鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究

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(1)鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國 106 年 12 月.

(2) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 研究主持人：. 王安強. 協同主持人：. 宋裕祺. 研. 蔡益超、顏志良、盧柏亨. 究. 員：. 李軒豪、李台光、謝宗興研究期程：中華民國 106 年 2 月至 106 年 12 月. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國 106 年 12 月.

(3) 目次. 目次目次............................................................................................................. i 表次.............................................................................................................v 圖次........................................................................................................... ix 摘要....................................................................................................... xviii 一、. 研究緣起 .......................................................................... xviii. 二、. 研究方法及過程 .............................................................. xviii. 三、. 重要發現 ............................................................................ xix. 四、. 主要建議事項 .................................................................... xix. ABSTRACT .......................................................................................... xxii 第一章. 緒論 ............................................................................................1. 第一節. 研究緣起與背景 ................................................................1. 第二節. 研究方法與進度說明 ........................................................3. 一、研究方法 ..........................................................................3 二、進度說明 ..........................................................................5 第三節第二章. 研究目的 ............................................................................6. 文獻回顧 ....................................................................................7. i.

(4) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 第一節. 前言 ....................................................................................7. 第二節. 鋼結構相關規範回顧 ........................................................8. 一、我國有關鋼結構之規範 ..................................................8 二、國外有關鋼結構之規範 ................................................13 第三節. 合成構材相關規範回顧 ..................................................15. 一、我國有關合成構材之規範 ............................................15 二、美國 AISC 有關合成構材之規範 ................................20 第四節. 建築物耐震能力初步評估方法 ......................................22. 一、日本建築防災協會制定之耐震診斷基準 ....................22 二、建研所(宋裕祺協同研究團隊)研擬耐震能力初步評估表 ..............................................................................................23 三、一樓層剪力之簡易耐震評估法 ....................................24 第三章. 鋼結構建築物耐震能力初步評估方法 ..................................29. 第一節. 前言 ..................................................................................29. 第二節. 鋼結構建築物耐震能力初步評估表擬定 ......................30. 一、基本資料表 ....................................................................30 二、建築物耐震能力初步評估表 ........................................31 三、建築物耐震能力評估 ....................................................46. ii.

(5) 目次. 第四章. 鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估方法 ..................65. 第一節. 前言 ..................................................................................65. 第二節. 鋼骨鋼筋混凝土結構建築物耐震能力初步評估表擬定 …………………………………………………………..66. 一、基本資料表 ....................................................................66 二、建築物耐震能力初步評估表 ........................................67 三、建築物耐震能力評估 ....................................................84 第五章案例分析 ..................................................................................102 第一節. 前言 ................................................................................102. 第二節. 案例一 ............................................................................103. 一、案例基本資料 ..............................................................103 二、耐震能力初步評估 ......................................................105 三、耐震能力詳細評估 ...................................................... 110 第三節. 案例二 ............................................................................ 114. 一、案例基本資料 .............................................................. 114 二、耐震能力初步評估 ...................................................... 117 三、耐震能力詳細評估 ......................................................123 第四節. 案例三 ............................................................................126. 一、案例基本資料 ..............................................................126 iii.

(6) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 二、耐震能力初步評估 ......................................................129 三、耐震能力詳細評估 ......................................................135 第五節. 案例四 ............................................................................138. 一、案例基本資料 ..............................................................138 二、耐震能力初步評估 ......................................................141 三、耐震能力詳細評估 ......................................................145 第六章結論與建議 ..............................................................................153 第一節. 結論 ................................................................................153. 第二節. 建議 ................................................................................155. 參考文獻.................................................................................................158 附錄一案例定量評估表分析 ..............................................................162 附錄二初審專家審查意見與答覆 ......................................................189 附錄三期中報告審查委員意見與答覆 ..............................................193 附錄四期末報告審查委員意見與答覆 ..............................................199 附錄五專家諮詢會議意見與答覆 ......................................................203 附錄六鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力評估方法講習會 .................................................................................................................207. iv.

(7) 表次. 表次表 1. 1 工作進度表 ....................................................................................5 表 2. 1 受壓肢之寬厚比限制(Fy：tf/cm2) ...............................................9 表 2. 2 鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估表 .................................23 表 3. 1 鋼結構建築物耐震能力初步評估基本資料表 ..........................31 表 3. 2 鋼結構建築物耐震能力初步評估表 .........................................32 表 3. 3 地下室面積比 ra 權重計算表....................................................34 表 3. 4 梁之跨深比 b 權重計算表 .........................................................39 表 3. 5 柱之高深比 c 權重計算表..........................................................40 表 3. 6 斷面結實性判定表 .....................................................................42 表 3. 7 鋼材鏽蝕程度表 .........................................................................43 表 3. 8 達容許韌性容量耐震能力初步評估權重計算表 ......................44 表 3. 9 達韌性容量耐震能力初步評估權重計算表 .............................45 表 3. 10 鋼結構一樓柱頂彎矩為柱底彎矩比值表 ...............................50 表 3. 11 鋼結構柱極限剪力強度修正係數計算表 ................................53 表 3. 12 鋼構架尺寸表 ...........................................................................54 v.

(8) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 表 3. 13 平面對稱性折減修正係數表 ...................................................60 表 3. 14 Cvbcj、Cvbtj、Cvcj、CRbcj、CRbtj 與 CRcj 建議表 ..........................61 表 3. 15 Rcol、Rbt 與 Rbc 建議表 ..............................................................61 表 4. 1 鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估基本資料表 ..........67 表 4. 2 SRC 結構建築物耐震能力初步評估表 .....................................68 表 4. 3 地下室面積比 ra 權重計算表....................................................70 表 4. 4 梁之跨深比 b 權重計算表 .........................................................75 表 4. 5 柱之高深比 c 權重計算表..........................................................76 表 4. 6 達容許韌性容量耐震能力初步評估權重計算表 .....................81 表 4. 7 達韌性容量耐震能力初步評估權重計算表 .............................81 表 4. 8 SRC 結構柱極限剪力強度修正係數計算表 .............................90 表 4. 9 SRC 構架尺寸表 .........................................................................92 表 4. 10 平面對稱性折減修正係數表 ...................................................98 表 4. 11 立面對稱性折減修正係數表 ...................................................98 表 4. 12 Cvswj、Cvbtj、Cvcj、CRswj、CRbtj 與 CRcj 建議表 .........................99 表 4. 13 Rcol、Rsw 與 Rbt 建議表 ..............................................................99 vi.

(9) 表次. 表 5. 1 案例一結構基本資料表 ............................................................103 表 5. 2 案例一材料參數表 ...................................................................103 表 5. 3 案例一結構尺寸表 (單位：mm) ............................................104 表 5. 4 案例一結構重量表 ...................................................................104 表 5. 5 案例一 475 年地震回歸期初評與詳評耐震能力比較 ........... 113 表 5. 6 案例一 2500 年地震回歸期初評與詳評耐震能力比較 ......... 113 表 5. 7 案例一初評與詳評耐震能力檢核 ........................................... 113 表 5. 8 案例二結構基本資料表 ........................................................... 114 表 5. 9 案例二材料參數表 ................................................................... 115 表 5. 10 案例二結構尺寸表 (單位：mm) .......................................... 115 表 5. 11 案例二結構重量表.................................................................. 116 表 5. 12 案例二 475 年地震回歸期初評與詳評耐震能力比較 .........125 表 5. 13 案例二 2500 年地震回歸期初評與詳評耐震能力比較 .......125 表 5. 14 案例二初評與詳評耐震能力檢核 .........................................125 表 5. 15 案例三結構基本資料表 .........................................................126 表 5. 16 案例三材料參數表 .................................................................126 vii.

(10) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 表 5. 17 案例三結構尺寸表(單位：kgf-cm).......................................127 表 5. 18 案例三結構重量表 .................................................................128 表 5. 19 案例三 475 年地震回歸期初評與詳評耐震能力比較 .........137 表 5. 20 案例三 2500 年地震回歸期初評與詳評耐震能力比較 .......137 表 5. 21 案例三初評與詳評耐震能力檢核 .........................................137 表 5. 22 案例四結構基本資料表 .........................................................138 表 5. 23 案例四材料參數表 .................................................................139 表 5. 24 案例四結構尺寸表 (單位：mm) ..........................................139 表 5. 25 案例四結構重量表 .................................................................139 表 5. 26 案例四初評與詳評耐震能力比較 .........................................151 表 5. 27 案例四 2500 年地震回歸期初評與詳評耐震能力比較 .......151 表 5. 28 案例四初評與詳評耐震能力檢核 .........................................151. viii.

(11) 圖次. 圖次圖 1. 1 研究步驟.........................................................................................4 圖 2. 1 簡易評估法示意圖 ......................................................................27 圖 3. 1 靜不定程度示意圖 ......................................................................33 圖 3. 2 地下室面積比 ..............................................................................34 圖 3. 3 平面對稱性佳之結構形式 .........................................................35 圖 3. 4 平面對稱性尚可之結構形式 .....................................................35 圖 3. 5 平面對稱性不佳之結構形式 .....................................................36 圖 3. 6 立面對稱性佳之結構形式 ..........................................................36 圖 3. 7 立面對稱性有疑慮之結構形式 .................................................38 圖 3. 8 斜撐形式 .....................................................................................38 圖 3. 9 梁之跨深比 b ..............................................................................39 圖 3. 10 柱之高深比 c.............................................................................40 圖 3. 11 塑鉸區梁之細部.........................................................................41 圖 3. 12 未支撐長度 ................................................................................42 圖 3. 13 12 層樓鋼結構建築模型圖 .......................................................50 ix.

(12) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 圖 3. 14 鋼結構軸力彎矩互制圖 ...........................................................51 圖 3. 15 鋼結構柱之撓曲行為控制剪力強度示意圖 ...........................51 圖 3. 16 鋼結構柱之剪力行為控制面積示意圖 ...................................52 圖 3. 17 鋼結構構架立面圖 ...................................................................55 圖 3. 18 鋼結構側推分析無因次化結果 ...............................................55 圖 3. 19 簡化後鋼結構側推分析無因次化結果 ...................................56 圖 3. 20 當受壓斜撐發揮充分強度與韌性時各構件強度發揮比 .......57 圖 3. 21 當受壓斜撐發揮充分強度與韌性時各構件韌性發揮比 .......57 圖 3. 22 當受拉斜撐發揮充分強度與韌性時各構件強度發揮比 .......58 圖 3. 23 當受拉斜撐發揮充分強度與韌性時各構件韌性發揮比 .......58 圖 3. 24 當構架發揮充分強度與韌性時各構件強度發揮比 ...............59 圖 3. 25 當構架發揮充分強度與韌性時各構件韌性發揮比 ...............59 圖 4. 1 靜不定程度示意圖 .....................................................................69 圖 4. 2 地下室面積比 ..............................................................................70 圖 4. 3 平面對稱性佳之結構形式 .........................................................71 圖 4. 4 平面對稱性尚可之結構形式 ......................................................71 x.

(13) 圖次. 圖 4. 5 平面對稱性不佳之結構形式 ......................................................72 圖 4. 6 立面對稱性佳之結構形式 ..........................................................72 圖 4. 7 立面對稱性有疑慮之結構形式 ..................................................74 圖 4. 8 斜撐形式.......................................................................................74 圖 4. 9 梁之跨深比 b ...............................................................................75 圖 4. 10 柱之高深比 c ..............................................................................76 圖 4. 11 塑鉸區梁之細部.........................................................................77 圖 4. 12 短柱示意圖 ................................................................................79 圖 4. 13 短梁示意圖 ................................................................................79 圖 4. 14 矩形柱配筋假設位置 ................................................................85 圖 4. 15 RC 軸力-彎矩交互影響曲線 ....................................................88 圖 4. 16 SRC 柱之撓曲行為控制剪力強度示意圖 ...............................89 圖 4. 17 SRC 柱鋼骨部分剪力行為控制面積示意圖 ...........................89 圖 4. 18 SRC 結構構架立面圖 ...............................................................93 圖 4. 19 SRC 結構側推分析無因次化結果 ...........................................94 圖 4. 20 簡化後 SRC 結構側推分析無因次化結果 ..............................94 xi.

(14) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 圖 4. 21 當 RC 牆發揮充分強度與韌性時各構件強度發揮比 ............95 圖 4. 22 當 RC 牆發揮充分強度與韌性時各構件韌性發揮比 ............95 圖 4. 23 當斜撐、BRB 發揮充分強度與韌性時各構件強度發揮比 ...96 圖 4. 24 當斜撐、BRB 發揮充分強度與韌性時各構件韌性發揮比 ...96 圖 4. 25 當構架發揮充分強度與韌性時各構件強度發揮比 ................97 圖 4. 26 當構架發揮充分強度與韌性時各構件韌性發揮比 ................97 圖 5. 1 案例一平面圖 ...........................................................................104 圖 5. 2 案例一立面圖 ...........................................................................105 圖 5. 3 案例一初評基本資料表 ...........................................................106 圖 5. 4 案例一初步評估表 ...................................................................106 圖 5. 5 案例一額外增減分與評估總分 ...............................................107 圖 5. 6 案例一評估結果 .......................................................................107 圖 5. 7 案例一建築物重量與材料參數表 ...........................................108 圖 5. 8 案例一柱極限剪力計算 ...........................................................108 圖 5. 9 案例一斜撐、BRB 極限剪力計算 ..........................................108 圖 5. 10 案例一 475 年地震力回歸期耐震能力計算 .........................109 xii.

(15) 圖次. 圖 5. 11 案例一 2500 年地震力回歸期耐震能力計算 .......................109 圖 5. 12 案例一建築物平立面圖 ......................................................... 110 圖 5. 13 案例一 3D 模型圖................................................................... 111 圖 5. 14 案例一雙線性化力對位移關係圖 ......................................... 111 圖 5. 15 案例一雙線性化譜加速度對譜位移關係圖 ......................... 112 圖 5. 16 案例一性能檢核圖 ................................................................. 112 圖 5. 17 案例二二樓平面圖 ............................................................... 116 圖 5. 18 案例二立面圖 ......................................................................... 117 圖 5. 19 案例二初評基本資料表 ......................................................... 118 圖 5. 20 案例二初步評估表 ................................................................. 118 圖 5. 21 案例二額外增減分與評估總分 ............................................. 119 圖 5. 22 案例二評估結果 ..................................................................... 119 圖 5. 23 案例二建築物重量與材料參數表 .........................................120 圖 5. 24 案例二柱極限剪力計算 .........................................................120 圖 5. 25 案例二斜撐、BRB 極限剪力計算 ........................................121 圖 5. 26 案例二 475 年地震力回歸期耐震能力計算 .........................121 xiii.

(16) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 圖 5. 27 案例二 2500 年地震力回歸期耐震能力計算 .......................122 圖 5. 28 案例二建築物平立面圖 .........................................................122 圖 5. 29 案例二 3D 模型圖...................................................................123 圖 5. 30 案例二雙線性化力對位移關係圖 .........................................123 圖 5. 31 案例二雙線性化譜加速度對譜位移關係圖 .........................124 圖 5. 32 案例二性能檢核圖 .................................................................124 圖 5. 33 案例三平面圖 .........................................................................128 圖 5. 34 案例三立面圖 .........................................................................129 圖 5. 35 案例三初評基本資料表 .........................................................130 圖 5. 36 案例三初步評估表 .................................................................130 圖 5. 37 案例三額外增減分與評估總分 .............................................131 圖 5. 38 案例三評估結果 .....................................................................131 圖 5. 39 案例三建築物重量與材料參數表 .........................................132 圖 5. 40 案例三柱極限剪力計算 .........................................................132 圖 5. 41 案例三柱、RC 牆與受壓極限剪力計算 ..............................133 圖 5. 42 案例三受拉斜撐、BRB 極限剪力計算 ................................133 xiv.

(17) 圖次. 圖 5. 43 案例三 475 年地震力回歸期耐震能力計算 .........................134 圖 5. 44 案例三 2500 年地震力回歸期耐震能力計算 .......................134 圖 5. 45 案例三建築物平立面圖 .........................................................135 圖 5. 46 案例三 3D 模型圖...................................................................135 圖 5. 47 案例三雙線性化力對位移關係圖 .........................................136 圖 5. 48 案例三雙線性化譜加速度對譜位移關係圖 .........................136 圖 5. 49 案例三性能檢核圖 .................................................................137 圖 5. 50 案例四平面圖 .........................................................................140 圖 5. 51 案例四立面圖 .........................................................................140 圖 5. 52 案例四初評基本資料表 .........................................................142 圖 5. 53 案例四初步評估表 .................................................................142 圖 5. 54 案例四額外增減分與評估總分 .............................................143 圖 5. 55 案例四評估結果 .....................................................................143 圖 5. 56 案例四建築物重量與材料參數表 .........................................144 圖 5. 57 案例四柱極限剪力計算 .........................................................144 圖 5. 58 案例四斜撐、BRB 極限剪力計算 ........................................144 xv.

(18) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 圖 5. 59 案例四 475 年地震力回歸期耐震能力計算 .........................145 圖 5. 60 案例四 2500 年地震力回歸期耐震能力計算 .......................145 圖 5. 61 案例四 3D 模型圖...................................................................146 圖 5. 62 案例四階段 1 雙線性化力對位移關係圖 .............................147 圖 5. 63 案例四階段 1 雙線性化譜加速度對譜位移關係圖 .............147 圖 5. 64 案例四階段 1 性能檢核圖 .....................................................148 圖 5. 65 案例四階段 2 雙線性化力對位移關係圖 .............................148 圖 5. 66 案例四階段 2 雙線性化譜加速度對譜位移關係圖 .............149 圖 5. 67 案例四階段 2 性能檢核圖 .....................................................149. xvi.

(19) 圖次. xvii.

(20) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 摘要關鍵字：耐震能力初步評估、鋼結構、鋼骨鋼筋混凝土. 一、研究緣起內政部建築研究所 105 年度開發「鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估之應用平台(Preliminary Seismic Evaluation of RC Building, PSERCB) 」，研擬鋼筋混凝土建築物耐震能力定性與定量之評估方式，達到快速評估與不失準確之目標，並採用雲端運算平台，所有評估者之紀錄均可上傳到平台，使得各級政府可有效掌握其轄區內建築物耐震能力之良劣與分佈，有利政府進行大數據統計分析以做為防災策略擬定之依據使用，此外，PSERCB 依照耐震初評所需之程序，規劃循序漸進之操作方式，使得使用者可以瞭解評估流程並降低錯誤發生率。PSERCB 已於 2016 年 9 月 19 日經內政部營建署正式採為爾後國內鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估之作業平台。隨著我國鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物數量日益增加，此類建築物之耐震能力初步評估方法的建立也愈來愈重要。目前 PSERCB 僅能提供鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估之用，自政府宣示「安家固園計畫」以來，結構技師、土木技師及建築師等從業人員，屢屢建議盡速制訂鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估系統，以因應業界對於此類建築物耐震能力初步評估的需求。. 二、研究方法及過程 1.. 根據 2014 年及 2016 年內政部建築研究所協同研究報告所研擬鋼筋混凝土建築物初步耐震能力評估方法及蒐集國內外鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估文獻，參考由專家羅列影響鋼結構及鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震重要因子訂定初步評估表格。. 2.. 研擬鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物定量評估計算內容，包含：柱、斜撐及 xviii.

(21) 摘要. RC 牆極限剪力強度計算、民國 100 年建築物耐震設計規範之設計地震力計算與建築物耐震能力計算等。 3.. 透過案例分析，比較耐震能力初步評估方法與詳細評估分析結果。. 三、重要發現本研究蒐集國內外文獻，經整理可將初步評估表分為定性與定量兩大部分。宋裕祺教授與蔡益超教授針對影響鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物主要因子，進而研擬適用於此類建築物的初步評估表。本研究透過三棟鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物比較其耐震能力初步評估與詳細評估結果，驗證初步評估方法之正確性。研究成果顯示此方法可幫助使用者於短時間內完成建築物耐震能力初步評估作業。. 四、主要建議事項建議一立即可行建議：開發鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土耐震能力初步評估平台主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：內政部營建署有關鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估中之「定量評估」，須進行迭代分析與計算，並藉由分析結果與現行耐震設計規範需求推估建築物耐震能力。若只採用表格以人工方式計算，可能容易因人為疏失，導致評估錯誤。為使實際執行初步分析過程快速省時及便於操作，建議參考本所 PSERCB 之方式，於雲端網頁平台上架設分析程式，期能提升建築物之耐震能力初步評估作業之效率與準確性。建議二中長期建議：舉辦鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土耐震能力初步評估相關之研討會，推廣本研究之評估方法 xix.

(22) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：內政部營建署目前本研究建立之鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估方法，主要目的為了能於實際執行初步分析過程快速省時及便於操作，於雲端網頁平台上架設分析程式固然重要，也需要將此套分析程式操作方法，積極推廣至業界。因此，可建議參考本所 PSERCB 之方式，透過研討會方式，介紹此套分析程式的操作方法與流程，經過本研究團隊之講解，使用者更能快速熟悉此套程式的相關功能與運作方式，並編輯操作手冊供評估者能更詳細了解本分析程式。建議三中長期建議：分別整合鋼筋混凝土、鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估方法以提供納為相關法規之結構耐震安全評估方法參考主辦機關：內政部營建署協辦機關：內政部建築研究所配合「建築物公共安全檢查簽證及申報辦法」、「住宅性能評估實施辦法」及「都市危險及老舊建築物加速重建條例」等相關法規，彙整、研修本研究之耐震能力初步評估方法，及本所 105 年度鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估表，供營建署修訂上開法規有關結構耐震安全評估方法時使用。統整併發表相關法規後，以涵蓋國內絕大多數建築物構造型態之耐震能力初步評估，對於在執行耐震能力初步評估時有更完整的系統來輔助相關從業人員，且有更完整之法規依據，有效降低從業人員工作量。. xx.

(23) 摘要. xxi.

(24) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. ABSTRACT Keyword：Seismic Evaluation、Steel Structures、Steel Reinforced Concrete The number of existing steel structures and steel reinforced concrete buildings have been increasing after 921 earthquake in Taiwan. Therefore, the assessment method that could find seismic capacity for such buildings has become more and more important. However, the existing preliminary seismic evaluation system PSERCB and seismic evaluation system SERCB can only provide reinforced concrete buildings for seismic capacity assessment. This research is based on the preliminary seismic evaluation method of the reinforced concrete buildings, find the factors that will affect the seismic capacity of steel structures and steel reinforced concrete structures. This research integrate the impact factors into the qualitative and quantitative evaluation method.. xxii.

(25) ABSTRACT. xxiii.

(26)

(27) 第一章緒論. 第一章緒論第一節. 研究緣起與背景. 內政部建築研究所 105 年度開發「鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估之應用平台(Preliminary Seismic Evaluation of RC Building, PSERCB) 」，研擬鋼筋混凝土建築物耐震能力定性與定量之評估方式，達到快速評估與不失準確之目標，並採用雲端運算平台，所有評估者之紀錄均可上傳到平台，使得各級政府可有效掌握其轄區內建築物耐震能力之良劣與分佈，有利政府進行大數據統計分析以做為防災策略擬定之依據使用，此外，PSERCB 依照耐震初評所需之程序，規劃循序漸進之操作方式，使得使用者可以瞭解評估流程並降低錯誤發生率。PSERCB 已於 2016 年 9 月 19 日經內政部營建署正式採為爾後國內鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估之作業平台。爰此，本研究計畫將比照 PSERCB 之執行過程，研擬「鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估表」及相關理論推導與應用，並舉辦講習會與專家諮詢會議，確認研擬架構確屬可行。評估內容將包含定性及定量兩部分，定性評估項次將會依據國內外文獻，將影響鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力之重要因子納入評分項目；定量評估以主要抵抗地震力之構件計算強度，分別以建築物耐震設計規範及解說之 475 年與 2500 年地震回歸期評估耐震能力。臺灣位於環太平洋地震帶上，地震頻繁。根據統計，自 20 世紀初至今，有近百個地震在臺灣地區造成人命傷亡及財產損失。尤以民國 88 年 9 月 21 日在集集所發生規模 7.3 的大地震，造成嚴重災情，建築物嚴重受損或倒塌者近 2 萬棟，死亡人數超過 2 千人及數千人受傷為頗具代表性之致災地震。建築物耐震設計規範經多次修訂後，為數龐大的老舊建築物或因當初耐震標準不若現行規範規定者高、或因材料老劣化、或因施工不盡完善等因素，其耐震 1.

(28) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 能力可能無法符合現行規範標準。若逐一進行詳細耐震能力評估，將需要相當的經費與時間。故 103 年內政部建築研究所協同研究案特別研擬一套鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估方法，使工程師可利用此方法快速篩選出建築物耐震能力嚴重不足之建築物，作為優先進行詳細評估與補強之依據，有效提升建築物之耐震能力，達到降低震駭的目的。隨著我國鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物數量日益增加，此類建築物之耐震能力初步評估方法的建立也愈來愈重要。目前 PSERCB 僅能提供鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估之用，自政府宣示「安家固園計畫」以來，結構技師、土木技師及建築師等從業人員，屢屢建議盡速制訂鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估系統，以因應業界對於此類建築物耐震能力初步評估的需求。. 2.

(29) 第一章緒論. 第二節. 研究方法與進度說明. 一、研究方法本研究案之研究工作包含根據 2014 年及 2016 年內政部建築研究所協同研究報告所研擬鋼筋混凝土建築物初步耐震能力評估方法及蒐集國內外鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估文獻，針對鋼結構及鋼骨鋼筋混凝土建築物擬定初步評估表格，如圖 1. 1 所示。透過由結構技師、土木技師、建築師公會所舉辦多場研討會，與眾多先進討論平台理論與實務問題，讓本研究所使用的耐震能力初步評估方法考慮得更周全。. 3.

(30) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 研究目的與背景. 蒐集國內外相關文獻. 研擬適合國內之耐震能力初步評估方法. 研擬現地調查表格. 案例分析. 講習會. 提出建議與結論圖 1. 1 研究步驟【資料來源：本研究製作】. 4.

(31) 第一章緒論. 二、進度說明本研究進度如表 1. 1 所示，1~5 月份之相關工作已完成。表 1. 1 工作進度表月. 工作項目. 第 1 個月. 第 2 個月. 第 3 個月. 第 4 個月. 第 5 個月. 第 6 個月. 第 7 個月. 第 8 個月. 第 9 個月. 第 10 個月. 第 11 個月. 備註. 相關文獻蒐集研擬適合國內之初步評估方法擬定現場勘查表格案例分析舉辦講習會期中報告期末報告成果報告預定進度 8 ﹪ 21﹪ 29﹪ 42﹪ 50﹪ 58﹪ 71﹪ 79﹪ 88﹪ 96﹪ 100﹪ ( 累積數 ) 說明：１工作項目請視計畫性質及需要自行訂定，預定研究進度以粗線表示其起訖日期。２預定研究進度百分比一欄，係為配合追蹤考核作業所設計。請以每一小格粗組線為一分，統計求得本案之總分，再將各月份工作項目之累積得分(與之前各月加總)除以總分，即為各月份之預定進度。３科技計畫請註明查核點，作為每一季所預定完成工作項目之查核依據。【資料來源：本研究製作】 5.

(32) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 第三節. 研究目的. 本研究將彙整影響鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力之重要因子，研擬鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土結構物之定性與定量方法，針對各影響因子的配分與權重等之計算方式進行分析，建立此類建築物之耐震能力初步評估程序，並分別以數棟既有鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物為案例進行分析試算，以確認其可行性。. 6.

(33) 第二章文獻回顧. 第二章文獻回顧第一節. 前言. 本文係以鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土耐震能力初步評估研究，因此本章節首先回顧國內外有關於鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土相關規範，再者回顧國內外建築物耐震能力初步評估作為後續研究鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估方法研擬的重點。. 7.

(34) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 第二節. 鋼結構相關規範回顧. 一、我國有關鋼結構之規範 1.鋼結構極限設計法根據我國鋼結構極限設計法規範及解說(Load and Resistance Factor Design，簡稱 LRFD)，有關構材斷面分類、受拉斜撐、受壓斜撐、銲接箱型受壓構材與承受彎矩及軸力作用之構材相關計算如下： (1)構材斷面分類構材斷面可分成塑性設計斷面、結實斷面、半結實斷面和細長肢材斷面。塑性設計斷面者，翼板必須與腹板連續連接，其受壓肢之寬厚比不得超過表 2. 1 之寬厚比 λpd ；結實斷面者，其翼板亦須和腹板連續連接，其受壓肢之寬厚比超過. λpd ，但未超過表 2. 1 之 λ p 者。半結實斷面係指任一受壓肢之寬厚比超過 λ p ，但未超過表 2. 1 之 λr 者。細長肢材斷面係指若斷面受壓肢之寬厚比超過 λr 者。凡肢材僅單邊支持，且其自由邊與壓應力作用方向平行者，稱為無加勁肢，其寬度決定如下： a.. Ｗ、Ｈ、Ｉ或Ｔ型鋼構材之翼板，寬度 b 取標稱全寬度之一半。. b.. 角鋼肢及槽鋼和Ｚ型鋼之翼板，寬度 b 取標稱全寬度。. c.. 鋼板寬度 b 取自由邊到第一道螺栓線或銲道之距離。. d.. Ｔ型鋼之腹板深度 d 取標稱全深度。. 凡肢材在平行壓應力作用方向之兩側邊均被支持者稱為加勁肢，其寬度之決定如下： a.. 熱軋型鋼或銲接組合斷面之腹板深度 h 為兩翼板間之淨深度。. b.. 組合斷面之翼板或隔板，寬度 b 取兩相鄰螺栓線之距離或銲道之距 8.

(35) 第二章文獻回顧. 離。 c.. 熱軋或冷彎矩形結構鋼管之翼板，寬度 b 取兩腹板間淨距減去每一邊內側之角隅半徑，假如角隅半徑不知時，寬度可取斷面全寬度減去 3 倍板厚度。. d.. 圓形結構鋼管，直徑 D 取鋼管之外徑標稱直徑。. e.. 銲接箱型斷面寬度 b 取全寬減去兩邊板厚。表 2. 1 受壓肢之寬厚比限制(Fy：tf/cm2) 寬厚比. 寬厚構材比受撓曲之熱軋 I 型梁和槽形鋼之翼板受撓曲之 I 型混合梁和銲接梁之翼板受純壓力 I 型斷面之翼板，受壓桿件之突肢，雙角鋼之突肢，受純壓力槽形鋼之翼板受純壓力組合斷面之翼板. λpd. λp. λr 37/. b/t. 14/ Fy. 17/ Fy. Fy  Fr. 28/ b/t. 14/ Fy. 17/ Fy. b/t. 14/ Fy. 16 Fy. Fy  Fr. 25/ Fy. 20/ b/t. 14/ Fy. 16 Fy. 9. Fy  Fr.

(36) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 單角鋼支撐或有隔墊之雙角鋼支撐之突肢；未加勁構件(即僅沿單邊有. b/t. 14/ Fy. 16 Fy. 20/ Fy. d/t. 14/ Fy. 16/ Fy. 34/ Fy. b/t. 30/ Fy. 50/ Fy. 63/ Fy. b/t. 45/ Fy. 50/ Fy. 63/ Fy. b/t. 不適用. 50/ Fy. 63/ Fy. h/tw. 138/ Fy. 170/ Fy. 260/ Fy. 支撐) T 型鋼之腹板矩形或方形中空斷面等厚度之翼板受撓曲或壓力，翼板之蓋板及兩邊有連續螺栓或銲接之膈板全滲透銲組合箱型柱等厚度之翼板受撓曲或壓力半滲透銲組合箱型柱等厚度之翼板受撓曲或純壓力受撓曲壓應力之腹. 10.

(37) 第二章文獻回顧. 板當 Pu / φb Py  0.125. 受撓曲及壓力之腹板. 138 Fy. h/tw. 圓形中空斷面受軸壓力. 1  1.54 φPuP  b y  . 170 Fy. 當 Pu / φb Py  0.125 51 Fy. 其他兩端有支撐且受均勻應力之肢材. 當 Pu / φb Py  0.125.  2.33  φPuP   b y  . 1  2.75 φPuP  b y   260/ Fy. 當 Pu / φb Py  0.125 68 Fy. 51 Fy.  2.33  φPuP   b y  . 68 Fy. b/t 不適用. 不適用. 68/ Fy. D/t. 90/ Fy. 145/ Fy. 232/ Fy. D/t. 90/ Fy. 145/ Fy. 630/ Fy. h/tw. 圓形中空斷面受撓曲. 【資料來源：參考書目】. (2)受拉斜撐軸力. Tn  Ag Fy. (2. 1). Ag 為構材斷面積(cm2)； Fy 為構材降伏應力(tf/cm2) (3)受壓斜撐軸力. Pn  Ag Fcr. (2. 2). Fcr 彈性挫屈應力(tf/cm2)可依下列式計算：當細長比 c  1.5. 11.

(38) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. Fcr  [e( 0.419c ) ]Fy. (2. 3).  0.877  Fcr   2  Fy  c . (2. 4). 2. 當細長比 c  1.5. 其中. c . KL Fy r E. (2. 5). K 為有效長度係數；L 為構材無側撐長度(cm)；r 為對斷面挫屈軸之迴轉半徑(cm)。 (4)銲接箱型構件受壓軸力. Pn  Ag Fcr. (2. 6). Fcr 彈性挫屈應力(tf/cm2)可依下列式計算：. 當細長比 c  1.5. Fcr  0.211c3  0.57c2  0.06c  1.0 Fy. (2. 7). 當細長比 c  1.5  0.764  Fcr   2  Fy  c . (2. 8). (5)柱構件同時承受彎矩與軸力互制關係當 Pu / Pn  0.2 時 Pu 8 M ux M uy  (  )  1.0 Pn 9 M nx M ny. 當 Pu / Pn  0.2 時 12. (2. 9).

(39) 第二章文獻回顧. M uy Pu M  ( ux  )  1.0 2 Pn M nx M ny. (2. 10). 二、國外有關鋼結構之規範美國鋼結構學會[2]針對鋼構件有關構材斷面分類、受拉斜撐、受壓斜撐、銲接箱型受壓構材與承受彎矩及軸力作用之構材相關計算如下： (1)拉力構件 (1). 拉力強度拉力強度設計 t Pn ，應根據全斷面拉力降伏和淨斷面拉力斷裂來獲得最小的值。 (a) 全斷面拉力降伏 Pn  Fy Ae. (2. 1). 其中， Ae 為桿件全斷面面積( in 2 )， Fy 為鋼材降伏強度( MPa )。 (2)壓力構件 (1). 一般規定設計抗壓強度 c Pn 規定如下：標稱抗壓強度 Pn 應根據彎矩挫屈、扭轉挫屈、彎矩扭轉挫屈三種的極限狀態來取最小值。 (a) 彎矩挫屈的極限狀態適用於單對稱構件與雙對稱構件。 (b) 扭轉挫屈、彎矩扭轉挫屈的極限狀態適用於單對稱構件或不對稱構件，以及某些雙對稱構件，例如:十字形、複合柱。 (2). 細長比限制及有效長度有效長度因子 K 用於計算細長比 KL / r 。其中 L =構件橫向無支撐的長度( in )，r =旋轉半徑( in )， K  有效長度因子。 13.

(40) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. (3). 細長構件彎矩挫曲抗壓強度根據彎矩挫曲極限強度計算抗壓強度 Pn ，其公式如下： Pn  Fcr Ag. 當. KL E  4.71 (or Fy  0.44 Fy ) r Fy Fy   Fcr  0.658 Fe  . 當. (2. 2).  F  y . (2. 3). KL E  4.71 (or Fy  0.44 Fy ) r Fy Fcr  0.877 Fe. (2. 4). 其中. Fe .  2E  KL     r . 2. (2. 5). (3)彎矩與軸力構件當 Pu / Pn  0.2 時 Pu 8 M ux M uy  (  )  1.0 Pn 9 M nx M ny. (2. 6). M uy Pu M  ( ux  )  1.0 2 Pn M nx M ny. (2. 7). 當 Pu / Pn  0.2 時. 其中， Pr = Pu 軸向拉力需求( kips )， Pc =斷面能提供的拉力強度( kips )， M rx = M ux =沿 X 軸的彎矩需求( kip  in )，M ry = M uy =沿 Y 軸的彎矩需求( kip  in )，M cx =斷面能提供 X 軸的彎矩強度( kip  in )， M cy =斷面能提供 Y 軸的彎矩強度 ( kip  in )。 14.

(41) 第二章文獻回顧. 第三節. 合成構材相關規範回顧. 一、我國有關合成構材之規範目前我國對於鋼骨鋼筋混凝土與鋼管混凝土之基本斷面與軸力彎矩強度計算方式有三種，分別為鋼結構極限設計法規範與解說(Load and Resistance Factor Design，簡稱 LRFD)、鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說與混凝土結構設計規範。本文就 LRFD 及鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說來進行探討，其中提及鋼骨鋼筋混凝土(SRC)與鋼管混凝土(CFT)之基本斷面與軸力彎矩強度計算方式，為探討之重點。. 1.鋼結構極限設計法根據我國鋼結構設計規範極限強度設計法(LRFD)內合成構件之規定是以 SRC 之型鋼斷面代表整個 SRC 之斷面，而混凝土則是以提高 SRC 斷面中之型鋼之降伏強度與彈性模數；CFT 柱之鋼管面積代表整個 CFT 之斷面，而混凝土則是以提高 CFT 斷面中之鋼管之降伏強度與彈性模數，SRC 及 CFT 柱斷面軸壓之極限強度以純鋼骨柱設計公式計算；而彎矩強度則不考慮混凝土的貢獻，其規定如下： (1) 鋼骨之斷面積不得少於合成斷面總斷面積之 4﹪。 (2) 包覆鋼骨之混凝土，須配置可承受軸向載重之連續縱向鋼筋及橫向鋼筋。橫向及縱向鋼筋至少須有 4cm 厚之混凝土保護層。 (3) 混凝土包覆柱縱向鋼筋之最小鋼筋比  sr 為 0.004，  sr 定義如下：.  sr . Asr Ag. (2. 11). 其中： Asr =縱向鋼筋之斷面積，cm2 15.

(42) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. Ag =合成斷面之斷面積，cm2 (4) 混凝土橫向鋼筋之鋼筋量沿著鋼筋間距方向每公分至少配置 0.018 cm2，橫向鋼筋之間距不得超過合成斷面短邊尺寸之 2/3。 (5) 常重混凝土之標稱抗壓強度 f c' 不得小於 0.21tf/cm2 ，且不得超過 0.56tf/cm2，輕質混凝土則不得小於 0.28 tf/cm2。 (6) 合成柱所使用之及鋼筋之標稱降伏強度不得超過 4.2 tf/cm2。 (7) 鋼管混凝土構材中，矩形鋼管之管壁厚度不得小於 b Fy / 3E ，其中 b 為矩形斷面之邊寬，圓型鋼管之管壁厚度不得小於小於 D Fy / 8E ，其中 D 為圓形鋼管之外徑。. 我國之規範計算合成構材之強度包括軸力與彎矩強度，軸力強度分別由混凝土及鋼管共同提供，設計軸壓強度為 c Pn ，其中 c =0.85，標稱軸向強度計算柱長細比係數 c 時考慮混凝土強度，在鋼管降伏強度 Fy 與彈性模數 E 中都加入了混凝土之部分強度，規定如下所示。 (1) 以 As 取代 Ag ， As 為型鋼或鋼管之全斷面積。 (2) 以 rm 取代 r ， rm 為型鋼或鋼管之迴轉半徑，對型鋼而言，此值不應小於沿挫屈平面上合成斷面全厚度之百分之 30。 (3) 修正降伏應力 Fmy ，考慮混凝土提供之強度：. Fmy  Fy  c1Fyr ( Ar / As )  c2 fc' ( Ac / As ). (2. 12). (4) 修正彈性模數 Em ，考慮混凝土提供之強度： Em  E  c3 Ec ( Ac / As ) As. 、 Ac 、 Ar ：為鋼管、混凝土與縱向鋼筋之全斷面積。. E 、 Ec ：鋼材與混凝土之彈性模數。 16. (2. 13).

(43) 第二章文獻回顧. Fy. ：鋼管或型鋼之降伏應力。. Fyr ：縱向鋼筋之降伏應力，若無則為 0。. f c' ：混凝土抗壓強度。 C1 =1.0、 C2 =0.85、 C3 =0.4 圓形或矩形鋼管混凝土斷面適用。. 撓曲強度不考慮混凝土之貢獻，將 SRC 視為型鋼、CFT 視為鋼管來計算，撓曲強度為 M n ，撓曲強度應依下述之規定計算。. M n  M p  Fy Z. (2. 14). 其中 Z 為鋼管或型鋼的塑性斷面模數(Plastic section modulus)。. 2.強度疊加法根據我國鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說中合成構材之說明，採用「強度疊加」(Strength Superposition) 與「相對剛度」（Relative Rigidity）的概念來進行軸力與彎矩的計算。該法依據鋼骨及 RC 相對剛度之大小，可以適當的考慮鋼骨及 RC 分擔外力之比例。在進行 SRC 構材之設計時，設計者可以先決定鋼骨之尺寸，由鋼骨先行分擔一部分外力，剩餘之外力再由 RC 部分來承擔。 (1)受軸壓力作用之構材鋼骨鋼筋混凝土之受壓強度 Pn 計算如下： Pn  Pns  Pncr. (2. 15). 其中： Pns =鋼骨部分之受壓強度， Pncr =鋼筋混凝土部分之受壓強度。鋼骨部分之受壓強度 Pns 計算如下：當  c  1.5 時： Pns  exp  0.419c2  Fys As 17. (2. 16).

(44) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 當  c  1.5 時： Pns   0.877 / c2  Fys As. (2. 17). 其中：. Fys =鋼骨之規定降伏應力，kgf/cm2 2 As =鋼骨之斷面積，cm 。. c . Fys. KL  reff. Es. 。. KL =鋼骨鋼筋混凝土構材之有效長度，cm。 2 Es =鋼骨之彈性模數，kgf/cm 。. reff. =鋼骨鋼筋混凝土構材中鋼骨斷面之有效迴轉半徑。. reff  rs  . Ig Ag. 。. rs =鋼骨斷面之迴轉半徑，cm。 I s = 鋼骨鋼筋混凝土構材全斷面之慣性矩，cm4。. Ag = 鋼骨鋼筋混凝土構材全斷面之面積，cm2。  = 鋼骨斷面有效迴轉半徑修正因子，其值如下：. a.. 包覆型鋼骨鋼筋混凝土柱內含 I 型鋼骨斷面： (i) 對強軸彎曲：  = 0.2。 (ii) 對弱軸彎曲﹕  = 0.4。. b.. 包覆型鋼骨鋼筋混凝土柱內含十字或 T 型鋼骨斷面：  = 0.3。. c.. 填充型鋼管混凝土柱：  = 0.1。. d.. 包覆填充型鋼管混凝土柱：  = 0.2。. 鋼筋混凝土部分之受壓強度 Pnrc 計算如下：. 18.

(45) 第二章文獻回顧. Pnrc  0.85 fc' Ac  Ar Fyr Pnrc .  2  EI rc.  KL . 2. (2. 18). (2. 19). 其中：. f c' =混凝土之規定抗壓強度，kgf/cm2。 2 Ac = 混凝土部分之斷面積，cm 。. F yr = 鋼筋之規定降伏應力，kgf/cm2。 2 A r = 鋼筋之斷面積，cm 。. KL = 鋼骨鋼筋混凝土構材之有效長度，cm。 ( EI ) rc =鋼筋混凝土部分之撓曲剛度， ( EI )rc  Ec I g / 5 ， Ec 為混凝土彈性. 模數， I g 為全斷面對形心軸之慣性矩。上述公式分別表示 RC 短柱與長柱之標稱受壓強度，後者為 Euler 柱挫屈強度。考慮在較大的應變下，混凝土與鋼骨可能剝離，此時鋼筋對構材勁度之貢獻將明顯降低，甚至鋼筋可能發生局部挫屈現象。 (2)軸力與彎矩之分配鋼骨鋼筋混凝土構材中之鋼骨部分與鋼筋混凝土部分，應共同分擔由組合載重所引致之需要軸力 Pu 與需要彎矩 M u ，即 Pu  Pus  Purc. (2. 20). M u  M us  M urc. (2. 21). 其中: Pu =由組合載重引致作用於鋼骨鋼筋混凝土構材之需要受壓強度。 M u =由組合載重引致作用於鋼骨鋼筋混凝土構材之需要彎矩強度。 19.

(46) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. Pus =鋼骨部分之需要受壓強度，可依鋼骨與鋼筋混凝土之相對剛度以下式決. 定之。   Es As Pus  Pu     Es As  0.55Ec Ac . (2. 22). M us =鋼骨部分之需要彎矩強度，可依鋼骨與鋼筋混凝土之相對剛度以下式. 決定之。   Es I s M us  M u     Es I s  0.35Ec I g . (2. 23). Purc =鋼筋混凝土部分之需要受壓強度，可依鋼骨與鋼筋混凝土之相對剛度. 以下式決定之。.  0.55Ec Ac  Purc  Pu     Es As  0.55Ec Ac . (2. 24). M urc =鋼筋混凝土部分之需要彎矩強度，可依鋼骨與鋼筋混凝土之相對剛度. 以下式決定之。   0.35Ec I g M urc  M u     Es I s  0.35Ec I g . (2. 25). 其中: Es ， Ec =分別為鋼骨與混凝土之彈性模數。 As ， Ac =分別為鋼骨部分與混凝土部分之斷面積。 I s ， I g =分別為鋼骨部分之慣性矩與鋼骨鋼筋混凝土全斷面積之慣性矩。. 二、美國 AISC 有關合成構材之規範 AISC-LRFD 規範採用極限強度設計法，其基本作法是以合成斷面之型鋼或鋼管代表整個合成斷面；而合成斷面之中的混凝土則用以提高鋼管之降伏強度與彈性模數，以純鋼骨柱設計公式計算合成柱之軸壓極限強度；受純彎矩構件則不 20.

(47) 第二章文獻回顧. 計入混凝土的貢獻。細長柱強度折減、二次效應折減、彎矩與軸力聯合作用等計算，與一般純鋼骨柱計算公式相同。一般規定如下： 1.. 鋼材斷面積：須佔合成構材總面積的 4%以上。. 2.. 混凝土抗壓強度：設計時使用的常重混凝土須滿足 21 MPA  f c'  55 MPA，輕質混凝土強度則須滿足 f c'  28 MPA。. 3.. 鋼材設計降伏強度 Fy ：不得大於 415 MPA. 4.. 鋼管混凝土之最小鋼管厚度 t：矩形斷面為於 b f y / 3E ，其中 b 為矩形斷面之邊寬，圓型鋼管之管壁厚度不得小於 D f y / 8E ，其中 D 為圓形鋼管之外徑。. 5.. 合成柱之剪力強度不考慮混凝土之貢獻，單獨由型鋼或鋼管承受剪力。. 6.. 於鋼與混凝土介面須設置剪力釘，以傳遞介面剪力。. 軸壓強度為 Pn  As Fcr ，標稱軸壓強度計算柱細長比係數 c 時，考慮混凝土強度，在型鋼或鋼管的降伏強度與彈性模數中都加入了混凝土部分的強度，規定如下所示。 ' 修正降伏應力， Fmy  Fy  0.85fc ( Ac / As ). 修正彈性模數， Em  E  0.4Ec ( Ac / As ) 其中 Ac. ：混凝土斷面積。. E 、 Ec ：鋼材與混凝土之彈性模數。 Fy. ：鋼管或型鋼之降伏應力。. f c'. ：混凝土抗壓強度。 21.

(48) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 第四節. 建築物耐震能力初步評估方法. 一、日本建築防災協會制定之耐震診斷基準由日本建築防災協會所制定的耐震診斷基準，診斷對象是一般 5~6 層以下鋼筋混凝土建築物，此法由簡便的一次診斷到詳細的三次診斷共三種方法所構成，在此只介紹一次診斷部分。其方法為將既有建物之耐震指標 I s ，以三個指標相乘積而得. I s  E0  SD  T. (2. 26). I s : 結構耐震指標 E0 : 保有性能基本指標 T. : 經年係數其中 E0 為根據柱、牆壁的斷面積與樓地板面積概算求得水平強度， E0 的計. 算為式(2. 27)及式(2. 28)取大值。 S D 指標為針對平面整體性、邊長比、伸縮縫的間距、挑高之有無、地下室之有無、層高的均勻性、軟弱層之有無、其他等項目進行檢核計算。 T 指標為依建築物的裂縫、變形及使用年數等項目，依其所定之折減係數，取其最小者為經年係數。. n 1 (Cw  1Cc ) Fw ni. (2. 27). n 1 (Csc   2Cw  3Cc ) Fsc ni. (2. 28). E0  E0 . n ：建築物樓層數， i ：評估的樓層. Cw ：牆的強度指標 22.

(49) 第二章文獻回顧. Cc ：柱的強度指標 Csc ：極短柱的強度指標 Fw ：牆的韌性指標. 1 ：(牆達極限強度時之柱強度和)/(柱的極限強度和)，取 0.7  2 ：(極短柱達極限強度時之牆強度和)/(牆的極限強度和)，取 0.7  3 : (極短柱達極限強度時之柱強度和)/(柱的極限強度和)，取 0.5. 二、建研所(宋裕祺協同研究團隊)研擬耐震能力初步評估表此表格為內政部建築研究所於 2014 年與 2016 年委託宋裕祺教授與蔡益超教授研擬，同時就定性與定量進行耐震初評，將評估結果之耐震能力安全程度以分數表示，讓使用者能夠優先篩選出耐震能力較差的建築物。表格中共有 15 個定性項目，分為結構系統、結構細部、結構現況三大部分；其中與結構系統有關者 7 項、結構細部 3 項、結構現況 3 項，定量評估 2 項。各項目依其重要性給予不同配分，配分總和為 100 分；最後由專業技師、建築師根據現場狀況給予額外增、減分。. 表 2. 2 鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估表. 23.

(50) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 項次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13. 項目配分評估內容靜不定程度 5 □單跨(1.0) □雙跨(0.67) □三跨(0.33) □四跨以上(0) 地下室面積比，ra 2 0 (1.5－ra) / 1.5 1.0；ra : 地下室面積與建築面積之比 ra= 結平面對稱性 3 □不良(1.0) □尚可(0.5) □良(0) 構立面對稱性 3 □不良(1.0) □尚可(0.5) □良(0) 系 3 當b < 3，w = 1.0 ；當3 b < 8，w = (8－b) / 5 ；當b 8，w = 0 b = 統梁之跨深比b 柱之高深比c 3 當c < 2，w = 1.0 ；當2 c < 6，w = (6－c) / 4 ；當c 6，w = 0 c = 軟弱層顯著性 3 □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0) 塑鉸區箍筋細部(由 □63年2月以前(1.0) □63年2月至71年6月(0.67) □71年6月至86年5月(0.33) □86年5月以後 5 結設計年度評估) (0) 構窗台、氣窗造成短柱 3 □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0) 細嚴重性部牆體造成短梁嚴重性 3 □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0) 2 □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0) 結柱之損害程度構牆之損害程度 2 □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0) 現況裂縫鏽蝕滲水等程度 3 □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0) A. 4. A. A. . 權重評分. A. c1 當 c1  0.25， w  1 ；當0.25   1，w  1  c1  ；當 c1  1， w  0 475年耐震能力初步 IA475 IA475 3 IA475  IA475 30 定評估 (詳參、定量評估表) Ac1=min[Ac1,x，Ac1,y] 量 A Ac 2 Ac 2  Ac 2 4 分  ；當當 c 2  0.25， w  1 ；當0.25   1，w  1   1， w  0 2500年耐震能力初步 IA2500 IA2500 3 IA2500  IA2500 15 析 30 評估 (詳參、定量評估表) Ac2=min[Ac2,x，Ac2,y] 分數總計 100. 14. 評分總計(P)：. 【資料來源：參考書目】分數若大於 60 分，則表示該建築物的耐震能力確有疑慮；若介於 45 分至 60 分，表示建築物的耐震能力有疑慮；若介於 30 分至 45 分，表示建築物的耐震能力稍有疑慮；若小於 30 分，表示建築物的耐震能力尚無疑慮。. 三、一樓層剪力之簡易耐震評估法一般建築物之耐震能力可以一樓柱與牆能否抵抗地震時產生之水平力判別。因此，根據一樓之極限層剪力可概略估計該建築物之耐震能力，惟極限剪力之計算相當複雜，國家地震工程研究中心經過合理之簡化，將其計算簡單與合理化。簡易耐震評估法係推求建築物一樓之極限強度以及對應之韌性容量，此方法主以初步評估現有學校建築之耐震能力，將耐震能力不足之校舍進行初步篩選，作為詳細評估之首要建築物。計算方法說明如下:. 1.柱之剪力計算由於柱之破壞可能為剪切破壞，也可能為撓曲破壞，所以須先比較單根柱之降伏剪力及柱兩端產生之塑鉸時對應之剪力，來求得柱降伏時所能提供之層剪力 ( Vcol )為多少，其計算式可表示為: 24.

(51) 第二章文獻回顧. Vcol  min(2M y / Ln ，Vy ). (2. 29). 其中 Vy  Vc  Vs 為柱之剪力強度， Vc 為混凝土所提供之剪力強度， Vs 為鋼筋所提供之剪力強度。 M y 為柱之降伏彎矩，可依下式估算:. M y  0.8 As f y d  0.5Pd (1  P / ( f 'c Ag )). (2. 30). Ln 為柱之淨高， P 為靜載重加考慮活載重所造成柱之軸力。求得單根柱之強度後，仍需知道其韌性為何才可進行其耐震能力之評估，於此韌性之計算方法為，若為剪力降伏則取其韌性 R col =1.0，若為彎矩降伏則依其塑鉸區之箍筋量來決定其韌性，其計算公式為。. R col  1.0  2.0 < 3.0. (2. 31).   (Ash )provide /(Ash )code. (2. 32). 對矩形柱而言， (Ash )code 為規範規定之箍筋總斷面積，. (Ash )code =Max[Ash1，Ash2 ] ，而 Ash1 、 Ash2 分別如下:  Ag  f 'c Ash1  0.3ahc   1  Ac  f yh. Ash2  0.09ahc. f 'c f yh. (2. 33). (2. 34). 由於一根柱全長的箍筋並不一定完全相同，所以計算 Vy 及 R col 中所用之 Ash 可能有不同。以上之計算為假設柱頂及柱底皆產生塑鉸之情況計算單根柱所提供之層剪力，此計算方法並不考量與柱連接梁是否會先產生降伏之情況，所以可能高估單根柱所提供之層剪力，但本方法為進行建築物初步評估之工作，目的在將耐震能力嚴重不足建築物挑選出來，因此只考慮柱降伏之狀態應屬合理。 25.

(52) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 2.單一磚牆破壞所提供之層剪力由於學校建築中常充填磚牆作為教室間隔之用途，磚牆本身所能提供之層剪力及相對應之韌性為:. Vbw = Vbw. (2. 35). R bw = 1.0. (2. 36). 式中 Vsw 為磚牆之破壞強度，其計算之方法於此依據許茂雄教授[8]所建議進行計算，另由於磚牆破壞多屬脆性破壞，故取其韌性 R bw 為 1.0。. 3.單一 RC 牆破壞所提供之層剪力由於學校建築中常充填 RC 非結構牆作為教室隔間之用途，磚牆本身所能提供之層剪力及相對應之韌性為. Vsw  0.53 f 'c Acv  n f y Acv. (2. 37). R sw = 1.5. (2. 38). 式中  n 為與剪力方向垂直之平面上剪力鋼筋比， Acv 為平行剪力方向之長度乘以腹版厚所得之混凝土斷面積，若 RC 非結構牆的配筋無法得知，保守既可取 0.002 計算，另由於 RC 非結構牆並未經過設計，且品質不確定性較高，故取其韌性 R sw 為 1.5。. 26.

(53) 第二章文獻回顧. Vcol = min(2My/Ln , Vy ). 側向力 My. My Ln. Vy. My. Vw. Ln. My. 圖 2. 1 簡易評估法示意圖【資料來源：參考書目】. 4.一樓之層剪力一樓之層剪力為將所有牆及柱提供之層剪力求和而得. Vtot  Vcol Vbw Vsw. (2. 39). 上式之計算為假設地震時所有柱及牆皆未能發揮其所有強度，故其一定高估建築物之層剪力，所以建築物若於此計算方式下若還未能達到其耐震需求，則代表此建築物確有耐震上之疑慮。. 5.平均韌性之計算 Rav . Vcol Rcol Vbw Rbw Vsw Rsw Vtot. (2. 40). 此平均韌性之計算方法採用蔡益超教授所提詳細評估法中計算韌性之方法。由於地震時結構之韌性不宜用盡以確保結構之穩定，所以依耐震設計規範將容許韌性取為平均韌性之一半，即. Ra  1.0  ( Rav 1.0) / 2.0. (2. 41). 6.偏心扭矩效應若建築物具有平面之不規則性，擇其一樓之層剪力需用係數 Ft 加以折減， Ft 27.

(54) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 由評估者依據經驗及結構型態自行決定。. Vu  Ft Vtot. Ft <1.0. (2. 42). 依據相關對於校舍建築有關扭矩效應之研究發現，校舍建築之扭矩效應對建築物之耐震能力影響並不顯著，其對應之 Ft 值約在 0.96~0.98 左右。. 7.建築物能承受之地表加速度為 Z. Vu Fu WIC. (2. 43). 上式中 C 即 Fu 計算時採用割線勁度對應之週期值( Ts )。. Ts  Te 2  Ra. (2. 44). Te : 為彈性週期， Te  0.07hn0.75 或 Te  0.05hn0.75 。 Ra : 為容許韌性， Ra  1  ( Rav  1) / 2 。. 28.

(55) 第三章鋼結構建築物耐震能力初步評估方法. 第三章鋼結構建築物耐震能力初步評估方法第一節. 前言. 民國一百零三年十二月與民國一百零五年內政部建築研究所委託蔡益超教授與宋裕祺教授，研擬鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估表，該表包含定性與定量兩部分，使得初步評估表更具客觀之評估；然而隨著我國鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物數量日益增加，此類建築物之耐震能力初步評估方法的建立日益重要，本文針對鋼結構建立耐震能力初步評估之方法，提供耐震能力詳細評估執行之參考依據。. 29.

(56) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 第二節. 鋼結構建築物耐震能力初步評估表擬定. 本文採用 2016 年內政部建築研究所委託宋裕祺教授與蔡益超教授修訂之新版鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估方法，針對研擬鋼結構建築物特性將影響其耐震能力之重要因子納入評分項目訂定定性項目及參考國內外鋼結構規範訂定定量分析方法。本文所研擬之鋼結構建築物耐震能力初步評估表，適用於一般鋼結構建築物，若建築物屬輕量鋼架、力霸鋼架結構，如體育館、廠房等則不適用於本文所研擬之表格。. 一、基本資料表基本資料表內容有：建物名稱、建物編號、評估者、評估日期、建物地址、建構年度、建物高度、用途係數、地盤種類、地上樓層數、地下樓層數、建築物分類等。 ① 用途係數：參照建築物耐震設計規範與解說，建築物重要程度依序分為第一類建築物，I 值為 1.5；第二類建築物，I 值為 1.25；第三類建築物，I 值為 1.0。 ② 地盤種類：除臺北盆地外，依照其地盤堅硬程度(以地表面下 30 公尺之土層剪力波速 Vs 30 決定之)依序分為，第一類地盤， Vs30  270 (m/s)者；第二類地盤， 180 V s30 270 (m/s)者；第三類地盤，Vs30  180 (m/s)者。除此之外，地盤亦可透過中央地調所開發的「geo2010」查詢。建築物分類部分，分為依照樓層、結構型式、使用用途進行分類。其中選擇建築物依照樓層分類，可分為五樓以下或六樓以上；依照結構型式分類，可分為鋼結構建築、鋼骨鋼筋混凝土(SRC)建築、鋼管混凝土(CFT)、具弱層建物或其它，選擇「其它」者須由評估者自行填寫；依照使用用途分類，可分為辦公室、公寓、集合住宅、商場、住商混合、或其它，選擇「其它」者須由評估者自行填寫；本 30.

(57) 第三章鋼結構建築物耐震能力初步評估方法. 評估參考資料，可選擇設計圖說、計算書、現場調查或推估。表 3. 1 鋼結構建築物耐震能力初步評估基本資料表建物名稱. 建物編號. 建物地址. 評估者. 評估日期. e-mail. 設計年度. 建物高度 hn (m). 用途係數I. 地盤種類. 地上樓層數. 地下樓層數. 建築物依構架分類：□無側撐構架建築物依樓層分類： □五樓以下. □有側撐構架 □六樓以上. 建築物依結構形式分類：□鋼結構建築物 □CFT建築物□具弱層建物 □其它: 建築物依使用用途分類：□辦公室 □公寓 □集合住宅 □商場 □住商混合 □其它: 本評估參考資料：□設計圖說. □計算書. □現場調查或推估. 【資料來源：本研究製作】. 二、建築物耐震能力初步評估表建築物耐震能力初步評估表主要分為定性及定量兩大部分，其中定性評估項目分為結構系統、結構細部、結構現況三大部分；定量評估針對 475 年地震回歸期(韌性達容許韌性容量)及 2500 年地震回歸期(韌性達韌性容量)個別對建築物 X、 Y 兩向耐震能力進行檢核。鋼結構建築物耐震能力初步評估表，定性評估根據結構系統、結構細部及結構現況分為三大部分。其中與結構系統有關者計有 7 項，與結構細部有關者計有 3 項，與結構現況有關者計有 4 項，共 14 個項次；定量評估則分為 475 年地震回歸期耐震能力及 2500 年地震回歸期耐震能力，共 2 個項次。各項目依其重要性給予不同的配分，配分之總和為 100 分。各項目根據評估內容，即可決定權重，將權重與配分相乘，可得該項目之評分，16 個項目評分相加總合。. 31.

(58) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 表 3. 2 鋼結構建築物耐震能力初步評估表項次 1 2 3 4 5. 項目. 配分. 評估內容. 靜不定程度. 4. 地下室面積比，ra. 2. 0  ( 1.5  ra ) / 1.5  1.0 ； ra :地下室面積與建築面積之比 ra =0. 3. □不良(1.0) □尚可(0.5) □良(0). 3. □不良(1.0) □尚可(0.5) □良(0). 3. □同心斜撐(1.0) □偏心斜撐(0.5) □BRB(0) □無(0). 結平面對稱性構立面對稱性系統斜撐型式. 6. 梁之跨深比b. 3. 當 b  3，w  1.0 ；當 3  b  8，w  ( 8  b ) / 5 ；當 b  8，w  0 b=10.5. 7. 柱之高深比c. 3. 當 c  2，w  1.0 ；當 2  c  6；w  ( 6  c ) / 4 ；當 c  6，w  0 c=5.14. 結塑鉸區梁之細部構未支撐長度 9 細 10 部受壓肢之寬厚比限制. 4. □未處理(1.0) □加蓋鈑或其他(0.4) □梁經切削(0). 3. □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0). 3. □半結實斷面(1.0) □結實斷面(0.5) □耐震與塑性設計斷面(0). 柱之損害程度. 2. □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0). 2. □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0). 2. □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0). 3. □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0). 8. 11. 結 12 構梁之損害程度 13 現斜撐損害程度況鋼材鏽蝕程度 14 475年耐震能力初步評估 15 定 (達容許韌性容量) 量分 2500年耐震能力初步評估 16 析 (達韌性容量) 分數總計. 權重評分. □單跨(1.0) □雙跨(0.67) □三跨(0.33) □四跨以上(0). 當. 30. Ac1 A A  A 4  0.25， w  1 ；當0.25  c1  1，w  1  c1  ；當 c1  1， w  0 (詳參、定量評估表) IA475 IA475 3 IA475  IA475. Ac1  min[ Ac1, x , Ac1, y ] 當. 30. Ac 2 A A  A 4  0.25， w  1 ；當0.25  c 2  1，w  1  c 2  ；當 c 2  1， w  0 (詳參、定量評估表) IA2500 IA2500 3 IA2500  IA2500. Ac 2  min[ Ac 2, x , Ac 2, y ]. 評分總計(P)：. 100. 【資料來源：本研究製作】. 1.定性評估部分 (1)結構系統 [項次1] 靜不定程度構架跨數越多，靜不定程度就越大，其耐震能力會越好。求取平均跨數(四捨五入)，且要取 X 向與 Y 向平均跨數之小者。. 32.

(59) 第三章鋼結構建築物耐震能力初步評估方法. Y. Y. X. X向平均跨度數量：3 Y向平均跨度數量：2. X向平均跨度數量：2 Y向平均跨度數量：3. X. 靜不定程度為 min(X,Y)=2(雙跨). 靜不定程度為 min(X,Y)=2(雙跨). Y. Y. X. X向平均跨度數量：3 Y向平均跨度數量：2. X. 靜不定程度為 min(X,Y)=2(雙跨). X向平均跨度數量：3 Y向平均跨度數量：1. 靜不定程度為 min(X,Y)=1(單跨). 圖 3. 1 靜不定程度示意圖【資料來源：本研究製作】. [項次2] 地下室面積比，ra 建築物的地下室面積(含超挖面積)如果較大，對於抵抗傾倒彎矩之能力也較高。地下室面積比 ra . A2 ，如圖 3. 2 所示，其中 A2 為地下室 (含超挖面積)面積， A1. A1 為建築投影面積。. 33.

(60) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. 建築投影面積 A1 地下室面積 A2. 圖 3. 2 地下室面積比【資料來源：本研究製作】. 表 3. 3 地下室面積比 ra 權重計算表地下室面積比 ra 權重 0  ra  1.5. ra>1.5 權重 w. 以. 0. ( 1.5 - ra ) 計算 1.5. [項次3] 平面對稱性結構系統平面之對稱性愈佳，則勁度中心與質量中心之間通常不致有太大的偏心距，地震時引致整體結構之偏心扭矩通常較小，反之則亦然。進行評估時可依據建築物耐震設計規範有關平面不規則的種類與定義，給予適當的權重。若方形建築及結構配置對稱平面、圓形建築及結構配置對稱平面、多邊形建築及結構配置對稱平面、寬長方形建築及結構配置對稱平面，如圖 3. 3 所示，代表其平面對稱性佳，即可勾選「良」。. 34.

(61) 第三章鋼結構建築物耐震能力初步評估方法. 圖 3. 3 平面對稱性佳之結構形式【資料來源：本研究製作】. 若建築雖屬上述之方形、圓形、多邊形及寬長方形，但結構配置不完全對稱者；或屬於翼緣扁厚之平面，如圖 3. 4 所示，則須勾選「尚可」。. (a) 建築平面對稱但結構配置尚可之結構形式. (b) 翼緣扁厚之結構形式圖 3. 4 平面對稱性尚可之結構形式【資料來源：本研究製作】若建築雖屬上述之方形、圓形、多邊形及寬長方形，但樓梯、電梯間配置偏平面隅角、載重極度偏心者；或屬於翼緣細長之平面，如圖 3. 5 所示，則須勾選「不良」。. 35.

(62) 鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估研究. (a) 建築平面對稱但結構配置尚可之結構形式. (b) 翼緣扁厚之結構形式圖 3. 5 平面對稱性不佳之結構形式【資料來源：本研究製作】 [項次4] 立面對稱性結構系統之立面對稱性通常與樓層質量與樓層勁度之分配是否均勻與對稱有關。對稱性愈佳者，其耐震能力愈高。可依據建築物耐震設計規範有關立面不規則的種類與定義，給予適當的權重。若建築物同時具有各向立面結構配置對稱、各樓層高度均勻相當、立面無退縮及立面各樓層載重配置相當者，如圖 3. 6 所示，即可勾選「良」。. 圖 3. 6 立面對稱性佳之結構形式【資料來源：本研究製作】 36.

(63) 第三章鋼結構建築物耐震能力初步評估方法. 若建築物立面高度不同、樓層高度不同、立面退縮、立面懸挑、立面各樓層載重配置不均、位於山坡地、立面於高層分為多棟建築者，如圖 3. 7 所示，須視其實際情況對於對稱性之影響勾選「尚可」或「不良」。. 建築物立面高度不同. 樓層高度不同. 立面退縮. 立面懸挑. 位於山坡地. 立面於高層分為多棟建築物 37.