設計地震與結構損傷控制

依據破壞程度來定性的描述結構損害狀態之分類常應用於實際震害調 查，例如日本的建築常用大破、中破、小破來作為震災損害分級；有時也 採用損傷指標或函數作為定量分級之依據，例如樓層變位比或韌性比等。

美國及我國在地震災害損失評估系統中，均將建物損害狀態分成輕微、中 度、嚴重及完全損壞等四個層級，完全損壞又包含倒塌及未倒塌；均以結 構反應之層間變位比大小作為損害狀態之分類標準。

由 2.1 節的三個構架試驗結果，本手冊建議，校舍之性能標準應採用 多重條件來決定，分別以力控制條件及位移控制條件來取得保守之設計。

既有之非韌性設計 RC 校舍，其韌性較差，構架受橫力達最大基底剪力強 度後，其強度衰減現象明顯，最大強度點後的消能能力不足，傾向於受力 控制條件決定其性能標準。而補強後之校舍，因其韌性受到改善，構架受 橫力達最大基底剪力強度後，仍能提供相當大的變形消能能力，而有可能 受位移控制條件決定其性能標準。為進一步比較，校舍結構受到更大變形 後之損傷狀態，本節以2.1.1 節之原型校舍平面構架之試驗結果為例，比較 說明於後。

在耐震性能標準的訂定必須定義各種損傷狀態，對於防止結構崩塌點 (Collapse Prevention, CP)的定義尤其重要，定性而言，CP 點必須確保結構 到達此一損傷狀態時仍保有相當的結構穩定性，結構因產生不穩定而破壞 的機率必須非常低。由構架的損傷狀況與整體穩定性觀察，兩個典型非韌 性配筋之 RC 校舍(構架)皆為窗台柱剪力破壞主控，在構架基底剪力強度衰 減至約0.6V_max^ 時，仍保有極為完整之穩定性，並無崩塌之虞。就震損評估 之觀點，此時結構雖已嚴重受損，或可判定為完全損壞，但仍未達崩塌之

狀態；由耐震評估與耐震設計之實務考量，應可將之視為CP 之性能點，

且仍屬保守。三個試驗構架在不同殘餘強度時的損傷狀況，比較如表 2.1，

反映各構架在反覆荷載下的損傷與耐震性能表現。由損傷與性能比較結果 顯示，典型非韌性配筋 RC 校舍之易損性較差，但能承受之層間變位比仍 高達 3%以上，才會完全損壞。

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 察與易損性參數分析成果，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。由前述既有非韌性低矮 RC 校舍為例，當 層間變位比達 3.0%時(0.6V_max^ )，仍保有極為完整之穩定性，而定為性能目 標 CP 點。其 IO(立即使用)點之層間變位比約在 0.75~1.0%間，則其性能點 LS(生命保全)之層間變位比約在 1.5~2.0%間。若為補強後(或新建)校舍，

其性能目標 CP、LS 及 IO 點之層間變位比約分別為 4.0%、2.5%及 0.8%。

由圖 2.1(a)之試驗過程中對構架之破壞觀察，構架明顯的降伏發生於 頂層位移比 0.5%-0.75%，此時一樓及二樓都接近彈性行為，因此，一樓之 層間變位比也在 0.5%-0.75%左右，一樓殘留層間變位比小於 0.3%，結構 可視為無損或極輕微損傷。當頂層位移比達到1.5%時，結構開始明顯的破 壞現象，在第二週次時，剪力破壞之情況極為明顯，部分柱(窗台柱)核心 混凝土碎裂(圖 2.2)，一樓殘留層間變位比約 1%。建議將建物損害狀態分 成輕微、中度、嚴重及完全損壞等四個層級，校舍損壞狀態之說明如表2.2 所述。

由於典型校舍之震損多數集中於柱構材，表 2.2 之損壞定義主要依據 柱子的破壞程度區分，結構在震後的永久變形也是判斷損壞的一個重要指 標，因此，也依據校舍震後之殘留層間變位比(位移比)補充說明。在震害 調查時經常可以發現部分校舍一樓之殘留層間變位達到 10 公分以上，窗台 柱均嚴重受損，其垂直承載能力幾乎已消失，然而校舍結構物(尤其是三層 樓以下之校舍)仍保有相當好的穩定性，而無立即倒塌之虞，這樣的狀況在 1998 年瑞里地震及 1999 集集地震等烈震中都有不少案例。圖 2.4 為 1998 年瑞里地震中培英國小之震害照片，其二層樓教室在地震中嚴重受損，一

樓之殘留層間變位達 10.0 公分，若以層高 3.0-3.5m 估算，則其殘留層間變

4. 降低結構反應之容許值，例如將層間變位比、韌性比、結構損傷指 標等結構反應的直接或間接指標的容許值予以適當降低。

前三項在傳統的耐震設計規範中較常使用，而新一代的性能設計法即採用 限制結構反應之容許值來提高重要結構的可靠度要求。雖然方式不同，但 都可以獲得相同的或相似的設計結果。例如我國建築物耐震設計規範規定 在 475 年回歸期設計地震作用下，結構的韌性容量只能用到2 3或1 2，這 已符合性能設計法之精神，以結構損傷控制來進行分析設計，只是為了簡 化設計流程，再以簡化程序推算其等值之彈性設計地震力。

依據現行建築耐震設計規範，校舍的重要性係數已設為 I=1.5 。若以 475 年回歸期地震為設計基準地震，多數地區之基準設計 EPA(Effective Peak ground Acceleration，等效最大地表加速度)值為 0.24g~0.32g，則校舍 實際之設計地震 EPA 值為 0.36g~0.48g，此值之回歸期已遠大於 2500 年。

換言之，此一耐震設計之失敗機率已小於 2%(假設結構設計壽命為 50 年)，

若考量其他的安全因子與超額設計，則失敗機率更低。

以韌性容量 4.0，由結構損傷的分析結果顯示，若結構的設計地震 力以 I=1.5 提升(亦即結構的設計強度或基底剪力較 I=1.0 的標準結構提高 50%)；對週期小於 2 秒的結構而言，若在 2500 年回歸期地震力作用下，

標準結構(I=1.0)的損傷達到完全損壞 (韌性用盡，亦即以此韌性值作為韌 性容量)，則 I=1.5 的結構的損傷可以保持在中度損傷狀態。

以結構損傷控制作為設計理念之實務操作接近性能設計法，對結構之 極限韌性容量或能耐曲線上崩塌點的決定，須藉由結構試驗、震害調查及 工程經驗判斷。由以上之說明，本手冊建議，對結構之極限韌性容量或容 耐曲線的崩塌點，採用較嚴格之標準。配合採用 475 年回歸期之地震為其 補強之設計地震或設計地震，應是實務上可行且具有足夠之保守度。