性能目標

壹、功能設計法(Performance-Based Design)

（一）功能設計法的特點

在目前的耐震設計規範中有一個所謂的重要因子(Important factor, I)，用來針對 不同重要性的建築物給予不同的地震力放大係數。而在功能設計法中，對於重要性 不同的建築物，則要求不同的震後損害程度(Performance Level)；在地震規模大小 (Earthquake Level)方面，除了目前常用的 475 年回歸週期或是 50 超越機率 10%的設 計地震之外，再加入一般常發生的中、小地震以及強烈地震所可能造成之損害考 量。由此可見，功能設計法對於結構物耐震設計的要求，已經不是所謂大震不倒、

小震不壞的二分法，而是必須在某個地震震度下滿足一指定的損害程度。

目前與功能設計相關的文獻除 SEAOC Vision 2000 與日本建築研究所外尚包括 ATC-33 (FEMA273, FEMA274, 1997)、ATC-40 (1996)、EERC (FEMA283, 1995)、

ATC-34 (1995)等。其中 SEAOC Vision 2000 只提出功能設計的觀念而已，並無具體 或量化的方法來達成預期之目標，而ATC-34 僅複述 SEAOC Vision 2000 的觀念，

並無其他相關內容；FEMA273, 274 為美國聯邦急難救助署(Federal Emergency Management Agency)於 1997 年公佈之設計指引，係供震後需復建之建築物使用 (Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Building)，此書較具功能設計雛形，其非 線性靜力分析法係以係數法(Coefficient Method)決定建築物之目標位移(Target Displacement)；ATC-40 是針對混凝土建築物震後的評估與補強(Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings)，其所採用的非線性靜力分析法, 容量譜法 Capacity Spectrum Method, 係為位移設計法中一重要設計方法。值得一提的是 FEMA273 與 ATC-40 都是針對已存在建築物做震後評估之用，對於使用功能設計法 於新建築，尚無類似規範。

（二）地震大小分類(Earthquake Level)

在功能設計法中，地震大小的分類仍然是以回歸週期或超越機率作為界定。

SEAOC Vision 2000 委員會與日本建築研究所各自訂定了四種地震大小作為設計的 考量，該兩研究機構所決定的四個地震大小大致上彼此相同，如表3.1 所示 【16】。 由表中可知，目前耐震設計規範所使用的475 年回歸週期設計地震相當於功能設計 法中的稀有地震。由此可見，功能設計法已經不是單一設計地震為主，而是可以針 對不同地震大小來指定建築物的行為反應，藉此當作建築結構物的設計需求。

除了上述的分類方式外，ATC-40 有關 RC 建築物耐震評估的研究報告書中，則 是採用比較簡單的分類方式表3.2，區分成服務地震(serviceability earthquake)、設計 地震與最大地震(maximum earthquake)三級，分別對應 73 年、475 年與 970 年回歸 週期，或是50%、10%與 5%的 50 年超越機率；而 FEMA 273 則區分成表 3.2 基本 安全地震1 (basic safety earthquake 1)與基本安全地震 2 (basic safety earthquake 2)二 級，分別對應475 年與 2475 年回歸週期，或是 10%與 2%的 50 年超越機率。由此 可知，未來結構耐震設計除了必須考慮以往既有的設計地震外，尚要考慮在常時地 震下的行為與極強烈地震下結構的功能性。

表 3.1 功能設計法中地震大小分類表(一)

地震大小 SEAOC Vision 2000 日本建築研究所 (earthquake level) 回歸週期 50 年超越機率 回歸週期 50 年超越機率

經常性(小震) 43 年 100% 50 年 92%

偶而(中震) 73 年 50% 100 年 39%

稀有(強震) 475 年 10% 500 年 9.5%

極稀有(烈震) 970 年 5% 1000 年 4.9%

（資料來源：國家地震工程研究中心提供）

第三章 消能基本概念

表 3.2 功能設計法中地震大小分類表(二)

地震大小 ATC 40 FEMA 273

(earthquake level) 回歸週期 50 年超越機率 回歸週期 50 年超越機率

1 73 年 50% 475 年 10%

2 475 年 10% 2475 年 2%

3 970 年 5%

（資料來源：國家地震工程研究中心提供）

（三）功能設計等級(Performance Level)

建築物在各種破壞因素(ground shaking, ground fault rupture, soil liquefaction, lateral spreading, landsliding and differential settlement)下所造成的結構損害，無論是 結構性桿件或是非結構性構材，其損害程度和地震大小都有相當直接的關係。為了 確保結構物在地震後仍具備應有功能(function)，結構物的結構性桿件、非結構性構 材與設備的損害程度需受到一定程度的限制。以SEAOC Vision 2000 為例，結構物 的受害程度如表3.3 所示，其主要以層間變位角(Drift Ratio)來量化。由表 3.3 可知，

進行功能設計時可以按照建築結構物的重要性，規定個別不同的受害程度，藉此來 確保建築結構物於震後的使用功能。

表 3.3 SEAOC Vision 2000 建議的結構損害程度

損害等級與結構功能性 說明 層間變位角限制

無害：照常使用 (fully operational)

結構體與設備毫無損害 0.2%

小害：可使用 (operational)

結構體無損，重要設備物輕微受損 但可立即修復

0.5%

中害：人命安全 (life safety)

結構體受損但仍相當安全，設備物 損害需要較長時間才可修復

1.5%

大害：接近崩塌 (near collapse)

結構體嚴重受損但不會倒塌，設備 物與非結構體完全破壞

2.5%

結構體崩塌 (collapse) 結構體完全崩塌 > 2.5%

（資料來源：國家地震工程研究中心提供）

除了上述的分類方式外，在 ATC-40 之 RC 建築物耐震評估的研究報告書中，

則是分別對於結構體與非結構體的損害程度給予分級。其中結構體的損害程度分 為：可立即使用(immediate occupancy, SP-1)、可控制之損害 (damage control, SP-2)、

人命安全(life safety, SP-3)、結構安全(limited safety, SP-4)與結構保持穩定(structural stability, SP-5)等五級；非結構體的損傷程度則分成：正常運作(operational, NP-A)、

可立即使用(immediately occupancy, NP-B)、人命安全(life safety, NP-C)與降低危害 (hazards reduced, NP-D)等四級。建築物整體的損害程度(performance level)則可以由 結構體與非結構體的損害程度共同決定，共可分成四級：正常運作(operational)、可 立即使用(immediately occupancy)、人命安全(life safety)與結構保持穩定(structural stability)。

FEMA 273 的規定則與 ATC-40 相似，其亦分別對結構體與非結構體的損害程度 給予分級。其中結構體的損害程度分為三級：可立即使用(immediate occupancy, S-1)、人命安全(life safety, S-3)與結構不倒塌(collapse prevention, S-5)；非結構體的 損傷程度則分成：正常運作(operational, N-A)、可立即使用(immediately occupancy, N-B)與人命安全(life safety, N-C)等三級。建築物整體的損害程度(performance level) 則可以由結構體與非結構體的損害程度共同決定，共可分成四級：正常運作 (operational, 1-A)、可立即使用(immediately occupancy, 1-B)、人命安全(life safety, 3-C) 與結構不倒塌(collapse prevention, 5-E)。

（四）功能設計目標(Performance Objective)

在地震大小與建築物整體的損害程度決定後，便可以針對不同重要性要求，規 定結構物在不同地震下應具備的損害程度來進行功能設計。以SEAOC Vision 2000 為例，可能的設計目標如表3.4 所示。

表 3.4 結構設計目標

結構損害程度 可能的結構設計目標

(performance objective) 照常使用 可使用 人命安全 接近崩塌

經常(frequent) C NG NG NG

偶而(occasional) B C NG NG

稀有(rare) A B C NG

地 震 大

小 極稀有(very rare) None A B C

（資料來源：國家地震工程研究中心提供）

表 3.4 中 A 級(safety critical objective)表示極重要建築，通常是指儲存有具毒 性、爆炸性等危險物品的建築物；B 級(essential and/or hazardous objective)則是必須 在地震過後仍能維持其運作功能以救濟大眾的建築物；C 級(basic objective)則是一 般建築物；NG(unacceptable performance)則是指不能接受之結構行為。對儲存多量 具有毒性、爆炸性等危險物品之建築物而言，要求其在小震、中震甚至強震後都應 能正常使用毫無損壞，只有在烈震發生時能有些微損壞但可迅速修復；對地震災害 發生後必須維持機能以救濟大眾的重要建築物而言，Vision 2000 要求其在小震及中 震後能正常使用毫無損壞，強震後僅些微損壞可迅速修復，而即使在烈震後也要能 保障人生命安全；對一般建築而言，則要求其在小震後毫無損壞，中震後僅些微損 壞，強震後生命無虞，烈震後不至倒塌。這些當然比目前規範訂定者嚴格許多，為

第三章 消能基本概念

徹底管制各地震力下結構之層間變位角，在地震時結構之非線性側向位移變形跟樓 層剪力關係圖便成為非常重要的判斷資訊。在ATC-40 與 FEMA 273 也有類似表 3.4 的結構行為目標對應表。

貳、各種耐震設計方法之比較

為能確實掌握結構物在各地震下之行為，在結構設計階段，結構工程師必須多 次試誤，有的是線性分析，有的是非線性分析，直到不同回歸地震時的受害程度滿 意為止。在試誤過程中，桿件應力比、樓層相對變位角、結構反應(位移、速度、加 速度)、整體結構韌性比、消耗能量等參數都會影響到整體結構的受害程度。因此必 須多管齊下參與試誤才行。為做好功能設計，Vision 2000 按建築物的複雜程度，提 出未來可行的設計方法分別為：

（一）全方位設計法(Comprehensive Design)

使建物生命週期之全部累積成本最小，累積成本為初始成本及地震損害修護費 用之和。此法雖能對結構有一整體詳細考量，但需收集大量之資料及複雜的分析和 研究，不適用於一般的設計，只適用於設計規範或重要建築物的驗算參考。

（二）位移設計法(Displacement Based Design)

此法以位移而非以力量為耐震設計之參數，透過對結構樓層位移或層間變位角 之控制作為對結構功能之控制。結構物於地震力作用下之非線性位移藉由線性方法 間接求得，非線性位移求得後即可據此估算各元件之設計力。

（三）能量設計法(Energy Based Design)

基於假設建築物之損害直接與能量輸入和結構之消能能力有關，故先估計地震 的輸入和需求再設計結構，以使結構吸收和消散之能量大於需求。在地震太強的地 區，無法以傳統設計方法得到合理有效的設計結果時，此法特別有效。

（四）力/強度設計法(General Force / Strength Design)

目前最常用的方法如 UBC、NEHRP、部頒耐震設計規範，其先決定結構的設 計地震力，並分佈地震力於樓層高度上，再設計各桿件使其具有足夠強度以抵抗側 力，並以嚴格細部設計來達到充分之韌性。

叁、被動消能減震技術

隨著各種結構控制技術的發展，目前可用來提昇結構耐震能力的方法，除一般 的耐震韌性設計外，尚可利用外加的消能裝置或是隔震系統，來消散或減少地震輸 入之能量；近幾年來也漸漸開始採用特殊材料對原有結構進行補強，以提高其變形 能力或是韌性。就目前已有可降低結構物損傷或是降低地震需求的設計策略大致可 分為下面幾種。當然，採用不同的設計策略就有其對應的設計方法，無論採用何種 設計策略，其目的不外乎就是要使建築結構物在地震下的行為滿足預期的行為目 標。

(1) 增加建築結構物的強度(strength)或勁度(stiffness)：例如採用剪力牆或是斜撐構

架，以降低結構體因外力所造成的變形。

(2) 增加建築結構物的變形能力(deformation capacity)：例如採用外加的特殊材料增 加RC 柱的圍束力，以提高其延展性(ductility)。

(3) 降低結構桿件的地震需求：例如採用消能裝置或是隔震系統，以提高結構物的

(3) 降低結構桿件的地震需求：例如採用消能裝置或是隔震系統，以提高結構物的