Mass X Mass Y XCM YCM Cumulative X
第四節 房屋軟弱層改善設計方案
一、 設計案例改善方案一
增加屋後外牆及騎樓外柱尺寸：
增加 30cm 厚之屋後外牆
擴大騎樓外柱至最大尺寸(80x80cm)-以平衡偏心扭轉行為
圖 3- 46 增加屋後外牆及騎樓柱尺寸示意圖例 資料來源:本研究繪製
圖 3- 47 房屋後立面圖
圖 3- 48 房屋正立面圖 資料來源:本研究繪製
樓層 Mass X
Cumulative X kg
Cumulative Y kg RF 282795.37 282795.37 5.2106 14.2268 282795.37 282795.37 5.2106 14.2268 1.6828 14.217 4F 371786.01 371786.01 5.0553 14.2571 654581.38 654581.38 5.1224 14.244 1.4069 14.2403 3F 376722.46 376722.46 5.0558 14.2567 1031303.83 1031303.83 5.0981 14.2486 0.9096 14.254 2F 367388.49 367388.49 4.7076 14.2708 1398692.32 1398692.32 4.9955 14.2545 -0.0888 14.2614
資料來源:本研究繪製
表 3- 32 地震力豎向分配結果 1414.596 11881.505 393.831 388.487 資料來源:本研究繪製 3F 376722.5 376722.5 5.0558 14.2567 1031303.83 1031303.83 5.0981 14.2486 0.8872 14.2671 2F 383292.6 383292.6 4.6991 14.2741 1414596.38 1414596.38 4.99 14.2556 -0.0199 14.2682
假定以第四節中所示之房屋設計案例原型為基準，表 3- 34 中相對比 (Relative Ratio)為當前使用之設計改善方案下與設計案例原型間結構行為 之差異比值。由表中數據顯示，房屋沿街方向(Y 方向)與原型之差異度較 小，因此在此方向之偏心扭轉效應可忽略。
圖 3- 49 垂直街道方向(X 方向)房屋質心與剛心差異相對比示意圖 資料來源:本研究繪製
3. 構件設計 梁構件：
根據樓層、內梁、外梁位置或跨徑等因素不同，梁構件細部設計遠複 雜於柱構件。透過參考結構分析軟體設計結果，進一步進行構件設計，圖 3- 50、圖 3- 51 分別為梁細部設計圖說及鋼筋配置圖。
圖 3- 50 梁構件細部設計示意圖 資料來源:本研究繪製
圖 3- 51 梁鋼筋配置圖說 資料來源:本研究繪製
柱構件：
耐震設計中柱橫向鋼筋設計可分為三部分，分別為柱上下兩端(A 斷 面)、柱中間段(B 斷面)及梁柱接頭(C 斷面)；此部分透過結構分析軟體
ETABS 直接將分析結果呈現，如圖 3- 52、圖 3- 53 所示。
圖 3- 52 柱構件平面配置示意圖 資料來源:本研究繪製
柱構件根據不同樓層及平面位置，所對應之設計斷面也不同；然而房 屋大部分之柱構件設計如 B 斷面，在 2F(第一樓層)之柱構件設計如 A 斷 面，如圖 3- 53 所示。
圖 3- 53 柱構件細部設計斷面示意圖 資料來源:本研究繪製
圖 3- 54 柱構件鋼筋配置圖說 資料來源:本研究繪製
牆面：
在此使用 ETABS 結構分析軟體所得之剪力牆細部設計，為雙層鋼筋 配置，為改善軟弱層問題需求，需額外增加水平向鋼筋量。
表 3- 35 牆體水平鋼筋配置 剪力牆體水平鋼筋量 樓
層
ETABS (original) 軟弱層需求
X 方向 Y 方向 X 方向 Y 方向
牆厚度
(cm) 橫向鋼筋 牆厚度
(cm) 橫向鋼筋 牆厚度
(cm) 橫向鋼筋 牆厚度
(cm) 橫向鋼筋 RF 15 10@400 15 10@400 15 10@400 15 10@400
4F 15 10@400 15 10@400 15 16@300 15 16@300 3F 15 10@400 15 10@400 15 16@200 15 20@200 2F 15 10@400 30 14@400 15 20@150 30 25@150
資料來源:本研究繪製
圖 3- 55 牆體鋼筋設計圖說(ETABS 分析設計結果)-2F 資料來源:本研究繪製
圖 3- 56 牆體鋼筋設計圖說(ETABS 分析設計結果)-3F, 4F 及 RF 資料來源:本研究繪製
圖 3- 57 牆體鋼筋設計圖說(軟弱層改善設計結果)-2F 資料來源:本研究繪製
4. 檢核評估
(2) 建築物之碰撞距離檢核
(3) 強柱弱梁檢核
結構分析軟體 ETABSV15 藉由檢核梁柱強度之比值來判斷是否符合 強柱弱梁理論需求，其理論式如下。
(6/5) M
nb 1 Mnc
以下圖 3- 58、圖 3-59 及圖 3- 60 中之強柱弱梁檢核數據呈現結果有幾 點需要注意，位於柱左側之數值為其 X 方向 B/C 比值，右側則對應為 Y 方向。O/S 則代表此處並未滿足強柱弱梁檢核，換言之並未符合上理論式 須小於等於 1 之條件；然而若發生於建築房屋較高樓層 RF 或底層柱，因 為皆為柱塑鉸區可能發生區域，故為可接受發生情況。
圖 3- 58 設計案例模型立面 A 強柱弱梁檢核結果 資料來源:本研究繪製
圖 3-59 設計案例模型立面 D 強柱弱梁檢核結果
圖 3- 60 設計案例模型立面 E 強柱弱梁檢核結果 資料來源:本研究繪製
(4) 軟弱層檢核
有兩種評估軟層之檢核式，如以下所示，需同時滿足此兩條件。
檢核方法一：
0.7 1
i i
K K 檢核方法二：
1 2 3
0.8( + + )/3
i i i i
K K K K 表 3- 38 軟層檢核結果
軟層檢核
樓層 載重組合 剪力 層間相對
側位移角 勁度
檢核一 檢核二
tonf mm tonf/mm
RF EQFX+ 1 98.458 0.2 617.056
圖 3- 61 結構剪力需求分析柱分類配置示意圖 資料來源:本研究繪製
為簡化分析程序，將每樓層柱剪力需求取平均並將其結果整合如下表 所示。並假定弱層檢核時之房屋側向抵抗能力全由柱構件提供。
表 3- 39 柱構件剪力需求(C 系列)及剪力強度(CC 系列)
表 3- 41 柱構件總剪力需求及剪力強度容量
樓層 Hi lc ΣVdx ΣVdy ΣVcx ΣVcy
(Vc/Vd)x (Vc/Vd)y Check
(m) (m) (tonf) (tonf) (tonf) (tonf) X-Dir Y-Dir
RF 3.2 2.6 5.325 18.871 441.524 292.124 82.91 15.48
4F 3.2 2.6 6.705 21.035 452.435 300.734 67.48 14.30 OK OK
3F 3.4 2.8 7.595 26.073 580.708 397.868 76.46 15.26 OK OK
2F 3.8 3.2 13.329 23.692 809.675 726.135 60.74 30.65 NOT
OK OK
資料來源:本研究繪製
開口牆體剪力折減係數應用：
立面 A
圖 3- 62 設計案例模型立面 A 開口牆體示意圖 資料來源:本研究繪製
表 3- 42 立面 A 開口尺寸
立面 A 開口尺寸
樓層 樓高 Σh h op l op Σho
(m) (m) (m) (m) (m)
RF 3.2 3.2 1.4 1.8 1.4
4F 3.2 6.4 1.4 1.8 2.8
3F 3.4 9.8 1.4 1.8 4.2
2F 3.8 13.6 1.4 1.8 5.6
資料來源:本研究繪製
表 3- 43 開口牆體剪力強度折減係數-立面 A
立面 A 強度折減係數
樓層 樓高 牆面寬 h op l op Σh Σho
r1 r2 r3 r
(m) (m) (m) (m) (m) (m)
RF 3.2 6 1.4 1.8 3.2 1.4 0.670 0.601 0.563 0.563
RF 3.2 5.5 1.4 1.8 3.2 1.4 0.640 0.584 0.563 0.563
4F 3.2 6 1.4 1.8 6.4 2.8 0.670 0.601 0.563 0.563
4F 3.2 5.5 1.4 1.8 6.4 2.8 0.640 0.584 0.563 0.563
3F 3.4 6 1.4 1.8 9.8 4.2 0.670 0.613 0.571 0.571
3F 3.4 5.5 1.4 1.8 9.8 4.2 0.640 0.596 0.571 0.571
2F 3.8 4.9 1.4 1.8 13.6 5.6 0.596 0.595 0.588 0.588
2F 3.8 4.4 1.4 1.8 13.6 5.6 0.550 0.573 0.588 0.550
資料來源:本研究繪製
立面 E
圖 3- 63 設計案例模型立面 E 開口牆體示意圖 資料來源:本研究繪製
表 3- 44 開口牆體剪力強度折減係數-立面 E
立面 E 開口
樓層 樓高 Σh h op l op Σho
(m) (m) (m) (m) (m)
RF 3.2 3.2 2 3 2
4F 3.2 6.4 2 3 4
3F 3.4 9.8 2 3 6
2F 3.8
表 3- 45 開口牆體剪力強度折減係數-立面 E
立面 E 強度折減係數
樓層 樓高 牆面寬 h op l op Σh Σho
r1 r2 r3 r
(m) (m) (m) (m) (m) (m)
RF 3.2 6 2 3 3.2 2 0.450 0.385 0.375 0.375
RF 3.2 5.5 2 3 3.2 2 0.400 0.358 0.375 0.358
4F 3.2 6 2 3 6.4 4 0.450 0.385 0.375 0.375
4F 3.2 5.5 2 3 6.4 4 0.400 0.358 0.375 0.358
3F 3.4 6 2 3 9.8 6 0.450 0.403 0.388 0.388
3F 3.4 5.5 2 3 9.8 6 0.400 0.377 0.388 0.377
表 3- 46 垂直街道方向(X 方向)牆體剪力強度
資料來源:本研究繪製
二、設計案例改善方案二 增加屋前、後外牆：
增加屋前、後 15cm 厚外牆，柱構件保留設計案例原型尺寸
屋前外牆保留大面積開口，但足以覆蓋因屋內使用電梯及樓梯間造成
之視覺感官不便，如圖 3- 64 所示
圖 3- 64 增加屋前、後外牆示意圖例 資料來源:本研究繪製
圖 3- 65 房屋後立面圖
圖 3- 66 房屋正立面圖 資料來源:本研究繪製
表 3- 51 偏心扭矩考量 RF 288662.93 288662.93 5.3181 14.2273 288662.93 288662.93 5.3181 14.2273 3.5352 14.1167 4F 384097.8 384097.8 5.2298 14.2569 672760.73 672760.73 5.2677 14.2442 3.5851 14.1463 3F 389443.64 389443.64 5.2336 14.2564 1062204.37 1062204.37 5.2552 14.2487 3.5675 14.1724 2F 395006.33 395006.33 4.8726 14.2608 1457210.7 1457210.7 5.1515 14.252 3.2979 14.2086
資料來源:本研究繪製
表 3- 53 地震力豎向分配結果 1401.621 11832.199 381.138 388.875 資料來源:本研究繪製 (Prototype )
Relative Ratio (Relative Ratio)為當前使用之設計改善方案下與設計案例原型間結構行為
之差異比值。由表中數據顯示，房屋沿街方向(Y 方向)與原型之差異度較 小，因此在此方向之偏心扭轉效應可忽略。
圖 3- 67 垂直街道方向(X 方向)房屋質心與剛心差異相對比示意圖 資料來源:本研究繪製
在此設計方案中有效改善結構偏心扭轉效應，如圖 3- 67 所示。
3. 構件設計 梁構件：
根據樓層、內梁、外梁位置或跨徑等因素不同，梁構件細部設計遠複 雜於柱構件。透過參考結構分析軟體設計結果，進一步進行構件設計，圖 3- 68、圖 3- 69 分別為梁細部設計圖說及鋼筋配置圖。
圖 3- 68 梁構件細部設計示意圖 資料來源:本研究繪製
圖 3- 69 梁鋼筋配置圖說 資料來源:本研究繪製
柱構件：
耐震設計中柱橫向鋼筋設計可分為三部分，分別為柱上下兩端(A 斷 面)、柱中間段(B 斷面)及梁柱接頭(C 斷面)；此部分透過結構分析軟體
ETABS 直接將分析結果呈現，如圖 3- 70、圖 3- 71 所示。
圖 3- 70 柱構件平面配置示意圖 資料來源:本研究繪製
柱構件根據不同樓層位置，所對應之縱向鋼筋及箍筋設計配置也不 同，如圖 3- 71 所示。
圖 3- 71 柱構件細部設計斷面示意圖 資料來源:本研究繪製
圖 3- 72 柱構件鋼筋配置圖說
牆面：
圖 3- 74 牆體鋼筋設計圖說(ETABS 分析設計結果)-3F, 4F 及 RF 資料來源:本研究繪製
圖 3- 75 牆體鋼筋設計圖說(軟弱層改善設計結果)-2F 資料來源:本研究繪製
4. 檢核評估
(2) 建築物之碰撞距離檢核
(3) 強柱弱梁檢核
結構分析軟體 ETABSV15 藉由檢核梁柱強度之比值來判斷是否符合 強柱弱梁理論需求，其理論式如下。
(6/5) M
nb 1 Mnc
以下圖 3- 76、圖 3-77 及圖 3- 78 中之強柱弱梁檢核數據呈現結果有幾 點需要注意，位於柱左側之數值為其 X 方向 B/C 比值，右側則對應為 Y 方向。O/S 則代表此處並未滿足強柱弱梁檢核，換言之並未符合上理論式 須小於等於 1 之條件；然而若發生於建築房屋較高樓層 RF 或底層柱，因 為皆為柱塑鉸區可能發生區域，故為可接受發生情況。
圖 3- 76 設計案例模型立面 A 強柱弱梁檢核結果 資料來源:本研究繪製
圖 3-77 設計案例模型立面 D 強柱弱梁檢核結果
圖 3- 78 設計案例模型立面 E 強柱弱梁檢核結果
(4) 軟弱層檢核