2016年10月11日 星期二

建築物耐震設計規範及解說探討

http://www.twce.org.tw/info/%E6%8A%80%E5%B8%AB%E5%A0%B1/193-3-1.htm
建築物耐震設計規範及解說探討(四)
焦祥槐　技師
5.容許層間相對側向位移角探討
規範第2.13.1節規定，在地震力V=(ZIFu/1.4αy)(C/Fu)W作用下，容許層間相對側向位移角不得超過0.005。在規範解說中述及「相對位移的控制在強震區係以0.06g為標準，與組構係數無關」，又述及「UBC規範較新的規定則較為嚴格，即高度超過20公尺者，層間相對側向位移角不得超過0.004，低於20公尺者，仍按不得超過0.005的規定。高度超過20公尺的建築物，如將檢核的地表加速度提高為0.075g，而維持層間相對側向位移角不得超過0.005，其實是相同的結果」。
由規範解說中可知，規範所依據的基本原理完全是基於等比例關係，然而在地震力作用下，結構體已進入非彈性變形，尤其RC結構早已是開裂斷面；再加上我國耐震規範所給的地震力是工作應力狀態下的地震力，於設計時必須作各種載重組合；因此其間並無等比例關係存在。同時不論是0.06g或0.075g之絕對地震力，用以檢核層間相對側向位移角是沒有理論依據的。因為設計地震力與建築物結構系統韌性容量R(舊規範為組構係數K)有關，茲舉一例以說明，十層樓，高度30公尺，具RC剪力牆構架系統之建物，R=3.2，Ra=2.1，依規範其週期為T=0.05h3/4，計算可得T=0.64秒，並假設該建築位於台北盆地，則C=2.5，Fu=(2Ra-1)1/2=1.79，C/Fu=1。將主導設計地震力，V=(ZI/1.4αy)(C/Fu)W，V=(0.23×1/1.4×1.5)(1)W=0.11W。而依規範，用以檢核層間相對側向位移角之地震力V=(ZIFu/4.5)(C/Fu)W=(0.23×1×1.79/4.5)(1)W=0.09W，對一棟建築物，設計時用0.11W之地震力設計，而檢核其側向變位時，卻用0.09W之地震力檢核其變位，規範中這樣的規定合理嗎？
UBC–97規範，則仍然維持20公尺以下建物之層間相對側向位移角為20公尺以上建物之1.25倍，且側向位移角與該建物結構系統韌性容量R有關。20公尺以上建物，如其R=4.0，則依UBC–97規範，其容許層間相對側向位移角為0.004；如其R=4.8，則其容許層間相對側位移角為0.0034。
6.建築物最大側向位移探討
規範第2.13.2節中規定，建築物應自留設設計地震力作用下產生位移乘以0.6×1.4αyRa倍之間矩。規範的規定是依據韌性設計時，彈性系統與彈塑性系統最大動力位移反應約略相等，也就是所謂的等位移法則而來。但是我國耐震規範，對短週期結構而言，採用的是等能量法則，尤其是台北盆地，大部分的建築物均是採用等能量法則設計的。等能量法則下，結構體的非彈性變形，通常均比彈性變形大〔11〕。耐震設計規範，於計算設計地震力時，採用等能量法則，計算其變位時卻又用等位移法則，這種前後不一致的規範是合理的嗎？
7.弱層建築探討
規範第2.14節中規定，須檢核極限層剪力強度者，包括高度超過36公尺之規則性建築物及須進行動力分析之建築物，同時第1.8節中也規定，若弱層之極限層剪力強度低於其上層強度之65%者，該建築物高度不得超過兩層或10公尺。換言之，36公尺以下之建築物，若弱層之極限層剪力強度為其上層強之65%～80%者，規範是允許其存在的。規範允許其存在的理由更是可笑到近乎草菅人命，在解說中述及「由於檢核各層極限層剪力強度，須要進行較多的計算，因此暫時以高度超過36公尺之規則性建築物及須進行動力分析之建築物為限」。只因為「須要進行較多的計算」，所以允許36公尺以下弱層建築的存在。主管機關應該對九二一地震中，因弱層而倒塌的建築物中死亡或受傷之人負完全的責任。
韌性設計的迷失
韌性設計是利用結構體的變形，主要是樑柱接頭處，樑端的變形，以吸收地震能量。因此設計時可使用較小的地震力設計，這是目前耐震規範所奉行的準則。但筆者認為目前規範中所謂的韌性，是指樑端或柱端承受彎矩，產生變形以吸收地震能量的能力；而對剪力及軸力，基本上是沒有韌性可言的。結構體承受地震力時，樑端要能產生變形以吸收地震能力的先決條件為柱必須能承受地震力而不被剪斷，且承受傾倒力矩產生的軸力而不被壓壞，否則結構體尚未進入韌性則已先行破壞。筆者認為，目前規範用較小的地震力來設計，對彎矩是正確的；對剪力及傾倒力矩是不夠的。筆者認為應該用彈性力V=ZICW來設計剪力及傾倒力矩所產生的壓力及張力；最多可考慮材料應力達其極限強度fu時，桿件變形可吸收部份地震能量，也就是用V=ZICW/(1.4αy)即V=ZICW/2.5之地震力來設計剪力及傾倒力矩所產生的壓力及張力。
實際上，此次九二一地震損壞的建築物中，甚少發現有建築物發揮其韌性，大部份的建築物樑端都沒有明顯變形，而結構已因柱被剪斷或壓碎而破壞。
結論
規範必須清楚、簡明、容易使用、正確及完備，如此才可設計出一個安全、經濟、可施工的建築物。而規範的制定也必須嚴謹。美國最新出版的IBC–2000規範〔12〕，歷時六年，經由各方面的人士，包括工業界、學界、政府官員、營造業界及實務設計工程人員熱烈參與，經過無數次馬拉松式的會議討論修正，最後經過2,300多位參與會議人士的同意，IBC–2000規範才正式誕生。大家最常用的ACI規範的制定，也是經由一群人(大約35～40人)，其中三分之一是從事實務設計的工程人員，三分之一是各種不同的業界代表，大約四分之一是研究人員及學者，剩下的是政府官員及營造業代表，他們定期召開會議，討論各種提案及意見，直到所有的人達到共識為止。Siess〔13〕曾提出論述，介紹法規是如何制定的。圖一即是從該文獻節錄出來，該圖清楚反應出了研究、實務及規範三者間之互動關係，而線條的粗細也代表者兩者間關係緊密的程度。
反觀國內，「建築物耐震設計規範」僅由少數幾位人士，其中大部的人都沒有實務經驗，來制定我國的規範。這種不重視實務，不尊重專業的作法，無怪乎國內各種災害橫行，「林肯大郡」、「瑞里地震」、「集集地震」、「土石流」帶給全國人民難以計算的生命及財產損失。
當地震來襲時，不論發生於何時、何地，「建築物耐震設計規範」及「政府各級建築主管機關」是保護人民生命財產安全的第一道防線，希望主管機關警惕之。(全文完)
圖一　研究、實務及規範互動關係
參考文獻
  1. 陳生金、鄭蘩，「設計地震力之探討」，結構工程第十卷，第四期。
  2.  劉樹賢，「耐震設計規範之探討」，技師報NO.75、NO.77～NO.81。
  3. 焦祥槐，「耐震設計規範之質疑」，技師報，NO.84、NO.106。
  4. 「建築物耐震設計規範及解說」，營建雜誌社，86年7月。
  5. 〝Uniform Building Code〞,International Conference of Building Officials,1997。
  6. 〝Building Code Requirements for Structural Concrete,ACI 318–99〞,American Concrete Institute,June,1999。
  7. 〝Seismic Provisions for Structural Steel Buildings〞,June,1992。
  8. 「鋼結構極限設計法規範及解說」，營建雜誌社。
  9. Davis,Susan E. 〝The Significance of the IBC to the Structural Engineer〞,Structural Engineer,February 2000。
  10. Moehle,J.P.,Mahin S.A.〝Observations on the Behavior of Reinforced Concrete Buildings During Earthquakes〞,Earthquake-Resistant Concrete Structures Inelastic Response and Design,SP–127,American Concrete Institute,1991.
  11. Priestley,M.J.N.,〝Myth and Fallacies in Earthquake Engineering–Conflicts between Design and Reality〞,Recent Developments in Lateral Force Transfer in Buildings,SP–157,American Concrete Institute, 1995.
  12. Southerland,Randy,〝The International Building Code〞,Structural Engineer, February 2000。
  13. 13.Siess,C.P.,〝Research,Building Codes,and Engineering Practice〞,Journal of the American Concrete Institute,May 1960,No.11,Vol.31。
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最後更新日期: 2005/05/07
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