6- 1 前言
6-1-1 功能設計法簡介
經過美國 Loma Prieta 地震，Northridge 地震以及日本阪神-淡路地震之後，
美日兩國之社會大眾及政府，對現行耐震設計規範極為不滿，認為耐震規範不能只 照顧結構安全，也須兼顧因非結構材及貴重設備損害對建築物使用功能造成的困擾 程度。因此美日以及歐洲的地震工程研究者，決定於 21 世紀開始將現行耐震設計 規範，做出重大修改，使之能夠兼顧結構體、非結構體、貴重設備的安全以及建築 物使用功能。換句話說，在不同地表加速度作用下，規範應能預測結構體、非結構 體、生產線以及設備的損害情況，使建築物可以發揮不同程度的使用功能。這種規 範稱之功能設計規範（Performance Based Design Code）。
歐洲各國對此一趨勢偏向採取彈性的功能設計標準，亦即讓業主充分瞭解結 構體、非結構體及設備，未來不同等級地震時可能遭遇的損害度與震後剩餘使用 功能，然後由業主自行決定耐震設計標準。
功能設計法是未來耐震設計規範的主流，台灣當然不能例外。一般而言，功能 設計法的原則是全球一致的，可是實行細節卻各地區都不一樣。在 1997 年，美國 國內第一份功能設計法的應用準則─FEMA 273[28]已正式問世。相信在不久的將 來，國內各相關法規都會以類似模式建構，因此本研究特地將 FEMA 273 與設備物 相關重點摘要整理出來，以便在訂定國內的設備物耐震規範時作為參考。
另外，日本官方建築物的設計準則[16]中，亦特別針對電力、通訊與聯絡網、
給水、排水、空調、防災與避難、監視控制以及其他機能之設備耐震安全性，指出 相關的基本事項與耐震設計原則，以提供建築設備欲做好耐震設計之參考。本章之 6-4 節中，一併將其重點摘要譯出。
6- 1-2 FEMA 273 之背景
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自 1991 年起，美國國家房屋科學中心(National Institute of Building Sciences, NIBS)與聯邦緊急事件處理局（Federal Emergency Management Agency, FEMA）共同委託房屋耐震安全委員會（Building Seismic Safety Council, BSSC）
編訂一本可供全美國各地使用的現存建築物耐震補強手冊。BSSC 會同美國土木工 程學會（ASCE）、科技應用委員會（Applied Technology Council, ATC）及其下之 各個委員會，以七年的時間，共同編成了 NEHRP Guidelines for the seismic rehabilitation of buildings 即編號 FEMA 273 之手冊。其中經過三次使用講習 及兩次會員投票，以廣徵各學術及工程單位的意見，最後眾人達成共識，編纂完成 FEMA273 及其解說專刊 FEMA 274。
FEMA 273 主要是為建築師、工程師、建管官員，及設定或使用建築法規者而 寫。雖然它本身並非一份法規條文，但在其中所使用的觀念及實務作法，確實是可 以被工程界及各界接受，成為下一代法規的雛形。
6-1-3 FEMA 273 之主要架構
FEMA 273 最大的特色在於將功能設計法的觀念，落實到設計方法內。它將建 築物在地震後的建築耐震性能（Building Performance）由低至高分為四級：防止 崩塌級(Collapse Prevention)、人命安全級(Life Safety)、尚能使用級(Immediate Occupancy)、及正常運作級(Operational)。至於在多大的地震力下要有哪種耐震 性能，則將其選擇權交給業主及工程師去決定，而非由 FEMA 訂定。為幫助設計者 易於決定各地設計地震力大小，FEMA 273 亦建立了全美地震力的資料，其中引用 或然率的觀念，將全美各地區在 50 年內會發生地震的大小，依照 10%及 2%機率（以 10%/50 年及 2%/50 年表示），繪製成圖以便參照。使用者可依據所希望的建築耐震 性能，選出相對應之地震力進行設計。
FEMA 273 設定了一個基本安全標準（Basic Safety Objective, BSO）給各建 築物，包含了兩個要求：
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a) 在基本安全地震 1（Basic Safety Earthquake 1, BSE-1）之下，應達到人 命安全級的耐震性能；
b) 在基本安全地震 2（Basic Safety Earthquake 2, BSE-2）之下，應達到防 止崩塌級的耐震性能。
表 6-1 為地震力與不同耐震性能級別的關係，其中的 k 與 p 為 FEMA 建議的基 本安全標準，是必須要滿足的條件。至於欲選擇更高之耐震能力時，則建議由其他 各級耐震性能與地震級別之關係，由使用者依需求自訂。
6-1-4 建築耐震性能分級方式
FEMA 273 對建築耐震性能的分級方式，係將設計地震發生後預期之建築物行 為，用文字描述出來。FEMA 273 並將建築耐震性能視為兩類行為之組合：結構物 及非結構物的行為。綜合這兩類構造之耐震行為，做為建築耐震性能的認定基準。
易言之，FEMA 273 認知到非結構物的耐震能力，也與結構系統一樣，對於建築物 使用者具有莫大的重要性。
茲摘要簡述 FEMA273 內對於建築耐震性能中各級耐震性能之定義如下：
a) 正常運作級 (Operational)
建築物設計在此等級時，於設計地震下將可繼續居住使用，原有的各項建築 物功能也可持續執行不致中斷。建築物的結構系統及非結構物只會遭受到微 小傷害，某些不重要的非結構物系統可能會有問題，但不至於影響建築內各 項主要的運作功能。
b) 尚能使用級 (Immediate Occupancy)
此一等級的建築在設計地震下結構元素只容許很少的破壞產生，非結構物部 份只容許少量的損害。在設計地震發生後只要稍加整理，便可繼續居住及使 用此建築。由於停電或機件內部零件的損壞，某些非結構物可能需要修理後 才能使用。此級設計內不需要備份的設備，或進行設備的耐震檢定（Seismic
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Qualification）。
c) 人命安全級 (Life Safety)
地震後建築的結構體及非結構元素會有不少破壞，在經過修理後才可安全使 用。修理的經費可能不低。地震中身在這級的建築內時，尚不至對人命安全 有威脅。
d) 防止崩塌級 (Collapse Preveation)
本級之建築，除了女兒牆及極重的懸掛物外，完全不考慮非結構物之耐震能 力，因此非結構物的破壞會對生命產生極大的威脅。由於結構物不致倒塌，
因此可以避免大量的傷亡。
6- 2 結構體及非結構物行為之分類
6-2-1 結構行為分級
FEMA273 將結構行為分為 3 級和 3 段，後者較適合現存建築之補強作業，故在 此略去不談。僅介紹其中的 3 級：
S1：尚能使用級（Immediate Occupancy）
垂直構件及抗側力構件必須具有與地震前相差無幾的強度及剛度，即使需 要進行修補工程，亦不會妨礙建物之使用。
S3：人命安全級 (Life Safety)
雖然震後會有不少破壞，但仍不致崩塌。可容許部份桿件嚴重破壞，但不 會因掉落物造成室內或戶外的傷害。少數人可能會受傷，但不會是致命傷 害。結構物應該在技術上可以修復。
S5：防止崩塌級 (Collapse Prevention)
可能有部份或整體構架即將崩塌，建築已有嚴重變形。少數垂直傳力構架 受損，但主要構架仍可使用。可能會由於大量的掉落物，造成對人命安全 的威脅。
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至於要如何才能夠達到上述文字描繪之行為，FEMA273 則將目前最新的研究成 果，以一部份為文字敘述，一部份為數字表示的方式加以訂定。
6-2-2 非結構物行為分類
FEMA273 將非結構物行為分為 5 級，其分類原則如下：
NA：正常運作級(Operational)
非結構物可以繼續維持建築的既定功能。大部份的非結構物必須都能正常運作
（包括燈光、水電、空調、電腦系統），不過少數破壞亦為可期。可能需要有 一些緊急備份設備。重要機電設備可能需要通過耐震檢定，方能確保可靠性。
NB：尚能使用級(Immediate Occupancy)
只有少數的非結構物破壞產生。只要電力系統供應正常，各項安全疏散設施 如：門、樓梯、電梯、緊急照明、火警、消防，均能正常操作；但少數破壞，
如玻璃破裂，是可以容許的。機電系統的各項設備只要外界供應尚未斷絕，便 應該可以正常運作。少數設備可能會因內部零件故障無法使用。結構體仍應安 全，因此使用者不會有安全上的顧慮。
NC：人命安全級(Life Safety)
許多設備可能已經受損，但不會掉落或滑動以致對人命安全（無論室內或戶外）
有威脅，逃生路徑不會被封死，但可容許少數掉落物。供水、空調、消防系統 可能已遭破壞，室內會有淹水問題。可能有人會受傷，但不會有致命的傷害發 生。
ND：減災級(Hazards Reduced)
許多非結構物會遭破壞，但在公共場所或通道上（有眾人使用的地方）不應該 有大體積掉落物，如女兒牆、帷幕牆、天花、儲藏架等之破壞。少數人可能會 嚴重受傷，但應避免多數人受傷。
NE：未設計級(Not Considered)
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不考慮非結構物安全。
FEMA273 內將 6-1-4 節中的建築耐震性能分級制，依據結構體及非結構物分類 之狀況，加以定義成：（詳如表 6-2）
正常運作級表示結構體為 S1 而非結構體為 NA；
尚能使用級表示結構體為 S1 而非結構體為 NB；
人命安全級表示結構體為 S3 而非結構體為 NC；
防止崩塌級表示結構體為 S5 而非結構體為 NE。
因此只要決定所要的耐震性能級別後，便可知道該如何進行對結構及非結構之 設計標準。由於 FEMA 273 所包含之內容甚廣，本報告於下節中僅列出與研究案相 關的設備物耐震強度設計資料。
6-3 設備之耐震強度認定
FEMA 273 內將非結構物分成三類：建築元素、機械設備元素、及家具元素。
這些非結構物品的耐震行為各不相同，有些較適合以加速度分析其震動行為，某些 較適合以位移量分析，有些則需要同時考慮兩者。在 FEMA 273 的第 11 章中，便 對於主要的各項非結構物震動特性有所分類。本研究案中所探討的設備類，除了懸 吊系統之外，都是屬於較適合以加速度來分析其耐震性能。
關於非結構物的設計方法，FEMA 273 採認了兩種方式：
1） 慣例法（Prescriptive Procedure）
此法適用於已有其他規範或手冊用以指導某類設備之設計、施工，且具有耐震 能力者。此類產品可不需另行計算耐震強度，便可直接採用相關規訂進行設計 施工。比如：儲存液體之塔體，便可依照現有的 API 或 AWWA 規範進行設計施
此法適用於已有其他規範或手冊用以指導某類設備之設計、施工，且具有耐震 能力者。此類產品可不需另行計算耐震強度，便可直接採用相關規訂進行設計 施工。比如：儲存液體之塔體，便可依照現有的 API 或 AWWA 規範進行設計施