低矮鋼筋混凝土街屋具典型開口外牆之耐震行為研究

低矮鋼筋混凝土街屋具典型開

口外牆之耐震行為研究

內 政 部建 築研 究 所委 託研 究 報告

中華民國 102 年 12 月

PG10202-0018

低矮鋼筋混凝土街屋具典型開

口外牆之耐震行為研究

受委託者：國立台灣科技大學營建系

研究主持人：歐昱辰

協同主持人：陳正誠

研 究 員：李宏仁

研 究 助 理 ：杜昱石

內 政 部建 築研 究 所 委 託研 究 報告

中華民國 102 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）

I

目 次

表 次 ... V

圖 次 ... VII

摘 要 ... XVII

第一章 緒論 ... 1

第一節 研究緣起與背景 ... 1

第二節 研究方法及過程 ... 3

第二章 文獻回顧 ... 11

第一節 牆體行為與相關設計規範 ... 11

第二節 近年國外相關文獻回顧 ... 20

第三節 近年國內相關研究情況 ... 25

第四節 國內相關法規整理及工程實務訪談 ... 34

第五節 台灣典型街屋(沿街店鋪式住宅)之結構特徵47

第三章 以有限元素軟體分析 RC 牆體之相關參數驗證

及模型建立 ... 55

第一節 非線性有限元素法分析 ... 55

第二節 實例驗證模型分析之結果 ... 55

第三節 DIANA 分析模型參數之設定及假設 ... 69

第四章 開口牆體之初始側向勁度 DIANA 分析結果對

照 ... 75

II

第一節 以有限元素軟體 DIANA 做開口牆體初始勁

度分析 ... 75

第二節 實心牆之有效勁度及開口勁度折減係數... 76

第三節 研究團隊所提出之含開口 RC 牆體初始勁度

評估方法(勁度計算法) ... 81

第四節 各勁度計算法結果之比較 ... 86

第五章 開口牆體之側向強度 DIANA 分析結果對照 ... 95

第一節 實心牆之側向強度及開口強度折減係數... 95

第二節 各側向強度計算法結果之比較 ... 98

第六章 DIANA 軟體分析開口位置對牆體之影響 ... 107

第七章 試體設計及載重試驗 ... 115

第八章 結論與建議 ... 119

第一節 結論 ... 119

第二節 建議 ... 121

附錄一 期初評選會議紀錄文件 ... 123

附錄二 議價紀錄文件及廠商回應表 ... 133

附錄三 專家座談會會議紀錄及簽到表 ... 139

附錄四 期中審查會議紀錄及簽到表 ... 163

附錄五 期末審查會議紀錄及簽到表 ... 177

附錄 A 試體設計圖 ... 193

III

附錄 B 試體製作相關照片 ... 203

附錄 C 勁度計算法範例 ... 231

參 考 書 目... 237

V

表

次

表 1- 1 預定之研究進度 ... 3

表 2- 1 建築技術規則設計施工編第四十一條 ... 35

表 2- 2 建築技術規則設計施工編第一條部分節錄 ... 35

表 2- 3 建築技術規則設計施工編第四十二條 ... 37

表 2- 4 建築技術規則設計施工編第三十二條 ... 38

表 2- 5 建築技術規則設計施工編第一條部分節錄 ... 38

表 2- 6 建築技術規則設計施工編第四十五條 ... 39

表 2- 7 建築技術規則設計施工編第八十六條 ... 41

表 2- 8 建築技術規則設計施工編第一條部分節錄 ... 41

表 2- 9 建築技術規則設計施工編第七十九條部分節

錄 ... 42

表 2- 10 建築技術規則設計施工編第七十三條部分節

錄 ... 42

表 2- 11 混凝土結構設計規範第七章 7.6 條部分節錄 ... 43

表 2- 12 混凝土結構設計規範第七章 7.7 條 ... 44

表 2- 13 混凝土結構設計規範第七章 7.4 條 ... 46

表 2- 14 實際案例中所用之材料強度 ... 52

表 3- 1 斷面大小及常用鋼筋資料 ... 60

表 3- 2 開口周圍配置之鋼筋資料 ... 60

VI

表 3- 3 鋼筋之力學性質 ... 60

表 3- 4 混凝土之力學性質 ... 61

表 3- 5 試體 W-3 相關細節 ... 64

表 3- 6 材料參數 ... 65

表 3- 7 材料參數 ... 68

表 4- 1 勁度折減係數... 88

表 4- 2 勁度計算 ... 89

表 4- 3 各勁度計算法之比較表 ... 89

表 6- 1 高向開口模擬分析結果 ... 108

表 6- 2 橫向開口模擬分析結果 ... 109

表 6- 3 高向開口左、右向側推結果 ... 110

表 6- 4 橫向開口左、右向側推結果 ... 111

表 6- 5 含開口強構架對稱配置模擬分析結果 ... 113

VII

圖 次

圖 1- 1 研究流程圖 ... 4

圖 2- 1 牆體初步強度計算所考慮的力量配置 ... 14

圖 2- 2 特殊邊界構材... 15

圖 2- 3 普通邊界構材... 15

圖 2- 4 法二決定邊界構材 ... 17

圖 2- 5 牆墩上側與下側水平鋼筋傳遞剪力 ... 18

圖 2- 6 低矮結構牆剪力破壞模式：(a)與(b)剪拉破壞；

(c)與(d)剪壓破壞；(e)牆底摩擦剪力破壞 ... 19

圖 2- 7 具開口之低矮結構牆壓拉桿模型 ... 20

圖 2- 8 試體設計與加載系統 ... 21

圖 2- 9 最大側力時最大與最小主應力分布 ... 21

圖 2- 10 Warashina 等研究之試體設計 ... 22

圖 2- 11 Warashina 等研究測試結果與分析比對 ... 22

圖 2- 12 Sakurai 等研究之試體外觀 ... 23

圖 2- 13 Sakurai 等研究之試體加載方式與測試結果 .... 23

圖 2- 14 Ermine 等研究之試體加載方式、試體設計、

試驗結果 ... 24

圖 2- 15 李宏仁研究試體之設計及測試結果: (a)試體

A；(b)試體 B ... 26

VIII

圖 2- 16 許茂雄教授研究之分析結果: (a)一樓補強前；

(b)一樓補強後 ... 27

圖 2- 17-1 黃世建教授研究試體之設計與測試結果:

(a)大面積開一窗 ... 28

圖 2- 18-3 黃世建教授研究試體之設計與測試結果:開

一門 ... 30

圖 2- 19 李有豐教授研究之非韌性雙層雙跨含牆 RC

構架之擬動態分析試體設計及試驗結果：(a)

試體未補強前最大加速度為 2.0 時之遲滯迴圈；

(b)試體補強後最大加速度為 2.0 時之遲滯迴圈

... 31

圖 2- 20-1 邱耀正教授研究試體之設計: (a)中型牆板

試體鋼筋及鋼板配置參數表；(b)低型牆板試體

鋼筋及鋼板配置參數表 ... 32

圖 2- 21-2 邱耀正教授研究試體之設計:扇形配筋設計

... 33

圖 2- 22-1 試體之測試結果 ... 33

圖 2- 23-2 試體之測試結果: (a)試體 MWG1 載重-總

位移圖；(b)試體 MWG2 載重-總位移圖；(c)

試體 MWG3 載重-總位移圖；(d)試體 LWG1

載重-總位移圖；(e)試體 LWG2 載重-總位移圖

... 34

圖 2- 24 台灣典型之屋後外牆開口配置 ... 48

IX

圖 2- 25 觀察到之實際街屋(沿街店鋪式住宅)開口配

置圖 ... 49

圖 2- 26 觀察到之實際街屋(沿街店鋪式住宅)開口配

置圖 ... 50

圖 2- 27 實務設計上鋼筋配置因牆厚不同所做不同之

配置 ... 50

圖 2- 28 牆厚度與所採用之鋼筋配置 ... 51

圖 2- 29 開口周圍補強配筋細節 ... 52

圖 2- 30 結構牆與柱接合配筋詳圖說範例 ... 53

圖 2- 31 結構牆與梁接合配筋圖說範例 ... 54

圖 3- 1 Yanez 所研究的試體 ... 56

圖 3- 2 DIANA 模擬模型細節(a)S2、(b)S3、(c) S5、

(d)S6... 57

圖 3- 3 軟體模型模擬結果與 Yanez 實驗數據做比較

(a)S2、(b)S3、(c)S5、(d)S6 ... 58

圖 3- 4 Doi 等試驗試體 L1 和 L2 配筋細節 ... 61

圖 3- 5 DIANA 模擬模型配筋細節：(a)L1、(b)L2 ... 62

圖 3- 6 軟體模型模擬結果與 Doi 等實驗數據做比較

L1 (a)和 L2 (b) ... 63

圖 3- 7 試體 W-3 配筋細節 ... 64

圖 3- 8 試體 W-3 DIANA 模型之建立 ... 66

圖 3- 9 DIANA 模型模擬與實際試驗之結果對照 ... 67

X

圖 3- 10 試體 O1 之幾何形狀和 DIANA 模型網格 ... 68

圖 3- 11 DIANA 模型模擬與實際試驗之結果對照 ... 69

圖 3- 12 有限元素材料特性 ... 70

圖 3- 13 DIANA 模型之邊界條件及載重 ... 71

圖 3- 14 反覆載重歷程 ... 71

圖 3- 15 旋轉裂縫角理論 ... 72

圖 3- 16 混凝土應力應變曲線；(a)拉力、(b)壓力 ... 73

圖 3- 17 鋼筋材料之雙線性應力應變曲線 ... 73

圖 3- 18 模型構架之鋼筋配置細節範例 ... 74

圖 4- 1 定義初始勁度之方法 ... 76

圖 4- 2 Neuenhofer 提出之折減係數計算法 ... 78

圖 4- 3 網格狀筋及混凝土交互作用於牆板內形成拉、

壓力桿 ... 82

圖 4- 4 類行架模型比擬受剪切變形之牆板 Bing Li

and Weizheng Xiang ... 83

圖 4- 5 勁度分析比較用開口牆相關尺度 ... 87

圖 4- 6 含窗開口之勁度計算結果比較 ... 90

圖 4- 7 含窗及空調開口之勁度計算結果比較 ... 91

圖 4- 8 含窗及門開口之勁度計算結果比較 ... 91

圖 4- 9 含門開口之勁度計算結果比較 ... 92

圖 4- 10 含窗開口之勁度計算結果比較 ... 93

XI

圖 5- 1 Ono’s 折減係數計算示意圖 ... 98

圖 5- 2 含窗開口牆體 Ono’s 強度折減係數計算示意

圖 ... 99

圖 5- 3 含窗及空調開口牆體 Ono’s 強度折減係數計

算示意圖 ... 99

圖 5- 4 含窗及門開口牆體 Ono’s 強度折減係數計算

示意圖 ... 100

圖 5- 5 含門開口牆體 Ono’s 強度折減係數計算示意

圖 ... 100

圖 5- 6 含窗開口牆體 Ono’s 強度折減係數計算示意

圖 ... 101

圖 5- 7 含窗開口牆體強度計算結果比較 ... 102

圖 5- 8 含窗及空調開口牆體強度計算結果比較 ... 103

圖 5- 9 含窗及門開口牆體強度計算結果比較 ... 103

圖 5- 10 含門開口牆體強度計算結果比較 ... 104

圖 5- 11 含窗開口牆體強度計算結果比較 ... 104

圖 6- 1 分析模型配筋細節示意圖 ... 107

圖 6- 2 模型分析單垮實心牆側推得到之應力分布 ... 114

圖 6- 3 模型分析單垮實心牆側推得到之應力分布 ... 114

圖 7- 1 實驗試體開口配置 ... 116

圖 7- 2 試體試驗加載方式示意圖 ... 116

圖 7- 3 載重歷程 ... 117

XII

圖 A. 1 基礎斷面、柱斷面、加載梁斷面 ... 194

圖 A. 2 加載梁側視圖、試體上視圖、基礎側視圖 ... 195

圖 A. 3 柱主筋向基礎、加載梁內錨定示意圖 ... 196

圖 A. 4 試體 1、無開口試體牆筋配置及錨定深度示意

圖 ... 197

圖 A. 5 試體 2、右側開門 90x250 左側牆面中央開窗，

高程 140、尺度 90x90 ... 198

圖 A. 6 試體 2 開口配置及補強筋配置圖 ... 198

圖 A. 7 試體 3、右側開門 90x250 右側牆面開窗，高

程 140、尺度 90x90 ... 199

圖 A. 8 試體 3 開口配置及補強筋配置圖 ... 199

圖 A. 9 試體 4、右側開門 90x250 左側牆面右方開窗，

高程 110、尺度 90x140 ... 200

圖 A. 10 試體 4 開口配置及補強筋配置圖... 200

圖 A. 11 試體 5、右側開門 90x250 左側牆面右方開窗，

高程 110、尺度 150x140 ... 201

圖 A. 12 試體 5 開口配置及補強筋配置圖... 201

圖 B. 1 底板放樣、PVC 管位定位及基礎鋼筋組立 ... 204

圖 B. 2 基礎鋼筋及柱主筋組立 ... 204

圖 B. 3 柱箍筋延伸配置進基礎內 ... 205

圖 B. 4 柱主筋 90 度彎鉤後伸展至基礎內錨定 ... 205

圖 B. 5 基礎兩側腰筋 ... 206

XIII

圖 B. 6 基礎鋼筋及柱主筋組立 ... 206

圖 B. 7 基礎側模板組立 ... 207

圖 B. 8 基礎 PVC 管與基礎鋼筋綁定處理 ... 207

圖 B. 9 需垂直錨定入基礎內牆筋綁紮 ... 208

圖 B. 10 開口邊垂直牆筋截斷高度水準線 ... 208

圖 B. 11 開口邊垂直牆筋截斷高度水準線 ... 209

圖 B. 12 以高壓空氣噴槍清潔基礎底板 ... 209

圖 B. 13 基礎前後側版組立 ... 210

圖 B. 14 灌漿前基礎 PVC 套管防護處理 ... 210

圖 B. 15 基礎預埋管定位最後確認 ... 211

圖 B. 16 灌漿前試體整治後全貌 ... 211

圖 B. 17 灌漿前泵送車進場準備 ... 212

圖 B. 18 進行灌漿作業 ... 212

圖 B. 19 進行灌漿作業 ... 213

圖 B. 20 進行灌漿作業震動搗實 ... 213

圖 B. 21 坍度及抗壓圓柱試驗試體取樣 ... 214

圖 B. 22 進行坍度試驗 ... 214

圖 B. 23 進行坍度試驗 ... 215

圖 B. 24 進行坍度試驗 ... 215

圖 B. 25 坍度 18.7cm ... 216

圖 B. 26 灌漿完成後基礎表面抹平 ... 216

XIV

圖 B. 27 牆、柱工作輔助筋去除 ... 217

圖 B. 28 後續施工用鷹架搭設 ... 217

圖 B. 29 柱箍筋完整組立 ... 218

圖 B. 30 柱箍筋完整組立 ... 218

圖 B. 31 柱箍筋彎鉤位置輪換 ... 219

圖 B. 32 柱繫筋彎鉤位置輪換 ... 219

圖 B. 33 柱箍筋綁紮完成及上部加載樑鋼筋組立 ... 220

圖 B. 34 柱及牆測模板組立 ... 220

圖 B. 35 牆筋綁紮及加載梁內預力螺桿預留管位定位 221

圖 B. 36 加載梁內預力螺桿預留管位定位用鋼架(鋼

筋焊接製) ... 221

圖 B. 37 垂直牆筋及水平牆筋應變計施作 ... 222

圖 B. 38 垂直牆筋及水平牆筋應變計施作 ... 222

圖 B. 39 雙層牆筋配置時固定層間間距之繫筋 ... 223

圖 B. 40 應變計之走線及保護 ... 223

圖 B. 41 固定牆厚用鐵件 ... 224

圖 B. 42 後續封模 ... 224

圖 B. 43 模板側向加強固鎖(牆側) ... 225

圖 B. 44 模板側向加強固鎖(柱側) ... 225

圖 B. 45 梁頂吊鉤預留 ... 226

圖 B. 46 加載梁預力螺桿預留管穿鋼管加強防灌漿導

XV

致彎取過大 ... 226

圖 B. 47 第二部分灌漿(前三座試體)坍度試驗 ... 227

圖 B. 48 坍度 15cm ... 227

圖 B. 49 第三部分灌漿(後二座試體)坍度試驗 ... 228

圖 B. 50 坍度 19.3cm ... 228

圖 B. 51 灌漿完成後 3 天開始拆模 ... 229

圖 B. 52 拆模完成後試體全觀 ... 229

XVII

摘 要

關鍵詞：鋼筋混凝土構造、街屋(沿街店鋪式住宅)、屋後牆、開口、耐 震 一、研究緣起 低矮鋼筋混凝土連棟街屋(沿街店鋪式住宅)為國內相當普遍的建 築形式，此種建築沿街道方向之牆體由於通道、通風與採光之需求，常 存在相當面積之開口，導致牆體與相連梁柱構架之耐震行為異於典型含 牆構架。其中梯間牆構架之耐震行為已於建研所民國 99 年委託案「梯 間牆對低層 RC 造沿街連棟建築物耐震性能之影響」中獲得相當程度的 瞭解，惟吾人對於屋後外牆之耐震行為所知仍極為有限。 對於街屋(沿街店鋪式住宅)屋後外牆此議題，國內欠缺相關試驗研 究，又國外相關研究因時空背景與地理條件上之不同（牆體開口特徵、 配筋細節等），是否適用於國內街屋(沿街店鋪式住宅)屋後外牆亦有待 試驗研究釐清。本研究之目的，在於透過大尺寸構架之耐震試驗，瞭解 含典型開口型式與配筋之屋後外牆構架之耐震行為，並研究開發新型韌 性消能配筋形式，並經實驗驗證其具有適當之耐震行為，以研擬配套之 設計規範條款以利工程界參考使用。 二、研究方法及過程 本研究案之研究工作包括資料蒐集與整理、試體設計、試體製作、 含開口牆之剪力行為試驗、材料機械性質試驗、實驗數據整理與分析、 分析模型之建立、相關規範條文之檢討以及報告與期刊論文撰寫等步驟。

XVIII 採用的研究方法敘述如下：1. 文獻之收集與整理；2.含開口牆試體之反 覆載重實驗；3. 鋼筋及混凝土基本材料實驗；4. 規範條文適用性評估； 5. 舉辦專家座談會。 首先將廣泛蒐集與整理與本研究相關的文獻，包括相關設計規範， 以及具開口結構牆試驗、簡化分析方法、有限元素分析方法相關文獻， 作為試驗規劃、分析模型建置之參考。接著進行試體初步設計，並召開 專家座談會，就試體設計、試驗步驟與結構分析模型，廣泛吸納業界與 學界專家之意見。與此同時本計畫將收集台灣典型街屋(沿街店鋪式住 宅)的平面圖、立面圖、結構平面圖及鋼筋配置圖(配筋圖)等資料，記錄 台灣街屋(沿街店鋪式住宅)屋後牆的典型開口形式及鋼筋配置的細節， 建立台灣街屋(沿街店鋪式住宅)開口形式與配筋細節的資料庫。 三、重要發現 經過相關資料文獻蒐集及研究後發現，街屋(沿街店鋪式住宅)屋後 外牆具有一定之特徵，例如開口大小、開口配置、牆體厚度和材料強度、 牆體配筋細節等，吾人可以依照上述之結果設計出適當之實驗試體。 本研究以有限元素軟體分析開口牆體之行為及性能，對照文獻內之 式體測試數據，可有效模擬出開口牆體之式沿結果。研究並提出一套依 照理論所推衍出之勁度分析方法，對照 DIANA 軟體分析和既有之其他 開口勁度計算方法可得到相當優異之計算結果；強度之評估方法仍待更 進一步之研究。 收集所得之資料(規章條文、實際案例工程圖說)可歸納出屋後外牆 典型開口型式、相關尺度、配筋細節等，可進一步據此分析、比對傳統 和新式配筋之性能差異，尚待後續研究進行更進一步之探討。

XIX 以 DIANA 軟體分析開口位置影響牆體強、勁度發現: a. 開口位於牆中心時，開口越往上移(越接近側力傳入處-樓地板)， 勁度越低(側力無法有效散佈、傳遞至下部)，強度亦越低。 b. 具偏心開口時，兩向(向左、向右)的勁度會以較易形成壓桿機制 的一向略高一些；勁度之差異以開口越小越明顯。 c. 牆開口後將會改變原有左右兩牆段之 hw/lw 值 ，整體行為可由 兩牆段綜合得知，會相較於未開口前更具撓曲行為。 d. 規範 AIJ&ACI 因開口之強度折減於開口較大時折減過多，過於 保守。 e. 牆面設計時，保留較大完整牆塊(即開口相互集中或者分開)可得 較高之強、勁度。 f. 偏心開口沿牆方向之正負向有不同之牆、勁度，於連棟街屋(沿 街店鋪式住宅)時，可透過兩兩對稱配置得較均於之性能。 g. 相同開口面積下，開高向之開口性能較優於開橫向之開口。 h. 軟體分析顯示，牆面壓桿性能之發展與傳統之等效斜撐概念不 盡相同，待以實際實驗加以確認。 研究調查及過去的經驗顯示，街屋(沿街店鋪式住宅)沿平行街道方 向常為脆性破壞，乃強度控制，因此要解決街屋(沿街店鋪式住宅)耐震 性能之問題或可從「如何讓平行街道向之構材具有足夠之強度以抵抗地 震力」來著手，可考慮之方式有提高屋後牆及梯間牆之強度要求(提高 鋼筋比、加厚牆尺寸、增加翼牆等)、提高柱之側向抵抗能力等。

XX 四、主要建議事項 根據研究發現，本研究針對具開口屋後外牆，提出下列具體建議。 以下分別從立即可行建議及中長期建議加以列舉。 建議一 (建議事項)立即可行建議：具開口 RC 牆體強度與勁度計算方法 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中國土木水利工程學會混凝土工程委員會、內政部營建署 現行混凝土結構設計規範欠缺計算開口 RC 牆體之強度與勁度方法， 導致工程師設計開口 RC 牆體上之困難（常見開口 RC 牆體如低矮沿街 店鋪式 RC 建築屋後牆與梯間牆、以及大樓 RC 外牆）。建議行文中國 土木水利工程學會混凝土工程委員會與內政部營建署，建請將本研究研 擬之開口 RC 牆體強度與勁度計算方法納入現行混凝土結構設計規範中， 使工程師設計上有所依循。 建議二 (建議事項)立即可行建議：低矮沿街店鋪式鋼筋混凝土建築屋後牆開口 配置建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關： 開口之配置顯著影響屋後牆之抗剪強度，惟目前工程界欠缺開口配 置準則。建議將本研究研擬之開口配置準則行文建築師、土木與結構技 師公會，以使建築師與技師於屋後牆開口配置上有所依循。

XXI 建議三 (建議事項)立即可行建議：辦理研討會，推廣研究成果 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：台灣建築中心 藉由研討會之舉辦，廣邀建築師、土木與結構技師公會人員、執業 建築師、土木與結構技師，各大學與研究機構人員與會，推廣本研究之 研究成果。

XXIII

ABSTRACT

Keyword：Reinforced concrete structures, street house, backside exterior walls, opening, seismic.

The 1999 Chi-Chi earthquake in Taiwan caused numerous building damage and collapse. A large percentage of damaged and collapsed buildings are low-rise reinforced concrete buildings with pedestrian corridors and open fronts on the ground floors, referred to as street houses herein. This type of building (street houses) typically was damaged along the direction of the street due to the much less volume of walls along this direction than the direction perpendicular to the street. Since street houses are very common in Taiwan, there is an urgent need for seismic evaluation and retrofit of existing street houses and for improved design method for new street houses. Since structural walls possess significant seismic capacity, appropriate seismic evaluation and design of street houses requires information on the seismic behavior of walls in street houses perpendicular to the street direction. Typically, there are two types of walls along this direction. One is the wall besides the stairs and the other one is the wall in the back exterior side of the house. The seismic behavior of stairs wall has been studied previously in a 2010 ABRI research project. This research will examine the seismic behavior of the backside exterior wall.

The backside exterior wall of street houses usually contains openings for doorway, kitchen ventilation and toilet windows in the first floor. In the second floor, the exterior wall typically has a window opening. The seismic evaluation and design for the backside exterior wall with typical

XXIV

openings in Taiwan is still not clear. Moreover, the seismic performance of this type of wall with reinforcement detailing typical in Taiwan is questionable.

The objective of this research is to propose seismic evaluation and design method for backside exterior walls with typical opening pattern of street houses in Taiwan. Two large-scale two-story structural wall systems will be designed and constructed. One wall system will be equipped with conventional reinforcement detailing typical in Taiwan. The other one will be designed with proposed reinforcement detailing to improve the seismic performance. Lateral cyclic loading will be applied to investigate the seismic behavior of the walls. Based on the observed behavior, analytical models including strength and ductility evaluation and the finite element model will be developed and verified. With the developed analytical models, seismic evaluation and design methods for backside exterior walls with typical openings for street houses will be proposed. Results of this research will improve the seismic evaluation and design of street houses, leading to a more economical seismic retrofit and a safer new design of such structures.

1

第一章 緒論

第一節 研究緣起與背景

壹、研究緣起

低矮鋼筋混凝土連棟街屋(沿街店鋪式住宅)為國內相當普遍的建 築形式，此種建築沿街道方向之牆體由於通道、通風與採光之需求，常 存在相當面積之開口，導致牆體與相連梁柱構架之耐震行為異於典型含 牆構架。其中梯間牆構架之耐震行為已於建研所民國 99 年委託案「梯 間牆對低層 RC 造沿街連棟建築物耐震性能之影響」[ 27]_{中獲得相當程} 度的瞭解，惟吾人對於屋後外牆之耐震行為所知仍極為有限。 對於街屋(沿街店鋪式住宅)屋後外牆此議題，國內欠缺相關試驗研 究，又國外相關研究因時空背景與地理條件上之不同（牆體開口特徵、 配筋細節等），是否適用於國內街屋(沿街店鋪式住宅)屋後外牆亦有待 試驗研究釐清。本研究之目的，在於透過大尺寸構架之耐震試驗，瞭解 含典型開口型式與配筋之屋後外牆構架之耐震行為，並研究開發新型韌 性消能配筋形式，並經實驗驗證其具有適當之耐震行為，以研擬配套之 設計規範條款以利工程界參考使用。

貳、研究背景

豐富的地質活動及天候變化形塑了「婆娑之洋、美麗之島」的台灣。

2 多地震及多颱風的自然環境，是生活在這片土地上的每一個人，所必須 學習面對及適應的共同課題。然而對於地震這種天災，以目前的科學技 術仍無法準確預測其可能發生的時間、地點與規模，對人民生命安全和 財產仍為一大威脅。 論地震對台灣之影響不得不提的是，1999 年 9 月 21 日發生的集集 大地震，台灣全島均感受到嚴重搖晃，共持續 102 秒，造成 2,415 人死 亡，29 人失蹤，11,305 人受傷，51,711 間房屋全倒，53,768 間房屋半 倒，其中又以台灣中部受災最為嚴重，乃台灣戰後傷亡損失最慘重的天 災。而倒塌的建築中有相當大比例是一層至三層樓低矮鋼筋混凝土、具 騎樓且面騎樓向有開放式開口的街屋(沿街店鋪式住宅)構造，與本案研 究課題息息相關。 低矮鋼筋混凝土連棟街屋(沿街店鋪式住宅)為國內相當普遍的建 築形式，此種建築沿街道方向之牆體由於通道、通風與採光之需求，常 存在相當面積之開口，導致牆體與相連梁柱構架之耐震行為異於典型含 牆構架。其中梯間牆構架之耐震行為已於建研所民國 99 年委託案「梯 間牆對低層 RC 造沿街連棟建築物耐震性能之影響」[ 27]_{中獲得相當程} 度的瞭解（李宏仁等, 2010），惟吾人對於屋後外牆之耐震行為所知仍極 為有限。 對於街屋(沿街店鋪式住宅)屋後外牆此議題，國內欠缺相關試驗研 究，又國外相關研究因時空背景與地理條件上之不同（牆體開口特徵、 配筋細節等），是否適用於國內街屋(沿街店鋪式住宅)屋後外牆亦有待 試驗研究釐清。本研究之目的，在於透過大尺寸構架之耐震試驗，瞭解 含典型開口型式與配筋之屋後外牆構架之耐震行為，並研究開口大小、 形狀、位置等因素對牆體行為之影響，並經實驗驗證之，以研擬配套之

3 設計規範條款以利工程界參考使用。

第二節 研究方法及過程

本研究案研究方法包括：(1) 文獻之收集與整理；(2)開口結構牆試 體之反覆載重實驗；(3) 鋼筋及混凝土基本材料實驗；(4) 規範條文適 用性評估；(5) 舉辦專家座談會，邀請產、官、學各界參與討論，檢視 所研擬機制的可行性及周延性；(6) 報告及期刊論文之撰寫。本研究預 定之進度表如表 1- 1 所示，流程如圖 1- 1 所示，採用的研究方法及進 度說明敘述如後。

表 1- 1 預定之研究進度

月次 工作項目 第 1 月 第 2 月 第 3 月 第 4 月 第 5 月 第 6 月 第 7 月 第 8 月 第 9 月 第 10 月 第 11 月 備 註 資資料蒐集 整理 期中報告 試體設計 試體製作 執行測試 數據分析 期末報告 預定進度 (累積數) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(資料來源：本研究整理)

4

圖 1- 1 研究流程圖

(資料來源：本研究整理)

5

壹、文獻之收集與整理

收集、整理相關文獻，一方面避免本研究之內容與現有成果重複， 另一方面所收集之資料可作為分析模型建立及規範檢討的參考或補充 資料。

貳、混凝土及鋼筋基本材料實驗

求取材料之基本應力-應變關係曲線，用於建立材料分析模型。基 本材料包括各種強度的混凝土及各種號數和規格之竹節鋼筋，混凝土量 測受壓情況之應力-應變曲線，鋼筋則量測受拉情況之應力-應變曲線。

參、開口構架試體之反覆載重試驗

本研究係以開口牆受地震力下之行為為主，測試五組大尺寸構架 (含二樓實心牆體質量塊)，包含單垮含牆無開口構架一座及四座典型開 口牆構架試體，開口試體採用典型台灣街屋(沿街店鋪式住宅)屋後牆配 筋形式，牆體配置至少滿足 RC 結構規範之最少所需橫、縱向鋼筋量， 並適當錨定至梁、柱及基礎內，開口四周須加置不少於 2 根 D16(#5)之 鋼筋，此等鋼筋須延伸至孔角外至少 60 cm，並不得小於其伸展長度。 街屋(沿街店鋪式住宅)開口形式與典型台灣街屋(沿街店鋪式住宅)配筋 細節，由前述街屋(沿街店鋪式住宅)資料庫分析決定之，參考國內外相 關文獻之後決定控制變因為「開口位置」、「開口尺寸」兩者，試驗預期 之目標在於強化牆體受震之初始勁度與強度。試體加載方式採”位移控 制”方式加載。

6 於試體頂部加載梁處，以預力螺桿對梁施加預力，並與油壓制動器 (MTS-200)加載頭一起固鎖之，後利用油壓制動器施加反覆側向載重， 採位移控制，預計施壓的位移比為 0.25%、0.375%、0.5%、0.75%、1%、 1.5%、2%、3%、4%、5%、6%，每個位移比重複加載三次，測試觀察 重點包括初始勁度、降伏位移與側力、最大載重、極限位移與側力、消 能、韌性、破壞模式等。

肆、舉辦專家座談會

本 研 究 規 劃 一 次 專 家 座 談 會，邀 請 產、官、學 各 界 參 與 討 論 ， 檢 視 所 研 擬 機 制 的 可 行 性 及 周 延 性 。 為 發 揮 專 家 座 談 會 的 效 果 ， 第 一 次 專 家 座 談 安 排 在 試 體 設 計 階 段 舉 辦 ， 討 論 試 驗 規 劃 及 試 體 設 計 細 節 。 專家座談會已於 102 年 6 月 24 日舉行，意見彙整如後所示，會議 紀錄及簽到單則附在附錄三。 舉辦之專家座談會邀請產、官、學各界參與討論，檢視所收集到之 街屋(沿街店鋪式住宅)屋後外牆之現況包含屋後牆及開口相關尺度、材 料參數、配筋細節等，以及就目前所規劃之試體設計可行性及周延性徵 詢各方意見。為發揮專家座談會的效果，專家座談安排在試體設計階段 舉辦，討論試驗規劃及試體設計細節。目前已完成第一次專家座談會， 綜合結論彙整如下： 1. 在過往對既有建物做補強的經驗中，有開口之強在評估時乃採用 無開口之牆在勁度、強度上做折減，惟須注意的是若牆體開口面 積越大時，該牆對於傳統拉壓桿模型的適用性需多加注意。

7 2. 以往不同時期的建物適用於不同的法規，故在評估一牆的原有強 度、勁度上，需特別注意之。 3. 由實際災後建物普查之結果得知，開口角隅的裂縫會最先產生， 因此研究案應對角與裂縫的控制多加著墨。 4. 對於之後新建之街屋(沿街店鋪式住宅)類建築物，能否依據研究 所得之評估方法和設計方法，提出一套有效之設計準則，例如使 具開口牆之建物仍能在沿街方向反映出如特殊抗彎矩構架

(Special Moment Frame, SMF)的行為。

5. 對街屋(沿街店鋪式住宅)屋後外牆做討論，首先應界定出其是否 為結構牆，若在結構分析上不考慮其強度、勁度，則應確保其在 實際情況下不對結構之反應造成影響。 6. 就現況而言，街屋(沿街店鋪式住宅)隔戶牆常作為結構牆設計， 具有承重能力，變相地導致柱的縱向主筋需求降低。 7. 實際上屋後外牆常因住戶之使用需求而擅自打掉，用於將屋後空 地內入自家使用範圍內，因此設計上是否要將屋後牆的強度、勁 度納入考慮仍有待商榷。 8. 就整體街屋(沿街店鋪式住宅)現況而言，強制規範街屋(沿街店鋪 式住宅)長向最前與最後四根柱子設計實用以承擔大多數地震側 向力，應可作為未來街屋(沿街店鋪式住宅)相關規範的一設計準 則。 9. 試驗試體的規劃方面可考量新增一座空構架、一座具水平向大開 口之試體。

8 10. 若研究目標是未來能提出一套適用於街屋(沿街店鋪式住宅)之設 計方法，則試體開口型式應更加多元、完整，以求盡量涵蓋常見 之開口型式。 11. 研究調查及過去的經驗顯示，街屋(沿街店鋪式住宅)沿平行街道 方向常為脆性破壞，乃強度控制，因此要解決街屋(沿街店鋪式住 宅)耐震性能之問題或可從「如何讓平行街道向之構材具有足夠之 強度以抵抗地震力」來著手，可考慮之方式有提高屋後牆及梯間 牆之牆度要求(提高鋼筋比、加厚牆尺寸、增加翼牆等)、提高柱 之側向抵抗能力等。 12. 研究所試驗之試體可考慮在試驗過後留下，再施以補強修復後， 再次試驗之，以提高試體之經濟效應。

伍、試體製作及進行試驗

研究規劃五組大尺寸構架試驗，包含單垮含牆無開口構架一座及四 座典型開口牆單垮構架試體，開口試體採用典型台灣街屋(沿街店鋪式 住宅)屋後牆配筋形式，牆體配置至少滿足 RC 節構規範之最少所需橫、 縱向鋼筋量，並適當錨定至梁、柱及基礎內，開口四周需適當補強之。 施工程序，一、首先為底模的設置，其中包含水平校正及於底模上 的放樣工作，二、而後進而綁紮基礎主筋、箍筋及繫筋，三、綁紮柱主 筋及柱底深入基礎內之箍筋及繫筋，四、綁紮垂直向需錨定入基礎內之 垂直牆筋、開口補牆筋及部分水平向牆筋，五、釘基礎側邊模板，並進 行基礎混凝土之澆置(第一部分)及混擬土抗壓圓柱試體試驗採樣及灌 模，六、拆基礎模板並完整組立柱主筋、柱箍筋、柱繫筋及水平向牆筋、

9 開口補牆筋，七、進行牆體應變計之設置、順線、編號，以利後續試驗 時量測相關數據，八、釘牆、柱及開口處之模板，並進行牆與柱之混凝 土澆置(第二部分)及混擬土抗壓圓柱試體試驗採樣及灌模，九、拆牆、 柱之模板，綁紮頂部加載梁主筋、箍筋及繫筋，及埋置穿預力螺桿用 PVC 管，十、釘頂部加載梁之模板，並進行頂部加載梁混凝土澆置(第 三部分)及混擬土抗壓圓柱試體試驗採樣及灌模，十一、拆加載梁模板， 製作完成。 研究係以開口牆受地震力下之行為為主，開口形式與典型台灣街屋 (沿街店鋪式住宅)配筋細節，由前述街屋(沿街店鋪式住宅)資料庫分析 決定之，參考國內外相關文獻之後決定控制變因為「開口位置」、「開口 尺寸」兩者，試驗預期之目標在於強化牆體受震之初始勁度與強度。試 體加載方式採”位移控制”方式加載。 於試體頂部加載梁處，以預力螺桿對梁施加預力，並與油壓制動器 (MTS-200tf)加載頭一起固鎖之，後利用油壓制動器施加反覆側向載重， 採位移控制，預計施壓的位移比為 0.25%、0.375%、0.5%、0.75%、1%、 1.5%、2%、3%、4%、5%、6%，每個位移比重複加載三次，測試觀察 重點包括初始勁度、降伏位移與側力、最大載重、極限位移與側力、消 能、韌性、破壞模式等。

陸、報告及期刊論文之撰寫

本研究包含兩次報告之撰寫，第一次為期中報告，在執行第 5 個月 時說明本案之執行進度。第二次為期末報告，在執行第 11 個月時完成 本案之研究報告。本研究將於繳交研究成果報告之一個月內，向中華民

10

國建築學報或其他具有國內 TSSCI 同等水準以上之學報（刊）投稿， 並副知內政部建築研究所。

11

第二章 文獻回顧

本研究計畫之目的為透過瞭解低矮鋼筋混凝土連棟街屋(沿街店鋪 式住宅)沿街方向屋後外牆構架之耐震行為，並提出開口位置及大小對 屋後外牆性能之影響，以提供耐震評估與設計之建議，以利未來營建上 之應用，故本章將介紹已蒐集之文獻、說明試體反覆載重行為試驗、台 灣街屋(沿街店鋪式住宅)典型特徵之說明及新引進以有限元素軟體分 析開口結構牆行為。 由於低矮鋼筋混凝土連棟街屋(沿街店鋪式住宅)為台灣相當普遍 的結構形式，然而 921 大地震的經驗顯示，此種結構於沿街道方向常產 生嚴重損壞，為能適當的解決此一問題，沿街方向牆體的耐震能力評估 與設計為一重要課題。本研究針對屋後外牆進行研究，藉由大尺寸結構 牆試驗，本研究預計可提出屋後外牆之配筋改善建議以及耐震評估與設 計方法，將有助於提升連棟街屋(沿街店鋪式住宅)耐震評估之準確度， 以及耐震設計之合理性，確保國內眾多低矮連棟街屋(沿街店鋪式住宅) 之抗震性能，大幅提升人民生命財產之安全。

第一節 牆體行為與相關設計規範

結構牆之行為一定程度上取決於牆高寬比（h_w/l ）_w 。細長牆 (h_w/l_w3.0hw/lw ≥ 3.0) 的行為，會與懸臂梁受撓曲時的行為非常類 似。與之相反的低矮牆 (hw/lw ≤ 2.0) 其行為將由剪力所主控。

12

壹、一般結構牆設計要求

結構牆之設計通常先從剪力強度設計開始，接著檢核牆底摩擦剪力， 確保在牆體和地基之間的有足夠的抗滑動力，最後則是檢核撓曲和軸向 力的聯合作用。 (a) 剪力設計[ 1] 結構牆計算剪力強度為 ' c

(α λ

)

n cv c t y

V



A

f





f

cv A :平行剪力方向之斷面長度乘以腹版厚所得之混凝土總斷面積 3.0, / 1.5 c hw lw    ; _c 2.0,h_w /l_w2 ；介於兩者之間由線性內 差計算 w h =全牆總高或所考慮牆段之高度 w l =剪力方向全牆或所考慮牆段之長度



=常重混凝土



=1，沙質輕質混凝土



0.85，輕質混凝土 0.75



 t ρ =橫向水平鋼筋比，為橫向鋼筋斷面積與垂直於該鋼筋之混凝土 總斷面積之比 (b) 剪力摩擦[ 1] 結構牆之計算摩擦剪力強度為 ( ) n vf y u V  A f N  n V =剪力摩擦強度

13 vf A = 剪力摩擦鋼筋段面積。 𝑓𝑦 = 鋼筋標稱降伏強度 Nu =垂直於滑動平面之常壓力 𝜇 = 摩擦係數 (c) 撓曲和軸向力[ 1] 彎曲和軸向力的設計包括初步牆體尺寸與配筋之決定，邊界構材鋼 筋配置，軸力彎矩互制分析，以及考慮邊界構材、牆體縱向和橫向鋼筋、 牆體斷面強度下利用迭代法優化其配置。 (1) 初步牆體尺寸與配筋之決定 對於非耦合矩形牆截面，可利用圖 2- 1 所示之方式初估牆體所需之 垂直向鋼筋用量，其中包括均佈全牆的垂直向鋼筋和邊界構件的垂直向 鋼筋，取 C 點合力矩，如下式所示。 , 1 1 2 2 n cs u p s w s w M P x T j l T j l 其中𝑃_𝑢之大小由靜載重 (包含構件自重) 與載重組合定之；已知𝑃_𝑢 之位置，力臂大小𝑥_𝑝可近似得之，均佈全牆的垂直向鋼筋力之力臂可近 似於 j l_1w 0.4l_w，邊界構件的垂直向鋼筋力之力臂可近似於𝑗2𝑙𝑤 = 0.8𝑙𝑤。

14

圖 2- 1 牆體初步強度計算所考慮的力量配置

(資料來源：本研究繪製)

(2) 邊界構材 所謂邊界構材乃是指結構牆中沿結構牆垂直向邊緣或沿開口垂直 向邊緣之部分，其需特別以垂直向鋼筋及橫向箍筋加強之。邊界構材分 為特殊邊界構材 (special boundary element)（圖 2- 2）與普通邊界構材 (ordinary boundary element)（圖 2- 3）兩種。前者與後者最大區別在於 前者需滿足嚴格之箍筋用量規定（類似於柱之塑鉸區），且牆體非邊界 構材部分之水平向鋼筋需錨錠於邊界構材核心混土區。ACI 318 提供了 以下兩種方法來判定是否需要特殊邊界構件。

15

圖 2- 2 特殊邊界構材

(資料來源：本研究繪製)

圖 2- 3 普通邊界構材

(資料來源：本研究繪製)

邊界構才需求檢核-方法一 在受軸力𝑃𝑢下，對應之彎矩壓力區深度 c，若滿足下式，則須設計

特殊邊界構材(special boundary element)。此方法假設當結構牆水平變位 至設計位移時 （𝛿𝑢為設計位移，且𝛿𝑢⁄ℎ𝑤之值不得小於 0.007），如牆

體邊緣之混凝土壓應變超過某臨界值時（介於 0.003 至 0.004），就須設 置特殊邊界構件，並以橫向鋼筋圍束之。當按下式決定需要特殊邊界構 材時，其配置範圍需由臨界斷面延伸一長度不小於𝑙𝑤 （塑性長度之範

16 圍）或 𝑀𝑢,𝑐𝑠/4𝑉𝑢,𝑐𝑠 （設計彎矩降至小於混凝土剝落彎矩）。其中 𝑙𝑤為 沿剪力方向全牆長或所考慮牆段之長度，在此範圍內混凝土保護層是可 能剝落的。 c 600( / ) w u w l h   c_{: 中性軸深度} w h : 牆體從臨界斷面至牆頂的高度 w l :牆體長度 u  : 牆頂位移 邊界構才需求檢核-方法二 法二為基於各種載重組合下，在如牆之邊緣或開孔周邊等應力較大 處，在含地震效應的設計力作用下，其產生之最大混凝土壓應力超過 0.2𝑓_𝑐′_{，則須配置特殊邊界構材 (special boundary element)，如圖 2- 4 所}

17

圖 2- 4 法二決定邊界構材

(資料來源：本研究繪製)

特殊邊界構材之圍束箍筋用量採下式決定之 ' 0.09 / sh c c yt A  sb f f sh A =在 s 間距內垂直於b 方向之橫向箍筋 (包括繫筋) 總斷面積 c s=橫向鋼筋間距 c b =計算A 時之柱心尺寸，即外緣圍束鋼筋心至心之間距 sh ' c f :混凝土抗壓強度 yt f :橫向箍筋降伏強度 在不需要特殊邊界構材之區域，若邊界構材之As be_, / Ag be_, 400 / fy， 則需配置普通邊界構材（圖 2- 3），其中A_{s be,} 為邊界構材之總縱向鋼筋 面積；A_{g be,} 為邊界構材之總斷面積。 (3) 牆墩 牆墩為牆體兩開口間或一開口至牆體邊界，較粗短的受壓部分，其

18 高寬比h_w/b_w2，斷面長寬比l_w/b_w6；h 為構材淨高、_w l 為牆水平_w 長、b 為牆腹之寬度。其設計基本上遵循一般牆體設計條款，且必須_w 滿足韌性抗彎矩構架柱關於鋼筋續接、圍束鋼筋與剪力強度的規定。對 於高寬比大於或等於 2.5 之牆墩，規範提供另外設計方法。對於位於牆 體外側之牆墩，規範要求於牆墩上及下側配置水平鋼筋，以傳遞牆墩之 剪力至主牆體中。

圖 2- 5 牆墩上側與下側水平鋼筋傳遞剪力

(資料來源：本研究繪製)

貳、低矮結構牆行為

低高寬比（或稱低矮）牆體，其彎矩強度相對於剪力強度來說，通 常較高，例如高寬比小於 1 的牆體就難以使其發展為撓曲控制破壞。此 外，細長牆其力學行為與通過對角斜撐壓桿機制傳遞剪力的低矮牆有很 大不同，為撓曲行為主控。基於這些原因，低矮牆的設計方法和所需注 重的細節將大大不同於細長牆。圖 2- 6 顯示低矮結構牆常見之破壞模式： 剪拉破壞、剪壓破壞以及摩擦剪力破壞。

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圖 2- 6 低矮結構牆剪力破壞模式：(a)與(b)剪拉破壞；(c)

與(d)剪壓破壞；(e)牆底摩擦剪力破壞

(資料來源：本研究繪製)

參、有開口之低矮結構牆

許多小高寬比的低層建築的牆壁可能包含門和窗戶的開口。具有顯 著的開口的牆的抗震設計，可利用如圖 2- 7 所示之「拉壓桿結構模型」 來進行設計，建立傳遞樓層水平地震力至基礎的傳遞路徑。

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圖 2- 7 具開口之低矮結構牆壓拉桿模型

(資料來源：本研究繪製)

第二節 近年國外相關文獻回顧

Doi 等[ 10]研究具偏心開口之多層樓 RC 構架牆體之極限剪力韌性， 提出了一個交錯開口結構牆的二維模擬模型，並利用單側偏心開口牆試 體之實驗數據對該模型進行校正，並用校正後之模型預測交錯開口試體 之行為。隨著開口部位越接近跨度中央，結構牆之抵抗機制會因為越來 越難以形成壓桿，而導致剪力容量的降低。如果是交錯排列的開口部， 開口部周圍的損壞將會抑制可能的拉壓桿機制形成，導致牆體承載橫向 荷重之能力退化。試體的配筋、加載系統和其測試結果如下圖 2- 8 所示。 圖 2- 9 分別顯示試體設計與最大側力時最大與最小主應力分布。

21

圖 2- 8 試體設計與加載系統

(資料來源：參考書目[ 10])

圖 2- 9 最大側力時最大與最小主應力分布

(資料來源：參考書目[ 10])

Warashina 等[ 4]研究具偏心開口之多層 RC 結構牆之剪力行為，對 四組縮尺 40%具有偏心開口的多層 RC 結構牆進行側向靜力加載試驗， 評估結構牆之剪力傳遞機制，實驗的變量是開口部的大小及位置。實驗 與分析結果比對顯示，開口結構牆之剪力強度可以無開口之剪力強度乘 上一折減係數（Ono 折減係數）良好預估之。該方法可有效應用至開口 率小於 0.46 之結構牆。試體的配筋、加載系統和其測試結果如下所示。

22

圖 2- 10 Warashina 等研究之試體設計

(資料來源：參考書目[ 4])

圖 2- 11 Warashina 等研究測試結果與分析比對

(資料來源：參考書目[ 4])

Sakurai 等[ 5]研究多開口 RC 剪力牆之抗震性能，利用多開口 RC 剪力牆之載重試驗，對不同的開口數和佈局進行探討。所有試體具有相 同之等效周長比 0.4。測試結果顯示了多開口之 RC 結構剪力牆之剪力 強度、破壞形式和變形，會因開口數量和其分部形式有顯著的不同。該 研究亦透過有限元素法模擬多開口剪力牆之遲滯迴圈及其破壞歷程，獲 得在實驗數據與分析值之間之良好結果。其鋼筋配置、加載系統之設計 及實驗結果如下所示。

23

圖 2- 12 Sakurai 等研究之試體外觀

(資料來源：參考書目[ 5])

圖 2- 13 Sakurai 等研究之試體加載方式與測試結果

(資料來源：參考書目[ 5])

Ermine 與 Altin[ 6 ]調查非韌性 RC 構架透過部分牆主筋內嵌至構架 內之補強方式在反覆側推下之行為，該研究測試七座單跨兩層樓原試體 大小三分之一之試體，測試構架設計成具有土耳其地區常見之結構缺陷 之 RC 構架，實驗之參數為牆體之高寬比及內嵌鋼筋之配置位置，測試 結果顯示補強前後構架有明顯之韌性差異，填充牆的高寬比增加，側向 強度及側向勁度有明顯之增加。其鋼筋配置、加載系統和實驗結果如下 所示

24

圖 2- 14 Ermine 等研究之試體加載方式、試體設計、試驗結

果

25

第三節 近年國內相關研究情況

雲科大李宏仁教授[ 27]研究梯間牆對低層 RC 造沿街連棟建築物耐 震性能之影響，測試兩座填滿 1/2 (試體 B)及 3/4(試體 A) 跨度的構架 牆體，測試結果指出模型構架內含填滿 1/2 (試體 B)或 3/4(試體 A) 跨 度的隔間牆，對於抵抗側力強度、勁度及韌性確有明顯的差異。試體 A 強度較高但在屋頂位移 0.75%之後強度開始衰減，屬於典型剪力主控行 為，側力衰減維持至屋頂位移 1.5%因極短梁水平牆段剪力破壞後迅速 向下。試體 B 在屋頂位移 0.75%試體降伏後仍維持側力承載能力，至屋 頂位移 1.5%時才達最大強度，屬於典型撓曲降伏主控行為。屋頂位移 1.5%時，試體 A 的一樓層間變位約 1.6%，但試體 B 的一樓層間變位已 經逼近 2.0%。圖 2- 15 顯示試體設計與測試結果。

26 (a) (b)

圖 2- 15 李宏仁研究試體之設計及測試結果: (a)試體 A；(b)

試體 B

(資料來源：參考書目[ 27])

成大許茂雄教授[ 28]研究既有 RC 沿街店鋪住宅滿足功能要求之耐 震補強，測試自行設計的不同樓層、不同結構系統、具代表性的沿街店 鋪住宅案例，利用靜態推跨曲線法 (Static Pushover Method) 分析，找 出有效的震前、震後補強方法與補強量，並且根據受害建築物耐震能力 降低係數與永久變形，探討結構物經 RC 牆與鋼骨斜撐補強後承受多次 地震的結構行為，提出在適當的地方增設平行街道方向 RC 牆，改善整 體結構的耐震機制，是較佳的對策。災區後受損的沿街店鋪住宅，建議

27 可以對整體結構系統補強的手段使其達到功能設計的標準，不用拆除 (補強利用 RC 牆或鋼骨斜撐)。在平行街道方向增設 RC 牆能有效提升 耐震能力而對使用機能的妨礙最小。圖 2- 16 顯示分析的結果。 (a) (b)

圖 2- 16 許茂雄教授研究之分析結果: (a)一樓補強前；(b)一樓

補強後

(資料來源：參考書目[ 28])

台大黃世建教授[ 29]研究含開口牆非韌性構架之耐震行為，測 試六片含對稱開口 RC 牆之非韌性構架，提出非韌性空構架最大強度的 層間變位是 1.5%左右，完整牆構架是 0.75%左右，牆含開口構架是 0.5% 左右，牆有開口會降低構架之層間變形能力。翼牆的配置對結構強度的 提昇十分有效。圖 2- 18 顯示試體的設計及測試結果。

28

圖 2- 17-1 黃世建教授研究試體之設計與測試結果: (a)大面

積開一窗

29

圖 2- 17-2 黃世建教授研究試體之設計與測試結果:開兩窗

(資料來源：參考書目[ 29])

30 (c)

圖 2- 18-3 黃世建教授研究試體之設計與測試結果:開一門

(資料來源：參考書目[ 29])

北科大李有豐教授[ 30]研究非韌性雙層雙跨含牆 RC 構架之擬動態 試驗與結構反應之 HHT（Hilbert-Huang Transform）分析，測試一座非 韌性雙層雙跨含牆 RC 構架，依據軟弱層剪力破壞與搭接破壞之既有 RC 建築物設計，即一樓為顯著軟弱層，提出於梁柱接頭處纏繞鋼纜線 圍束的混凝土確實可以增加 RC 構件之抗震能力。由修復前後實驗構架 的結果，發現修復補強可以增加試體的韌性行為，增加消能結果以抵抗 較大的地震。經試體修復前後勁度折減情形，可有效減低試體勁度軟化 時間。圖 2- 19 顯示非韌性雙層雙跨含牆 RC 構架之擬動態分析試體設 計及試驗結果。

31 (a) (b)

圖 2- 19 李有豐教授研究之非韌性雙層雙跨含牆 RC 構架之

擬動態分析試體設計及試驗結果：(a)試體未補強前最大加速

度為 2.0 時之遲滯迴圈；(b)試體補強後最大加速度為 2.0 時

之遲滯迴圈

(資料來源：參考書目[ 30])

成大邱耀正教授[ 31]研究大尺寸扇形配筋預鑄 RC 剪力牆實驗與分 析，測試五座大尺寸扇形配筋預鑄 RC 剪力牆，指出藉由觀察破壞模式， 發現扇形配筋試體較無嚴重的混凝土壓碎情形發生，破壞模式接近撓剪 破壞及剪力破壞。經試驗結果及裂縫發展圖發現改良式傳統配筋和扇形 放射狀配筋的實驗結果相差無幾，所以考慮大量施工的便捷性，改良式 傳統配筋會是比較好的選擇。圖 2- 21 顯示試體之設計，圖 2- 23 顯示

32 試體之測試結果。 (a) (b)

圖 2- 20-1 邱耀正教授研究試體之設計: (a)中型牆板試體鋼

筋及鋼板配置參數表；(b)低型牆板試體鋼筋及鋼板配置參數

表

(資料來源：參考書目[ 31])

33 (c)

圖 2- 21-2 邱耀正教授研究試體之設計:扇形配筋設計

(資料來源：參考書目[ 31])

(a) (b) (c) (d)

圖 2- 22-1 試體之測試結果

34 (e)

圖 2- 23-2 試體之測試結果: (a)試體 MWG1 載重-總位移

圖；(b)試體 MWG2 總位移圖；(c)試體 MWG3

載重-總位移圖；(d)試體 LWG1 載重-總位移圖；(e)試體 LWG2 載

重-總位移圖

(資料來源：參考書目[ 31])

第四節 國內相關法規整理及工程實務訪談

前述主要就結構力學行為上之規範對開口結構牆做探討，但考量現 實情況時，建築物不只要符合結構上對安全性做要求的規範，同時亦要 依據其坐落之區域、用途、構造型態、高度等不同，滿足「建築技術規 則」[ 32]中對安全、舒適性等眾多之規範。 以本研究課題「街屋(沿街店鋪式住宅)」型態之建築物而言，多數 是坐落於住宅區內的住宅建物，供人舒適的居住為其主要功能，在建築 技術規則中所需滿足且與本研究課題相關之條文及其相關性解說如 下。

35

壹、屋後牆開口尺度

建築技術規則[ 32]中對本研究有重要影響之課題為住宅之採光面 積，依序解說其對開口尺度之影響如下。

表 2- 1 建築技術規則設計施工編第四十一條

第四十一條 （採光面積）建築物之居室應設置採光用窗或開口，其 採光面積依左規定： 一、幼稚園及學校教室不得小於樓地板面積五分之一。 二、住宅之居室，寄宿舍之臥室，醫院之病房及兒童福利設施包括保健 館，托兒所、育幼院、育嬰室、養老院等建築物之居室，不得小於該樓 地板面積八分之一。 三、位於地板面以上五○公分範圍內之窗或開口面積不得計入採光面積 之內。

(資料來源：參考書目[ 32])

規範第四十一條規定住宅之居室應設置採光用窗或開口，其採光面 積不得小於該樓層樓地板面積之八分之一，且地板面以上五○公分範圍 內之窗或開口面積不得計入採光面積之內。

表 2- 2 建築技術規則設計施工編第一條部分節錄

第一條 本編建築技術用語，其他各編得適用，其定義如下： 第十九款、 居室：供居住、工作、集會、娛樂、烹飪等使用之房間，均稱居室。 門廳、走廊、樓梯間、衣帽間、廁所盥洗室、浴室、儲藏室、機械室、 車庫等不視為居室。但旅館、住宅、集合住宅、寄宿舍等建築物其衣 帽間與儲藏室面積之合計以不超過該層樓地板面積八分之一為原則。

(資料來源：參考書目[ 32])

36 規範第一條對何謂「居室」做出定義。我們知道採光的好壞，會直 接影響到居住在建築物裡面的人的生活品質，因此規範對住宅建築訂有 採光面積的最低要求，確保住宅建築物室內具一定之採光能力。綜合到 目前為止，可以簡單的理解為「住宅建物，每層樓都必須有大於等於樓 層樓地板面積之八分之一之有效採光面積」。 在第四十二條更進一步的限縮了採光面積的範圍，定義出何謂「有 效採光面積」，依照建物開口所面向的位置、深度等判斷該面上之開口 是否在有效採光範圍內，再依其外陽台寬度判斷採光面積折減與否。如 此我們可以依照建築圖說計算建築各樓層所需要的採光面積，和判斷開 口處是否屬於有效採光範圍，但規範對開門開窗等尚有其他規定，建築 技術規則設計施工編第三十二條之中明言規定，凡屬「居室」者，其天 花板之淨高度不得小於兩米一；四十一條第三款亦規定位於地板面以上 五○公分範圍內之窗或開口面積不得計入採光面積之內。依此兩條規定 可以知道一外牆面若屬建物中之有效採光範圍內，則最多(依可開窗高 度定之)可提供多少有效採光面積。 前述採光面積之範圍，吾人可以定義出外牆面上哪裡是有效的採光 開口範圍，以及據四十一條之規定，需要開設足夠之採光開口，接下來 則是要透過開門、開窗等方式來滿足採光面積的要求。 上述所指之淨高度為樓地板面至直上最深大樑底面之高度，一般外 牆都會與邊梁縱向相連，故此條規範等於是以天花板淨高之限制間接限 制了外牆可開口垂直尺度的最小值。

37

表 2- 3 建築技術規則設計施工編第四十二條

第四十二條 （有效採光面積）建築物外牆依前條規定留設之採光用 窗或開口應在有效採光範圍內並依左式計算之： 一、設有居室建築物之外牆高度（採光用窗或開口上端有屋簷時為其頂 端部份之垂直距離）（Ｈ）與自該部份至其面臨鄰地境界線或同一基地 內之他幢建築物或同一幢建築物內相對部份（如天井）之水平距離（Ｄ） 之比，不得大於左表規定： 土 地 使 用 區 Ｈ／Ｄ (1) 住宅區、行政區、文教區 ４／１ (2) 商業區 ５／１ 二、第一款外牆臨接道路或臨接深度六公尺以上之永久性空地者，免自 境界線退縮，且開口應視為有效採光面積。 三、用天窗採光者，有效採光面積按其採光面積之三倍計算。 四、採光用窗或開口之外側設有寬度超過一‧五公尺以上之陽台或外廊 （露台除外），有效採光面積按其採光面積百分之七十計算。 五、在第一款表所列商業區內建築物；如其水平間距已達五公尺以上 者，得免再增加。 六、住宅區內建築物深度超過十公尺，各樓層背面或側面之採光用窗或 開口，應在有效採光範圍內。

(資料來源：參考書目[ 32])

38

表 2- 4 建築技術規則設計施工編第三十二條

(資料來源：參考書目[ 32])

表 2- 5 建築技術規則設計施工編第一條部分節錄

第一條 本編建築技術用語，其他各編得適用，其定義如下： 十三、樓層高度：自室內地板面至其直上層地板面之高度；最上層之 高度，為至其天花板高度。但同一樓層之高度不同者，以其室內樓地 板面積除該樓層容積之商，視為樓層高度。 十四、天花板高度：自室內地板面至天花板之高度，同一室內之天花 板高度不同時，以其室內樓地板面積除室內容積之商作天花板高度。

(資料來源：參考書目[ 32])

第三十二條 （天花板）天花板之淨高度應依左列規定： 一、學校教室不得小於三公尺。 二、其他居室及浴廁不得小於二‧一公尺，但高低不同之天花板高度 至少應有一半以上大於二‧一公尺，其最低處不得小於一‧七公尺。

39

表 2- 6 建築技術規則設計施工編第四十五條

第四十五條 建築物外牆開設門窗、開口，廢氣排出口或陽臺等，依 下列規定： 一、門窗之開啟均不得妨礙公共交通。 二、緊接鄰地之外牆不得向鄰地方向開設門窗、開口及設置陽臺。但外 牆或陽臺外緣距離境界線之水平距離達一公尺以上時，或以不能透視之 固定玻璃磚砌築者，不在此限。 三、同一基地內各幢建築物間或同一幢建築物內相對部份之外牆開設門 窗、開口或陽臺，其相對之水平淨距離應在二公尺以上；僅一面開設者， 其水平淨距離應在一公尺以上。但以不透視之固定玻璃磚砌築者，不在 此限。 四、向鄰地或鄰幢建築物，或同一幢建築物內之相對部分，裝設廢氣排 出口，其距離境界線或相對之水平淨距離應在二公尺以上。 五、建築物使用用途為 H-2、D-3、F-3 組者，外牆設置開啟式窗戶之窗 臺高度不得小於一．一○公尺；十層以上不得小於一．二○公尺。但其 鄰接露臺、陽臺、室外走廊、室外樓梯、室內天井，或設有符合本編第 三十八條規定之欄杆、依本編第一百零八條規定設置之緊急進口者，不 在此限。

(資料來源：參考書目[ 32])

第四十五條第五款中所指的 H-2 類建築即為住宅類-供特定人長期 住宿之場所(詳見建築技術規則-總則篇)。若在一般典型街屋(沿街店鋪 式住宅)外牆上設置開啟式窗戶(假設開口位於有效採光範圍內)，則其開 窗(有效採光面積)的垂直尺度會大於等於一米(2.1-1.1m，最低天花板淨 高減最低開啟式窗台高度)；若設置落地窗開口又窗外陽台寬度小於一 米五，則依據四十一條第三款之規定，其開窗(有效採光面積)的等效垂 直尺度會大於等於一米六(2.1-0.5m，最低天花板淨高減採光面積起算高 度)；若設置落地窗開口又窗外陽台寬度大於一米五，則依據四十一條

40 第三款之規定，其開窗(有效採光面積)的等效垂直尺度(對垂直尺度折減 0.7 倍等於對採光面積折減 0.7 倍)約等於一米一二。 (0.7



2.1 0.5



1.12m) 基於街屋(沿街店鋪式住宅)此類結構平面(樓地板面積)偏長的建築 物，通常沿長向的分戶牆是沒辦法開口用以採光的，但建物所需的有效 採光面積與樓地板面積成正比，在樓地板面積固定此一條件下，當街屋 (沿街店鋪式住宅)平面長寬比(長除寬)越大，則街屋(沿街店鋪式住宅) 短向外牆上，所需用來供採光用的開口面積占短向(沿街方向)總牆面積 的比例就會越大，文獻研究亦顯示開口面積占全牆面積之比例，對牆所 提供的側向抵抗力有顯著之影響。

貳、屋後牆厚度

牆厚部分除建築技術規則[ 32]外，混凝土結構設計規範[ 33]亦有相 關之規定，對研究課題之相關影響如後所述。 依建築技術規則設計施工編第八十六條第一項規定(表 2- 7)，集合 住宅之分戶牆，應以具有一小時以上防火時效之牆壁，分戶牆之定義詳 見建築技術規則設計施工編第一條。又第七十九條防火區劃規定中，「防 火區劃之牆壁，應突出建築物外牆面五十公分以上。但與其交接處之外 牆面長度有九十公分以上，且該外牆構造具有與防火區劃之牆壁同等以 上防火時效者，得免突出」，由實際觀察得知，絕大多數的設計案例都 沒在屋後將分戶牆向外突出，而是採此條但書之設計，因此與分戶牆交 接之屋後外牆須具備與分戶牆相同之一小時以上防火時效，意即屋後外 牆最小厚度需大於等於 7 公分。

41 建築技術規則設計施工編第七十三條定義了何謂具一小時以上之 防火時效之 RC 牆體。

表 2- 7 建築技術規則設計施工編第八十六條

第八十六條 分戶牆及分間牆構造依左列規定： 一、連棟式或集合住宅之分戶牆，應以具有一小時以上防火時效之牆 壁及防火門窗等防火設備與該處之樓板或屋頂形成區劃分隔。 二、建築物使用類組為 A 類、D 類、B-1 組、B-2 組、B-4 組、F-1 組、 H-1 組、總樓地板面積為三○○平方公尺以上之 B-3 組及各級政府機關 建築物，其各防火區劃內之分間牆應以不燃材料建造。但其分間牆上 之門窗，不在此限。 三、建築物使用類組為 B-3 組之廚房，應以具有一小時以上防火時效 之牆壁及防火門窗等防火設備與該樓層之樓地板形成區劃，其天花板 及牆面之裝修材料以耐燃一級材料為限，並依建築設備編第五章第三 節規定。 四、其他經中央主管建築機關指定使用用途之建築物或居室，應以具 有一小時防火時效之牆壁及防火門窗等防火設備與該樓層之樓地板 形成區劃，裝修材料並以耐燃一級材料為限。

(資料來源：參考書目[ 32])

表 2- 8 建築技術規則設計施工編第一條部分節錄

第一條 本編建築技術用語，其他各編得適用，其定義如下： 二十三、分間牆：分隔建築物內部空間之牆壁。 二十四、分戶牆：分隔住宅單位與住宅單位或住戶與住戶或不同用途 區劃間之牆壁。

(資料來源：參考書目[ 32])

42

表 2- 9 建築技術規則設計施工編第七十九條部分節錄

第七十九條 防火區劃之牆壁，應突出建築物外牆面五十公分以上。但與其交接處 之外牆面長度有九十公分以上，且該外牆構造具有與防火區劃之牆壁 同等以上防火時效者，得免突出。

(資料來源：參考書目[ 32])

表 2- 10 建築技術規則設計施工編第七十三條部分節錄

第七十三條 有一小時以上防火時效之牆壁、樑、柱、樓地板，應依 左列規定： 一、牆壁： (一)鋼筋混凝土造、鋼骨鋼筋混凝土造或鋼骨混凝土造厚度在七公分 以上者。

(資料來源：參考書目[ 32])

又混凝土結構設計規範中亦對承重牆與非承重牆厚度有所規範，如 下表 2- 11、