NEW RC 結構設計與施工技術研討會 日本超高層 RC 建築之 耐震設計簡介 台日國際工程顧問股份有限公司 蔡江洋 2016 年 12 月 9 日
1. 日本建築基準法 2. 超高層 RC 建築之耐震設計目標 3. 耐震設計之基本方法 4. 構材之耐震設計 5. 與國內設計法的案例比較
日本於 2000 修正建築基準法 開放民間機構進行建築確認 檢查 建築基準之性能規定化 從材料 工法 尺寸等規定修改為, 符合建築物一定的性能時, 可採用多樣材料 設備 構造方法等 整合建築物設計制度的創設 中間檢查之導入 關於確認檢查等圖說之閱覽 充實建築物相關資訊, 透過市場機制, 期待建築物品質的提升
1. 高度超過 60m 之超高層建築物 (81 條之 2) 進行結構計算時, 把握載重及外力導致建築物各構件連續性 所產生之力及變形 為原則 具體而言以 歷時反應分析 為基本, 根據結構計算確定安全性 須經政府指定之 結構評定機關 審查 2. 高度低於 60m 之大規模建築物 (81 條 ) 進行結構計算時, 把握地震力導致建築物地上部分各樓層所產生 力及水平方向之變形 為原則 具體而言根據建物規模及結構特性或設計者之判斷, 進行 保有水 平強度計算 確定安全
針對兩等級強度之地震, 各訂定設計目標 對於第一等級地震 ( 回歸期 100 年 ), 建築物之柱梁等結構不能有損傷 ( 使用界限 ) 對於第二等級地震 ( 回歸期 400 年 ), 建築物即使一些構材 降伏, 也不能倒塌 ( 設計界限 ) ---------------------------------------------------------------------------- 考慮地震的不確定性和分析模型理想化導致地震反應 的不確定性 New RC 耐震設計導入第 3 等級之耐震 設計 ( 極限界限 )
針對各等級地震等級, 設定設計目標 靜力設計 靜力 側推分析 整體變形角 : 地震力豎向分配形狀之重心位置的側向變形除以該點之高度
針對各等級地震等級, 設定設計目標 動力設計 ( 歷時非線性分析 ) 東京地區為例 ( 地區係數 =1.0), 等級 1 約為最大速度值 25cm/s 之地震 等級 2 約為最大速度值 50cm/s 之地震
根據靜態地震力分析所設計之構架的耐震安全性, 以歷時地震反應分析進行綜合性的確認 對於靜態地震力之設計, 因應地震力之大小, 進行容許 應力設計 ( 一次設計 ) 及及極限強度設計 ( 二次設計 ) 之兩階 段來進行 地震反應分析時, 使用法規規定之地震力或以往設計用 地震力等, 進行歷時反應分析, 確認滿足因應地震之強 度所設定之耐震性判定基準
耐震性檢討概念圖 圖片摘至 New RC 設計指針
對於一次設計用地震力, 進行容許應力設計 設計用地 震力參考預備反應分析結果等, 設定使其大於等級 1 地 震的反應值
一次設計用基層剪力係數 CB 之設定 CB =0.18/T1 圖片摘至 新世代超高強度 RC 構造工程技術第三次研討會
二次設計時進行極限強度設計 確認二次設計用變形時 之保有水平強度 降伏部位及構材之強度餘裕度 目標保有水平強度為一次設計用地震力的 1.5 倍以上 降伏容許部位為各層梁端及受拉外柱及 1 樓柱腳 檢討保有水平強度 降伏機構之形成 梁降伏型整體降伏機構
二次設計用變形以地震力重心位置之水平變形角定義 設定大於等級 2 地震之反應值
二次設計用變形為, 從靜力非線性分析 ( 側推分析 ) 所得基層剪力和整體水平變形角之關係圖上, 取等級 2 地震之整體水平變形角之最大值所成面積的 2 倍以上之水平變形角 地震力之檢討方向, 一般構架採 X 方向 Y 方向和斜向 45 度方向 二次設計用變形的設定
動力地震反應分析設定等級 1 及等級 2 之地震進行地震反應分析 確認滿足耐震性判定基準 耐震性判定基準之例
設計地震波形 1. 相關法規規定之地震波形 ( 告示波 ): 設定時考慮基地表層地盤之增幅 圖片摘至 新世代超高強度 RC 構造工程技術第二次研討會
設計地震波形根據反應譜及參照歷時紀錄產生模擬地震波 ETABS 2016
設計地震波形 2. 根據基地周邊之活斷層分布 斷層破壞模式 過去的地震活動 地盤構造等地震波形 ( 基地波 ) 圖片摘至 新世代超高強度 RC 構造工程技術第二次研討會
設計地震波形 3. 設計慣用波形 ( 既往波 ): 東京地區 ( 地區係數 10) 1.0) 最大速度值, 等級 1 地震 25cm/s, 等級 2 地震 50cm/s 圖片摘至 新世代超高強度 RC 構造工程技術第二次研討會
必要地震波數量 圖片摘至 新世代超高強度 RC 構造工程技術第二次研討會
勁度 K 結構物的模擬 20,000 15,000 10,000 GA 5,000 0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 側推分析結果 δ 寬度大的建物 EI GA RC 造恢復力特性 也有將全構材模型化分析之精算分析 細長的建物 圖片摘至 新世代超高強度 RC 構造工程技術第二次研討會
多質點系模型之特徵 第一次振態為支配型, 且不會過度進入塑性範圍時, 與構架反應十分相似 多質點系模型無法得到構材的變形 應力反應值 第 1 次振態卓越時可從側推分析推定, 受高次振態的影響時, 也無法從側推分析來推定 對於設計地震之反應較小, 並確保梁降伏機構使第 1 次振態成為卓越時, 多質點系為有效的
各種參數化 遲滯迴圈 ETABS 2016
構材的保證設計 確認二次設計用變形時之保有水平強度及降伏位置 破壞機構之保證 1. 塑鉸構材 ( 如梁 受拉側外柱 ) 確保塑性變形能力 防止剪力破壞 2. 非塑鉸構材 ( 如柱 柱梁接合部柱梁接合部 ) 確保彎曲強度 防止剪力破壞
構材的保證設計 梁之保證設計 1. 剪力餘裕度之確保 Qsu QL + s sαα G QmQ Qsu: 剪力強度 ( 含握裹開裂 ) Qm: 梁兩端塑鉸之剪力 sα G : 剪力餘裕度
構材的保證設計 柱之保證設計 1. 彎曲餘裕度之確保 Mu m α c Mm Mu: 彎曲強度 Mm: 達破壞機構時之彎矩 mα c : 彎曲餘裕度
構材的保證設計 柱之保證設計 1. 剪力餘裕度之確保 Qsu s α C QmQ Qsu: 剪力強度 ( 含握裹開裂 ) Qm: 達破壞機構時之剪力 sαα C : 剪力餘裕度
構材的保證設計 柱梁接合部之保證設計 1. 剪力餘裕度之確保 Qsu s α P QmQ Qsu: 剪力強度 Qm: 達破壞機構時之剪力 sα P : 剪力餘裕度
超高層 RC 建築所使用材料及工法 高強度混凝土 高強度 大直徑主筋 高強度箍筋 預鑄工法
超高層 RC 建築所使用高強度混凝土 K1: 粗粒料相關係數 K2: 摻料相關係數 混凝土之抗壓強度與彈性係數之關係 (New RC 計畫案 )
高強度鋼筋如使用瓦斯壓接或焊接續接, 鋼筋母材的金屬組織將起變化, 很難得到與母材同等的強度, 因此使用套管續接或注漿續接等機械式續器 錨定則使用錨定板 鋼筋則使用螺紋節鋼筋 錨定板 ( 頭 ) 螺紋鋼筋續接 套管續接 ( 預鑄柱 )
降伏點 685 級降伏點 785 級降伏點 1275 級 銲接閉合型 螺旋箍 ( 有彎鉤 )
與日本千葉大學共同研究 ( 台灣與日本設計結果之差異 ) 使用 30 層 40 層之案例進行耐震 設計 為求比較方便, 斷面儘可能一致 配筋設計完成後進行相同之非線 性歷時分析的性能評估
台灣與日本耐震設計之流程 台灣耐震設計流程 日本耐震設計流程
對象建築物之柱梁代表性構材斷面及週期 柱斷面尺寸及配筋 梁斷面尺寸及配筋 基本週期
檢討用地震和恢復力特性 柱梁使用材料及平均重量
設計用地震力的比較 (30F) 國內 ( 以台北二區為例 ) 台灣法規指使用頂層集中力 計算例則採用動力分析之豎向分配 考慮中小度地震 設計地震 最大考量地震間之最大值設計用基層剪力係數 =0.223/T 日本之容許應力設計用基層剪力係數 C B =0.17/T 水平外力之豎向分配 (30F, X 向 )
設計用地震力的比較 (40F) 台灣法規指使用頂層集中力 計算例則採用動力分析之豎向分配 國內 =0.223/T 日本 =0.17/T ( 一次設計 ) 水平外力之豎向分配 (40F, X 向 )
以設計完成之柱梁配筋斷面進行靜力側推分析 檢討基層剪力係數與代表變形角關係 低約 12% 30F(X 方向 ) 40F(X 方向 ) 代表變形角為水平外力重心位置之水平位移除以其高度
層間位移角之比較 (X 方向,1/200,1/100) 上層部稍大
梁塑性率之比較 (X 方向 1/200,1/100) 1/200 差異小,1/100 上下層分布差異大 梁之彎曲韌性保證必需進行考慮非線性之變形評價
歷時分析 : 等級 1 地震作用時之反應值 (X 方向層間位移角 ) 最大值 最大值 1/245 1/202 1/265 1/270 最大反應層間位移角 (R1)
歷時分析 : 等級 2 地震作用時之反應值 (X 方向層剪力 ) 最大反應層剪力
歷時分析 : 等級 2 地震作用時之反應值 (X 方向層間位移角 ) <1/100 <1/100 <1/100 >1/100 最大反應層間位移角
歷時分析 : 等級 2 地震作用時之反應值 (X 方向梁塑性率 ) 上層部大於 4 最大反應梁塑性率
梁和柱之設計用彎矩 梁為塑鉸計畫構材, 隨水平變形之增大而彎曲降伏,M/Me 各樓層同樣增大 柱於較大位移時, 隨水平變形之增大, 柱反曲點移動,M/Me 各樓層分布將會不同 非塑鉸構材必須進行彈塑性分析計算保證變形時之設計應力 M: 彈塑性分析結果之彎矩 Me: 彈性分析結果之彎矩
層間位移角和梁塑性率之豎向分布 台灣例中上層之 (R/R T ) 及 (GDF/GDFA) 皆比其他樓層大, 可看出變形集中於上樓層之傾向 R: 位移角,R T : 整體位移角 GDF: 梁塑性率,GDFA: 平均梁塑性率
檢討結果 (1) 試設計建物於等級 2 地震作用時之層間位移角, 大概皆位於 1/100 以下, 但台灣例 40 層上層部有超出 1/100 之較大變形 (2)40 層樓之柱極限強度用設計彎矩, 隨著水平位移增大反曲點移動, 彈性分析和彈塑性分析之分析值有較大差異 (3)40 層樓之台灣例中, 代表性載重位移關係與日本例幾乎相等, 但等級 2 地震作用時之層間位移角不同, 有變形集中於上層樓的傾向 ( 靜力設計未考慮頂層外加水平力 ) (4) 台灣例之極限強度設計時, 希望進行與日本例相同之靜力彈塑性側推分析, 並使用對於地震時變形具有餘裕度之保證設計變形時的應力及變形 (5) 建議進行非線性歷時分析以評估設計建物之耐震性能
建築物概要 地盤 標準平面圖 標準構架圖 資料摘至 日本 ERI 建築物性能評定事例
基礎結構 耐震設計 主體結構 振動系模型 資料摘至 日本 ERI 建築物性能評定事例
載重 反應結果 耐風設計 資料摘至 日本 ERI 建築物性能評定事例
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