第三章 範例 1―規則鋼結構建築物
3.5 小節
為確保設計模型與評估所得容量曲線較為吻合,建議新建建築物耐震 性能評估檢核時,預加靜載重與活載重之比例與控制設計之載重組合係數 一致,但不低於 100%靜載重與 25%活載重。
直接位移設計法流程中假設降伏位移與依據容許韌性比求取強度與勁 度需求具有實質性區別。在已知目標位移之前提下,以規範草案韌性標準 作為假設之容許韌性比時,該容許韌性比決定了最小降伏位移與最低強度 需求;而假設降伏位移時,強度需求可能由韌性標準或由假設之降伏位移 控制,但該強度需求並不一定是滿足位移標準與韌性標準之最低強度需 求。
直接位移設計法可大致分為基於替代結構等效彈性反應譜之 DBD 與 EBD 法以及基於塑性結構非彈性反應譜之容量震譜法(含降伏點需求譜 法),可採用圖解與數值計算。若採用圖解計算,替代結構 DBD 與容量震 譜法計算複雜度相近,但若採用簡便數值計算法,容量震譜法更容易。由 本研究之範例探討也發現:基於理想彈塑性容量曲線(降伏後勁度 r=0)與基 於雙線性容量曲線所得結果接近且前者相對較保守,所以,建議初步設計 階段考慮採用基於理想彈塑性容量曲線之簡便數值計算容量震譜法。範例 1 中,當採用 r=0 之彈塑性模型,依據 Case3322X1(DBD 法)與對應之 Case332X1(容量震譜法)之強度、勁度需求設計最為簡便。
基於範例 1,無論採用替代結構 DBD 法還是容量震譜法,各參數影響 趨勢基本一致。SEAOC[1999]附錄 I-B 篇之性能目標與標準(I=1)太高,其 流程對強度與勁度需求估計較保守;採用 SEAOC[1999]目標位移計算法 (J=1)時,勁度需求最小,基於 RC 結構變形經驗公式(J=2)時,勁度需求最 高,說明該變形經驗公式不適合用於鋼結構;因容許韌性比低於韌性標 準,依據經驗公式假設降伏位移(K=3)比假設韌性比=韌性標準(K=1 或 2) 對應之強度需求高,同樣,K=2 比 K=1 強度需求高是因為其對應之容許韌 性比較小;參數 M 對強度與勁度需求之影響不顯著;參數 N 不影響勁度 需求,但因有效質量較低,N=2 比 N=1 之強度需求低。然而,容量震譜法 之勁度需求主要與 I、J 相關,受 K、M 影響很小甚至不受影響,但替代結 構 DBD 法之勁度需求受 K、L、M 影響程度較大;容量震譜法 Case21111 對強度與勁度評估過低,不同於替代結構 DBD 法之 Case211111。
綜合考慮強度與勁度需求,以 L=2(規範草案有效阻尼比)時之 DBD 法 與容量震譜法計算結果最接近;又以 K=3 (依據經驗公式假設降伏位移) 時,兩方法之平均誤差最小,但必須留意該降伏位移是根據經驗公式而假 設,非隨意假設,並且,該平均最小誤差與 K=1 或 2 時之差異不顯著,而 最大誤差以 K=2 時最小。
範例 1 中,直接位移設計法與強度設計法均由 475 年地震對應子目標 控制設計。約 80%情形下之勁度需求超過強度設計法;N=1 時,90%情形 對應之強度需求均大於或約等於強度法設計地震力,本研究不建議採用 N=2,除非搭配降伏位移經驗公式(K=3)。SEAOC1999 對重要度高之建築 物之耐震性能標準比規範草案高,對應之強度與勁度需求比規範草案強度 法以及最佳設計依據高;類似現象也出現於 I=3 搭配 J=2 時,以及替代結 構 DBD 法中 I=3、J=3 或 4 搭配 K=1 或 2、L=1 時,這些情形下,性能標 準均可以滿足,但不經濟,需要迭代修改,所以,不建議採用。而容量震
譜法中除了 J=2 以外,K=1 之強度需求均比較低,也不建議採用。I=3、J=1 時,DBD 法所有(N=1)情形強度需求均接近或超過強度法,但是,僅有 3J21XX 與 3J11XX 之勁度需求較強度法與最佳設計依據高,所以,不建議 搭配採用規範草案或 Kowalsky 有效阻尼(L=2、3);此類情形下,容量震譜 法之勁度需求也低於最佳設計依據;再考慮 DBD 與容量震譜法差異性,
所以,不建議 I=3 搭配 J=1。I=3,J=3 或 4 時,除了上述不建議情況以外,
平均以 K=3 之勁度需求最接近強度法與最佳設計依據,但基於規範草案過 強因子=1.68 之強度需求比強度設計法高較多,所以,特別適合依據勁度 需求設計,若要以強度需求為依據設計,可以考慮採用較高之過強因子,
本範例中,若搭配 N=1,可取Ω=3,若搭配 N=2,可取Ω=2.08,這些情形 中,L 取值對勁度與強度需求影響很小。但考慮強度與勁度之平均與最大 誤差,以 K=2 最接近強度法與最佳設計依據。所有情形中,多數以 L=2(規 範草案有效阻尼比)對強度需求評估最接近強度法。
範例 1 中,依據規範草案建議之彈性設計加速度反應譜係數、規範草 案位移標準,搭配上述建議參數可以得到滿意結果。
範例 1 之建築物屬第 III 類特別重要建築物(現行規範 I=1.5 者),由前 述原因,假設降伏位移(K=3)對應之強度需求大於 K=1 或 2。K=3 之非最 低強度需求遠超過強度法設計模型與最佳設計依據,反而以 K=1 或 2 時較 接近且略超過強度法設計模型。該現象顯示:特別重要之建築物,確保建 築物機能之性能標準對應之最低強度需求控制設計。
建議初步設計階段考慮採用基於理想彈塑性容量曲線(r=0)之簡便數 值計算容量震譜法。
若要依據直接位移設計法計算所得強度需求進行設計,考慮設計效率 以及不同直接位移設計法之間的誤差最小,採用規範草案性能標準時,對 於如範例 1 之第 III 類建築物,建議採用第 2.2.2 節基於振態變形之方法三 (J=3)與方法四(J=4)計算等效單自由度目標位移,應用規範草案之韌性標準 計算降伏位移(K=2), 取用規範草案建議之有效阻尼比(L=2),規範草案反 應 譜 折 減 係 數 (M=1) 以 及 SEAOC1999 建 議 有 效 質 量 或 Priestley and Kowalsky [2000]建議之有效質量計算法(N=1)。
範例 1 之強度設計法採用動力分析週期 0.985(s),具有隨機性,不是 每一位設計者都可以得到此週期,依賴設計者之經驗以及反覆試算。規則 而結構系統單純之建築結構採用直接位移設計法時,以規範草案性能目標 為基準,排除上述不建議採用之情形,許多情形下勁度與強度需求接近最
佳設計依據,可避免因經驗不足使得設計過於保守或不保守而需要反覆修 改設計。