（國科會GRB 編號） PG１０１０１－０４２６
低矮型 RC 建築耐震補強施工細節
之研究
受委託者 ：國立臺北科技大學
研究主持人：張順益
協同主持人：廖文義
研究助理 ：陳亭偉
林忠毅
林士偉
內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 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 )I
目次
表次‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧III
圖次‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧IV
摘要‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧X
第一章 緒論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1
第一節 研究緣起與背景‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧2
第二節 研究主題‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧5
第三節 研究方法‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧7
第四節 預期效益‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧10
第二章 模擬分析方法‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧19
第一節 資料蒐集‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧20
第二節 構材非線性行為之模擬‧‧‧‧‧‧‧26
第三章 試體設計製作與實驗規劃‧‧‧‧‧‧‧‧‧37
第一節 試體設計‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧38
第二節 實驗規劃‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧48
第三節 短柱補強施工細節‧‧‧‧‧‧‧‧‧50
第四章 反覆載重試驗成果與觀察‧‧‧‧‧‧‧‧‧73
第一節 遲滯迴圈與試驗觀察‧‧‧‧‧‧‧‧73
第二節 短柱補強成效探討‧‧‧‧‧‧‧‧‧79
第五章 試體強度計算與側推分析模擬‧‧‧‧‧‧‧101
第一節 試體強度計算‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧102
目次低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 II
第二節 試體側推分析模擬‧‧‧‧‧‧‧‧‧116
第六章 結論與建議‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧139
第一節 結論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧139
第二節 建議‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧141
附錄一 第一次學者專家諮詢會議紀錄‧‧‧‧‧‧‧145
附錄二 期中審查會議意見與答覆‧‧‧‧‧‧‧‧‧153
附錄三 第二次學者專家諮詢會議紀錄‧‧‧‧‧‧‧161
附錄四 期末審查會議意見與答覆‧‧‧‧‧‧‧‧‧169
附錄五 歷年研究成果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧179
參考書目‧‧‧‧‧･‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧199
III
表次
表 2.1 FEMA 建議之勁度修正值‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧31
表 2.2 FEMA 鋼筋混凝土梁之非線性分析模擬參數‧‧32
表 2.3 FEMA 鋼筋混凝土柱之非線性分析模擬參數‧‧33
表 3.1 實驗試體各材料抗壓強度統計‧‧‧‧‧‧‧‧55
表 3.2 鋼筋抗拉強度‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧55
表 4.1 試體之試驗結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧83
表 5.1 五座試體的強度估算與破壞模式評估‧‧‧‧‧126
表次低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 IV
圖次
圖 1-1 短柱破壞成因及可能發生狀況‧‧‧‧‧‧‧‧12
圖 1-2 短柱效應實際發生案例‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧12
圖 1-3 國內 112 棟老舊校舍建築之柱高寬比調查‧‧‧13
圖 1-4 填充磚翼牆補強示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧13
圖 1-5 填充 RC 翼牆補強示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧14
圖 1-6 增加邊柱圍束箍筋補強示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧14
圖 1-7 增設鋼筋混凝土 U 形框架補強示意圖‧‧‧‧15
圖 1-8 磚牆切割隔離縫方式示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧15
圖 1-9 挖空部分磚牆填充玻璃磚方式示意圖‧‧‧‧‧16
圖 1-10 實驗場空間配置圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧16
圖 1-11 純構架試體與梁柱斷面示意圖‧‧‧‧‧‧‧17
圖 1-12 三種短柱補強方式試體示意圖‧‧‧‧‧‧‧17
圖 2-1
NCREE 之塑性鉸性質‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧34
圖 2-2 構件之非線性鉸之行為曲線‧‧‧‧‧‧‧‧‧35
圖 3-1 空構架之立面、側面及基礎上視圖‧‧‧‧‧‧56
圖 3-2 構架邊柱與梁之斷面圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧56
圖 3-3 構架內填充磚牆之短柱原型試體示意圖‧‧‧‧57
圖 3-4 增設圍束箍筋補強試體‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧57
圖 3-5 增設磚翼牆補強試體‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧58
V
圖 3-6 增設 RC 翼牆補強試體‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧58
圖 3-7 本研究所使用之紅磚尺寸示意圖‧‧‧‧‧‧‧59
圖 3-8 英式砌法之紅磚堆疊示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧59
圖 3-9 英式砌法之紅磚堆疊示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧60
圖 3-10 基礎鋼筋組立情形‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧60
圖 3-11 柱主筋彎入基礎底層筋紮實錨定‧‧‧‧‧‧61
圖 3-12 基礎內設置大號數鋼筋的吊掛彎鉤‧‧‧‧‧61
圖 3-13 混凝土澆置前基礎規格及預埋管位置查驗‧‧62
圖 3-14 基礎完成模板組立等待進行灌漿作業‧‧‧‧62
圖 3-15 柱之圍束箍筋彎折情形‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧63
圖 3-16 柱之圍束箍筋彎折情形‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧63
圖 3-17 柱箍筋綁紮完成（間距 25 公分）‧‧‧‧‧‧64
圖 3-18 柱封模板及現場支撐作業‧‧‧‧‧‧‧‧‧64
圖 3-19 混凝土標準圓柱試體製作‧‧‧‧‧‧‧‧‧65
圖 3-20 空構架試體製作完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧65
圖 3-21 增設圍束箍筋補強工作‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧66
圖 3-22 增設磚翼牆補強工作‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧66
圖 3-23 增設 RC 翼牆補強工作‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧67
圖 3-24 實驗配置示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧67
圖 3-25 傳力鋼梁設計圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧68
圖 3-26 施力鋼梁設計圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧68
圖 3-27 轉接鋼板示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧69
圖次低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 VI
圖 3-28 施力系統示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧69
圖 3-29 施力系統示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧70
圖 3-30 實驗試體與傳力機構組裝之空間配置圖‧‧‧70
圖 3-31 LVDT 位移感測器配置示意圖‧‧‧‧‧‧‧71
圖 3-32 反覆載重位移加載歷時圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧71
圖 3-33 新增設之圍束箍筋配置示意圖‧‧‧‧‧‧‧72
圖 4-1 試體實驗配置圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧83
圖 4-2 試體 S0 層間位移達 1%時僅於邊柱兩端生撓曲裂
縫‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧84
圖 4-3 試體 S0 層間位移達 2.5%時水平方向撓曲裂隙持續
增加‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧84
圖 4-4 試體 S0 層間位移達 4%時柱底附近斜向裂縫快速
發展‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧85
圖 4-5 試體 S0 層間位移達 4.5%時柱底處產生 45 度剪力
斜裂縫‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧85
圖 4-6 試體 S0 層間位移達 5.5%時柱底塑鉸區混凝土崩
落‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧86
圖 4-7 試體 S0 實驗結束後之破壞情形‧‧‧‧‧‧‧86
圖 4-8 試體 S0 之側向力-位移關係圖‧‧‧‧‧‧‧‧87
圖 4-9 試體 R1 層間位移達 0.5%時柱身有明顯的斜向裂
縫‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧87
圖 4-10 試體 R1 層間位移達 0.75%時剪力裂縫快速發
展‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧88
VII
圖 4-11 試體 R1 層間位移達 1.25%時混凝土因受擠壓而明
顯損壞‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧88
圖 4-12 試體 R1 層間位移達 1.5%時短柱受剪而嚴重損
壞‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧89
圖 4-13 試體 R1 層間位移達 2%時短柱區域混凝土嚴重崩
落‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧89
圖 4-14 試體 R1 實驗結束後之破壞情形‧‧‧‧‧‧‧90
圖 4-15 試體 R1 之側向力-位移關係圖‧‧‧‧‧‧‧90
圖 4-16 試體 R2 層間位移達 0.25%時新舊牆體交界處附近
產生裂隙‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧91
圖 4-17 試體 R2 層間位移達 0.5%時牆體裂隙持續增加 91
圖 4-18 試體 R2 層間位移達 0.75%時牆體裂隙持續增
加‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧92
圖 4-19 試體 R2 層間位移達 1.25%時牆體呈現蜘蛛網狀裂
隙‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧92
圖 4-20 試體 R2 層間位移達 1.5%時短柱區剪力裂縫快速
增加‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧93
圖 4-21 試體 R2 層間位移達 2%時於短柱中央處產生剪力
塑鉸‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧93
圖 4-22 試體 R2 實驗結束後之破壞情形‧‧‧‧‧‧‧94
圖 4-23 試體 R2 之側向力-位移關係圖‧‧‧‧‧‧‧94
圖 4-24 試體 R3 層間位移達 0.25%時牆體因受拉而造成之
裂隙‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧95
圖 4-25 試體 R3 層間位移達 0.5%時於短柱區產生斜向剪
圖次低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 VIII
力裂縫‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧95
圖 4-26 試體 R3 層間位移達 0.75%時試體達到水平側向力
最大值‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧96
圖 4-27 試體 R3 層間位移達 1.25%時短柱與 RC 翼牆剪
力裂縫擴大‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧96
圖 4-28 試體 R3 層間位移達 1.75%時試體損壞情形‧‧97
圖 4-29 試體 R3 層間位移達 2.5%時試體嚴重損壞‧‧97
圖 4-30 試體 R3 實驗結束後之破壞情形‧‧‧‧‧‧‧98
圖 4-31 試體 R3 之側向力-位移關係圖‧‧‧‧‧‧‧98
圖 4-32 五座鋼筋混凝土構架試體示意圖‧‧‧‧‧‧99
圖 4-33 五座試體之韌性容量關係圖‧‧‧‧‧‧‧‧99
圖 5-1 求取邊柱反曲點之模擬示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧126
圖 5-2 試體塑鉸配置模擬示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧127
圖 5-3
S0 空構架試體強度模擬分析比較‧‧‧‧‧‧127
圖 5-4
S1 短柱構架試體強度模擬分析比較‧‧‧‧‧128
圖 5-5
R1 增設圍束箍筋補強試體模擬示意圖‧‧‧‧128
圖 5-6 R1 增設圍束箍筋補強試體強度模擬分析比較‧129
圖 5-7 R1 試體於側推分析達極限側力時之塑鉸狀態‧129
圖 5-8 R2 之 SM1 增設磚翼牆模擬示意圖‧‧‧‧‧‧130
圖 5-9 R2 之 SM1 增設磚翼牆模擬分析比較‧‧‧‧‧130
圖 5-10 R2 之 SM1 模擬分析設定說明‧‧‧‧‧‧‧131
圖 5-11 R2 之 SM2 增設磚翼牆模擬示意圖‧‧‧‧‧131
IX
圖 5-12 R2 之 SM2 增設磚翼牆模擬分析比較‧‧‧‧132
圖 5-13 R2 之 SM2 模擬分析設定說明‧‧‧‧‧‧‧132
圖 5-14 R2 之 SM3 增設磚翼牆模擬示意圖‧‧‧‧‧133
圖 5-15 R2 之 SM3 增設磚翼牆模擬分析比較‧‧‧‧133
圖 5-16 R2 之 SM3 側推分析塑鉸狀態‧‧‧‧‧‧‧134
圖 5-17 R3 之 SM1 增設 RC 翼牆模擬示意圖‧‧‧‧134
圖 5-18 R3 之 SM1 增設 RC 翼牆模擬與設定‧‧‧‧135
圖 5-19 R3 之 SM1 增設 RC 翼牆試體模擬分析比較‧135
圖 5-20 R3 之 SM2 增設 RC 翼牆模擬示意圖‧‧‧‧136
圖 5-21 R3 之 SM2 增設 RC 翼牆模擬於側推分析時之塑
鉸狀態‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧136
圖 5-22 R3 之 SM2 增設 RC 翼牆試體模擬分析比較‧137
圖 5-23 R3 之 SM3 增設 RC 翼牆模擬示意圖‧‧‧‧137
圖 5-24 R3 之 SM3 增設 RC 翼牆模擬於側推分析時之塑
鉸狀態‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧138
圖 5-25 R3 之 SM3 增設 RC 翼牆試體模擬分析比較‧138
圖次低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 X
摘要
關鍵詞：耐震補強、鋼筋混凝土、極短柱、磚翼牆、RC 翼牆 一 、 研 究 緣 起 台灣地區位處環太平洋地震帶，地震發生頻繁。在過去所發生的大地 震當中，可以發現到中小學老舊校舍受到地震的危害相當嚴重。特別值得 注意的是學校建築物設計時，其耐震設計地震力較一般建築物來的高，但 受損情形卻較為嚴重，其原因值得進一步探究。在震後的勘災資料與勘災 報告可以發現學校建築物因為欠缺整體規劃，常因前後期興建或分期興建 而導致建築物出現許多缺點，如未預留伸縮縫或伸縮縫不足、上下柱發生 錯位等。除此之外，大多數的學校建築物為了通風、採光考量，會在沿走 廊方向設置大量的玻璃窗，而這些窗戶的存在使得柱的兩側必須配置一定 高度之鋼筋混凝土造或磚造窗台，這些窗台因為與柱相鄰而使柱子的有效 長度縮短，以致使柱的勁度增加。當地震發生時，因短柱的勁度大，而較 其他正常柱吸收更大的水平側向力，此短柱極可能因所受剪力超過其剪力 強度而發生剪力破壞，此即短柱效應。另一方面，早期興建的鋼筋混凝土 建築物，因不需滿足耐震設計特別規定，其柱箍筋間距大於 20 公分相當 普遍，這也可能促使短柱效應的提早發生。當柱子的有效長度愈短，其剪 力集中效果愈大，據此可以推測短柱效應和窗台高度或是柱的有效淨高有 著密不可分的關係。一般的窗台短柱行為已有相當多的研究試驗、分析方 法以及補強對策，但對於常見的廁所、樓梯間或地下室因開高窗而造成之 極短柱行為，其補強工法的成效驗證以及相對應的模擬分析則仍相當的欠 缺。 對於RC 構架因填充磚牆引起之極短柱行為，於內政部建築研究所研 究計畫「既有RC 建築物修復補強工法之性能試驗研究(2)」報告中，對於XI 極短柱行為的成因已進行充分的研究與探討，尤其是在得知造成短柱行為 的成因之後，即可進一步提出耐震補強的方法來避免短柱破壞的發生。基 本上不管是增加構架邊柱的抗剪強度或是弱化填充磚牆的抗剪強度皆可 達到避免短柱破壞發生的目的。根據此原則本研究除了提出在構架邊柱增 設圍束箍筋補強工法來提高其抗剪強度之外，也期望能適度的提升其韌性 強度。同時為了達到弱化填充磚牆抗剪強度的目的則提出在磚牆中央部份 挖空部份磚牆而填入強度較低的玻璃磚。另一方面，現今工程界常用來提 高構架邊柱抗剪強度的短柱補強工法有構架邊柱旁填充RC 翼牆或填充磚 翼牆，而在弱化填充磚牆抗剪強度的短柱補強工法則有切割隔離縫。針對 以上的這些短柱補強工法，經由進一步的討論之後擇定在構架邊柱增設圍 束箍筋以及在構架邊柱旁填充RC 翼牆或填充磚翼牆補強來進行實際的實 驗驗證，並提出與其相對應之理論分析方法與補強設計原則，使工程界能 經濟且安全的使用這些補強工法。特別值得注意的是常用之極短柱補強方 式對於補強後構材所提供之強度、容許變形以及對耐震行為的影響並無足 夠的試驗資料與理論依據可供參考，因此實有必要進一步探討極短柱補強 後的耐震行為，尤其是正當老舊既有建物進行耐震評估與補強之際，更顯 得此一問題的迫切性，因此本研究擬針對此一課題以試驗為主分析為輔進 行深入的研究。 二 、 研 究 方 法 及 過 程 為了驗證建築結構之耐震行為特性以及其相對應的理論分析結果，強 化研究內容的根據與基礎，提高研究成果的實用性，進行實際的實驗驗證 已成為非常重要的一環。因此，本研究擬使用內政部建築研究所材料實驗 中心之場地與設備來進行一系列的反覆載重試驗，以探討各種不同補強工 法對於避免高窗短柱破壞的適用性以及補強前後的耐震行為。內政部建築 研究所之材料實驗中心具有進行大型結構實驗所需的強力地板與反力牆 摘要
低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 XII 設施，同時也配置有完整的施力系統以及資料擷取系統，可以進行一般的 大型結構實驗。 高窗短柱情形存在於一般鋼筋混凝土建築物中十分普遍，而這些建築 物都有發生短柱破壞的潛在風險，因此對於高窗短柱的耐震補強效益與施 工細節實有必要進一步探討研擬。先前的短柱行為研究已充分得知鋼筋混 凝土構架內因填充磚牆而可能引起的短柱破壞之臨界條件，因此可利用此 研究成果進一步提出補強方法，並進行相關的實驗研究，以建立窗台短柱 補強之相關定性與定量描述，並期望本研究成果可做為短柱補強相關參考 規範研擬時的參考資料。其中主要的研究工作包含以下幾點： 1. 收集國內外與本計畫相關之 RC 構架因填充牆體而可能引起短柱 破壞之補強工法的試驗結果與模擬分析資料。 2. 設計及製作具有短柱特性之 RC 構架試體，並進行相關的短柱補 強，隨後進行一系列的反覆載重試驗以獲得試體的遲滯迴圈圖以 及在受力過程中詳細觀察結構試體的破壞發展模式，以進一步評 估補強功效。 3. 針對本研究所製作具有短柱特性之 RC 構架試體以及所收集到的 相關試體資料，除了針對補強前的資料來比較之外，對於補強後 的試驗資料更需進行比較分析，並利用試驗資料來探討各種不同 補強方式對於勁度、強度、韌性以及整體耐震性能的影響。 4. 利用國內外常用的分析軟體 NCREE 和 FEMA 所提供的塑鉸模擬 方式，並配合 EATBS 程式來進行實驗試體的非線性模擬側推分 析，並與試驗結果相比較以研擬出合適的模擬分析方法。 5. 由本計畫之試驗結果與模擬分析結果來進一步討論各補強方式 對耐震行為的影響以及提出補強時的相關注意事項。
XIII 針對以上所列出的主要研究工作在順利完成之後，將可得到一些重要 的研究成果除了可供實務上的應用參考之外，也是學理上進一步研究的重 要參考資料，其主要預期目標包括： 1. 驗證現今老舊校舍與一般建築物所經常採用的補強方式，如新增 磚翼牆及新增RC 翼牆，以及本研究所提出的增加圍束箍筋等工 法是否能確實有效的避免短柱破壞的發生。 2. 本研究之模擬分析模型將配合實驗結果來進行反覆驗證，其模擬 分析結果將可提高補強後模擬分析的準確性，進而提升耐震評估 與補強設計的品質。 3. 利用所收集到的試驗資料以及本試驗所得到的試驗結果，針對國 內常用的分析軟體，提出模擬分析細節的相關建議以及相關控制 參數的擬定。 4. 參與人員可以學習如何進行大型結構實驗以及熟悉側推分析的 精髓。 三 、 重 要 發 現 本計畫針對短柱破壞補強進行深入研究，除了設計及製作試體進行一 系列的反覆載重試驗之外，也使用塑鉸輸入輔助程式，並配合 ETABS 商 用程式來完成非線性側推模擬分析，經此一連串實際試驗與數值模擬分析 可以得到以下的重要發現： 1. R1 補強試體係在構架邊柱增設圍束箍筋的方式來進行補強，亦 即在既有箍筋之間再加入兩組箍筋以縮小箍筋間距。此補強方式 原本希望除了能提高抗剪強度之外，也能因有效圍束的增加而提 高韌性強度。然而經由反覆載重試驗可以發現補強後的試體最大 摘要
低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 XIV 強度值竟然比補強前的強度還要更低，此一試驗結果並不符合試 驗前的預期。其主要原因乃在於新舊混凝土之介面間因膠結不佳 所造成，這可從試驗過程中發現新澆置混凝土呈現整片剝離的現 象得到驗證。另一方面，對於使用縮小箍筋間距來提高有效圍束 進而提高韌性強度則可從破壞發展模式或是韌性強度的比較得 到充分的印證。 2. 構架邊柱採用增設圍束箍筋來進行補強，理論上雖然可同時改善 抗剪強度及韌性強度，但實務上因新舊混凝土之介面間因膠結不 佳而無法達到預期目標，同時因施工時必須先敲除保護層混凝 土、隨後進行圍束箍筋組立及焊接，最後進行組模及澆灌混凝 土，其施工過程較為繁複與困難，因此對於老舊建築物的短柱補 強並不建議採用。然而對於新建建築物則能以增加很少的額外圍 束箍筋來避免短柱破壞的發生則可能是相當不錯的選擇。 3. 不管是在構架邊柱增加磚翼牆的 R2 試體或是增加 RC 翼牆的 R3 試體，試驗結果都顯示能有效提高整體構架的側向抗剪強度，並 且提高的強度差異不大。雖然增設磚翼牆與增設RC 翼牆所得到 的最大側向抗剪強度幾乎相等，但特別值得注意的是增設磚翼牆 的極限位移卻是增設RC 翼牆的兩倍，這是因為增設 RC 翼牆將 會使構架邊柱的勁度大幅提高而使得非線性變形能力下降，並且 明顯不如增設磚翼牆的R2 試體。 4. 雖然不管是在構架邊柱增加磚翼牆或是增加 RC 翼牆都能有效提 高整體構架側向抗剪強度來避免或延後短柱破壞的發生，本研究 建議以增加磚翼牆應為較佳的方案，這是因為兩者所提高的整體 構架的側向抗剪強度大致相同，而增加磚翼牆卻有較佳的非線性 變形能力。同時，增加磚翼牆的施工明顯比增加RC 翼牆來的簡 單快速，並且費用較便宜。
XV 5. 從 R2 與 R3 試體的破壞發展模式中，可以明顯發現在新舊牆體交 界附近，且沿著新增翼牆對角線方向之角隅處的紅磚因為受擠壓 而發生壓碎崩落的現象。這樣的現象意味著新增翼牆在此形成一 類似壓力斜撐的反應機制來抵抗側向力，因此其模擬分析似乎可 沿襲一般非線性側推分析以等值斜撐來模擬一般磚牆的行為一 樣，利用一等值斜撐來模擬此新增磚翼牆或新增RC 翼牆的耐震 行為。 6. 針對本研究所設計及製作的試體除了進行反覆載重試驗之外，也 分別進行模擬側推分析。為了能取得最佳的模擬分析模型，針對 每座試體分別建立一至多種模擬分析模型來進行側推分析，並將 分析結果與實驗結果及實驗的破壞發展模式進行比較，探討各種 不同模擬分析的可行性及優缺點，最後推薦最佳的模擬分析方 法。 7. 對於一般中小學校舍而言，因高窗的設置而造成短柱的現象相當 普遍，使用新增磚翼牆或新增RC 翼牆來進行補強，本研究經實 際的反覆載重試驗充分證實具有補強成效，並以新增磚翼牆為較 佳的補強方法。 四 、 主 要 建 議 事 項 本報告因執行101 年度研究計畫「低矮型 RC 建築耐震補強施工細節 之研究」而提出下列之具體建議： 建議一 繼續及擴大推動既有鋼筋混凝土建築物耐震補強的試驗研究與模擬 分析研究：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 摘要
低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 XVI 協辦機關：內政部建築研究所 現行國內老舊建物之高窗短柱情形非常普遍，因此本研究針對此課題 進行構架短柱的補強試驗研究，並且得到重要的研究結果，除了可釐清工 程界的疑惑之外，更可提供重要的參考。很明顯國內老舊建物不是只有高 窗短柱問題，尚有相當多的潛在問題都需要進一步的研究，如使用新增翼 牆補強、擴柱補強或是剪力牆補強時，所對應的基礎該如何處理？當老舊 建物的混凝土抗壓強度較低時，其補強成效如何？植筋在補強時的使用相 當普遍，但如何確保植筋的成效？這些相關問題都有待進一步的深入研究 與探討。 建議二 將本研究結果提供參與校舍補強技師設計參考：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部建築研究所 教育部現正辦理中小學老舊校舍之耐震補強，其中老舊建築物具有潛 在短柱破壞的情形相當普遍，因此往往也是補強工作中重要的一環，本研 究成果可提供非常重要的參考。不管是新增磚翼牆補強或是新增RC 翼牆 補強都證實能有效達到補強目標，並且建議以新增磚翼牆補強為較佳的選 擇，這是因為除了能有效提高側向抗剪強度之外，可以比新增RC 翼牆補 強得到更好的非線性變形能力，同時施工容易、材料便宜、不需植筋以及 不用組模灌漿可節省補強經費。 建議三 推動既有鋼筋混凝土建築物的詳細耐震評估以及耐震補強設計 的相關準則研究：中長期建議
XVII 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部建築研究所 台灣地區現有相當多的老舊鋼筋混凝土建築物，或因震損、或因使用 不良，或因使用舊規範設計，因而使其耐震能力不足而必須進行耐震補 強。但現今並沒有既有鋼筋混凝土建築物評估、耐震補強施工的相關規範 可供依循，實有必要推動相關規範的研擬。本計畫使用兩個不同輔助程式 (NCREE、FEMA)並配合 ETABS 來分析相關試體，雖初步能證實其適用 性，但仍需更多的模擬分析來確認不同輔助程式的適用範圍，以提供實際 分析的選擇之用。 摘要
低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究
XVIII
ABSTRACT
Keywords： existing building, seismic retrofit, reinforced concrete, retrofitting
technique, short column effect
In order to study the retrofitting technique for short column effect occurred in an infilled reinforced concrete frame, a series of cyclic loading tests was conducted first and their corresponding nonlinear pushover analyses were performed. In fact, four full size reinforced concrete frames was designed and fabricated. One is a pure frame and three specimens are infilled with brick wall and are seismically retrofitted with different techniques on the short columns of the reinforced concrete frames. For this purpose, the retrofitting techniques include installing RC wing walls, infilled with brick wing walls and special confining reinforcements. These retrofitting details are commonly used in Taiwan for an existing school building. Each test specimen was cyclically tested so that the failure mode of each frame and its hysteretic loops can be obtained. Therefore, the strength, ductility and the overall performance of each specimen can be obtained. The effectiveness of each retrofitting technique is compared. On the other hand, a pushover analysis was also carried out for each frame by using the commercial code ETABS with the aided code developed by NCREE and FEMA. It should be mentioned that it is needed to adjust the significant parameters that affecting the nonlinear behaviors and explore simulation details, especially to consider the short column effect and the infilled wing wall, so that a reliable simulation model can be established for simulating an infilled reinforced concrete frame. As a result, the analytical result of each frame can be compared to that obtained from the cyclic loading test and thus the feasibility of using pushover analysis for this study can be evaluated.
第一章 緒論 1
第一章 緒論
台灣地區位處於環太平洋地震帶，地震發生相當頻繁，因此建築物具 有良好的耐震能力就相當重要。在1999 年 9 月 21 日台灣中部發生芮氏規 模7.3 的集集大地震，這次強震不但帶走兩千多人生命，更摧毀數以萬計 的家庭。根據內政部統計，在此次震害當中全倒或半倒的建築物累計共近 十萬餘棟，其中包含全國中小學校舍損壞者共 656 所，其中 43 所國中小 學校舍全毀，如此嚴重的震害更突顯出原本預計作為緊急避難兼收容場所 的學校，竟潛藏著耐震能力不足的危機。此次地震所引起的巨大震害彰顯 出老舊建築物耐震能力不足的問題，因此有相當多的相關單位都積極的投 入破壞成因的探討，同時針對早期所訂定的建築技術規則進行全面的檢視 與修訂，希望能有效減少甚或避免地震災害的發生，以確保人民生命及財 產的安全。 台灣早期興建的低矮型鋼筋混凝土結構物，經常因為通風、採光的需 要，在沿走廊方向採大面積開窗或是廊外無柱的配置，致使沿走廊方向變 成結構耐震強度的相對弱向。從震災調查報告中顯示，這類建築發生崩塌 或嚴重損壞主要都集中在底層柱沿走廊方向遭到剪斷或彎斷的情形，尤其 是窗台柱因短柱現象而導致柱發生剪力破壞，更是結構物發生倒塌的主要 原因。因此為了要瞭解此類含牆結構的耐震行為，國內學術機關進行了大 量含牆構造的試驗研究，如國家地震工程研究中心、成功大學以及臺灣科 技大學等學術單位皆已針對各類型含牆構架、磚造建築及其補強方式等進 行一系列之耐震試驗研究與補強成效探討。除了驗證補強方式的可行性之 外，也進一步探討補強的成效，甚至於施工時應特別注意的作業細節。 近年來國內學術機構所累積的研究成果，已經能夠針對此類低矮型鋼 筋混凝土建築進行耐震能力的評估，但是對於短柱補強的評估方式卻未有 相關試驗研究可供進行探討以及驗證。因此，本研究希望能透過模擬實尺低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 2 寸的校舍短柱構架進行實際的反覆載重試驗，來檢驗現今業界實務上常見 的短柱補強方式，除了驗證其是否確實能發揮補強效益之外，也可得知其 受力後的破壞發展模式，最後更將針對短柱補強的評估方法提出具體可行 的建議以供實際應用之參考。
第 一 節 研 究 緣 起 與 背 景
一 、 研 究 緣 起 國內的低矮型建築物中，在鋼筋混凝土構架內填充磚牆或RC 牆相當 普遍，這也是國內極具代表性的建築結構形式。在構架中填充磚牆或 RC 牆雖然能提供相當大的側向強度，但同時也可能產生結構上的弱點，例如 短柱、軟弱層與不對稱等現象。對於此類建築物若能針對其受震特性加以 研究，了解其耐震缺點並予以充分的評估與補強，則能克服此類建築物耐 震能力不足的問題。 在RC 建築物中，同一樓層中之柱高，原以樓層高度設計，但實際上 有些柱子因與窗台相連而受其側向束制作用，使柱子的有效長度縮短，以 致使柱的勁度增加。當地震發生時，同一樓層中的柱會產生相同的層間變 位量，因為短柱的勁度大，而較其他正常柱吸收更大的水平力，此短柱極 可能因所受剪力超過剪力強度而發生剪力破壞，此即短柱效應，如圖 1-1 之左圖所示。圖1-1 之中間圖及右圖則分別用來表示短柱可能發生於斜坡 上之建築物以及配置夾層之邊柱等。至於圖1-2 所示則是因為台度磚牆之 配置而形成短柱，並進而發生破壞的實際案例。另一方面，早期興建的鋼 筋混凝土建築物，因不需滿足耐震設計特別規定的要求，其柱箍筋間距大 於 20 公分的配置相當普遍，這也可能促使短柱效應的提早發生。一般而 言，當柱子的有效長度愈短，其所承受的剪力相對愈大，因而愈容易發生 短柱現象。根據此一特性可進一步推測短柱效應的發生和窗台的高度與柱 寬的比值有著密不可分的關係。第一章 緒論 3 關於老舊鋼筋混凝土構架因填充RC 牆而引起之短柱行為，在國內已 完成為數不少的相關試驗研究可供驗證。而對於老舊鋼筋混凝土構架內部 填充磚牆所引起的短柱行為研究，則於內政部建築研究所研究計畫「既有 RC 建築物修復補強工法之性能試驗研究(2)」中，已得到一些重要的研究 成果。在該研究中發現RC 構架因填充不同高度的磚牆，而使邊柱受到不 同程度的束制，進而使得實驗試體發生不同的破壞模式。該實驗研究中包 含四座試體，其中當柱有效淨高段之高寬比分別為5 與 4 時，通常會將其 歸類為一般柱，然而因為邊柱為非韌性配筋，因此試體的最終破壞模式為 撓剪破壞；而當柱的有效淨高段之高寬比分別為2.5 與 1.67 時，係屬於短 柱，且因邊柱為非韌性配筋，因此試體明顯發生由剪力所控制的短柱破 壞。特別值得注意的是該研究針對短柱破壞發生的臨界條件進行一系列的 探討，並提出簡易快速的評估方法，以方便提早發現結構物可能潛在發生 短柱破壞的位置。此評估方法，首先由鋼筋混凝土構架之邊柱的有效淨高 來預測其破壞模式，係屬撓曲控制破壞或剪力控制破壞；隨後再透過比較 磚牆的極限剪力強度以及邊柱的極限剪力強度來預測磚牆是否發生破 壞，進而評估是否發生短柱破壞。透過此一簡單的計算來判定短柱是否因 為剪力強度不足而需進行後續的耐震補強。 本研究所收集到的國內112 棟老舊中小學校舍的結構資料當中，含台 度磚牆之窗台柱有效淨高的高寬比介於6~7 之間的數量為最多，而有效淨 高寬比介於 0~3 之間的窗台柱也佔有為數不少的數量，大約佔總額的 20%，詳細統計資料如圖 1-3 所示。雖然國內現已完成大量老舊校舍的耐 震能力評估與修復補強，但對於高窗短柱補強的方式以及補強成效仍缺乏 相關的理論研究以及實驗驗證。因此本計畫擬針對現今工程界常見的短柱 補強工法進行一系列的相關實驗，除了可以驗證現今業界的補強工法是否 有效之外，也可得知其破壞發展模式進而提供工程師於補強設計時的參 考，並提出適當的模擬分析模型，以提升結構耐震詳細評估程式的完整 性。此時正當國內中小學老舊校舍與老舊既有建物進行耐震評估與補強之
低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 4 際，更顯得此一問題的急迫性，因此本計畫將針對此一課題除了進行試驗 研究之外，也將進行模擬分析的相關研究。 二 、 研 究 背 景 在921 集集大地震發生之前，國內對於結構的耐震設計理念係希望能 達到「小震不壞，中震可修，大震不倒」的性能指標，其實質意義乃是強 調設計要滿足生命安全及損壞控制這兩個目標。然而結構物在遭受地震力 侵襲的過程中，這樣的一個性能指標是否能夠完全滿足設計需求仍是難以 預測。於是在民國88 年，台灣大學蔡益超教授提出「強度韌性法」，此法 係依據結構構材的尺寸大小與詳細配筋情形，計算其強度、韌性以及破壞 模式，除此之外，並進一步計算各樓層的耐震能力，且取其最小值當作崩 塌地表加速度。最後再利用評估所得的破壞模式來判斷該建築物耐震不足 的可能原因，以做為耐震補強時的參考。強度韌性法基本上係屬於彈性分 析方法，僅以韌性強度作為評估耐震能力的依據，並未考量結構物變形後 的影響，以致評估結果並不能真實反應建築物的耐震能力。為了要改善此 一缺失，在民國94 年，蔡益超教授依據性能設計原則，引進 ATC-40 所建 議的非線性側推分析及容量震譜法 (Capacity Spectrum Method)，開發出視 窗化輔助程式 SERCB，並配合其他商用軟體來進行一般建築物的耐震能 力詳細評估。此評估方法的目的在於充分反應結構物的非線性行為，使建 物的耐震能力不再只由單一參數「強度」決定，而是由「強度」與「韌性」 兩個參數一起決定。另一方面，ETABS 和 SAP2000 等土木結構分析商用 軟體也將FEMA 所建議的塑鉸模擬方式置入到軟體中，並作為預設塑鉸的 性質以便進行非線性結構分析。然而FEMA 所建議的塑鉸設定相對而言較 為保守，因此如何提升詳細評估方法的可靠性遂成為現今國內外耐震能力 詳細評估研究的主要研究目標。 結構性能設計法(Performance-Based Design, PBD)已是國內結構耐震
第一章 緒論 5 評估與補強設計的主流，該方法著重於結構物應能滿足所須具備的結構性 能需求，因此就必須對結構進行非線性分析。關於結構物耐震能力評估係 採用美國 ATC-40 的容量震譜法，主要是藉由靜態的非線性側推分析來完 成評估，其中關於構材塑性鉸的設置與否、設定位置以及塑性鉸的數學分 析模型都會直接影響側推分析的結果。進行結構非線性分析時，其所需的 構材塑性鉸模擬國內外都有相關的輔助程式可供應用，其中國內有SERCB 程式與NCREE 所提供的程式兩種，而國外則有 FEMA 所提供的模擬設定 方法可供應用。 利用商用軟體，如 ETABS 或 SAP2000，並配合以上所述的輔助程式 可以用來模擬分析高窗短柱補強前後的耐震行為。由於高窗短柱補強後的 耐震行為非常複雜，並且沒有相關的實驗結果可供參考比較。所以本計畫 對於磚造窗台的短柱行為以及其補強後的模擬方式進行探討，除了利用所 收集到的試驗資料與分析資料外，也進行必要的實驗研究，進一步探討構 材的實際強度與韌性容量的模擬方式，以及其構架填充磚牆後的耐震行為 等來確立模擬方式。除了利用NCREE 所發展的輔助程式之外，也將利用 FEMA 輔助程式，並配合 ETABS 來進行實驗試體的模擬側推分析。將分 析結果與實驗結果進行比較，並依循實驗過程中所觀察到力量傳遞方式以 及破壞發展模式來逐步調整相關控制的參數或模擬方式，並將分析結果與 實驗結果進行比對，以建議可行的模擬方式以供實務評估與補強設計之使 用。
第 二 節 研 究 主 題
為了能順利達成本研究計畫的目標，特別將本研究計畫的重要研究工 作條列如下： 1. 收集國內外與本計畫相關之 RC 構架因填充牆體而可能發短柱破壞之 補強工法的試驗結果與結構分析資料。低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 6 2. 設計及製作一座空構架試體及三座具極短柱之 RC 構架補強試體，其 中的補強方式包含高窗處填充磚翼牆、填充 RC 翼牆以及相鄰邊柱增 加圍束箍筋等。隨後進行一系列的反覆載重試驗以詳細觀察其破壞發 展模式、破壞發生位置以及求得這些試體的遲滯迴圈圖，並進一步評 估補強功效。 3. 針對 RC 構架補強前後之試驗資料以及收集到的相關資料進行比較分 析，並利用試驗資料探討各補強方式對強度、韌性以及整體耐震性能 的影響。 4. 利用國內常用的分析軟體 NCREE，甚至於 FEMA 所提供的塑鉸模擬 方式，並配合EATBS 程式來進行實驗試體的非線性模擬側推分析。逐 步調整相關的控制參數和模擬細節以真實的反映補強構材的耐震行 為，進而建立可靠的非線性行為模擬方式。 5. 由試驗結果與分析討論對耐震行為之影響及提出相關注意事項。 在完成這些研究工作之後，希望能達成以下的預期目標： 1. 驗證現今校舍與老舊建築物補強所採用新增部分磚翼牆、新增部分 RC 翼牆、增加圍束箍筋以及填充牆體切割隔離縫等補強方式是否能夠確 實避免短柱破壞的發生，此研究的成果將可立即成為補強設計的重要 參考，且各補強工法對耐震性能的影響與施工細節應注意事項均可作 為往後相關規範或研究的參考。 2. 此研究成果將可提高補強後模擬分析的準確性，進而提升耐震評估與 補強設計的品質。 3. 利用所收集到的試驗資料以及本試驗所得到的試驗結果，針對國內常 用的分析軟體，當其用來模擬相關的 RC 構架其補強前後的耐震行為 時，提出模擬分析細節的相關建議以及相關控制參數的擬定。
第一章 緒論 7
第 三 節 研 究 方 法
本研究將延續100 年度內政部建築研究所研究計畫「既有 RC 建築物 修復補強工法之性能試驗研究(2)」之鋼筋混凝土構架內部填充磚牆之短柱 行為實驗研究，該研究已針對短柱破壞的發生機制與發生的臨界條件進行 深入的探討。因此在得知短柱破壞的發生成因之後，接下來更重要的工作 將是針對可能發生短柱破壞的高窗短柱進行補強，為了減少一座試體的重 復製作費用，本研究除了製作一空構架試體之外，其餘三座試體將與先前 的研究「既有 RC 建築物修復補強工法之性能試驗研究(2)」報告中的 S3 短柱試體完全一樣以利補強前後的耐震行為比較，隨後再進行進一步的高 窗短柱補強。本研究的主要方法與步驟說明如下： (1) 國內外相關研究資料的收集與整理： 國內對於RC 含牆構架已經有許多研究單位進行相當多之耐震試驗與 補強後之結構試驗，如國家地震工程研究中心、成功大學以及臺灣科技大 學(國科會補助)等學術單位皆已經有針對各類型的含牆構架、補強以及磚 造結構補強等進行一系列之耐震試驗研究與補強成效之探討。本研究計畫 將收集與短柱補強試驗相關的資料進行彙整，由收集之資料分析探討補強 構材對於原結構在勁度、強度與韌性等方面的影響。另外，也將進一步收 集國外的研究成果與相關設計準則做為本研究的參考，提供補強設計的一 些建議。對於補強後結構之耐震能力評估與分析模擬方面，擬配合現今廣 為使用之非線性側推分析方法，提出補強構材非線性塑鉸之計算方法與設 定方式，亦進行國內外經驗公式或理論分析模型之研究成果的收集與整 理，並將所提模擬方式與試驗結果進行比對分析，經由研判後選擇出較合 理且實用之方法做為設計模擬之依據。 (2) 含短柱之構架補強試驗： 由已蒐集的資料發現國內關於高窗短柱的補強研究主要是以構架因 填充RC 牆所引起的短柱來進行相關的實驗研究，而對於構架因填充磚牆低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 8 所引起的短柱破壞則尚無相關的補強研究。然而現有中小學老舊校舍則以 構架因填充磚牆而造成的高窗短柱較為常見，專業技師為了預防短柱破壞 的發生經常在高窗短柱的柱邊增設磚造翼牆(如圖 1-4)或增設 RC 造翼牆 (如圖 1-5)來進行補強，這些補強方式的有效性並未經過實驗室的實驗驗證 或是實際地震的檢驗，因此有必要進行相關的研究。 除了以上所述的補強方法之外，本研究也研擬其他的補強方法，例如 增加邊柱的圍束箍筋來提高邊柱的強度與韌性(如圖 1-6)、將兩填充 RC 翼 牆底部以一小RC 梁連結來以避免填充 RC 翼牆與原有磚牆間的破壞(如圖 1-7)、切割隔離縫以提高邊柱的有效淨高(如圖 1-8)以及在填充磚牆之中央 部份適度挖空並填入玻璃磚來弱化磚牆(如圖 1-9)等方式來避免短柱破壞 的發生。本研究在上述的補強方法中選用三種來進行實驗研究，其餘補強 方法則以理論分析或模擬分析來加以探討。希望能經由試驗的進行而對高 窗短柱補強後行為與補強的功效有進一步的了解，並建立模擬分析的相關 準則。 本研究所設計規畫的四座試體之製作與後續的反覆載重實驗，皆安排 於內政部建築研究所材料實驗中心進行，該中心具備完整的油壓泵送施力 系統及大型反力牆與強力地板，其實驗場地空間配置如圖1-10 所示。至於 試體的設計與材料則詳細說明如下： (1) 空構架試體： 為了要模擬一般低矮型老舊鋼筋混凝土建築物的實際行為，試體邊柱 之斷面尺寸擬採 3040cm，而梁斷面則設計為 4050cm，使試體成為一 弱柱強梁的結構系統，以確保試驗時柱會比梁先發生破壞而能達到實驗目 的，圖1-11 所示為試體的空構架設計圖，此試體在本報告中命名為 S0 試 體，亦即 S0 代表純空構架試體，在構架內部並未加入任何的牆體及補強 措施。為模擬老舊鋼筋混凝土建築物，此四座鋼筋混凝土構架的梁與柱預 計採用低強度混凝土，其混凝土設計抗壓強度為 '=150 2 c f kgf cm ，配筋則
第一章 緒論 9 採用中拉鋼筋，其設計降伏強度為 fy 2800 kgf cm 。箍筋採用2 #3(D10) 竹節鋼筋，間距為25cm，其彎鉤型式為 90 度彎鉤。這些結構設計細節是 為了模擬老舊建築物當時的設計規範規定，因此有別於現行耐震設計規範 中的相關規定。 梁的淨跨度為 270cm，柱的設計淨高則為一般建築物中常見的高度 280cm，樓層的總高度為 330cm。在老舊建物中，經常看到主筋搭接長度 不足及主筋搭接在同一處的結構缺點，雖然對結構耐震行為影響甚大，但 因本試驗的主要研究目的是要探討具有短柱潛在破壞之混凝土填充構 架，其補強工法的適用性以及補強成效，因此宜將此不確定性因素去除以 突顯研究主題。 (2) 三座填充磚牆高度為 205 公分之構架補強試體： 由於短柱效應的發生與柱的有效淨高寬比有著密不可分的關係，根據 內政部建築研究所出版的「既有RC 建築物修復補強工法之性能試驗研究 (2)」研究報告指出，當柱之有效淨高寬比小於 3 時，就是潛在發生短柱破 壞的危險柱子。因此本計畫擬在空構架試體內部填充高度 205 公分的磚 牆，而使柱的有效淨高寬比為 2.5。填充磚牆的施工皆採用後砌方式來進 行，磚牆之厚度為 1B 磚牆，砌築方式係採用英國式砌法，亦即俗稱的一 順一丁砌築法。很明顯此構架試體因磚牆的填充而潛藏著短柱破壞的危 險，因此需要進行耐震補強以避免或是延後短柱破壞的發生，進而改善耐 震行為。 針對此潛藏短柱破壞的構架填充磚牆試體，本研究將分別選用三種不 同的補強方法來進行補強，其示意圖如圖1-12 所示。這包括了針對可能發 生短柱破壞之(1)邊柱進行增設圍束箍筋補強，(2)邊柱旁增設磚翼牆補強以 及(3)邊柱旁增設 RC 翼牆補強等三種方式，而進行此三種方式補強的短柱 構架試體將分別命名為R1、R2 以及 R3。 本研究的初步構想原擬針對磚牆弱化的補強方法也進行相關的試驗
低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 10 研究，但在召開學者專家座談討論會後，決議剔除製作磚牆弱化試體的實 驗研究，不管是切割隔離縫或是填充磚牆之中央部份適度挖空並填入玻璃 磚皆屬於磚牆弱化的補強方式。其中切割隔離縫對於避免短柱破壞的成效 相當明顯，並不需要經由實驗驗證即可確認其補強效果，唯需特別注意的 乃在於漏水的預防以及面外倒塌的避免。利用適度挖空填充磚牆的中央部 份，並填入強度低的玻璃磚，雖然在受地震侵襲時，可以達到磚牆弱化的 目的而避免短柱破壞的發生，但是弱化後的磚牆很可能在受到中小地震的 作用即可能造成填充磚牆的破壞而需進行必要的修繕，當然漏水的預防及 面外倒塌仍是必須注意的問題。基於這些原因，預期此補強方式被實際應 用的機會較少而不列入本次的實驗研究。 受限於經費的限制，圖1.7 所示的增設鋼筋混凝土 U 形框架補強方法 也無法在此次研究中進行相關的試驗研究。特別值得一提的是本研究將對 空構架試體進行相關的試驗研究，這是因為先前的研究計畫，亦即內政部 建築研究所研究計畫「既有RC 建築物修復補強工法之性能試驗研究(2)」 所進行的四座不同高度之台度磚牆的構架試體，並未包括空構架試體而無 法進一步定量的探討補強成效。另一方面，從此空構架試體的試驗結果也 可用來進一步推測先前研究計畫中不同高度之台度磚牆的抗剪強度。除此 之外，在空構架試體進行實驗的過程中，在邊柱的六個不同高度面上分別 量測其受力方向的側向位移量，希望利用此實驗數據的彙整與探討後，能 針對牆體切割隔離縫的補強方法提出隔離縫的最小寬度需求，供專業技師 補強設計時的參考。
第 四 節 預 期 效 益
本研究除了驗證補強工法與耐震評估之模擬技術之外，也將提供相關 資料彙整的資訊，使實務工程師於進行耐震補強時有所依循，將有助於行 政院「建築物實施耐震能力評估及補強方案」之推行及落實，確保人民生第一章 緒論 11 命財產安全，以及為將來之「既有建築物耐震能力評估及補強促進條例」 及「耐震性能設計規範」預作準備。本計畫於完成研究報告後，預期貢獻 條列如下： (一) 對建築發展短中長期方面預期貢獻。 1. 驗證工程界對於短柱的補強工法，如新增磚翼牆、新增 RC 翼牆與增 加圍束箍筋方式是否能確實避免短柱破壞的發生。 2. 提出 RC 短柱構架之模擬分析準則與設定方式，供實際設計參考。 3. 對於新建築物於設計時必須注意短柱的發生，經本研究驗證的補強工 法，其補強概念也可用於新建建築物設計時的參考，以避免短柱破壞 發生。 4. 探討這些補強工法的設計原則以及對耐震性能的影響，並提出施工時 應注意的相關細節 (二) 推廣應用計畫。 提供實務且先進之耐震評估的構材數值模型與量化補強性能給工程 師參考使用，可以確實達到耐震評估與補強設計於分析上之正確性與經濟 性，並進而提昇工程師之技術等級，並促進建築物耐震設計與施工人員於 耐震評估及地震工程方面知識的增長。
低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 12
圖 1-1 短柱破壞成因及可能發生狀況
(資料來源：本研究蒐集製作)圖 1-2 短柱效應實際發生案例
(資料來源：本研究蒐集製作)第一章 緒論 13
圖 1-3 國內 112 棟老舊校舍建築之柱高寬比調查
(資料來源：尚乘結構土木技師事務所)圖 1-4 填充磚翼牆補強示意圖
(資料來源：本研究製作)低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 14
圖 1-5 填充 RC 翼牆補強示意圖
(資料來源：本研究製作)圖 1-6 增加邊柱圍束箍筋補強示意圖
(資料來源：本研究製作)第一章 緒論 15
圖 1-7 增設鋼筋混凝土 U 形框架補強示意圖
(資料來源：本研究製作)圖 1-8 磚牆切割隔離縫方式示意圖
(資料來源：本研究製作)低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 16
圖 1-9 挖空部分磚牆填充玻璃磚方式示意圖
(資料來源：本研究製作)圖 1-10 實驗場空間配置圖
(資料來源：本研究製作)第一章 緒論 17
圖 1-11 純構架試體與梁柱斷面示意圖
(資料來源：本研究製作)圖 1-12 三種短柱補強方式試體示意圖
(資料來源：本研究製作)低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究
第二章 模擬分析方法 19
第二章 模擬分析方法
當結構物完成補強之後，當然需要重新評估其耐震能力，以確保結構 物在使用年限內能維持使用人員的安全。在台灣早期工程界常用的耐震能 力評估方法主要係以台灣大學蔡益超教授等人所研究發展的強度韌性法 為主，然而強度韌性法基本上屬於彈性分析，並無法進行非線性行為的計 算，因此未能真實反映結構物的耐震行為。直至 2005 年，國內引入美國 ATC-40 所提出的容量震譜法(capacity spectrum method)觀念來進行建築物 的耐震評估，此法係以性能評估為出發點，來評估結構物是否符合性能目 標的限制，一般而言，此評估方式較能符合現今建築物的耐震需求。 容量震譜法所需的容量曲線(capacity curve)為結構物的基底剪力與屋 頂位移的關係曲線，可經由非線性的靜力側推分析來求得，再根據容量震 譜法取得性能目標地表加速度與屋頂位移的關係曲線，此即耐震性能曲 線。再依據其性能需求，進一步決定該結構物所能容許承受之最大地表加 速度，若此加速度值小於475 年迴歸期設計地震之最大地表加速度，即表 示該建物的耐震能力不足，必須進行適當的補強。而在進行非線性側推分 析之前，分析模型中的各個結構構件必須輸入塑性鉸的位置與性質，因此 塑性鉸位置與性質的設定的合理與否，將會直接影響到所求得容量曲線的 正確性。以下將重點式地介紹國內常見側推分析程式的輔助程式，並且利 用這些方法來模擬分析本研究所規劃之RC 構架補強試體，最後再將分析 結果與實驗結果進行比對，探討各側推分析輔助程式在各種不同短柱補強 後的模擬表現。 進行側推分析可使用一般的非線性分析軟體來達成，例如 ETABS、 PISA3D、SAP2000 及 NASTRAN 等商業軟體皆可，在國內工程界經常使 用 ETABS 來做為建築物設計的主要分析工具。目前不管是 ETABS 或是 SAP2000 等結構分析軟體都有內建設定塑性鉸的功能，但是其內建的塑性低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 20 鉸性質可能過於保守而導致分析結果與實際狀況有所差異。另一方面，由 於ETABS 內建之塑性鉸性質乃是根據 FEMA 273 而來，其剪力塑性鉸的 輸入性質並未考慮箍筋的貢獻，故分析結果將會較為保守。對於鋼筋混凝 土構架填充磚牆或鋼筋混凝土牆進行側推分析時，並無法提供對應於殼元 素(shell element)之塑性鉸的定義，故無法直接進行構架填充磚牆或鋼筋混 凝土牆之非線性側推分析。針對這些模擬分析的不足之處，國內相關研究 學者遂提出不同的塑性鉸設置方式或是牆體的等值模擬來改進及克服此 模擬分析困難，希望能更可靠的模擬建築物的非線性行為。其中主要使用 NCREE 所建議的塑性鉸計算輔助程式，且本章除了介紹此輔助程式對於 構材的模擬準則之外，同時也對於 FEMA 所建議的模擬方式也會加以說 明，以利隨後的比較研究。
第 一 節 資 料 蒐 集
本研究主要是針對非韌性鋼筋混凝土構架因填充磚牆而使其邊柱具 有潛在發生短柱破壞的危險，因此使用不同的補強工法來預防短柱破壞的 發生。除了製作試體進行反覆載重試驗研究以探討其補強成效以及需要注 意的施工細節之外，也將進行模擬分析研究，進而建立模擬分析準則以做 為補強設計時的參考。因此特別針對非韌性鋼筋混凝土構架、短柱破壞及 其補強的相關研究進行必要的資料蒐集與彙整，在完成資料蒐集之後，即 可對相關的研究進行文獻回顧與討論。利用參考這些先前的研究成果來設 計及製作本研究的四座實驗試體以及初步建立其模擬分析的模型及其所 對應的理論架構，希望能夠對短柱補強有更一步地了解，並提出短柱補強 工法的相關建議。 一 、 非 韌 性 鋼 筋 混 凝 土 構 架 相 關 實 驗 研 究 在 921 集集大地震中，有大量的鋼筋混凝土建築物嚴重受損甚至倒第二章 模擬分析方法 21 塌，並造成重大的損失。在倒塌的建築物中，有一大部份是因為柱之垂直 承載力喪失所造成。從受損或倒塌的建築物當中發現，大多數的柱皆為非 韌性配筋，即為柱箍筋之間距過大或是無設置135 度的耐震彎鉤，致使這 些柱無法具備良好的耐震消能與變形能力。然而在中度及嚴重受損的中小 學校舍及低矮型平房建築物中，更發現到因為空間採光的需要，其牆體常 因必須設置窗戶或門而有開口等現象，因此使用了數量相當可觀的磚牆或 鋼筋混凝土隔間牆。由於RC 構架與牆的側向勁度相差甚大，這些建築物 的耐震行為將明顯受到牆體的影響，但在進行結構分析與設計時，常常為 了簡化計算只針對RC 構架來進行分析與設計而完全忽略牆體的作用。故 此類建築物的破壞形式往往會出乎設計者的預期，而可能發生無預警的脆 性破壞或剪力破壞，因此針對牆體的影響實有必要重新考量其對RC 構架 力學行為的影響以及導致不同破壞模式的探討。以下則為近年來國內對於 非韌性鋼筋混凝土構架實驗的相關文獻回顧。 1. 黃世建等人「含開口 RC 牆非韌性構架之耐震行為研究」 2003 年黃世建教授等人在國家地震工程研究中心進行了 12 座非韌性 配筋構架試體的實驗，其中包含 3 座單跨純構架試體 (1 座韌性構架、1 座主筋無搭接非韌性構架、1 座主筋有搭接非韌性構架)、1 座構架含 12cm 之RC 牆、2 座構架含磚牆及 6 座構架含開口 RC 牆試體。其試體之鋼筋 混凝土構架，邊柱淨高度為170 公分、兩邊柱間距離 250 公分、柱斷面尺 寸為30 50cm 、混凝土抗壓強度平均 230 2 kgf cm ，而韌性構架部分的邊 柱採#6 (D19)主筋其拉力降伏強度平均為 5500 2 kgf cm 及#4 (D13)箍筋其 間距為8 公分且拉力降伏強度平均為 4000 2 kgf cm ，而非韌性構架部分的 邊柱採#5 (D16)主筋其拉力降伏強度平均為 4000 2 kgf cm 及#3 (D10)箍筋 其間距為30 公分且拉力降伏強度平均約為 4000 2 kgf cm 。 在實驗結果中顯示，非韌性配筋構架以剪力及主筋搭接位置破壞為 主，明顯缺乏強度與韌性。加入12cm RC 牆或磚牆雖然可以有效提高其強 度與勁度，但柱底之塑鉸區主筋搭接遂成為控制試體韌性發展的主要條
低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 22 件。構架含開口RC 牆的弱層位於開口位置，均為脆性剪力破壞。由實驗 結果顯示增加翼牆與中間墩牆對於強度的提昇十分有效。 2. 張國鎮等人「SCFRP 於含磚牆非韌性構架之耐震補強實驗與分析」 2003 年張國鎮教授等人在國家地震工程研究中心進行了 5 座非韌性含 磚牆構架試體的實驗，其中包含單跨的純構架 1 座、含 0.5B 磚牆構架 1 座、含1B 磚牆構架 1 座、含 0.5B 磚牆進行 CFRP 補強構架 1 座以及含 1B 磚牆進行CFRP 補強構架 1 座。其試體之鋼筋混凝土構架的設計規格，邊 柱淨高度為 170 公分、兩邊柱間的距離為 250 公分、柱斷面尺寸為 30 50cm 、混凝土抗壓強度約為210 2 kgf cm 、邊柱之#6 (D19)主筋之拉 力降伏強度平均為4600 2 kgf cm 以及柱#3 (D10)箍筋之拉力降伏強度約為 4000 2 kgf cm 且箍筋間距設計為 30 公分。 在實驗結果中顯示含磚牆構架之勁度與純構架相較提升相當多，強度 也增加不少，但在最後強度下降後其強度趨近於一致，由此可知含磚牆構 架之磚牆破壞後，整體構架行為與純構架相似，且最終均於柱底塑鉸區域 發生破壞。而加入CFRP 補強試體的實驗結果發現，受力後磚牆的裂縫發 展與無補強試體大不相同，裂縫趨勢轉於CFRP 所貼附區域發展，其中含 0.5B 磚牆之 CFRP 補強試體與含 0.5B 磚牆試體相較，其強度提高大約 1.67 倍，但隨著層間位移加大貼附之CFRP 有剝落趨勢，試體破壞區域相當類 似無補強試體之柱底塑鉸區；而含1B 磚牆之 CFRP 補強試體與含 1B 磚牆 試體相較，其強度提高1.49 倍，且隨著層間位移加大貼附之 CFRP 因受到 拉力而斷裂，此時構架的破壞情形不同其他試體於柱底剪壞，其兩邊柱撓 曲裂縫發展較剪力裂縫來的更多，因此也研判貼附之CFRP 能夠將試體所 承受之側力，順利向下傳遞以分擔兩邊柱所承受的剪力。 二 、 含 磚 牆 鋼 筋 混 凝 土 構 架 之 相 關 研 究 國外對於含牆結構物之行為研究與補強工法都較國內來得早，但國外
第二章 模擬分析方法 23 所使用的紅磚多為水泥空心磚或是國內所不曾使用的磚塊，這與國內普遍 使用的實心磚塊明顯不同，因而其力學行為也勢必不同，國外的空心磚塊 經常在其內部填充材料或是配置鋼筋來提高構架的使用性能，因此無法直 接利用國外的相關研究成果應用於國內的磚牆行為預測。 國內對於含牆構架試驗方面，有張國鎮教授於國家地震工程研究中心 的整合型含牆構架試驗計劃，以不同補強方式對 RC 結構物進行修復補 強。而黃世建教授亦有一系列非韌性含強構架的補強試驗，並且探討含開 口牆之構架的行為研究與分析。至於磚牆的相關研究則依據年代先後分別 說明如下： 1. 1985 年，陳清泉教授等人透過磚牆等值斜撐理論搭配有限元素法分析 含磚牆之鋼筋混凝土構架，以試驗驗證理論分析，並且探討結構的破 壞行為與水平側向力極限強度。 2. 1986 年，高健章教授等人透過製作三座實尺寸試體研究含磚牆鋼筋混 凝土構架於反覆載重下的結構行為，其中實驗試體包含了加強磚造施 作方式、後砌填充磚牆施作方式及純構架試體，並由試驗結果計算磚 牆等值斜撐寬度的參考係數。 3. 1995 年，黃國彰珍對有邊界柱梁之足尺磚牆進行單週次靜態水平加載 試驗，並將含磚牆構架分成RC 構架及磚牆兩部分進行理論分析。其中 磚牆以等值牆版進行模擬，再配合回歸公式的修正來建立磚牆之 P-Δ 預測曲線公式。 4. 1997 年，張文德由磚牆基本材料試驗、無邊界柱梁之純磚牆試驗以及 含磚牆RC 構架等試驗，建立磚牆材料之基本力學行為、磚牆之破壞準 則及 P-Δ 預測曲線公式，且經由磚牆預測行為研究進行實例的耐震診 斷。 5. 2003 年，陳奕信博士以磚牆之破壞為對角斜撐作用及砌體構造疊砌特 性等因素影響的既有理論基礎下，針對磚牆之各構材強度、臨界破裂
低矮型RC 建築耐震補強施工細節之研究 24 角以及破壞路徑進行研究，建立各種不同堆疊方式之磚牆強度與剛度 公式，進一步推估得磚牆之水平極限強度與極限位移，以獲得磚牆的 變形行為。 三 、 含 磚 牆 構 架 之 短 柱 補 強 相 關 研 究 1. 內政部營建署，「混凝土結構設計規範(土木 401-100)」 對於鋼筋混凝土柱的剪力強度評估，可依據美國 ACI 318-05 規範中 所提及的鋼筋混凝土構件依其應力傳遞的狀況可分為B、D 兩種區域。其 中 B 區域 (Beam Region) 是指構件應力流均勻分佈且應變符合平面維持 平面之假設，即指適用梁撓曲理論的區域；而D 區域 (Discontinuity Region) 指的是構件斷面幾何尺寸急遽變化處、支承處抑或是因加載點使得構件的 應力傳遞受到干擾，此區域的應力傳遞屬擾動不均勻分佈，因此稱之為D 區域。此評估方式的來源是源自於St. Venant 原理並不能適用於鋼筋混凝 土構材進行設計分析時平面保持平面的基本假設，因而衍生出計算繁雜的 桁架模式理論；而桁架模式的組成元件包含拉桿、壓桿以及節點，透過桁 架模式可以建立一明確的承力機構，但是在加載點、支承處的集中力作用 位置，若要進一步考慮其局部設計強度，桁架模式則無法考慮此細部問 題。因而發展出壓拉桿模式，以明確處理結構體D 區域的內力傳遞，進行 局部設計及強度檢核。 一般來說，在評估一鋼筋混凝土構材時，在距離兩端支承一倍構材深 度以內之區域會將它劃分為 D 區域，而 D 區域以外的地方則皆視為是 B 區域；然而本研究之標的為兩端支承距離十分接近的短柱，因此兩端點的 D 區域將互相重疊且 B 區域不存在，由此可知對於短柱剪力強度的評估， 可由 D 區域對角壓桿擠碎及 D 區域斜拉破壞兩者所對應的剪力強度，取 其強度較小者控制作為設計的依據。 2. 2002 年，成功大學，施健泰碩士論文「建築 RC 構架之補強實驗研究」
第二章 模擬分析方法 25 國內外對於短柱行為的探討，已經有許多的相關研究，然而對於短柱 補強的實驗研究卻十分少見。在國內的短柱補強實驗資料收集當中，僅於 成功大學邱耀正教授指導的碩士論文「建築RC 構架之補強實驗研究」一 文裡，能看見幾座構架短柱補強的相關實驗。該碩士論文共有 10 座補強 前試體，其中2 座為構架內含 240 公分高之 RC 牆試體，短柱淨高度為 60 公分。其鋼筋混凝土構架的邊柱淨高度為300 公分、兩邊柱間距離 400 公 分、柱斷面尺寸為30 30cm 、混凝土抗壓強度平均210 2 kgf cm ，而構架 部分的邊柱採#8(D25)主筋其拉力降伏強度平均為 4800 2 kgf cm 及#3(D10) 箍筋其間距為15 公分且拉力降伏強度平均約為 4200 2 kgf cm 。 此二座無補強短柱構架於進行反覆載重試驗損壞後，再分別進行填充 寬度為50 公分之 RC 翼牆補強與短柱區域圍封鋼板補強。補強完成後再次 進行反覆載重試驗，實驗結果顯示圍封鋼板補強的強度提升2.74 倍，且變 形能力也大幅度的提升，然而因為鋼板的變形能力及強度上的表現皆十分 優異，致使其破壞區域均發生於鋼板與RC 牆及邊柱構架的錨定位置。而 填充寬度為50 公分之 RC 翼牆補強試體，實驗結果顯示其補強後強度提升 1.87 倍，初始勁度更是提升接近 3 倍，而變形能力則相對地較補強前來的 差，而從實驗過程中的裂縫發展來看，應力均集中在新增設的RC 翼牆與 其下方的既有RC 牆交界處；其最終破壞情形，雖然新增設之 RC 翼牆嚴 重損壞，但透過此補強方式短柱破壞的情形已能夠有效地排除。 經由以上兩座全尺寸含牆短柱構架試體之實驗研究，我們將能進一步 的瞭解不同補牆方式下所反映出的破壞情形與補牆效益，然而本研究所規 劃的含牆構架短柱補強試體與該研究之間有一點非常大的不同，本研究試 體構架中乃填入磚造牆體與該研究採用的RC 牆，受力後的行為有著明顯 的差異。因此，待本研究完成反覆載重試驗後，可與這些資料進行比對並 且探討此兩者間的行為差異。
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