Microsoft Word - SERCB技術通報005_ doc

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封廉
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1 編輯 : 校閱 : 倪超凡技師宋裕祺教授蔡益超教授前言 : 本期主要內容取自宋裕祺教授分別於 98 年 9 月 19 日於結構技師公會與 98 年 10 月 17 日於土木技師公會舉辦建築物實施耐震能力評估及補強講習會 (SERCB 原理與操作 ) 時, 所發表的建築結構側推分析成果之合理性探討研習講義內容, 其中所探討的主題皆為執行建築物耐震能力評估與補強工作之技師於使用 SERCB 程式分析建築物耐震能力得到其容量曲線後, 判斷分析結果是否合理的重要參考建議為方便錯過這兩次研討會的 SERCB 程式使用者參考, 本通報再以文字敘述形式彙整講義當中精華, 以饗讀者原始講義內容使用者可自本程式維護網站中下載後參考技術通報 : 通報 014: 側推分析所得容量曲線應掌握現行耐震設計規範精神加以判讀 : 現行耐震設計規範因受限早期程式功能不足與分析理論技術不夠完備, 故以韌性配合耐震細節來涵蓋結構進入非線性後之效應惟對結構物進入非線性階段後, 進而發揮韌性的考慮, 規範已明確反應在各種地震力的設計水準與折減係數上配合 SERCB 程式完整考量各構件非線性行為所得之塑鉸性質, 進而透過 ETABS 分析程式得到之容量曲線, 僅是將現行規範透過韌性涵蓋的非線性行為以較為精確地分析方法得到, 故該曲線之判讀仍應掌握規範精神, 方可得到一致的耐震與補強設計水準解說 : 1. 圖所示為現行建築物耐震設計規範在訂立各種地震力的設計水準時的各折減因數觀念圖示 ( 以回歸期 475 年設計地震力為例 ) 在不考量建築物可發揮韌性之彈性設計下, 回歸期 475 年的彈性設計地震力將高達 e =I*S ad *W, 此對使用週期 50 年之一般建築物而言並不經濟, 徒增建造與補強經費 2. 在多次大地震後經驗顯示, 結構物之抗震特性並不需要僅依靠其強度, 透過耐震細節的考慮, 韌性成為結構物抗震的另一項有效且經濟的策略針對不同的結構系統特性, 現行耐震設計規範以結構系統地震力折減係數 F u 反應韌性之效果以圖來看, 針對回歸期 475 年設計地震力而言, 在考量建築物可發揮容許韌性容量 R a 之下, 設計地震力可以自彈性地震力 e =I*S ad *W 折減為 u =I*S ad *W/F ud, 另規範再考量建築物第一個構材起始降伏至結構物全面降伏之超額強度因數 1.4 與結構物自設計用地震力至第一個構材起始降伏的倍數 α y 等兩因數, 就得到規範之設計地震力公式 : I * S * W ad D = (Eq014-1) 1.4* α y * FuD 另規範為確保建築物於罕遇地震下不倒塌, 另訂立一最大考量地震力設計水準為 : SERCB 技術通報 No.005-1

2 I * S * W am M = (Eq014-2) 1.4* α y * FuM 其中, 值得特別提醒的是, 於式 (Eq014-1) 與式 (Eq014-2) 中的分母 F ud 與 F um 雖同為考量建築物韌性之折減因數, 惟規範劃分針對回歸期 475 年之設計地震下建築物之韌性不用盡, 而回歸期 2500 年下之最大考量地震下才用盡建築物之韌性, 反應在圖中, 即建築物變形分別容許至容許變位 δ a 與極限變位 δ u, 故 F ud 與 F um 之計算公式雖類似, 但前者係以容許韌性容量 R a 計算, 而後者係以韌性容量 R 計算, 兩者隱含前述規範之不同理念 R*=δ u /δ y e =IS ad W R=δ u /δ y =R*/1.4 R a =δ a /δ y =1+(R-1)/1.5 或 R a =δ a /δ y =1+(R-1)/2.0 u =IS ad W/ F ud y =IS ad W /(1.4 F ud ) D =IS ad W/(1.4α y F ud ) 降伏點檢核點 1 檢核點 2 δ d δ y δ y δ e δ a δ u 圖規範地震力各折減因數觀念圖示 ( 以回歸期 475 年設計地震力為例 ) δ 3. 非線性靜力分析所得之建築物容量曲線係透過設定各主要組成構件之塑鉸方式得到建築物在受地震作用後由彈性進入非線性之後的行為, 即圖所示的藍色曲線而圖示中檢核點 1 與檢核點 2 就是通報 001 所提出根據現行耐震設計規範所建議之性能檢核點, 掌握此兩個性能點去確定補強後建築物之性能, 就可以掌握一致性的耐震設計觀念 4. 另由前述說明可知, 根據目前建築物實施耐震能力評估及補強方案之內容, 建築物補強後之耐震能力至少需達到規範規定之 475 年回歸期之設計地震地表加速度乘以用途係數 I 值, 由圖所示, 即檢核點 1 對應之值可以透過依據規範所計算的 I*S ad *W/F ud 來檢核補強設計結果是否合理當然, 依據通報 001 之建議, 檢核點 2 所對應之值也可以透過依據規範所計算的 I*S ad *W/F um 值來檢核以無因次化公式表示之檢核數值計算如下 : 檢核點 1 I * SaD 對等於 (Eq014-3) W F ud 檢核點 2 I * S 對等於 W F um am (Eq014-4) 亦即,I*S ad /F ud 與 I *S am /F um 兩數值可作為側推分析後最大水平基底剪力與重量比值 ( /W ) 是否合理的判斷參考 ( 註 : 此即目前審查表中須填列側推分析所得 /W 比值之用意 ) SERCB 技術通報 No.005-2

3 發行日期 : 中華民國 98 年 12 月 31 日通報 015: 補強元件所需數量估算方式, 補強位置應考量局部觀與整體觀 : 補強設計應針對建築物之耐震能力重新進行評估, 方可準確估算所需補強數量並掌握建築物之真正弱點, 顧及整體與局部之補強 SERCB 程式藉由圖像化之後處理輸出, 可方便設計者進行補強設計解說 : 1. 目前建築物補強設計之合約都會要求進行補強設計之技師, 應針對待補強建築物重新分析以確認其耐震能力, 此雖可能造成耐震詳評階段的評估品質有便宜行事的可能, 卻也是補強設計者為確保其自身補強設計品質之必要過程藉由重新分析, 方可得到建築物正確的塑鉸發展狀況與分佈, 也才可能將補強元件放在合適的位置, 對症下藥, 達到補強的目的 2. 補強目標基底剪力增量 Δ 概估計算法 : 通報 005 曾經提出側推分析各步驟之結構物第一振態有效振態質量比 α 1 是一直在變動者, 而事實上, 後之建築物 S a F u W 等基本參數也都可能受影響而變動, 惟為提供補強設計初始之設計計算, 以下將提供一個概略估算法供補強設計技師參考運用 : 回顧通報 005 之式 (Eq005-1a) 所列 i 與 S a,i 關係式如下 : 可以得到 : i Sa, i = (Eq005-1a) Wα 1 i,, 非彈性 Sa, i * α 1, * = W (Eq015-1a) PGAi *2.5, i,, 非彈性 = * α1, * W F (Eq015-1b) u, 其中, 保守估算水平加速度反應譜係數為 2.5 由式 (Eq014-1b) 可進一步得到 : i,, 彈性 i,, 非彈性 * Fu, = PGAi, *2.5* α1, * = W (Eq015-2) 此為之彈性與非彈性基底剪力關係式理論上, 補強後之前述關係式各項均可能變動如下 : i, 補強後, 彈性 i, 補強後, 非彈性 * Fu, 補強後 = PGAi, 補強後 *2.5* α1, 補強後 * = W (Eq015-3) 如先行忽略與補強後之 α 1 F u W 等參數之變化, 可以得到補強目標基底剪力增量 Δ 之概算值為 : Δ 補強後 ( PGAi, 補強後目標 PGAi, )* 2.5* 1, * W i, 預估補強後增量 = i, 補強後, 彈性 i,, 彈性 = α (Eq015-4) 根據此剪力增量 Δ 概算值, 即可搭配選用之補強元件可提供之強度估算所需之補強元件數量, 如下項所述 SERCB 技術通報 No.005-3

4 3. 補強元件數量概算法 : 以目前最廣泛使用之補強元件 : 剪力牆為例, 如某案例預計補強剪力牆位置之幾何尺寸如圖所示, 則單片牆可提供之標稱剪力強度 n 可計算為 : 混凝土部分 : c =α c * f c *b w *l w = 0.80* 280*20*300/1000 = 80.3 tf 其中,h w /l w = , 依規範可取 α c = 0.80 ( 如保守計可取為 0.53) 鋼筋部分 s = A v *l w *f y /s = (2*1.27)*2800*300/15/1000 = tf 故得 : n = c + s = = tf 若某分析案例依式 (Eq015-4) 計算所得預估補強後剪力增量 Δ 為 tf, 則可得到預計所需增加之剪力牆道數 N 為 : Δ N = = = 2.3 (Eq015-5) n 由此結果, 可先取 2 道剪力牆配置進行補強後耐震能力之確認材料 : 混凝土 f c =280 kgf/cm 2 鋼筋 f y =2800 kgf/cm m 配筋 :#4@15 雙層雙向尺寸 : 牆厚 b w = 0.20 m 牆高 h w = 3.45 m 牆長 l w = 3.00 m 0.2m 3.00m 圖補強元件數量估算例圖示 4. 補強位置應考量局部觀與整體觀 : 以圖所示某補強案為例, 圖示為重新分析的結果, 由建築物崩塌點的塑鉸分佈狀況可知, 結構弱點係在 1F 的窗台柱位, 故補強位置之選取應優先針對此些窗台柱進行補強圖依照重分析結果瞭解結構弱點以進行補強設計 SERCB 技術通報 No.005-4

5 惟補強設計除注意結構弱點的局部觀外, 尚須注意整體觀才能達到補強之目的圖為本研究團隊做的一個案例比較分析, 圖 015-3(a) 為針對前述的待補強建築物弱點, 僅對 1F 加入 2 道剪力牆補強, 分析後結果發現,1F 雖然達到了補強目的, 於崩塌性能點時僅產生輕微之柱塑鉸, 但 2F 卻仍發生窗台柱破壞而控制了整體建築物之耐震性能圖 015-3(b) 則特意增加剪力牆道數, 但仍僅補在 1F, 與圖 015-3(a) 比較可知, 補強元件雖然多了一倍, 但是耐震能力並未提升, 此即未注意整體觀而造成補強效益不彰之情形圖 015-3(c) 則與圖 015-3(b) 相同補了 4 道剪力牆, 但因其中 2 道補到 2F, 補強到了圖 015-3(a) 分析出的弱點, 故耐震能力可以提升至通過補強目標惟此時分析結果顯示弱層移至 3F, 此種破壞機制是否要接受則需評估技師考量其他各種因素後決定, 並與審查委員報告說明 PGA=0.32g (a) 僅於 1F 補 2 道剪力牆之結果 [NG] PGA=0.32g (b) 僅於 1F 補 4 道剪力牆之結果 [NG] PGA=0.39g (c) 於 1F~2F 補 4 道剪力牆之結果 [OK] 圖補強設計應考量局部觀與整體觀 SERCB 技術通報 No.005-5

Q&A 專欄 : Q005-1 :ETABS 之容量曲線結果轉換為 PGA 曲線發生跳動情形之處理部分使用者反應於 ETABS 分析完成後, 匯出 *.BFD 與 *.CSC 檔案後, 由 SERCB 轉換得到的 PGA 曲線會出現類似圖 Q005-1-1 的跳動情形, 與物理直觀不相符合, 該如何處理?

6 Q&A 專欄 : Q005-1 :ETABS 之容量曲線結果轉換為 PGA 曲線發生跳動情形之處理部分使用者反應於 ETABS 分析完成後, 匯出 *.BFD 與 *.CSC 檔案後, 由 SERCB 轉換得到的 PGA 曲線會出現類似圖 Q 的跳動情形, 與物理直觀不相符合, 該如何處理? A005-1 : 關於這項問題的處理, 使用者需如圖 Q 所示, 重新檢視 ETABS 輸出的 *.BFD 與 *.CSC 檔案中的分析步驟是否有完全相對應以圖 Q 的案例為例,*.BFD 檔案輸出有 8 個步驟, 但經 ETABS 轉換為 *.CSC 檔案時, 卻僅剩下 7 個步驟, 遺漏了第 3 個步驟, 此種 ETABS 程式內部之錯誤將導致 SERCB 資料處理上的錯誤, 故而發生如圖 Q 的異常現象, 此時使用者應如圖 Q (a) 所示將 *.CSC 檔案並未輸出的步驟資料刪除後, 再重新轉換, 即可修正此項異常情形圖 Q ETABS 輸出資料遺漏造成 SERCB 轉換之 PGA 曲線發生跳動情形 (a)*.bfd 檔案輸出 8 個步驟 (b)*.csc 檔案僅輸出 7 個步驟圖 Q 檢視 ETABS 輸出之 *.BFD 與 *.CSC 檔案是否有遺漏現象 SERCB 技術通報 No.005-6

7 發行日期 : 中華民國 98 年 12 月 31 日 Q005-2 : 斷面主軸與側推方向不正交之處理方式? 目前部分待補強校舍規劃並不規則, 可能側推方向與柱斷面主軸方向都不平行, 如果仍以側推方式考量, 該如何處理為宜? A005-2 : 理論上, 當建築物不規則性提高時, 其結構反應將難再以第一振態主控, 此時仍以側推分析方法去進行建築物之耐震能力評估將有方法是否適用的根本性疑難在目前針對大挑空等特殊校舍並未訂立排除適用的條款下, 勉強去做應如何考量, 以下為幾點建議 : (1) 柱塑鉸應同時設定 M3 與 M2 兩方向塑鉸 : 以圖 Q 所示之不規則校舍為例, 因結構呈扇形, 不論側推 X 向或 Y 向均對柱產生兩方向的彎矩分量, 故應同時設定方可考慮到某方向塑鉸先產生之效應 EQX EQY 圖 Q 建築物主軸方向不垂直時之近似塑鉸設定處理方式 (2) 增加其他側推方向以考量其他方向地震力作用之效應 : 如圖 Q 所示, 針對前述之不規則校舍, 可增加側推 Xa 向與 Ya 方向來考量對構架真正不利之地震力作用方向的影響, 此可以透過通報 002 期之 Q002-2 所介紹的轉動模型技巧方式加以完成 EQXa EQYa 圖 Q 建築物主軸方向不垂直時應增加側推方向分析 SERCB 技術通報 No.005-7

1g 地震力相同, 以減少工作量, 一般可以有以下三種方式 : (1) 直接計算好各層總側力, 再依各節點質量分配, 施加在各層各個質點上 ; (2) 直接計算好各層總側力, 再施加在各層 DIAPHRAGM 質心上 ; (3) 引用 ETABS 內建計算 UBC 規範之法規側力功能, 於設定 TYPE 為 QUAKE 的前提下, 選用 Auto Lateral Load 中的 User

8 Q005-3 : 定義側推分析 CASE 時, 側力形式該如何設定? 於 ETABS 定義 Static Nonlinear Case 時, 需指定 Load Pattern 給分析程式, 該側力形式之設定應如何選取為佳? A005-3 : 對於以第一個振態主控的結構物而言, 側力的形式將與規範所建議的倒三角形型式類似, 故使用者可以根據此精神透過 ETABS 的 Define Static Load Case 設定好一組此型式之地震力側力, 此組側力可以恰與施加之 0.1g 地震力相同, 以減少工作量, 一般可以有以下三種方式 : (1) 直接計算好各層總側力, 再依各節點質量分配, 施加在各層各個質點上 ; (2) 直接計算好各層總側力, 再施加在各層 DIAPHRAGM 質心上 ; (3) 引用 ETABS 內建計算 UBC 規範之法規側力功能, 於設定 TYPE 為 QUAKE 的前提下, 選用 Auto Lateral Load 中的 User Coefficient 功能, 設定其中 Base Shear Coefficient, C 為 0.1 即可, 如圖 Q 所示圖 Q EATBS 內建計算 UBC 法規側力功能之選項 Q005-4 : 模擬牆斜撐的相關問題? SERCB 程式設定的分析流程, 似乎梁柱塑鉸之計算與牆無關, 可否直接以空構架設定完塑鉸後, 再進行牆性質與塑鉸之設定? 另 RC 牆兩側之邊界柱是否需要移除? A005-4 : 梁柱塑鉸之計算與其所受力量相關, 該力量之分配與牆是否存在有著絕對的關係, 故 SERCB 程式在分析群組的設定上, 即要求需先完成牆的等值斜撐材料斷面塑鉸的計算後, 才針對含有等值斜撐與梁柱構件的整體分析模型匯出 *.mdb 檔案以供 SERCB 程式擷取相關分析力量, 故分析順序上不可直接從空構架開始, 否則將得到不正確的分析結果另 SERCB 程式在處理 RC 牆的方式是以等值斜撐去處理, 與另一種等值寬柱的模擬方式不同, 故邊界柱並不需要移除, 惟分析後應對邊界柱軸力加以檢核, 以確保新增軸力不引致邊界柱之破壞 Q005-5 : 模擬 RC 高型剪力牆時之軸力應如何決定? SERCB 技術通報 No.005-8

9 SERCB 程式針對高寬比 h/d > 0.8 的高牆於計算塑鉸性質時需輸入軸力資訊, 該軸力數值應如何決定為宜? A005-5 : 關於這項問題, 應分為與補強後兩個階段考慮 : (1) : 因此時 RC 牆與邊柱依慣例應為一體澆置, 牆體與柱等垂直力系統構件將會共同承擔結構體上方之載重, 分析者宜依照牆體分擔之樓地板面積, 估算其承擔之靜載重與活載重, 填入 SERCB 的 *.WALL 檔以分析得到適宜之塑鉸性質 (2) 補強後 : 因此時 RC 剪力牆為二次施工, 施工過程鮮少會對既有梁柱進行假支撐, 故可假設新設之 RC 牆體初始未承載靜載重與活載重, 可取軸力為零進行後續分析 ======================================================================= SERCB 技術通報自 98 年 11 月至今已發行 5 期, 為方便使用者查閱各期通報與 Q&A 專欄之主要內容, 以下編整索引表供使用者查閱使用技術通報 001~005 期通報索引表 : 期別通報編號通報主旨 001 通報 001 性能點設定原則通報 002 非線性塑鉸之形式調整 002 通報 003 後處理新增功能 (I): 圖像展現塑鉸各階段發展狀況通報 004 後處理新增功能 (II): 圖像展現各階段層間變位角資訊通報 005 容量曲線轉換為容量震譜應考慮各分析步驟 α1 與 PF1 之變動 003 通報 006 低矮層建築物採剪力牆補強之效果應詳加檢核通報 007 建築物 B1 層有高窗時應檢核高窗斷面剪力強度通報 008 基礎檢核之性能點力量選取通報 009 非線性塑鉸之形式調整 (II) 通報 010 後處理新增功能 [3]: 圖像展現原始與修正塑鉸之比較 004 通報 011 後處理新增功能 [4]: 新增降伏點選擇功能以計算容量震譜參數通報 012 後處理新增功能 [5]: 新增載重組合力量選擇功能通報 013 後處理新增功能 [6]: 新增 Y 向側推時之層間變位角展現功能 005 通報 014 側推分析所得容量曲線應掌握現行耐震設計規範精神加以判讀通報 015 補強元件所需數量估算方式, 補強位置應考量局部觀與整體觀技術通報 001~005 期 Q&A 索引表 : SERCB 技術通報 No.005-9

10 期別 QA 編號 Q&A 主旨 001 Q001-1 建議之性能點是否過於嚴格? Q002-1 阻尼比修正因數 κ 應如何選擇為宜? 002 Q002-2 請問 Y 向側推分析如何處理為宜? Q002-3 請問使用 SERCB 軟體時是否都要上網? 003 Q003-1 內政部營建署所認證之性能點檢核標準是否差異太大? Q003-2 請問建立結構初始模型中之現有磚牆 RC 牆之設定流程? 004 Q004-1 使用 SERCB 程式該如何準備送審資料? Q004-2 Y 向側推如不轉動模型之處理方式? Q005-1 ETABS 之容量曲線結果轉換為 PGA 曲線發生跳動情形之處理 Q005-2 斷面主軸與側推方向不正交之處理方式? 005 Q005-3 定義側推分析 CASE 時, 側力形式該如何設定? Q005-4 模擬牆斜撐的相關問題? Q005-5 模擬 RC 高型剪力牆時之軸力應如何決定? SERCB 技術通報 No

表

表 3.1 五螺箍 SRC 梁柱接頭試驗之試體規劃表 Small Cirle Size Large Cirle Spaig ( mm ) -tree Legth Weight ( N/m ) Redutio Fator Desig Guide JBC-SRC1 #3 #4 100 0.8d 270 0.74 Taiwa SRC Code JBC-SRC2 #3 #4 110 0.8d 244 0.68