第五章 結論與建議
5.1 研究結果
本研究首先依照國內現行法規，設計與分析兩棟位於台北二區之 40 層樓抗彎矩鋼構架、以進行案例研究。案例建築物 40F-SN490B 之 柱構材皆使用 SN490B 鋼材，另一案例建築物 40F-SM570 則在低樓 層柱改用 SM570 高強度鋼材。本研究進一步進行非線性動力歷時分 析 ， 分 析 案 例 建 築 物 層 間 位 移 角 等 耐 震 需 求 。 本 研 究 最 後 參 考 FEMA356，分別以層間位移角 2.5%與 5%作為生命安全與倒塌防止 之性能界限，以對案例建築物進行易損性分析。
上述案例設計研究與分析結果如下:
(1) 下部樓層柱改用 SM570 鋼材，因材料強度提高而可以減小斷面與 節省用鋼。但同一案例建築物為符合設計地震力下層間位移角小 於千分之五之規定，因此上部樓層梁斷面較另一棟案例建築物大。
下部樓層柱改用 SM570 鋼材之案例建築物總用鋼量節省 137 噸、
約 2.7%。
(2) 非線性歷時分析結果顯示，下部樓層柱改用 SM570 鋼材之案例建 築物受到回歸期為 475 年與 2500 年之地震作用，其層間位移角之 最大反應、平均值與標準差皆小於另一案例建築物。案例分析所獲 受震變形需求為 2.30%，小於目前規範對所要求之 4%。
(3) 兩棟案例建築物對生命安全界限要求之易損曲線相似，但下部樓 層柱改用 SM570 鋼材之案例建築物更能滿足倒塌防止要求。
27
5.2 建議課題
(1) SM570 與 SN490 兩種鋼材，降伏強度相近、但拉力強度與變形能 力不同。本研究主要根據非線性動力歷時分析結果，進行案例建築 物之耐震性評估。後續研究可對案例建築物進行非線性側推分析，
以進一步瞭解應用 SM570 鋼材之效益。
(2) 本研究根據國內規範所設計之兩棟案例建築物，採用抗彎矩鋼構 架系統，且設計工址皆位於台北二區。後續研究可針對其他結構系 統(例如斜撐鋼構架系統) 與工址特性 (包括盆地效應與近斷層效 應) ，探討應用 SM570 等高強度、高性能鋼材應用於高樓層建築 之效益。
28
參考文獻
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31
表 2.1.1 美國、日本及台灣鋼結構設計材料及焊接基準比較
表 2.1.2 SN 鋼材之材質規範(林,2010)
235~355 235~355 215~335
SN490B 325 min. 325~445 325~445 325~445 295~415
325~445 325~445 295~415
33
表 2.1.3 台北 101 大樓 SM570M 鋼鈑材質規格與說明
表 2.1.3 台北 101 大樓 SM570M 鋼鈑材質規格與說明(續)
表 2.1.3 台北 101 大樓 SM570M 鋼鈑材質規格與說明(續)
表 3.2.1 鋼材之降伏強度與抗拉強度及伸長率
鋼材
降伏強度(N/mm2)
抗拉強度 (N/mm2) 厚度 t (mm)
6≦t<12 12≦t<16 16≦t≦40 40<t≦100
SN490B 325 325~445 325~445 295~415 490~610
鋼材
降伏強度(N/mm2)
抗拉強度 (N/mm2) 厚度 t (mm)
t≦16 16<t≦40 40<t≦75 75<t≦90
SM490B 325 315 295 295 490~610 SM570 460 450 430 420 570~720
37
表 3.2.1 鋼材之降伏強度與抗拉強度及伸長率(續)
表 3.2.2 案例建築物 40F-SN490B 之柱梁斷面尺寸
樓層 柱斷面尺寸 樓層 梁斷面尺寸
39F-40F BOX 600x600x25 40F-RF BH 700x300x12x20 36F-38F BOX 600x600x25 37F-39F BH 700x300x12x22 33F-35F BOX 600x600x25 34F-36F BH 700x300x12x25 30F-32F BOX 650x650x28 31F-33F BH 750x300x12x25 27F-29F BOX 700x700x32 28F-30F BH 750x300x12x28 24F-26F BOX 800x800x36 25F-27F BH 800x300x12x28 21F-23F BOX 800x800x40 22F-24F BH 800x300x16x28 18F-20F BOX 900x900x45 19F-21F BH 800x300x16x28 15F-17F BOX 950x950x50 16F-18F BH 800x300x16x32 12F-14F BOX 1000x1000x55 13F-15F BH 800x300x16x32 9F-11F BOX 1000x1000x65 10F-12F BH 800x300x19x32 6F-8F BOX 1000x1000x70 7F-9F BH 800x350x22x32 3F-5F BOX 1100x1100x80 4F-6F BH 800x350x22x36 1F-2F BOX 1100x1100x80 2F-3F BH 850x400x22x36
39
表 3.2.3 案例建築物 40F-SM570 之柱梁斷面尺寸
樓層 柱斷面尺寸 樓層 梁斷面尺寸
39F-40F BOX 600x600x28 40F-RF BH 700x300x10x20 36F-38F BOX 600x600x32 37F-39F BH 700x300x16x20 33F-35F BOX 700x700x32 34F-36F BH 700x300x16x22 30F-32F BOX 700x700x36 31F-33F BH 750x300x16x22 27F-29F BOX 800x800x36 28F-30F BH 750x300x16x25 24F-26F BOX 800x800x40 25F-27F BH 750x300x19x25 21F-23F BOX 900x900x40 22F-24F BH 800x300x19x25 18F-20F BOX 900x900x45 19F-21F BH 800x300x19x28 15F-17F BOX 1000x1000x45 16F-18F BH 800x300x19x28 12F-14F BOX 1000x1000x45 13F-15F BH 800x300x19x28 9F-11F BOX 1000x1000x55 10F-12F BH 800x300x22x28 6F-8F BOX 1000x1000x60 7F-9F BH 800x300x22x36 3F-5F BOX 1000x1000x65 4F-6F BH 800x350x22x36 1F-2F BOX 1000x1000x70 2F-3F BH 800x400x22x36
40
表 3.2.4 用鋼量分析與統計 (單位:ton)
表 4.2.2.1 案例建築物考慮剛域後振動週期 (單位:秒)
40F-SN490B 40F-SM570
Etabs PISA3D 誤差 Etabs PISA3D 誤差 T1 3.8970 3.8396 1.47% 4.0569 3.9930 1.57%
T2 3.8561 3.7887 1.75% 4.0160 3.9412 1.86%
T3 2.8748 2.8628 0.42% 2.9795 2.9646 0.50%
42
表 4.3.2.1 案例建築物受震最大層間位移角θ
(a) Return Period = 475 years θ 40F-SN490B 40F-SM570 Max 2.57% 2.32%
Min 1.12% 1.15%
Ave 1.78% 1.67%
Stdv 0.52% 0.40%
(b) Return Period = 2500 years θ 40F-SN490B 40F-SM570 Max 2.86% 2.57%
Min 1.44% 1.47%
Ave 2.22% 2.04%
Stdv 0.43% 0.31%
43
表 4.3.3.1 案例建築物 40F-SN490B 受迴歸期 475 年地震作用下最大 層間位移角與發生樓層
地震紀錄 最大層間位移角θ 最大層間位移角發生之樓層
TAP002-EW 2.19% 16F
TAP002-NS 1.96% 23F
TAP040-EW 2.48% 18F
TAP040-NS 2.13% 22F
TAP041-EW 1.21% 21F
TAP041-NS 1.38% 13F
TAP042-EW 1.26% 28F
TAP042-NS 1.31% 32F
TAP054-EW 1.37% 18F
TAP054-NS 1.42% 26F
TAP055-EW 2.55% 20F
TAP055-NS 2.00% 22F
TAP094-EW 1.92% 28F
TAP094-NS 2.41% 31F
44
表 4.3.3.2 案例建築物 40F-SN490B 受迴歸期 2500 年地震作用下最大 層間位移角與發生樓層
地震紀錄 最大層間位移角θ 最大層間位移角發生之樓層
TAP002-EW 2.52% 15F
TAP002-NS 2.11% 23F
TAP040-EW 2.58% 19F
TAP040-NS 2.22% 23F
TAP041-EW 1.56% 21F
TAP041-NS 2.06% 12F
TAP042-EW 1.42% 26F
TAP042-NS 2.11% 31F
TAP054-EW 2.02% 20F
TAP054-NS 1.88% 17F
TAP055-EW 2.66% 21F
TAP055-NS 2.20% 25F
TAP094-EW 2.62% 28F
TAP094-NS 2.99% 30F
45
表 4.3.3.3 案例建築物 40F-SM570 受迴歸期 475 年地震作用下最大層 間位移角與發生樓層
地震紀錄 最大層間位移角θ 最大層間位移角發生之樓層
TAP002-EW 2.11% 14F
TAP002-NS 1.47% 25F
TAP040-EW 2.17% 17F
TAP040-NS 1.89% 23F
TAP041-EW 1.25% 18F
TAP041-NS 1.73% 12F
TAP042-EW 1.28% 27F
TAP042-NS 1.51% 12F
TAP054-EW 1.28% 17F
TAP054-NS 1.30% 16F
TAP055-EW 2.14% 20F
TAP055-NS 1.64% 22F
TAP094-EW 1.74% 28F
TAP094-NS 2.17% 30F
46
表 4.3.3.4 案例建築物 40F-SM570 受迴歸期 2500 年地震作用下最大 層間位移角與發生樓層
地震紀錄 最大層間位移角θ 最大層間位移角發生之樓層
TAP002-EW 2.45% 14F
TAP002-NS 1.98% 15F
TAP040-EW 2.18% 16F
TAP040-NS 2.08% 21F
TAP041-EW 1.81% 18F
TAP041-NS 2.30% 12F
TAP042-EW 1.81% 31F
TAP042-NS 1.81% 31F
TAP054-EW 1.84% 19F
TAP054-NS 1.85% 16F
TAP055-EW 2.31% 14F
TAP055-NS 2.21% 25F
TAP094-EW 2.31% 14F
TAP094-NS 2.69% 30F
47
表 4.3.3.1 迴歸分析結果
案例建築物 a b β
θ∣S𝑎𝑎
40F-SN490B 0.0313 0.4340 0.2046 40F-SM570 0.0290 0.3789 0.1655
48
圖 2.2.2.1 結構物設計地震力、降伏地震力、極限地震力與韌性容量 R(內政部營建署,2011)
49
圖 3.2.1 案例建築物上部結構平面圖(林,2014)
50
圖 3.3.1.1 案例建築物 40F-SN490B 之垂直載重分佈
圖 3.3.1.2 案例建築物 40F-SM570 之垂直載重分佈 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 RF
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 RF
第一模態(X 向) 第二模態(Y 向) 第三模態(Z 向) T= 3.8970 s T= 3.8561 s T= 2.8748 s
圖 3.3.2.1 案例建築物 40F-SN490B 結構基本振動模態
第一模態(X 向) 第二模態(Y 向) 第三模態(Z 向) T= 4.0569 s T= 4.0160 s T= 2.9795 s
圖 3.3.2.2 案例建築物 40F-SN490B 結構基本振動模態
52
圖 3.3.3.1 案例建築物 40F-SN490B 順向風力(順風向: X 向)
圖 3.3.3.3 案例建築物 40F-SN490B 扭矩(順風向: X 向)
圖 3.3.3.5 案例建築物 40F-SN490B 橫向風力(順風向: Y 向)
圖 3.3.3.7 案例建築物 40F-SM570 順向風力(順風向: X 向)
圖 3.3.3.9 案例建築物 40F-SM570 扭矩(順風向: X 向)
圖 3.3.3.11 案例建築物 40F-SM570 橫向風力(順風向: Y 向)
圖 3.4.3.1 案例建築物 40F-SN490B 梁構件最大應力比
圖 3.4.3.3 案例建築物 40F-SM570 梁構件最大應力比
圖 3.4.3.5 案例建築物 40F-SN490B 層間位移角(X 向)
圖 3.4.3.6 案例建築物 40F-SN490B 層間位移角(Y 向) 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 RF
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 RF
圖 3.4.3.7 案例建築物 40F-SM570 層間位移角(X 向)
圖 3.4.3.8 案例建築物 40F-SM570 層間位移角(Y 向) 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 RF
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 RF
圖 4.2.1 案例建築物之 PISA3D 模型圖
63
圖 4.2.2 塑鉸模型
圖 4.2.3 柱與梁之雙線性模型
64
圖 4.2.4 柱之軸力與彎矩互制作用模型
65
圖 4.2.3.1 地震紀錄 TAP002-EW 原始加速度歷時與放大後反應譜
圖 4.2.3.2 地震紀錄 TAP002-NS 原始加速度歷時與放大後反應譜
66
圖 4.2.3.3 地震紀錄 TAP040-EW 原始加速度歷時與放大後反應譜
圖 4.2.3.4 地震紀錄 TAP040-NS 原始加速度歷時與放大後反應譜
67
圖 4.2.3.5 地震紀錄 TAP041-EW 原始加速度歷時與放大後反應譜
圖 4.2.3.6 地震紀錄 TAP041-NS 原始加速度歷時與放大後反應譜
68
圖 4.2.3.7 地震紀錄 TAP042-EW 原始加速度歷時與放大後反應譜
圖 4.2.3.8 地震紀錄 TAP042-NS 原始加速度歷時與放大後反應譜
69
圖 4.2.3.9 地震紀錄 TAP054-EW 原始加速度歷時與放大後反應譜
圖 4.2.3.10 地震紀錄 TAP054-NS 原始加速度歷時與放大後反應譜
70
圖 4.2.3.11 地震紀錄 TAP055-EW 原始加速度歷時與放大後反應譜
圖 4.2.3.12 地震紀錄 TAP055-NS 原始加速度歷時與放大後反應譜
71
圖 4.2.3.13 地震紀錄 TAP094-EW 原始加速度歷時與放大後反應譜
圖 4.2.3.14 地震紀錄 TAP094-NS 原始加速度歷時與放大後反應譜
72
圖 4.3.3.1 案例建築物 40F-SN490B 層間位移角與地震譜加速度
0.00 0.50 1.00
θ
0.00 0.50 1.00
θ
圖 4.3.4.1 案例建築物 40F-SN490B 之易損曲線
圖 4.3.4.3 案例建築物生命安全界限之易損曲線