行政院公共工程委員會專案研究計畫

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1 行政院公共工程委員會專案研究計畫 [ 研究報告 ] 公共工程性能設計準則之研究 計畫名稱 : 公共工程性能設計準則之研究計畫編號 :97- 技 -3 執行期間 : 民國 97 年 10 月 29 日至 98 年 6 月 27 日研究單位 : 財團法人國家實驗研究院國家地震工程研究中心計畫主持人 : 陳正興協同主持人 : 黃俊鴻 鄧崇任研究人員 : 柴駿甫 翁元滔 陳皆儒 王淳讙 王國隆 邱俊翔 宋裕祺 廖文義 卿建業 行政院公共工程委員會委託研究 ( 本報告不必然代表行政院公共工程委員會意見 ) 中華民國九十八年七月

2 公共工程性能設計準則之研究成果報告 招標機關名稱 : 行政院公共工程委員會計畫主持人 : 陳正興協同主持人 : 黃俊鴻 鄧崇任研究人員 : 柴駿甫 翁元滔 陳皆儒 王淳讙 王國隆 邱俊翔宋裕祺 廖文義卿建業 財團法人國家實驗研究院國家地震工程研究中心 National Center for Research on Earthquake Engineering 中華民國九十八年七月

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4 目錄 第一章計畫工作內容與預期成果 前言 工作內容與預期成果... 2 第二章各國性能設計規範及驗證機制之比較分析 各國性能設計規範及驗證機制發展概況 各國設計規範及驗證機制之架構 美國建築物耐震設計規範 美國 AASHTO 橋梁耐震設計規範 歐洲 Eurocode 日本道路協會規範 日本 Geocode 日本 code PLATFORM 亞洲混凝土規範架構 (Asian Concrete Model Code) 各國設計規範及驗證機制性能化之比較 第三章國內設計規範概況分析 國內設計規範發展概況 國內主要設計規範之架構 建築技術規則 建築物耐震設計規範 混凝土工程設計規範與解說 鋼構造建築物鋼構設計規範 建築物基礎構造設計規範 橋梁設計規範與耐震設計規範 ( 含公路與鐵路橋梁 ) 港灣構造物設計基準 共同管道技術規範草案 國內主要設計規範性能化之檢討 第四章公共工程性能設計準則之研擬 性能設計準則之基本架構與理念 公共工程性能設計準則之位階與目的 i

5 4.3 與國內各相關事業之相關法令連結之規劃 公共工程性能設計準則基本架構之規劃 本期計畫之執行內容 第五章性能設計規範草案摘述 PBD0 公共工程總括性能設計規範 PBD1 公共工程基本載重定義篇 基本載重定義篇之章節內容規劃與本期研究之範圍 : 訂定基本載重之考量因素 載重組合之原則 有關建築物靜載重與活載重之部份條文訂定原則 PBD2-1 一般建築物耐震設計規範 準耐震性能設計規範之基本要素 耐震性能目標與性能檢核規定之具體條文化 PBD2-1 章節內容概述 PBD3 大地工程性能設計規範 第六章結論與建議 結論 建議 參考文獻 附錄一期初報告審查意見處理情形表 附錄二期中報告審查意見處理情形表 附錄三期末報告審查意見處理情形表 附錄四第一次座談會審查意見處理情形表 附錄五第二次座談會審查意見處理情形表 分冊一 PBD0 公共工程總括性能設計規範 ( 草案 ) 分冊二 PBD1 公共工程基本載重定義篇 ( 草案 ) 分冊三 PBD2-1 一般建築物耐震設計規範 ( 草案 ) 分冊四 PBD3 大地工程性能設計規範 ( 草案 ) ii

6 表目錄 表 居住重要性因子 表 由工址譜加速度係數 S DS 或 S D1 與耐震用途群組決定建物之耐震設計類別. 12 表 容許樓層變位 a,b a 表 橋梁重要性與耐震性能類別 表 場址係數 表 地震力折減係數 表 分析方法之選擇 表 橋梁耐震設計類別 SDC 之選定 表 分析方法之選擇 表 Eurocode 之發展歷程 表 Eurocode 之章節架構 表 Eurocode 對結構物設計生命週期之定義 表 橋樑重要度分類 表 橋梁耐震性能等級 表 橋樑耐震性能要求 表 耐震性能 2 之限界狀態與主要查核項目 表 耐震性能查核之分析方法 表 Geocode21 之內容 表 2.3-1a 橋樑耐震性能要求 表 2.3-1b 橋樑耐震性能要求 表 橋梁耐震性能等級 表 限度狀態的種類 表 基於 S DS 訂定之耐震設計類別 表 基於 S D1 訂定之耐震設計類別 表 橋梁耐震設計類別 SDC 之選定 表 耐震性能查核之分析方法 表 耐震性能 2 之限界狀態與主要查核項目 表 容許層間變位 a,b a 表 建築物基於校正後 S DS 訂定之耐震設計類別 iii

7 表 建築物基於校正後 S D1 訂定之耐震設計類別 表 台灣現行建築物耐震設計規範中之 S 與 F a 範圍 D 表 台灣現行建築物耐震規範中之 S 1 與 F v 範圍 表 建築物基於 S DS 訂定之耐震設計類別 表 橋樑基於 S D1 訂定之耐震設計類別 (SDC) 表 不同地震危害層級下的定性耐震性能目標 表 EQ-II(10%/50) 作用下之容許樓層變位 a a,b 表 地工設計類別 D S iv

8 圖目錄 圖 各國設計規範之階層架構... 5 圖 美國新建築耐震設計規範修訂機制 ( 雙線機制 )... 6 圖 美國 FEMA 450 規範之主要章節架構 圖 依耐震用途群組與耐震設計類別之規定進行設計時之耐震性能目標 圖 AASHTO 公路橋梁耐震設計規範之設計流程 圖 設計反應譜 圖 歐盟會員國各自發行之 Eurocode 章節組成 圖 Eurocode 章節之相互關係 圖 日本道路橋示方書 V 耐震設計篇 (2002) 之性能設計階層 圖 日本道路橋耐震設計篇耐震性能驗證流程 圖 Geocode21 之階層架構 圖 設計規範體系 圖 性能設計規範架構 圖 性能要求 驗證及規範之階層概圖 (Honjo, 2003) 圖 日本道路橋示方書 V 耐震設計篇 (2002) 之性能設計階層 圖 各國設計規範之階層架構 圖 性能要求矩陣 圖 FEMA450 之耐震性能目標 (2003) 圖 一般工址設計基底剪力之計算流程如圖 圖 基礎構造設計規範架構 圖 性能要求 驗證及規範之階層概圖 (Honjo, 2003) 圖 推動公共工程性能設計準則之概念 圖 建議之公共工程性能設計準則基本架構 圖 建築物耐震性能設計規範之基本架構 圖 按照耐震設計類別設計時所預設之標稱耐震性能目標 圖 按照不同耐震用途群組進行設計時所預設之標稱耐震性能目標 圖 求取地工參數設計值之流程圖 v

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10 第一章計畫工作內容與預期成果 1.1 前言 過去十數年來, 性能設計理念已是國際工程界研訂技術規範炙手可熱的議題, 發展至今, 歐洲與日本皆已參採用其精神與內涵, 納為編訂新世紀技術規範之基本架構 亞洲土木工程聯盟 (ACECC) 現以日本土木工程學會 (JSCE) 為主導, 持續推動亞洲區域規範之整合 (Asian Code Harmonization), 並於 96 年 6 月台北舉辦之第四屆亞洲土木工程會議 (4CECAR) 上, 通過成立以 亞洲區域規範整合 為主題之技術委員會, 確認以性能設計及限度設計等設計準則, 為未來制訂設計規範之基礎, 並著手發展相關研究 目前在亞洲地區, 除了日本已經在相關領域有了具體之成就外, 韓國 新加坡 馬來西亞 香港及中國大陸等地區, 亦已陸續啟動相關研究機制, 同時於歐洲及美洲地區, 亦將此項議題, 納入共同發展之主要工作項目 此股國際規範研究發展趨勢, 更是國內公共工程未來發展不可忽視之重要課題 國內現有設計規範很多, 各事業主管機構以及各學會均訂有各自的規範, 諸如內政部營建署的建築技術規則 建築物耐震設計規範 鋼筋混凝土構造設計規範 鋼構造建築物鋼構設計規範 建築物基礎構造設計規範 交通部的公路橋梁設計規範 鐵路橋梁設計規範, 以及其他各事業主管機構的設計或施工規範等等, 各規範的設計準則與方法間在相當多的差異 ; 其中建築物構件之耐火時效及隔震消能元件等規定, 已將性能設計之理念納入設計規範中, 至於其他各規範均尚未採用性能設計得方法, 而國內對性能設計準則之相關研究, 尚在起步階段 未來性能設計準則之發展, 除了符合國情需求外, 更需考量如何與國際規範接軌 為了使國內公共工程發展能持續提升國際競爭力, 行政院公共工程委員會乃著手推動公共工程性能設計準則及驗證機制之研究, 將以性能設計理念為基礎, 並以國際發展趨勢為導向, 期能提供國內未來相關設計規範之研修方向, 朝向採用更多元且可靠之設計原則發展, 並藉助有效的驗證機制, 確保設計成果符合設計規範之性能需求 1

11 1.2 工作內容與預期成果 本計畫執行期限始自九十七年十月二十九日至九十八年六月二十六日止, 共八個月, 預計之工作內容與預期成果如下 : 一 蒐集國內外 ( 至少包含歐洲 美國與日本 ) 性能設計準則訂定及驗證機制等相關文獻與資訊 ( 包含其研訂狀況 運作及管理機制等 ), 並與國內公共工程各目的事業主管機關及所屬研究機構所制訂之設計規範 相關法令及工程實務等資訊, 比較分析各性能設計準則及驗證機制之優缺點, 本項工作需於 97 年 12 月底前完成 二 研提適用本國國情之公共工程性能設計準則 ( 含性能設計架構與範圍, 例如有關公共安全之訂定方式等 ) 及驗證機制, 並規劃推動方式, 且依據前述內容, 進行研析國內推動公共工程性能設計準則及驗證機制時, 對於各目的事業主管機關所頒訂之設計規範 相關法令規定及實際執行等事項之影響與衝擊等可行性研究與因應措施 三 邀集相關公共工程主管 ( 辦 ) 機關 專家學者 學會 技師公會等相關單位, 開會研商前述成果之妥適性至少 2 次, 並依據會議結論加以修正相關內容 四 配合工程會需求, 提供技術諮詢及配合參與會議, 並製作會議紀錄 ( 含文字電子檔 ) 2

12 第二章各國性能設計規範及驗證機制之比較分析 2.1 各國性能設計規範及驗證機制發展概況 土木工程新規範之發展, 過去二十年來已於全球各地不斷在進行, 以歐盟國家最先開始進行 歐盟委員會為了消除歐盟各國間營建工業之貿易壁壘並調和相關之技術規則 ( 規範 ),1975 年開始嘗試擬定一套能調和營建土木構造設計之技術規則 其初期目標乃在於提供歐盟各國技術規則的一套替代選擇, 終極目標則是希望能完全取代各國原有的技術規則, 以完成一套歐盟內一致的土木構造設計技術規則 80 年代中, 歐洲規範的擬訂計畫開始啟動 1989 由歐洲標準委員會 CEN (European Committee for Standardization) 接手以圖制訂能讓歐洲共同遵守之技術規範 於 年間,CEN 陸續發表 62 套先期標準 ENV (EuroNorm Vornorm 或 European Pre-standard), 然由於不容易統一計算方法, 這些 ENV 還需各會員國各自另訂國內應用文件 (National Application Document, NAD), 於 NAD 中分別定出所需之設計係數值 1998 起,ENV 試著轉型成正式的歐洲標準 EN (EuroNorm 或 European standard), 於 間,EN 的歐洲構造物設計規範 Structural Eurocode ( 簡稱 Eurocode) 陸續發表, 並計畫在 2010 年起 Eurocode 要正式取代各國習用之技術規則 為強化競爭力, 丹麥決定要搶先在 2008 年即提前正式採納 Eurocode 除了歐盟國家, 亞洲的新加坡 馬來西亞 與越南等受歐洲影響較深的國家也先後宣布未來設計規範也都會以 Eurocode 為基礎 在美國方面,AASHTO 制定的公路橋樑標準規範自從 1931 年頒行第一版以來, 平均每四年修訂一次 因此到 1996 年已發行到第 16 版, 設計觀念及方法也隨時間演進 從 1931 至 1970 年間, 此套標準規範採用的設計概念是工作應力設計 (Working Stress Design, WSD) 自 1970 年開始, 為了在設計考量上能更實質的反應載重之變異性, 引進 載重因素法 "(Load Factor Design, LFD) 的設計觀念 1970 年開始至現在事實上是 WSD 與 LFD 並存之規範 除此之外,AASHTO 於 80 年代組織了一個研究委員會, 對其標準規範之設計及理念進行整體檢討, 並參酌國際上相關規範的發展方向後, 於 1987 年確定另行發展一套全新的 以載重及阻抗設計法為基礎的新規範 (Load and Resistance Factor Design, LRFD) 此規範並已於 1994 年發行第一版 到了 2007 年, 此套 LRFD 的規範已經發行了第四版 此 3

13 外, 加拿大的相關國家規範亦於 80 年代初亦開啟規範設計理念及驗證方式修訂之工作, 如加拿大國家建築規範 (National Building Code of Canada, NBCC) 加拿大公路橋樑設計規範 (Canadian Highway Bridge Design Code, CHBDC) 等, 這些規範升級工作均是要使相關工程設施之設計之安全性與可靠度能更合理之掌握, 以符當代之工程趨勢 日本大地工程界觀察到了國際上設計規範的新發展, 認知極限設計及可靠度設計是設計規範的新趨勢 為能與歐美國家在設計觀念上有更好的契合, 咸認為新規範的制定是必需的, 因而在 1997 年成立了一個針對國際融合之基礎設計與地工調查之規範的研究委員會, 進行日本大地工程新規範之討論及研擬 到了 2002 年, 一套以極限設計法為基礎並加入性能設計 (performance design) 觀念的新規範 (JGS Foundation Design Guideline) 即 Geocode 21 已於 2004 年由日本地盤工學會正式發行, 後續仍持續進行以限度狀態設計為基礎之檢核規範之發展工作 綜觀目前國際上結構物設計規範之發展, 似可看出兩大潮流趨勢 : 其一為多樣化, 賦予設計上更多的自由度, 也因應 1995 年 WTO/TBT 協定, 對所有工業產品只採用以性能為準之規格要求, 而不限制其製程或製造方法 ; 另一則為區域性或國際性之標準化或融合, 如 Eurocode 及 ISO, 欲將區域或國際上之設計及驗證辦法予以標準化或一致化 雖然上述兩大潮流趨勢看似相互矛盾, 然而在建立一個全新的規範時, 卻又不得不將兩者同時納入考量, 而目前朝向性能規範發展, 正可同時滿足這兩大趨勢 ; 在法規上對於結構物之性能要求予以界定, 而設計方面則增加自由度, 由市場競爭機制提供合理經濟之解決方法, 以符合 WTO/TBT 協定之精神, 目前國際上朝向性能準則發展之各國及區域規範之發展情形如圖 所示, 值得注意的是日本國土與交通省及日本土木學會在注意到這樣的趨勢下亦認同 Geocode21 之發展, 並據以發展更全面之性能設計準則, 即所謂之 Code PLATFORM (Principles, guidelines and terminology for structural codes drafting founded on the performance based design concept) 此一 Code PLATFORM 亦成為目前亞洲土木工程聯盟 (Asian Civil Engineering Cordinating Council, ACECC) 所推動亞洲區域規範融合之主要架構依據 至於在驗證機制方面, 此部分規範的主要考量是使設計成果能符合性能設計準則之相關強制要求 以圖一之概念說明性能準則與驗證機制之關連時, 基本上 4

14 性能設計準則屬性上乃在於規範欲達成的設計強制要求, 而驗證機制乃在於進一步規範達於設計目標所可採用之設計檢核程序, 其內容至少應包括 :(a) 設計理念 (b) 設計方法 (c) 基本驗證考量及 (d) 可採用之驗證公式及相對之部分係數 ( 或載重阻抗係數 ) 等 Nordic New Zealand Australia UK Canada Japan 5 Level Goal Functional Requirements Operational Requirements Objectives Functional Requirements Performance Requirements Objectives Functional Requirements Perform- Deem mance to Require- Satisfy ments Objectives Performance Requirements Performance Criteria Goals Objectives Functional Functional Require- Requirementments Mandatory 強制 Requirements 要求 Verification Methods Acceptable Solutions Verification Methods Acceptable Methods Performance Technical Solutions Alternative Approaches Acceptable Solutions Verification Approach A & B 支援 Supporting Documents (Guidance) 文件 ( 方針 ) 圖 各國設計規範之階層架構 5

15 2.2 各國設計規範及驗證機制之架構 美國建築物耐震設計規範 1. 美國建築物耐震設計規範之發展與演進傳統地震工程有關新建結構之耐震設計或是既有建物之補強設計, 其主要理念均在於設計出在強震下不至於倒塌之建築物, 以達到保障人命安全之目的, 但並未考慮在各種設計地震水準下建築物之性能表現應該為何 然而, 地震工程之國際發展趨勢正朝向所謂 性能導向地震工程 之大方向邁進 (Hamburger & Moehle, 2000), 期能發展出一套使建築物具有可預期之性能表現的設計方法 以美國為例, 美國以其雄厚之國力以及充沛之研究人力, 將建物之耐震性能設計以一種有系統 有計劃之方式加以發展推廣, 其研發方式及策略足資我國借鏡 基本而言, 美國新建築耐震設計規範修訂機制係採雙線機制, 一方面進行研究提出規範建議版本, 另一方面則同步進行前一建議版本之評估與修訂頒佈為正式規範, 幾乎每三年更新一個版本, 但均有其脈絡可循且兼具規範之延續性 近年來之更新狀況如圖 所示 建議版本 (BSSC) NEHRP 1991 (FEMA 222) NEHRP 1994 (FEMA 223A) NEHRP 1997 (FEMA 302) NEHRP 2000 (FEMA 368) NEHRP 2003 (FEMA 450) 1994 北嶺地震 評估 (Blue Book) 頒布 (ICBO, ICC) SEAOC 93 SEAOC 96 SEAOC 99 UBC 94 UBC 97 IBC 2000 IBC 2003 IBC 2006 ( 與 NEHRP 1994 差異較大 ) 圖 美國新建築耐震設計規範修訂機制 ( 雙線機制 ) 6

16 美國有關建物耐震性能設計之研究發展與相關規範之修訂機制比較綜合多元, 目前有三個主要來源 :SAC 聯盟 聯邦緊急管理機構 (FEMA) 以及加州結構工程師協會 (SEAOC), 彼此互呈競合關係 (1). SAC 聯盟所謂 SAC 聯盟係由三個非營利機構所組成之研究團隊, 其中 S 代表加州結構工程師協會 (Structural Engineers Association of California, SEAOC),A 代表應用技術委員會 (Applied Technology Council, ATC), 而 C 則代表加州大學有關地震工程研究領域之學者專家 (California Universities for Research in Earthquake Engineering, CUREE) SAC 聯盟基於其分工模式, 聯合承攬州政府或聯邦委託事務, 並共同維護一批裝設有強震儀的建物 (SDMG, SMIP 計畫 ), 此些建物係於不同年代遵循不同規範所設計與建造, 並具有各種不同結構系統 ; 同時, 藉由這些強震儀所測錄之建物地震反應資料相當完整, 可往回追溯至 1971 年代 此些資料之寶貴, 在於可讓工程師們真正瞭解不同結構系統之實際建物在真實地震作用下的性能表現, 探討各種效應之影響, 並藉此改進與校正工程師在進行結構性能評估時所採行之分析程序 數學模型與參數 而此正為美國在性能導向地震工程研究方面優於其他國家之處, 因為諸如土壤結構互制 模型尺寸效應以及非結構牆之影響等效應是很難在實驗室中藉由試驗進行探究 ; 相對而言, 日本就相當依賴試驗來驗證其性能評估程序之恰當與否 有關利用此些 SAC 強震儀建物來檢討性能評估程序之文獻相當多, 例如 Kunnath et al (2004), Browing et al (2000) 以及 Gupta & Kannath (2000) 等皆是 除此之外,SAC 聯盟委託三家顧問公司針對洛杉磯 西雅圖與波士頓等三個城市, 依據當地之規範要求分別設計了 3 層 9 層與 20 層的建物模型 ; 並分別針對此三處工址訂定出代表 50 年 2% 與 10% 超越機率之 20 筆地表運動歷時 (Somerville et al, 1997) 藉由此些 SAC 建物與 SAC 強地動歷時, 可進行結構性能評估方法是否恰當之檢討評鑑之用 ( 如 Goel & Chopra, 2004) (2). 聯邦緊急管理機構 (FEMA) 美國另一個有關建物耐震性能設計之研究機制則由聯邦緊急管理機構 (Federal Emergency Management Agency, FEMA) 負責掌控, 出資委請相關研究機 7

17 構進行研究計畫及共識審查, 並將採認之研究成果賦予一聯邦編號 因 FEMA 同時為美國國家地震災害防制計畫 (National Earthquake Hazard Reduction Program, NEHRP) 簽署之四個執行機構之一, 故亦與國家建物科學研究所 (National Institute of Building Sciences, NIBS) 簽訂合作計畫, 出資委請 NIBS 下屬之建物耐震安全委員會 (Building Seismic Safety Council, BSSC) 負責掌控並持續進行各項與規範發展相關之研究與審查, 並將認可之研究成果彙編為 NEHRP 規範或指針條款 例如 NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures 之 1997 年版 (FEMA 302) 2000 年版 (FEMA 368) 以及 2003 年版 (FEMA 450), 即為於此架構下由 BSSC 完成有關新建物之設計條款系列 ; 而與建物性能補強最為相關之準則手冊則為 1997 年公佈之 FEMA 273: NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings (BSSC, 1997) FEMA 273 係由 BSSC 接受 FEMA 委託, 負責管理並掌控其下 60 多個組織會員進行有關建物性能補強之研究與審查, 其中 ATC 負責發展實質之技術內涵 (ATC-33 計畫 ), 而美國土木工程師學會 (American Society of Civil Engineers, ASCE) 則負責確認及總結最後研究成果並將之彙編為指針條文, 且於舉辦多場研究成果研討會後交付 BSSC, 制訂完成 FEMA 273 此外,ASCE 接受 FEMA 之委託, 於 2000 年公佈 FEMA 356: Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings (ASCE, 2000),FEMA 356 係將 FEMA 273 改寫為較具強制性的字眼, 並發展為准標準 (prestandard) 以作為進一步成為國家認證標準的基礎 在 FEMA 356 公佈之後,FEMA 又委請 ATC 進行所謂 ATC-55 計畫, 針對 FEMA 356 與 ATC-40 (1996) 中有關非線性靜力分析程序 ( 側推分析 ) 之缺失研擬改進對策, 並於 2004 年公佈了 FEMA 440: Improvement of Nonlinear Static Seismic Analysis Procedures (ATC, 2004) 然而,FEMA 440 僅為研究成果之敘述, 尚未落實為規範條文式之規定 另一方面,FEMA 也已於 2001 年起, 委請 ATC 成立一為期 12 年之長期研究計畫 (ATC-58 計畫 ), 著手規劃新一代能夠同時適用於新建物之設計與既有建物之補強的性能導向耐震設計指針, 並構思該整體計畫之最終產物為性能導向耐震設計之設計標準, 且能與 FEMA 273 與 FEMA 356 等現有之性能導向設計相關文件整合 ATC-58 計畫規劃為許多階段, 第一階段為發展計畫管理平台, 並召開研討會廣納 8

18 各界的意見並彙整為若干關鍵性的研究需求與目標 目前該計畫進展至第二階段, 正在檢討有關性能目標之定義與分界標準, 除了比較目前各種版本對性能目標定義之差異外, 更提出一套新的界定標準, 並將之與建物整體性能以及實際人員傷亡和經濟災損相結合, 其詳細說明可參閱 2003 年公佈之研究成果報告 ATC-58-2: Preliminary Evaluation of Methods for Defining Performance (ATC, 2003) 該計畫第三階段之主要工作內容為發展性能驗證法則, 而第四階段則為設計方法與工具之發展, 有關 ATC-58 計畫之背景與架構可參閱 Hamburger(2003) 以及 Bachman 等人 (2004) 之著作 (3). 美國加州結構工程師協會 (SEAOC) 美國加州結構工程師協會 (SEAOC) 除了與其他研究團隊合作, 參與前述各項計畫外, 在協會下亦成立一個性能導向地震工程之子委員會, 其企圖可謂相當宏偉 SEAOC 率先於 1995 年即發表了所謂 Vision 2000 (SEAOC, 1995), 並接著在國際規範委員會 (International Code Council, ICC) 即將發表 IBC 2000 (ICC, 2000) 之前, 由該性能導向地震工程之子委員會將更先進之性能設計暫行指針, 以附錄之形式發表在 SEAOC-99 藍皮書內 ( 即附錄 I 中之 Part A 及 Part B), 從此附錄中可看出其性能設計之概要 2. 美國 FEMA 450 規範之基本架構針對新建築之耐震設計而言, 美國現行的規範版本, 包括 ASCE/SEI 7-05 (ASCE, 2005) 或是 IBC 2006 (ICC, 2006), 均係以 FEMA 450 (BSSC, 2003) 為藍本 FEMA 450 規範遵從傳統之力法設計原則, 其整體架構如圖 所示, 章節之主體為建築結構之設計程序與分析程序 ( 第一章至第五章 ), 且其特色係將地表運動需求獨立為專章 ( 第三章 ) 進行規定, 適用於所有建築構造結構以及包含隔震與消能阻尼之新型結構系統 其餘的建築機械電機設備 ( 第六章 ) 非建築結構( 第十四章 ) 隔震結構( 第十三章 ) 阻尼消能結構( 第十五章 ) 都是屬於自我完整的設計章節 ; 此外, 基礎設計規定 ( 第七章 ) 與各種構造設計之章節規定 ( 第八至十二章 ), 則為與耐震設計相關之補充規定 9

19 建築機械電機設工址結構物 (Chap 1) 工址建築物耐震用途群組耐震性能目標耐震設計類別 工址非建築結構 (Chap 14) 地震地表運動 (Chap 3) 備(Chap 6) 品質保證 (Chap 2) 載重組合效應 (Chap 4) 結構系統變形耐震性能檢討系統詳細要求 分析程序 (Chap 5) 等效側力分析反應譜分析結構反應歷時分析 ( 線性 非線性 ) 非線性靜力分析土壤結構互制 (Chap 7) 基礎設計要求 各種構造結構鋼構造 (Chap 8) 混凝土構造 (Chap 9) 複合鋼及混凝土構造 新型結構系統隔震結構 (Chap 13) 阻尼消能結構 (Chap 15) (Chap 10) 磚瓦構造 (Chap 11) 木構造 (Chap 12) 圖 美國 FEMA 450 規範之主要章節架構 10

20 本節以下將針對 FEMA 450 規範中與性能檢核相關之規定作一簡短之介紹 : (1). 耐震用途群組 耐震設計類別及耐震性能目標 FEMA 450 規範之第一章中有針對耐震用途群組 耐震設計類別及耐震性能目標進行相關規定 依照建築物之重要性, 將其區分為第 I 耐震用途群組 ( 一般建築物 ) 第 II 耐震用途群組與第 Ⅲ 耐震用途群組 ( 重要性結構 ), 並依照表 指定一個居住重要性因子 I ( 類似台灣現行耐震設計規範中之用途係數 ) 針對所有結構, 不論其基本振動週期為何, 應藉由耐震用途群組以及短週期與一秒周期之設計譜加速度係數 SDS 或 SD1, 依照表 之規定, 定義該結構之耐震設計類別, 並藉以決定該結構之設計限制規定, 這些限制規定包括 : (a). 限制結構構架系統之選擇與高度限制範圍 ; (b). 限制結構分析中結構模型之模擬方式 分析程序之選擇以及雙向載重之作用方式 ; (c). 依設計類別而增加設計及細部要求之額外要求規定 ( 例如垂直地震力 橫隔版等 ) 簡而言之, 針對那些耐震用途群組等級愈高, 以及工址地震危害度愈大者 ( 相當於耐震設計類別級別愈高者 ), 其設計限制規定就愈嚴格 如此將可使得不同地區 不同構造 不同結構系統但屬相同地震群組的結構物, 其地震性能危害度風險約略為相同 此外,FEMA 450 規範亦在其解說中, 定性描述若按照不同耐震用途群組以及耐震設計類別之規定進行設計時所預設之耐震性能目標 ( 參見圖 ), 但僅在其中具有符號 之設計地震層級, 需要依條文規定實際驗證其設計建物之 變形 性能 表 居住重要性因子耐震用途群組居住重要性因子 I I 1.0 II 1.25 III

21 表 由工址譜加速度係數 S DS 或 S D1 與耐震用途群組決定建物之耐震設計類別 ( 取其較嚴格者訂定之 ) S DS 值之範圍 耐震用途群組 I II III S DS < A A A S DS < 0.33 B B C 0.33 S DS < 0.50 C C D 0.50 S DS D D D S D1 值之範圍 耐震用途群組 I II III S D1 < A A A S D1 < B B C S D1 < 0.20 C C D 0.20 S D1 < 0.75 D D D 0.75 S D1 E E F 地表運動等級 常遇地震 (50%/50 年 ) 設計地震 (MCE 之 2/3) 最大考量地震 MCE (2%/50 年 ) 建物性能水準 正常運作立即居住生命安全接近崩塌耐震用途群組 I 耐震用途群組 II 耐震用途群組 III 圖 依耐震用途群組與耐震設計類別之規定進行設計時之耐震性能目標 ( 目前置於解說之中, 其中具符號 者表示需實際驗證其設計建物之 變形 性能) 12

22 (2). 地震載重組合效應與變形耐震性能檢核 FEMA 450 規範之第四章中有針對地震載重組合效應與變形耐震性能檢核之相關規定 有關垂直載重部分, 美國 FEMA 450 規範已將其與水平地震效應結合, 同時考慮水平向與垂直向組合之地震載重效應, 並將垂直向之地震載重效應直接定義為靜載重乘以水平向設計地震地表加速度的一半 針對建築物之變形耐震性能檢核部份, 美國 FEMA 450 規範規定在設計地震作用下, 任一樓層的設計層間相對側向位移不得超過表 所訂定之容許層間變位 a, 並在考慮 P- 效應之狀態下計算檢核結構任一樓層之穩定性係數 任一樓層之設計層間相對側向位移應按所考慮樓層頂部與底部質量中心的變位差來計算, 而變位分析方法則包括藉由結構系統位移放大係數計算樓層變位之等效側力分析程序 ( 線性靜力分析程序 ) 與反應譜分析程序 ( 線性動力分析程序 ), 以及結合側推分析與係數法求得控制點目標位移之非線性靜力分析程序 ( 目前條列於附錄之中 ) 結構 表 容許樓層變位 a a,b 非使用磚造抗側力系統結構, 四層以下具內部隔間牆 樓版及外牆設計為控制層間變位之結構 d 懸臂式磚造剪力牆結構 地震用途群組 I II III 0.025h sx c 0.02 h sx h sx 0.01 h sx 0.01 h sx 0.01 h sx 其他磚造剪力牆結構 h sx h sx h sx 韌性磚造抗彎構架 h sx h sx 0.01 h sx 其他結構 0.02 h sx h sx 0.01 h sx a. h sx = 第 x 及 x-1 樓層之間的樓高 b. 對耐震設計類別為 D 者, 容許層間變位需滿足 3.5 節之要求 c. 對於一層且具內部隔間牆 樓版及外牆系統設計為控制層間變位之結構, 無層間變 位之限制 d. 結構系統主要為以基底 ( 或基礎 ) 之懸臂式磚造剪力牆為垂直元件, 且牆體間 ( 耦合梁 ) 之彎矩傳遞可忽略不計 13

23 (3). 土壤結構互制效應與基礎設計要求當結構分析模型係基於固定基底條件 ( 不含基礎彈簧 ) 而未直接考慮基礎之柔度時, 可依照美國 FEMA 450 規範之條文規定, 在考慮土壤結構互制之條件下, 修正結構之設計地震力與相對應之變形 採用此規定時, 將減少基底剪力 側向力與傾倒力矩之設計值 ; 但相對地將增加側向位移以及因 P- 效應引致之桿件內力 同時, 考量土壤結構互制而修正之層剪力 傾倒力矩 以及繞垂直軸旋轉之扭轉效應, 均應依照固定基底結構之規定, 但改採修正後之基底剪力進行分析 考量土壤結構互制時, 應修正固定基底條件下之側向變形量 ; 考量土壤結構互制而修正之層間變位與 P- 效應, 均應依照固定基底結構之規定, 但改採修正後之層剪力以及側向變形量進行分析 (4). 基礎設計要求有關基礎設計部分,FEMA 450 規範針對需進行耐震設計之基礎構造物條列其設計要求, 並規定除此設計要求外, 設計尚需符合基地調查 開挖或填土 邊坡穩定 排水 沉陷控制 土壤承載力及側向土壓等非耐震相關之基本規定 基礎之一般設計主要係針對基礎之設計承載容量進行規定, 包括基礎元件及與上部結構連結元件之強度與細節 基礎土壤之承載力或其與樁界面容量 以及基礎之力與變形特性 同時,FEMA 450 規範亦針對基礎繫桿 樁主筋與箍筋 地梁以及液化潛能與土壤強度喪失等項目, 提出耐震設計時應考量之特別要求 有關現地調查報告部分,FEMA 450 規範要求耐震設計類別 C 之建物, 需包括因地震造成之邊坡穩定 液化 差異沉陷及因斷層或地盤側向流動引起之地表位移等危害, 調查報告需包括適當基礎型式及其他量測建議以預防上述之危害 針對耐震設計類別 D E F 之建物, 除上述各項要求外, 還需包括地震引起之地下室或擋土牆的側向土壓力 14

24 3. 美國 FEMA 450 規範之優缺點綜觀美國 FEMA 450 規範, 其優點在於 : (1) 將地表運動需求獨立為專章進行規定, 適用於所有建築構造結構以及包含隔震與消能阻尼之新型結構系統 (2) 藉由建物之耐震用途群組以及工址設計譜加速度係數, 定義該建物之耐震設計類別, 並藉以決定該建物之設計限制規定 (3) 同時考慮水平向與垂直向組合之地震載重效應, 並將垂直向之地震載重效應直接定義為靜載重乘以水平向設計地震地表加速度的一半 (4) 針對所有結構系統, 定義其位移放大係數以供樓層變位計算之用 (5) 定義建物容許層間變位, 並要求在考慮 P- 效應之狀態下計算結構任一樓層之穩定性係數, 以檢核建築物之變形耐震性能 (6) 考慮土壤結構互制, 修正結構之設計地震力與相對應之變形 然而, 就性能設計的觀點而言, 美國 FEMA 450 規範有待改進之缺點包括 : (1) FEMA 450 規範雖在其解說中, 定性描述若按照不同耐震用途群組以及耐震設計類別之規定進行設計時所預設之耐震性能目標, 但僅在設計地震層級, 需要依條文規定實際驗證其設計建物之 變形 性能 (2) 建物容許層間變位係依照耐震用途群組而定義, 與定性描述之性能水準尚無一對一之具體關連性 15

25 2.2.2 美國 AASHTO 橋梁耐震設計規範 AASHTO 公路橋梁標準規範 (Standard Specifications for Highway Bridges) 1. 規範之演進 AASHTO 制定的公路橋梁標準規範自從 1931 年頒行第一版以來, 之後約每四年左右加以改版修訂 因此到 2002 年已發行到第 17 版, 設計觀念及方法也隨時間演進 從 1931 至 1970 年間, 此套標準規範採用的設計概念是容許應力設計 (Allowable Stress Design, ASD) 自 1970 年開始, 為了在設計考量上能更實質的反應載重之變異性, 引進 載重因子法 "(Load Factor Design, LFD) 的設計觀念 1970 年開始至現在事實上是 ASD 與 LFD 並存之規範 在 2007 年後美國聯邦公路總署通過往後新建橋梁須以 極限設計法 "(Load and Resistance Factor Design, LRFD) 設計之, 故往後僅針對第 17 版中有印刷錯誤之處進行修正, 且僅供在 2007 年以前所設計的既有橋梁之維修與補強參考用 2. AASHTO 耐震設計規範之簡介 (1) 適用範圍 : (a). 新建橋梁之耐震設計 (b). 跨度 150 公尺以下之鋼橋或混凝土橋 (c). 不適用於吊橋 斜張橋與拱橋之耐震設計 (2) 基本理念與方針 : (a). 小地震或中度地震下結構保持彈性無明顯損傷 (b). 採用實際合理之設計地表運動強度與地震力於設計程序中 (c). 大地震下橋梁不得有倒塌或部份倒塌情況, 損壞位置儘可能設計於易於檢視與修復之處 (3) 耐震設計原則 : (a. 橋梁之設計應使對生命安全之危害降至最小 (b). 減少重要橋梁之維修機率 (c). 設計採用之地表運動於橋梁正常使用壽命內應有較低之超越機率 16

26 (d). 設計規範適用於全國 (e). 不限制使用創新之設計 (4) 橋梁重要性與耐震性能類別 : AASHTO 公路橋梁標準規範 (17 版 ) 之橋梁耐震設計依加速度係數 (A) 與橋 梁重要性 (IC) 分為四個耐震性能類別 (Seismic Performance Category, SPC), 定 義為 SPC A, B, C 與 D, 規定各類別之分析與設計要求 ( 如表 ) 重要 橋梁之 IC I, 其他橋梁之 IC II 重要橋梁須於地震發生時與發生後維持 其應有之功能, 若場址之加速度係數 A 大於 0.29 時, 重要橋梁須符合額外之 需求 表 橋梁重要性與耐震性能類別 Seismic Performance Category (SPC) Acceleration Coefficient Importance Classification (IC) A I II A < A < A 0.29 A >0.29 A B C D A B C C (5) 設計地震力 : (a). 地震力之彈性反應係數 C S 1.2AS ( ) 2/3 T 其中 A 為對應於 50 年 10% 超越機率 ( 或 75 年 15% 超越機率,475 年回歸期之地震 ) 之地表加速度係數 ;S 為場址係數, 決定地盤放大效應 ( 如表 );T 為結構物振動週期 表 場址係數 Site Coefficient (S) Soil Profile Type I II III IV S

27 (b). 構件之地震力依下式計算 C S EQ W ( ) R 其中 R 為地震力折減係數, 反映非彈性地震力與彈性地震力之關係 ( 下部結構 R 值位於 2 到 5 間, 連結材的 R 值則為 0.8 到 1.0 間, 設計觀念為下部結構較連結材先損壞 );W 為結構物重量 表 地震力折減係數 Subsructure 1 R Connections 3 R Wall-type pier 2 2 Superstructure to abutment 0.8 Reinforced concrete pile bents Expansion joints within a span of a. Vertical piles only 3 the Superstructure 0.8 b. One or more batter pile 2 Single columns 3 Steel or composite steel and concrete pile only a. Vertical piles only b. One or more batter pile 5 3 Multiple column bent 5 Columns, piers or pile bents to cap beam or Superstructure Columns or piers to foundations4 1.0 (c). 分析方法之選擇 分析方法之選擇可依表 之規定而擇定之 表 分析方法之選擇 耐震性能類別 具 2 至 6 跨之規則性橋梁 具 2 跨以上之非規則性橋梁 (SPC) A 不需要 不需要 B,C 或 D 均佈載重分析或單振態反應譜分析 多振態反應譜分析 若有以下情形可進行線性歷時分析 : (i) 非規則性橋梁 ; (ii) 業主需求 18

28 (6) 主要架構與設計流程 AASHTO 公路橋梁耐震設計規範之主要架構與設計流程如圖 所示 圖 AASHTO 公路橋梁耐震設計規範之設計流程 19

29 3. AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges 規範之評述 (1) 本規範為美國公路橋梁之主要設計規範, 屬較大型之公共工程, 規範內容具有較多技術層面之規定, 值得參考 (2) 本規範主要耐震目標係以對付 475 年回歸期之地震 (50 年 10% 超越機率 ) 為主, 所有細部規定均以新設橋梁在此種地震作用下引致崩塌之機率須相當低為其圭臬, 故可謂係以單一性能目標為其耐震設計準則, 然而對於其所揭櫫的其他基本方針如小地震或中度地震下結構保持彈性無明顯損傷等性能目標之核驗, 則缺乏詳細的說明 (3) 本規範仍以傳統之力折減係數方式求算非彈性地震需求 (Nonlinear Seismic Demand), 已無法合乎目前世界地震工程發展之需要 (4) 本規範依加速度係數 (A) 與橋梁重要性 (IC) 分為四個耐震性能類別 (Seismic Performance Category, SPC), 定義為 SPC A, SPC B, SPC C 與 SPC D, 並規定各類別之分析與設計要求, 較之目前國內橋梁耐震設計規範僅依橋梁重要性區分設計地震力之差異, 顯然較為合理, 值得參考 (5) 分析方法係以等值靜力分析或線性動力分析為主, 對於大地震作用下之橋柱產生塑性鉸後橋梁結構之非線性行為實無法有效掌握 (6) 規範中並未規定近斷層效應, 對於鄰近斷層之橋梁恐造成不保守的設計成果 (7) 防止落橋長度之規定並未考量相鄰橋梁振動單元之振動差異特性予以適度增大, 恐造成不保守的設計成果 20

30 AASHTO Guide Specifications for LRFD Seismic Bridge Design 1. AASHTO LRFD 規範之演進 AASHTO 於 1980 年代組織了一個研究委員會, 對其標準規範之設計及理念進行整體檢討, 並參酌國際上相關規範的發展方向後, 於 1987 年確定另行發展一套全新的 以極限設計法為基礎的新規範 (Load and Resistance Factor Design, LRFD) 此規範並已於 1994 年發行第一版 到了 2007 年, 此套 LRFD 的規範已經發行了第四版 2. AASHTO LRFD 耐震設計規範簡介 (1) 適用範圍 : (a). 新建橋梁之耐震設計 (b). 跨度 150 公尺以下之鋼橋或混凝土橋 (c). 不適用於吊橋 斜張橋與拱橋之耐震設計 (2) 基本理念與方針 : (a). 在 75 年 7% 超越機率 (1000 年回歸期 ) 之地震作用下, 結構須維持在生命安全 (Life Safety) 之性能目標 (b). 其他更高等級之性能目標如可操作性能目標 (Operational) 之要求則由業主訂定之 (c). 生命安全之性能目標係指發生崩塌之機率很低, 但具有產生明顯或嚴重損壞之可能性, 此時可能需要進行橋柱之局部或完全更換 (3) 耐震設計原則 : (a). 耐震設計須依照下列三種整體耐震設計策略 : Type 1: 具韌性行為之下部結構與彈性行為之上部結構 此形式即為傳統的橋梁耐震設計原則 Type 2: 具彈性行為之下部結構與韌性行為之上部結構 此形式僅適用於鋼製之上部結構, 韌性係由橋墩間之橫向構材所提供 Type 3: 具彈性行為之上 下部結構, 但二者之間以隔震裝置或阻尼器來進行地震消能 21

31 (b). 構材之非線性行為須為韌性行為且發生於易於檢視與修復之處 (c). 構材之非線性行為之發生不得危及結構物支撐重力載重之能力 (4) 橋梁重要性與耐震性能類別 : AASHTO LRFD 規範 (2007) 將橋梁之耐震設計分為四個耐震設計類別 (Seismic Design Category,SDC), 其定義為 : SDC A: 適用於簡支單跨橋 (i) 無須進行位移容量 (Displacement Capacity) 檢核 (ii) 無須進行容量設計 (Capacity Design) (iii) 僅須符合防止落橋長度之最小需求 SDC B: (iv) 須進行隱式的位移容量 (Implicit Displacement Capacity) 檢核, 即使用正解公式 (Closed Form Solution Formula) 計算之 (v) 無須進行容量設計 (Capacity Design) (vi) 僅須符合 SDC-B 等級之設計需求 SDC C: (vii) 須進行隱式的位移容量 (Implicit Displacement Capacity) 檢核, 即使用正解公式 (Closed Form Solution Formula) 計算之 (viii) 須進行容量設計 (Capacity Design) (ix) 僅需符合 SDC-C 等級之設計需求 SDC D: (x) 須進行側推分析 (Pushover Analysis) (xi) 須進行容量設計 (Capacity Design) (xii) 僅需符合 SDC-D 等級之設計需求 (5) 設計地震力 : (a). 地震力之加速度反應譜 設計加速度反應譜如圖 所示 22

32 圖 設計反應譜 其中最大地表加速度 S pga A s 短週期譜加速度 S DS 與一秒週期 S D1 如下 : A F PGA ( ) SDS Fa SS ( ) S F S ( ) 其中 F D1 v 1 pga 場址係數,PGA 為地盤等級 B 之最大地表加速度, F a 與 F v 分別為 0.2 秒週期與 1 秒週期之場址係數 ; S S 與 S 1 分別為地盤等級 B 之 0.2 秒週期與 1 秒週期之譜加速度係數 (b). Type 2 橋梁構件之地震力依下式計算 S a EQ M ( ) R 其中 R 為地震力折減係數, 反映非彈性地震力與彈性地震力之關係, 對於 SPC B,SPC C 或 SPC D 非採韌性端構架之橋梁而言,R=3.0: 對於 SPC D 採用韌性端構架之橋梁而言,R 可取為 4.0 M 為結構物質量 (c). 橋梁耐震設計類別 (SDC) 之選定 橋梁耐震之設計類別 (SDC) 依表 之規定而定之 23

33 表 橋梁耐震設計類別 SDC 之選定 (d). 載重因子與強度折減係數所有永久載重之載重因子均取為 1; 除非有特別考量, 否則強度折減係數 取為 1 (e). 分析方法之選擇分析方法之選擇可依表 之規定而擇定之 表 分析方法之選擇 設計類別 (SDC) 具 2 至 6 跨之規則性橋梁 具 2 跨以上之非規則性橋梁 A 不需要 不需要 B,C 或 D 等值靜力分析或彈性動力分析 彈性動力分析 若有以下情形則須進行非線性歷時分析 (i) P 明顯且無法予以忽略 (ii) 基礎隔震系統所提供的阻尼頗大時 (iii) 業主需求 (6) 主要設計工作 a. 工作二 (Task 2) (i) 採用 75 年 15% 超越機率 (1000 年回歸期 ) 地震之設計反應譜進行設計 (ii) 確保防止落橋長度具有充分的餘裕度 (1.5 的安全係數 ) b. 工作三 (Task 3) 依據橋梁之四個耐震設計類別即 SDC A,SDC B,SDC C 與 SDC D 分別進行設計 24

34 c. 工作四 (Task 4) 針對 SDC C 與 SDC D 之設計建議 (i) (ii) (iii) (iv) 採用 AISC LRFD 設計規範對單肢構材或焊接構材進行設計 採用三種整體耐震設計策略 ( 即 Type 1,Type 2 與 Type 3) 進行設計 採用力折減係數 R=3 進行端部橫向構架 (End Cross Frame) 之設計 若欲採用力折減係數 R>3 時, 則須依據 NCHRP 就韌性端構 架 (End Diaphragm) 進行設計 d. 工作五 (Task 5) 針對土壤液化之設計需求 (i) 土壤液化設計需求適用於 SDC D (ii) 土壤液化設計需求與 75 年 15% 超越機率 (1000 年回歸期 ) 地震之正 規化標準貫入試驗值 N 1 60 相關 (iii) 若土壤液化發生, 橋梁仍須針對液化發生與無液化發生等二種狀態分別進行分析與設計 3 美國 AASHTO LRFD 耐震設計規範之評述 (1) 本規範配合 AISC LRFD 設計規範作為橋梁耐震設計之依據, 較之國內目前鋼橋設計尚多採用容許應力設計法 (ASD) 之設計方式, 顯然進步很多, 且美國聯邦公路總署通過 2007 年後新建橋梁須以 極限設計法 "(Load and Resistance Factor Design, LRFD) 設計之, 亦即容許應力設計法已被排除在外, 實值國內橋梁工程界參考 (2) 本規範主要耐震目標係以對付 1000 年回歸期之地震 (75 年 7% 超越機率 ) 為主, 其他更高等級之性能目標如可操作性能目標 (Operational) 之要求則由業主訂定之 所有細部規定均以新設橋梁在此種地震作用下引致崩塌之機率須相當低為其圭臬, 故可謂係以單一性能目標為其耐震設計準則, 然而對於其餘性能目標之核驗, 則缺乏詳細的說明 (3) 本規範對於 SDC A,SDC B 與 SDC C, 規定須以力折減係數方式求算非彈 25

35 性地震需求 (Nonlinear Seismic Demand), 並以位移放大係數乘以彈性位移得到非彈性位移, 對於 SDC D 則須進行側推分析 (Pushover Analysis) 之作法較 AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges (Seismic Design) 僅使用傳統之力折減係數方式求算非彈性地震需求合理 (4) 本規範將橋梁之耐震設計分為四個耐震設計類別 (Seismic Design Category, SDC), 並規定各類別之分析與設計要求, 較之目前國內橋梁耐震設計規範僅依橋梁重要性區分設計地震力之差異, 顯然較為合理, 值得參考 (5) 除 SDC D 須進行側推分析外, 其餘針對 SDC A,SDC B 與 SDC C 等之分析方法係以等值靜力分析或線性動力分析為主, 對於大地震作用下之橋柱產生塑性鉸後橋梁結構之非線性行為實無法有效掌握 (6) 規範中並未規定近斷層效應, 對於鄰近斷層之橋梁恐造成不保守的設計成果 (7) 防止落橋長度之規定並未考量相鄰橋梁振動單元之振動差異特性予以適度增大, 恐造成不保守的設計成果 26

36 2.2.3 歐洲 Eurocode 1. Eurocode 之發展與演進歐盟委員會為了消除歐盟各國間營建工業之貿易壁壘並調和相關之技術規則 ( 規範 ),1975 年開始嘗試擬定一套能調和營建土木構造設計之技術規則 其初期目標乃在於提供歐盟各國技術規則的一套替代選擇, 終極目標則是希望能完全取代各國原有的技術規則, 以完成一套歐盟內一致的土木構造設計技術規則 80 年代中, 歐洲規範的擬訂計畫開始啟動 (Frank, 2002) 1989 由歐洲標準委員會 CEN (European Committee for Standardization) 接手以圖制訂能讓歐洲共同遵守之技術規範 (Gulvanessian, 2001a) 於 年間,CEN 陸續發表 62 套先期標準 ENV (EuroNorm Vornorm 或 European Pre-standard), 然由於不容易統一計算方法, 這些 ENV 還需各會員國各自另訂國內應用文件 (National Application Document, NAD), 於 NAD 中分別定出所需之設計係數值 1998 起,ENV 試著轉型成正式的歐洲標準 EN (EuroNorm 或 European standard), 於 間,EN 的歐洲構造物設計規範 Structural Eurocode ( 簡稱 Eurocode) 陸續發表, 並計畫在 2010 年起 Eurocode 要正式取代各國習用之技術規則 在此情勢下, 歐洲各國的執業土木工程師當然也都要積極重新學習與摸索, 雖然未必情願, 卻非得設法跟上腳步 為強化競爭力, 丹麥已決定要搶先在 2008 年即提前正式採納 Eurocode 除了歐盟國家, 亞洲的新加坡 馬來西亞 與越南也先後宣布未來設計規範也都會以 Eurocode 為基礎 (Fullalove,2005) 表 為 Eurocode 發展歷程之簡述 表 Eurocode 之發展歷程 27

37 2. Eurocode 之主要架構 (1) 歐盟國家間的規範架構關係歐洲規範 Eurocode 在 2007 年已全部完成頒佈, 在有限的期間內, 它們可以和各會員國國家標準並行使用直至 2010 年中為止, 這是各會員國撤銷與 Eurocode 相衝突的國家標準的最後期限 Eurocode 的全面實施除了要維繫歐盟國家土木構造設計的一致性外, 也同時要衡量各會員國在施行上之彈性, 因此各國可以將適用該國之補充資訊以國家附件 (National Annex) 的方式, 併於相對應之歐洲規範本文後面一起發行, 以符合各國必須考量之特殊設計需求, 因此各國發行之 Eurocode 文件概如圖 所示意, 其中歐洲規範本文部分均為 CEN 所發表, 而封面 前言及其後之國家附件將因各國而異 至於國家附件內容可包含 : 國家決定參數 (Nationally Determined Parameter, NDP) 採用的資訊 CEN 發表之應用性資訊附件採用的決定以及對非矛盾性補充資訊的引用 國家決定參數之使用可突顯歐洲規範 承認每個會員國管理機構的責任, 並保證其有權確定該國與安全事項有關的數值, 這些數值在各國均不同 各會員國家可根據歐洲規範提供的推薦數值來進行選擇, 或使用國家決定參數代替 國家決定參數可考慮到不同的地理 氣候狀況 ( 如風 雪 ) 或生活方式, 以及不同國家 區域或地方對事物保護程度不同的考量 圖 歐盟會員國各自發行之 Eurocode 章節組成 28

38 (2) Eurocode 構造物設計規範之架構 Eurocode 系統共含十套子規範 (EN), 如表 所示 其中 EN1990 Eurocode 為所有土木構造技術規範之基礎 ;EN1991 Eurocode 1 則規範作用在構造物之作用力 ( 廣義之作用力可能包含荷載 自重 積雪重 風壓 膨脹壓力 水壓 不均勻沈陷或位移衍生的結構受力 等 )(Gulvanessian, 2001b);EN1992 Eurocode 2 至 EN1996 Eurocode 6 分別為針對不同結構材料 ( 混凝土結構 鋼結構 SRC 結構 木結構 磚結構 ) 之技術規範 ;EN1997 Eurocode 7 為大地工程設計之技術規範 ; EN1998 Eurocode 8 為構造物承受地震阻抗之技術規範 ; 最後 EN1999 Eurocode 9 為鋁結構之技術規範 由目前歐盟規範的整體架構可清楚分辨, 除 Eurocode 1 為通用之技術規則,Eurocode 2-6 及 9 為構造物材料取向,Eurocode 8 針對耐震設計, 其相互間之關係如圖 所示 表 Eurocode 之章節架構 圖 Eurocode 章節之相互關係 29

39 3. Eurocode 之基本理念包含在 Eurocode 架構中之 EN 1990~1999, 為依照 EN 1990 所對於結構體之安全性及服務性為基準, 而後與 EN 1991~1999 作為連結 EN 1990 中對於結構設計之設計需求及嚴正方式予以定義, 並使用界限狀態 (Limit states) 及部分係數 (Partial Factors) 作為計算依據 基於使用於不同角色 ( 例如業主 設計工程師, 施工者 驗證單位等 ) 以及不同之結構體 ( 例如大地工程 結構工程等 ) 之需求及共通性, 而有下列不同之基本假設 : a. 必須有相當經驗之設計工程師選擇適當之結構體並予以計算 b. 必須有相當經驗之施工者予以施做工程 c. 施工時必須有品管檢測人員予以監督施工過程 d. 施工之材料必須依照 EN1990~EN1999 內之相關規定 e. 結構體之使用需依照設計時所考量而適當使用 f. 結構體完成後需予以適度之維護 為了達成上述之基本需求,Eurocode 中提供 Management of Structural reliability for Construction Works 其中對於設計工程師及施工單位提供適當之界定 除此之外, 並對於施工之品質管控提出定義 基於上述之基本假設,Eurocode 之內容為達成下述之基本需求 : a. 安全及服務性能需要 : 結構在它的使用生命週期中, 對於將承受可能發生之影響, 具有適當程度可靠性及經濟姓 b. 完整性要求 : 結構不會因下例之事項而產生嚴重之損害, 包含天然災害 爆炸 人的錯誤等之因素 c. 防火要求 : 結構抵抗對於防火之需求, 包含發生火災時, 不或危害結構本身 人命 社會 鄰居物產 環境 或者其他直接地暴露的物產 4. Eurocode 之結構物設計生命週期 結構物設計生命週期之定義為 : 結構物被需求以及被期望的使用期限, 並且亦為其需求維護之時間 表 為 Eurocode 對結構物設計生命週期之定義 30

40 表 Eurocode 對結構物設計生命週期之定義 結構物設計生命週期之考量需包含下列之因素 : a. 需考量外力之週期性所可能造成之損害, 例如風力 地震力等 b. 需考量材料之耗損特性, 例如潛變 弱化等 c. 需考量結構體之生命週期成本, 例如正成維護及損害後所需回復其應有性能之費用 d. 結構體性能維護策略 5. Eurocode 之限度狀態 (Limit states) 設計 Eurocode 設計明確要求一定要驗證所有設計條件下不能超越任何一種相關之限度狀態 由滿足設計的觀點而言, 前面所提到的限度狀態又可區分為極限限度狀態 (Ultimate Limit State) 與服務功能限度狀態 (Serviceability Limit State) 兩大類 所謂極限限度狀態 (Ultimate Limit State) 所指的是土木構造設計不能容許各種型態的破壞或失去平衡 諸如結構物或地盤失去整體平衡 (EQU) 結構體或元件內部破壞或變形過大 (STR) 地盤受載超過阻抗因而破壞或變形過大(GEO) 因上浮 ( 揚 ) 力使結構物或地盤失去平衡 (UPL) 因水力坡降過大所造成之隆起 內部侵蝕或管湧等水力破壞 (HYD) 或因材料強度發生變化而造成結構體不穩定(FAT) 至於服務功能限度狀態所指的是當承受作用力之構造物其行為超過某個限度狀態時, 設計功能會受到影響 典型的例子為構造物雖然並無破壞之虞, 但卻因為位移或變形過大因而影響構造物原設計功能或降低構造物之服務功能性 (Serviceability) 對於服務功能限度狀態的檢討, 作用力所引致之效應 ( 譬如一個構造物在所受設計作用力條件下依學理 數值分析 或經驗公式等方法推算, 預期將產生如何之位移 ) 就往往代替阻抗的角色 因此設計檢討過程, 服務功能限度狀態包含 : 使用所造成之變形對於結構體外觀及其服務性所造成之影響 ; 不適當之震 31

41 動性對於使用者以及結構體本身造成之威脅 ; 外力所可能造成之變形可能影響結構 之外觀 耐久性 性能等之改變化 因此, 對於上述之狀態需考量 : 對結構體造 成影想之因素 這些因素可能發生之週期性以及這些因素之來源 6. 規範架構優缺點討論其優點為 : (1) 將使歐盟國家在土木構造物之設計理念趨於一致, 而相關參數之採用亦能考量各國之差異性 (2) 主要採用限界狀態設計為規範架構, 相同理念貫穿各類結構性設計 ( 混凝土結構 鋼構 地工構造物 等 ) (3) 耐震設計考慮性能要求, 以不同等級地震力進行檢核 (4) 考量結構體之生命週期成本及結構體性能維護策略 其缺點為 : (1) 並未具性能設計規範之架構, 亦無定量的性能要求規定 (2) 雖各項構造物之設計理念及方法一致, 但計算檢核之主要方式的部分係數法之決定, 仍多有經驗之值, 合理以可靠度為基礎之數值仍需更多驗證及率定 32

42 2.2.4 日本道路協會規範 1. 日本道路橋耐震設計規範之演進 日本道路橋耐震設計規範係隨日本重大地震災害而逐漸改版演進, 其發展過程可摘要概述如次 : (1) 年 ( 大正 13 年 ) 版 1923 年關東大地震後隔年 ( 大正 13 年 ), 由內務省土木局公告 橋台 橋腳等耐震化的方法, 規定橋樑設計需考慮相當之水平地震力 關東地震後, 橋樑耐震設計係以靜態橫力考慮地震力作用, 以容許應力法為主之震度法進行設計, 設計水平震度約為 (2) 年 ( 昭和 46 年 ) 版 1964 年 ( 昭和 39 年 ) 新潟大地震, 地盤嚴重液化, 橋樑下部結構因地盤流動產生過大的變位, 引致昭和大橋上部結構落橋 依據震災經驗,1971 年 ( 昭和 46 年 ) 改訂道路橋耐震設計指針, 導入土壤液化判定方法, 不考慮液化土層支承力, 強化基礎構造的設計法, 增加梁端支承長度以及落橋防止裝置之考量等 所增加之內容, 均為當初世界首見 (3) 年 ( 平成 2 年 ) 版 1978 年 ( 昭和 53 年 ) 宮城縣地震中, 橋樑因基礎耐震性能提升, 使得橋腳的底部 橋腳主筋搭接處與橋樑支承成為其他的耐震弱點, 因此 1980 年 ( 昭和 55 年 ) 增加考慮 RC 橋腳非線性反應分析以驗證 RC 橋腳變形性能之規定, 作為附屬資料 1990 年 ( 平成 2 年 ) 道路橋示方書改訂, 首次導入地震時保有耐力法以驗證 RC 橋腳變形性能之規定, 納入改善剪力配筋與軸向主筋搭接之細節, 防止橋腳發生剪力破壞 ; 並以關東地震為假想對象, 最大設計震度設定為 1.0, 採用等效能量原理, 檢核 RC 橋腳之極限強度 也首次納入動態歷時分析, 建議分析用的標準波形, 是一大幅修訂的版本 (4) 年 ( 平成 8 年 ) 版 1995 年兵庫縣南部地震引起重大災害, 隨即於 1996 年 ( 平成 8 年 ) 進行改訂, 將 1990 年引入之地震時保有耐力法之驗證範圍擴大, 適用於受地震影響 33

43 之各種構材, 包括基礎 支承與橋台等 ; 同時引入規模七之內陸直下型地震為第二級的設計地震 ; 並在世界上首次導入需檢核地震後橋腳之殘餘變位 ; 以非線性動力分析計算橋腳之殘餘變位, 同時建議第一級與第二級地震之設計加速度反應譜 ; 也推出隔震橋與側向地盤流動之設計條文 (5) 年 ( 平成 14 年 ) 版 2002 年 ( 平成 14 年 ) 針對國際化趨勢與及各種各樣新構造 新工法的推出, 將該示方書改訂成較有彈性之性能規定性基準, 從橋樑系統與各部分構材的觀點, 清楚列出所要求之性能, 採用原有之耐震分析法對各種性能進行驗證, 以確保達成橋樑系統所需之耐震性能 2. 日本道路橋示方書 V 耐震設計篇 (2002) 之架構 2002 年版之日本道路橋示方書 V 耐震設計篇採用性能規定基準, 以下介紹其精神與架構, 以供本研究參考 依據一般性能規範之階層化構造, 其所涵蓋之架構內容如圖 所示 目的 機能的要求 ( 理念 基本要求 ) 性能表現之要求水準 基準目的 耐震設計基本方針 重要度, 荷重設計地震動, 限界狀態耐震性能之檢核原則 須遵守事項 檢核方法 適合之細節 耐震性能之檢核方法靜的檢核, 動的檢核 各構材限界狀態之評估式 RC 橋腳, 鋼製橋腳之支承 基礎 上部構造等 落橋防止系統 可變更選擇檢核方法 圖 日本道路橋示方書 V 耐震設計篇 (2002) 之性能設計階層 (1) 耐震設計之基本理念與方針本基準之基本設計理念有兩點, 說明如下 : A. 橋樑在地震後擔負著避難道路 救援 醫療 消防與及受災地區緊急物資之運送等重要任務 因此橋樑耐震設計要確保地震時橋樑的安全性, 34

44 減少地震後運輸功能的損害, 針對橋樑的重要性與設計地震動的等級, 確保必要的耐震性能 B. 耐震設計需考慮橋樑所在位置之地形 地質 地盤條件與周遭環境, 選定耐震性高的結構形式, 必須保有橋樑系統與各種構件必要的耐震性 (2) 耐震設計原則橋樑的耐震設計原則是針對所考慮之設計地震動 橋樑的重要度 耐震性能等級等設定橋樑系統與各構件之耐震性能要求, 並以各種方法驗證所設計的橋樑能保有必要的耐震性能 因此具體規定設計地震動 橋樑重要度 耐震性能等級 耐震性能要求 ( 耐震性能矩陣 ) 以及對應不同耐震性等級之限界狀態如下 : A. 設計地震動所規定之設計地震動分兩級, 第一級 (Level 1) 地震動為橋樑設計使用期間發生機率大的地震動 ; 第二級 (Level 2) 地震動為橋樑使用期間發生機率極低的強烈地震動 第二級 (Level 2) 地震動又區分成兩型地震動, 第一型 (Type 1) 為板塊邊界所產生之大地震, 其波形特徵為震幅大而延時長, 類似大正 12 年所發生之關東大地震 ; 第二型 (Type 2) 為內陸直下型大地震, 其波形特徵為震幅特大而延時短, 類似平成 7 年所發生之兵庫縣南部大地震 依據橋樑所在位置, 分為三個震區與三種地盤條件, 規定不同設計震度 設計反應譜以及地震波形, 以供分析之用 B. 橋樑重要度依據橋樑在震後所分擔的社會功能 防災計畫之位置以及喪失運輸功能之影響程度, 將橋樑重要度分為兩類, 即 A 類橋與 B 類橋, 如表 所示 B 類橋為重要度較高之橋樑,A 類橋為 B 類橋以外的橋樑 表 橋樑重要度分類 橋梁重要性之分類 A 類橋 B 類橋 涵蓋之橋梁下列以外之橋梁 高速汽車國道 城市高速公路 指定城市高速公路 本州四國聯絡公路及一般國道之橋梁 都 道 府 縣道及市町村道中複式斷面 (composite section) 跨線橋 跨道橋, 以及從區域防災計畫上的重要性或從該公路的利用狀況等而言, 屬於特別重要的橋梁 35

45 C. 橋梁耐震性能等級依據橋梁耐震設計上之安全性 修復性與使用性, 規定了三種耐震性能等級, 如表 所示 表 橋梁耐震性能等級 橋梁的耐震性能耐震性能 1: 橋梁不因地震而損及其健全性耐震性能 2: 地震引起有限的損傷, 橋梁的功能可迅速恢復耐震性能 3: 地震不會對橋梁產生致命性的損壞 耐震設計上的安全性確保落橋的安全性確保落橋的安全性確保落橋的安全性 耐震設計上的耐震設計上的修復性使用性短期的修復性長期的修復性確保橋梁的功可進行輕微的能與地震前相無須作修復修復同地震後可迅速能夠比較容易恢復橋梁的功能夠緊急修復進行永久復舊能 D. 耐震性能要求 本基準具體規定不同重要度之橋樑在不同設計地震動作用下所需保有之耐震性能等級, 也就是所謂的耐震性能矩陣, 如表 所示 表 橋樑耐震性能要求 設計地震 A 類橋 B 類橋橋梁不因地震而損及其健全性 1 級地震動 ( 耐震性能 1) 類型 Ⅰ 的地震動地震不至對橋梁地震引起有限的 ( 板塊邊界型之大規模地震 ) 產生致命性之損損傷 ; 橋梁的功能 2 級地震動類型 Ⅱ 的地震動壞可迅速恢復 ( 如兵庫縣南部地震之內陸直 ( 耐震性能 3) ( 耐震性能 2) 下型地震 ) E. 耐震性能等級與限界狀態為了能定量地驗證橋樑系統與各構件能滿足耐震性能要求, 本基準具體規定對應不同耐震性能等級之工學物理量 ( 力 位移 應力或應變等 ) 的限界狀態及主要查核項目 以滿足對應耐震性能 2 為例, 橋樑各構件所對 36

46 應之限界狀態及主要查核項目如表 所示 表 耐震性能 2 之限界狀態與主要查核項目 ( 一般梁式橋, 設定橋墩主要塑性化之場合 ) 滿足耐震性能 2 各構件之限界狀態組合 上部構造 支承 橋墩 基礎 基礎版 間隙 橡膠支承鋼製支承 不發生損傷之限界狀態 力學特性不超過彈性範圍之限界狀態 可以容易修復之限界狀態 止於次要塑性化之限界狀態 力學特性不超過彈性範圍之限界狀態 耐震設計主要性能 修復性 修復性 修復性使用性修復性使用性修復性使用性 間接滿足之性能 使用性 使用性安全性 安全性 安全性 安全性 主要查核項目 上部構造端部間隙設計值 < 上部構造端部間隙 剪應變 < 容許剪應變斷面力 < 耐力 水平地震力 < 水平耐力 慣性力 < 地震時保有水平耐力殘留變位 < 容許殘留變位 設計水平地震力 < 基礎降伏耐力作用剪力 < 剪力強度 作用彎矩 < 降伏彎矩作用剪力 < 剪力強度 (3) 耐震性能驗證流程與分析方法 將上述耐震性能要求 (performance requirement) 具體量化後, 就可以各種分析方法檢核橋樑各構件之耐震性能是否滿足要求 因此本基準規定之耐震性能驗證流程如圖 所示 流程圖中各階段驗證步驟都列有所需參考之道路橋示方書章節與分析方法 本基準亦針對橋樑動力行為複雜與否, 建議耐震性能驗證所應採用之分析法與適用之橋樑形式, 如表 所示 37

47 圖 日本道路橋耐震設計篇耐震性能驗證流程 38

48 表 耐震性能查核之分析方法 橋梁的動態特性查核之耐震性能 地震行為不複雜的橋梁 好幾個位置發生塑性化或非線性的橋梁以及等效能量消散準則適用性有待檢討的橋梁 適用於動態分析法的橋 高次振動模態有影響之橋梁 塑性鉸發生位置不明確的橋梁, 振動行為複雜的橋梁 耐震性能 1 靜態分析法靜態分析法動態分析法動態分析法 耐震性能 2 耐震性能 3 適用的橋梁例 靜態分析法動態分析法動態分析法動態分析法 右列以外的橋梁 使用橡膠支承分散地震水平力的橋 隔震橋 剛架橋 鋼橋墩考慮塑性化的橋 固有週期較長的橋梁 橋墩高度較高的橋梁 斜張橋 吊橋等纜索橋 上承式與中承式拱橋 曲線橋 (4) 耐震技術細節與圖說為確保 RC 與鋼構橋腳能保有所需之韌性, 本基準提供有關橋腳主筋 箍筋 與繫筋之配筋細節, 包括搭接方式 搭接長度與主筋段落位置等 為防止落橋, 也提供梁端支承長度與防止落橋裝置之圖說細節 39

49 3. 規範架構優缺點討論摘要來說, 本基準為一耐震性能規定型技術規範, 其架構為二級設計地震 三種震區 三類地盤 二種橋樑重要度 三級耐震耐震性能與限界狀態 以震度法設計 以地震時保有耐力法檢核所需韌性 以靜力分析設計 以動力分析檢核 對材料力學性質明確規定 包含各種技術細節 其優點為 : (1) 各種分類不超過三級, 因此性能規定較美式規範清楚簡單 (2) 性能要求有具體量化規定, 可供遵循 (3) 有關土壤液化之規定為世界上最詳細之規範 (4) 維持固有之震度設計法與保有耐力法, 工程師較無適應之問題 (5) 採容許應力法設計, 載重係數皆為 1.0, 簡單明瞭 (6) 驗證流程遠較美式規範清晰流暢 其缺點為 : (1) 其檢核式並未採用以可靠度理論為基礎之分項係數法, 也未採用極限強度設計法, 因此確保某級耐震性能失效的機率不得而知, 為其最大的缺陷 (2) 由於過於具體詳盡, 設計者能有的設計彈性就稍受限制 40

50 2.2.5 日本 Geocode 21 Geocode 21 的制訂始於日本大地工程界思考改善既有設計規範之理念, 以期達到更合理之設計而發展, 本規範以性能設計為基礎, 亦是目前全球土木工程規範中完全以性能要求為內涵之主要設計規範 日本大地工程學會於 1997 年開始成立性能規範研究委員會, 後續並以, 性能規範研擬小組進行相關編擬工作, 並於 2005 年核定為該學會之正式標準 (JGS standard) Geocode 21 架構整全, 包括大地工程性能要求之定義及相關設計驗證方法之闡述, 提供設計完全以性能要求為導向之步驟, 亦提供其國內既有現行設計規範 ( 如 : 港灣構造物設計規範 公路橋樑規範 等 ) 於未來研修時能朝性能設計發展之方針 故 Geocode 21 為國內制訂公共工程性能設計準則之重要參考, 本計畫將其納入為主要研析之國外規範 1. Geocode21 之演進日本 GeoCode 21 為一套以極限設計與可靠度設計為基礎, 並加入性能設計觀念的大地工程新規範, 其濫觴於 1997 年日本大地工程學會之相關研究, 旨在建立一個整全設計規範 (comprehensive design code), 以統合過去因諸多歷史因素發展出來的不同基礎設計規範 Geo-Code 21 位處於比日本現有設計規範 ( 例如建築 公路及港口設計規範 ) 還要高的階層, 且其內容是與國際規範或標準 (e.g., ISO 2394) 相流通的 具體而言,Geo-Code 21 共有六大目標, 包括 :(1) 定義方法以明確說明結構物的性能 ;(2) 統一專用術語 (terminology);(3) 說明在不同極限狀態下決定安全限度 (safety margin) 的方法 ;(4) 大地工程設計中之特性值標準化 (standardization of characteristic value);(5) 設計者 所有人 ( 或業主 ) 營造商 以及大地工程調查者間的訊息 ( 或文件 ) 標準化 ; 以及 (6) 在設計驗證 (design verification) 中採用極限設計之概念等 2. Geocode21 之架構及內容 GeoCode 21 係依據 ISO 結構物可靠度之一般原則 訂定, 其中之術語與符號也與 ISO 2394 用法幾近一致, 內容涵蓋七大範疇, 包括 : (1) 結構物設計之基本原則 ;(2) 基礎設計之基本原則 ;(3) 大地工程資訊 ; 41

51 (4) 淺基礎設計 ;(5) 樁基礎設計 ;(6) 柱式 (column type) 基礎設計 ; 以及 (7) 擋土結構設計等 在基礎設計與護土結構設計兩章中, 均有專節說明耐震性能設計 詳細內容請參閱表 以下彙整 GeoCode 21 之主要內容 表 Geocode21 之內容 0. 結構物設計之基本原則 3. 淺基礎設計 5. 柱基礎設計 0.1 應用範疇 3.1 範疇 5.1 範疇 0.2 目標 3.2 目標 5.2 目標 0.3 性能要求 3.3 性能要求 5.3 性能要求 0.4 性能標準 3.4 性能標準 5.4 性能標準 0.5 驗證辦法 3.5 地面與週邊環境調查 5.5 地面與週邊環境調查 0.6 驗證法 A 3.6 設計考量事項 5.6 設計考量事項 0.7 驗證法 B 3.7 淺基礎行為預測 5.7 柱基礎行為預測 0.8 文件 3.8 驗證 5.8 驗證 0.9 現行規範之修正 3.9 淺基礎設計報告 5.9 柱基礎設計報告 0.10 術語及符號之定義 3.10 執行 5.10 執行 1. 基礎設計之基本原則 4. 樁基礎設計 6. 擋土結構設計 1.1 設計規範之範疇 4.1 範疇 6.1 範疇 1.2 基礎設計之目標 4.2 目標 6.2 目標 1.3 性能要求 4.3 性能要求 6.3 性能要求 1.4 性能標準 4.4 性能標準 6.4 性能標準 1.5 基礎設計 4.5 地面與週邊環境調查 6.5 地面與週邊環境調查 1.6 驗證法 A 4.6 設計考量事項 6.6 擋土結構行為預測 1.7 驗證法 B 4.7 樁基礎行為預測 6.7 設計考量事項 1.8 耐震設計 4.8 驗證 6.8 驗證 1.9 基礎設計報告 4.9 樁基礎設計報告 6.9 擋土結構耐震設計 2. 大地工程資訊 4.10 執行 6.10 擋土結構設計報告 2.1 本章範疇 2.2 序論 2.3 大地工程調查 2.4 大地工程參數釋義 2.5 大地工程調查報告 基本的性能要求是利用階層式架構 (hierarchy structure) 呈現 ( 見圖 ), 共有三個部分, 由上而下依序為目的 性能要求 以及性能規定, 茲 將其定義分述如下 : 42

52 性能需求驗證基本性能設計準則 目的 性能要求 性能規定 驗證方式 B 特定性能設計規範 驗證方式 A 圖 Geocode21 之階層架構 (1) 目的 : 以一般術語 (terminologies) 描述社會大眾對結構物某種特定性能 ( 如結構性能 ) 之最終要求, 例如在地震發生時之安全 結構體性能需考量材料強度 材料穩定性 產生變形之特性 耐久性之需求 也可以考量對使用者或外在環境之需求, 例如使用安全性 服務性 舒適性 景觀性 環境影響等 ; (2) 性能要求 : 說明在達成前述目的之前提下, 結構物應具備之功能 例如考量在設計使用年限中可能發生之載重可能發生之大小 頻率等因素, 而滿足安全性 服務性 舒適性等 以及考量在設計使用年限中可能發生之事件不會造成嚴重傷亡, 以及對周遭人員之影響 ; (3) 性能規定 : 闡明需滿足上述性能要求的細節 原則上, 這些準則是能在結構設計中以定量方式驗證, 其程度端視結構物使用期間承受載重之大小與頻率而定 性能規定需考量下列之內容 : a. 設計工作年限 (Design working life): 結構體需決定設計工作年限而考量生命週期花費 (Life Cycle Cost) 耐久性 老劣化 功能性提供 43

53 遞減 b. 極限狀態 (Limit states): 性能規定需依照發生之頻率而區分成不同程度之極限狀態, 例如服務性極限狀態 ( Serviceability limit state) 可維修極限狀態(Reparability limit state) 極致極限狀態 (Ultimate limit state) c. 設計時應考量之外力狀態 (Actions and design situations) : 包含永久性 ( 在結構體之使用年限期間一直存在之狀況 例如 : 自重 固定承載 靜態土壓力 水力 變形量等 ) 可變動性( 會因時間而改變, 但不會因空分佈有特異性差異 例如 : 活載重 溫度變化 地震 風力 海潮 雪 冰 材料耗損老化等 ) 突發性( 非正常性發生對結構體之衝擊 例如 : 撞擊 爆破 火災等 ) 空間分佈變異性( 會因興建過程 拆除過程等因素造成變異性 例如 : 結構體應力及變形分佈 ) (4) 驗證法 A 為性能設計法 : 依照結構體特性制訂需滿足之性能需求, 沒有指定特殊之方式來驗證結構體之性能 設計單位需在指定之性能規定條件下, 滿足需求之可靠度, 而製作設計報告 (5) 驗證法 B 為根據設計規範而訂定的驗證方式, 其中所稱之設計規範, 可因著不同種類結構物 ( 如橋樑或房屋 ) 的所有人或業主之要求不同而改變 ; 在此驗證法中,Geocode 21 可視為供規範制定者參酌之規範手冊, 其下規範亦呈階層式結構 ( 圖圖 ), 包括特定之基本設計規範 (specific base design code) 及特定設計規範 (specific design code) 以大地工程基礎構造物而言, 可以下列之方式予以驗證 : a. 以計算予以驗證 : 依照運用計算公式以及模型分析予以驗證是否可以達到性能需求, 亦可驗證是否達到極限狀態之需求 b. 載重試驗 : 將全部或部分之結構體施予載重, 並觀測結構體是否達到性能需求 c. 模型試驗 : 依照全尺寸或縮小尺寸之結構體試驗, 並觀測在承受載重後之表現, 並予以驗證是否達到性能需求 44

54 d. 施工觀測 : 依照設計之成果, 觀測施工過程當中所產生之現象, 並且與 所需之性能需求予以比較 3. Geocode21 架構優缺點討論 (1) Geocode21 之優點 : a. Geocode21 為大地工程依照性能設計需求較為完整之規範 b. 本規範主要為日本學者及專家所撰寫, 比較合乎亞洲地區之一般設計需求, 亦符合台灣地區大地工程設計之精髓 c. 規範中清楚定義性能設計中之目的 性能要求 性能規定 驗證方式等 d. 規範中亦定義不同大地工程結構體之性能設計方式 e. 本規範後續將延伸與 code PLATFORM ver.1 結合, 成為一個全方位之性能設計規範 (2) Geocode21 之缺點 : a. 內容大多為文字敘述, 缺乏實際之案例及設計步驟之案例 b. 本規範之內容仍缺乏說明與其他單位設計規範之相關連關係 c. 本規範之內容仍缺乏與亞洲其他國家相關規範之相關連關係 45

55 2.2.6 日本 code PLATFORM 1. code PLATFORM 之演進 (1) 緣起基於 ISO2394 及 Eurocode 0 已經發表為完整的設計規範基礎或提供設計時的基本構想, 且日本地盤工學會所研擬之 Geocode 21 已發展出完整之性能設計規範架構, 日本國土交通省 (Ministry of Land, Infrastructure and Transportation; 現為 Ministry of Land, Infrastructure, Transportation and Tourism, MLIT) 對此相當重視, 故推動以 Geocode 21 之架構與精神為基礎, 成立研擬日本土木工程性能設計準則之計畫 (2) 日本土木工程學會 (Japan Society of Civil Engineers, JSCE) 規範委員會特定構造物的技術標準諸如道路 港灣 機場及建築物均有其發展的歷史 文化及目的, 因此這些技術標準實質上皆不盡相同, 為了整合這些技術標準並納入性能設計理念 將日本現有土木工程技術傳達至其他國家 消減其他國家工程師進入日本市場之阻礙, 並建立次世代之清楚系統化架構, 日本土木工程學會應國土交通省國土技術總和研究所 (National Institute for Land and Infrastructure Development, NILIM) 之要求設立規範委員會, 以 Geocode 21 之架構與精神為基礎, 研擬日本土木工程性能設計準則, 於 2001 至 2003 年間執行, 於 2003 年完成並發表了 code PLATFORM ver.1 (3) code PLATFORM ver.1 code PLATFORM 之全名為 Principles, guidelines And Terminology for structural codes drafting founded on the performance based design concept 此規範可定位為日本構造物設計之基礎性能規範, 由於建立完整之性能設計規範合法性與各單位間之整合預期將面臨十年以上之期程, 因此 code PLATFORM ver. 1 起草於建立基於性能設計之適宜設計規範而非直接納入現有設計規範, 未來將繼續發展混凝土結構 鋼結構 附合構 46

56 造 等之性能設計規範與之配合, 加上已完成之 Geocode 21, 則日本之性能設計規範將趨於更完整 由目前 code PLATFORM ver.1 之內容, 應可看出完整性能設計規範之全貌, 故 code PLATFORM ver. 1 亦為本計畫重點研究之國外規範 2. code PLATFORM ver.1 之內容 code PLATFORM ver. 1 的內容共包含五章, 分別為 (1). 用語之定義 (Definitions of terminologies) 用語之定義為該規範統一之基準並需遵從 ISO2394 ISO13822 日本土木工程鋼結構性能設計方針 (Guidelines for Performance-based Design of Civil Engineering Steel Structures) 日本 Geocode 21 及日本國土交通省公共工程與結構物設計基準 (2). 總論 (General) 定義本規範之目的 合法性 性能設計 相容性, 同時明白指出規範之基本政策及細節 此規範的位階如圖 所示, 此一規範目標在於設計一系統化規範並與各種不同日本國內規範合併, 尊崇日本國內固有地域性設計規範並與國際規範相容 圖 設計規範體系 47

57 而其性能設計之基本架構則如圖 所示, 性能設計包含三個階層, 由上而下分別是目的 性能需求以及性能規定, 最後才進入驗證程序, 驗證程序用以證明由目的及性能需求轉化來的性能規定必須滿足, 驗證方式區分為驗證方式 A 及驗證方式 B 兩種方法, 由設計工程師自行採用, 驗證方式 A 並無規範特定驗證方法, 設計工程師僅需提供適宜方法證明設計滿足性能規定 ; 驗證方式 B 則提供特定驗證方法, 設計工程師需滿足由業主提供之最低需求 圖 性能設計規範架構 (3). 構造物目的 性能需求及性能規定 (Performance requirements of structures) 本節主要規範構造物目的之主要分類 性能需求及性能規定三大類, 其中目的言明構造物需定義構造物之使用目的並由使用者或或業者來定義使用目的為佳 ; 性能需求為性能規定之基準, 性能需求必須採用一般民眾可瞭解之語言加以定義且不可指定驗證方法 ; 設計規範限制於最小需求, 在性能設計概念上, 設計工程師需獲得更多之考量角度來為性能需求及各項衝突間取得最大利益, 此時之性能規定需採用專業術語加以定義 (4). 驗證方式 (Verification procedures) 敘明驗證方式 A 及驗證方式 B 之定義, 驗證方式該採用何者由業主決 48

58 定, 設計工程師亦可提出另一驗證方式, 該規範並無強制需採用何種驗證方式, 惟一旦確認採用驗證方式 A 或驗證方式 B, 則必須遵從該項驗證方式之相關規定 (5). 構造物設計報告書 (Structural design report) 定義構造物設計報告書需包含之各項規定, 包含構造物目的 性能需求及性能規定, 並需指出關鍵設計考量, 各項基本資料描述等, 設計報告書依構造物之規模與重要性而定, 同時業主必須於構造物使用期限內妥善保存構造物設計報告書 3. code PLATFORM 之優缺點由 code PLATFORM ver. 1 的內容可看出其優缺點分別為 : (1) 其優點為 : a. 具性能設計規範之架構, 架構清楚簡單 b. 定義日本各設計規範遵循之基本架構 c. 規定驗證方式可採驗證方式 A 或驗證方式 B, 設計者有彈性 d. 提出構造物維修及補強之想法, 建立構造物永續經營之觀念 (2) 其缺點為 : a. 僅具性能設計規範之架構, 均為原則性的敘述, 對於性能要求, 尚無定量的規定, 無法直接應用 b. 雖由國土交通省委託土木工程學會建構此一完整設計規範且其位階處於日本各項規範之首, 但此一規範並沒有合法效力乃至於無法強制執行 c. 雖規定需與國際規範如 ISO2394 及 ISO13822 相容, 但亦敘明 code PLATFORM 項下之各規範與前述國際規範衝突時以 code PLATFORM 為優於國際規範之基準, 對於與國際接軌之可能衝突埋下伏筆 49

59 2.2.7 亞洲混凝土規範架構 (Asian Concrete Model Code) 1. 基本架構亞洲混凝土規範架構 (Asian Concrete Model Code) 為由亞洲混凝土國際規範委員會結合混凝土專家與工程專業人員意見, 歷時十多年所完成之性能導向的混凝土結構規範架構 其內容主要區分為設計 建造與維護三大部份, 並區分為 Level 1 Level 2 及 Level 3 之三個層級 (Level), 其中 Level 1 在於提供混凝土結構於性能設計 建造與維護之一般性原則規定與架構 ;Level 2 則提供操作與實際之規範架構及性能要求之規定, 以容許不同國家間於設計 建造與維護實務上之差異 ;Level 3 為依據 Level 1 與 Level 2 之規定來設計 建造與維護的範例與細節, 為由各國家依據其實際混凝土工程實務來加以規定 亞洲混凝土規範架構 (ACMC) 規定所有混凝土結構構材與非結構構材於外力作用下之性能驗證與評估的一般性準則, 此規範引入極限狀態下之性能設計理念, 可運用於混凝土結構之設計 施工與維護 規範中提供一系列於建造材料 施工標準 品質管制之最低性能要求, 以及與現地相符之正確施工紀錄, 以使結構能滿足設計時所要求之安全性 服務性與耐久性 此規範雖以提供亞太地區能採用之設計準則為主, 但仍期望能建立一相關之國際標準 亞洲混凝土規範架構 (ACMC) 在性能水準 (Performance level) 方面區分為極限限度狀態 損壞控制狀態 服務性限度狀態三種, 設計時考慮之作用力則較一般耐震性能設計更為廣泛, 主要考慮作用力 (Action) 分為常時載重 ( 包括火害效應 碰撞與爆炸 ) 風力 地震力與環境作用力, 而於性能要求及性能驗證方面皆以服務性 可修復性及安全性三項為主 在性能指標 (Performance indices) 方面, 於極限限度狀態一般以極限強度及極限變形為指標, 於損壞控制狀態則以桿件內力 最大或殘留變形為指標, 在服務性限度狀態則以桿件內力 變形量 裂縫寬度與振動量為性能指標來進行性能驗證 在 Level 2 中提供規範架構及性能要求之一般性規定, 共區分為三個部份 :part 1 part 2 及 part 3 在 part 1 中為於作用力下結構設計之一般性能要求與規定, 設計階段考慮之作用力為常時載重 風力 地震力 環境作 50

60 用 ( 指氯離子侵蝕 碳化 凍融 化學侵蝕等 ) 與火害五大主要項目, 在地震力方面將地震水準分為中小度地震 ( 結構生命週期內可能發生數次 ) 大地震( 結構生命週期內可能發生一次 ) 與極限地震三種, 但並未規定地震水準與性能水準組合之性能目標, 而是由 Level 3 各別規範去進行規定 Level 2 之 part 1 設計階段, 於常時載重之性能指標包括居住舒適性 噪音與振動防制性 潮濕控制 美觀性與視覺感受等 於風力之性能指標包括位移 振動頻率 裂縫寬度 ( 服務性 ), 層間變位 ( 可修復性 ), 傾倒力矩 滑動力 桿件之軸力彎矩與剪力 ( 安全性 ) 於地震力之性能指標包括結構最大位移 桿件最大彎矩與剪力 ( 服務性 可修復性 ), 結構最大位移 ( 安全性 ) 在環境作用之性能指標為以量化之結構老劣化指標 ( 如中性化深度 強度損失 侵蝕深度 鋼筋腐蝕量等 ) 為長期性能指標, 此指標需配合常時載重 地震力 風力下來檢核其服務性 可修復性及安全性 ; 另於環境作用下此規範考慮三種耐久性等級 :Grade 1( 服務年限內不需修復補強 ) Grade 2( 服務年限內需一到二次之修復 ) 及 Grade 3( 服務年限內需固定週期之經常性修復補強 ) 三種等級 最後火害方面則以小火下具服務性 中火下具可修復性及大火下具安全性為性能目標, 性能驗證之性能指標包括殘留變位 裂縫 混凝土剝落 ( 服務性 ), 樓層柱間變位 ( 可修復性 ), 桿件之極限強度與穩定性 ( 安全性 ) 在 Level 2 之 part 2 中主要為規定建造材料 施工標準 品質控制與品質確保之最低需求性能, 以確保能滿足設計時對結構所要求之強度 服務性及耐久性 對模板工程 鋼筋 混凝土及預力混凝土四項目加以原則性規定, 共分為基本要求 材料要求 施工品質 品質控制與品質確保及施工記錄等大項, 材料測試與參考之規定則為採用如 JIS ASTM 及 BS 等常被使用之規範 最後於 Level 2 之 part 3 則主要為規定混凝土結構與其構材檢視與維護之準則, 結構需有適當結合檢視 老劣化評估及可能改善工作之計畫以使結構得到合宜之維護, 強調於新設計一結構時, 即需於規劃 設計與建造階段考慮未來之相關維護工作, 主要內容則以結構檢視 老劣化機制與評估 修復與補強及維護記錄製作為主 51

61 2. 使用情況傳統之現行混凝土工程設計規範仍以強度設計導向為主, 整體設計仍以滿足力之需求的強度設計為主, 亞洲混凝土規範架構 (Asian Concrete Model Code) 為一性能導向的混凝土結構設計 建造與維護方面之規範架構, 在基本原則之一般性規定方面考慮相當周詳, 未來要使用於國內還需要有根據此規範架構所建立之地區性配套, 以及詳細的細部與量化規範才能實用, 目前國內工程師對此規範還不熟悉, 應須加以推廣 52

62 性能需求驗證2.3 各國設計規範及驗證機制性能化之比較 依照本研究計畫之內容, 本階段之主要工作為蒐集各國規範資料, 歸納整理, 並作分析比較, 探討其性能化之內涵 本研究所蒐集整理之國外規範中, 包括美國 歐洲及日本等國家之主要設計規範, 分別為美國 IBC 與 AASHTO 規範 歐洲共同規範 日本的 道路橋示方書 同解說 Geocode 21 與 code PLATFORM, 本研究已將其主要內容與架構整理分述於本研究報告 2.2 節中 在本節中主要是綜合評述比較所蒐集整理之各國設計規範, 由本研究報告 2.2 節可知各設計規範的架構不同, 同時其名詞定義也不一樣 以下將以 Geocode 21 及 code PLATFORM 當作是一個比較之基準 ( 其主要架構如圖 所示 ), 分別來比較各設計規範的架構及名詞上的差異所在 基本性能設計準則 目的 性能要求 性能規定 驗證方式 B 特定性能設計規範 驗證方式 A 圖 性能要求 驗證及規範之階層概圖 (Honjo, 2003) 1. 各設計規範性能描述階層構造之比較與評述 由圖 可以看到其中的性能描述階層分為三階 : 第一階性能描述稱之為 目的 (Objectives) 階層, 其定義為 : 用一般之詞彙描述一結構針對某一特定性能 53

63 ( 例如結構性能 ) 的最終社會要求 例如 : 在地震事件中, 建築物應該提供足夠的居住安全使得免受嚴重傷害及生命損失或是保存一結構機能的剩餘運轉能力 第二階性能描述稱之為 性能要求 (Performance requirements) 階層, 其定義為 : 性能要求係指用一般之詞彙描述一結構所應提供的功能以達到所陳述的目的 例如 : 一結構在地震中不應倒塌或一結構的損壞應控制在某一範圍之內, 藉此使得其剩餘運轉能力得以保存 以上之兩種性能描述階層在一般的設計規範都是出現在一般條款當中, 但是不會明確的把它列為是性能描述的某一個階層之中 如果可以比較的話, 也許只有 2002 年版之日本道路橋示方書 V 耐震設計篇 (2002) 其所涵蓋之如圖 所示的架構內容可以作為比較 目的 機能的要求 ( 理念 基本要求 ) 性能表現之要求水準 基準目的 耐震設計基本方針 重要度, 荷重設計地震動, 限界狀態耐震性能之檢核原則 須遵守事項 檢核方法 適合之細節 耐震性能之檢核方法靜的檢核, 動的檢核 各構材限界狀態之評估式 RC 橋腳, 鋼製橋腳之支承 基礎 上部構造等 落橋防止系統 可變更選擇檢核方法 圖 日本道路橋示方書 V 耐震設計篇 (2002) 之性能設計階層 在圖 中所示的基準目的 ( 理念 基本要求 ) 與耐震設計基本方針可視為是 橋樑 的第一階與第二階耐震性能描述, 其內容可描述如下 : 本基準之基本設計理念有兩點, 說明如下 : A. 橋樑在地震後擔負著避難道路 救援 醫療 消防與及受災地區緊急物資之運送等重要任務 因此橋樑耐震設計要確保地震時橋樑的安全性, 減少地震後運輸功能的損害, 針對橋樑的重要性與設計地震動的等級, 確保必要的耐震性能 B. 耐震設計需考慮橋樑所在位置之地形 地質 地盤條件與周遭環境, 選定耐震性高的結構形式, 必須保有橋樑系統與各種構件必要的耐震性 54

64 眾多不同的設計規範均存在有類似 目的 (Objectives) 階層以及 性能要求 (Performance requirements) 階層的架構只是在名稱上有所不同而已 圖 即顯示出將這些設計規範中的類似結構放在同一部位以進行比較 Nordic New Zealand Australia UK Canada Japan 5 Level Goal Functional Requirements Operational Requirements Objectives Functional Requirements Performance Requirements Objectives Functional Requirements Perform- Deem mance to Require- Satisfy ments Objectives Performance Requirements Performance Criteria Goals Objectives Functional Functional Require- Requirementments Mandatory Requirements Verification Methods Acceptable Solutions Verification Methods Acceptable Methods Performance Technical Solutions Alternative Approaches Acceptable Solutions Verification Approach A & B Supporting Documents (Guidance) 圖 各國設計規範之階層架構 評述與建議 ( 一 ): 如果我們要建立公共工程的 基本性能設計準則 則可以將公共工程的各種結構形態包括 建築物 橋樑 地工結構 港灣 公共管道 等在內的第一階與第二階性能描述 ( 包括耐震在內的多重危害 ) 都可一起列在此 基本性能設計準則 當中, 同時, 在此 基本性能設計準則 中明訂公共工程各種結構形態的第三階量化之性能描述 ( 即性能規定階層 ) 應交由各特定性能設計規範另訂之 ( 此乃因其可能隨時需要變更之故 ) 因此, 所建議的 基本性能設計準則 的範疇與圖 中所示的範疇不一樣 進一步若能在此 基本性能設計準則 之上再增加 code PLATFORM ver. 1 的前兩章內容 ( 其分別為 :(1). 用語之定義 (Definitions of terminologies): 用語之定義為該規範統一之基準並需遵從 ISO2394 ISO13822 標準 ;(2). 總論 (General): 定義本規範之目的 合法性 性能設計 相容性, 同時明白指出規範之基本政策及細節 ), 則就可形成所謂之 公共公程全面性能設計準則 (comprehensive design code) 此全面性能設計準則的位階與目標在於設計一系統化架構準則, 並統合國內各種不同之特定性能設計規範, 以突顯國內固有地域性特定設計規範並與國際規範相容 55

65 動規2. 各設計規範性能準則之比較與評述至於第三階層之性能描述,Geocode 21 及 code PLATFORM 將其稱之為 性能規定 (Performance criteria) 階層, 其定義為 : 性能規定係說明所需要滿足之功能陳述的細節, 原則上, 其在結構設計中應該是屬於可量化驗證的 性能規定是由一性能矩陣所給定, 此相當於是由限度狀態 + 作用規模 + 結構重要性等三者所構成, 這種第三階層之性能描述在各性能設計規範中是最根本的 舉例而言, 在 Geocode 21 與 code PLATFORM 中的性能規定是指如圖 所示的 3 3 性能要求矩陣 ; 其中依結構重要性分成重要結構物 一般結構物以及易於修復結構物等三類 ; 對於結構損壞的狀態可區分為可靠度 可修復及最終極限狀態等三類 對結構物之危害行可靠度 極限狀態 可修復 極限狀態 最終 極限狀態 高頻率低衝擊 中頻率中衝擊 一般結構物 易於修復結構物 低頻率 高衝擊 圖 性能要求矩陣 在日本道路橋示方書 V 耐震設計篇 (2002) 中, 性能規定是指表 2.3-1a 所示的橋樑耐震性能要求, 為了比較方便起見, 我們可以將之改為表 2.3-1b 所示的 2 3 橋樑耐震性能要求矩陣表 ; 其中依結構重要性分成 A 類橋 及 B 類橋等二類 ; 對於橋樑結構損壞的狀態可區分為耐震性能 1 耐震性能 2 及耐震性能 3 等三類之 組合 性能等級 所謂之 組合 性能等級係指綜合各組成構件的性能限度狀態所構成 表 即為該橋樑耐震性能等級在安全性 使用性以及短長期修復性上的綜合定性性能差異比較 56

66 表 2.3-1a 橋樑耐震性能要求 設計地震 A 類橋 B 類橋 1 級地震動 橋梁不因地震而損及其健全性 ( 耐震性能 1) 2 級地震動 類型 Ⅰ 的地震動地震不至對橋梁地震引起有限的 ( 板塊邊界型之大規模地震 ) 產生致命性之損損傷 ; 橋梁的功能類型 Ⅱ 的地震動壞可迅速恢復 ( 如兵庫縣南部地震之內陸直 ( 耐震性能 3) ( 耐震性能 2) 下型地震 ) 表 2.3-1b 橋樑耐震性能要求 設計地震 耐震性能 1 耐震性能 2 耐震性能 3 1 級地震動 2 級地震動 註 : 表示 B 類橋 ; 表示 A 類橋 表 橋梁耐震性能等級 橋梁的耐震性能耐震性能 1: 橋梁不因地震而損及其健全性耐震性能 2: 地震引起有限的損傷, 橋梁的功能可迅速恢復耐震性能 3: 地震不會對橋梁產生致命性的損壞 耐震設計上的安全性確保落橋的安全性確保落橋的安全性確保落橋的安全性 耐震設計上的耐震設計上的修復性使用性短期的修復性長期的修復性確保橋梁的功可進行輕微的能與地震前相無須作修復修復同地震後可迅速能夠比較容易恢復橋梁的功能夠緊急修復進行永久復舊能 在 FEMA450(2003) 中, 性能規定則是指如圖 所示的 3 4( 實際上為 1 2) 建築物耐震性能目標矩陣 ; 其中依結構重要性可區分成耐震用途群組 Ⅰ 耐震用 57

67 途群組 Ⅱ 以及耐震用途群組 Ⅲ 等三類 ; 對於結構損壞的狀態可區分為正常運轉 立即居住 生命安全以及接近崩塌等四類之限度狀態 ( 或稱之為建物性能水準 ), 這些建物性能水準亦由結構與非結構的不同限度狀態所搭配而成 但是此一建築物耐震性能目標只出現在解說之中, 而暫時於條文中並無此規定 地表運動等級 常遇地震 (50%/50 年 ) 設計地震 (MCE 之 2/3) 最大考量地震 MCE (2%/50 年 ) 建物性能水準 正常運作立即居住生命安全接近崩塌耐震用途群組 I 耐震用途群組 II 耐震用途群組 III 註 : 上圖中具有符號 者表示需實際驗證其設計建物之 變形 性能圖 FEMA450 之耐震性能目標 (2003) 至於 AASHTO 設計規範則無類似之性能規定, 僅在基本理念與方針上有如下的宣示 ( 此可視為其耐震性能目標矩陣 ): (1). 在 75 年 7% 超越機率 (1000 年回歸期 ) 之地震作用下, 結構須維持在生命安全 (Life Safety) 之性能目標 ( 生命安全之性能目標係指發生崩塌之機率很低, 但具有產生明顯或嚴重損壞之可能性, 此時可能需要進行橋柱之局部或完全更換 ) (2). 其他更高等級之性能目標如可操作性能目標 (Operational) 之要求則由業主訂定之 評述與建議 ( 二 ): 性能規定是由一性能矩陣所給定, 此相當於是由限度狀態 + 作用規模 + 結構重要性等三者所構成 這種第三階層之性能描述在各性能設計規範中是最根本的, 但是各性能矩陣的大小 ( 維度 ) 則不盡相同 公共工程的各種結構形態各有其結構重要性分類標準, 為了區別這些結構重要性的分類, 因此限度狀態的區隔狀態數量也隨之改變 舉例而言, 建築物耐震設計一般分為三類用途, 但橋樑耐震設計一般分為二類用途 以建築物耐震設計為例, 其耐震性能規定 ( 目標 ) 矩陣有 (3 4;1 2); 至於橋樑耐震設計則其耐震性能規定 ( 目標 ) 矩陣有 (2 3) 觀察 Geocode 21 與 code PLATFORM 所提出的 3 58

68 3 性能要求矩陣, 其三種結構物重要性分類在同一行動規模作用之下似乎無法很明確的分辨出重要性之差異性 ( 一般最大差異可達 1.5 倍 ), 此反而不如日本道路橋示方書 V 耐震設計篇 (2002) 中所提出的 2 3 橋樑耐震性能要求矩陣, 以及 FEMA450(2003) 中所提出的 3 4( 實際上為 1 2) 建築物耐震性能目標矩陣 但若以業主 ( 橋樑的業主為交通部 ) 指定性能的可能範圍之角度而言, 耐震性能規定 ( 目標 ) 矩陣不宜太小, 否則業主很難指定性能, 除橋樑之外一般以 (3 4) 為較佳的選擇 同時, 若欲呈現性能限度狀態的指標, 其實很難用單一敏感參數指標就足夠靈敏的描述所要達到的複雜性能, 這是實施性能設計法的最困難之所在 考慮建築物與橋樑在結構系統構造上之不同, 橋樑在結構系統構造與橋柱高度上顯得較為單純, 而建築物的結構系統則種類繁多且高度變化差異很大 但僅以橋樑而言, 就需要類似日本道路橋示方書 V 耐震設計篇 (2002) 中所示的耐震性能 1 耐震性能 2 及耐震性能 3 等三類之 組合 性能狀態等級, 才能描述所要達到在安全性 使用性以及短長期修復性上的複雜性能, 更何況是建築物 一般建築物的性能狀態等級至少要包括最大層間變位角與穩定指標 ( 指柱軸力高低 ) 等局部限度狀態, 同時不同構造各有其特別強調之處 ( 例如鋼構造接合部之張力大小 ) 若單純以為驗證一個等效單自由度系統之整體韌性比指標, 就能足夠靈敏的描述所要達到的複雜性能要求, 則可能失之於太草率武斷, 此乃因為也許整體韌性比很容易就驗證滿足, 但其局部限度狀態 ( 例如最大層間變位角 ) 卻未達到所要求之標準 如果真的要以等效單自由度系統之整體韌性比當成是性能狀態的指標, 則必須要計算其在某限度狀態下之安全餘裕度 (safety margin) 達某一標準才可 3. 各設計規範驗證方式之比較與評述由圖 可以看到其中的性能驗證階層,Geocode 21 與 code PLATFORM 所提出的結構性能驗證方式可區分為驗證法 A(Verification approach A) 與 B 等二種, 以使既有之特定性能設計規範藉由驗證方法得以和性能規定銜接 以驗證方式 A 為範例, 性能設計驗證方式中, 設計者僅知道結構物的性能要求, 在給定這些要求下, 設計者需驗證其設計, 並將結果呈送主管機關審核 在設計檢核層面, 性能規定僅針對各類構造物 ( 例如 : 基礎 擋土牆等地工構造 ) 所需檢核之項目, 提列參考基本公式, 目的是使主管機關方便整理檢查列項, 以為審查設計者所提設計成果之依據, 故可使設計方式有相當大之彈性 驗證方式 B 則在設計檢核時根據特定設計規範 ( 例如交通部道路規範等 ) 訂定的程序進行驗證 在此驗證法中, 性能可視為供規範制定者參酌依循之規範制定手冊, 目前日本已有公路橋樑設計規範與建築及公共工程設計準則開始朝符合性 59

69 能設計理念的方向修正 驗證方式 B 其下之特定設計規範亦呈階層式結構, 包括特定之基本設計規範 (specific base design code) 及特定設計規範 (specific design code) 針對驗證方式 B 的方法, 在 Geocode 21 與 Eurocode 7-En1997 Geotechnical design 中係採用所謂之限度狀態設計法, 其中包含了服務限度狀態與極限限度狀態之檢核 各設計規範中之限度狀態種類除前述的歸類之外亦可比較如表 所示 : 表 限度狀態的種類 規範或手冊 限度狀態的種類 Eurocode 7 極限服務 AASHTO Specification LRFD 極端事件極限服務 Geo-code 21 極限可修復服務 Canadian Foundation Manual. 極限 服務 所謂之極限限度狀態與使用限度狀態, 在 Euro Code 中定義如下 : ( 一 ) 極限限度狀態 (Ultimate Limit States): (1)P 極限限度狀態係指結構物倒塌或其他類似情況破壞之狀態 (2) 結構物在產生倒塌之前已被視同為倒塌之狀態亦應當作極限限度狀態 (3)P 結構物之極限限度狀態涉及 : - 結構物及其內部存放物之安全 - 人員之安全 (4) 極限限度狀態應考慮 : - 結構物或其一部份失衡 ; - 結構物或其一部份產生超量變形而形成破壞機制, 或其支承與基礎失去穩定性 ; - 疲勞或其他時間相關效應引致之破壞 ( 二 ) 服務限度狀態 (Serviceability Limit States): (1)P 服務限度狀態為結構物或結構元素無法滿足所指定性能要求之限度狀態 (2)P 結構物使用性之要求涉及 : - 工程或其一部份之功能 ; - 人體舒適性 ; - 外觀 60

70 (3)P 應明確區分服務限度狀態為可回復或不可回復之限度狀態 (4) 除非另有規定, 在合約及 ( 或 ) 設計中應明訂使用性要求 (5) 服務限度狀態應考慮 : - 結構物變形與位移, 其將影響到外觀與有效使用, 或損及裝修與非結構構件者 ; - 結構物之振動, 其將使人體不適, 使結構或其所支承物體損傷或失效 ; - 損壞 ( 包含裂縫 ) 狀態可能對結構之外觀 耐久性或功能產生不利影響者 ; - 由疲勞或其他時間相關效應引致可查覺之損壞 評述與建議 ( 三 ): 限度狀態設計法對於 強度 性能要求而言是非常的適合, 但是對於 變形 性能要求而言則是非常不容易實施, 其原因在於其分項因子 (partial factor) 非常難以訂定之緣故 同時, 強度 量會有一極限值, 但 變形 量並沒有一極限值, 故不存在有 變形 之極限設計法, 只能進行在不同限度狀態下決定其安全限度 (Safety margin) 值 舉例而言, 對於著名的非線性靜力分析程序 ( 即推覆分析,pushover analysis) 而言, 則極難以實施限度狀態檢核法, 此乃因控制點目標位移難以訂定之故, 而且每項檢核項目中容量值的折減係數皆不同, 故目前還是停留在使用容許變形量檢核法的階段 61

71 4. 各設計規範驗證方式之性能配套措施之比較與評述在一般的美國設計規範例如 IBC 2006 或 FEMA450(2003) 與 AASHTO LRFD 設計規範 (2007) 當中, 針對驗證方式 B 中均訂有所謂之 耐震設計類別 的配套措施 IBC 2006 或 FEMA 450 所定義之耐震設計類別是分別基於 S DS 與 S D1 之範圍, 然後依照表 及表 所查得者並取其較嚴格者訂定之 : 表 基於 S DS 訂定之耐震設計類別 S DS 值之範圍 耐震用途群組 I II III S DS < A A A S DS < 0.33 B B C 0.33 S DS < 0.50 C C D 0.50 S DS D D D 表 基於 S D1 訂定之耐震設計類別 S D1 值之範圍 耐震用途群組 I II III S D1 < A A A S D1 < B B C S D1 < 0.20 C C D 0.20 S D1 < 0.75 D D D 0.75 S D1 E E F 至於 AASHTO LRFD 規範 (2007) 則將橋梁之耐震設計分為四個耐震設計類別 (Seismic Design Category,SDC), 其定義係依照表 而定 : 表 橋梁耐震設計類別 SDC 之選定 62

72 上述分類之目的主要是為了區分不同之設計要求而訂, 同時其設計流程及分析方法也不一樣 在 AASHTO LRFD 規範 (2007) 中依不同的耐震性能類別其所採用的分析方法就有所不一樣 (1) SDC A: 適用於簡支單跨橋 (i) 無須進行位移容量 (Displacement Capacity) 檢核 (ii) 無須進行容量設計 (Capacity Design) (iii) 僅須符合防止落橋長度之最小需求 (2) SDC B: (i) 須進行隱式的位移容量 (Implicit Displacement Capacity) 檢核, 即使用正解公式 (Closed Form Solution Formula) 計算之 (ii) 無須進行容量設計 (Capacity Design) (iii) 僅須符合 SDC-B 等級之設計需求 (3) SDC C: (i) 須進行隱式的位移容量 (Implicit Displacement Capacity) 檢核, 即使用正解公式 (Closed Form Solution Formula) 計算之 (ii) 須進行容量設計 (Capacity Design) (iii) 僅需符合 SDC-C 等級之設計需求 (4) SDC D: (i) 須進行側推分析 (Pushover Analysis) (ii) 須進行容量設計 (Capacity Design) (iii) 僅需符合 SDC-D 等級之設計需求 在 IBC 2006 或 FEMA 450 中, 依不同的耐震性能類別, 其所允許使用的分析程序也有所不同 這些不同的分析程序可以區分為等效側力分析 反應譜分析 結構反應歷時分析以及非線性靜力分析 ( 即推覆分析 ) 等四種, 各有其適用時機 至於在日本道路橋示方書 V 耐震設計篇 (2002) 中, 雖然沒有制定耐震設計類別的配套措施, 但是隨著耐震性能等級之不同, 其所允許使用的查核分析方法亦不同, 如表 所示 : 63