第二章 設計地震與補強目標
2.1 校舍之性能表現與損傷狀態
為驗證校舍之容量曲線與對應之損傷狀態，本中心執行一系列之校舍 大型構架試驗，包含實驗室內的校舍構架與現地實體校舍之試驗，詳細比 較各種校舍之原型與數種補強構架之耐震能力。試驗方法則涵蓋反覆側 推，單向側推與擬動態試驗。試驗成果除用以驗證校舍耐震能力評估方法 之準確性及補強效能外，亦提供完整之損傷紀錄資料以作為研擬校舍性能 目標之依據。本手冊建議之校舍性能目標，主要採用性能設計法之格式，
依據前述校舍試驗之觀察成果，針對 475 年回歸期設計地震，分別建議一 般校舍與緊急避難校舍之性能標準。
本節以試驗室兩個大型校舍平面構架試驗及一個校舍立體構架現地試 驗之結果比較其性能表現。三個試驗皆採用反覆側推之方式進行，其結果 最能顯現在地震這種反覆荷載作用下，校舍結構之耐震行為與性能表現。
三個構架試驗所得之遲滯迴圈與損傷狀態之觀察結果，分述於後：
2.1.1 非韌性設計 RC 校舍原形平面構架試驗
為模擬真實狀況，「國民中小學校舍耐震評估與補強之驗證與施行」計 畫乃以典型校舍為標的，試驗以現有典型校舍之足尺結構模型為標的進行 反覆側推試驗。試體設計之尺寸、斷面與材料設計強度等，均取自一座落 於台南巿，三層樓高之鋼筋混凝土校舍建築物；試體設計只取一個獨立教 室單元，沿走廊方向的二層三跨的平面構架(靠走廊側構架)，原形構架為 缺乏韌性設計或細節之 RC 平面構架。進行一系列之校舍構架試驗，包括 補強工法之構架。
試驗規劃於原型構架試驗後進行受損後補強試體之試驗，因此原型構 架試驗只進行至頂樓位移比達 2.0 %即停止。此時一樓之層間變位比約 3.0
%，窗台柱之剪力裂縫交叉且完全裂穿整支柱，鋼筋裸露，核心混凝土碎 裂，發生嚴重的短柱剪力破壞現象。根據試驗結果，一樓之遲滯迴圈如圖 2.1 (a)所示，ㄧ樓之層間變位比(interstorey drift ratio)達到 2.0 %時強度有明 顯的下降現象；此時構架中間兩支柱因窗台束制而發生短柱效應的剪力破 壞，與實際震害調查之多數校舍破壞情形完全ㄧ致，顯示該試驗能真實反 映既有校舍的實際受震反應與破壞，為一具有代表性之試驗數據。結果顯 示，非韌性設計或細節之 RC 構架，雖然窗台柱發生預期的剪力破壞模式，
整體構架之樓層或結構局部之韌性仍有相當不錯之表現。試驗終了，基底 剪力降為 0 時，一樓留下約 50mm 的殘留層間變位，相當於約 1.5%的層間 位移比。
由圖 2.1 (a)之試驗觀察照片可以看出，當基底剪力達到最大值Vmax時，
最大層間變位比約為 1%(一樓)，此時窗台柱發展出明顯之裂縫，且留下小 量之殘留變形(變位比約 0.2%)，顯示已超過降伏點，窗台也產生明顯裂縫，
其餘構材大體良好，其破壞狀態仍屬輕微。當構架側向受力尚未達最大基
底剪力強度，僅為Vmax之 80%時(以0.80Vmax 表示，上標“–”表示柱受力尚未 達其極限強度，受力狀態仍處於能耐曲線最高點Vmax之左側)，柱之表面產 生細裂紋，且結構體未留下明顯之殘留變形，此時之損傷狀態應可視為無 損或極輕微損壞。
2.1.2 RC 校舍補強平面構架試驗
試驗後將受損試體各樓層位移歸零後加以補強，進行另一個結構震損 後之補強效能試驗。於反覆側推破壞後，將中間兩支窗台柱已經碎裂之混 凝土完全敲除後，再以擴柱補強，柱斷面的每側皆擴增 15 公分的柱寬度，
使柱斷面由原先的 30cm×50cm 擴增為 60cm×80cm 的斷面，採用 12-#6 主 筋分佈於擴增斷面的四個角隅，如此安排可以使主筋避免穿梁，便於施工。
由於構架內側兩支窗台柱嚴重受損，核心混凝土已經脆裂剝離，因此，補 強施工時將窗台柱之舊有混凝土全數敲除，僅保留柱鋼筋籠，配置增設於 角隅的 12-#6 主筋，並綁紮緊密箍筋後，置模澆置混凝土。兩支擴柱與窗 台間設置 3 公分之隔離縫。而位於構架外側的兩支隔間柱，因損傷輕微，
僅於柱外側重新粉刷，以利繪製試驗觀測之參考網格線。
採用與前節相同的反覆側推歷程進行試驗，受損後擴柱補強構架之試 驗結果，一樓之遲滯迴圈如圖 2.1 (b)所示，ㄧ樓之層間變位比(interstorey drift ratio)達到約 3%時，構架抗剪強度達到最大值。ㄧ樓之層間變位比在 2%~5%之間時，呈現穩定之基底剪力強度，顯示極佳之延展性。隨著側推 位移增加而開始發生強度衰減現象，至層間變位比超過 5% 時，構架抗剪 強度開始有較明顯的衰減下降現象；此時構架中間兩支受窗台束制之柱因 補強擴大柱斷面，並未如原形構架般發生短柱效應的剪力破壞，破壞模式 轉換成為強柱弱梁的結構行為，破壞轉至一樓柱底及梁端的撓曲破壞，使 結構呈現極佳之韌性行為。結果顯示，整體構架之強度提升，樓層或結構 局部之韌性亦有相當之改善。
試驗終了時，ㄧ樓之層間變位比達到約 7.5 %，基底剪力強度衰減為 最大強度的 60% (第一個週次殘留強度約為 70%，第二個週次殘留強度約 為 58%)。當外力降為 0 時，一樓留下約 150mm 的殘留層間變位，相當於
約 3.75%的殘留層間位移比。整體結構仍保有充份之穩定性，不致崩塌。
圖 2.1 (b)同時將構架達到最大抗剪強度點Vmax時及基底剪力達最大基 底剪力強度前之 80%(即0.80Vmax )時，柱及梁之損傷狀況列出比較。顯示，
當基底剪力達到最大值Vmax時，最大層間變位比約為3.08%，此時柱底發展 出明顯之裂縫，已發生撓曲降伏，且整體構架留下明顯之殘留變形(層間變 位 50 mm，層間變位比約 1.5%)，在梁端產生明顯裂縫，梁柱接頭區可能 因存在新舊混凝土介面，產生之裂縫最明顯，其餘構材大體良好。當基底 剪力達最大基底剪力強度之 80%(即0.80Vmax )時，柱之表面產生細裂紋，且 結構體未留下明顯之殘留變形，此時之損傷狀態應可視為無損或極輕微損 壞。試驗中，在構架達到最大抗剪強度點Vmax前一個位移控制點，亦即一 樓層間變位比約 2.4%時，柱之損壞狀況亦列出比較，此時構架之損傷狀態 較Vmax時輕微。
2.1.3 RC 校舍原形立體構架現地試驗
為了比較試驗室內的校舍平面構架之試驗成果與實際校舍立體構架之 結構行為，在國科會之支持下，本中心與國內大專院校之學者專家團隊，
利用待拆除之老舊校舍，進行一系列之校舍耐震能力現地試驗。分年分別 於花蓮縣新城國中、雲林縣口湖國小、桃園縣瑞埔國小、台南縣關廟國小 共進行十餘個校舍立體構架之結構行為試驗。試驗內容包含各種校舍補強 工法之驗證，多數採用單調推倒試驗進行。為能比較單調推倒試驗與反覆 側推試驗結果對容量曲線之影響，在桃園縣瑞埔國小對一個兩間教室單元 之試體進行一連串之擬動態試驗及反覆側推試驗。本節摘錄該試驗之校舍 損傷觀察結果，以作為擬定校舍能耐震能力性能標準之參考。
瑞埔國小提供之舊校舍為兩層樓鋼筋混凝土加強磚造建築物，一、二 樓高均為 3.6 公尺，教室外單側有走廊，廊外無柱。一個教室單元之長向 尺寸約為 9.5 公尺，短向尺寸約為 10.8 公尺。沿走廊方向之 RC 構架，每 個教室單元有 3 跨，走廊側構架中間跨全開窗，設有 1.5B 窗台高約 90cm，
其餘兩跨僅設置前後門，並以 1.5B 磚填充成為翼牆，教室之間設有 1B 厚 度磚造隔間牆。校舍立體構架試體由2×2=4 間教室構成，將原兩層樓長條
型校舍，切割出平面上(每層)兩間教室之單元；為使試體較能符合常見之 2000/06/10 之地震(ML6.6，FD16.2，Dist=112km) 所錄，而 CHY041 測站 紀錄為 1999/09/21 之地震(ML7.3，FD8.0，Dist=51km)所錄。三組擬動態 試驗之輸入地震歷時分別為 TCU006_NS_120gal、CHY041_EW_120gal 及 CHY041_EW_2400gal。
保護層厚度高達 10cm，因而造成構架受剪時，不正常之剪力裂縫發展。若 柱之鋼筋配置正常，保護層厚度適宜，則其抗剪強度達到最大值Vmax時之 損傷狀況應較圖 2.1(c)所示者輕微。試驗結果也顯示，對既有校舍柱主筋 之保護層厚度應詳實調查，並適當反映其對耐震能力評估之影響。