鋼筋混凝土建築物耐震能力評估平台－SERCB 補強模組之開發與建築物評估補強案例編撰

鋼筋混凝土建築物耐震能力評估平台

SERCB 補強模組之開發與建築物評

估補強案例編撰

研究主持人：林建宏

協同主持人：宋裕祺

研 究 員：蔡益超、賴明俊、林冠禎、

鄒本駒

內政部建築研究所協同研究報告

中華民國 101 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

目錄

目錄

目錄 ... I 

表目錄 ... VII 

圖目錄 ... IX 

摘要 ... XXIII 

ABSTRACT ... XXVII 

第一章  緒論 ... 1 

第一節

研究緣起與背景 ... 1 

第二節

研究目的 ... 3 

第三節

研究方法 ... 4 

第四節

文獻回顧 ... 6 

第二章  耐震補強施工法回顧... 11 

第一節

前言 ... 11 

第二節

鋼筋混凝土結構物耐震補強概念與目標 ... 12 

第三節

國內鋼筋混凝土耐震補強之發展 ... 15 

第四節

國內外補強案例探討 ... 18 

一、國內外補強案例資料蒐集與比較 ... 18 

二、國內補強個案分析 ... 23 

三、日本補強個案分析 ... 28 

第五節

鋼筋混凝土建築物常用耐震補強工法探討 ... 36 

一、柱構件補強 ... 36 

二、增設或加厚鋼筋混凝土牆 ... 44 

三、增設鋼筋混凝土翼牆 ... 49 

四、鋼斜撐構架補強 ... 51 

五、其它補強工法 ... 54 

第六節

小結 ... 56 

第三章  鋼筋混凝土構件非線性行為 ... 57 

第一節

前言 ... 57 

第二節

鋼與鋼筋混凝土材料組成律 ... 58 

一、鋼筋混凝土組成律 ... 58 

二、鋼筋組成律 ... 68 

第三節

柱構件非線性行為探討 ... 72 

一、撓曲行為 ... 72 

二、剪力行為 ... 75 

三、鋼筋混凝土柱破壞模式之判別 ... 78 

第四節

鋼筋混凝土牆非線性行為探討 ... 79 

目錄

一、軟化拉壓桿桁架模型之基本理論 ... 79 

二、矮牆基本力學原理

(適用於 h/d



_{0.8) ... 81} 

三、高牆基本力學原理

(適用於 h/d > 0.8) ... 94 

第四章  構件包覆補強與翼牆補強之理論探討與 分析驗證 ... 99 

第一節

前言 ... 99 

第二節

鋼筋混凝土柱包覆補強之非線性行為探討 ... 100 

一、鋼板包覆圍束補強 ... 100 

二、

RC 柱包覆圍束補強 ... 101 

三、

RC 柱包覆強度補強 ... 103 

第三節

鋼筋混凝土柱包覆補強之分析驗證 ... 105 

一、鋼板包覆補強 ... 105 

二、鋼筋混凝土構架

-柱鋼板包覆韌性補強 ... 108 

三、鋼筋混凝土包覆補強 ... 112 

四、鋼筋混凝土構架

-RC 包覆強度補強 ... 119 

第四節

翼牆補強之非線性行為探討 ... 124 

第五節

翼牆補強之分析驗證 ... 125 

一、單柱

-翼牆補強 ... 125 

二、鋼筋混凝土構架

-翼牆補強 ... 132 

第五章  鋼斜撐構架補強理論分析與驗證 ... 139 

第一節

前言 ... 139 

第二節

內嵌式鋼斜撐構架之分析方法 ... 140 

一、環氧樹脂接合之內嵌式鋼斜撐構架分析方法 ... 141 

二、錨碇接合之內嵌式鋼斜撐構架分析方法 ... 142 

第三節

外部式鋼構架斜撐之分析方法 ... 144 

第四節

複合構材之非線性行為分析 ... 145 

第五節

建立鋼斜撐構件之軸力與變位關係 ... 147 

第六節

錨碇接合強度設計 ... 149 

第七節

外部式鋼構架補強之分析驗證 ... 152 

第六章  SERCBWIN 2012 補強分析模組之開發 ... 155 

第一節

SERCBW

IN

2012

簡介 ... 155 

一、系統功能 ... 155 

二、系統架構 ... 156 

第二節

補強分析功能需求分析 ... 159 

第三節

補強分析功能設計與視窗化實作 ... 162 

一、補強分析功能類別圖 ... 162 

二、斷面編輯視窗實作 ... 164 

第七章  SERCBWIN 2012 耐震補強案例分析 ... 169 

目錄

第一節

校舍補強案例簡介 ... 169 

一、 校舍簡介 ... 169 

二、 材料參數 ... 169 

第二節

建築物耐震性能檢核標準 ... 172 

一、地震等級 ... 172 

二、結構容量曲線簡化原則 ... 172 

三、用途係數 ... 173 

四、耐震性能目標 ... 173 

五、耐震性能檢核 ... 174 

第三節

校舍補強前耐震能力評估 ... 183 

第四節

校舍補強後耐震能力評估 ... 186 

一、補強前建築物結構系統之探討 ... 186 

二、 RC 包覆強度補強 ... 188 

二、

RC 包覆韌性補強 ... 192 

三、鋼板包覆補強 ... 195 

四、翼牆補強 ... 197 

五、外部式鋼框架補強 ... 201 

第八章

結論與建議 ... 205 

第一節

結論 ... 205 

第二節

建議 ... 206 

附錄

A 補強模組使用手冊 ... 207 

附錄

B 初審簡報專家審查意見與答覆 ... 225 

附錄

C 期中報告審查委員意見與答覆 ... 227 

附錄

D 期未報告審查委員意見與答覆 ... 231 

附錄

E 專家座談會審查意見與答覆 ... 233 

第一次專家座談會 ... 233 

第二次專家座談會 ... 235 

第三次專家座談會 ... 237 

參考文獻 ... 239 

 

表目錄

表目錄

表

2.1 國內補強施工法之種類 ... 17 

表

2.2 校舍耐震資訊網補強方案統計表 ... 19 

表

2.3 日本補強案例 ... 19 

表

2.4 各階段耐震能力評估結果 ... 26 

表

2. 5 施工概要表 ... 34 

表

4.1 反覆載重單柱補強試體詳細資料 ... 107 

表

4.2 構架 BMFS 反覆載重之補強試體詳細資料 ... 110 

表

4.3 反覆載重單柱補強試體詳細資料 ... 117 

表

4.4 構架 BMFU-C 反覆載重之補強試體詳細資料 ... 121 

表

4.5 反覆載重單柱補強試體詳細資料 ... 131 

表

4.6 構架 SBFW 反覆載重之補強試體詳細資料 ... 136 

表

5.1 非線性分析模型參數和性能水準 ... 148 

表

5.2 試體材料強度表 ... 153 

表

7.1 材料強度 ... 169 

表

7.2 建築物之耐震性能(適用於一般工址或臺北盆地) ... 175 

表

7.3 建築物之性能目標(適用於一般工址或臺北盆地) ... 176 

圖目錄

圖目錄

圖

1.1 分析方法與流程 ... 5 

圖

2.1 結構補強分析流程示意圖 ... 13 

圖

2.2 構件補強-強度補強和韌性補強示意圖 ... 13 

圖

2.3 結構補強方式 ... 14 

圖

2.4 各工法被採用之統計圖 ... 19 

圖

2.5 補強設計流程圖 ... 25 

圖

2.6 傳統翼牆施工法與本案採用之施工法比較示意圖 ... 26 

圖

2.7 廁所及樓梯間補強前後比較圖 ... 27 

圖

2.8 翼牆偏移主筋直通施工照 ... 27 

圖

2.9 翼牆補強前後比較圖 ... 27 

圖

2.10 補強構件配置圖 ... 29 

圖

2.11 補強前後之外觀 ... 30 

圖

2.12 外附預鑄混凝土構架施工順序 ... 30 

圖

2.13 校舍補強前後外觀 ... 32 

圖

2.14 補強原理示意圖 ... 32 

圖

2.15 施工流程 ... 33 

圖

2.16 校區平面配置圖 ... 34 

圖

2.17 一樓平面圖（補強後） ... 35 

圖

2.18 補強後外觀 ... 35 

圖

2.19 柱加設箍筋補強示意圖 ... 37 

圖

2.20 鋼筋混凝土包覆斷面圖 ... 38 

圖

2.21 柱擴大斷面補強工法示意圖 ... 39 

圖

2.22 柱以鋼板包覆補強工法示意圖 ... 42 

圖

2.23 柱帶狀鋼板補強示意圖 ... 44 

圖

2.24 牆加厚補強工法示意圖 ... 46 

圖

2.25 加設剪力牆補強工法 ... 48 

圖

2.26 邊界螺箍筋配置示意圖 ... 49 

圖

2.27 增設翼牆補強詳圖 ... 50 

圖

2.28 翼牆配置型式 ... 51 

圖

2.29 各型式之斜撐 ... 53 

圖

2.30 鋼構架與既存鋼筋混凝土構架之間接合方式 ... 53 

圖目錄

圖

2.31 接合灌漿部位示意圖 ... 54 

圖

2.32 加設外側構架補強示意圖 ... 55 

圖

3.1 KAWASHIMA 混凝土應力-應變關係曲線 ... 58 

圖

3.2 MANDER 模式混凝土應力–應變曲線 ... 65 

圖

3.3 圓形柱斷面受圍束示意圖 ... 65 

圖

3.4 矩形柱斷面受圍束示意圖 ... 66 

圖

3.5 圓形柱斷面圍束力示意圖 ... 66 

圖

3.6(A) 矩形柱斷面圍束力示意圖 ... 67 

圖

3.7 柱斷面圍束力示意圖 ... 67 

圖

3.8 MANDER 模式之矩形斷面圍束強度比 ... 68 

圖

3.9 MIRZA 和 MACGREGOR 鋼筋應力-應變關係曲線 ... 68 

圖

3.10 鋼筋應力應變曲線 ... 70 

圖

3.11 單向彎矩纖維元素之應力應變圖 ... 73 

圖

3.12 混凝土剪力強度­轉角關係圖 ... 76 

圖

3.13 混凝土柱剪力強度­轉角轉換至彎矩­轉角關係圖 ... 77 

圖

3.14 鋼筋混凝土柱破壞模式之判別 ... 78 

圖

3.15 鋼筋混凝土應力元素 ... 81 

圖

3.16 鋼筋混凝土應變元素 ... 83 

圖

3.17 混凝土受壓應力應變曲線 ... 85 

圖

3.18 受壓混凝土軟化係數曲線 ... 86 

圖

3.19 混凝土受拉應力應變曲線 ... 87 

圖

3.20 鋼筋應力應變曲線 ... 87 

圖

3.21 鋼筋混凝土矮牆非線性容量曲線計算流程(適用於 H/D



_0.8) . 90 

圖

3.22 牆體混凝土、橫向鋼筋與縱向鋼筋之應力－應變圖 ... 91 

圖

3.23 牆體應力與應變軌跡圖 ... 91 

圖

3.24 剪應力-剪應變關係 ... 92 

圖

3.25 水平剪力-水平變形關係 ... 92 

圖

3.26 鋼筋混凝土等値斜撐之力－位移 ... 93 

圖

3.27 軸力塑性鉸輸入之值點 ... 94 

圖

3.28 鋼筋混凝土高牆非線性容量曲線計算流程(適用於 H/D > 0.8)  97 

圖

3.29 軸力塑性鉸輸入之值點 ... 98 

圖

4.1 鋼板包覆補強斷面示意圖 ... 101 

圖目錄

圖

4.2 鋼筋混凝土加設箍筋韌性補強斷面分析示意圖 ... 103 

圖

4.3 鋼筋混凝土擴柱包覆補強斷面分析示意圖 ... 104 

圖

4.4 試體 SC2(SC1) 配筋示意圖 ... 105 

圖

4.5 試體 SC3(BMC2)配筋示意圖 ... 106 

圖

4.6 鋼板補強柱身剖面圖 ... 106 

圖

4.7 SC2 補強試體分析與實驗比對圖 ... 107 

圖

4.8 SC3 補強試體分析與實驗比對圖 ... 108 

圖

4.9 SBFS 試體之詳細尺寸及配置圖 ... 109 

圖

4.10 SBFS 試體柱鋼板包覆之斷面配置圖 ... 109 

圖

4.11 SBFS 補強試體分析最終破壞情況 ... 111 

圖

4.12 SBFS 補強試體實驗最終破壞情況 ... 111 

圖

4.13 SBFS 補強試體分析與實驗比對圖 ... 112 

圖

4.14 既有柱斷面圖 ... 113 

圖

4.15 擴柱補強柱 S2 之立面圖(台灣常用施工細節) ... 113 

圖

4.16 擴柱補強柱 S2 之 A-A 斷面圖(台灣常用施工細節) ... 114 

圖

4.17 擴柱補強柱 S3 之立面圖(日本常用施工細節) ... 115 

圖

4.18 擴柱補強柱 S3 之 A-A 斷面圖(日本常用施工細節) ... 116 

圖

4.19 S2 分析與實驗結果比較圖 ... 118 

圖

4.20 S3 分析與實驗結果比較圖 ... 118 

圖

4.21 SBFU-C 試體之詳細尺寸及配置圖 ... 119 

圖

4.22 既有柱斷面圖 ... 120 

圖

4.23 擴柱補強柱 SBFU-C 之立面圖 ... 120 

圖

4.24 擴柱補強柱 SBFU-C 之 B-B 斷面圖 ... 121 

圖

4.25 SBFU-C 補強試體分析最終破壞情況 ... 122 

圖

4.26 SBFU-C 補強試體實驗最終破壞情況 ... 123 

圖

4.27 SBFU-C 補強試體分析與實驗比對圖 ... 123 

圖

4.28 翼牆既有柱試體 ... 125 

圖

4.29 增設翼牆補強 S4 試體之立面圖(台灣常用施工細節) ... 126 

圖

4.30 增設翼牆補強 S4 試體之 A-A 斷面圖(台灣常用施工細節) .... 127 

圖

4.31 增設翼牆補強 S5 試體之立面圖(日本常用施工細節) ... 128 

圖

4.32 增設翼牆補強 S5 試體之上視圖(日本常用施工細節) ... 129 

圖

4.33 增設翼牆補強之側視圖(日本常用施工細節) ... 130 

圖目錄

圖

4.34 S4 試體分析與實驗結果比對圖 ... 132 

圖

4.35 S5 試體分析與實驗結果比對圖 ... 132 

圖

4.36 SBFW 試體之詳細尺寸及配置圖 ... 133 

圖

4.37 既有柱斷面圖 ... 134 

圖

4.38 增設翼牆補強 SBFW 試體之 B-B 斷面圖 ... 134 

圖

4.39 增設翼牆補強 SBFW 試體之立面圖 ... 135 

圖

4.40 SBFW 補強試體分析最終破壞情況 ... 137 

圖

4.41 SBFW 補強試體實驗最終破壞情況 ... 137 

圖

4.42 SBFW 補強試體分析與實驗比對圖 ... 138 

圖

5.1 環氧樹脂接合示意圖 ... 140 

圖

5.2 錨碇接合示意圖 ... 141 

圖

5.3 環氧樹脂接合之內嵌式鋼斜撐構架分析方法示意圖 ... 142 

圖

5.4 錨碇接合之內嵌式鋼斜撐構架分析方法示意圖 ... 143 

圖

5.5 複合斷面示意圖 ... 143 

圖

5.6 單向彎矩纖維元素之應力應變圖 ... 145 

圖

5.7 FEMA-356 軸力位移關係圖 ... 148 

圖

5.8 錨碇位置間距示意圖 ... 151 

圖

5.9 外部式鋼構架補強試體示意圖 ... 152 

圖

5.10 構架上下梁斷面示意圖 ... 153 

圖

5.11 構架複合柱斷面示意圖 ... 153 

圖

5.12 分析結果與實驗比對圖 ... 154 

圖

6.1 輔助分析系統架構 ... 157 

圖

6.2 SERCB 與 SERCB.SUNG 程式庫的分析核心設計 ... 157 

圖

6.3 SERCB 系統補強模組開發使用案例圖 ... 160 

圖

6.4 SERBWIN 2012 斷面編輯視窗 ... 160 

圖

6.5 定義材料與斷面之視窗 ... 161 

圖

6.6 編輯斷面尺寸及配筋之視窗 ... 161 

圖

6.7 斷面分析類別 ... 162 

圖

6.8 斷面彎矩-曲率分析循序圖 ... 163 

圖

6.9 簡單工廠模式類別圖 ... 163 

圖

6.10 斷面分析類別圖 ... 163 

圖

6.11 定義材料性質名稱及類型之視窗 ... 164 

圖目錄

圖

6.12 各材料性質編輯視窗 ... 165 

圖

6.13 定義斷面名稱及型式之視窗 ... 165 

圖

6.14 矩形斷面編輯視窗 ... 166 

圖

6.15 矩形斷面配筋視窗 ... 166 

圖

6.16 鋼筋混凝土包覆強度補強斷面之編輯視窗 ... 167 

圖

6.17 翼牆斷面之編輯視窗 ... 167 

圖

7.1 標準試體一樓至屋頂層之平面圖 ... 170 

圖

7.2 標準試體柱配筋圖 ... 170 

圖

7.3 標準試體梁配筋圖 ... 171 

圖

7.4 容量曲線簡化為完全彈塑性曲線之示意圖 ... 177 

圖

7.5 容量曲線簡化為具有後降伏勁度之雙線性曲線之示意圖 ... 177 

圖

7.6 一般工址之建築物耐震性能目標 ... 178 

圖

7.7 臺北盆地之建築物耐震性能目標 ... 179 

圖

7.8 一般工址之建築物耐震性能檢核 ... 180 

圖

7.9 臺北盆地之建築物耐震性能檢核 ... 181 

圖

7.10 ETABS 模擬之 3D 立體圖 ... 183 

圖

7.11 標準試體含有塑鉸特性之正面圖 ... 183 

圖

7.12 側推分析容量曲線圖 ... 184 

圖

7.13 容量震譜圖 ... 184 

圖

7.14 性能目標(PGA-位移) ... 185 

圖

7.15 Y2 平面側視圖(無矮牆) ... 186 

圖

7.16 Y6 平面側視圖(無矮牆) ... 186 

圖

7.17 結構改善後分析之地表加速度與位移圖 ... 187 

圖

7.18 Y2 平面最終破壞結果 ... 187 

圖

7.19 Y6 平面最終破壞結果 ... 188 

圖

7.20 補強配置平面圖 ... 188 

圖

7.21 Y2 平面側視圖補強配置 ... 189 

圖

7.22 Y6 平面側視圖補強配置 ... 189 

圖

7.23 擴柱強度補強斷面配置(單位:MM) ... 190 

圖

7.24 擴柱斷面 PM-CURVE(壓為正、拉為負) ... 190 

圖

7.25 擴柱強度補強之地表加速度與位移圖 ... 191 

圖

7.26 Y2 平面最終破壞結果 ... 191 

圖目錄

圖

7.27 Y6 平面側視圖補強配置 ... 191 

圖

7.28 一樓補強配置平面圖 ... 192 

圖

7.29 Y2 平面側視圖補強配置 ... 192 

圖

7.30 Y6 平面側視圖補強配置 ... 193 

圖

7.31 擴柱韌性補強斷面配置(單位:MM) ... 193 

圖

7.32 擴柱斷面 PM-CURVE(壓為正、拉為負) ... 194 

圖

7.33 擴柱韌性補強之地表加速度與位移圖 ... 194 

圖

7.34 一樓補強配置平面圖 ... 195 

圖

7.35 Y2 平面側視圖補強配置 ... 195 

圖

7. 36 Y6 平面側視圖補強配置 ... 195 

圖

7.37 鋼板韌性補強斷面配置(單位:MM) ... 196 

圖

7.38 鋼板包覆斷面 PM-CURVE(壓為正、拉為負) ... 196 

圖

7.39 鋼板包覆韌性補強之地表加速度與位移關係圖 ... 197 

圖

7.40 一至三樓補強配置平面圖 ... 198 

圖

7.41 Y2 平面側視圖補強配置 ... 198 

圖

7.42 Y6 平面側視圖補強配置 ... 198 

圖

7.43 翼牆補強斷面配置(單位:MM) ... 199 

圖

7.44 翼牆斷面 PM-CURVE(壓為正、拉為負) ... 199 

圖

7.45 翼牆補強之地表加速度與位移圖 ... 200 

圖

7.46 Y2 平面最終破壞結果 ... 200 

圖

7.47 Y6 平面最終破壞結果 ... 200 

圖

7.48 Y6 平面側視圖補強配置 ... 201 

圖

7.49 柱與鋼框架組成之混合斷面 ... 202 

圖

7.50 梁與鋼框架組成之混合斷面 ... 202 

圖

7.51 柱與鋼框架之混合斷面之 PM-CURVE (壓為正、拉為負) ... 202 

圖

7.52 梁與鋼框架之混合斷面之 PM-CURVE (壓為正、拉為負) .... 202 

圖

7.53 外部式鋼框架 3D 示意圖 ... 203 

圖

7.54 建築物外部式鋼框架補強示意圖 ... 203 

圖

7.55 外部式鋼框架補強之地表加速度與位移圖 ... 204 

圖

7.56 Y6 平面最終破壞結果 ... 204 

圖

A.1 斷面編輯視窗 ... 207 

圖

A.2 斷面編輯器視窗 ... 208 

圖目錄

圖

A.3 鋼筋斷面配置編輯視窗... 209 

圖

A.4 梁柱斷面編輯視窗 ... 210 

圖

A.5 材料斷面編輯視窗 ... 211 

摘要

摘要

關鍵詞：鋼筋混凝土耐震補強、擴柱補強、翼牆補強、鋼斜撐構架補強

一、研究緣起

內政部建築研究所於2005 年協同研究案開發出一套鋼筋混凝土耐震能力評 估系統，該程式於業界廣受工程師使用。目前SERCB 程式中提供視窗化模組與 各力學行為之分析模組包含：梁柱斷面視覺化編輯、斷面彎矩-曲率分析、構件 彎矩-轉角分析、構件剪力行為分析、地表加速度分析等分析模組，其中資料形 式係以文字檔方式輸出，為方便使用者可針對所需要的資料進行處理，進而提升 程式模組的擴充性。 SERCB 分析程序分為前處理與後處理兩大模組，首先經過前處理程序，求 得建築物各構件之彎矩塑鉸特性，再匯入ETABS、MIDAS 等程式進行非線性側 推分析與容量震譜分析，最後再將結果匯出進行後處理，以提供工程師判斷該建 築物之耐震能力與建築物相關資訊。上述建研所開發的系統均在視窗上操作，且 匯入與匯出之工作均以自動完成為原則。但SERCB 程式目前尚欠缺補強模組， 故各補強與分析方法將係本研究計畫所要補充之重點。 構件補強方法大致可分為強度補強與韌性補強，強度補強包含剪力牆、翼 牆、擴柱、外加鋼構架、鋼斜撐等補強方法；韌性補強包含鋼板包覆、混凝土包 覆、CFRP 包覆等補強方法。本研究計畫為上述研究案之延續，主要在於探討各 補強工法之適用性與分析方法，如鋼板包覆補強、混凝土包覆補強及翼牆補強等 工程上較常運用之補強工法，根據各工法之差異性分別求得構件補強後之塑性鉸 特性，後續本研究援用上述研究案之方式以自動化方式匯入結構分析軟體，以期 降低人為操作時間與錯誤。

二、研究方法及過程

1. 蒐集國內外各種補強工法案例，包含國內常見的 RC 擴柱、RC 包覆、 鋼板包覆、碳纖維包覆補強、增設鋼造斜撐或鋼板剪力牆、增設空間構 架等，進行深入了解，並篩選出適合國內之補強工法進行構件補強分析 模組開發。 2. 補強分析模組將以物件導向程式語言開發，並將開發之分析模組所分析 之結果與相關實驗進行比對，最後將所開發是模組建構在內政部建築研 究 所 於 2005 年協同研究案開發之鋼筋混凝土耐震能力評估系統 (Seismic Evaluation of RC Building, SERCB)平台上，以整合成一整套鋼 筋混凝土耐震能力評估與補強系統。 3. 系統整合後會以實際案例分析，並編撰補強模組之程式使用手冊，希望 可提供國內工程師更多元的補強工法，及更準確有效率的耐震補強分析 軟體。 4. 擴充目前 SERCB 網頁服務功能，加強與使用者互動機能。

三、重要發現

本研究所開發之分析模組，包含RC 包覆補強、翼牆補強、鋼框構架補強等 分析模組，經與相關實驗結果比對分析，發現分析結果與實驗之誤差不大，應可 被工程人員所接受。另外，因補強斷面具有新舊介面的問題，一般在工程實務的 分析上皆假定介面接合良好，材料強度的參數則以新舊材料強度的平均值為分析 參數，而本研究之分析模組亦假設新舊介面接合良好，但在材料強度的參數方面 則分開考慮，並建構不同材料強度之組成率，讓分析更為精確。最後，雖然經過 國內外資料的蒐集，發覺國內補強工法僅局限於少數之傳統工法(擴柱、翼強、 增設 RC 牆等)，雖然這些補強工法效果良好，但如能有創新之工法，使補強後 之外觀能更具美感及設計感，如此將可改變一般民眾對於補強結構物即為老舊危

摘要 樓之觀感。

四、主要建議事項

建議一 中、長期建議：舉辦研討會，將此補強系統推廣至業界 主辦機關：營建署 協辦機關：內政部建築研究所 目前本研究建立之構件補強分析，包含翼牆補強、鋼板包覆韌性補強、RC 包覆補強，其分析與實驗所得之結果雖說不能完全吻合，但其整體之結果應可被 接受，未來也將這些補強方法與流程程式化，並併入SERCB 系統內。因補強模 組仍以SERCB 之分析核心進行開發，因此在分析的輸入參數與操上頗為複雜， 想要了解其操作重點，各輸入參數之意義，除閱讀書面報告資料外，最好透過研 討會，經研究團隊之講解，可以較快熟悉此套程式之功能與運作。 建議二 中、長期建議：施作關於鋼斜撐構架補強(內嵌式、外部式)之反覆載重試驗 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：營建署、國家地震工程研究中心 鋼斜撐構架補強工法在日本已有相當的應用實務，且具有相當多的研究成 果，而國內在過去也有相關學者進行鋼框架補強實驗，但由於實驗的配置與現埸 實際補強之工法差異甚大(鋼框或鋼斜撐之型式與配置方式)，而本研究所開發之 複合斷面型式，仍以工程實務常用之型式來開發，因此無法進行分析比對，故希 望未來能有針對工程實務常用型式與配置之鋼斜撐補強工法的試驗，以作為國內 工程師設計參考及學者學術分析之用。

摘要

ABSTRACT

Keywords: RC seismic retrofit, Steel jacketing, RC jacketing, Steel frame, Wing wall The SERCB (Seismic Evaluation of Reinforced Concrete Building) is a popular software of seismic evaluation for existing RC buildings in Taiwan. It provides a powerful visualization function of plastic hinge setting for RC members as preprocessor of pushover analysis as well as nonlinear time history analysis, preventing the manmade mistakes and enhancing the work efficiency. In addition, It also gives an automatic connection to the commercial software such as ETABS, MIDAS, etc. to perform nonlinear structural analysis, and a postprocessor in justifying if the seismic capacity of RC building is qualified or not. As a result, the SERCB is well used by the structural engineers herein.

This project intends to extend SERCB to deal with seismic retrofitting. Some available retrofitting works including (1) improving the RC columns by RC covering, CFRP wrapping or steel jacketing to increase ductility or strength, (2) installing wind wall to enhance strength, (3) inserting or attaching steel frame to increase stiffness are studied and discussed. The plastic hinge property of the RC member retrofitted is able to be determined and its precision is assured by investigation of practical experimental results. Some case studies are conducted by the software updated. The completion of this project can promote SERCB to perform the analysis of seismic evaluation and retrofitting for existing RC buildings.

第一章 緒論

第一章 緒論

第一節

研究緣起與背景

臺灣地區位於環太平洋地震帶上，地震相當頻繁，每年發生有感地震超過百 次。根據統計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。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。因此，我國 政府開始注重災害防治的工作，而房屋建築耐震能力評估與補強為其中重要的一 環。在921 地震後，政府開集結國內土木與地震工程相關學者與業界人士，研討 國內設計規範，並定訂出房屋建築耐震能力評估與補強相關規範，如民國88 年 12 月 29 日修正「建築技術規則建築構造編耐震設計規範與解說」、94 年 12 月及 100 年 1 月修正「建築物耐震設計規範及解說」。同時，在此期間政府也編列龐 大預算，針對既有之公有及校舍建築物推動耐震能力評估與補強方案。 內政部建築研究所於2005 年協同研究案開發出一套鋼筋混凝土耐震能力評 估系統(Seismic Evaluation of RC Building, SERCB)，該程式於業界廣受工程師使 用。目前SERCB 程式中提供視窗化模組與各力學行為之分析模組包含：梁柱斷 面視覺化編輯、斷面彎矩-曲率分析、構件彎矩-轉角分析、構件剪力行為分析、 地表加速度分析等分析模組，其中資料形式係以文字檔方式輸出，為方便使用者 可針對所需要的資料進行處理，進而提升程式模組的擴充性。上述建研所開發的 系統均在視窗上操作，且匯入與匯出之工作均以自動完成為原則。但SERCB 程 式目前尚欠缺補強模組，故各補強與分析方法將係本研究計畫所要補充之重點。 補強方法大致可分為強度補強與韌性補強，強度補強包含剪力牆、翼牆、擴 柱、外加鋼構架、鋼斜撐構架等補強方法；韌性補強包含鋼板包覆、混凝土包覆、 CFRP 包覆等補強方法。本研究計畫為上述研究案之延續，主要在於探討各補強 工法之適用性與分析方法，如鋼板包覆補強、混凝土包覆補強及翼牆補強等工程 上較常運用之補強工法，根據各工法之差異性分別求得構件補強後之塑性鉸特

性，後續本研究援用上述研究案之方式以自動化方式匯入結構分析軟體，以降低 人為操作時間與錯誤。 最後，為因應國內近年來大量之房屋建築耐震能力評估與補強需求，本研究 將蒐集近五年來國外的建築物補強工法資料，並針對適用於台灣之工法，結合 SERCB 進行補強分析模組開發，並透過案例分析編撰補強分析程式使用手冊， 以供工程師在進行補強分析時之參考。

第一章 緒論

第二節

研究目的

近幾年國內積極的進行既有校舍耐震能力評估與補強的工作，成效也相當顯 著。然而綜觀目前國內校舍補強的案例，大多數的補強工法為翼牆補強、增設 RC 牆補強或擴柱補強等傳統之補強工法。這些補強工法具有相當好的補強效 果，在環境及空間使用的許可下確實是不錯的選擇。但對於醫院、辦公大樓或百 貨公司等建築物，在現有的空間及施工環境的限制下，上述之補強工法可能就不 適用。例如醫院，因使用空間的規範相當嚴謹，要在空間中增設翼牆或進行擴柱 補強相當困難，另外醫院亦不可能因補強的施工而停止運作，且對於施工噪音的 限制也相對的嚴格。因此，本研究將透過資料的蒐集，研究國外之補強案例，並 針對國外各種補強工法之施工性、經濟性、安全性及美觀等條件做可行性分析， 將可行之補強工法進行結構分析與驗證，如確實可行，將進一步的開發其SERCB 的補強分析模組。另外，本研究也將會把目前國內常用之補強工法納入 SERCB 的補強分析模組中，以建構出一套完整的鋼筋混凝土耐震能力評估與補強分析程 式。最後，再以案例分析的方式來說明各補強工法的分析流程，並編撰程式使用 手冊以供工程師進行補強設計或分析時的參考。希望本研究能讓國內之補強工法 更多元化，亦能提昇國內耐震補強分析技術。

第三節

研究方法

本研究案之研究工作內容包括資料蒐集與整理(國內常用構件補強工法為 主)、國外補強案例探討、補強分析模組分析理論建立、補強分析模組開發與驗 證(包含包覆補強、翼牆補強及鋼斜撐框架補強)、補強分析模組視窗化操作界面 開發、補強案例分析、程式使用手冊編撰及報告撰寫。研究流程與研究架構如圖 1.1 所示。 透過國內外文獻資料的蒐集，匯整出國內常用構件補強工法的適用性、力學 特性及施工細節，同時也深入了解國外的補強案例，試圖從中尋找適用於國內的 補強工法，以作為未來補強模組開發的對象。 再確定可行之補強方法後，將以物件導向程式語言 C#進行補強構件塑性鉸 分析模組的開發，並針對開發之補強模組進行分析驗證，以確定分析結果之精確 性，如驗證成果良好，即併入 SERCB 系統中，以擴充 SERCB 補強後耐震能力 評估之功能。最後，本研究將以實際補強案例進行分析，並編撰程式使用手冊。

第一章 緒論

圖1.1 分析方法與流程

第四節

文獻回顧

目前，耐震補強目標大致上可分為剪力強度補強、撓曲強度補強、韌性補強 或三者同時補強等工法，然而，為了解各補強工法補強後之實際力學行為及補強 效果，以避免過度補強或錯誤的補強策略而對結構物造成更嚴重的損毀或不經 濟，因此，有相當多的學者與研究人員針對這些補強工法進行研究與實驗，以確 實掌握各補強方法之特性。 1981 年林勝益利用增設剪力牆的補強方式對既有鋼筋混凝土構架進行補 強，以了解補強後構架的破壞模式與韌性變化，由實驗結果可得，增設剪力牆可 大幅提昇構架之勁度及強度。 小倉弘一郎(1988)介紹翼牆補強柱之構材行為以及長柱與短柱之翼牆破壞 及補強方式；並對於補強之設計強度與安全性分成接合部強度、極限抗彎強度、 極限抗剪強度、壁板之強度來加以檢討，並以實例介紹補強設計且將實驗值比較 顯示增設翼牆對極限抗彎及抗剪強度均有大幅提昇。 Aicocer(1993)為了解梁、柱與版節點於反覆載重作用下的包覆補強行為，以 實驗的方法透過不同實試驗變數(補強材料、結構物之損毀程度及欲補強柱體之 設計)，實驗結果也驗證補強工法無論於強度、韌性或能量消散量上，都有非常 好的效果，並且建議補強前於柱身打毛，如此將能有效防止連結破壞。 1992 年陳慧慈針對國內外現有的耐震補強研究及技術作整理，包含日本及 國內補強案例的探討，最後，並以美國洛杉磯及日本靜岡縣之補強作業提出討論 與建議。 1995 年 Jirsa 等人提出使用鋼斜撐及填充牆補強等補強方法對中低層房屋結 構進行補強，其透過非彈性靜力和非彈性動力反應譜分析方法進行分析，並提出 上述之補強方法均有很好的補強效果，且皆能有效控制結構物之側向位移並減少 對構材之損傷。 1995 年林草英利用環氧樹脂灌注、鋼板、施加預力系統、鋼斜撐、剪力牆

第一章 緒論 等工法對受損之鋼筋混凝土結構進行補強，並進一步探討補強效益與補強建議。 1996 劉文欽針對七座受損試體進行環氧樹脂注射、支柱敲除重塑、增設鋼 骨斜撐及剪力牆之補強工作，試驗後求得各種補強法的破壞行為及其效果，並互 相比較。在理論部分，則以非線性增量剛度法進行分析，並與試驗值進行比較， 以求得補強後剛度及極限彎矩的折減係數。 1996 年康繼仁針對十座受損試體進行包覆補強，認為包覆纖維布適用於抗 剪強度不足之構材，若抗彎強度不足，則建議使用鋼板補強，且若柱梁端點的抗 彎強度不足，或抗彎及抗剪強度皆不足的情形下，則建議使用鋼板或鋼板箍的包 覆補強方式，惟其縱向補強鋼材，在柱梁端端點須有充分錨碇。 1997 年 Balendra 等人對 Knee-Brace-Frame 作足尺寸之試驗，並認為該構架 有良好消能與維持強度之特性，但必須防止斜撐桿件產生局部或側向扭轉挫屈。 1997 年何明錦介紹各種修復與補強的材料與施工法，並針對各施工法之施 工注意事項與細節進行詳細的繪圖說明，另外也針對修復與補強工程的檢驗與成 本概估的方式作說明。 1999 年許茂雄等人對十八座鋼筋混凝土構架以模擬地震的靜態重複水平力 破壞之，再將不同震壞程度之構架作不同補強措施，定出各種工法之剛度與強度 之計算規則。 2000 年 Miyauchi 等經由鋼板、RC 及 FRP 補強 RC 柱後之實驗，提出最大 剪力強度經驗公式，同時也證實其對於剪力強度及韌性補強的成效。 日本建築學會(2001)提出介紹翼牆補強、柱構件補強與鋼斜撐補強等工法的 極限彎矩與極限剪力強度之簡算式，同時也詳列出各工法之施工細節與要點。 2002 劉國強透過實驗方式，觀察到翼牆柱寬度與厚度對於耐震能力提升之 關係。另外，也提出兩個不同的分析模式─半剛性構架模式與軟化桁架模式。 2002 年李濠吉採用增設框架式低降伏 BIB 與鋼剪力牆補強，以反復荷重進 行試驗，以探討補強前後構架的勁度、強度與韌性的變化情形。 Abdullah 與 Takiguchi(2003)利用 RC 擴柱補強之圓形與方形柱體，進行固

定軸壓力與反覆載重之試驗，其實驗結果證明RC 擴柱包覆補強能夠有效的加強 柱之強度、勁度、韌性。 Ong 等(2004)以二種圍束混凝土模式探討RC 擴柱補強之結構行為的預測分 析，並獲得與實驗吻合之結果；為了探討因缺乏剪力強度造成短柱效應之柱構 件，在進行RC 擴柱補強後之成效。 蔡昇芳(2005)主要接續劉國強之研究成果，並進一步探討構架式翼牆柱之行 為。研究中規劃六個構架來進行翼牆補強試驗，另外也提出撓曲剛度修正和剪力 剛性的修正方法。 Kazemi 與 Morshed(2005)以原樣試體之配筋與包覆斷面為變數，在固定比例 之軸壓下執行側向反覆加載試驗，驗證 RC 擴柱補強能有效提升強度與韌性容 量，並消除短柱現象。 Santhi 等(2005)利用震動台試驗，模擬RC 結構物於自重下受地震力震動之 破壞行為，再將破壞後之結構物進行RC 擴柱補強，試驗結果說明結構物增強了 強度與韌性，因而能夠提供結構物承受輕度至中度的地震力。 Tsonos(2008)針對老舊 RC 建築物因缺乏撓曲與剪力強度而使用的 RC 或 CFRP (carbonfiber reinforced polymer)補強工法，進行一系列的試驗與分析，並比 較兩種包覆補強工法之補強成效。 Dritsos 與 Vandoros(2008)進行 RC 擴柱補強反覆載重試驗，其研究指出不 論新、舊混凝土介面是否經過處理，其補強後之強度與韌性皆有明顯的效果，但 在未處理之介面則有較明顯之脫離，另外，若於箍筋末端使用焊接，則能防止主 筋挫屈的發生。 邱耀正(2008)利用台南關廟國小校舍建築現地進行靜態單向側推試驗，試果 顯示，校舍之窗台柱經由RC 擴柱補強能有效提升強度、韌性，且可將原樣試體 之剪力破壞模式改善為撓剪破壞。 邱聰智(2008)以台南市後甲國中德育樓為例，參考原始設計資料，製作三座

第一章 緒論 是為震後補強，再進行試驗；第二、三座試體分別先對柱使用鋼板包覆補強及增 設翼牆補強，是為震前補強，再分別進行耐震能力試驗。經試驗驗證，擴柱補強 可增加韌性及強度；柱包覆鋼板補強對提高韌性需求最為直接；而翼牆補強則對 抗剪強度最有貢獻。 Su(2011)在香港大學進行一系列的螺栓鋼板補強的試驗與分析，內容包含梁 構件、版梁構件及柱構件。 Nakamura(2011)以後安裝翼牆方式進行 RC 柱補強之水平載重實驗，並提出 補強後剪力強度評估方法。實驗試體變數包含接合部之垂直錨碇比與剪力鋼筋 比，由其實驗結果可知，增加錨碇比能有效的加強剪力強度及初始勁度。

第二章 耐震補強施工法回顧

第二章 耐震補強施工法回顧

第一節

前言

本章節主要探討目前常用之鋼筋耐震補強施工法。文中將先針對耐震補強概 念做介紹，說明結構補強的方式與耐震補強的方法。接著介紹國內鋼筋混凝土建 築物耐震補強工法的發展歷程。另外也將蒐集國內外的補強資料並提出個案的補 強探討，深入了解國內及國外在補強工法的差異性，如此，將有助於我們了解國 內外各種耐震補強施工法的適用性、力學性及效益性，以確實掌握各耐震補強施 工法的特性，以開發出最符合實際補強行為的分析模組。

第二節

鋼筋混凝土結構物耐震補強概念與目標

結構補強的目的主要是提升結構物的耐震能力，即對經過耐震能力詳細評估 後，被判定為耐震能力不足之結構物，採用合適的結構補強方法，進而提昇結構 耐震性能、安全機能及耐久性(陳慧慈，1992)。一般結構補強流程如圖2.1所示。 結構補強依補強方式可分為三種，(1)耐震補強、(2)減震補強及(3)隔震補強 如圖2.3 所示，耐震補強即當既有建築物耐震能力低於規範規定耐震需求時，可 藉由耐震補強的方法(如結構構件補強或結構系統補強等方法)將既有建築物耐 震能力提昇，以符合規範要求的安全耐震需求；減震補強是在既有建築物中適當 的加入消能元件，如增設粘彈性阻尼器之斜撐或三角鋼板消能片之斜撐(TADAS) 等，利用消能元降低輸入的外力能量(如同降低耐震需求)，同時斜撐構材也提供 一部份的強度和勁度來提高結構物的耐震能力，以達到規範要求之耐震需求；隔 震補強則是藉由隔震裝置將大部份地震力隔離(如同降低耐震需求)，如鉛心橡膠 支承墊(LRB)等，在一定的地震力作用下可有效的減少地震力對結構物造成的損 傷，也可提昇結構物在使用上的舒適度，惟在造價成本上會比其它補強方法高出 許多，所以一般用於較特殊需求之結構物，如高科技廠房、政府重要機關等。 一般結構物耐震補強方式可分為二種，結構構件補強及改善結構系統補強。 結構構件補強對象包含了結構中的梁、柱、梁柱接頭、牆、版及基礎等構件元素， 藉由增加構件之強度或韌性來提升耐震能力(圖 2.2)；另外，也可藉由改善結構 系統來提升結構物耐震能力，如增設剪力牆、結構外加扶壁及增設鋼框構架等。 因此，在物耐震補強方法中又可依補強目標大致分為三種補強方式，(1)強度補 強、(2)韌性補強及(3)強度與韌性補強。如圖 2.3(a)所示，當既有結構物之耐震能 力低於耐震需求時，我們可以針對既有結構物的狀況，利用前述三種耐震補強方 式，使得既有結構物達到耐震需求的目標。其中，強度補強主要是將既有建築物 中的構件，透過各種強度補強施工法將構件之強度提升，以提高整體建築結構之 耐震強度；韌性補強則是提升結構物非線性變形的能力，以抵抗更多的地震能

第二章 耐震補強施工法回顧 量；而強度與韌性補強則具兩者之補強效果(圖 2.2)。 圖2.1 結構補強分析流程示意圖 【資料來源：本研究製作】 圖2.2 構件補強-強度補強和韌性補強示意圖 【資料來源：參考書目2】

圖 圖 圖 圖2.3 【資料 圖2.3(a) 耐震 圖2.3(b)減震 圖2.3(c)隔震 3 結構補強 料來源：本研 震補強 震補強 震補強 強方式 研究製作】

第二章 耐震補強施工法回顧

第三節

國內鋼筋混凝土耐震補強之發展

在近十幾年來，國內外對於鋼筋混凝土建築物耐震補強施工法已有相當多的 研究與實驗成果，並且編撰相關規範及手冊供工程師參考，再加上近幾年政府也 積極推動國內中小學及政府機關的老舊建築物耐震能力評估與補強，因此，在實 務上也累積了相當多的經驗與成果，值得我們去探討與回顧。 早期在日本及美國發生幾次的地震災害(1968 日本十勝沖地震、1985 年墨西 梱地震等)，造成嚴重的生命財產的損失，讓國內部份學者與專家開始關著房屋 建築耐震能力評估與補強的相關議題。再加上國內當時的規範對於耐震設計的部 份明顯的不足，且既有建築老舊，大多已不符規範規定，因此，內政部建築研究 所(以下簡稱建研所)也開始與專家學者進行合作，開啟了國內對於耐震補強研究 的熱潮。1992 年，建研所委託國家地震工程研究中心進行”現有鋼筋混建築物補 強之初研究”，其蒐集了 UNIDO 手冊、日本耐震改修設計指針等相關的研究報 告，並針對其中之耐震補強方法加以整理。另外也針對美國洛杉機及日本靜岡縣 執行大規模耐震補強作業的經過及所遭遇的問題加以探討，並提出建議，以作為 國內在執行相關作業的參考。1997 年由許茂雄等執行建研所針對”新建學校建築 耐震規劃設計與既有學校建築耐震補強指針研擬”之研究案，內容分成兩個部 份，首先為新建學校建築之規劃設計要點研擬一參考手冊，作為學校建築專業人 員以及教育行政人員在校舍耐震規劃、設計過程之參考；另一部份為學校建築之 補強參考實例，內容提到近十種之補強工法，並探討了共計48 個補強案例。何 明錦等(1997)人參考美日等進國家對震害建築之修復補強實用工法，彙總編製為 一適合國內參考應用的手冊，內容包含了構件的修復及補強工法、結構系統改善 補強工法及消能、隔減震等補強工法，以圖文並茂的方式來呈現各補強施工方之 要點，內容相當完善。1998 年陳建忠、許茂雄在建研究研究報告對日本之耐震 改修制度及實施經驗進行探討，並研擬國內適用之建築物耐震評估及補強改修制 度時所須要之法規架構與具體內容，做為政府主管單位在建立制度時之參考。

2004 年葉祥海、劉玉文於建研所研究報告中指出，國內有關鋼筋混凝土建築結 構補強工法之研究成果已相當豐碩，且在921 集集大地震後實務的運用也相當的 多，惟研究成果與實際施做的案例在施工方式與設計方法仍存在相當大的差異， 所以使得補強後之建築物耐震能力提昇的效果無法預期，因此，希望訂定出鋼筋 混凝土建築結構桿件補強準則、桿件補強施工步驟及監造要點等，以作為工程界 之參考。2006 年建研所考量國內關於耐震評估與補強之研究已有相當多的成 果，但一直沒有一個完整的設計手冊，反觀日本、美國及大陸皆已有相關的完整 設計手冊與報告可供參考，因此，特委託中華民國地震工程學會進行低層磚牆建 築物耐震補強手冊研究，以建立適合國內含牆低矮建築物之補強設計與評估參考 手冊。2011 年張順益受建研所委託研究日本與台灣在擴柱及翼牆補強施工法的 差異性，並透過實驗的方式進行分析比對，同時也提出補強後之評估準則及理想 的模擬分析方式，最後也針對施工細節提出建議，以供業界參考。 另外，在近幾年的研究報告中發現，有學者針對耐震補強後建築物之外觀及 補強前後建築物之功能性與空間使用性進行進行相關研究，且也有針對補強後對 於生活在該建築物人員的心理影響或是一般民眾對於建築物補強後的觀感進行 探討。相信這些議題在未來會陸陸續續地被討論，因此未來在補強時不僅僅需考 量到建築物的耐震能力提昇，更需要在美觀上有更大的突破，以解除一般民眾對 於建築物補強後之疑慮。 最後，彙整國內各種補強施工法如表 2.1，其中常用之補強工法之施工細節 將於本章第五節中介紹。

第二章 耐震補強施工法回顧 表2.1 國內補強施工法之種類   工法名稱 強度 補強 韌性 補強 國內常用 補強工法 模組 開發

耐

震

補

強

工

法

構

件

混凝土包覆(擴柱) ● ● ● 鋼板包覆圍束補強 ● ● ● 鋼板包覆強度補強 ● ● ㄇ字型鋼板補強 ● RC 梁補強 ● ● 壁體補強 ● ● ● 壁體補強(碳纖布包覆) ● 翼牆加厚 ● ● CFRP 包覆補強 ● ● 裏銲接金屬網工法 ● 銲接閉鎖型箍筋工法 ● 裏帶板的工法 ● 輕質環氧樹脂砂漿補強 ● 鋼套管補強工法 ● 梁韌性補強法 ● RC 剪力牆 ● ● ●

結

構

系

統

 

鋼板剪力牆 ● 增設扶壁 ● 增設鋼骨X 型斜撐 ● ● ● 增設鋼骨K 型斜撐 ● ● 後拉式預力鋼棒 ● 柱旁增設RC 翼牆 ● ● ● 增設RC 複合柱 ● 隔間磚牆補強 ● ● 增建構架 ● 增建帶壁的構架 ● 腰壁、垂壁的去除 ● ● ● 拉力鋼斜撐補強工法 ● ● 壓力鋼斜撐補強工法 ● ● 鋼管支撐 【資料來源：本研究製作】

第四節

國內外補強案例探討

一、國內外補強案例資料蒐集與比較

國內目前已進行之耐震能力評估與補強之建物類型大都還是以學校校舍為 主，資料應該也相當豐富，但對於相關個案的細部補強設計資料乃屬於各設計單 位之財產，資料取得不易，僅能蒐集到個案所用之補強工法。本研究將所蒐集到 之資料以各工法所被採用的次數作統計(圖 2.1，以 58 個案例統計而得)，發現國 內大都以翼牆、新增剪力牆及擴柱等補強工法。從國家地震工程研究中心之報告 (NCREE-09-026)中提到，校舍耐震資訊網中截至 98 年底已蒐集近近 90 筆補強 設計結果之上傳資料，當中個案所採用的補強工法統計表如表2.2 所示，由表中 可知，擴大柱斷面補強、增設翼牆以及剪力牆三種工法較為國內工程師所採用。 在日本的部份，本研究也蒐集近40 個案例，其中依建築物用途分類可分為 校舍、體育館、集合住宅、商業設施。如果單純以校舍的施工法與國內校舍施工 法來比較，國內常用之工法與日本有明顯的不同，日本大量的使用了外部鋼骨支 撐。原因可能是鋼框架斜撐勁度適中，所承受之地震力較鋼筋混凝土剪力牆為 小，不致造成基礎補強設計太大的困擾，另外因外部鋼骨支撐之補強位置大部份 是在建築物之外側，在施工時對於週遭環境影響較小，且在完工並不會對建物的 使空間有較大的改變，因此不僅校舍大量使用此工法，在集合住宅也被廣為採 用。而在商業用的建築物方面，因位處商業中心，會有用地限制及施工性的考量， 則比較偏向以內嵌式鋼斜撐方式或加裝消能隔震裝置來達到耐震需求。

千葉 白 增設剪力牆 增設翼牆 增設斜撐 擴柱補強 鋼板包覆 基礎補強 補強案例 名稱 葉縣白井市 白井第二小學 表 預 牆 牆 撐 強 覆 強 採 市立 學 外部 撐 圖2.4 各工 【資料來源 表2.2 校舍耐 預定補強方案 247 254 8 217 7 159 【資料來 表 採用工法 部鋼骨支 、耐震壁 工法被採用 源：本研究自 耐震資訊網 案一 預定 來源：參考書 2.3 日本補 建築物 用途 校舍 用之統計圖 自行製作】 網補強方案統 定補強方案 179 206 56 266 8 155 書目59】 補強案例 施工 內部改 設多功 第二章 耐震 統計表 案二 最終 工概要 改造，新 功能廳 震補強施工法 最終補強方案 75 40 13 8 4 32 結構型式 RC 建築 法回顧 案 式 築

補強案例 名稱 採用工法 建築物 用途 施工概要 結構型式 靜岡縣静岡市立 賤機中學 外部鋼骨支 撐、耐震壁 校舍 補強外同時進 行屋頂的輕量 化 RC 建築 新潟縣十日町綜 合高中 鋼骨支撐、耐 震壁、翼牆 校舍 極脆性柱(短 柱)補強 RC 建築 新潟縣十日町高 中 鋼骨支撐、抗 震縫、耐震 壁、鋼板包 柱、碳纖維包 柱 校舍 上下梁設翼壁 留設抗震縫 RC 建築 青森縣階上町立 大蛇小學 耐震壁、碳纖 維包柱 校舍 廊道側柱補牆 及加設剪力牆 RC 建築 埼玉縣行田市立 埼玉小學 鋼骨支撐、外 部鋼骨支撐 校舍 南面 V 型鋼骨 支撐，北面採 整體外部鋼支 撐 RC 建築 富山縣富山市立 萩浦小學 耐震壁、鋼骨 支撐 校舍 建築物徑向增 設剪力牆 RC 建築 長野縣松本市立 明善中學 耐震壁 校舍 1 樓及 2 樓徑 向增設剪力牆 RC 建築 和歌山縣高野町 立高野山中學 鋼骨支撐、抗 震縫 校舍 徑向鋼骨支撐 補強，3 樓增設 抗震縫藉以改 善韌性 RC 建築 鳥取縣南部町立 法勝寺中學 增設翼牆、柱 鋼板包覆、PCa 支撐、鋼骨支 撐 校舍 1、2 樓徑向鋼 骨支撐及 PCa 支撐，1 樓柱鋼 板包覆並增設 翼牆 RC 建築 廣島縣吳市立白 岳小學校 鋼骨支撐、柱 碳纖維包覆 校舍 鋼骨支撐工廠 一體成型 RC 建築

第二章 耐震補強施工法回顧 補強案例 名稱 採用工法 建築物 用途 施工概要 結構型式 愛媛縣西條市立 西條北中學 鋼骨支撐 校舍 提供大量開口 以確保有足夠 採光及通風 RC 建築 東京市 大田區 新宿小學 鋼骨支撐 體育館 屋頂斜梁與柱 接頭部加固 上部鋼骨構 造，下部 RC 構 造 高知縣 高知市立 城東中学 外部水平桁架 鋼結構 體育館 在屋簷四周上 附加水平構面 鋼骨建築 新潟縣 川口町立川口中 學 鋼骨支撐 體育館 立柱加固的形 式採倒三角形 上框架構件。 鋼骨建築 宮城縣 涌谷町涌谷中學 屋頂 PC 改成 鋼骨板 體育館 更換易脫落之 屋頂構面 RC 建築 山梨縣丹波山村 立丹波中學 鋼骨支撐、柱 接頭補強 體育館 1、2 樓壁面鋼 骨支撐，2 樓柱 接頭補強 鋼骨建築 愛知縣名古屋市 立中根小學 屋頂 PC 改成 鋼骨板 體育館 拆除 PC 減輕自 重 上部鋼骨構 造，下部 RC 構 造 岡山縣津山市立 加茂中學 鋼骨支撐、耐 震壁 體育館 2 樓鋼骨支 撐，1 樓耐震壁 上部鋼骨構 造，下部 RC 構 造 香川縣山本町立 大野小學 鋼骨支撐、耐 震壁 體育館 與屋梁平行方 向採 K 型鋼骨 支撐 RC 建築 熊本縣合志市立 合志中學 鋼骨支撐 體育館 既有部分改以 鋼骨材質，另 新增一部分 上部鋼骨構 造，下部 RC 構 造 大分縣大分市立 宗方小學 鋼骨支撐 體育館 屋頂與壁面增 設鋼骨支撐 上部鋼骨構 造，下部 RC 構

補強案例 名稱 採用工法 建築物 用途 施工概要 結構型式 造 岐阜縣公營尾崎 住宅 C9 棟 制震補強 集合住 宅 外部制震補強 構架 1~4 樓 SRC、 5~9 樓 RC 東京都 外部鋼框架補 強 集合住 宅 既有結構體外 部增設鋼框架 及耐震壁與翼 牆 RC 建築 東京都杉並區 外部鋼框架補 強 集合住 宅 利用東側空地 增設外突框架 式構架補強 RC 建造 東京都涉谷區代 官山町 增設翼牆、耐 震壁 集合住 宅 短柱部分增設 腰側梁及翼 牆，停車場增 設剪力牆 RC 建造 東京都夏並區和 田 柱鋼板包覆 集合住 宅 3 棟住宅依序 施工，建物外 部周邊 1~4 樓 柱補強 RC 建造 島根縣松江市古 志原 制震補強 集合住 宅 1~4 樓粘彈性 阻尼器，2~4 樓浴廁外壁增 設制震壁補強 RC 建造 東京都豐島區南 長岐 免震裝置 集合住 宅 1 樓柱積層免 震裝置 RC 建造 高島屋 東京店 鋼骨制震、耐 震壁 商業設 施 夜間施工 SRC 建造 東京都 明治屋銀座 免震裝置 商業設 施 1 樓柱頭免震 工法 RC 建造 東京都 西武百貨店池袋 制震補強、柱 鋼板包覆、柱 商業設 施 層間變形控制 在 1/100，夜間 RC 建造

第二章 耐震補強施工法回顧 補強案例 名稱 採用工法 建築物 用途 施工概要 結構型式 本店 碳纖維包覆 施工 東京都 松屋銀座 耐震壁、柱鋼 板包覆 商業設 施 1、2 樓鋼骨斜 撐，變形目標 值 1/150 SRC 建造 橫濱市 松坂屋西館 耐震壁、柱鋼 板包覆、柱碳 纖維包覆 商業設 施 全館封館施 工、採 K 型及 V 型鋼骨耐震壁 SRC 建造 廣島市 南區松原町 鋼骨耐震壁、 柱鋼板包覆、 柱碳纖維包覆 商業設 施 前期維持營 運，後期全面 封館施工 SRC 建造 鹿兒島空港國內 線旅客航空站 耐震壁、制震 裝置 商業設 施 1 樓增設 RC 壁，粘滯性制 振壁 RC 建造 【資料來源：本研究自行製作】

二、國內補強個案分析

桃園縣北勢國民小學

1.建築物的基本介紹 本案例位於桃園縣平鎮市北勢國民小學，補強標的為 1986 年興建地上四 層、地下一層之典型校舍鋼筋混凝土建築物。在經業者初步的現場調查及材料試 驗，得知此建築物之結構系統有兩個缺失，一個為伸縮配置問題，另一為廁所及 樓梯間之高窗所造成的短柱問題；另外在鑽心試體試驗顯示混凝土強度嚴重不 足，平均抗壓強度僅132.2kg/cm2，遠小於原設計之210kg/cm2。 2 耐震能力評估與補強分析探討 本案例之耐震性能目標為0.264g，完整之補強設計流程如圖 2.5 所示，以下 針對各階段之補強分析進行探討：

第一階段(結構系統改善)： 根據初步評估的結果，先行改善結構系統的問題，首先把伸縮縫的部份 改善，使北大樓與兩側結構物完全分離，成為一個獨立的振動單元，以避免 受力不均，而造成大扭力的現象。在配置問題改善後，即進行第一次耐震能 力評估，評估結果如表2.4 所示長向為 0.088g，短向 0.274g，顯然在長向的 耐震能力遠小於需求0.264g，故進入第二階段之分析。 第二階段(改善短柱現象)： 因第一階段分析之結果在樓梯間與廁所旁之高窗有短柱現象而先行破 壞。因此建議拆除高窗，在以磚牆填充折除後高窗之開孔，並進行第二次耐 震能力評估，評估結果最大地表加速度提高到為 0.125g，但仍無法滿足 0.264g 的耐震目標，因此將進行補強設計之分析。 第三階段(補強設計分析) 在上一階段的結果中，因層間強度不足而造成一樓柱頂產生塑鉸破壞， 故工程師採用翼牆補強來提高整體強度。翼牆的配置方式以前後對稱的方式 來配置如圖2.5 中的(b)圖所示，配置好翼牆方式後接著進行第三階段之補強 後耐震能力評估，評估結果長向最大地表加速度為 0.295g，已滿足耐震目 標，分析完成。 在這個案例的補強過程中可看出工程師在進行補強設計的用心，一開始先以 結構系統的問題著手，藉由改善結構系統，發揮既有建築物的韌性和強度，不足 的部份在以補強的方法來提昇，而不是為了節省人力與時間的浪費，而一昧的利 用補強工具來執行補強設計，如此將可有效的節省補強工程的費用。而在補強工 法的選用與配置也考量到室內整體的動線和採光情形，盡量避免原使用空間的利 用。最後，在補強分析完成後，為了探討目前之補強工法是否已是最有效而經濟 的方法，工程師還更進一步分析僅採用翼牆補強而不考慮拆窗填磚牆的情況，探 討是否也能符合耐震目標。

無法 與現 缺點 減少 更具 因傳統翼 法一次澆灌 現有梁之間 點，亦可使翼 少現有梁上 具一整體性 翼牆施工法之 灌完成，而需 間採部分偏移 翼牆其中一 上之植筋數量 性。圖2.7~圖 之翼牆頂部 需進行無收縮 移至梁外側 一側之垂直向 量。此施工法 圖2.9 為補強 圖2.5 【資料來 部與梁間因模 縮水泥的二 側之設計圖 向主筋避開 法具有良好 強成果之照 補強設計流 來源：參考書 模版之關係 二次施工，因 2.6，而此設 開原有梁，而 好的施工性外 照片。 流程圖 書目60】 第二章 耐震 係，常常在澆 因此，此案 設置方式除 而由外側樓 外，對於補 震補強施工法 澆灌混凝土 案例特別將翼 除可解決上述 樓版直通，進 補強後之結構 法回顧 土時， 翼牆 述之 進而 構也

長向 短向 圖 方向 向 向 圖2.6 傳統翼 分析 向 表2.4 各 +X -X +Y -Y 【資料來 翼牆施工法 【資料來 析階段 各階段耐震能 第一階段 0.088 g 0.076 g 0.274 g 0.299 g 來源：參考書 法與本案採用 來源：參考書 能力評估結 第二階 0.1 0.1 0.2 0.2 書目60】 用之施工法 書目60】 結果 階段 第 25 g 34 g 74 g 99 g 法比較示意圖 第三階段 0.302 g 0.295 g 0.274 g 0.299 g 圖

圖 【資料 圖 【資料 【資料 2.7 廁所及 料來源：東建 圖2.8 翼牆 料來源：東建 圖2.9 翼 料來源：東建 及樓梯間補強 建工程顧問 牆偏移主筋直 建工程顧問 翼牆補強前後 建工程顧問 強前後比較 問有限公司提 直通施工照 問有限公司提 後比較圖 問有限公司提 第二章 耐震 較圖 提供】 照 提供】 提供】 震補強施工法法回顧

三、日本補強個案分析

1. 日本-城星學園高校

1.1 建築物的基本介紹 本補強案例是由鋼筋混凝土所建造的 4 層樓建築物，地點位於大阪市中央 區，建築面積為801 ，校舍於1960 年竣工，因校舍老舊，內部裝修需大規模 更新，且建築物外部有部分混凝土脫落，使鋼筋外露，校舍之安全性著實讓人擔 憂，因此校方藉此翻修機會一併進行校舍之耐震能力評估，經評估後，其 X 方 向(長向)的耐震指標 Is 不符合規定，因此判定需要進行耐震補強。 1.2 補強方法與限制條件 經耐震診斷後，此校舍於長方向（Ｘ方向）的抗耐震指標小於規範規定的 0.7（Is 值介於 0.4 與 0.6 之間），因此需進行耐震補強，一般而言，校舍補強礙 於經費的考量，大部份會以耐震補強來提升結構物之耐震性能，而很少以隔震或 減震的方式來提升。 本案例因受教學空間與環境因素的限制，只能利用暑假期間進行重大工程的 施工，因此，此補強工程之工期必須在40 天內完工；另外，考量到校舍空間之 使用性與採光性，需盡可能保有校舍原有的內部空間配置。根據上述因素，本案 例最後採用”外部預鑄混凝土框構架補強”工法進行補強。補強配置如圖 2.10 所 示，由配置圖中可知，此案例主要是在校舍的東、西兩側之外部牆面上配置補強 框構架，用以加強原結構物之勁度與強度，而在建築物內部則是搭配柱構件鋼板 包覆補強，增加構件之韌性與強度，如此將可大大提升建築物之耐震能力。 外部預鑄混凝土構架補強在柱的部分是採用預鑄混凝土，可以省去混凝土澆 鑄與養護的時間，縮短工期，且品質容易管控。再者因為其補強框架位於建築物 外部，不僅易於改修，而且也能保有校舍原有的內部使用空間，其補強前後之外 觀如圖2.11。 1.3 補強施工法探討

著在 2.12 原有 2.12 2.12 施工流程 在欲架設補 2b)。打錨後 有的混凝土 2d)、組立模 2e)，而在柱 程簡介如下 補強構架處之 後，將預鑄 土柱與預鑄混 模板、進行 柱接合時， ，首先施作 之牆外壁的 鑄混凝土柱吊 混凝土柱接 澆鑄。該樓 接合處須以 (a)一 (b 圖2.10 【資料來 作柱位的基礎 的砂漿去除並 吊入工地(圖 接合，完成安 樓層完成後 以無收縮水 一樓補強平面 b)補強立面 0 補強構件 來源：參考書 礎，然後在 並清理乾淨 圖2.12c)，並 安裝。接著 ，在接續吊 水泥砂漿填補 面配置圖 面配置圖 件配置圖 書目49】 第二章 耐震 在架設鷹架( 淨，然後進行 並且利用環 著配置梁之主 吊裝下一預鑄 補(圖 2.12f) 震補強施工法 (圖 2.12a) 行錨碇打設 環氧樹脂砂漿 主筋與箍筋 鑄混凝土柱 )。 法回顧 ，接 設(圖 漿將 筋(圖 柱(圖

(c) 圖片 圖a. )將預鑄混凝 (e)兩預鑄混 (a) 片來源http:// .鷹架配置狀 凝土吊入工 混凝土柱接 圖2 )補強前的外 圖2.11 /www.taken 狀況圖 工地並進行安 接合時之情況 2.12 外附預 【資料來 外觀 1 補強前後 naka.co.jp/n 安裝 況 (f)兩 預鑄混凝土 來源：參考書 後之外觀 news/pr9908 圖b.去除 (d)配置 兩預鑄混凝 土構架施工順 書目49】 (b)補 8/m9908_03 除牆外壁砂漿 置樑之主筋與 凝土柱採無收 順序 補強後的外 3.htm 漿與打錨 與箍筋 收縮水泥接 外觀 接合

第二章 耐震補強施工法回顧

2. 日本-市川市立大柏小學校舍

2.1 建築物的基本介紹 本校舍補強案例是由鋼筋混凝土所建造的4 層樓建築物，地點位於千葉縣市 川市立大野町二丁目1887 番，樓地板面積 1331 平方公尺，於 1967 年竣工。本 校舍因建物老舊且在長方向(X 方向)剪力牆數目甚少，經耐震能力評估後其耐震 指標(Is 值)不符規定，因此判定需要進行耐震補強，補強前後之外觀如圖 2.13。 2.2 補強要點 經耐震診斷後，此校舍於長方向（Ｘ方向）的抗耐震指標小於規範規定的 0.75，因此需進行耐震補強。學校因教學時間之限制，補強工程只能在暑假期間 進行，工期甚短，且為了在補強後還能保持良好的採光與通風，故本案例選用平 行預力鋼索補強工法與增設鋼斜撐框架補強工法來增加建築物之耐震能力。平行 預力鋼索補強工法是利用一 PCa 塔柱與原結構相連，加強整體結構之勁度，並 透過鋼索來減少各樓層的受力傳遞至基礎中，消散地震能量，並降低各樓層的位 移(圖 2.14)。 另外，此工法因鋼索對稱且平行配置，線條簡單輕快，對於建築物外觀的又有加 分作用，讓人印象深刻。再者，此補強構架配置於建物外部，對於室內空間的運 用、通風、採光幾乎沒有影響，且如果因天災或是意外發生而導致工期延期，此 工法仍可在施工的狀況下，持續使用建築物。 2.3 補強施工法探討 施工流程簡介如圖2.15a~f 所示，因此補強工法主要是將主結構之水平受力傳遞 至補強之 PCa 柱，然後在由預力鋼索將力量傳至地梁。因此，如何將 PCa 柱與 原結構有效結何將是此補強施工要點。圖2.15e 所示，在 PCa 柱的部份並需要有 夠大的面積與原結構體相接，並錨碇至原結構之梁內，且需與原結構走廊之板做 有效的結合，如此方能確保原結構物能有效的傳遞力量。

(a) 補強前前 圖2.13 【資料來 圖2.14 【資料來 校舍補強前 來源：參考書 4 補強原理 來源：參考書 ( 前後外觀 書目49】 理示意圖 書目49】 (b) 補強後 後