耐震設計新舊規範最小水平地震總橫力之大小比較

□曾長智／土木技師、結構技師、中華顧問工程司執業技師

摘要
         一般鋼筋混凝土構造之建物於設計時均為地震力控制，因此地震力之大小決定了建物結構構材之尺寸大小，亦即直接影響建物土建部分之造價成本。自從94年耐震設計規範與解說頒布施行後，許多設計工程師面臨繁複之計算公式與參數時，卻無法迅速掌握新舊規範間之重大差異，尤其所關心建物成本是否因而昇降？也無法就以往設計經驗來評估，間接造成設計工程師的些微困擾。本文就新規範中依鄉鎮市區（除台北盆地外）區別的一組四個重要參數SSD、S1D、SSM、S1M，將其區分為二十三類，加上台北盆地的四類分區，於結構韌性容量R值為4、用途係數I為1.0，分別依第一、二、三類地盤種類的假設條件下計算，繪得新舊規範於建物震動週期3秒內之最小地震水平總力係數與周期關係之比較曲線圖。設計工程師只要依據建物高度藉由經驗公式算得之周期，對照該區之比較曲線圖，便可輕易查出新舊規範之差異及依新規範計算所得之最小地震水平總力。設計工程師講究的是感覺經驗，希望本文之圖表能為e世代設計工程師多提供一些Feeling，藉以突破傳統的規設瓶頸，淋漓盡致地發揮結構設計的有限空間

一、前言

        94年7月1日內政部令頒施行最新建築物耐震設計規範及解說【1】，同時廢除建築物隔震設計規範；不僅變更舊有規範部份內容並新增了包括「耐震工程品管」、「既有建築物之耐震能力評估與耐震補強」、「隔震建築物設計」、「被動消能系統」等章節。變更內容中對設計鋼筋混凝土建築物影響最大者，應屬第二章靜力分析法了。其中加入了許多震譜分析的研究參數及對照表格、公式，由於處理新增的參數時，似乎顯得較舊規範複雜許多，造成對新規範不甚了解的設計工程師莫大困擾。其實仔細比對新舊內容將發現，新規範不僅地震分區較細，較合乎地震測站蒐集資料之顯示結果，所增加之參數及其對照公式也顯明易懂，足見我國近年之設計規範已臻至國際水準。當然若無界面程式之幫助，設計工程師還是很難與時間競賽的。所以目前許多顧問公司或技師事務所均已完成相當好用之界面程式，並普遍流傳於業界，所以本文不擬介紹界面程式之撰寫方法（其實若採試算表撰寫，將十分容易，有興趣之讀者可參考拙作【3】。）。一般鋼筋混凝土建物之結構設計乃由地震力控制，所以耐震設計規範之變更勢必影響到相關之結構設計，而影響之程度究竟多大，相信是許多設計工程師迫切關心，極欲了解的課題。本文擬將最無學問的整理圖表工作完成，提供設計工程師ㄧ些簡便實用的參考工具。

二、新耐震設計規範中相關最小設計水平總橫力之簡介

        新規範於第二章靜力分析法與舊規範最大的差異其實僅有兩點，分別概述如下：第一點即以SaD替代ZC。第二點即增加考量2500年回歸期之最大考量地震力，該項地震力允許耗盡結構韌性，故容許韌性容量Ra直接取R替代。由於係以SaD替代ZC，想當然爾SaD與工址所處震區及工址地盤種類有關，而以往對周期分區採用固定常數方式，雖然很好用卻不盡合理，此番新規範統合上述特點提出新參數SSD、S1D、SSM、S1M、T0D、T0M、Fa、Fv、NA、NV，藉以合理地詮釋SaD。新規範首先由工址所在之鄉鎮市區劃分，求取四個主要參數SSD、S1D、SSM、S1M（藉由該表可知所處斷層位置名稱），再由地盤參數VS、N、Su區分為一、二、三類，藉由SSD或SSM與地盤分類分別查表求取Fa，而SDS=SSDFa、SMS=SSMFa，同法藉由S1D或S1M與地盤分類分別查表求取Fv，而SD1=S1DFv、SM1=S1MFv，接著求出周期分區之重要參數T0D= SD1/SDS、T0M= SM1/SMS，如此便可順利求得SaD與SaM。如同舊規範台北盆地由於盆地效應影響所以個別考量，新規範將台北盆地微分為一、二三、四區，直接查表求得SDS、 SMS、T0D、T0M，同樣求得SaD與SaM。新規範之特色為一般工址與台北盆地所採用SaD與SaM之公式均相同，十分容易理解。若所處工址為斷層時，則由工址與斷層之水平距離r分別查表求得NA、NV，相關參數SDS、SMS 、SD1、SM1由Fa與NA、Fv與NV直接求得。如同舊規範對(C/Fu)之限制修正為(C/Fu)m，新規範亦對(SaD/Fu)之限制修正為(SaD/Fu)m、(SaM/Fu)之限制修正為(SaM/Fu)m。相信藉由上述之介紹後，讀者應可發現新規範並不如想像中複雜，吾人再整理出新舊規範最小設計水平總橫力求取公式比較表如下列，相信更能理解其中差異。
表一　新舊規範之最小設計地震水平總橫力比較表

三、繪製最小設計總橫力係數與周期關係曲線之方法

        由一般工址查表求取四個主要參數SSD、S1D、SSM、S1M時，會發現該四個參數並非任意地組合，吾人將其歸類後，共可分為23個類別，分別將23個類別（表二）及對照類別（表三）列表如後。

表三　對照類別列表















        相關求取水平地震力係數時所採用之參數，吾人採用設計時常用之鋼筋混凝土造具韌性抗彎矩構架SMRF，且具非結構牆時，結構系統韌性容量R為4（當然若採用不同R值應有不同結果，本圖表也不再適用）；用途係數I則採用1（由於I與水平地震力係數成正比，故採用不同I值時只須將查表結果乘以I值即可。）；起始降伏地震力放大倍數αy則採用目前業界慣用載重組合下之1.5（若依據土木401-93混凝土工程設計規範與解說【4】所載之最新載重組合計算時，則αy=1.0，只須將查表結果乘以1.5即可。）；取地盤種類分別為第1、2、3類時，計算3秒週期內新舊規範之水平地震力係數 Kh（分別以Khn代表新規範，Kho代表舊規範，相關公式參見表一。），再依據週期及計算所得之水平地震力係數值繪出周期與水平地震力係數之關係曲線圖。由於斷層考量較為複雜，故除類別17、19明確分屬車籠埔斷層及新化斷層，採最大r值考量外（亦即取NA=1、NV=1），其餘皆以一般工址考量。其中舊規範所對照採用之震區係數Z值可參見表二所列。為方便查圖表，曲線圖以兩組數字命名，第一組數字代表類別，第二組數字代表地盤種類，例如圖15-2即代表表二所列第15類第二類地盤之周期與水平地震力係數之關係曲線圖。

四、圖表查閱範例

        吾人參考「建築物耐震設計規範說明會」講義【2】中蔡益超教授所舉之地震總橫力計算例為例，考量一自地面起算高27.4公尺之建築物座落在新竹市東區，屬第二類地盤，查規範可得SSD =0.7、S1D =0.4、SSM =0.9、S1M=0.5，建築物振動週期之計算：T=0.07（hn）3/4=0.07（27.4）0.75=0838秒。T設計=min（Tdynamic，CuT經驗經驗）=min（1.0，1.2*0.838）=1.0秒；R=4（韌性立體剛構架，SMRF具非結構牆），Ra=1+(R-1)/1.5=1+3/1.5=3，Fu=3；考慮設計時之總橫力係數KhD ：由SSD、S1D查得 Fa=1.0、Fv=1.3，可求得SDS =0.7、SD1=0.52，T0D= SD1/ SDS =0.52/0.7=0.743，SaD(1.0)= SD1/T設計=0.52，KhD =1.0/(1.4*1.0)(0.52/3)m=0.124；最大考量地震時之設計地震總橫力係數KhM：由SSM、S1M查得 Fa=1.0、Fv=1.1，可求得SMS=0.9、SM1=0.55，T0M=SM1/SMS=0.55/0.9=0.611，SaM(1.0)=SM1/T設計=0.55，KhD=1.0/(1.4*1.0)(0.55/4)m=0.098；避免中度地震降伏之設計地震力係數Kh*：Kh*=IFu/(4.2αy)(SaD/Fu)m=1.0*3/(4.2*1.0)(0.52/3)m=0.124；Khn=max(KhD，KhM，Kh*)=0.124。而查閱本圖表時先由新竹市東區查本文所附表二，可知屬第15類，而本例屬第二類地盤，故可由圖15-2查得Khn=0.0825，由於本例αy取1.0故須將所查得值乘以1.5倍方為所求，即Khn=1.5*0.0825=0.124。所對照舊規範查得Kho=0.0943，將所查得值乘以1.5倍Kho=1.5*0.0943=0.141，直接求得新舊規範比值Khn/Kho=0.0825/0.0943=0.875，故可知本例新規範所求得之最小水平地震總橫力反而較舊規範所得為小。經由上例說明，讀者應能了解本圖表之查閱方式，不需多費工夫計算可迅即獲得新舊規範之參考資料，相信本圖表能提供設計工程師另一簡便之參考工具。

五、新舊規範最小水平總橫力大小比較分析結果

        綜合23組類別及台北四分區之比較曲線圖可大致歸納出以下結果：
         (一) 編號第1、2、3、7組類中屬第一類地盤，於周期7秒前，新規範之地震力較舊規範地震力大出約3成左右。
         (二) 編號第9、10、13組類之新規範地震力反而較舊規範地震力小約1成。
         (三) 編號10、14組類於第一類地盤之新規範地震力較舊規範之地震力大出約4成，而編號12組類於第一類地盤之新規範地震力較舊規範地震力更大出約5成。
         (四) 編號10組類於第二、三類地盤之新規範地震力較舊規範之地震力也大出約3.5成，而編號12、14組類於第二，三類地盤之新規範地震力較舊規範地震力亦大出約4成。
         (五) 編號1至8組類新規範地震力較舊規範之地震力大出約3成。
         (六) 編號15至23組類於7秒周期前新規範地震力與舊規範地震力十分接近。
         (七) 台北一區新規範地震力較舊規範之地震力大出約4成，其餘台北二、三、四區新規範地震力較舊規範之地震力亦大出約3成。

六、結語

        本文所附圖表雖無學問可言，不過吾人秉持對土木界一貫的理想與熱忱，只要能對工程師有所助益，縱使製作耗時，亦不屬任何計畫或有經費支持，吾人亦義不容辭盡全力以赴。一直以來吾人對福爾摩沙這塊美麗島嶼上的雄偉土木建設，便充滿著諸多理想與抱負。期待更多具阿甘精神的e世代工程師能不求名利地共同默默付出，一起為本土建設共同打拼，共創未來美好的土木建設，進而引領國際潮流，讓福爾摩沙之光映照全球。■

參考文獻

1. 內政部營建署編輯委員會，「建築物耐震設計規範及解說」，營建雜誌社，民國九十三年十二月。
2. 內政部營建署、內政部建築研究所，「建築物耐震設計規範說明會」講義，財團法人中華建築中心，民國九十四年七月。
3. 曾長智，「快速設計法簡介－「雙向版係數法自動配筋」範例」，現代營建雜誌第309期，民國九十四年九月。
4. 中國土木水利工程學會，「土木401-93混凝土工程設計規範與解說」，科技圖書股份有限公司，民國九十三年十二月。