耐震設計基本觀念

科目概述

耐震設計規範建築物抵抗地震的能力。本章聚焦地震反應、性能目標、韌性設計、不規則性、隔震制震與補強。

本章重點

重點 內容 重要度
地震反應 週期、阻尼、地盤、反應譜 ⭐⭐⭐
性能目標 小震、中震、大震 ⭐⭐⭐
韌性設計 延性、容量設計 ⭐⭐⭐
不規則性 軟弱層、扭轉、退縮 ⭐⭐⭐
隔震制震 隔震器、制震器 ⭐⭐
補強 增設剪力牆、斜撐 ⭐⭐

考試定位

耐震題重視設計哲學、反應譜、規則性、韌性細節、非結構構材與補強。法定參數應回查現行規範,本章聚焦可推導的概念。

地震反應

地盤運動使質量產生慣性力。單自由度系統週期可概念化為:

T = 2π × √(m/k)
  • T:週期
  • m:質量
  • k:剛度

週期影響

因素 影響
質量增加 週期變長
剛度增加 週期變短
地盤軟弱 週期變長
阻尼增加 反應降低

反應譜

  • 定義:不同週期結構的最大反應
  • 影響因素:地盤條件、阻尼、震源特性
  • 用途:決定設計地震力

地盤分類

類別 說明
第一類 岩盤或硬質土壤
第二類 普通土壤
第三類 軟弱土壤

性能與韌性

常用概念為小震維持使用、中震允許修復、大震避免倒塌。延性設計藉可控制的塑性變形消能;容量設計使梁端彎曲等延性機制先發生,保護柱、接頭與剪力構件。

性能目標

地震等級 性能目標
小震 維持使用,無損害
中震 允許修復,可維持使用
大震 避免倒塌,保障生命

韌性設計

延性

  • 定義:進入非彈性後仍能變形的能力
  • 重要性:提供預警與消能
  • 設計:確保塑性鉸形成

容量設計

  • 目的:使延性機制先發生,保護其他構件
  • 方法
    • 強柱弱梁:柱強度大於梁強度
    • 強剪弱彎:剪力強度大於彎曲強度
    • 接頭強度:接頭強度大於構件強度

塑性鉸位置

位置 說明
梁端 預定塑性鉸位置
柱端 避免塑性鉸形成
接頭 避免接頭破壞

非結構構材

構材 考慮
隔間牆 可能影響剛度
外牆 需與結構變形協調
天花板 需固定牢靠
管線 需有柔性接頭

不規則性

類型 問題 改善方向
軟弱/柔弱層 層間位移集中 連續配置抗側構材、避免首層突變
扭轉不規則 邊緣構件需求放大 降低質量與剛心偏心、平衡牆架
立面退縮 剛度與強度突變 漸進量體、連續傳力與局部加強
短柱 剪力需求大且破壞脆 避免填充牆局部拘束或加強剪力
平面凹角 樓版傳力集中 加強橫隔與集力構件、設縫分棟

軟弱層

定義

  • 某樓層剛度低於上一樓層 70%
  • 某樓層強度低於上一樓層 80%

問題

  • 變形集中於軟弱層
  • 構件需求放大
  • 可能形成層機構

改善

  • 連續配置抗側構材
  • 避免首層突變
  • 增設剪力牆或斜撐

扭轉不規則

定義

  • 質量中心與剛度中心偏心
  • 邊緣構件需求放大

問題

  • 邊緣構件需求放大
  • 扭轉效應增加

改善

  • 降低偏心
  • 平衡牆架
  • 增設扭轉抵抗構材

立面退縮

定義

  • 建築物量體向上退縮
  • 剛度與強度突變

問題

  • 剛度與強度突變
  • 應力集中

改善

  • 漸進量體
  • 連續傳力
  • 局部加強

短柱

定義

  • 柱淨高與柱寬比小於 4

問題

  • 剪力需求大
  • 破壞脆性

改善

  • 避免填充牆局部拘束
  • 加強剪力
  • 加密箍筋

平面凹角

定義

  • 建築物平面有凹角

問題

  • 樓版傳力集中
  • 應力集中

改善

  • 加強橫隔
  • 加強集力構件
  • 設縫分棟

隔震、制震與補強

隔震

原理

  • 延長結構週期
  • 降低上部結構加速度

隔震器

類型 說明
橡膠隔震器 橡膠與鋼板疊合
滑動隔震器 滑動面
彈簧隔震器 彈簧

設計考量

  • 位移需求增加
  • 管線需柔性
  • 基礎需加強

制震

原理

  • 增加耗能
  • 增加等效阻尼

制震器

類型 說明
黏性阻尼器 黏性耗能
摩擦阻尼器 摩擦耗能
金屬阻尼器 金屬降伏耗能
調諧质量阻尼器 調諧共振

設計考量

  • 位置選擇
  • 耗能能力
  • 維護需求

補強

補強方法

方法 說明
增設剪力牆 增加抗側剛度
增設翼牆 增加柱強度
擴柱 增加柱斷面
增設斜撐 增加抗側力
增設消能元件 增加耗能

補強原則

  • 全面檢討,避免弱點轉移
  • 檢查基礎與載重路徑
  • 考慮非結構構材

與其他科目的關聯

科目 關聯性 說明
建築技術規則 ⭐⭐⭐ 耐震設計、構造審查
建築法 構造審查、簽證責任
建築計畫與設計 ⭐⭐ 平立面規則性
建築結構 ⭐⭐⭐ 結構分析、構件設計
建築構造 ⭐⭐ 構造工法、施工

易錯辨析

常見錯誤 1:硬不等於安全

  • 錯誤:認為建築越硬地震力越小
  • 正確:建築越硬不一定地震力越小,需考慮週期與地盤

常見錯誤 2:伸縮縫不等於防震縫

  • 錯誤:認為設伸縮縫就形成足夠防震間距
  • 正確:設伸縮縫不等於形成足夠防震間距

常見錯誤 3:局部補強可能轉移弱點

  • 錯誤:認為只補強單一樓層就足夠
  • 正確:只補強單一樓層可能把弱點轉移

常見錯誤 4:忽略非結構構材

  • 錯誤:認為非結構構材不影響結構
  • 正確:非結構構材可能影響剛度與破壞模式

例題

例題 1:週期計算

題目:一結構物總重量 W=50000 kN,總剛度 K=100000 kN/m,試計算基本週期。

解答

  1. 計算質量

    m = W / g = 50000 / 9.81 = 5097 t
  2. 計算週期

    T = 2π × √(m/k) = 2π × √(5097/100000) = 0.449 s

例題 2:軟弱層判斷

題目:一建築物一樓剛度 8000 kN/m,二樓剛度 12000 kN/m,三樓剛度 11000 kN/m,是否有軟弱層?

解答

  1. 計算剛度比

    • 一樓/二樓 = 8000/12000 = 0.67 < 0.7
    • 二樓/三樓 = 12000/11000 = 1.09 > 0.7
  2. 判斷

    • 一樓剛度低於二樓 70%,為軟弱層
  3. 改善建議

    • 增設剪力牆或斜撐
    • 避免首層突變

重點主題

  • 地震反應與反應譜
  • 性能目標與韌性設計
  • 不規則性分析與改善
  • 隔震制震原理
  • 補強方法與原則

學習資源

資源類型 建議用途
耐震設計規範 熟讀設計公式與細節
地震工程 深入理解地震反應
歷屆試題 練習耐震設計
案例分析 了解實際震害

章末速讀

耐震口訣:「地盤輸入 → 質量與週期 → 抗側系統 → 規則性 → 韌性機制 → 非結構與基礎」

階段 核心問題 常見考點
地盤 地震如何輸入? 地盤分類、反應譜
週期 結構反應如何? 質量、剛度、週期
系統 如何抵抗? 構架、剪力牆、斜撐
規則性 有無不規則? 軟弱層、扭轉、退縮
韌性 如何破壞? 塑性鉸、延性、容量設計
非結構 其他影響? 隔間、外牆、管線
基礎 如何傳遞? 基礎、地盤

考試答題原則:先了解地震輸入→分析結構反應→檢查規則性→設計韌性機制→考慮非結構→複核基礎

申論與圖面練習

1. 為何軟弱層與扭轉不規則會提高震害風險?如何改善?

作答關鍵:

  • 變形集中於低剛度樓層
  • 質量與剛心偏心造成扭轉
  • 構件需求不均
  • 改善平立面規則性
  • 增設牆斜撐或調整構材配置

常見問題 QA

耐震設計主要考什麼?

涵蓋地震反應、性能目標、韌性設計、不規則性、隔震制震、補強等核心概念。

這個單元的難度如何?

屬於高難度單元,需要理解地震工程原理並能應用於設計。

常見題型有哪些?

常考地震反應、不規則性分析、韌性設計、隔震制震比較。

複習測驗

耐震設計複習

1質量增加而剛度不變時,週期如何?
請選擇一個答案
解析

T與質量平方根成正比。(對應正文考點)

2軟弱層的主要問題為何?
請選擇一個答案
解析

低剛度樓層集中側移。(對應正文考點)

3隔震主要如何降低反應?
請選擇一個答案
解析

隔震層改變動力特性。(對應正文考點)

4強柱弱梁欲避免何者?
請選擇一個答案
解析

柱先破壞可能造成樓層崩塌。(對應正文考點)