建築RC柱以碳纖維貼覆補強之耐震能力

(1)

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強

之耐震能力研究

內政部建築研究所自行研究報告

(2)

(3)

P G 1 0 7 0 5 – 0 1 1 6 1 0 7 3 0 1 0 7 0 0 0 0 G 0 0 5 4

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強

之耐震能力研究

研究人員：陶其駿

內政部建築研究所自行研究報告

中華民國 107 年 12 月

(4)

(5)

MINISTRY OF THE INTERIOR

RESEARCH PROJECT REPORT

Seismic behavior of reinforced concrete building columns

strengthened with CFRP composites

BY

CHI CHUN TAO

(6)

(7)

表次 ...III

圖次 ... V

摘要 ... XV

第一章

緒論 ... 1

第一節

研究緣起與背景 ... 1

第二節

文獻回顧 ... 1

第三節

研究方法與進度說明 ... 9

第四節

研究目的 ... 12

第二章

試體計畫 ... 15

第一節

試體設計 ... 15

第二節

試體製作 ... 28

第三節

試驗裝置與測計安排 ... 33

第三章

試驗結果與討論 ... 47

第一節

試驗結果與觀察 ... 47

第二節

CFRP 韌性補強理論設計值合理性 ... 122

第三節

CFRP 韌性補強量對韌性效益影響 ... 123

(8)

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 II

第四節

碳纖維片設計與實際破壞模式差異 ... 128

第四章

結論與建議 ... 131

第一節

結論 ... 131

第二節

建議 ... 1316

附錄一研究計畫期初審查會議紀錄 ... 139

附錄二期中審查會議紀錄 ... 145

附錄三期末審查會議紀錄 ... 161

參考書目 ... 171

(9)

表次

表 1.1 研究進度 ... 13 表 2.1 非韌性柱試體相關參數比較 ... 20 表 2.2 碳纖維布規格 ... 26 表 3.1 鋼筋拉伸試驗結果彙整 ... 50 表 3.2 試體基礎 28 天齡期之圓柱試體抗壓強度 ... 51 表 3.3 各試體柱 28 天齡期之圓柱試體抗壓強度 ... 51 表 3.4 各混凝土圓柱試體抗壓強度 ... 52 表 3.5 各試體對應之強度齡期 ... 52 表 3.6 各柱試體試驗結果之強度與韌性變化 ... 53

(10)

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究

(11)

圖次

圖 1.1 FRP 組成示意圖 (黑色條狀為纖維，灰色填充物為基 材 ) ... 2 圖 1.2 纖維材料與鋼板之應力應變圖 ... 3 圖 1.3 碳纖維布 ... 4 圖 1.4 RC 柱以 CFRP 包覆補強之剖面示意圖 ... 5 圖 1.5 以 CFRP 補強位於狹窄空間之 RC 梁 ... 5 圖 1.6 圓形斷面橋柱之遲滯迴圈 ... 7 圖 1.7 柱構件之角隅因碳纖維布應力集中致使破壞 ... 8 圖 1.8 典型沿街店舖式住宅平面示意圖 ... 8 圖 1.9 研究進行之流程圖 ... 14 圖 2.1 典型非韌性配筋柱橫向鋼筋過大之情形 ... 17 圖 2.2 典型非韌性配筋柱試體橫向鋼筋之配置情形 ... 17 圖 2.3 試體 RND 之設計圖 ... 21 圖 2.4 𝒔間距內碳纖維布與橫向鋼筋側向力 ... 25 圖 2.5 RNDC1.0、 RNDC1.5 以及 RNDC2.0 補強前斷面圖 27 圖 3.1 自加工廠完成加工送抵工作區之鋼筋 ... 28 圖 3.2 底座定平與試體放樣 ... 29 圖 3.3 底座鋼筋籠之組立 ... 37 圖 3.4 上部柱主筋之定位 ... 37

(12)

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 VI 圖 3.5 底座預留 PVC 管之擺設與封口 ... 38 圖 3.6 試體吊耳於底座之設置 ... 39 圖 3.7 底座模板之組立 ... 39 圖 3.8 底座混凝土澆置 ... 39 圖 3.9 底座拆模後之情形 ... 40 圖 3.10 柱試體應變計之黏貼 ... 40 圖 3.11 應變計之黏貼與固定 ... 41 圖 3.12 上部柱身鋼筋之組立 ... 41 圖 3.13 模板之圓形導角 ... 42 圖 3.14 上部柱身模板完成組立 ... 42 圖 3.15 上部柱混凝土之澆置 ... 43 圖 3.16 上部柱混凝土之搗實 ... 43 圖 3.17 混凝土澆置坍度試驗 ... 44 圖 3.18 混凝土圓柱式體製作 ... 44 圖 3.19 柱頂上部灌漿孔圓形蓋板之封板 ... 45 圖 3.20 應變計訊號線束之收線 ... 45 圖 3.21 上部混凝土柱四周之導角 ... 46 圖 3.22 試體製作完成與養護情形現況 ... 46 圖 3.23 選定 ∆𝒚(= 𝜹𝒚)之定義 ... 55 圖 3.24 試體 RND 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形照

(13)

片 (續 ) ... 56 圖 3.25 試體 RND 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形照 片 (續 ) ... 57 圖 3.26 試體 RND 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形照 片 (續 ) ... 58 圖 3.27 試體 RND 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形照 片 (續 ) ... 59 圖 3.28 試體 RND 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形照 片 ... 60 圖 3.29 試體 RND 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形照 片 (續 ) ... 61 圖 3.30 RND 試體東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形照片 (續 )... 62 圖 3.31 RND 試體東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形照片 (續 )... 63 圖 3.32 RND 試體東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形照片 (續 )... 64 圖 3.33 試體 RND 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形照 片 (續 ) ... 65 圖 3.34 試體 RND 於試驗結束之破壞情形 ... 66

(14)

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 VIII 圖 3.35 試體 RND 遲滯迴圈 ... 67 圖 3.36 試體 RND 強度包絡線 ... 67 圖 3.37 試體 RNDC2L 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 70 圖 3.38 試體 RNDC2L 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 71 圖 3.39 試體 RNDC2L 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 72 圖 3.40 試體 RNDC2L 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 73 圖 3.41 試體 RNDC2L 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 74 圖 3.42 試體 RNDC2L 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 75 圖 3.43 試體 RNDC2L 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 ... 76 圖 3.44 試體 RNDC2L 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 77 圖 3.45 試體 RNDC2L 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 78

(15)

圖 3.46 試體 RNDC2L 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 79 圖 3.47 試體 RNDC2L 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 80 圖 3.48 試體 RNDC2L 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 81 圖 3.49 試體 RNDC2L 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 82 圖 3.50 試體 RNDC2L 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 ... 83 圖 3.51 試體 RNDC2L 於試驗結束之破壞情形 ... 84 圖 3.52 試體 RNDC2L 遲滯迴圈 ... 85 圖 3.53 試體 RNDC2L 強度包絡線 ... 85 圖 3.54 RNDC4L 試體西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 88 圖 3.55 RNDC4L 試體西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 89 圖 3.56 RNDC4L 試體西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 90 圖 3.57 RNDC4L 試體西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形

(16)

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 X 照片 (續 ) ... 91 圖 3.58 RNDC4L 試體西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 92 圖 3.59 RNDC4L 試體西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 93 圖 3.60 RNDC4L 試體西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 ... 94 圖 3.61 RNDC4L 試體東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 95 圖 3.62 RNDC4L 試體東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 96 圖 3.63 RNDC4L 試體東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 97 圖 3.64 RNDC4L 試體東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 98 圖 3.65 RNDC4L 試體東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 99 圖 3.66 RNDC4L 試體東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 100 圖 3.67 RNDC4L 試體東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形

(17)

照片 ... 101 圖 3.68 試體 RNDC4L 於試驗結束之破壞情形 ... 102 圖 3.69 RNDC4L 試體遲滯迴圈 ... 103 圖 3.70 RNDC4L 試體遲滯迴圈 ... 103 圖 3.71 試體 RNDC8L 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 106 圖 3.72 試體 RNDC8L 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 107 圖 3.73 試體 RNDC8L 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 108 圖 3.74 試體 RNDC8L 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 109 圖 3.75 試體 RNDC8L 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 110 圖 3.76 試體 RNDC8L 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 111 圖 3.77 試體 RNDC8L 西與北 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 ... 112 圖 3.78 試體 RNDC8L 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 113

(18)

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 XII 圖 3.79 試體 RNDC8L 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 114 圖 3.80 試體 RNDC8L 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 115 圖 3.81 試體 RNDC8L 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 116 圖 3.82 試體 RNDC8L 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 117 圖 3.83 試體 RNDC8L 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 (續 ) ... 118 圖 3.84 試體 RNDC8L 東與南 2 側於各位移比逐步破壞情形 照片 ... 119 圖 3.85 試體 RNDC8L 於試驗結束之破壞情形 ... 120 圖 3.86 試體 RNDC8L 遲滯迴圈 ... 121 圖 3.87 試體 RNDC8L 強度包絡線 ... 121 圖 3.88 試體 RND 與試體 RNDC2L 強度包絡線比較 ... 125 圖 3.89 試體 RND 與試體 RNDC4L 強度包絡線比較 ... 125 圖 3.90 試體 RND 與 RNDC8L 試體強度包絡線比較 ... 126 圖 3.91 RNDC 系列試體強度包絡線比較 ... 126 圖 3.92 各試體遲滯迴圈比較 ... 127

(19)

圖 3.93 各試體強度包絡線比較 ... 127

圖 3.94 RNDC2L 試體塑鉸區面外鼓出造成水平裂縫 ... 129

圖 3.95 RNDC4L 試體塑鉸區面外鼓出造成水平裂縫 ... 129

(20)

(21)

摘要

關鍵詞： RC 柱、 CFRP 補強、非韌性配筋 一、 研究緣起 配合內政部於 107 年啟動「建築物耐震安檢 -給國人依個安心的家」之政策，推動於全面補強及重建期間，先採取階段性補強之策略，發展適用於「階段性補強」的技術研究。提供於重建或全面補強的整合、規劃期間，進行局部性補強措施，以較快速的階段性補強策略，讓建築物排除軟弱層破壞，降低倒塌風險，避免等待期間因遭遇地震建築物傾斜而倒塌。而碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)包覆補強工法，具有施工簡單、工期短、不佔空間、成本低與材料抗拉強度高等特性，在透過專業技師的評估與監督下，可提供有安全疑慮的房子，快速進行耐震補強，讓 RC 柱不易碎裂，增加民眾逃生的機會。由本研究結果顯示， CFRP 包覆補強工法，可有效增加 RC 柱的韌性；低矮 RC 建築，若採用「韌性」理論進行補強設計，柱構件層間變位角可符合規範規定 3%之要求。柱構件進行 CFRP 貼片補強，應於全柱貼覆 CFRP 貼片，以避免於非預期位置發生破壞。 二、研究方法及過程 本研究旨在探討建築物矩形 RC 柱構件，採碳纖維貼片圍束補強對耐震性能之影響，本研究共規劃 RND 及 RNDC 等 2 個系列共計 4 組試體，分別為 RND 試體為典型非韌性矩形 RC 柱，另外 RNDC2L 試體係以碳纖維貼覆補強 2 層、RNDC4L 試體為以碳纖維貼覆補強 4 層與 RNDC8L 試體係碳纖維貼片補強 8 層，試體隅角部凸角半徑為 3 公分。所有試體於試驗前，均無任何裂縫損傷；加載軸力比為百分之二十，且於定軸壓下進行側向加載試驗，藉以觀察非韌性配筋柱試體，

(22)

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 XVI 依 CFRP 韌性理論進行補強設計之合理性，並瞭解 CFRP 韌性補強量對韌性效益之影響。 三、重要發現 (一 ) 比較 RND 試體與 RNDC2L 試體試驗結果可知，僅補強 2 層碳纖維（即每平方公尺 600 克的碳纖維），塑性轉角容量即可提升 2.92 倍，韌性提升效果明顯。 (二 ) 由試體破壞模式觀察，以 CFRP 貼片進行韌性補強，可將非韌性配筋 (橫向鋼筋量不足者 )柱試體原屬剪力控制之破壞模式，轉為於柱端之撓曲破壞主控。 (三 ) 在低軸力比 20%下， RND 試體塑性轉角容量為 2.71%，若依韌性補強理論設計為 8.88%，顯示理論韌性補強之設計值，可滿足規範對柱構件塑性轉角容量規定。惟仍必須透過專業技師、建築師的評估與監督。 (四 ) 比較 RNDC2L、 RNDC4L 及 RNDC8L 等試體試驗結果顯示，隨著 CFRP 貼片層數的增加，平均每層所能提升韌性的效率將降低，表示韌性增加之效益，將隨層數增加而趨於一定值。 (五 ) 矩形 RC 柱試體之隅角部，採凸角半徑為 3 公分之導角，當 RC 柱試體達極限變形時，碳纖維布並未發生因角隅應力集中而斷裂。且沿碳纖維方向之圍束，施做 20 公分的搭接長度，亦未發現碳纖維搭接不足之破壞。 四、主要建議事項 立即可行建議－對於低矮 RC 建築，若採用「韌性」理論進行補強設計，柱構件層間變位角可符合規範規定之要求。主辦機關：建築師公會、結構工程技師公會、土木技師公會協辦機關：內政部建築研究所

(23)

當 4 樓以下低矮 RC 建築（低軸力比 20%下），若依韌性理論進行補強設計，補強後試體塑性轉角容量為 8.88%，可符合規範對柱構件應大於 3%要求，但 CFRP 補強對側向強度之貢獻，則有限。雖然，柱構件僅補強 2 層碳纖維，其塑性轉角容量達 7.91%，但是考量國內 CFRP 施工品質，以及難以掌握待補強柱實際現況等因素，建議在專業技師、建築師的評估與監督下，仍須依韌性理論僅行補強設計。立即可行建議－以 CFRP 貼片進行柱構件韌性補強，應於全柱貼 覆 CFRP 貼片，以避免破壞發生於非預期之位置。 主辦機關：建築師公會、結構工程技師公會、土木技師公會協辦機關：內政部建築研究所以 CFRP 貼片進行韌性補強，可能將非韌性配筋（橫向鋼筋量不足者）柱，由屬剪力控制之破壞模式，轉為撓曲破壞主控之情況，故不宜僅於柱端可能發生撓曲塑鉸之範圍，貼覆 CFRP 貼片。當 RC 柱試體達極限變形時，若柱斷面採凸角為 3 公分半徑之導角，以及沿碳纖維方向採 20 公分的搭接長度，碳纖維貼片應可避免發生非預期之破壞。立即可行建議－以 CFRP 貼片進行柱構件韌性補強，對於提升柱 韌性的效益，將趨於一定值。 主辦機關：建築師公會、結構工程技師公會、土木技師公會協辦機關：內政部建築研究所隨著 CFRP 貼片補強層數的增加，平均每層所能提升韌性的效率，將呈現降低之趨勢，亦即若貼覆過多的 CFRP 貼片，對於提升柱構件韌性的效益，將趨於一定值或效益增加有限。

(24)

(25)

ABSTRACT

Key word: RC Column, CFRP strengthened, Non-ductile reinforcement

1. Purpose

Ministry of the Interior implement a policy, seismic-resistant

inspect for buildings-a home for the peace of mind, on 2018. For this

we adopted and develop a strategy of short -term strengthened before

the comprehensive strengthened and rebuilding. During reconstruction

or comprehensive strengthened or planning stage, provide local

strengthened to avoid weak layer damage and reduce collapse risk by

the earthquake. Carbon fiber reinforced polymer composite (CFRP)

strengthened. It has the characteristics of simple construction, short

construction period, no space occupation, low cost and high tensile

strength of materials. Under the supervision of professional technicians,

it can quickly provide houses with safety concerns, make the RC

column not easy to break, and increase the chance of people's escape.

The results show that the CFRP strengthened can effectively

increase the ductility of the RC column, if the low -rise RC building is

(26)

XX

member can meet the requirements of 3% of the specificat ion. The

CFRP strengthened should be applied to the entire column to avoid

damage at unintended locations.

2. Method and Steps

The purpose of this study is to investigate the effect of the CFRP

strengthened on the seismic performance of rectangular RC column

members. This study plan 4 of 2 series specimen including RND and

RNDC. All specimens have no crack damage before the test; the

loading axial force ratio is 20%, and the lateral loading test was

performed under the fixed axial pressure. Observe non-ductility

reinforcing column specimen with the strengthened design based on

CFRP ductility theory, to understand the effect of CFRP strengthened

on the ductility benefit.

3. Main Finding

(1)Comparing the results of the specimen RND and the specimen

RNDC2L, they show that two layers of carbon fiber (i.e. 600 g of

carbon fiber per square meter) make plastic drift ratio can be

(27)

obvious.

(2)Observing the failure mode of the specimens. Th e non-ductility

reinforcement (insufficient transverse reinforcement), its failure

mode of the original is shear damage control. After using CF RP

strengthened, the failure mode can be converted to flexural damage

control.

(3)Under the low axial force ratio 20%, the drift ratio of the RND

specimen is 2.71%, and the theoretical ductility design is 8.88%,

indicating that the value of the theoretical ductility design

conforms to the specification for the drift ratio of the column

members. However, it must still be evaluated and supervised by

professional technicians and architects.

(4)Comparing the test results of RNDC2L, RNDC4L and RNDC8L, the

results show that the average ductility efficiency of each CFRP

layers be decrease with the increase of the number of CFRP patches.

It means that the benefit of increasing ductility will stable with

increase the number of layers.

(5) The corner of the rectangular RC column specimens are chamfer

angle of radius is 3 cm. When the RC column specimen reaches the

(28)

XXII

concentration of the corner. Moreover, the lap bond (length is 20

cm) was applied along the carbon fibers, they have no damage by

the insufficient bonding of carbon fibers.

4. Major suggestion

Immediate adoption suggestion- For low-rise RC buildings, if the

"ductility" theory is used for

strengthened design, the drift ratio

of the column members can meet the

requirements of the specification.

Major Office ： Architects Association, Structural Engineering

Technician Association, Association of Civil Engineers

Associate Office ： Architecture and Building Research Institute

Ministry of Interior

When the low-rise RC building below the 4th floor (axial force ratio

is less than 20%), if the strengthened design is based on the ductility

theory, the drift ratio of the specimen after strengthened is 8.88%, which

can meet the requirements of the specification for column members

(29)

lateral strength is limited.Although the column member only reinforces 2

layers of carbon fiber, its drift ratio is 7.91%. However, considering the

domestic CFRP construction quality and the difficulty in grasping the

actual status of the column to be reinforced.It is recommended that under

the assessment and supervision of professional technicians and architects,

it must be reinforced according to the ductility theory.

Immediate adoption suggestion-When carbon fiber composite patch is

used to reinforce the column member.

The CFRP patch should be applied to

the whole column to prevent the

damage from occurring in an

unexpected position.

The non-ductility reinforcement (insufficient transverse

(30)

XXIV

After using CFRPstrengthened, the failure mode can be converted to

flexural damage control. When the RC column specimen reaches the limit

deformation.The corner of the rectangular RC column specimens is

chamfer angle (radius is 3 cm), and the lap bond (length is 20 cm) was

applied along the carbon fibers.Carbon fiber patches should avoid

unintended damage.

Immediate adoption suggestion-The ductility of the column members

is enhanced by the carbon fiber

composite patch, which will tend to

stable value.

The average ductility efficiency of each CFRP layers be decrease

with the increase of the number of CFRP patches. It means that the benefit

(31)

1

第一章

緒論

第一節

研究緣起與背景

配合內政部「全面啟動建築物耐震評估、補強及重建」之政策，推動「階段性補強」的技術研究，以避免建築物遭遇強震來襲，而瞬間倒塌。碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)包覆補強工法，具有施工簡單、工期短、不佔空間、成本較低與材料抗拉強度高等特性，在透過專業技師的評估與監督下，可提供有安全疑慮的房子，快速進行耐震補強，讓 RC 柱不易碎裂，增加民眾逃生的機會。由以往研究顯示， CFRP 包覆補強工法，可有效增加 RC 柱的韌性與剪力強度 (無法增加撓曲與軸壓強度 )，而圓柱之補強效益，明顯高於方柱。惟對於方柱或矩形柱補強之應用，仍有待克服柱斷面角隅區應力集中，以及柱斷面直線區圍束補強能力不足等問題，俾提升此類補強工法之耐震效益。

第二節文獻回顧

一、 CFRP 材料特性

纖維強化高分子複合材料 (Fiber Reinforced Plastic, FRP)是在高分

子材料中添加纖維所製成之複合材料，其兼具高分子材料的低比重以

及纖維的高抗拉強度特性，廣泛應用於飛機零件、體育用品、建築物

(32)

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 2 FRP 之成分主要分為高分子材料 (以下稱基材 )、纖維材料、界面等三種，基材通常是聚合物樹脂，如環氧樹脂、聚酯樹脂、熱塑性塑膠等材料，用於包裹纖維以保護其免受摩擦或侵蝕，亦能固定纖維排列方向使其圍束成型，如圖 1.1 所示。纖維材料主要分為碳纖維 (Carbon FRP)、克維拉纖維 (Kevlar)及玻璃纖維(Glass FRP)等三種，這三種纖維材料各有優缺點，其中最常用的為碳纖維材料，主因在於其高抗拉強度、耐久表現、耐疲勞表現、抗鹼能力等特性 [2]，以抗拉強度為例，圖 1.2 為三種纖維材料與鋼板之拉應力應變曲線圖，其中碳纖維之纖維方向抗拉強度為其中最佳者。纖維－基材的界面必須具有良好的物理和化學性質，以便負荷能夠很順利的由基材傳送到纖維。界面亦須能抵抗由纖維和基材因不同熱膨脹所造成之應力，也可避免複合材料受液體之滲透，幫助基材保護纖維[2]。圖 1.1 FRP 組成示意圖(黑色條狀為纖維，灰色填充物為基材 ) (資料來源：參考書目 [3])

(33)

3 圖 1.2 纖維材料與鋼板之應力應變圖 (資料來源：參考書目 [4]) 二、 CFRP 補強工法之優勢 在纖維複合材料中，採碳纖維複合材料 CFRP 是國內常見補強工程之ㄧ，亦為本節介紹重點。在碳纖維與基材成束為 CFRP 後，利用編織技術可將其製造成碳纖維布匹組織，最後製成補強工程所用之碳纖維布(CFRP fabric)，如圖 1.3 所示，以碳纖維布逐層包覆並黏貼於構件上增強韌性，即 CFRP 包覆補強工法 (圖 1.4)。除 CFRP 包覆補強工法外，國內另有採鋼板包覆構件之補強工法，此二工法各有優缺點，惟目前仍以 CFRP 為民眾所接受，原因在於其成本、工期、施工便利度皆優於鋼板補強，舉例而言，圖 1.5 顯示位處狹窄空間 RC 梁採 CFPR 補強之實例，此例若採鋼板補強將會造成施工困難。整體而言，相較於鋼板補強工法， CFRP 補強工法有諸多優勢，表列如下[5]：

(34)

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 4 (1) 不會腐蝕，不須定期油漆維護。 (2) 不需銲接、自重輕，在狹小空間亦不致施工困難。 (3) 纖維連續，並可剪刀裁剪，因此不需接頭。 (4) 碳纖維布柔軟易彎曲，所補強之對象較不受限於構件形狀。 (5) 鋼板之搬運作業繁複，且施工時需大型吊車輔助，易阻礙交通，降低接受度。 (6) 工期較短，一般構件補強約 1 至 2 天內可完工。 (a)碳纖維所編織的布匹組織 (b)補強工程用碳纖維布圖 1.3 碳纖維布 (資料來源：參考書目 [1])

(35)

5 1.龜裂灌注 2.不平處補平 RC構材面 3.構材面磨平 4.塗底層樹脂 5.施作含浸環氧樹脂 7.施作含浸環氧樹脂 6.碳纖維貼片 9.碳纖維貼片 10.施作含浸環氧樹脂 8.施作含浸環氧樹脂第1層第n層圖 1.4 RC 柱以 CFRP 包覆補強之剖面示意圖 (資料來源：參考書目 [17]) 圖 1.5 以 CFRP 補強位於狹窄空間之 RC 梁 (資料來源：參考書目 [5]) 三、影響 CFRP 包覆補強效果之因素 CFRP 包覆柱構件補強工法，主要是以碳纖維布沿柱水平向圍束逐層包覆，以增強韌性的一種補強方式。過去研究顯示，此法應用於圓柱可得相當明顯之成效，舉例而言，圖 1.6 [6]為圓形斷面橋柱之遲

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建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 6 滯迴圈，其中圖 1.6 (a)、(b)採相同之設計，兩者主筋皆於塑鉸區搭接，惟圖 1.6 (b)於塑鉸區採四層 CFRP 包覆補強。比較圖 1.6 (a)、(b)兩者可知試體在達最大強度後，採 CFRP 包覆補強者，強度下降趨勢，大幅低於未補強者，表示 CFRP 包覆補強對圓形斷面柱構件韌性有明顯之提升。過去研究亦顯示方柱採 CFRP 包覆補強工法之效果不若圓柱，主因為碳纖維布在柱角隅位置的應力集中現象導致其提前斷裂，如圖 1.7 之方柱試體所示，該柱角隅處之碳纖維布，因應力集中而提前破壞。前述圓柱與方柱在國內已有許多研究結果，然而國內絕大多數之老舊低矮型 RC 建築常將柱斷面規劃為矩形，如圖 1.8 之國內典型沿街店舖式住宅平面圖即為一例，另外，此類老舊低矮型 RC 建築不僅設有許多長寬比較大之矩形柱，在設計柱構件時，配置之橫向鋼筋間距，一般大幅低於現行規範 [7]之要求，且柱箍筋兩端彎鉤角度多採 90 度彎鉤，亦不符合現行規範對柱構件指定範圍內應配置閉合箍筋及耐震彎鉤之規定，整體而言，此類柱由於橫向鋼筋量不足，將導致韌性不佳，又常見於老舊低矮型 RC 建築中，而有研究其補強方法之必要。若此類柱亦能採用工期短、成本低、施工不占空間的 CFRP 包覆補強工法，將能增加民眾之補強意願，並於透過專業技師及建築師的評估及監督下，有利於國內階段性補強政策之推廣。

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7

(a)未補強試體 (BMCL100)；

(b)採 4 層 CFRP 包覆補強試體 (FCL1) 圖 1.6 圓形斷面橋柱之遲滯迴圈

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建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 8 圖 1.7 柱構件之角隅因碳纖維布應力集中致使破壞 (資料來源：參考書目 [8]) 圖 1.8 典型沿街店舖式住宅平面示意圖 (資料來源：參考書目 [9])

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第三節研究方法與進度說明

本計畫研究方法，將透以下階段進行：文獻蒐集與分析、試體設計、試體製作、載重試驗、分析試驗結果及期末報告撰寫。本研究預定之研究進度表，如表 1.1 所示，流程如圖 1.9 所示， 一、文獻蒐集與分析 碳纖維複合材料 CFRP，為國內橋樑及建築補強常見之工法。當碳纖維與基材成束為 CFRP 後，利用編織技術可將其製造成碳纖維布匹組織，並以碳纖維布逐層包覆並黏貼於建築構件上，增加構件之強度及韌性，此補強工法具有成本低、工期短及施工便利之優勢。本研究將蒐集國內、外於 CFRP 包覆柱補強效益之文獻資料，藉以瞭解各文獻的試體設計，並結合國內於相關補強工法之設計實務，俾作為本研究試體設計、試驗規劃、分析模型建置之參採。 二、試體設計 本研究將規劃與製作 4 組，計 RND 及 RNDC 等 2 個系列之矩型 RC 柱試體，其皆為非韌性配筋柱試體，並預計進行固定軸壓力為 0.2 ' c g f A ，單曲率之反覆載重試驗，以研究其耐震性能。而對於既有低層 RC 建築非韌性配筋柱之模擬與設計，將參考國內典型屋齡約 20 年以上，樓高 4 樓以下騎樓式建築底層柱之實務現況。 三、試體製作 本研究試體製作計分為四個階段，第一階段預計於 6 月分進行試體採購招標作業；第二階段於 7 月分進行試體製作放樣，以及柱試體下部基礎之鋼筋綁紮、模板組立及灌漿施工施工；第三階段為柱試體

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建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 10 內部鋼筋，應變量測應變計之施工；第四階段為柱試體上部柱身之鋼筋綁紮、模板組立及灌漿施工。本研究柱試體製作第一階段之採購作業，係於 107 年 5 月 22 日公告上網，並於 6 月 2 日決標；106 年 6 月 30 日完成第二階段柱試體下部基礎混凝土之灌漿施工；、106 年 7 月 5 日完成第三階段柱試體內部鋼筋應變計之黏貼施工；106 年 7 月 7 日完成第四階段柱試體上部柱身之灌漿施工，混凝土 28 天龄期到達日為 8 月 4 日；柱試體已完成製作，於 8 月 21 日申報驗收。 四、載重試驗 本研究預計進行鋼筋與混凝土材料之基本務理性質試驗。混凝土原柱試體抗壓強度試驗部分，需記錄 28 天龄期抗壓強度，以及各柱試體於實際試驗當日之抗壓強度。鋼筋拉伸試驗部分，係要求各型號與各強度種類之鋼筋，應為同一批號料源，所以各型號與強度種類鋼筋僅進行一次拉伸試驗。後續以 CFRP 包覆補強矩形 RC 柱試體於固定軸壓力 0.2 ' c g f A 及單曲率反覆載重試驗，用以驗證模擬既有低層 RC 建築底層非韌性配筋 RC 柱，分別於未補強及以 CFRP 包覆補強條件下的耐震行為，並藉以觀察矩形 RC 柱試體於非韌性配筋下，以 CFRP 包覆補強柱試體於耐震性能的差異。 五、分析試驗結果 藉由矩形 RC 柱試體實驗所得量測數據，透過試驗機及應變計所得數據之分析，可瞭解非韌性配筋矩形 RC 柱試體在 0.2 ' c g f A 軸壓力及單曲率反覆載重試驗下，分別於未補強及以 CFRP 包覆補強耐震性能之差異，進而研提以 CFRP 包覆補強之設計建議。

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六、期末報告撰寫

本研究預計提出兩次報告，第 1 次為期中報告，目的在說明本研

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建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 12

第四節

研究目的

本研究預計針對非韌性配筋矩型混凝土柱進行研究，預期研究目標包括：（一）驗證矩形 RC 柱以碳纖維貼覆補強之耐震行為，並研提矩形柱斷面直線區圍束補強能力提升之對策。（二）建立 CFRP 補強鋼筋混凝土柱之設計與施工注意事項。

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13 表 1.1 研究進度 月次工作項目第一月第二月第三月第四月第五月第六月第七月第八月第九月第十月第十一月第十二月備註資料搜集及整理試體設計試體招標、製作、養護與驗收材料機械性質試驗柱試體反覆載重試驗試驗數據整理分析報告撰寫期中報告 ※ 8/2 期末報告 ※ 11/28 研究進度百分比 4 8 12 20 28 32 44 56 76 88 96 100 查核點第 1 季：期初審查第 2 季：試體採購招標第 3 季：期中報告審查第 4 季：期末報告審查說明：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迄日期。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，統計求得本計畫之總分，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。

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建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 14 試體設計與製作載重試驗報告撰寫文獻蒐集與分析試驗結果之分析與探討 圖 1.9 研究進行之流程圖 （資料來源：本研究製作）

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第二章試體計畫

第一節試體設計

國內早期老舊低矮型 RC 建築底層柱，多屬橫向箍筋量不足之非韌性配筋柱，且此類斷面常設計為矩形，而本研究所謂「低矮」型之建築物，其樓高定義為四樓以下之建築，其柱斷面承受之軸力不會太高，軸力比多為20% 以下。本研究旨在探討此類柱構件，以 CFRP 包覆補強工法施作，柱圍束量是否足夠。所謂「非韌性配筋」柱，主要具有以下特性，首要為未適當配置足夠之外箍筋及內繫筋，導致柱橫向鋼筋量不足，以及外箍筋兩端均採用90 度彎鉤，而未採用135 度之耐震彎鉤，造成柱內混凝土圍束效果不佳，進而影響柱構件未能發揮足夠之韌性行為，典型非韌性配筋柱橫向箍筋之配筋情形，其箍筋間距甚至超過20 公分，如圖 2.1 及圖 2.3 所示。老舊低矮型 RC 建築物的柱，多為矩形的「非韌性配筋」柱，在未配置內繫筋的情況下，矩形柱斷面長邊對內部核心混凝土的圍束需求，勢必遠大於短邊，如圖 2.4 所示。同樣地，若柱外圍採用 CFRP 包覆補強工法，於柱斷面之長邊，亦無法增設類似內繫筋之抗拉元件，因此柱斷面所需碳纖維布之補強需求（層數），將受限垂直於柱斷面長邊方向之水平圍束需求控制。由先前研究亦顯示[10]，隨著碳纖維布層數之增加，其耐震性能之提升效益，將趨近於一個限值。目前國內 RC 建築相關設計規範中，對於 CFRP 包覆補強之設計方法，亦未訂定有可資依循的設計規定，現有設計方法多為引用相關文獻之建議，因此本研究亦希望透過結構試驗之驗證，檢核相關設計方法之合理性。本研究共規劃四組屬單曲率破壞之單柱試體，試體名稱分別為 RND、 RNDC2L、RNDC4L 及 RNDC8L。其中，試體 RND 為矩形的非韌性配筋柱，其斷面尺寸、橫向箍筋量及箍筋端部彎鉤角度之選擇，主要以模擬國內典型老舊低矮RC 建築物底部樓層柱之配筋方式。試體名稱的第一個字母「R」，

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建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 16 代為矩形，即英文 Rectangular 的縮寫；其後的「ND」二字，表示為「非韌性」，及英文Non-ductility 的縮寫，「R」及「ND」合在一起，即表示為矩形非韌性配筋的柱試體。 RNDC 系列與 RND 系列等 2 個系列之試體，其 RC 柱部分的斷面尺寸、鋼筋配置及材料強度均為相同之設計，惟RNDC 系列試體係於試體混凝土部分硬固後，再於其外圍以 CFRP 包覆補強工法，進行水平單向圍束之補強，並且於柱試體4 個角隅處，設置為半徑 3 公分之導角。RNDC 系列試體名稱的第一個字母「R」，同樣表示為矩形，「ND」二字亦為「非韌性」，「RND」表示矩形非韌性配筋的柱試體。隨後之字母「C」為 CFRP 之縮寫，因此「RNDC」表示採用CFRP 包覆補強工法之矩形非韌性配筋柱試體。RNDC 系列試體名稱的「L」，即英文 Layer 的縮寫。「L」字母前的阿拉伯數字，表示 RC 柱試體所包覆 CFRP 的層數。因此試體 RNDC2L，即「R」-「ND」-「C」-「2」 -「L」之組合，表示以 2 層 CFRP 包覆補強之矩形非韌性配筋 RC 柱試體，其餘以此類推。本研究採用 UD300 單層每平方公尺 300 公克之單向碳纖維布，設計抗拉彈性係數為每平方公厘23,500 公斤。本研究 RNDC 系列試體所採用碳纖維布之層數，係參採較為簡易的 CFRP 包覆「圍束補強」理論[10]進行設計。其中，試體 RNDC4L 旨在驗證，依圍束補強理論之設計結果，試體RND 經 CFRP 包覆圍束補強後，矩形非韌性配筋柱之耐震行為，是否能達到基本之圍束能力需求。試體RNDC2L 與試體RNDC8L 採用碳纖維布之層數，分別為 RNDC4L 的 0.5 倍與 2 倍，此 2 組試體之探討目的有二，其一為觀察隨著碳纖維布補強層數之增加，柱試體於圍束補強後，耐震韌性的提升效益，其二為依柱 CFRP 圍束補強設計之試體 RNDC4L，其耐震韌性是否足夠，以增加民眾的逃生機會。由於研究經費額度限制及撙節經費之考量，本次研究之矩形柱試體，僅規劃檢核同時進行「弱軸」之側向加載，以及 20%軸力比之軸向加載試驗。

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圖2.1 典型非韌性配筋柱橫向鋼筋過大之情形

(資料來源：參考書目[11])

圖2.2 典型非韌性配筋柱試體橫向鋼筋之配置情形

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2.1.1 試體 RND

本研究參考 Sezen[12]所蒐集之典型老舊 RC 建築柱試體資料，以作為矩形非韌性柱試體 RND 之設計參數依據，試體 RND 主要選定以貼近國內非韌性矩形柱試體之典型態樣，本研究亦參考歐昱辰[9]補強前試體之設計參數，其試體源於該研究所歸納之典型國內低矮 RC 建築柱態樣，如混凝土設計抗壓強度𝑓_𝑐′_{=21MPa。橫向鋼筋多選擇 D10(#3)至 D13(#4)之尺寸，規格為 SD280，} 縱向鋼筋多選擇 D19(#6)至 D36(#11)之尺寸，規格為 SD420。樓層高度大約介於 3.3 m 到 3.8 m 之間，一樓矩形柱斷面寬度大約介於 30 cm 至 45 cm 之間，深度約介於 40 cm 至 80 cm 之間等，但其所歸納之柱構件，並非均屬於本研究所擬探討之老舊低矮型 RC 建築。林敏郎[13]則針對屋齡較高的老舊低矮型 RC 建築柱，規劃其研究之試體，此試體皆屬非韌性配筋之斷面，較符合本研究試體設計之需求。整體而言，由於 Sezen[12]柱試體資料由於數量較多，可用於檢核本研究試體 RND 之規劃結果，是否超出一般老舊 RC 建築柱之範圍，但由於其多屬國外型式之試體，未必符合國內低矮 RC 建築柱之態樣。因此本研究柱試體 RND 之斷面尺寸、縱向鋼筋強度與橫向鋼筋強度、剪力跨深比等參數，係參採歐昱辰[9]試體於補強前之參數。而橫向鋼筋間距、箍筋端部彎鉤等配置細節，則參採林敏郎[13]試體。前述 Sezen、歐昱辰、林敏郎，以及本研究試體 RND 設計參數，列於表 2.1。另外，本研究試體混凝土抗壓強度𝑓_𝑐′_{僅取 140 kgf/cm}2_{，主要參考} 國內老舊校舍建築於耐震能力詳評之經驗[14, 15]，顯示混凝土鑽心試體實測抗壓強度，普遍低於設計強度許多，經實測抗壓強度𝑓_𝑐′_{，約為 143 kgf/cm}2_[15]。試體 RND 之設計，如圖 2.3 所示，柱斷面橫向箍筋端部均為 90 度彎鉤，全

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柱不配置內繫筋，橫向箍筋間距取20cm，以貼近及顯示國內「典型」老舊低矮建築物柱構件之非韌性配筋方式。另綜評本所相關試驗機的加載能量，以

及國內建築物實務現況，選定本研究探討柱試體之斷面深度為 30 cm，寬度

為 50 cm，以符合歷次震災調查報告所載老舊低矮型 RC 建築底層柱常見之

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建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 20 表2.1 非韌性柱試體相關參數比較 項目 Sezen(2002)[12] 林敏郎[13] (2009) 歐昱辰[9](2016) 【試體補強前】本研究試體 RND 最小值最大值平均值 𝑎/𝑑 2 4 3 2.89 6.74 6.64 𝑠/𝑑 0.2 1.2 0.61 0.56 0.86 0.67 𝑓_𝑐′_{( kgf/cm}2₎ ₁₃₄ ₄₅₇ ₂₅₃ ₂₁₀ ₂₁₀ ₁₄₀ 𝑓_𝑦𝑙(kgf/cm2) 3304 5343 4148 4200 4200 4200 𝜌𝑙 1.0% 4.0% 2.3% 2.3% 3% 2.3% 𝑓_𝑦𝑡 (kgf/cm2) 3234 6609 4359 2800 2800 2800 𝜌_𝑡 0.1% 0.7% 0.3% 0.1% 0.136% 0.143% 𝑃/𝐴𝑔𝑓𝑐′ 0 0.6 0.2 0.2 0.20 0.2 ※標示底線者，表示數據不在 Sezen(2002)所蒐集之 50 座老舊 RC 柱試體資料範圍內。𝑎/𝑑：剪力跨深比；𝑠/𝑑：橫向鋼筋間距與斷面深度比；𝑓_𝑐′_{：混凝土抗壓強度；𝑓} 𝑦𝑙：縱向鋼筋降伏強度；𝜌𝑙：縱向鋼筋比(=𝐴𝑠𝑙⁄𝑏ℎ)；𝑓𝑦𝑡：橫向鋼筋降伏強度；𝜌𝑡：橫向鋼筋比(=𝐴_𝑠ℎ⁄𝑏_𝑐𝑠)；𝑃/𝐴_𝑔𝑓_𝑐′_{：軸力比。}

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圖2.3 試體 RND 之設計圖 (資料來源：本研究製作) 60 60 220 420 柱箍筋細部圖兩端90度彎鉤箍筋兩端90度彎鉤 60 90 90 60 300 95 95 95 60 60 95 500 40 柱主筋柱箍筋 95 17 0 95 17 0 10 5 11 0 10 5 17 5 17 5 50 0 140 3-D25@120 130 120 500 1000 500 175 預埋70PVC管 Section B-B 基座主筋：D25-SD420W 基座箍筋：D25-SD420W 900 Bottom plate 500 300 15 Rebar D25 SD420W Rebar D25 前後排列矩形柱試體-側視圖 500 175 50 55 Section A-A 140 3-D25@120 130 120 5550 柱主筋：D19-SD420W 柱箍筋：D10-SD280 正視方向側視方向

Cyclic Lateral Force

80 185 185 80 900 20 00 50 50 185 185 300 A B B A 矩形柱試體-正視圖箍筋每200mm 須交叉換端摩擦壓接錨定頭兩層箍筋 20 00 箍筋每200mm 須交叉換端 10 -D10@2 00 16 00 120 400 120

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2.1.2 RNDC 系列試體

RNDC 系列試體計有試體 RNDC2L、試體 RNDC4L 及試體 RNDC8L 等 3 組，其中試體 RNDC2L 與試體 RND 具有相同 RC 斷面鋼筋之配置，兩者差異在於 RNDC 系列試體 RC 斷面的 4 個角隅處，預先設置半徑為 3 公分之導角，並採用CFRP 包覆補強工法，對試體進行水平向單向圍束之補強。考量柱試體耐震韌性之發揮，受橫向鋼筋量之影響，現行混凝土結構設計規範[7]對柱構件矩形橫向鋼筋量之需求，規定如式(式 2.1)所示，式中前者為圍束需求，後者為韌性需求，前者旨在確保當柱構件保護層剝落後，核心混凝土仍有足夠之側向圍束應力，使柱構件軸力強度得以維持。由於本研究柱試體斷面之橫向鋼筋，係採非韌性配置，所提供橫向鋼筋量約為現行規範要求之20% (𝐴_𝑠ℎ⁄𝐴_{𝑠ℎ,𝑟𝑒𝑞} ≅ 0.2)，不足的圍束應力，擬透過碳纖維布補強之方式來彌補。為計算碳纖維布之補強所需層數，本研究參考林敏郎[8,13]所提之 CFRP 包覆圍束補強設計理論，首先將式(式 2.1)中𝑓_𝑦𝑡、𝑠𝑏_𝑐移項可得式(式 2.2)，在此假設[0.3 (𝐴𝑔 𝐴𝑐ℎ− 1) 𝑓𝑐 ′_，0.09𝑓 𝑐′] 𝑚𝑎𝑥 為柱構件核心混凝土圍束應力需求為𝑓_𝑐𝑒，其分別由既有橫向鋼筋提供之圍束應力𝑓_𝑙𝑠，以及碳纖維布補強提供之圍束應力𝑓_𝑙𝑓提供，即𝑓_𝑙𝑠以及𝑓_𝑙𝑓之和應該要大於核心混凝土圍束應力需求𝑓_𝑐𝑒，可得式 (式 2.4)。其中，橫向鋼筋提供之圍束應力𝑓_𝑙𝑠，可依式(式 2.5)計算，因此碳纖維布補強須提供之圍束應力𝑓_𝑙𝑓，將式(式 2.4)代入式(式 2.5)並移項可得式(式 2.6)碳纖維布補強之圍束應力之需求。因碳纖維布為線性材料(圖 1.2)，故碳纖維布抗拉應力𝜎_𝑓為其抗拉應變𝜀_𝑓 與彈性模數𝐸_𝑓之乘積。假設碳纖維布厚度為𝑡_𝑓，在𝑠間距內碳纖維布水平向總圍束力為2𝜀_𝑓𝐸_𝑓𝑡_𝑓𝑠，其中乘以 2 倍，表示柱斷面兩側包覆之碳纖維布，如圖 2.4 所示。因此將碳纖維布之總側向力均布於𝑠間距內，可得其提供之圍束應

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建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 24 力相當於2𝜀_𝑓𝐸_𝑓𝑡_𝑓⁄ ，得式(式 2.7)之碳纖維布圍束補強之理論設計公式。利用𝑏 式(式 2.7)即可計算碳纖維布所需厚度𝑡_𝑓，再除上單層單向碳纖維布設計厚度 𝑡_𝑓0，最後可求得以碳纖維布補強所需施做之層數𝑛需求。式(式 2.7)之計算，尚須設定碳纖維設計應變𝜺_𝒇以及彈性係數𝑬_𝒇，本研究參考 ACI 440.2R-08[16]之建議，將𝜺_𝒇假定為 0.004，而彈性係數𝑬_𝒇則參考「CFRP 補強混凝土結構物技術規範(草案)」[17]之建議，設為2.35×106 kgf/cm2_{，透過此二假設，即可計算碳纖維布所需施做厚度𝒕} 𝒇。而碳纖維布所需層數，則可由所需厚度𝒕_𝒇除上單層設計厚度𝒕_𝒇𝟎，其中𝒕_𝒇𝟎係根據碳纖維布規格而有所不同，表 2.2 所示，表中參考公共工程施工綱要規範中[18]規定之碳纖維布規格，本研究係選用 FAW300 規格進行設計，即選定碳纖維布設計厚度 𝑡_𝑓0為 0.165 mm（不含樹脂）。根據上述之假設與設計公式，可得試體 RNDC4L 之碳纖維布層數𝑛需求為 3.44 層，取整數為 4 層，並以此組試體所包覆之層數為對照組。另試體 RNDC2L 及試體 RNDC8L 所包覆碳纖維之層數，則分別為試體 RNDC4L 之 0.5 與 2 倍層數，即分別對應為施做 2 層與 8 層。此外，為減緩 RNDC 系列柱試體過早發生角隅應力集中破壞之效應，試體 RNDC2L、試體 RNDC4L 及試體 RNDC8L 等 3 組試體斷面之角隅處，預先設計製作為半徑 30 mm 之導角，RNDC 系列試體斷面，如圖 2.5 所示。

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𝐴𝑠ℎ = [0.3𝑠𝑏𝑐( 𝐴_𝑔 𝐴𝑐ℎ − 1) 𝑓𝑐 ′ 𝑓𝑦𝑡 ， 0.09𝑠𝑏_𝑐 𝑓𝑐 ′ 𝑓𝑦𝑡 ] 𝑚𝑎𝑥 (式 2.1) 𝐴_𝑠ℎ,𝑓_𝑦𝑡 𝑠𝑏𝑐 = [0.3 (𝐴𝑔 𝐴𝑐ℎ − 1) 𝑓𝑐′，0.09𝑓𝑐′] 𝑚𝑎𝑥 (式 2.2) 𝑓_𝑐𝑒 = [0.3 (𝐴𝑔 𝐴_𝑐ℎ− 1) 𝑓𝑐 ′_ˎ0.09𝑓 𝑐′] 𝑚𝑎𝑥 (式 2.3) 𝑓_𝑙𝑠+ 𝑓_𝑙𝑓 ≥ 𝑓_𝑐𝑒 (式 2.4) 𝑓𝑙𝑠 = 𝐴_𝑠ℎ𝑓_𝑦ℎ 𝑠𝑏𝑐 (式 2.5) 𝑓_𝑙𝑓 ≥ [0.3 (𝐴𝑔 𝐴𝑐ℎ − 1) 𝑓_𝑐′_ˎ0.09𝑓 𝑐′] 𝑚𝑎𝑥 −𝐴𝑠ℎ𝑓𝑦ℎ 𝑠𝑏𝑐 (式 2.6) 2𝜀_𝑓𝐸_𝑓𝑡_𝑓 𝑏 ≥ [0.3 ( 𝐴_𝑔 𝐴_𝑐ℎ − 1) 𝑓𝑐 ′_ˎ0.09𝑓 𝑐′] 𝑚𝑎𝑥 −𝐴𝑠ℎ𝑓𝑦ℎ 𝑠𝑏_𝑐 (式 2.7) 圖2.4 𝒔間距內碳纖維布與橫向鋼筋側向力

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建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 26 (資料來源：參考書目[8]) 表2.2 碳纖維布規格 規格 FAW200 FAW300 測試方法單位面積纖維質量 (g/m2_/層) ≥200 ≥300 CNS13062 抗拉強度 (kgf/cm/層) 460 以上 690 以上 CNS13555 設計厚度 (mm/層) 0.11 0.165 --- 伸長率 (%) ≥1.7 CNS 13555 貼片幅寬 (cm) 40 或 50 40 或 50 --- (資料來源：參考書目[18])

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第二章試體計畫圖2.5 RNDC1.0、RNDC1.5 以及 RNDC2.0 補強前斷面圖 (資料來源：本研究製作)

Section A-A

Hole diameter = 150 mm (=mm)

Longitudinal rebar welded with plate Steel plate (500 300 15) 100 300 =mm 0 95 95 95 60 60 95 500 60 90 90 60 300

Section B-B

柱主筋：D19-SD420W 柱閉合箍筋：D10-SD280 R 30

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第二節試體製作

本研究 4 組試體之製作，計分為底座定平與試體放樣、基座施工、應變計黏貼與試體上部柱身製作，各項製作程序詳述如下：

2.2.1 底座定平與試體放樣

依據採購須知補充說明圖說所需之鋼筋種類與尺寸，由鋼筋加工廠直接加工後，送抵本所材料實驗中心大型力學實驗室南側施工現場，如圖 3.1 所示。進行試體製作施工區之清理與整地，並確認試體之製作位置，以6 分木夾板及角木組立底座並定出水平，再進行每組柱試體製作之放樣，訂出底座 8 處直徑為 70 mm 材質為 PVC 預留管的位置，如圖 3.2 所示。 圖 3.1 自加工廠完成加工送抵工作區之鋼筋 （資料來源：本研究）

(59)

圖 3.2 底座定平與試體放樣 （資料來源：本研究）

2.2.2 基座施作

由於本研究試體之基座，係採直立方式施工，因此須先完成基座鋼筋籠之製作(如圖 3.3 所示)，再將主筋綁紮於下基座鋼筋籠，此時必須特別注意要掌握縱向鋼筋的位置及垂直度，必須利用水準尺進行檢核。基座鋼筋籠完成組立之後，於基座灌漿前須預埋直徑為700 mm，中心間距為 500 mm 的 PVC 管，此PVC 管為試體於後續安裝階段貫穿螺桿之用，基座側邊模板完成組立後，需再確認與固定PVC 管的設置位置，確認完成後澆置混凝土。

2.2.3 應變計黏貼

為觀察及瞭解柱試體於加載過程中，縱向及橫向鋼筋應變之變化，係規劃於柱試體下方塑性轉角發生區，分別於縱向與橫向鋼筋之適當位置，黏貼 5mm 之金屬應變計，應變計完成黏貼之情形，如圖 3.11 所示。並於黏貼完成之應變計，塗抹防水覆膜膠，最後再以電器膠帶纏繞保護，並要特別注意防止應變計發生非預期之拉扯損毀。

(60)

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 30 為降低試體於加載過程而造成對應變計之影響，每組柱試體應變計之訊號線束，均由柱底部與基座之交界面，集中成束出線，每組應變計訊號線之規格長度為 3 m。而在應變計收線時，應注意導線須沿著縱向鋼筋內緣或緊靠外箍筋下緣走線，防止混凝土澆置或震動搗實之動作，致拉扯而使應變計損毀。為避免應變計於灌漿或養護時水分進入成束訊號線之集線區，所有外露於柱試體外部之訊號線，均利用塑膠袋包覆保護，應變計訊號線束之出線情形，如圖 3.20。

2.2.4 試體上部柱身製作

下基座拆模後即可進行上部柱身之製作，此時需注意黏貼有應變計的箍筋，必須放置於所規劃佈設應變計之位置，上部柱身鋼筋完成綁紮後，組立上部柱身之模板，並於確認模板與訊號線束穩固後，澆置混凝土。試體混凝土部分製作完成，如圖 3.21 所示。

(61)

2.2.4 試體上部柱身碳纖維包覆補強

1. 混凝土表面處理混凝土表面不平整或有突出物，須修整處理。修復完工後之局部表面高度差應控置於1 mm 以內，或修整 1：10 以下之斜面。 2. 隅角部處理為防止隅角部碳纖維貼片提早發生應力集中之破壞。隅角部凸角半徑應大於 30 mm，若於凸出部分應以切割機或砂輪機將其削除，使其平順；如於凹角部位時，則須使用樹脂砂漿填平，使其凹面平滑化，以利碳纖維貼片貼覆及受力強度之發揮。 3. 施工環境 (1)施工環境不可有塵土飛揚情形，以免污染未乾之環氧樹脂。 (2) 如下雨、刮風、有霧或環境相對濕度高於 85%時，不得施工，另有適當防護措施者除外。 4. 塗布底漆 (1) 混凝土表面用含水率測濕計檢驗，含水率須低於 8%。 (2) 於可使用時間內，一次拌和使用量。將底漆之主劑及硬化劑依所規定配比置於拌和桶中，並使用手提電動攪拌機均勻混合，超過可使用時間之材料，則不可使用。 (3) 底漆以毛刷滾輪均勻塗佈，底漆用量不得低於 0.4 kg/m2 。 5. 碳纖維貼片黏貼 (1) 碳纖維布預先以剪刀或刀片，依所設計尺寸裁切。 (2) 施工面底漆以指觸乾燥確認，底漆施工超過一個星期以上時，應以砂紙打毛。 (3) 將環氧樹脂之主劑及硬化劑依所規定配比置於拌和桶中，

(62)

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 32 並使用電動攪拌機均勻混合，超過可使用時間之材料，則不可使用。 (4) 環氧樹脂以毛刷滾輪平均塗佈，轉角部分要多塗，環氧樹脂用量不得低於 0.6kg/m2 。 (5) 單向碳纖維布黏貼於樹脂塗佈面後，以毛刷滾輪或橡皮刮刀順著纖維方向推平，使樹脂浸透並去除氣泡。纖維(長向)方向之搭接長度須 200 mm 以上。 (6) 黏貼後放置 30 分鐘，如纖維有浮出或脫線情形發生時，以滾輪或橡皮刮刀壓平修正。 (7) 單向碳纖維布表面於塗佈第二層環氧樹脂(塗於面層)，以毛刷滾輪或橡皮刮刀順著纖維方向推平，使碳纖維完全含浸於樹脂，環氧樹脂用量不得低於 0.4 kg/m2 。 (8) 兩層以上碳纖維貼片相疊黏貼時，重覆(4)~(7)步驟，須等待前面一層樹脂指觸乾燥後並經工程司確認後，方可施作下一層。 6. 養護 (1) 碳纖維貼片補強施工後，為避免雨水、砂、灰塵等附著於上，可使用塑膠布保護達 24 小時以上，並應注意盡量不要碰觸到施工面。 (2) 如平均氣溫為 20℃，養護期間為一週；如平均氣溫為 10℃，養護期間為兩週。

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第三節試驗裝置與測計安排

試體上方設有厚度為15 mm之鋼製頂板，頂板預留直徑為250 mm之圓孔，以利試體由上而下灌漿之用，完成混凝土灌漿後，將鋼製頂板塞回圓孔並銲接固定，再於混凝土澆置面與鋼頂板下緣間，以無收縮水泥填滿其空間，讓致動器施加軸壓力時，將應力平均分佈於柱試體之頂端，避免應力集中傳遞而造成非預期之破壞。本研究RC柱試體均採單軸應變計，用以記錄柱試體下部塑性鉸區內部縱向鋼筋、外箍筋與CFRP表面等處之單向應變，單一柱試體內部縱向及橫向鋼筋共設置9組應變計，包覆CFRP表面則設置10組應變計， 詳如錯誤! 找不到參照來源。所示；外掛位移計則量測試體的位移量；試驗 裝置有大型試驗構架、600 噸與200 噸油壓致動器，進行撓曲試驗，探討非韌性配筋柱與韌性配筋柱之撓曲行為，詳如圖2.2所示。撓曲試驗中所採用的側向位移歷時圖，如圖2.3所示。本研究之試驗流程為首先針對柱試體施加軸力(試驗過程中軸力維持不變)，再以位移控制模式(Displacement Control Mode) 進行側向位移歷時，其中側向位移速率為1 mm/sec。

(64)

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 34 圖 2.1 柱試體斷面應變計之配置圖 （資料來源：本研究製作） T1(5 cm) T2(25 cm) L1(10 cm) 高程起算點 95 95 95 60 60 95 500 60 90 90 60 300 F1(5 cm) F2(45 cm) 高程起算點 95 95 95 60 60 95 500 60 90 90 60 300

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圖 2.2 軸力構架試驗裝置示意圖 （資料來源：本研究）

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建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 36 4 8 12 16 20 24 28 32 36 48 56 64 0.25% 0.5% 0.75% 1% 1.25% 1.5%1.75% 2% 1% 2.5% 3% 1% 3.5%4% 4.5% 5% 72 80 6% 7% 1% 96 Peak drift (mm) Drift ratio(%) 1% 1% 1% 112 No. of cycles

3 cycles of each drift ratio 2 cycles of each drift ratio

圖 2.3 試驗側向加載之位移控制歷時 （資料來源：ACI-374.1-05 規範）

(67)

37

圖 3.3 底座鋼筋籠之組立

（資料來源：本研究）

圖 3.4 上部柱主筋之定位

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38

圖 3.5 底座預留 PVC 管之擺設與封口

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39 圖 3.6 試體吊耳於底座之設置 （資料來源：本研究） 圖 3.7 底座模板之組立 （資料來源：本研究） 圖 3.8 底座混凝土澆置

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建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 40 （資料來源：本研究） 圖 3.9 底座拆模後之情形 （資料來源：本研究） 圖 3.10 柱試體應變計之黏貼

(71)

41 （資料來源：本研究）

圖 3.11 應變計之黏貼與固定

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建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 42 （資料來源：本研究） 圖 3.13 模板之圓形導角 （資料來源：本研究） 圖 3.14 上部柱身模板完成組立 （資料來源：本研究）

(73)

43

圖 3.15 上部柱混凝土之澆置

圖 3.16 上部柱混凝土之搗實

(74)

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 44 圖 3.17 混凝土澆置坍度試驗 （資料來源：本研究） 圖 3.18 混凝土圓柱式體製作 （資料來源：本研究）

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45

圖 3.19 柱頂上部灌漿孔圓形蓋板之封板

圖 3.20 應變計訊號線束之收線

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建築 RC 柱以碳纖維包覆補強之耐震能力研究 46 圖 3.21 上部混凝土柱四周之導角 （資料來源：本研究） 圖 3.22 試體製作完成與養護情形現況 （資料來源：本研究）

(77)

47

第三章

試驗結果與討論

第一節

試驗結果與觀察

本研究共製作 4 組矩形柱試體，配合本所材料實驗中心大型力學實驗室的既有大型試驗構架(參見圖 2.2)，並結合 600 噸與 200 噸油壓致動器，進行 RC 柱試體承受軸力與水平力之撓曲試驗。本章將分別說明各式體之試驗結果與觀察，並嘗試比較矩形非韌性配筋柱試體 RND 與經 CFRP 包覆圍束補強非韌性配筋柱試體耐震行為之差異，以及觀察隨著碳纖維布補強層數之增加，柱試體於圍束補強後，耐震韌性的提升效益，並且驗證依柱 CFRP 圍束理論補強設計之試體 RNDC4L，其耐震韌性是否有部保守之虞。本研究鋼筋的機械性質，如表 3.1，相關試體之說明，如下所述。撓曲試驗所加載的軸力，約為柱試體理論軸力強度之 20%。實際強度 𝑃₀，係以 𝑃₀ = 𝑓_𝑐′_𝐴 𝑔計算之，𝑓c′為 28 天齡期混凝土圓柱試體之試驗強度，由表 3.3 得知，本研究 𝑓c′為 20.6 MPa；A𝑔為柱總斷面積。計算而得之施加軸力為 618 kN。此外，撓曲試驗中所採用的側向加載位移歷時，如圖 2.27 所示。本研究試體首先於柱試體之頂部，施加設定比率之軸力。試驗過程，軸力控制值，將固定維持不變，當柱試體頂部軸力施加至目標值之後，

建築RC柱以碳纖維貼覆補強之耐震能力

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強

之耐震能力研究

內 政 部建 築研 究 所 自 行研 究 報告

建築 RC 柱以碳纖維包覆補強

之耐震能力研究

研究人員：陶其駿

內 政 部建 築研 究 所 自 行研 究 報告

中華民國 107 年 12 月

MINISTRY OF THE INTERIOR

RESEARCH PROJECT REPORT

Seismic behavior of reinforced concrete building columns

strengthened with CFRP composites

目次

表次 ...III

圖次 ... V

摘 要 ... XV

第一章

緒論 ... 1

第一節

研究緣起與背景 ... 1

第二節

文獻回顧 ... 1

第三節

研究方法與進度說明 ... 9

第四節

研究目的 ... 12

第二章

試體計畫 ... 15

第一節

試體設計 ... 15

第二節

試體製作 ... 28

第三節

試驗裝置與測計安排 ... 33

第三章

試驗結果與討論 ... 47

第一節

試驗結果與觀察 ... 47

第二節

CFRP 韌性 補 強理 論設 計值合 理 性 ... 122

第三節

CFRP 韌性 補 強量 對韌 性效益 影 響 ... 123

第四節

碳纖維片設計與實際破壞模式差異 ... 128

第四章

結論與建議 ... 131

第一節

結論 ... 131

第二節

建議 ... 1316

附錄一 研究計畫期初審查會議紀錄 ... 139

附錄二 期中審查會議紀錄 ... 145

附錄三 期末審查會議紀錄 ... 161

參考書目 ... 171

表次

圖次

摘 要

ABSTRACT

第一章

緒論

第 一 節

研 究 緣 起 與 背 景

第 二 節 文 獻 回 顧

第 三 節 研 究 方 法 與 進 度 說 明

第 四 節

研 究 目 的

第二章 試體計畫

第 一 節 試 體 設 計

2.1.1 試體 RND

2.1.2 RNDC 系列試體

Section A-A

Section B-B

第 二 節 試 體 製 作

2.2.1 底座定平與試體放樣

2.2.2 基座施作

2.2.3 應變計黏貼

2.2.4 試體上部柱身製作

2.2.4 試體上部柱身碳纖維包覆補強

第 三 節 試 驗 裝 置 與 測 計 安 排

內政部建築研究所自行研究報告

內政部建築研究所自行研究報告

摘要 ... XV

CFRP 韌性補強理論設計值合理性 ... 122

CFRP 韌性補強量對韌性效益影響 ... 123

附錄一研究計畫期初審查會議紀錄 ... 139

附錄二期中審查會議紀錄 ... 145

附錄三期末審查會議紀錄 ... 161

摘要

第一節

研究緣起與背景

第二節文獻回顧

第三節研究方法與進度說明

第四節

研究目的

第二章試體計畫

第一節試體設計

第二節試體製作

第三節試驗裝置與測計安排