性能設計耐震評估

欲設計和分析一新建築物，以合乎某一耐震性能目標，目前已 屬成熟階段。基於性能設計之觀念，可提供新設計建築物多重之性 能目標，以達到經濟且安全之效果。但是一既有建築物之耐震能力 評估，其性能目標之選定，並不同於設計或分析一新建築物，例如：

一既有建築物之耐震評估，其結構和非結構之性能水準是可以獨立 分開去定義的，讓業主或設計者更有彈性地選擇性能目標。理論上，

基於性能設計必須選用最適當之性能目標，以進行評估或補強；為 達到此一目的，業主必須考慮到結構體及非結構體破壞時之性能水 準是否可以接受，尤其更要考慮到為達更有效補強效果所增加之費 用。然而，當既有建築物要提高一等級性能目標水準時，其所增加 之經費相當可觀，結果造成既有建築物不是不評估補強就是整體拆 除，此點也是與新設計建築物不同的。的確，一既有建築物耐震評 估與補強，對業主而言，就是代表一項龐大的開銷。美國聯邦緊急 事務處理總署（Federal Emergency Management Agency，FEMA）曾統計 兩千多棟建築物受損案例指出，在大多數建築物補強後，若提供到"

-30-生命安全"這個等級時，即要花費相當於新建築物的百分之十到二十 五，甚至更多。

結構物損壞主因係由於地震引起之結構變位，而層間變位亦通 常是造成損壞的原因之一。過去設計和分析之觀念多著重於應力或 強度之觀念，較少注意到變位；而在提出基於性能的結構耐震設計 理念時，結構位移或變形將作為衡量結構性能的重要指標〔17〕：

（一）性能極限狀態

耐震評估過程首先要定義一已知性能極限狀態，此極限狀態因 建築物抗側力結構之不同而異。在圖 4.1 或圖 4.2 中所表示的"生命 安全"等級中，所指的性能極限狀態就是限制結構物層間變位，此變 位有以下之限制：

1. 未束制剪力牆的混凝土壓應變為 0.003，在有束制的情況下容許 較大的應變。

2. 有填充磚牆剛架構件的混凝土壓應變為 0.003。

3. 彎矩剛架未束制樑及柱的混凝土壓應變為 0.004，在有束制的情 況下能有較大的應變值。

4. 連樑的層間變位角需小於 1.25%，若結構強度及勁度減少，變位 角會增大。

5. 依據經驗或實驗決定填充磚牆的尖峰壓應變。

6. 在任一已知樓層中，造成 20%或以上的強度損失之層間位移。

以上性能極限狀態表現在不同的性能目標上，即有不同的限制。

"接近倒塌"的性能目標等級中，以上六點很明顯的極限狀態限制不 足，在"使用中"性能目標上規範則限制太多。除了以上性能設計的 規範外，另有其他規範也會決定耐震評估及補強設計之方式，例如：

在某些案例中，其規範會限制建築物樓板的地表加速度，因為地表 加速度會使建築物內部之物品，如電腦、精緻藝術品等或非結構系 統，如建築外部帷幕牆、緊急通訊設備等遭到毀損。

（二）構件和系統能耐

此處所談之能耐主要係指結構構件和整體結構系統變形的能 力，但這不是指強度能力是不重要，只是在考慮建築物受強震之彈 性後行為時，變位能力是較為重要的。然而對於主要性能目標是要 減少損壞，則也要適當考慮強度能力。首先必須建立個別結構構件

的能耐，用力量和變位關係來表示，此處變位可能是位移、旋轉或 曲率。往往在評估既有建築物時，其構件細部並不能與現場實際情 形完全相同，因此評估構件耐震能力對工程師而言是很大的挑戰。

對 於 既 有 建 築 物 在 抗 側 向 力 結 構 系統 上 ， 所 常 出 現 下 列 明 顯 的 缺 陷，而必須做初步的評估〔26〕：

1. 樑：不足箍筋量、過大箍筋間距、箍筋彎鉤 90 度、鋼筋伸展長 度不足等。

2. 柱：主筋在樑柱接頭及柱與樓版交接部分搭接，搭接長度及剪力 筋不足等。

3. 樑柱接頭：少量或不足的橫向鋼筋。

4. 剪力牆：邊界構材沒受到束制、搭接長度不符需求、在牆系統的 下半部樓層不連續的狀況等。

一般而言，整體結構系統耐震能力之缺陷，則包括不完整力之傳 遞路徑，強度和勁度之不連續，立面和平面質量不規則，弱柱強樑 現象和偏心問題等[26]。以上造成這些明顯的缺陷是因不良的結構系 統和較差的耐震細部設計和施工，因此比較構件位移、降伏後需求 (demand)及系統的極限狀態，來判斷結構物的構件是否會超出預期 的變位而導致破壞。

常用的結構非線性地震反應分析方法有二種，即靜力非線性和 動力非線性方法，來建立極限基底剪力及位移之系統能耐曲線。目 前國際上比較普遍採用的"推覆"（pushover）計算分析方法是一種靜 力非線性方法[14,15]，比較符合基於結構性能的耐震設計理念，其 計算的過程大致是：首先指定結構的性能水準以及每一個水準下的 耐震性能目標，其次決定每一個水準下可接受的結構反應限值，如：

層間位移、塑性鉸位置和轉角、結構的破壞程度、抗力、變形要求 與變形能力之比等。在進行推覆計算時，按地震反應譜計算求得結 構基底剪力並依據某個振型（一般取第一振型）係數分配水平地震 力，再根據水平地震力的分佈分級加荷，求得每個構件在各級地震 荷載下的內力和變形。如果某個構件進入非線性，則修改剛度矩陣，

重新計算，一直到一定數量的構件的變形超過了規定的限值為止。

此時可以認為結構已被"推覆"，即達不到其性能目標了。動力非線 性方法真正在工程中比較實用的是二維平面構件系統模型的分析方 法。對於平面比較規則、對稱、結構扭轉效應很小的建築，將空間 結構簡化為平面構件系統模型，採用非線性動力分析方法就可以得

-32-到比較滿意的結果。對於不對稱、扭轉效應明顯的結構，則往往要 求作三維空間分析，計算工作量和資料處理量龐大，實際工程極少 採用非線性動力分析方法[26,27,28]。

（三）建築物可能之非彈性變位

既有建築物的耐震評估及修復需考慮到受強震之建築物降伏後 之非彈性行為，亦即要求得到預期的地震發生後建築物的最大位移 及層間變位。因此基於性能設計之方法，需特別考慮到建築物可能 產生之非彈性變位。過去數十年來不少專家學者一直在探討結構物 非彈性行為，使用電腦進行二維及三維的分析已發展成預測非彈性 反應的典型方法。然而在這些分析法中，尤其是三維空間分析方法 卻鮮少被工程師所應用。主要原因是因為三維分析方法過於複雜，

很難建立真實的非彈性結構及材料行為的模型，其他原因則是因為 它 牽 涉 到 許 多 假 設 及 不 確 定 性 ， 導致 它 的 真 實 性 及 可 靠 性 受 到 懷 疑。在彈性分析方法中，工程師們有使用一些方法來預測建築物屋 頂層的非彈性位移，例如：有三維彈性動力反應譜分析方法，使用 有效勁度（採用破裂斷面）之特性及利用彈性位移間接預測可能之 非彈性位移。對於長周期的結構物，如高層建築物，已經証明彈性 位移值及非彈性位移值約略相同的[1]。然而這項通則有一些限制，

其中最重要的是需對結構物構件作彈塑性行為力量和變形的假設，

而此假設往往與既有 RC 建築物在反覆地震力作用下強度或勁度會 衰減之彈性後行為不符。儘管有此缺點以及缺乏較佳的分析方法，

對於長周期結構物而言，假設有相同的位移仍被廣泛利用，而此項 假設可作為整體變位之估算而非個別的層間變位。對於屋頂層位移 通常用推覆法分析來求得，然後再求得各樓層間之層間變位。