NCREE-2009-025
時間 2009-11-30
標題 在地震力作用下非韌性鋼筋混凝土構架倒塌行為研究
作者 吳俊霖、郭武威、黃世建楊元森羅俊雄
摘要
921集集大地震中為數不少的鋼筋混凝土建築嚴重受損甚至倒塌,並造成重大之損失。倒塌之鋼筋混凝土建築物大多都因為柱之垂直承載力喪失所致。從受損的柱發現多數為非韌性配筋,意即柱箍筋間距過大或不具備耐震135度彎鉤,而使得這些柱可能無法具備良好之消能與變形能力。因此,本研究為了要了解非韌性配筋之鋼筋混凝土柱其動態倒塌行為,遂執行四座單層三跨之非韌性配筋鋼筋混凝土構架振動台實驗,並採用921地震記錄作為輸入之地表加速度歷時。每座構架試體均由兩根韌性柱與兩根非韌性柱所組成,而變化之參數包括非韌性柱主筋在柱底端搭接之有無,與在非韌性柱旁採用翼牆補強等。
實驗結果顯示撓曲強度主控之非韌性配筋柱,其在撓曲強度達到後,大約在3.5%至4.0%之層間側位移才會開始側力強度之衰減,而剪力破壞發生之位移約在4.5%至5.5%左右。此顯示即便是低軸力、非韌性配筋且撓曲主控之鋼筋混凝土柱,其仍有不差之位移能力。另一方面在剪力破壞後,柱體之垂直承載能力開始下降,而喪失之垂直承載力可藉由構架來進行軸向載重之重分配。
非韌性配筋柱底端其3號主筋若採用30db之長度進行搭接,柱體之標稱彎矩強度可以發展出來。由於搭接所造成之握裹劈裂破壞,會使得柱體在單一方向產生大量之位移但強度可維持之特殊現象,不過在另一方向其位移能力則明顯小於未搭接之柱體,因此因搭接破壞造成之大量位移僅能夠在單一方向出現。30db之搭接長度應只適用於六號或六號以下之鋼筋,且必須採用甲級搭接型式,方可確保滿足現行規範之要求。
在非韌性搭接柱旁增設翼牆,除了增加柱體之初始勁度、最大側力強度外,在延長柱體之位移能力、延緩側力強度之衰減與增加整個構架系統之穩定度上,都有顯著之效果與貢獻。在翼牆與柱體之交界面處,需注意其界面剪力強度是否足夠,如此柱牆一體聯合作用之機制才能有效發展出來,也就不會因界面破壞造成柱牆脫開,使得補強效果大打折扣。
在分析方面,本研究建議了一套鋼筋混凝土梁、柱桿件之力傳遞機制,與側力位移曲線之評估方法。前者係考量構件之尺寸,箍筋的配置與混凝土的強度來決定桿件中D區域與B區域之大小,此與現行ACI 318-05規範只看構件尺寸來劃分D、B區域之觀點不甚相同。經與既有梁之測試資料庫比對後顯示,現行規範之方法簡單且有效,而本研究建議方法雖較為複雜,但其確實考量剪力之傳遞機制與相關破壞模式,故有再研究發展之空間。本文建議之側力位移曲線之評估方法,係先計算桿件之強度以便區分破壞模式,共分為撓剪破壞與撓曲破壞兩種,而各自都有其所對應之側力位移曲線。建議之側力位移曲線與四個試體之實驗曲線比對,顯示兩座原型試體有較好的預測結果,但在搭接試體與翼牆補強試體則無法反映出因搭接破壞引致位移放大之側力位移關係。
本文之最後一部分,係將目前既有之側力位移曲線預測方法與實驗曲線進行比對,以確認各方法在動態倒塌構架上之適用性。結果顯示Zhu et al.有最貼近實驗側力位移曲線之預測,而現行規範ASCE 41之修正版本仍屬保守,卻已大大改善FEMA 356 在位移預測上過於保守之缺失,並且也修正FEMA 356初期勁度過大之問題。
關鍵字 鋼筋混凝土, 非韌性配筋, 倒塌, 剪力強度, 搭接, 翼牆
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