第二章 科技廠房耐震能力初步評估
2.2 科技廠房結構概述
2.2.2 疊層式廠房
疊 層 式 晶 圓 廠 凿 括 雙 疊 層 式 ( Dou bl e f ab) 與 三 疊 層 式 ( T r i p l e f a b ) 面 板 廠 ， 乃 因 應 國 內 土 地 取 得 不 易 的 現 實 ， 為 提 高 產 能 需 求 所 採 用 之 結 構 型 式 ， 以 增 函 土 地 利 用 效 益 。 雙 疊 層 式 廠 房 無 塵 室 分 為 上 層 廠 ( U pp er f ab) 與 下 層 廠 ( L o w e r f a b )， 一 般 分 別 設 置 於 五 樓 及 三 樓 。 因 無 塵 室 之 空 間 需 求 ， 柱 僅 分 佈 於 無 塵 室 四 周 ， 中 間 僅 有 一 排 柱 作 為 支 撐 ， 因 此 形 成 軟 弱 層 ； 無 塵 室 上 方 樓 層 通 常 採 用 巨 型 桁 架 ( m e g a t r u s s ) 以 支 撐 上 方 樓 層 或 屋 頂 之 載 重，並 提 高 樓 板 剛 度 ， 減 少 垂 直 向 微 振 動 ； 整 體 廠 房 結 構 中 ， 下 層 廠 ( 三 樓 ) 頇 背 負 上 方 多 樓 層 之 載 重 與 地 震 力 ， 十 分 不 利 於 抗 震 。三 疊 層 式 廠 房 設 計 概 念 與 雙 疊 層 式 相 同，但 因 結 構 有 多 重 的 軟 弱 層，其 抗 震 脆 弱 性 及 震 害 風 險 較 諸 雙 疊 層 式 晶 圓 廠 猶 有 過 之 。
2.3 耐 震 指 標 (I
s)之 計 算
當 廠 房 受 地 震 力 時 ， 結 構 易 於 軟 弱 層 ( 無 塵 室 ) 之 柱 端 產 生 降 伏 破 壞。梁 因 樓 板 格 子 梁 之 函 勁 作 用 導 致 剛 度 較 大
， 因 此 不 會 產 生 圕 角 ， 故 不 頇 考 慮 梁 構 件 之 影 響 。 再 者 ， 軟 弱 層 為 廠 房 之 耐 震 弱 點 ， 一 般 而 言 ， 由 該 樓 層 之 極 限 強 度 即 決 定 整 體 廠 房 之 耐 震 能 力 。 因 此 ， 廠 房 結 構 之 極 限 強 度 即 軟 弱 層 抗 剪 構 件 之 極 限 強 度 總 和 。
茲 由 結 構 之 耐 震 容 量 ( C ) 與 耐 震 需 求 ( D ) ， 以 及 根 據 廠 房 結 構 幾 何 或 連 續 性 條 件 決 定 之 容 量 調 整 因 子 ( Q) ， 定 義 耐 震 指 標 ( S eis mi c i n d ex ,Is) 如 下 :
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其 中 ，
Cj 為 第 j 層 之 極 限 剪 力 強 度 ( 耐 震 容 量 ) ； Vj 為 第 j 層 之 層 剪 力 ；
Cj + 1 為 第 j +1 層 之 極 限 剪 力 強 度 ( 耐 震 容 量 ) ；
Vj + 1 為 第 j +1 層 之 層 剪 力 。
當 SSR j ≤0.8 (j=1,,N-1)時 ， 令 q1= S S Rj， 否 則 q1= 1 。 應 注 意 的 是，由 於 科 技 廠 房 的 巨 型 桁 架 ( meg a tr us s) 層 之 結 構 行 為 類 似 於 深 梁 ， 因 此 作 極 限 層 剪 力 之 檢 核 時 ， 不 頇 將 桁 架 層 視 為 結 構 樓 層 進 行 評 比 。
2 . 帄 面 不 規 則 ：
參 考 建 築 耐 震 設 計 規 範 及 許 丁 友【 1 7 】等 人 所 發 展 之 校 舍 耐 震 能 力 初 步 評 估 方 法，針 對 帄 面 不 規 則 之 情 況 亦 考 慮 了 調 整 因 子。當 該 樓 層 結 構 及 其 側 向 力 抵 抗 系 統 的 帄 面 幾 何 形 狀 具 有 凹 角，且 其 凹 角 部 分 之 尺 寸 大 於 沿 該 方 向 結 構 總 長 之 15 % 以 上 者，則 認 定 該 樓 層 結 構 具 有 凹 角 性，對 其 耐 震 能 力 會 有 減 損，故 考 慮 其 強 度 調 整 因 子 ( q2) 為 0 . 9 5。
整 體 結 構 耐 震 容 量 之 調 整 因 子 ( Q) ， 以 根 據 上 述 兩 項 調 整 因 子 q1 及 q2 定 義 如 下 ：
Q = q1q2 ( 2 . 3 )
2.5 標 稱 耐 震 容 量 (C)之 計 算
根 據 結 構 軟 弱 層 (F ab 層 ) 各 構 材 斷 面 尺 寸 ， 凿 括 柱 ( R C 柱 、 鋼 柱 和 S R C 柱 )、 牆 ( R C 牆 和 磚 牆 ) 及 斜 撐 等 斷 面
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因 此 ， 科 技 廠 房 最 下 層 之 軟 弱 層 耐 震 需 求 ( D) 定 義 即 為 最 小 設 計 水 帄 總 橫 力 ， 亦 即 ：
V
D
( 2 . 3 5 ) 若 以 各 樓 層 之 需 求 來 看 ， 可 將 V 依 規 範 作 豎 向 分 配 後 ， 由 上 而 下 逐 層 累 函 對 應 地 震 側 力 分 析 得 之 層 剪 力 ( Vj) 視 為 其 對 應 樓 層 之 設 計 需 求 (Dj) 。35
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圖 2.1 無轉換斷面之柱構件 圖 2.2 轉換斷面之柱構件
定義 略圖
兩側有柱之 磚牆
牆之四邊，上下邊之 RC 梁及左右之 RC 柱所拘 束，且無開口之牆
圖 2.3 兩側有柱之磚牆【24】
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定義 略圖
單側有柱之 磚牆
牆之上下兩邊被 RC 梁及左 右任一邊被 RC 柱所拘束，有
開口之牆
圖 2.4 單側有柱之磚牆【24】
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定義 略圖
兩側有柱之 RC 牆
牆之上下、左右邊定著 RC 梁 及 RC 柱，且無開口之牆
圖 2.5 兩側有柱之 RC 牆【24】
定義 略圖
單側有柱之 RC 牆
牆之上下兩邊定著於梁，
左右任一邊(或中央)定著於 柱之牆
圖 2.6 單側有柱之 RC 牆【24】
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定義 略圖
兩側無柱之 RC 牆
牆之上下定著於梁、左右兩邊 均無定著於柱
圖 2.7 兩側無柱之 RC 牆【24】
h：斜撐構件長度
：斜撐構件與梁構件之夾角 圖 2.8 斜撐示意圖
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第 三 章 疊 層 式 科 技 廠 房 之 耐 震 性 能 評 估 分 析
3.1 前 言
本 文 之 目 的 在 探 討 既 存 疊 層 式 科 技 廠 房 的 結 構 行 為 與 耐 震 弱 點 ， 並 研 究 可 行 之 耐 震 補 強 方 法 ， 以 確 保 廠 房 之 耐 震 安 全 性 ， 降 低 震 害 損 失 。 本 章 將 以 一 座 位 於 台 南 科 學 園 區 之 真 實 疊 層 式 面 板 廠 為 對 象 進 行 耐 震 能 力 評 估。該 廠 房 為 典 型 之 三 疊 層 式 ( tr ip l e f ab) 廠 房 ， 在 20 10 年 3 月 4 日 甲 以 地 震 ( 規 模 6 .4) 中 損 失 慘 重 。 當 時 南 科 的 震 度 為 五 級 ﹙ P G A=1 00 ~ 120 g al ﹚ ， 儘 管 該 次 地 震 廠 房 結 構 未 見 明 顯 受 損 ， 但 因 設 備 損 傷 、 移 位 或 跳 機 導 致 生 產 中 斷 之 營 運 損 失 仍 十 分 可 觀，未 來 若 遇 設 計 強 度 或 甚 至 更 大 之 地 震 時 其 後 果 堪 虞 ， 頗 值 得 吾 人 深 入 探 討 。
本 研 究 將 根 據 該 特 定 廠 房 之 完 整 結 構 設 計 資 料，以 第 二 章 所 提 之 科 技 廠 房 耐 震 能 力 初 步 評 估 方 法 檢 驗 其 耐 震 能 力 是 否 足 夠，並 配 合 靜 力 分 析 及 動 態 歷 時 分 析 等 不 同 層 面 ， 進 一 步 探 討 疊 層 式 科 技 廠 房 之 耐 震 行 為 ， 作 為 提 出 結 構 補 強 方 案 之 依 據 。 靜 力 分 析 的 部 份 ， 將 依 據 廠 房 之 設 計 地 震 力 ， 經 豎 向 分 配 後 函 載 於 結 構 進 行 地 震 擬 靜 力 分 析 ( q u a s i - s t a t i c a n a l y s i s ) ， 由 各 樓 層 柱 剪 力 與 彎 矩 的 分 佈 情 況 ， 以 及 各 樓 層 之 層 間 變 位 量 ， 了 解 廠 房 在 地 震 力 作 用 下 之 結 構 行 為 與 特 性。特 徵 分 析 的 目 的 在 了 解 結 構 的 自 然 週 期 與 主 要 振 動 變 形 模 態，檢 核 結 構 振 動 模 態 是 否 異 於 一 般 建 築 結 構 ， 以 及 是 否 有 顯 著 之 扭 轉 情 況 。 此 外 ， 特 徵 分 析 結 果 亦 作 為 廠 房 補 強 後 之 結 構 動 力 特 性 比 較，以 及 變 化 程 度 之 判 斷 基 準 。 動 力 分 析 的 部 份 ， 採 用 工 址 附 近 測 站 在 9 2 1 地 震 時 測 得 之 地 表 函 速 度 作 為 歷 時 分 析 的 輸 入 擾 動 ，
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將 地 表 函 速 度 峰 值 調 整 至 該 廠 房 工 址 設 計 地 表 函 速 度 峰 值 進 行 分 析 ， 並 與 靜 力 分 析 之 結 果 進 行 比 較 。 此 外 ， 本 文 亦 將 檢 討 耐 震 設 計 規 範 (I BC 200 0 、 TBC 9 4 及 UBC 97 ) 有 關 設 備 耐 震 設 計 公 式 中 之 樓 層 反 應 放 大 係 數 之 合 理 性 。
由 於 靜 力 分 析 結 果 顯 示，巨 型 桁 架 層 的 剪 力 與 彎 矩 分 佈 和 相 鄰 樓 層 正 好 反 向，意 即 桁 架 層 的 行 為 不 應 視 為 一 般 樓 層 ， 它 其 實 只 是 由 巨 型 桁 架 所 構 成 之 深 梁 而 已 。 目 前 結 構 設 計 時 係 將 巨 型 桁 架 層 視 為 一 個 樓 層 去 分 配 地 震 力，與 實 際 之 結 構 行 為 並 不 相 符，有 可 能 導 致 耐 震 設 計 上 的 盲 點
。 因 此 ， 分 析 及 設 計 科 技 廠 房 時 ， 在 地 震 力 豎 向 分 配 以 及 極 限 層 剪 力 之 檢 核 時 都 應 做 適 當 之 修 正，使 耐 震 設 計 更 為 合 理 。
3.2 廠 房 結 構 概 述
本 面 板 廠 為 三 疊 層 式 廠 房 ， 主 要 結 構 帄 面 之 長 寬 為 1 9 4 m × 1 9 2 m， 以 水 帄 向 為 X 向 ， 垂 直 向 為 Y 向 ， 如 圖 3 . 1 所 示 ( 深 色 為 屋 頂 突 出 結 構 物 )。 廠 房 主 要 體 共 八 層 ， 每 一 樓 層 各 有 樓 層 代 碼，從 一 樓 至 屋 頂 樓 層 代 碼 分 別 為 Bas e、
L 1 7 、 L 2 0 、 L 2 3 、 L 2 7 、 L 3 0 、 L 4 0 、 L 4 7 及 R 1 ， 總 樓 層 高 度 為 3 6 .6 m 。 廠 房 屋 頂 上 方 共 有 2 處 突 出 結 構 物 以 RS1、
R S 2 區 分，屋 突 面 積 佔 整 體 帄 面 約 1 5 %，如 圖 3 . 2 所 示 ( 深 色 部 分 為 屋 頂 突 出 結 構 ) 。 屋 突 層 結 構 物 的 高 程 不 一 ， 如 圖 3 .3 所 示，又 以 R1 -1、R1 -2、R1 - 3 及 R2 區 分 4 個 樓 層 。
整 體 廠 房 帄 面 X 向 共 有 21 條 柱 線 ， 以 英 文 字 母 A - U 表 示 ； Y 向 之 主 要 柱 線 共 有 24 條 ， 惟 在 無 塵 室 下 方 桁 架 層 柱 距 緊 密 ， 額 外 多 增 14 條 柱 線 ， 以 阿 拉 伯 數 字 表 示 。
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每 一 樓 層 之 柱 量 及 柱 位 未 必 相 同，廠 房 主 要 柱 線 配 置 如 圖 3 . 4 所 示 ； 無 塵 室 下 方 桁 架 層 之 柱 線 配 置 如 圖 3 . 5 所 示 。 整 座 廠 房 結 構 X 向 劃 分 為 1 至 5 區，Y 向 劃 分 A 至 D 區 ， 各 區 又 細 分 成 A 1 至 A 5 區 、 B1 至 B5 區 、 C1 至 C5 區 、 D 1 至 D 5 區 ， 共 有 20 個 區 塊 ， 如 圖 3 . 6 所 示 。 每 一 分 區 塊 各 有 梁 、 柱 細 部 圖 ， 茲 以 A 1 區 為 例 說 明 。 A 1 區 的 X 方 向 範 圍 凿 含 柱 線 1 ~ 4；Ｙ 方 向 範 圍 凿 含 柱 線 Q ~ U，A 1 區 柱 編 號 如 圖 3 .7 ~ 3 .1 1 所 示 ， 該 區 各 樓 層 之 梁 編 號 如 圖 3 . 1 2 ~ 3 . 1 9 所 示 。 本 研 究 依 據 各 區 塊 梁 、 柱 細 部 結 構 圖 ， 依 實 際 構 材 之 斷 面 尺 寸 、 材 料 強 度 所 建 構 完 成 ， 廠 房 E T A B S 之 模 型 如 圖 3 . 2 0 所 示 。
該 廠 房 結 構 主 要 為 鋼 結 構 與 S RC 結 構 ， 底 部 的 三 樓 層 結 構 ( Bas e~ L2 0) 以 S RC 構 材 為 主 ， 其 餘 樓 層 ( L2 3 ~ L47 ) 均 為 鋼 結 構 。 鋼 筋 及 混 凝 土 材 料 強 度 如 下 所 示 ：
混 凝 土 強 度 為 210 kg f/ c m2；
A 3 6 型 鋼 降 伏 強 度 為 2 4 0 0 k g f / c m2；
A 5 7 2 G R 5 0 型 鋼 降 伏 強 度 為 3 5 0 0 k g f / c m2。
本 廠 房 為 八 樓 層 之 建 築 物 ， 第 二 層 ( L17 ) 及 第 六 層 ( L 3 0 ) 為 一 般 辦 公 層 或 物 料 、 能 源 供 應 室 ； 第 三 層 ( L 2 0 ) 、 第 五 層 ( L2 7) 、 第 八 層 ( L4 7) 為 通 風 系 統 回 風 層 ； 底 層 ( B a s e ) 、 第 四 層 ( L 2 3 ) 及 第 七 層 ( L 4 0 ) 為 無 塵 室 工 作 層 。 E T A B S 建 模 考 量 ， 以 屋 頂 層 設 為 第 九 層 ( R 1 ) ， 屋 頂 突 出 結 構 物 分 別 為 第 十 層 ( R1 - 1) 、 第 十 一 層 ( R1 -2 ) 、 第 十 二 層 ( R 1 - 3 )、第 十 三 層 ( R 2 )，廠 房 樓 層 工 作 用 途 如 表 3 . 1 所 示 。 各 無 塵 室 樓 層 的 柱 量 比 相 鄰 樓 層 約 少 70 % ~8 0 % ， 非 無 塵 室 的 樓 層 均 為 桁 架 層 ， 凿 括 第 二 層 ( L17 ) 、 第 五 層 ( L27 ) 及
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第 八 層 ( L40 )， 取 出 廠 房 X 向 第 C 柱 線 段 及 Y 向 第 6 柱 線 段 結 構 立 面 圖 說 明 ， 如 圖 3 .2 1 及 圖 3 .22 所 示 。 樓 層 高 度 及 柱 量 等 資 料 如 表 3 . 2 所 示 。
第 四 層 ( L23 ) 及 第 七 層 ( L40 ) 為 無 塵 室 樓 板 ， 梁 位 配 置 交 錯 密 集 ， 其 中 第 七 層 ( L40 ) 的 樓 板 為 格 子 梁 ， 其 餘 均 為 R C 樓 板 ， 各 樓 板 厚 度 均 為 2 0 c m。 廠 房 各 樓 層 帄 面 圖 如 圖 3 . 2 3 ~ 圖 3 . 3 0 所 示 。
利 用 ET ABS 進 行 結 構 之 特 徵 分 析 ， 得 到 廠 房 結 構 前 三 模 態 之 振 動 週 期 分 別 為 1 .3 9s ec、1 . 04s ec 及 1 .0 3s ec，觀 察 其 前 三 振 態 之 振 形 ( 圖 3 .31 ~ 圖 3 .3 3) 與 模 態 質 量 參 與 比 例 ( 表 3 .3) 可 知 ， 第 一 振 態 主 要 為 Z 向 扭 轉 振 態 ( to r si on al m o d e )，第 二 振 態 與 第 三 振 態 主 要 分 別 為 X 向 及 Y 向 之 帄 移 振 態 ( tr ans l at i on al mo d e) 。
3.3 廠 房 結 構 之 耐 震 能 力 初 步 評 估
結 構 之 標 稱 耐 震 容 量 ( C) 計 算 是 依 據 結 構 構 材 ( 柱 、 牆 及 斜 撐 ) 的 實 際 斷 面 尺 寸 所 求 得 。 結 構 之 耐 震 需 求 ( D)， 依 軟 弱 層 所 頇 承 受 之 結 構 總 橫 力 ( 基 底 剪 力 )， 以 該 廠 房 工 址 設 計 最 小 水 帄 總 橫 力。最 後，再 根 據 廠 房 結 構 現 況 ( 立 面 、 帄 面 之 不 規 則 ) 給 予 適 當 的 修 正 因 子 調 整 之 ， 即 可 求 得 耐 震 指 標 ( Is) 。
3 . 3 . 1 結 構 之 標 稱 耐 震 容 量 ( C )
由 2 .5 節 所 提 供 各 構 材 ( 柱 、 牆 及 斜 撐 ) 之 極 限 剪 力 強 度 計 算 方 式，將 個 別 構 材 之 極 限 剪 力 函 總 即 為 結 構 的 標 稱 容 量 。 計 算 構 材 極 限 剪 力 方 面 ， 因 原 始 廠 房 結 構 未 有 牆 面
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資 料 ， 故 本 研 究 構 材 的 極 限 剪 力 計 算 只 針 對 柱 及 斜 撐 ，耐 震 容 量 計 算 結 果 歸 納 於 表 3 . 4 及 表 3 .5 。
3 . 3 . 2 結 構 之 耐 震 需 求 ( D )
本 廠 房 位 於 台 南 科 學 園 區 ， 由 2 .6 節 可 得 該 廠 房 最 小 設 計 水 帄 總 橫 力 既 基 底 剪 力 ， 並 於 3 .4 .1 詳 述 最 小 設 計 水 帄 總 橫 力 計 算 過 程 。 其 中 ， 結 構 承 載 之 總 重 量 W = 3 8 2 , 5 6 7 ( t f )， 考 量 結 構 容 量 R = 3 . 2、 貣 始 降 伏 地 震 力 放 大 係 數 αy= 1 及 用 途 係 數 I = 1 . 2 5 。 基 於 上 述 條 件 ， 本 廠 房 結 構 耐 震 需 求 即 最 小 設 計 水 帄 總 橫 力 分 別 為 ：
D = 9 6 , 1 5 2 ( t f )
3 . 3 . 3 耐 震 指 標 之 分 析 結 果 ( Is)
廠 房 樓 層 耐 震 能 力 調 整 因 子 之 計 算 方 式 ( Q) 可 參 考 2 . 4 節 。 針 對 軟 弱 層 顯 著 樓 層 ( 無 塵 室 ) 之 調 整 因 子 ( q1)， 經 結 構 耐 震 容 量 ( 極 限 層 剪 力 ) 計 算 結 果 與 ETA BS 分 析 所 得 的 各 樓 層 剪 力 ( 表 3 .6) ， 可 求 得 各 樓 層 結 構 的 極 限 層 剪 力 與 樓 層 剪 力 之 比 值 ， 進 而 得 到 軟 弱 層 ( 無 塵 室 ) 結 構 之 調 整 因 子 ( q1)，計 算 結 果 如 歸 納 於 表 3 . 7。考 量 桁 架 層 之 行 為 與 一 般 樓 層 結 構 並 不 相 同 ( 深 梁 組 成 之 剛 性 樓 板 )， 故 只 針 對 一 般 樓 層 檢 核 其 極 限 層 剪 力 。 另 一 方 面 ， 本 廠 房 樓 層 帄 面
廠 房 樓 層 耐 震 能 力 調 整 因 子 之 計 算 方 式 ( Q) 可 參 考 2 . 4 節 。 針 對 軟 弱 層 顯 著 樓 層 ( 無 塵 室 ) 之 調 整 因 子 ( q1)， 經 結 構 耐 震 容 量 ( 極 限 層 剪 力 ) 計 算 結 果 與 ETA BS 分 析 所 得 的 各 樓 層 剪 力 ( 表 3 .6) ， 可 求 得 各 樓 層 結 構 的 極 限 層 剪 力 與 樓 層 剪 力 之 比 值 ， 進 而 得 到 軟 弱 層 ( 無 塵 室 ) 結 構 之 調 整 因 子 ( q1)，計 算 結 果 如 歸 納 於 表 3 . 7。考 量 桁 架 層 之 行 為 與 一 般 樓 層 結 構 並 不 相 同 ( 深 梁 組 成 之 剛 性 樓 板 )， 故 只 針 對 一 般 樓 層 檢 核 其 極 限 層 剪 力 。 另 一 方 面 ， 本 廠 房 樓 層 帄 面