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台湾地区自921大地震後造成的人员伤亡及财产损失给社会经济及人们的心里带来了巨大的负面影响。因此,对既有建筑物维修补强及新建筑物设计阶段,如何控制结构的地震破坏程度,使地震灾害损失减到最少就愈显重要。传统旧规范是以强度,或强度韧性设计,无法把建筑物生命周期受地震破坏情形及经济损失程度透明化描述说明。近年来兴起基於以变位及多元参数的性能耐震设计理念与方法,已得到世界各国地震工程界的广泛认可,新建筑物设计,老旧建筑物强度评估、维修补强,已明订於规范中。
鉴於业主已要求设计单位,进行耐震性能设计,却又无一规范或设计指南可遵循,或有设计分析检核评估验证实例可供酌参,在实务工程设计中真正体现性能耐震设计理念,性能设计方法、完善的耐震设计规范、存有大量的问题需待进一步研究解决,工程师们要进行耐震性能设计受到很大挑战。
基於性能的耐震设计方法,首要探讨性能设计之理念,包括性能目标与标准,性能等级以及地震危害,以及了解各种结构分析方法,并探讨世界各国有关性能设计规定,从而对台湾历年来有关性能设计法规之探索,台湾现行设计规范虽隐含有部分耐震性能设计之理念,如考虑30年回归期、475年回归期、2500年回归期之地震,及要求475年回归期地震下非弹性位移发生极限值之一半、中小地震下为控制非结构墙之破坏而限制最大层间变位之比值,规范也考虑多等级地震危害下之耐震设计目标,但现行规范仍然强调强度设计,仅对中小地震下之结构变位加以限制,用以控制中小地震下之非结构构材之破坏,而非采用性能设计方法。
台湾地区始於1997年版规范方有韧性耐震设计之规定,而性能设计以非线性分析方法为主要,本文由韧性对地震之效用与周期关系,建筑物之韧性容量及耐震设计基本原则加以研究,非线性分析方法有关之容量震谱、需求震谱,ARDS曲线之建立加以基础研究。
进而探讨传统旧规范及强度韧性设计法,强度韧性耐震能力评估法,以各半层耐震能力表示耐震能力,发现其不足之处。无法把建筑物生命周期受地震破坏情形及经济损失程度透明化描述说明清楚。研析,现行设计规范之强度韧性法,无法掌控结构之破坏机制,不能有效估计结构在强地震力作用下工作性能之缺失。
惟有,探讨非线性静力分析法(推覆分析法),用以估计结构和构件之非线性变形,结果比强度韧性法更接近实际,能掌握破坏机制。但利用推覆分析法(PushoverAnalysis)进行耐震能力评估与设计,在实务上存在有许多问题,如混凝土构造,空框架、含砖墙或剪力墙等塑性铰之建构,分析流程,采用分析软件特性之掌握诸多问题,有待克服。通过本文的算例验证,发现其不足之处,提出改善方式,可供可实务上应用。
台湾工程师进行结构设计最常用的套装程式为ETABS及SAP2000,这两套程式提供的非线性静力分析又称推覆分析,推覆分析可用以计算建筑物的基底剪力与屋顶变位的关系曲线,经由ATC-40的转换规则,可得到建筑物的崩塌地表加速度。
由於ETABS及SAP2000程式中七种非线性塑性铰中,均无法直接应用於二维RC墙上,因此需设法以一维梁柱元素或二力斜杆替代之模拟RC墙之非线性行为。本文以ACI规范、相关文献及软化压拉杆观念探讨RC剪力墙承受剪力之剪力强度及变位行为,并提出剪力墙侧向强度及变位预测模式,文中收集台湾12个全尺寸RC剪力墙测试资料证明预测模式之准确性,最後再以ETABS程式说明预测模式分析方法。
台湾一般使用者在推覆分析时多使用SAP2000或ETABS软件,但经常由於使用者不熟悉内部参数设定,导致分析结果可信度降低。有监於此,本文将以内政部建筑研究所出版之《钢筋混凝土建筑物耐震能力评估法与推广》报告中的塑性铰评估为基础,参考FEMA-273、ATC40等建议方法,发展出一套合理的推覆分析及耐震能力评估方法:最後再以实验室试验数据进行比对,并以「花莲新城国中」示范耐震能力评估的过程。
改善推覆分析法,使其适合台湾地区工程实务,以ETABS为分析软件,本文通过对混凝土构造空框架、含砖墙、剪力墙推覆分析法之理论研究并经实例试验资料比对进行综合比较分析,建立塑性铰及分析流程之分析模型,通过本文多个算例的验证,适用於混凝土构造、钢构造、隔震构造、各种楼层及复杂结构的非线性计算分析。应用ETABS非线性计算软件,采用本文提出的塑性铰及分析流程之分析模型,分别对6层混凝土构造框架结构模型、35层钢构造框架结构、28层及23层混凝土构造框架结构模型、14层混凝土构造框架隔震结构模型,进行了不同地震波下的推覆分析法及动力时程非线性分析。
为探讨建筑物在强大地震力作用下之非线性变形行为,本研究将强度韧性法及推覆分析方法进行比较。此外,本研究不仅利用推覆分析方法讨论钢筋混凝土框架、剪力墙及砖墙的抗震能力,同时亦提出含消能墙、阻尼器及隔震等建筑物详细评估方法,提出研究结果与建议。
综上本文探讨台湾地区按历年来(包括新近旧技术规则)设计施工之建筑物结构耐震能力多有不足,且未能符合耐震性能设计之需求,本文提出基於性能设计实用方法,以期促进早日进入耐震性能设计时代,得以提升建筑物之耐震能力,保障生命财产之安全及符合经济性、社会性之需求。