理工學院優秀專題競賽論文
NCREE 校舍耐震評估方法與地梁模擬方式之研究
*楊智凱 蘇佑勝 蕭安成 詹棋瑋 林佳翰 鄭玉旭 國立聯合大學土木與防災工程學系由於傳統常使用的「強度韌性耐震評估法」所評估出來之結構物耐震能力結果常太過於保守，乃
因該法並未考量到結構物之非線性變形，致使其分析結果與實際建物受震之反應有所差別。因此國家
地震工程研究中心於 98 年 6 月推出一套通過審核的耐震評估軟體，簡稱「NCREE 側推法」。本文將
以國立聯合大學兩棟校舍為例對這套新的耐震評估方法與地梁的模擬方式加以研究，並應用 ETABS
作非線性靜態側推分析。本研究考慮五種不同的地梁模擬方式，並將所得之耐震評估結果與傳統強度
韌性耐震評估方法之結果加以比較。最後研討兩種不同結構補強工法之分析與設計。
關鍵字：耐震評估、NCREE、側推法、地梁模擬、ETABS、結構補強。
1. 前言
台灣處於環太平洋的地震帶上，每年所發生的地震相 當頻繁，自從 921 大地震後，造成全省建築物重大損壞， 每個人對於建築物的耐震能力又多了一份擔憂。現今國內 工程界大多以內政部建築研究所於 1999 年公佈的「鋼筋混 凝土建築物耐震能力評估法與推廣」為建築物耐震評估的 依據。但是隨著世界的潮流，台灣的建築結構物的功能與 型態愈趨於複雜，若單只求建築物於地震中不發生倒塌， 已經不符合國內現今建築物的需求了，故本研究希望能藉 由耐震能力評估方法「NCREE 側推法」[1-2]來了解建築物 的耐震能力並與「強度韌性法」做比較，使我們的生命安 全能多一分保障。 本研究的資料引用聯合大學於民國 95 年委託「杜風工 程顧問有限公司」進行五棟校舍建築物之結構耐震能力評 估，該份評估資料是依照內政部建研所「鋼筋混凝土建築 物耐震能力評估法及推廣」方法去實行耐震分析，也就是 一般傳統所使用的「強度韌性耐震評估」方法[3]。本研究 選其中兩棟，並以「NCREE 側推法」將其作深入研究，進 而探討不同地梁的模擬方式，將最後結果加以比較，並針 對兩套耐震評估結果之差異性來做一個討論。2. 文獻探討
Freeman[4]首先提出容量震譜法，使用第一振態的振形 進行推垮分析(pushover analysis)，用以建立週期(T)與譜加 速度(Sa)表示的容量曲線，再藉由與工址彈性設計反應譜的 比較，以了解該建築物的耐震能力。Mahaney 等 人 [5] 提 出 以 ADRS 格 式 (Acceleration Displacement Response Spectrum)，即利用譜加速度(Sa)及譜
位移(Sd)為座標的圖，將需求震譜(Demand Spectrum)與容量 震譜(Capacity Spectrum)繪於同一張圖上，兩者的交點即為 性能點。 美國 ATC-40[6]正式將容量震譜法納入，利用容量曲線 來轉換成容量震譜，再由容量震譜求取等效阻尼、等效週 期，並與非彈性譜比較，即可決定建物之破壞地表加速度。 FEMA-273[7]建 議 非線性 靜力 分析中 塑鉸 之設定 方 式，結構物之非線性行為表現在結構元件上設置的非線性 鉸。 CSI[8]將 ATC-40 建議之容量震譜及非彈性分析方法納 入 ETABS 結構分析程式。 Sezen&Moehle[9]由一些試驗中發現，柱的剪力強度會 隨著柱的側向變位增大而下降，因此柱的剪力強度衰減曲 線限制了柱的強度發展。因此承受軸力的雙曲率柱並受側 力作用時，可能有三種破壞模式，即撓剪破壞、剪力破壞 及撓曲破壞。 Elwood&Moehle[10]依據雙曲率柱的側向載重位移曲 線關係，給予結構元件對應的非線性鉸參數，並採用建築 物磚構造設計及施工規範以破裂理論路徑理論所建立之磚 牆分析模型，以等值受壓斜撐模擬磚牆於地震作用下之行 為。
國家地震工程研究中心(National Center for Research on Earthquake Engineering,NCREE) [11~14]根據國內外學者之 研究，依雙曲率柱之側向載重位移曲線，計算結構元件之 塑鉸參數，以等值斜撐及等值寬柱模擬磚牆、RC 牆在地震 作用下之行為，並運用 MATLAB 程式編譯軟體撰寫輔助分 析程式來計算塑鉸參數及設定塑鉸位置，使工程師便於進 行耐震評估。 游力郕[15]根據其研究結果，窗台之束制導致 RC 柱之 短柱效應而引發結構之剪力破壞與韌性降低，與校舍在九 二一地震之震害模式完全相符。RC 柱之配筋量及主筋直徑 均會影響其極限剪力強度及韌性。 楊智凱、鄭玉旭[16]其研究根據 NCREE-09-023[17]， 證明了強度韌性法偏保守，並進一步探討地梁與基礎的模 擬狀況，與無地梁之情況加以比較。
3. 研究方法
3.1 研究流程介紹
組別:□實作組□設計組
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利用國家地震工程研究中心於 98 年 6 月推出一套通過 審核的耐震評估軟體，簡稱「NCREE 側推法」，與傳統的 強度耐震評估法加以比較，再探討各種不同地梁模擬的情 況下，其耐震能力的差異性，最後研究兩種結構補強工法 之設計。圖 1 為本研究之流程圖。 圖 1 研究流程圖3.2 建築物結構圖
圖 2 男生宿舍(霽齋樓)平面圖 圖 3 男生宿舍(霽齋樓)3D 模擬圖 圖 4 建築系館平面圖 圖 5 建築系館 3D 模擬圖3.3 材料性質
(1)紅磚抗壓強度使用 fb’=150 kg/cm2，水泥砂漿抗壓強度 fm’=100 kg/cm2。 (2)採用鋼筋降伏強度 fy=2800 kg/cm2。 (3)採用柱、梁混凝土抗壓強度 fc’=210 kg/cm 2 [3]。3.4 地梁模擬方式設置
由於本案缺乏地梁配筋圖，假設地梁只有少量鋼筋配 置，梁斷面拉力側與壓力側各 2 根#6 鋼筋。設置地梁後， 一樓的柱子往下延伸 1m 再做基礎的束制，其中地梁及基礎 的束制方式各考慮兩種方式說明如下： (1)地梁處設置剛隔版，在剛隔版勁度中心加上鉸支承作水 平束制，或在地梁四周節點處設置勁度極大的水平彈簧 加以束制，假設彈簧勁度 K=1000000kg/m。 (2)基礎的束制則考慮固定支承或鉸支承的束制方式。 因此本研究之地梁模擬方式設置可歸類為下列五種： (1)忽略地梁，直接在地面以固定端模擬基礎。 (2)含地梁且地梁四周加上彈簧束制、基礎固定束制模擬。 (3)含地梁且地梁四周加上彈簧束制、基礎鉸束制模擬。 (4)含地梁在剛隔板勁心加上水平束制、基礎固定束制模擬。 (5)含地梁在剛隔板勁心加上水平束制、基礎鉸束制模擬。 圖 6 地梁以彈簧、基礎以固定束制及鉸束制模擬理工學院優秀專題競賽論文
圖 7 地梁以剛隔版勁心鉸支承、基礎以固定束制及鉸束制 模擬3.5 結構補強設計
NCREE 所建議之補強方法有五種，分別為擴柱、翼強、 剪力牆、複合柱以及基礎補強。本節將討論之補強方法為 其中兩種，即擴柱以及翼牆，此兩種補強方法也是近年校 舍補強的主要工法，因此將對本研究之兩棟校舍使用此兩 種方法，再算出其補強後之耐震能力。 (1)擴柱：擴大柱斷面補強乃增加結構構件面積之補強方 式，可提高補強構件的承載能力與構件剛度，改善其耐震 性能，此方法可增加柱之剪力強度，同時又可提升繞曲強 度、軸向強度，因而對韌性亦有補強，系屬於強度及韌性 同時補強的工法。擴柱為向原柱子四周各加長 15cm 作為新 斷面，並使擴柱之構件呈現對稱狀態，如此才不會造成結 構物之不對稱而形成多餘複雜之力，對於分析也較簡便。 圖 8 擴柱補強位置示意圖 (2)翼牆：在結構物弱向增加翼牆進行補強，可提高整體結 構物在耐震能力不足方向上的強度，以抵抗地震力。此補 強方法為將即有獨立柱改變為附加 RC 翼牆之柱以增加其 強度與韌性。翼牆為向原柱子左右兩邊各增長 40cm，厚度 採用 NCREE 的建議值 24cm 作為新斷面，並使翼牆之構件 呈現對稱狀態，如此才不會造成結構物之不對稱而形成多 餘複雜之力，對於分析也較簡便。 圖 9 翼牆補強位置示意圖4. 研究結果與討論
4.1 強度韌性法
強度韌性法之評估結果是採用 95 年的報告書所得之， 其研究方法是直接在地面以固定端模擬基礎。將其整理後 得表 1。 表 1 耐震能力評估結果[3] 耐震評估方式與結果(g) 男生宿舍 建築系館 忽略地梁(地面基礎以固定 束制) 0.0999 0.11464.2 側推評估法
將所有資料統整，可知道校舍大部分耐震能力是受長 向(X 向)所控制，比較各種不同的模擬情況後找出其最大基 底剪力對應之建物崩塌地表加速度(Ap)如下： 表 2 耐震能力評估結果 耐震評估方式與結果(g) 男生宿舍 建築系館 忽略地梁(地面基礎以固定 束制) 0.1911 0.1997 含地梁(地梁以彈簧+基礎以 固定束制) 0.1861 0.2032 含地梁(地梁以彈簧+基礎以 鉸束制) 0.1520 0.1769 含地梁(地梁以剛隔版勁心 水平鉸+基礎以固定束制) 0.1249 0.1797 含地梁(地梁以剛隔版勁心 水平鉸+基礎以鉸束制) 0.1227 0.15804.3 補強後之耐震能力比較
本節以忽略地梁模擬之結構模型作側推評估分析。整 理後可得下列表 3、4。 表 3 男生宿舍補強前、後耐震能力統整 耐震評估方式與結果(g) 男生宿舍 (補強前) 擴柱─12 處擴柱 (60cm×70cm) 0.2814 擴柱─8 處擴柱 (70cm×80cm) 0.2788 翼牆─8 處翼牆 (110cm×24cm) 0.2863 翼牆─8 處翼牆(不同位置) 0.2854 0.1911 表 4 建築系館補強前、後耐震能力統整 耐震評估方式與結果(g) 建築系館 (補強前) 擴柱─12 處擴柱 (70cm×80cm) 0.2858 擴柱─8 處擴柱 (80cm×90cm) 0.2821 翼牆─10 處翼牆 (120cm×24cm) 0.2872 翼牆─8 處翼牆 (120cm×30cm) 0.2833 0.19975. 結論與建議
5.1 結論
(1)本研究考慮之兩棟校舍，依 NCREE 側推法所評估之平 均耐震能力約為強度韌性法的 1.9 倍，接近國家地震工程研 究中心針對 10 棟校舍依兩種耐震評估方法統計評估結果的 平均比值 2.4 倍(如圖 10 所示)。因此驗證了強度韌性法評估 較偏保守，一般耐震能力評估偏低的現象。理工學院優秀專題競賽論文
(2)由本研究發現考慮不同地梁模擬方式對結構耐震能力有 很大的影響，其中忽略地梁存在而直接在地面以固定支承 模擬的方式，平均耐震能力較高，但非常接近模擬地梁且 在其四周配置勁度極大的水平彈簧束制以及延伸基礎以固 定束制的評估結果；但若延伸基礎以鉸支承束制則平均耐 震能力降低約 15%。 (3)地梁水平束制的效果以四周配置水平彈簧束制較直接在 剛隔版勁度中心以鉸支承做水平束制為佳，耐震評估能力 亦較高，相差約 20%。 (4)含地梁之延伸基礎以鉸支承束制之耐震能力評估值較以 固定支承束制來的低，依地梁水平束制方式的不同，平均 耐震能力相差約 10%~15%。 圖 10 依兩種耐震評估方法統計評估結果[1]5.2 建議
(1)進行結構補強的作業時，補強數目太多將導致施工不 便，且其花費也會跟數目成正比，因此考慮到經濟性、施 工方便性以及安全性，建議補強的數目適中但安全性較高 的補強方式，達到耐震合格標準。 (2)進行補強時，建議補強的位置使用對稱及均佈的方式， 還要考慮建物分期興建及結構系統等因素，才不會造成結 構物之不對稱或結構系統不良而降低耐震能力。 (3)本研究尚未做補強細部設計及工程預算分析，因此建議 後續可往此方向繼續研究。6. 參考文獻
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NCREE Evaluation of Structural Seismic Capacity
and Ground Beam Simulation of School Buildings
ABSTRACT
Owing to the outcomes of seismic resistance analysis of the structures were considerably conservative when conducted with the frequently adopted traditional method “seismic resistance assessment by strength and toughness" for the reason that the non-linear deformation of the structure was not taken into consideration in the said method thus caused the analysis result subsequently differed from the actual reaction of the structure that was applied with seismic load. Therefore the National Center for Research on Earthquake Engineering had in June 2009 approved and released a set of method for seismic resistance assessment, the "NCREE push over analysis". This research will study two school buildings of National United University by the said new method and consider five ways of ground beam simulation by applying ETABS' nonlinear static push over analysis and compare to the findings resulted from traditional method “seismic resistance assessment by strength and toughness". Finally, two structural reinforcement engineering methods will be discussed.
Keywords: seismic resistance evaluation, NCREE, push over
