5000-2006 (NFPA, 2006)的耐震設 計部分，均以“ASCE/SEI 7-05：Standard, Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures＂ (ASCE, 2005)為依據，ASCE/SEI 7-05 訂定基礎則為 2003 年版 NEHRP。

目前最新版本(西元 2014 年 12 月 31 日前)之 2012 年版 IBC(ICC, 2012)耐震設計部份，

則為援引ASCE/SEI 7-10(ASCE, 2010)。以下概要介紹 ASCE7-05 與 ASCE7-10 之非結

構耐震設計規定：

(1) ASCE/SEI 7-05

ASCE/SEI 7-05 第 13 章為非結構耐震設計規定，其與 2003 年版 NEHRP 均為強度 設計，ASCE/SEI 7-05 之非結構設計地震力公式亦是援引 2003 年版 NEHRP 之規定。

與2003 年版 NEHRP 相較，ASCE/SEI 7-05 增加施做非結構耐震設計之實質規定，如 設備支承架與固定裝置之耐震設計文件要求，以及重要係數(Ip)為 1.5 之設備物的耐震 性能驗證規定等。

地震力公式規定中，共振放大倍數(ap)方面，ASCE/SEI 7-05 與 2003 年版 NEHRP 之共振放大倍數(ap)範圍均於 1.0 至 2.5 之間，原 ap 值為 2.5 者，ASCE/SEI 7-05 允許 設計者依據動力分析結果，調降該非結構物之 ap 值。地震反應折減係數(Rp)方面，

ASCE/SEI 7-05 依據非結構物之變形性、韌性與符合相關工業規範(如 ASME B31)與否，

非結構物之Rp 範圍可自 1.0 至 12.0 之間。值得注意的是，ASCE/SEI 7-05 與 2003 年 版NEHRP 之設備與佈線系統分類方式不同，其共振放大倍數(ap)與地震反應折減係數 (Rp)亦不相同。此外，ASCE/SEI 7-05 引用 2003 年版 NEHRP 對於隔振設備物之規定，

亦即若設備支承架與束制構件之間的空隙超過0.25 in. (約 6 mm)，則應以兩倍設計地 震力進行設計。

ASCE/SEI 7-05 中，設備物錨定於混凝土或磚石造結構時，除非證明錨定破壞模 式為韌性鋼材破壞，或依據 ACI 355.2(ACI, 2001)測試結果或依據 ACI 318-05(ACI, 2005)附錄 D 設計結果而可提供較高之地震反應折減係數(Rp)，其錨定力設計之 Rp 值 均取1.5。

此外，ASCE/SEI 7-05 要求重要係數(Ip)為 1.5 之機電設備或盛裝危險內容物之容 器，應進行耐震性能驗證，確保重要機電設備於設計地震後保持機能，以及危險內容 物不至洩漏。耐震性能驗證方式分為三類：

a. 依據 AC-156(ICC-ES，2000)規定進行振動台試驗 b. 該類設備物以往的受震經驗

c. 數值模擬分析結果(較不適用於主動機械設備) (2) ASCE/SEI 7-10

ASCE/SEI 7-10 之非結構耐震設計規定中，設計地震力公式沿襲 ASCE/SEI 7-05 的公式，非結構物共振放大倍數(ap)與地震反應折減係數(Rp)並未改變，僅建築裝修物 中之櫥櫃(Cabinets)再細分為儲物櫃、圖書架、實驗室設備等三類，並增列獨立式逃生 梯之ap 與 Rp 值。然而在錨定裝置(attachments)耐震設計方面，ASCE/SEI 7-10 新增錨 定裝置之設計地震力的Rp 值不得超過 6.0 的規定。

與ASCE/SEI 7-05 相較，ASCE/SEI 7-10 增加多項設備物與錨定耐震設計說明，如 因應ASTM E580 標準(ASTM, 2008)新增強震區之懸吊式天花板系統耐震設計規定；機 電設備方面，則進一步調整與設備物相關工業規範相容，如依據ASME BPVC(ASME, 2004)設計之高壓容器材料可視為高變形性材料，電梯受震轉換器(seismic switches)符 合ASME A17.1 (ASME, 2007)規定與否所對應的耐震設計條件等。設備物錨定設計方 面，ASCE/SEI 7-10 新增固定於磚石造之錨定應符合 TMS 402/ACI committee 503/ASCE 5(MSJC, 2008)之規定，並放寬火藥擊釘(power actuated fasteners)與摩擦型夾具(friction clips)應用於強震區之規定。

貳 我國非結構耐震設計規範沿革

傳統耐震設計之理念，以提高結構物之構件強度或增加韌性來抵抗地震，如此在 強震下這些結構物或許不會完全倒塌，但結構內之非結構構件或附屬施設，卻可能因 上傳地震力過大，或因主結構產生塑性變形過大而遭致破壞，因而嚴重影響結構之原 有設計功能，甚至危及其內人命及財產之安全。另一方面，台灣建築結構耐震設計與 規範備受矚目而有顯著的進步與改革，然國內設備與非結構構材因非屬主要抗震結構 系統，且設備與非結構構材種類繁雜，除了核能電廠等重大設施外，一般建築之非結 構耐震設計仍未受建築師、結構技師等重視。近年來台灣重大震災的慘痛經驗，顯示 重要建築之設備與非結構物若無良好的耐震設計，在強震時毀損，不但造成嚴重的經 濟損失與傷及使用者，亦使醫院等功能性建築無法有效發揮其救災等機能。目前(2014 年12 月 31 日前)國內非結構物耐震設計之依據包括「建築物耐震設計規範及解說」(內 政部，2011)與「建築設備耐震規範條文與解說之研訂」(姚昭智等，2000)，安裝施工 則為依據「公共工程施工綱要規範」。

我國建築耐震設計規範自民國七十一年建築技術規則(參考 1976 年版 UBC)，直至 民國八十六年建築耐震設計規範(參考 1994 年版 UBC) 非結構耐震規範部份僅修正部