蘇源峰結構技師
發表於2018/07/09
鋼骨構造(SS)的結構安全可靠性
結構設計強度(V) | 消能機制 | 結構安全可靠性 |
V=1/4.8E低強度設計 | 利用樑、柱端鋼骨大量塑性變形來消散地震能量；預期有效的消能機制及結構韌性破壞，可以降低大約80%設計地震力。 | 低強度設計、樓層變形大，銲道及螺栓接合設計，施工品質受到極大考驗；如果品質有瑕疵，結構強度會降低。結構安全可靠性中等。 |
附註
E：耐震係數=法規最大可能設計地震力；
結構設計強度=20%耐震係數，利用結構破壞來消散能量、降低地震力；
樓層加裝阻尼器，同樣的結構設計強度，可以減緩樓層變形，增加結構的安全可靠性；
結構內、外牆體(如隔戶牆、隔間牆及預鑄外牆)不得妨礙構架變形及地震能量消散，否則，真實地震力會比預期大，各樓層樑、柱受力大小也會改變，造成破壞程度加劇。如果，1F柱子承受的地震力比其設計強度力，1F可能變成軟弱層，柱子容易遭受拉裂、壓潰，造成整棟建築物傾斜或倒倒塌。
RC構造的結構安全可靠性
結構設計強度(V) | 消能機制 | 結構安全可靠性 |
V=1/4E低強度設計 | 15公分RC牆限制樑、柱端鋼筋產生塑性變形，地震能量無法有效消散，地震力不會如設計預期可以大幅降低，而會遠大於結構強度；強震時，沒有與牆連結的結構必然會遭受嚴重破壞。 | 2F以上結構破壞集中在15公分RC牆門、窗開口周遭的樑、柱及牆，並以X形裂縫呈現。另外，1F挑高且牆量相對較少而形成軟弱層，柱容易遭受拉斷、壓碎及剪裂，造成整棟建築物傾斜或倒塌。結構安全可靠性低。 |
附註
E：耐震係數=法規最大可能設計地震力；
樑柱構架的結構設計強度=25%耐震係數，利用結構破壞來消散地震能量、降低地震力；
結構設計將15公分RC牆當作非結構牆處理，忽略其結構作用，造成地震力放大，部分結構桿件的結構強度小於所承受的地震力而破壞：
樓層加裝阻尼器，其消能所需的變形量受到15公分RC牆的限制，能夠降低樓層變形的效果有限，混凝土斜裂縫還是會發生在與RC牆開口相鄰的短桿件(長寬比<2的樑、柱及牆)上。
強震宅(RC、SS)的結構安全可靠性
結構設計強度(V) | 消能機制 | 結構安全可靠性 |
V=2/3E 高強度設計 | 排除梁、柱及牆破壞式的消能機制，而是在充足的阻尼器，並留設足夠的消能變形空間，可降低1/3的設計地震力。 | 鋼筋或鋼骨強震時全部保持彈性，樓層變形小，且梁、柱及牆的結構強度皆大於其所承受的地震力，結構不會破壞；除了提供有效的消能機制外，也可以增加1F的樓層勁度及強度，避免1F變成軟弱層，結構安全可靠性高。 |
附註
E：耐震係數=法規最大可能設計地震力；
沒有利用大規模結構破壞來大幅降地震力：而是保持結構完整，只配合阻尼器有效消散地震能量，適度降低地震力；
因應結構高強度設計，2F以上樑柱構架內裝設剛性斜撐(SS構造)或RC結構剪力牆(RC構造)：而1F樑柱構架內，牆與樑柱構架分離，柱可自由變形，並裝設相當數量的阻尼器，增加結構強度、避免軟弱層，及有效消能、降低地震力。
強震宅所應用的結構系統及阻尼器皆為專利產品。
結論
結構設計強度不等於耐震係數；
結構採低強度設計：利用結構破壞來消散地震能量，降低地震力，只要求強震時結構不倒、不傷及人命，耐震性能低；
結構採高強度設計：除了利用阻尼器代替結構破壞來消散地震能量、降低地震力外，也設計RC剪力牆或鋼斜撐來增加結構強度，嚴格要求強震時結構不能損壞，耐震性能高；
樑柱構架採用低強度設計，要確保內、外牆體不會妨礙構架的消能變形；否則，各樓層實際承受的地震力會大於其結構設計強度，造成局部樑、柱及牆斜裂縫破壞，1F也會變成軟弱層；
結構設計沒有考慮RC牆體的結構作用，是造成斜裂縫及軟弱層最主要的原因，也是台灣最常見的震害模式：提高10~20%的耐震係數、加裝阻尼器，都不是根本解決震害的有效措施；
強震宅結構設計考慮RC牆體及其開口的結構作用，及只利用1F阻尼器來降低地震力，並採用高強度設計，讓結構在強震時依然可以保持完整而不破壞。
資料來源／蘇源峰結構技師
