鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估平台開發與應用

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鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物

耐震能力初步評估平台開發與應用

研究主持人：陳建忠

協同主持人：宋裕祺

研究員：蔡益超、盧柏亨、許家瑋、林洋志

陳士明、李台光、張竣堯

內政部建築研究所協同

內政部建築研究所協同研究報告

研究報告

中華民國

中華民國 107 年

年

年 10 月

年

月

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目次 i

目

次

目次 ... i 表次 ... v 圖次 ... xi 摘要 ... xvi 一、研究緣起 ... XVI 二、研究方法及過程 ... XVI 三、重要發現 ... XVII 四、主要建議事項 ... XVII 第一章緒論 ... 1 第一節研究緣起與背景 ... 1 第二節研究方法與進度說明 ... 3 一、研究方法 ... 3 二、進度說明 ... 5 第三節研究目的 ... 6 第二章文獻回顧 ... 7 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 ... 12 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

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ii 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 第五節國外建築物耐震能力初步評估軟體 ... 28 第三章鋼結構與鋼廠房建築物耐震能力初步評估方法 ... 31 第一節前言 ... 31 第二節一般鋼結構與廠房類建築物耐震能力初步評估表擬定 ... 32 一、基本資料表 ... 32 二、一般鋼結構與廠房類建築物耐震能力初步評估表 ... 33 三、建築物耐震能力評估 ... 49 第四章鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估方法 ... 70 第一節前言 ... 70 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 ... 71 一、基本資料表 ... 71 二、建築物耐震能力初步評估表 ... 72 三、建築物耐震能力評估 ... 87 第五章鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估雲端平台建立 106 第一節前言 ... 106 第二節系統建立之相關介紹 ... 107 一、網頁架設基本介紹與系統後端配置說明 ... 107 二、網頁架構介紹... 107 三、網頁建立之語言介紹 ... 107 四、系統配置說明... 108 第三節系統介面說明及操作流程 ... 110 一、系統登入 ... 110 二、執行專案 ... 111

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目次 iii 三、基本資料 ... 112 四、定性評估 ... 114 五、參數設置 ... 115 六、斷面資料 ... 117 七、資料上傳、照片上傳與編輯 ... 122 八、專案評估分析... 124 第四節評估結果表格說明 ... 126 一、建築物基本資料表 ... 126 二、建築物耐震能力初步評估表 ... 126 三、定量評估表 ... 128 四、斷面資料表 ... 129 五、一般鋼結構與廠房類建築物耐震能力計算 ... 134 六、鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力計算 ... 135 七、建築物平立面圖表與現況照片表 ... 137 第五節雲端平台統計資料 ... 138 第六章案例分析 ... 141 第一節前言 ... 141 第二節案例一 ... 142 一、案例基本資料... 142 二、耐震能力初步評估 ... 144 三、耐震能力詳細評估 ... 149 第三節案例二 ... 153 一、案例基本資料... 153 二、耐震能力初步評估 ... 156 三、耐震能力詳細評估 ... 161

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iv 第四節案例三 ... 165 一、案例基本資料... 165 二、耐震能力初步評估 ... 168 三、耐震能力詳細評估 ... 175 第五節案例四 ... 179 一、案例基本資料... 179 二、耐震能力初步評估 ... 181 第六節案例五 ... 186 一、案例基本資料... 186 二、耐震能力初步評估 ... 189 第七章結論與建議 ... 195 第一節結論 ... 195 第二節建議 ... 197 參考文獻 ... 199 附錄一期中報告審查委員意見與答覆 ... 202 附錄二期末審查委員意見與答覆 ... 205 附錄三專家諮詢會議意見與答覆 ... 210 附錄四鋼結構建築物耐震能力初步評估表 ... 217 附錄五鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估表 ... 227 附錄六鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估平台開發與應用講習會 ... 238

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表次 v

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 ... 24 表 3. 1 一般鋼結構與廠房類建築物耐震能力初步評估基本資料表 ... 33 表 3. 2 一般鋼結構與廠房類建築物耐震能力初步評估表 ... 34 表 3. 3 地下室面積比 ra 權重計算表 ... 36 表 3. 4 梁之跨深比 b 權重計算表 ... 41 表 3. 5 柱之高深比 c 權重計算表 ... 41 表 3. 6 斷面結實性判定表 ... 45 表 3. 7 鋼材鏽蝕程度表 ... 46 表 3. 8 達容許韌性容量耐震能力初步評估權重計算表 ... 47 表 3. 9 達韌性容量耐震能力初步評估權重計算表 ... 47 表 3. 10 鋼結構一樓柱頂彎矩為柱底彎矩比值表 ... 53 表 3. 11 鋼結構柱極限剪力強度修正係數計算表 ... 57 表 3. 12 鋼構架尺寸表 ... 59 表 3. 13 平面及立面對稱性折減修正係數表 ... 66 表 3. 14 強度及韌性折減係數建議表 ... 66 表 3. 15 Rcol、Rbt與 Rbc建議表 ... 67 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 ... 72 表 4. 2 SRC 結構建築物耐震能力初步評估表 ... 73 表 4. 3 地下室面積比 ra 權重計算表 ... 75 表 4. 4 梁之跨深比 b 權重計算表 ... 80 表 4. 5 柱之高深比 c 權重計算表 ... 81 表 4. 6 達容許韌性容量耐震能力初步評估權重計算表 ... 85

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vi 表 4. 7 達韌性容量耐震能力初步評估權重計算表 ... 86 表 4. 8 SRC 結構柱極限剪力強度修正係數計算表 ... 93 表 4. 9 SRC 構架尺寸表 ... 96 表 4. 10 平面對稱性折減修正係數表 ... 102 表 4. 11 立面對稱性折減修正係數表 ... 102 表 4. 12 Cvswj、Cvbtj、Cvcj、CRswj、CRbtj與 CRcj建議表 ... 103 表 4. 13 Rcol、Rsw 與 Rbt 建議表 ... 103 表 5. 1 建築物基本資料表 ... 126 表 5. 2 建築物耐震能力初步評估表 ... 127 表 5. 3 危險度額外評估項目表 ... 127 表 5. 4 重要註記 ... 128 表 5. 5 建築物資訊 ... 129 表 5. 6 材料參數(一般鋼結構建築物) ... 129 表 5. 8 一般柱斷面資料表 ... 130 表 5. 9 RC 牆斷面資料表 ... 131 表 5. 10 受壓斜撐斷面資料表 ... 132 表 5. 11 受拉斜撐斷面資料表 ... 132 表 5. 12 BRB 斜撐斷面資料表 ... 132 表 5. 13 一般鋼結構與廠房類建築物 475 年地震回歸期耐震能力計算 ... 134 表 5. 14 一般鋼結構與廠房類建築物 2500 年地震回歸期耐震能力計算 ... 135 表 5. 15 鋼骨鋼筋混凝土建築物 475 年地震回歸期耐震能力計算 ... 136 表 5. 16 鋼骨鋼筋混凝土建築物 2500 年地震回歸期耐震能力計算 ... 136 表 6. 1 案例一結構基本資料表 ... 142 表 6. 2 案例一材料參數表 ... 142 表 6. 3 案例一結構尺寸表 (單位：mm) ... 143

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表次 vii 表 6. 4 案例一結構重量表 ... 143 表 6. 5 案例一基本資料表 ... 145 表 6. 6 案例一初步評估表 ... 145 表 6. 7 案例一危險度額外評估項目表 ... 145 表 6. 8 案例一評估結果表 ... 146 表 6. 9 案例一建築物重量與材料參數表 ... 146 表 6. 10 案例一 X 向之柱極限剪力計算 ... 147 表 6. 11 案例一 X 向之 475 年地震力回歸期耐震能力計算 ... 147 表 6. 12 案例一 X 向之 2500 年地震力回歸期耐震能力計算 ... 148 表 6. 13 案例一 Y 向之柱極限剪力計算 ... 148 表 6. 14 案例一 Y 向之 475 年地震力回歸期耐震能力計算 ... 149 表 6. 15 案例一 Y 向之 2500 年地震力回歸期耐震能力計算 ... 149 表 6. 16 案例一 475 年地震回歸期初評與詳評耐震能力比較 ... 152 表 6. 17 案例一 2500 年地震回歸期初評與詳評耐震能力比較 ... 152 表 6. 18 案例一初評與詳評耐震能力檢核 ... 152 表 6. 19 案例二結構基本資料表 ... 153 表 6. 20 案例二材料參數表 ... 154 表 6. 21 案例二結構尺寸表 (單位：mm) ... 154 表 6. 22 案例二結構重量表 ... 155 表 6. 23 案例二基本資料表 ... 157 表 6. 24 案例二初步評估表 ... 157 表 6. 25 案例二危險度額外評估項目表 ... 157 表 6. 26 案例二評估結果表 ... 158 表 6. 27 案例二建築物重量與材料參數表 ... 158 表 6. 28 案例二 X 向之柱極限剪力計算表 ... 159

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viii 表 6. 29 案例二 X 向之 475 年地震力回歸期耐震能力計算表 ... 159 表 6. 30 案例二 X 向之 2500 年地震力回歸期耐震能力計算表 ... 160 表 6. 31 案例二柱 Y 向極限剪力計算表 ... 160 表 6. 32 案例二 Y 向之 475 年地震力回歸期耐震能力計算表 ... 161 表 6. 33 案例二 Y 向之 2500 年地震力回歸期耐震能力計算表 ... 161 表 6. 34 案例二 475 年地震回歸期初評與詳評耐震能力比較 ... 164 表 6. 35 案例二 2500 年地震回歸期初評與詳評耐震能力比較 ... 164 表 6. 36 案例二初評與詳評耐震能力檢核 ... 164 表 6. 37 案例三結構基本資料表 ... 165 表 6. 38 案例三材料參數表 ... 166 表 6. 39 案例三結構尺寸表 (單位：mm) ... 166 表 6. 40 案例三結構重量表 ... 167 表 6. 41 案例三基本資料表 ... 169 表 6. 42 案例三初步評估表 ... 169 表 6. 43 案例三危險度額外評估項目表 ... 170 表 6. 44 案例三評估結果表 ... 170 表 6. 45 案例三建築物重量與材料參數表 ... 171 表 6. 46 案例三 X 向之柱極限剪力計算 ... 171 表 6. 47 案例三 X 向之受壓斜撐極限剪力計算 ... 171 表 6. 48 案例三 X 向之受拉斜撐極限剪力計算 ... 173 表 6. 49 案例三 X 向之 475 年地震力回歸期耐震能力計算 ... 173 表 6. 50 案例三 X 向之 2500 年地震力回歸期耐震能力計算 ... 173 表 6. 51 案例三 Y 向之柱極限剪力計算 ... 174 表 6. 52 案例三 Y 向之受壓斜撐極限剪力計算 ... 174 表 6. 53 案例三 Y 向之 475 年地震力回歸期耐震能力計算 ... 175

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表次 ix 表 6. 54 案例三 Y 向之 2500 年地震力回歸期耐震能力計算 ... 175 表 6. 55 案例三初評與詳評耐震能力比較 ... 178 表 6. 56 案例三 2500 年地震回歸期初評與詳評耐震能力比較 ... 178 表 6. 57 案例三初評與詳評耐震能力檢核 ... 178 表 6. 58 案例四結構基本資料表 ... 179 表 6. 59 案例四材料參數表 ... 179 表 6. 60 案例四結構尺寸表 (單位：mm) ... 180 表 6. 61 案例四結構重量表 ... 180 表 6. 62 案例四基本資料表 ... 181 表 6. 63 案例四初步評估表 ... 182 表 6. 64 案例四危險度額外評估項目 ... 182 表 6. 65 案例四評估結果 ... 183 表 6. 66 案例四建築物重量與材料參數表 ... 183 表 6. 67 案例四 X 向之柱極限剪力計算 ... 184 表 6. 68 案例四 X 向耐震能力計算 ... 184 表 6. 69 案例四 Y 向之柱極限剪力計算 ... 185 表 6. 70 案例四 Y 向耐震能力計算 ... 185 表 6. 71 案例五基本資料表 ... 186 表 6. 72 案例五材料參數表 ... 186 表 6. 73 案例五結構尺寸表 ... 187 表 6. 75 案例五基本資料表 ... 189 表 6. 76 案例五初步評估表 ... 190 表 6. 77 案例五危險度額外評估項目 ... 190 表 6. 78 案例五評估結果 ... 190 表 6. 79 案例五建築物重量與材料參數表 ... 191

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x 表 6. 80 案例五 X 向之柱極限剪力計算 ... 192 表 6. 81 案例五 X 向之 475 年地震力回歸期耐震能力計算 ... 192 表 6. 82 案例五 X 向之 2500 年地震力回歸期耐震能力計算 ... 192 表 6. 83 案例五 Y 向之柱極限剪力計算 ... 193 表 6. 84 案例五 Y 向之 475 年地震力回歸期耐震能力計算 ... 193 表 6. 85 案例五 Y 向之 2500 年地震力回歸期耐震能力計算 ... 194

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圖次 xi

圖次

圖 1. 1 研究步驟 ... 4 圖 2. 1 簡易評估法示意圖[2] ... 26 圖 2. 2 耐震コロコロ ... 28 圖 2. 3 耐震コロコロ之建築物相關問答 ... 29 圖 2. 4 耐震コロコロ之建築物傾斜度評估流程 ... 29 圖 2. 5 耐震コロコロ之地盤評估流程 ... 30 圖 2. 6 耐震コロコロ之綜合評估結果 ... 30 圖 3. 1 靜不定程度示意圖 ... 35 圖 3. 2 地下室面積比 ... 35 圖 3. 3 平面對稱性佳之結構形式 ... 36 圖 3. 4 平面對稱性尚可之結構形式 ... 37 圖 3. 5 平面對稱性不佳之結構形式 ... 37 圖 3. 6 立面對稱性佳之結構形式 ... 38 圖 3. 7 立面對稱性有疑慮之結構形式 ... 39 圖 3. 8 斜撐形式 ... 40 圖 3. 9 梁之跨深比 b ... 40 圖 3. 10 柱之高深比 c ... 41 圖 3. 11 塑鉸區梁之細部 ... 42 圖 3. 12 未支撐長度 ... 43 圖 3. 13 12 層樓鋼結構建築模型圖 ... 53 圖 3. 14 反曲點高度比 ... 54 圖 3. 15 鋼結構軸力彎矩互制圖 ... 55 圖 3. 16 鋼結構柱之撓曲行為控制剪力強度示意圖 ... 55 圖 3. 17 鋼廠房柱之撓曲行為控制剪力強度示意圖 ... 56

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xii 圖 3. 18 鋼結構柱之剪力行為控制面積示意圖 ... 57 圖 3. 19 鋼結構構架立面圖 ... 60 圖 3. 20 鋼結構側推分析無因次化結果 ... 60 圖 3. 21 簡化後鋼結構側推分析無因次化結果 ... 61 圖 3. 22 當受壓斜撐發揮充分強度與韌性時各構件強度發揮比 ... 62 圖 3. 23 當受壓斜撐發揮充分強度與韌性時各構件韌性發揮比 ... 62 圖 3. 24 當 RC 牆發揮充分強度與韌性時各構件強度發揮比 ... 63 圖 3. 25 當 RC 牆發揮充分強度與韌性時各構件韌性發揮比 ... 63 圖 3. 26 當受拉斜撐發揮充分強度與韌性時各構件強度發揮比 ... 64 圖 3. 27 當受拉斜撐發揮充分強度與韌性時各構件韌性發揮比 ... 64 圖 3. 28 當構架發揮充分強度與韌性時各構件強度發揮比 ... 65 圖 3. 29 當構架發揮充分強度與韌性時各構件韌性發揮比 ... 65 圖 4. 1 靜不定程度示意圖 ... 74 圖 4. 2 地下室面積比 ... 74 圖 4. 3 平面對稱性佳之結構形式 ... 75 圖 4. 4 平面對稱性尚可之結構形式 ... 76 圖 4. 5 平面對稱性不佳之結構形式 ... 76 圖 4. 6 立面對稱性佳之結構形式 ... 77 圖 4. 7 立面對稱性有疑慮之結構形式 ... 78 圖 4. 8 斜撐形式 ... 79 圖 4. 9 梁之跨深比 b ... 79 圖 4. 10 柱之高深比 c ... 80 圖 4. 11 塑鉸區梁之細部 ... 82 圖 4. 12 短柱示意圖 ... 83 圖 4. 13 短梁示意圖 ... 84

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圖次 xiii 圖 4. 14 矩形柱配筋假設位置 ... 88 圖 4. 15 RC 軸力-彎矩交互影響曲線 ... 91 圖 4. 16 SRC 柱之撓曲行為控制剪力強度示意圖 ... 91 圖 4. 17 SRC 柱鋼骨部分剪力行為控制面積示意圖 ... 92 圖 4. 18 SRC 結構構架立面圖 ... 97 圖 4. 19 SRC 結構側推分析無因次化結果 ... 97 圖 4. 20 簡化後 SRC 結構側推分析無因次化結果 ... 98 圖 4. 21 當 RC 牆發揮充分強度與韌性時各構件強度發揮比 ... 98 圖 4. 22 當 RC 牆發揮充分強度與韌性時各構件韌性發揮比 ... 99 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 ... 99 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 ... 100 圖 4. 25 當構架發揮充分強度與韌性時各構件強度發揮比 ... 100 圖 4. 26 當構架發揮充分強度與韌性時各構件韌性發揮比 ... 101 圖 5. 1 虛擬主機配置示意圖 ... 109 圖 5. 2 建築物耐震能力初步評估系統登入首頁 ... 110 圖 5. 3 建築物分析類型選取 ... 111 圖 5. 4 執行專案頁面(無專案) ... 111 圖 5. 5 執行專案頁面(已有專案) ... 112 圖 5. 6 評估機構與人員 ... 113 圖 5. 7 申請人資料 ... 113 圖 5. 8 建築物基本資料 ... 114 圖 5. 9 定性評估之結構系統 ... 114 圖 5. 10 定性評估之結構細部與結構現況 ... 115 圖 5. 11 定性評估之危險度額外增減分 ... 115 圖 5. 12 參數設置之建築物重量、柱材料參數 ... 116

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xiv 圖 5. 13 參數設置之 RC 牆參數、斜撐材料參數 ... 117 圖 5. 14 斷面資料 ... 117 圖 5. 15 斷面資料匯入 ... 118 圖 5. 16 一般柱斷面資料 ... 118 圖 5. 17 新增一般柱斷面 ... 119 圖 5. 18 選擇不同柱型式 ... 119 圖 5. 19 受壓斜撐斷面資料 ... 120 圖 5. 20 新增受壓斜撐斷面 ... 120 圖 5. 21 受拉斜撐斷面資料 ... 120 圖 5. 22 新增受拉斜撐斷面 ... 121 圖 5. 24 BRB 斜撐斷面資料 ... 121 圖 5. 25 新增 BRB 斜撐斷面 ... 121 圖 5. 26 RC 牆斷面資料 ... 122 圖 5. 27 新增 RC 牆斷面 ... 122 圖 5. 28 資料上傳 ... 123 圖 5. 29 上傳平、立面資料 ... 123 圖 5. 30 照片上傳與編輯 ... 123 圖 5. 31 評估重點資料上傳 ... 124 圖 5. 32 評估重點資料 ... 124 圖 5. 33 專案評估 ... 125 圖 5. 34 下載評估結果 ... 125 圖 5. 35 斷面參數配置圖 ... 131 圖 5. 36 各縣市級距分類圖表 ... 138 圖 5. 37 各縣市級距分類數據表 ... 139 圖 5. 38 Google Maps 全台灣分佈狀態呈現 ... 139

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圖次 xv 圖 5. 39 網頁統計資料畫面 ... 140 圖 5. 40 統計資料之操作選項 ... 140 圖 6. 1 案例一平面圖 ... 143 圖 6. 2 案例一立面圖 ... 144 圖 6. 3 案例一 3D 模型圖 ... 150 圖 6. 4 案例一雙線性化力對位移關係圖 ... 150 圖 6. 5 案例一雙線性化譜加速度對譜位移關係圖 ... 151 圖 6. 6 案例一性能檢核圖 ... 151 圖 6. 7 案例二二樓平面圖 ... 155 圖 6. 8 案例二立面圖 ... 156 圖 6. 9 案例二 3D 模型圖 ... 162 圖 6. 10 案例二雙線性化力對位移關係圖 ... 162 圖 6. 11 案例二雙線性化譜加速度對譜位移關係圖 ... 163 圖 6. 12 案例二性能檢核圖 ... 163 圖 6. 13 案例三平面圖 ... 167 圖 6. 14 案例三立面圖 ... 168 圖 6. 15 案例三 3D 模型圖 ... 176 圖 6. 16 案例三雙線性化力對位移關係圖 ... 176 圖 6. 17 案例三雙線性化譜加速度對譜位移關係圖 ... 177 圖 6. 18 案例三性能檢核圖 ... 177 圖 6. 19 案例四平面圖 ... 180 圖 6. 20 案例四立面圖 ... 180 圖 6. 21 案例五平面圖 ... 188 圖 6. 22 案例五立面圖 ... 189

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xvi

摘

摘要

要

關鍵詞:鋼結構、耐震能力初步評估

一

一、

、

、研究緣起

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。爰此，本研究計畫將以 106 年內政部建築研究所協同研究報告「鋼結構與鋼骨筋混凝土建築耐震能力初步評估方法」為基礎，並比照 PSERCB 評估平台架設方法，建立鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估平台希冀結構物耐震能力評估之研究成果落實於工程業界。

二

二、

、

研究方法及過程

1. 本研究將參採 2016 年內政部建築研究所協同研究報告「鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估平台開發方法」及 2017 年內政部建築研究所協同研究報

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摘要 xvii 告「鋼結構與鋼骨筋混凝土建築物耐震能力初步評估方法」，開發針對鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估之應用平台，並且詳細論述此平台內各模組之計算情形與結果判別方式。 2. 將鋼結構建築物耐震能力初步評估應用於雲端平台上，並新增針對鋼結構廠房之評估之方法。 3. 將鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估應用於雲端平台上。 4. 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，以驗證此平台能正確執行相關評估作業。

三

三、

、

、重要發現

、

重要發現

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，本研究完成之後將可補足 PSERCB 無法涵蓋之鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土的部分，使得國內建築物耐震能力初步評估更臻完善。本研究蒐集國內外文獻，經整理可發現一般鋼結構評估方法無法反映鋼構廠房之耐震能力，因此另設立一專用於分析鋼構廠房耐震能力之評估方法，使其建築物耐震能力評估結果更能符合實際情形。本研究透過三棟一般鋼結構建築物比較其耐震能力初步評估與詳細評估結果，並透過一棟鋼結構廠房進行初步評估，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

四、

、

、主要建議事項

、

主要建議事項

立即可行建議：舉辦鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土耐震能力初步評估平台相關之說明會，推廣本研究之評估方法主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：國立台北科技大學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，

(22)

xviii 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，透過說明會方式，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。

(23)

第一章緒論 1

第一章

緒論

第一節

研究

研究緣起

研究

緣起

緣起與

緣起

與

與背景

背景

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。又於民國 105 年 2 月 6 日的高雄美濃地震重創台南，釀成重大災情。如何平時迅速進行耐震能力初步評估，篩選出此類高震害風險的建築物實為當務之急。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。 PSERCB 現今已成為結構技師、土木技師及建築師等相關從業人員執行鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估不可或缺的工具，現今使用人數已超過 2000 人，已完成的專案約有 7000 件。國內一般建築物雖仍以 RC 造佔大多數，但自九二一地震後國內鋼結構建築物的數量也逐漸地在增加的趨勢，因此，鋼結構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

(24)

2 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。爰此，本研究計畫將以 106 年內政部建築研究所協同研究報告「鋼結構與鋼骨筋混凝土建築耐震能力初步評估方法」為理論背景，並比照 PSERCB 評估平台架設方法，建立鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估平台希冀結構物耐震能力評估之研究成果落實於工程業界。

(25)

第一章緒論 3

第二節

研究方法

研究方法與進度說明

研究方法

與進度說明

一

一、

、

、研究方法

研究方法

以 106 年內政部建築研究所協同研究報告之鋼結構與鋼骨筋混凝土建築耐震能力初步評估方法為基礎及蒐集國內外鋼結構建築物耐震能力初步評估文獻，並參考由專家學者提出可能對鋼結構較重要的影響因子，對原先訂定之鋼結構建築物耐震能力初步評估方法做修正。研擬鋼構廠房定量評估計算方式，內容包括：柱、斜撐之極限剪力強度計算與建築物耐震能力計算。參考 105 年內政部建築研究所協同研究報告之鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估平台開發與應用之 PSERCB 架設方法，建立鋼結構建築物耐震能力初步評估平台，並透過案例分析，確認本研究建立之鋼結構建築物耐震能力初步評估之可行性與實用性。

(26)

4 圖 1. 1 研究步驟【資料來源：本研究製作】

研究目的與背景

蒐集國內外

確認初步評估

方法及表格

規劃程式操作流

程及程式開發

建立前端網頁

介面部分

架設網路平台

建立後端程式部

分及雲端資料庫

案例分析及

講習會

提出建議與結論

(27)

第一章緒論 5

二

二、

、

、進度說明

進度說明

本研究進度如表 1. 1 所示，第 1~10 個月之相關工作已完成。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確認初步評估表格擬定程式操作流程程式開發案例分析期中報告舉辦講習會期末報告成果報告預定進度 ( 累積數 ) 12﹪ 25﹪ 31﹪ 42﹪ 49﹪ 58﹪ 66﹪ 78﹪ 90﹪ 97﹪ 100﹪ 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】

(28)

6

第三節

研究目的

本研究計畫將以 106 年內政部建築研究所協同研究報告「鋼結構與鋼骨筋混凝土建築物耐震能力初步評估方法」為理論背景，比照 PSERCB 之執行過程，建立「鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築耐震能力初步評估平台」，並新增針對鋼結構廠房之評估方法，並舉辦講習會與專家諮詢會議，希冀結構物耐震能力評估之研究成果落實於工程業界，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。

(29)

第二章文獻回顧 7

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的重點。

(30)

8

第二節

鋼結構

鋼結構相關規範回顧

鋼結構

一

一、

、

、我國有關鋼結構之規範

我國有關鋼結構之規範

1. 鋼結構極限設計法鋼結構極限設計法鋼結構極限設計法 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分類構材斷面分類 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

λ

_pd ；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 pd

λ

，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

λ

_r者。細長肢材斷面係指若斷面受壓肢之寬厚比超過

λ

_r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 離。

(31)

第二章文獻回顧 9 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) 構材寬厚比寬厚比限制 pd

λ

_p

λ

_r 受撓曲之熱軋 I 型梁和槽形鋼之翼板 b/t 14/ F y 17/ F y 37/ Fy − F r 受撓曲之 I 型混合梁和銲接梁之翼板 b/t 14/ F y 17/ F y 28/ Fy − F r 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 b/t 14/ F y 16/ F y 25/ F y 受純壓力組合斷面之翼板 b/t 14/ F y 16/ F y 20/ Fy − F r 單角鋼支撐或有隔墊之雙角鋼支撐之突肢；未加勁構件(即僅沿單邊有支撐) b/t 14/ F y 16/ F y 20/ F y T 型鋼之腹板 d/t 14/ F _y 16/ F _y 34/ F _y 矩形或方形中空斷面等厚度 b/t 30/ F y 50/ F y 63/ F y

(32)

10 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 b/t 45/ F y 50/ F y 63/ F y 半滲透銲組合箱型柱等厚度之翼板受撓曲或純壓力 b/t 不適用 _50/ Fy 63/ F _y 受撓曲壓應力之腹板 h/tw 138/ F y 170/ Fy 260/ F y 受撓曲及壓力之腹板 h/tw 當P /u φ Pb y≤0 125. 138



_{1 1 54}

₋





b yu



y P φ P F

.

當P /u φ Pb y >0 125. 51



_{2 33}

₋



_≥

68



b yu



y y P φ P F

.

F 當P /u φ Pb y≤0 125. 170



_{1 2 75}

₋





b yu



y P φ P F

.

當P /u φ Pb y>0 125. 51



_{2 33}

₋



_≥

68



b yu



y y P φ P F

.

F 260/ F _y 其他兩端有支撐且受均勻應力之肢材 b/t h/tw 不適用不適用 68/ F _y 圓形中空斷面受軸壓力 D/t 90/ F y 145/ F y 232/ F y 圓形中空斷面受撓曲 D/t 90/ F y 145/ F y 630/ F y (2).受拉斜撐軸力受拉斜撐軸力受拉斜撐軸力 受拉斜撐軸力 (2. 1) = n g y T A F

(33)

第二章文獻回顧 11 g

A

為構材斷面積(cm2)；

F

_y為構材降伏應力(tf/cm2 ) (3).受壓斜撐軸力受壓斜撐軸力受壓斜撐軸力 受壓斜撐軸力

=

n g cr

P

A F

(2. 2) cr

F

彈性挫屈應力(tf/cm2)可依下列式計算：當細長比

λ

_c

≤

1.5

2 ( 0.419 ) [ c ] cr y F = e− λ F (2. 3) 當細長比

λ

_c

>

1.5

(2. 4) 其中

λ

π

= y c F KL 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銲接箱型構件受壓軸力銲接箱型構件受壓軸力 銲接箱型構件受壓軸力

=

n g cr

P

A F

(2. 6) cr

F

彈性挫屈應力(tf/cm2)可依下列式計算：當細長比

λ

_c

≤

1.5

3 2 0.211λ 0.57λ 0.06λ 1.0   =_ − − + _ cr c c c y F F _{(2. 7)} 當細長比

λ

_c

>

1.5

2 0.764 λ   =     cr y c F F (2. 8) 2 0.877 λ   =     cr y c F F

(34)

12 (5).柱構件同時承受彎矩與軸力互制關係柱構件同時承受彎矩與軸力互制關係柱構件同時承受彎矩與軸力互制關係 柱構件同時承受彎矩與軸力互制關係當

P P

_u

/

_n

≥

0.2

時 8 ( ) 1.0 9 + + uy = u ux n nx ny M P M P M M (2. 9) 當

P P

_u

/

_n

<

0.2

時 ( ) 1.0 2 + + = uy u ux n nx ny M P M P M M (2. 10)

二

二、

、

、國外有關鋼結構之規範

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. 拉力構件拉力構件拉力構件拉力構件 (1). 拉力強度拉力強度設計φ_tP_n，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 n y e P =F A (2. 11) 其中，A_e為桿件全斷面面積(in2)，Fy為鋼材降伏強度( MPa)。 2. 壓力構件壓力構件壓力構件 壓力構件 (1). 一般規定設計抗壓強度φc nP 規定如下：標稱抗壓強度P_n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。

(35)

第二章文獻回顧 13 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。 (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P_n，其公式如下： n cr g P =F A (2. 12) 當 _4.71 _{(or F} _{0.44 F )} y y y KL E r ≤ F ≥ 0.658 y e F F cr y F F     =       (2. 13) 當 _4.71 _{(or F} _{0.44 F )} y y y KL E r > F < 0.877 cr e F = F (2. 14) 其中 2 2 e E F KL r π =       (2. 15) 3. 彎矩與軸力構件彎矩與軸力構件彎矩與軸力構件 彎矩與軸力構件當

P P

_u

/

_n

≥

0.2

時 8 ( ) 1.0 9 + + uy = u ux n nx ny M P M P M M (2. 16) 當

P P

_u

/

_n

<

0.2

時

(36)

14 ( ) 1.0 2 + + = uy u ux n nx ny M P M P M M (2. 17) 其中，

P

_r=

P

_u軸向拉力需求(kips)，

P

_c=斷面能提供的拉力強度(kips)，

M

_rx= ux

M

=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)。

(37)

第三節

合成構材相關規範回顧

一

一、

、

、我國有關合成構材之規範

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. 鋼結構極限設計法鋼結構極限設計法鋼結構極限設計法鋼結構極限設計法 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ρ_sr為 0.004，ρsr定義如下：

ρ

= sr sr g A A (2. 18) 其中： sr A =縱向鋼筋之斷面積，cm2

(38)

16 g

A

=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/cm 2_{，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，其中 =0.85，標稱軸向強度計算柱長細比係數時考慮混凝土強度，在鋼管降伏強度與彈性模數 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 g

A

，As為型鋼或鋼管之全斷面積。 (2). 以r_m 取代r，r_m 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

F

my，考慮混凝土提供之強度： ' 1 ( / ) 2f ( / ) = + + my y yr r s c c s F F c F A A c A A (2. 19) (4). 修正彈性模數E_m，考慮混凝土提供之強度： 3 ( / ) = + m c c s E E c E A A _{(2. 20)} s c r A、、A A ：為鋼管、混凝土與縱向鋼筋之全斷面積。 c E、E ：鋼材與混凝土之彈性模數。 y

F

：鋼管或型鋼之降伏應力。

(39)

第二章文獻回顧 17 yr

F

：縱向鋼筋之降伏應力，若無則為 0。 ' c

f

：混凝土抗壓強度。 1 C =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 n M ，撓曲強度應依下述之規定計算。

=

n p y

M

F Z

(2. 21)

其中 Z 為鋼管或型鋼的塑性斷面模數(Plastic section modulus)。

2. 強度疊加強度疊加強度疊加強度疊加法法法法

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受軸壓力作用之構材受軸壓力作用之構材受軸壓力作用之構材 鋼骨鋼筋混凝土之受壓強度 n P 計算如下： n n s n c r P = P + P _{(2. 22)} 其中：P_ns=鋼骨部分之受壓強度，Pn c r=鋼筋混凝土部分之受壓強度。鋼骨部分之受壓強度P_ns計算如下：當 _{1 .5} c λ ≤ 時：

(

2

)

0.419 ns c ys s P =_exp − λ _F A _{(2. 23)} 當λ c>1 .5時：

(

2

)

0.877 / ns c ys s P = λ F A (2. 24)

(40)

18 其中： ys

F

=鋼骨之規定降伏應力，kgf/cm2 s A =鋼骨之斷面積，cm2。 ys c eff s F K L r E λ π = 。

KL

_{=鋼骨鋼筋混凝土構材之有效長度，cm。} s E =鋼骨之彈性模數，kgf/cm2。 eff

r

=鋼骨鋼筋混凝土構材中鋼骨斷面之有效迴轉半徑。 g eff s g I r r A α = + 。 s r=鋼骨斷面之迴轉半徑，cm。 s I= 鋼骨鋼筋混凝土構材全斷面之慣性矩，cm4。 g

A

= 鋼骨鋼筋混凝土構材全斷面之面積，cm2。 α= 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：α = 0.2。 (ii) 對弱軸彎曲﹕α= 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：α = 0.3。 c. 填充型鋼管混凝土柱：α = 0.1。 d. 包覆填充型鋼管混凝土柱：α = 0.2。鋼筋混凝土部分之受壓強度 n r c P 計算如下： ' 0.85 = + nrc c c r yr P f A A F (2. 25)

(41)

(

)

(

)

2 2 rc nrc EI P KL π = _{(2. 26)} 其中： ' c

f

=混凝土之規定抗壓強度，kgf/cm2。 c A = 混凝土部分之斷面積，cm2。 yr

F

= 鋼筋之規定降伏應力，kgf/cm2。 r A = 鋼筋之斷面積，cm2。

KL

= 鋼骨鋼筋混凝土構材之有效長度，cm。 (E I)r c =鋼筋混凝土部分之撓曲剛度，

(

EI

)

rc

=

E I

c 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). 軸力軸力軸力軸力與彎矩與彎矩與彎矩與彎矩之之之之分配分配分配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P_u與需要彎矩M u ，即 u u s u rc P = P +P _{(2. 27)} u u s u r c M = M + M (2. 28) 其中: u P =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。 u M =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。 us P =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。

(42)

20 0.55 s s us u s s c c E A P P E A E A   = _{⋅ }  +   (2. 29) us M =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。 0.35 s s us u s s c g E I M M E I E I   = ⋅  +     (2. 30) u r c P =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。 0.55 0.55 c c urc u s s c c E A P P E A E A   = _{⋅ }  +   (2. 31) urc M =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。 0.35 0.35 c g urc u s s c g E I M M E I E I   = ⋅  +     (2. 32) 其中: s E ，Ec=分別為鋼骨與混凝土之彈性模數。 s A ，Ac=分別為鋼骨部分與混凝土部分之斷面積。 s

I

，

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

二、

、

、美國

美國

美國 AISC 有關合成構材之規範

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'

≤

(43)

第二章文獻回顧 21 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

F

_y：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 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D fy/ 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P_n = A F_s _{c r}，標稱軸壓強度計算柱細長比係數λc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，

F

_my

=

F

_y

+

0.85f (

_c'

A

_c

/

A

_s

)

修正彈性模數，Em = E +0 .4Ec(Ac / As) 其中 c

A

：混凝土斷面積。

E

、 c E ：鋼材與混凝土之彈性模數。 y

F

：鋼管或型鋼之降伏應力。 ' c

f

：混凝土抗壓強度。

(44)

22

第四節

建築物耐震能力初步評估方法

一

一、

、

、日本建築防災協會制定之耐震診斷基準

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 0 s D

I

=

E

×

S

×

T

(2. 33) s

I

: 結構耐震指標 0

E

: 保有性能基本指標 T: 經年係數其中

E

₀為根據柱、牆壁的斷面積與樓地板面積概算求得水平強度，

E

₀的計算為式(2. 34)及式(2. 35)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。 0 1 1 ( _w _c) _w n E C C F n i α + = + + (2. 34) 0 2 3 1 ( _sc _w _c) _sc n E C C C F n i α α + = + + + (2. 35) n：建築物樓層數，i：評估的樓層 w

C

：牆的強度指標 c

C

：柱的強度指標

(45)

第二章文獻回顧 23 sc

C

：極短柱的強度指標 w

F

：牆的韌性指標 1

α

：(牆達極限強度時之柱強度和)/(柱的極限強度和)，取 0.7 2

α

：(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

α

：(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

二、

、

、建研所

建研所

建研所(宋裕祺協同研究團隊

宋裕祺協同研究團隊

宋裕祺協同研究團隊)研擬

研擬

研擬耐震能力初步評估表

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 13 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危險度額外增、減分。

(46)

24 表 2. 2 鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估表【資料來源：本研究製作】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

三、

、

、一樓層剪力之簡易耐震評估法

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. 柱之剪力計算柱之剪力計算柱之剪力計算柱之剪力計算 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項次項目配分評估內容權重評分 1 結構系統靜不定程度 5 □單跨(1.0) □雙跨(0.67) □三跨(0.33) □四跨以上(0) 2 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= 3 平面對稱性 3 □不良(1.0) □尚可(0.5) □良(0) 4 立面對稱性 3 □不良(1.0) □尚可(0.5) □良(0) 5 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 = 6 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 = 7 軟弱層顯著性 3 □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0) 8 結構細部塑鉸區箍筋細部(由設計年度評估) 5 □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(0) 9 窗台、氣窗造成短柱嚴重性 3 □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0) 10 牆體造成短梁嚴重性 3 □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0) 11 結構現況柱之損害程度 2 □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0) 12 牆之損害程度 2 □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0) 13 裂縫鏽蝕滲水等程度 3 □高(1.0) □中(0.67) □低(0.33) □無(0) 14 定量分析 475年耐震能力初步評估 30 _{(詳參、定量評估表) Ac1=min[Ac1,x，Ac1,y]} 15 2500年耐震能力初步評估 30 _{(詳參、定量評估表) Ac2=min[Ac2,x，Ac2,y]} 分數總計 100 評分總計(P)： 0 1 1 3 4 1 0.25 1 0.25 475 1 475 1 475 1 475 1 _> ₌       − = ≤ ≤ = ≤ w IA A IA A w IA A w IA Ac _， _；_當 c _， c _；_當 c _，當 0 1 1 3 4 1 0.25 1 0.25 2500 2 2500 2 2500 2 2500 2 = >       − = ≤ ≤ = ≤ w IA A IA A w IA A w IA Ac _， _；_當 c _， c _；_當 c _，當

(47)

第二章文獻回顧 25 (

V

_col)為多少，其計算式可表示為: col

V

=

min(2

M

_y

/

L

_n

_，

V

_y

)

(2. 36) 其中

V

y

=

V V

c

+

s為柱之剪力強度，

V

c為混凝土所提供之剪力強度，

V

s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:

0.8

0.5 (1

/ ( '

))

y s y c g

M

=

A f d

+

Pd

−

P

f

A

(2. 37) n

L

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。 col

R

=

1.0 2.0 < 3.0

+

α

(2. 38) sh provide sh code

(A )

/(A )

α

=

(2. 39) 對矩形柱而言，

(A )

_{sh code} 為規範規定之箍筋總斷面積， sh code sh1 sh2

(A )

=Max[A A ]

，

，而

A

sh1、

A

sh2分別如下: sh1 ' A 0.3 _c g 1 c c yh A f ah A f   =  −    (2. 40) sh2 ' A 0.09 _c c yh f ah f = _{(2. 41)} 由於一根柱全長的箍筋並不一定完全相同，所以計算

V

y及

R

col中所用之

A

sh 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。

(48)

26 2. 單一磚牆破壞所提供之層剪力單一磚牆破壞所提供之層剪力單一磚牆破壞所提供之層剪力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: bw bw

V = V

(2. 42) bw

R = 1.0

(2. 43) 式中為磚牆之破壞強度，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，故取其韌性為 1.0。 3. 單一單一單一單一 RC 牆破壞所提供之層剪力牆破壞所提供之層剪力牆破壞所提供之層剪力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 0.53 ' sw c cv n y cv V = f A +

ρ

f A (2. 44) sw

R = 1.5

(2. 45) 式中

ρ

_n為與剪力方向垂直之平面上剪力鋼筋比，

A

_cv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。圖 2. 1 簡易評估法示意圖[2]

(49)

第二章文獻回顧 27 4. 一樓之層剪力一樓之層剪力一樓之層剪力 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 tot col bw sw

V

=

∑

V

+

∑

V

+

∑

V

(2. 46) 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. 平均韌性之計算平均韌性之計算平均韌性之計算 平均韌性之計算 col col bw bw sw sw av tot V R V R V R R V + + =

∑

(2. 47) 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

1.0 (

1.0)/ 2.0

a av

R

=

+

R

−

(2. 48) 6. 偏心扭矩效應偏心扭矩效應偏心扭矩效應 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

F

_t加以折減，

F

_t 由評估者依據經驗及結構型態自行決定。

<1.0

u t tot t

V

=

F V

F

(2. 49) 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

F

_t值約在 0.96~0.98 左右。 7. 建築物能承受之地表加速度為建築物能承受之地表加速度為建築物能承受之地表加速度為 建築物能承受之地表加速度為 u u V F Z WIC = (2. 50) 上式中 C 即

F

_u計算時採用割線勁度對應之週期值(

T

_s)。

(50)

28 2 s e a T =T ×R (2. 51) e

T

: 為彈性週期，

T

_e

=

0.07 h

_n0.75或

T

_e

=

0.05 h

_n0.75。 a

R

: 為容許韌性，

R

_a

= +

1 (

R

_av

−

1)/ 2

。

第五節

國外

國外建築物耐震能力初步評估

國外

建築物耐震能力初步評估

建築物耐震能力初步評估軟體

建築物耐震能力初步評估

軟體

日本由 Homeadvisor 於 2012 年開發設計一套有關於耐震能力初步評估的 APP(耐震コロコロ)，如圖 2. 2 所示，其操作相當簡單且親民，使用者僅需再檢查建築物情形後，並以此回答與建築物相關的 10 個問題，如圖 2. 3 所示。該 APP 評估程式可以透過智慧手機中內建的水平儀來檢測建築物的傾斜程度，如圖 2. 4 所示；亦可透過手機中之 GIS 或由使用者自行輸入地址等資料來獲取建築物附近地盤的軟弱程度，如圖 2. 5 所示。最後將前面評估之各項因子進行綜合評估，得出受評估建築物之耐震能力結果，如圖 2. 6 所示，透過此 APP，任何人都可藉由簡易的耐震評估過程，更能了解建築物的耐震能力，進而降低災害發生的情形。圖 2. 2 耐震コロコロ

(51)

第二章文獻回顧

29

圖 2. 3 耐震コロコロ之建築物相關問答

(52)

30

圖 2. 5 耐震コロコロ之地盤評估流程

鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初步評估平台開發與應用