Structure System for Low-rise Buildings PART 1: 基 本 概 念 結 構 系 統 與 材 料 結 構 系 統 之 構 成 與 斷 面 概 估
基 本 概 念 結 構 設 計 原 則 一 個 結 構 系 統 必 須 滿 足 的 基 本 條 件 : 穩 定 (Stability) 與 贅 餘 力 (Redundancy) 強 度 (Strength) 韌 性 (Ductility) 功 能 性 (Functionality) 經 濟 性 (Economy) 美 觀 (Aesthetics)
基 本 概 念 - 穩 定 與 贅 餘 力 結 構 系 統 的 穩 定 不 穩 定 斜 撐 對 角 線 的 長 度 與 接 點 角 度 產 生 變 化 控 制 對 角 線 的 長 度 變 化 桁 架 剪 力 牆 角 撐 剛 性 接 點 同 時 控 制 對 角 線 長 度 與 接 點 角 度 變 化 控 制 接 點 角 度 變 化 剛 構 架
基 本 概 念 - 穩 定 與 贅 餘 力 贅 餘 力 額 外 靜 不 定 度 可 容 許 局 部 構 件 破 壞, 不 至 於 造 成 整 體 結 構 立 即 崩 塌 靜 定 結 構 不 穩 定 一 度 靜 不 定 結 構 靜 定 結 構 多 度 靜 不 定 剛 構 架 塑 性 鉸 發 生 應 力 重 分 配 不 穩 定
基 本 概 念 強 度 與 韌 性 強 度 材 料 / 構 件 抵 抗 外 力 的 能 力 韌 性 材 料 / 構 件 受 力 時 產 生 變 形 的 能 力 力 強 度 佳 韌 性 差 的 脆 性 材 料 強 度 與 韌 性 皆 佳 時, 可 吸 收 最 多 應 變 能 強 度 差 韌 性 佳 的 韌 性 材 料 應 變 能 : 受 力 - 變 形 曲 線 包 圍 的 面 積 變 形
基 本 概 念 載 重 載 重 的 種 類 長 期 載 重 靜 載 重 (Dead Load) 短 期 載 重 其 他 活 載 重 (Live Load) 土 壓 力 水 壓 力 風 力 地 震 力 衝 擊 載 重 爆 炸 載 重 溫 差 載 重 不 均 勻 沈 陷 載 重 施 工 誤 差 引 起 的 載 重 垂 直 載 重 水 平 載 重 低 層 建 築 受 地 震 力 之 影 響 通 常 遠 大 於 風 力
基 本 概 念 載 重 載 重 傳 遞 路 徑 樓 版 ( 梁 ) 柱 基 礎 地 盤 垂 直 載 重 的 傳 遞 方 式
基 本 概 念 載 重 載 重 傳 遞 路 徑 地 震 力 以 集 中 載 重 形 式 作 用 於 各 層 樓 版 質 量 中 心 處 慣 性 力 F = Ma 地 表 加 速 度 地 震 力 之 豎 向 分 配
基 本 概 念 載 重 載 重 的 估 算 1. 靜 載 重 結 構 體 自 重 與 材 料 及 結 構 系 統 有 關 鋼 骨 :0.8 t/m 2 RC: 1.0 t/m 2 ( 剛 構 架 ) 1.2 t/m 2 ( 壁 式 結 構 ) 2. 活 載 重 人 車 家 具 等 內 容 物 重 量 與 空 間 用 途 有 關 住 宅 :0.2 t/m 2 停 車 場 :0.5 t/m 2 書 庫 :0.6 t/m 2 3. 地 震 力 大 致 與 建 築 物 重 量 成 比 例 關 係 低 層 建 築 物 可 用 0.2W 保 守 估 算, W 為 建 築 物 總 重 量 單 位 面 積 靜 載 重 總 樓 地 版 面 積
基 本 概 念 結 構 行 為 結 構 的 模 型 化 實 際 的 建 築 物 結 構 體 ( 柱 梁 版 牆 ) 立 體 結 構 模 型 平 面 結 構 模 型 考 慮 地 盤 效 應 的 動 力 分 析 模 型
基 本 概 念 結 構 行 為 水 平 構 件 ( 梁 ) 主 要 承 受 側 向 力 ( 彎 矩 剪 力 ) 剪 力 彎 矩
基 本 概 念 結 構 行 為 水 平 構 件 ( 版 ) 版 可 視 為 梁 的 組 合 ( 單 向 或 雙 向 ), 因 為 薄, 撓 曲 行 為 較 明 顯 單 向 版 雙 向 版 ( 有 梁 ) 雙 向 版 ( 無 梁 )
基 本 概 念 結 構 行 為 垂 直 構 件 ( 柱 ) 同 時 承 受 軸 向 ( 軸 力 ) 與 側 向 力 ( 彎 矩 剪 力 )
基 本 概 念 結 構 行 為 垂 直 構 件 ( 牆 ) 可 視 為 寬 扁 的 柱, 因 為 斷 面 積 大, 軸 應 力 不 明 顯 面 內 方 向 主 要 為 受 剪 行 為, 面 外 方 向 則 類 似 版
基 本 概 念 結 構 行 為 力 的 傳 遞 所 有 載 重 都 要 透 過 垂 直 構 件 傳 遞 至 地 盤, 越 下 層 受 力 越 大 垂 直 載 重 水 平 載 重
基 本 概 念 結 構 行 為 剛 心 與 質 心 質 心 / 重 心 質 量 / 重 量 的 中 心 ( 垂 直 應 力 的 合 力 中 心 ) 剛 心 側 向 剛 度 的 中 心 ( 水 平 應 力 的 合 力 中 心 )
基 本 概 念 結 構 行 為 剛 度 受 力 與 變 形 之 比 值 何 種 構 件 剛 度 大? 1. 斷 面 慣 性 矩 大 的 構 件 (ex. 牆 > 柱 )
基 本 概 念 結 構 行 為 剛 度 2. 高 寬 比 小 的 構 件 (ex. 短 柱 > 長 柱 ) 3. 材 料 斷 面 相 同 時, 軸 向 剛 度 大 於 側 向 剛 度 受 側 力 受 軸 力 系 統 中 有 不 同 剛 度 的 構 件 時, 剛 度 大 者 負 擔 較 多 應 力
基 本 概 念 結 構 行 為 偏 心 扭 轉 剛 心 為 樓 版 發 生 側 向 變 位 時 之 轉 動 中 心, 地 震 力 作 用 於 重 心 若 剛 心 與 重 心 不 重 合, 則 地 震 力 造 成 力 矩, 使 樓 版 在 水 平 面 上 發 生 扭 轉 剛 度 大 剛 度 小
基 本 概 念 結 構 行 為 如 何 減 少 偏 心 扭 轉
基 本 概 念 結 構 行 為 接 點 確 保 構 件 的 連 續 性 才 能 有 效 傳 遞 應 力
基 本 概 念 結 構 行 為 基 礎 將 應 力 分 散 至 地 盤 避 免 差 異 沈 陷
基 本 概 念 結 構 設 計 觀 念 結 構 設 計 的 工 作 內 容 基 本 目 標 結 構 計 畫 結 構 計 算 結 構 書 圖 製 作
基 本 概 念 結 構 設 計 觀 念 高 層 建 築 與 低 層 建 築 的 結 構 設 計 概 念 差 異 高 層 變 形 能 力 大 : 韌 性 的 發 揮 低 層 變 形 能 力 小 : 強 度 的 發 揮
日本一般建築 結構設計準則 確保足夠的壁量 柱量 低層建築物 防止斜撐端部及柱梁接點 的破壞
低 層 建 築 常 用 材 料 與 結 構 系 統 材 料 鋼 筋 混 凝 土 (RC) 鋼 (S) 鋼 骨 輕 鋼 構 結 構 系 統 剛 構 架 壁 式 結 構 剪 力 牆 框 組 壁 木 材 大 木 集 成 材 2 4 二 元 系 統 剛 構 架 + 剪 力 牆 剛 構 架 + 斜 撐
結 構 系 統 常 用 低 層 結 構 系 統 剛 構 架 結 構 壁 式 結 構 二 元 系 統 ( 剪 力 牆 )
結 構 系 統 剛 構 架 剛 構 架 結 構 特 性 將 柱 與 梁 等 線 型 構 件 以 剛 接 方 式 組 合 而 成 的 結 構 形 狀 單 純, 施 工 容 易, 對 平 面 的 限 制 少 柱 梁 主 要 承 受 撓 曲 彎 矩 作 用 水 平 變 形 量 大, 必 須 確 保 構 材 有 足 夠 的 韌 性 剛 構 架 的 變 形 特 徵
結 構 系 統 剛 構 架 剛 構 架 結 構 要 點 1. 柱 梁 節 點 為 剛 性 接 合 ( 抗 彎 矩 接 合 ) 2. 構 件 之 連 續 性 與 均 質 性 ( 避 免 短 柱 短 梁 )
結 構 系 統 壁 式 結 構 壁 式 結 構 特 性 只 由 牆 壁 與 樓 版 構 成, 少 了 柱 突 與 梁 突 ( 梁 與 牆 壁 同 厚 ), 空 間 便 於 使 用 每 個 方 向 的 牆 壁 各 自 負 擔 該 方 向 的 水 平 載 重 適 用 於 低 層 建 物 (5 層 以 下 ) 的 有 效 耐 震 結 構 系 統
結 構 系 統 壁 式 結 構 壁 式 結 構 要 點 1. 每 個 方 向 均 需 維 持 足 夠 的 壁 量, 且 儘 量 垂 直 連 通
結 構 系 統 壁 式 結 構 壁 式 結 構 要 點 ( 適 用 二 元 系 統 ) 2. 牆 壁 勿 偏 於 一 側 配 置, 以 避 免 偏 心 扭 轉 建 議 例 : 不 建 議 :
結 構 系 統 壁 式 結 構 / 二 元 系 統 壁 式 結 構 與 二 元 系 統 之 差 異 二 元 系 統 : 在 剛 構 架 內 填 入 牆 壁 壁 式 結 構 : 在 牆 面 上 挖 出 開 口
結 構 系 統 結 構 平 面 例 剛 構 架 / 二 元 系 統 ( 小 學,RC, 地 上 3 層 )
結 構 系 統 結 構 平 面 例 壁 式 結 構 ( 集 合 住 宅,RC, 地 上 4 層 )
結 構 系 統 結 構 平 面 例 剛 構 架 結 構 ( 辦 公 + 集 合 住 宅, 柱 為 SRC, 梁 為 S, 地 上 17 層, 地 下 2 層 )
材 料 常 用 材 料 應 力 - 應 變 關 係 之 比 較 混 凝 土 抗 壓 不 抗 拉 強 度 與 剛 度 皆 為 鋼 > 混 凝 土 > 木
材 料 材 料 的 選 擇 因 素 經 濟 性 ( 造 價, 包 含 工 資 裝 修 ) 施 工 性 ( 材 料 是 否 容 易 取 得 / 構 築 ) 機 能 性 ( 隔 音 防 火 振 動...) 結 構 要 求 ( 大 跨 距 挑 空 懸 臂...) 空 間 感 ( 材 料 質 感 空 間 造 形...)
鋼 筋 混 凝 土 材 料 RC = Reinforced Concrete = 補 強 混 凝 土 以 可 抗 拉 材 料 (ex. 鋼 筋 ) 補 強 混 凝 土 不 抗 拉 的 缺 點 配 筋 原 則 : 將 鋼 筋 配 置 於 所 有 可 能 受 拉 的 地 方
鋼 筋 混 凝 土 構 成 RC 構 件 的 基 本 構 成 ( 柱 梁 ) 主 筋 ( 縱 向 鋼 筋 ): 抵 抗 軸 應 力 與 撓 曲 應 力 ( 拉 / 壓 ) 箍 筋 ( 橫 向 鋼 筋 ): 抵 抗 剪 應 力 混 凝 土 : 抵 抗 各 方 向 壓 應 力 包 覆 鋼 筋 防 止 其 挫 屈 及 鏽 蝕 / 火 害
鋼 筋 混 凝 土 構 成 RC 構 件 的 基 本 構 成 ( 牆 ) 通 常 配 置 垂 直 水 平 等 量 格 子 狀 鋼 筋, 有 開 口 時 於 角 隅 配 置 斜 向 補 強 筋
鋼 筋 混 凝 土 剛 構 架 RC 剛 構 架 梁 柱
鋼 筋 混 凝 土 剛 構 架 RC 剛 構 架 配 筋 詳 圖 為 使 柱 梁 主 筋 不 致 衝 突, 通 常 令 柱 寬 大 於 梁 寬 主 筋 應 錨 定 至 鄰 接 構 件 核 心 內, 以 確 保 應 力 連 續
鋼 筋 混 凝 土 剛 構 架 RC 剛 構 架 斷 面 尺 寸 概 估 最 頂 層 的 梁 深 約 為 跨 距 的 1/13 梁 寬 約 為 梁 深 之 1/2 ~ 1/3 柱 寬 約 為 (10 ~ 15)nA n: 樓 層 數 A: 此 柱 每 層 樓 負 擔 樓 板 面 積 每 往 下 2 層 約 增 加 5cm 日 本 文 獻 建 議 值 : 樓 版 大 梁 13~15 cm B = 30~40 cm D = 跨 距 的 1/10~1/8 W 柱 D = B = 0. 25~0. 30 fc' B = 30 + 2.5 總 樓 層 數 (cm) 地 梁 D = 80 + 5 總 樓 層 數 (cm) W= 柱 承 擔 總 垂 直 載 重 fc': 混 凝 土 強 度 =210~280kgf/cm 2
鋼 筋 混 凝 土 壁 式 結 構 RC 壁 式 結 構
鋼 筋 混 凝 土 壁 式 結 構 RC 壁 式 結 構 配 筋 詳 圖 開 口 部 周 圍 牆 壁 端 部 及 交 接 處 增 加 撓 曲 補 強 筋 交 接 處 及 端 部 鋼 筋 錨 定 處 理 ( 平 面 )
鋼 筋 混 凝 土 壁 式 結 構 RC 壁 式 結 構 壁 量 與 牆 厚 檢 討 Y 壁 量 以 各 方 向 總 壁 長 計 算 L 斜 向 牆 壁 以 各 方 向 分 量 計 算 : X 向 : L 2 cos Y 向 : 2 L sin θ θ X θ
鋼 筋 混 凝 土 壁 式 結 構 RC 壁 式 結 構 壁 量 與 牆 厚 檢 討 ( 各 方 向 總 壁 長 / 總 樓 地 版 面 積 )
鋼 材 料 鋼 材 的 特 性
鋼 構 成 常 見 的 鋼 斷 面 輕 鋼 構 斷 面 : 以 厚 度 6mm 以 下 的 薄 鋼 板 冷 軋 加 工 成 形
鋼 構 成 鋼 骨 斷 面 特 性 翼 板 抵 抗 撓 曲 彎 矩 腹 板 抵 抗 剪 力
鋼 構 成 鋼 骨 斷 面 特 性 H 型 斷 面 有 強 弱 軸 之 分, 多 用 於 梁 箱 型 斷 面 多 用 於 柱
鋼 構 成 螺 栓 接 合 剪 力 型 拉 力 型
鋼 構 成 銲 接 接 合 開 槽 銲 填 角 銲 塞 孔 銲
鋼骨 剛構架 鋼骨剛構架 柱梁接合部 托梁型
鋼 骨 剛 構 架 鋼 骨 剛 構 架 接 合 部 柱 梁 接 頭 處 應 有 連 續 板 傳 遞 翼 板 撓 曲 應 力 柱 梁 接 頭 未 加 連 續 版 時 可 能 發 生 的 破 壞
鋼 骨 二 元 系 統 鋼 骨 剛 構 架 + 斜 撐 樓 版 非 剛 性 樓 版 ( 混 凝 土 ) 時, 需 加 水 平 斜 撐
鋼 骨 二 元 系 統 斜 撐 與 小 梁 接 合 部 小 梁 與 大 梁 : 剪 力 接 合 ( 翼 板 未 連 接 ), 以 免 對 大 梁 造 成 扭 矩 斜 撐 : 以 續 接 板 和 構 架 相 連, 確 保 斜 撐 延 長 線 通 過 柱 梁 接 頭 中 心, 續 接 板 末 端 需 連 接 加 勁 版 傳 遞 應 力
鋼 骨 剛 構 架 鋼 骨 剛 構 架 斷 面 尺 寸 概 估 樓 板 厚 : 一 般 層 約 為 跨 距 之 1/24, 屋 頂 版 約 為 跨 距 之 1/40 屋 頂 採 用 山 形 桁 架 時, 深 度 約 為 跨 距 之 1/4~1/5 日 本 文 獻 建 議 值 : 樓 版 大 梁 柱 鋼 承 鈑 8~10 cm B = 15~30 cm D = 跨 距 的 1/15~1/20 D = B = 20 + 4 總 樓 層 數 (cm) 地 梁 D = 跨 距 的 1/8~1/10
輕鋼構 框組壁 輕鋼構框組壁結構
輕 鋼 構 框 組 壁 框 組 壁 之 構 成 以 斜 撐 與 水 平 斜 撐 維 持 面 內 剛 度 與 強 度 組 合 柱 斷 面 水 平 構 造 ( 梁 + 樓 版 ) 直 接 架 在 底 下 的 牆 構 材 上
輕 鋼 構 框 組 壁 框 組 壁 之 構 成 屋 頂 面 之 構 成 外 牆 之 構 成
輕 鋼 構 框 組 壁 輕 鋼 構 斷 面 尺 寸 概 估 樓 板 擱 柵 深 : 一 般 層 約 為 跨 距 之 1/20, 屋 頂 椽 深 約 為 跨 距 之 1/24 屋 頂 採 用 山 形 桁 架 時, 深 度 約 為 跨 距 之 1/4 柱 寬 : 總 樓 層 數 1F 2F 3F 尺 寸 9cm 15cm 20cm 擱 柵 與 柱 間 距 一 般 為 60cm
木 構 成 木 材 之 來 源 1. 直 接 裁 切 斷 面 2. 集 成 材 乾 燥 時, 不 同 部 位 的 扭 曲 型 態 常 用 集 成 材 之 種 類 集 成 材 之 製 作 過 程
木 構 成 木 構 造 之 接 合 1. 木 與 木 之 接 合 對 接 企 口 接 榫 接
木 構 成 木 構 造 之 接 合 2. 以 鐵 件 輔 助 接 合 鐵 釘 螺 絲 釘 螺 栓 剪 力 環
木 構 成 木 構 造 之 接 合 2. 以 鐵 件 輔 助 接 合 鐵 釘 螺 絲 釘 螺 栓 剪 力 環
大 木 構 架 + 斜 撐 大 木 構 架 結 構
大 木 構 架 + 斜 撐 大 木 構 架 結 構 + 斜 撐 木 柱 梁 接 點 之 剛 性 不 佳, 為 抵 抗 水 平 力 應 在 構 架 內 加 入 水 平 與 垂 直 斜 撐
大 木 構 架 + 斜 撐 大 木 構 架 結 構 接 合 細 部
集 成 材 剛 構 架 集 成 材 剛 構 架 結 構 以 大 斷 面 的 集 成 材 可 製 作 大 跨 距 的 剛 構 架 結 構, 應 注 意 確 保 接 合 處 的 剛 性 梁 與 梁 之 接 合 集 成 材 剛 構 架 示 意 圖 柱 梁 剛 接 形 式
大 木 / 集 成 材 大 木 / 集 成 材 結 構 之 斷 面 尺 寸 概 估 樓 板 擱 柵 深 : 一 般 層 約 為 跨 距 之 1/30, 屋 頂 約 為 跨 距 之 1/40 梁 深 : 大 木 梁 約 為 跨 距 之 1/15, 集 成 材 約 為 跨 距 之 1/20 屋 頂 採 用 山 形 桁 架 時, 深 度 約 為 跨 距 之 1/2~1/5 正 方 形 柱 寬 (cm) 約 為 na 0.25 ~ 0.3 n: 樓 層 數 A: 此 柱 每 層 樓 負 擔 樓 板 面 積 (m 2 )
2 4 框 組 壁 2 4 框 組 壁 結 構
2 4 框 組 壁 2 4 框 組 壁 之 基 本 構 成 2" 4" 之 規 格 化 斷 面
2 4 框 組 壁 2 4 結 構 之 構 築 順 序
2 4 框 組 壁 2 4 結 構 之 斷 面 尺 寸 概 估