制震、隔震外的抗震新選擇-強震宅

低造價、高安全、易配置、省空間、零維修


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921大地震後,坊間除了依建築技術規則中耐震規範設計的「耐震宅」以外,更有很多「制震宅」、「隔震宅」出現,但幾次較大地震後,不管哪一種建築都可被發現有結構破壞現象,顯然不管耐震宅、制震宅、隔震宅在設計上都存在很多問題。為解決這些問題,業界已有人提出所謂「強震宅」的新設計概念!在了解「強震宅」設計概念前,我們先來了解耐震宅、制震宅及隔震宅設計上相關問題。


耐震宅、制震宅及隔震宅的問題

耐震宅、制震宅、隔震宅的規劃設計上都有其考慮要點。耐震宅的設計,只要達成「小震不壞,中震可修,大震不倒」的耐震標準即可。至於制震宅、隔震宅的設計,則是要看能否達到以下四個標準:低造價,造價要接近耐震宅;高安全,強震時,結構不能破壞;易配置,阻尼器要容易配置安裝,不佔空間;零維修,阻尼器日後不要有維修的困擾。


一、耐震宅

耐震宅,不管鋼構造(SS) 或混凝土構造(RC)都採低強度設計,其結構設計強度約等於法規最大可能設計地震力(即耐震係數)的20~25%,由於結構強度遠小於地震力,結構容易遭受破壞。


其中SS耐震宅,遇到強震時樓層相對位移大,梁柱接合的銲道會受到反覆拉、剪作用,一般施工品質難以達到設計需求,導致銲道斷裂、結構強度降低。若要改善,只能考慮增加結構設計強度,但會增加成本。


至於RC耐震宅,則因僅設計梁柱構架,忽略15公分混凝土牆及其開口的結構作用,而使地震能量消散會從梁端破壞,轉移到混凝土牆開口周遭短梁、短柱及短牆的破壞;此外,破壞也會轉移至地震力較大而牆量較少的一樓,讓一樓變成軟弱層。若要改善,結構設計強度要提升至耐震係數的30%,但對於短構件及軟弱層破壞的改善,助益不大。

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▲地震後,RC建築常在門、窗開口周遭的梁、牆、柱產生X形裂縫。


二、制震宅

RC梁柱構架裝設阻尼器可說都是浪費資源的設計,因為15公分混凝土牆會限制樓層變形,讓阻尼器沒有足夠的變形空間以消散地震能量及降低地震力。至於SS梁柱構架裝設阻尼器,雖可以幫忙梁端消散地震能量,減緩梁端破壞程度及銲道斷裂的危險性,但前提是內、外隔牆不得妨礙構架變形。


三、隔震宅


隔震宅的設計理念為將隔震裝置裝設於隔震層,使隔震層可以產生相對較大的位移,相當於將矮樓變成高樓,而高樓的法規設計地震力比矮樓小。隔震宅都放在基礎層或地上層,因此除了耗費空間外,更因必須考慮鄰房碰撞距離,電梯、樓梯及管線的安全運作,隔震裝置的安裝精度要求高,造價成本增加較多,日後的檢修及維護更不可少。


此外,由於隔震宅的結構設計強度比耐震宅及制震宅低,因此必須從嚴調查土層的特性,尤其高樓隔震宅,確認結構物弱化,其設計地震力可能大幅降低,因此碰到軟弱土層、近斷層及12樓以上的狀況,隔震宅設計並不適用。

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▲隔震層浪費空間。


強震宅〈隔震柱減震結構系統〉

針對耐震宅、制震宅、隔震宅的相關問題,已有業者整合理論與實務,提出了以所謂「隔震柱減震結構系統」設計的「強震宅」來解決。強震宅採高強度結構設計,強度為耐震係數的三分之二,將一樓做為隔震層,讓一樓牆與梁柱構架分離,在梁柱構架內裝設THD剪力式阻尼器(RC)或THD消能斜撐(SS),提供阻尼器足夠的變形空間,以有效消散地震能量。而二樓以上的上部結構為彈性體,則設置剪力牆構架(RC)或剛性斜撐構架(SS),鋼骨及鋼筋彈性受力,梁柱接合銲道不斷裂、混凝土裂縫可閉合,讓建築物在強震時依然能保持完整不被破壞。與純梁柱構架相比,二樓以上剪力牆構架及剛性斜撐構架的設置,可以減少梁柱斷面尺寸,所節省的空間與相關費用,可以平衡阻尼器所衍生的費用。

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強震宅所用之THD阻尼器用高強度鋼板撓曲變形消能,變形大、穩定性高,其消能效率優於美、日同級品,擁有多國專利,具有體積小、不佔空間、容易包覆安裝簡單價格低廉等優勢。


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▲強震宅所使用的阻尼器體積小,安裝於一樓,幾乎不影響空間使用。


強震宅設計,抗震新又好的選擇

相對於耐震宅、制震宅、隔震宅的設計,強震宅設計確有如下優點:考慮內、外牆體及其開口的結構作用,避免短構件破壞;採用完全由阻尼器來消能的高強度設計,取代完全由結構破壞來消能的低強度設計;彈性承受地震力,比較可以忍受可能的施工瑕疵;一樓配置數量足夠的THD阻尼器,除了高效率消散地震能量、降低地震力外,也確保一樓不會變成軟弱層;符合低造價、高安全、易配置、省空間及零維修等條件。


因此,強震宅設計應是建築抗震新又好的選擇,可以成為建築物特點及賣點,能有效增加消費者的購屋意願!


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資料來源/蘇源峰結構技師


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