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研究生： 蘇彥豪
Su, Yen-Hao
論文名稱： 建築物連牆出入口地震力破壞實驗探討
Experimental Study on Earthquake Damage of Building Exit with Masonry Wall
指導教授： 張嘉祥
Chang, Ja-Shian
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 規劃與設計學院 - 建築學系
Department of Architecture
論文出版年： 2002
畢業學年度： 90
語文別： 中文
論文頁數： 157
中文關鍵詞： 功能設計 、磚牆 、出入口 、石膏板牆 、震害
外文關鍵詞： Performance-Based Design, Brick wall(s), Exit, Door, Earthquake Damage
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    • 　　有關建築物之耐震安全，在美日已逐漸發展出以功能為基礎之耐震設計，其設計考量除了主要結構體還包括次要結構體以及非結構設施。台灣地區近年來歷次地震均發現建築物出入口及其周邊牆體遭到嚴重損害，導致地震過程以及震後避難逃生發生困難和危險，此項震害有必要加以改善並納入功能設計之中。

    　　有鑑於此，本研究以建築物緊急出入口與周邊牆體在水平力作用下之破壞行為來做探討。探討過程先透過震害現場觀察記錄，瞭解實際震害模式，之後再規劃試體，在實驗室進行實驗。實驗主要內容包括下列各項之破壞行為及比較：(1)不同出入口周邊與牆體界面構造關係。(2)出入口與牆體不同位置關係。(3)不同門戶種類。(4)不同牆體種類。(5)出入口周邊牆體不同改善方式。

    　　本實驗共製作12面磚牆及1面石膏板牆試體，經由牆體面內施載至破壞產生，觀察到以下幾個現象：(1)逃生門主要破壞模式有：門框歪斜及變形、門扇擠壓門框、門鎖與鉸鏈五金損害等。(2)逃生門卡死之層間變位角約分佈在2/1000至10/1000之間。(3)牆體主要破壞模式有：門框高度水平劈裂縫、牆底植筋區附近之裂縫、劈裂磚頭之垂直裂縫等。(4)牆體產生門框高度水平劈裂縫貫穿在6/1000至10/1000之間，垂直裂縫則發生在層間變位角12/1000以上。(5)無固定鐵件之試體在施力歸零後，容易因殘留變形，而使得門扇卡死，不利逃生。

    　　本文最後利用實驗結果，建議連牆開口部在功能設計上之分級基準以及耐震性能評估；此評估並將震後殘留變形的因素納入考量。

    　　The damage of exit and wall surrounding the exit are observed very often during earthquake. This kind of damage makes people fled difficultly during and after earthquake. The main purpose of this thesis is to investigate the fundamental behavior of this problem, and to provide the suggestion for performance-based design.
    　
    　　In this investigation, in addition to the survey of actual earthquake damage of exit and surrounding wall, we designed 13 specimens and experimented in the lab. The specimens were tested under in-plane forces until failure reached. From the tests, following results are observed：(1) The damage mode of door including distortion of frame、door plank extruding door frame、breaking of lock and hinges. (2) Door jammed at different relative displacement for various specimens. The range covers the relative displacement angle 2/1000 to 10/1000. (3) During test, the horizontal crack across the wall and just passing above the door frame occurred first in most of the walls specimens, and the relative displacement angle corresponding to this crack were between 6/1000 and 10/1000. (4) When vertical cracks appeared, the floor relative displacements were more than 12/1000. (5) The specimen without proper fixers may leave large residual displacement after test, which is not good for fleeing after earthquake.

    　　Finally, in this thesis, based upon the experimental results, three levels of performance-based design that consider the damage exits with surrounding brick wall are suggested. The relative displacement angle corresponding to the three design levels are provided. Also, several criterions for evaluating the seismic performance of important exit and surrounding wall are given in this research.

    目錄 第一章 緒 論 1-1 研究動機 1 1-2 研究目的 2 1-3 研究方法及範圍 3 1-4 文獻回顧 4 第二章 連牆開口部震害現象 2-1 瑞里地震震害例 11 2-2 九二一集集地震震害例 14 2-3 日本阪神地震震害研究 22 2-4 小結 26 第三章 試體材料基本性質試驗 3-1 紅磚材料尺寸 29 3-2 紅磚吸水率試驗 29 3-3 紅磚抗壓試驗 30 3-4 水泥砂漿抗壓試驗 31 3-5 紅磚與水泥砂漿間抗拉試驗 33 3-6 紅磚與水泥砂漿間抗剪試驗 34 第四章 連牆出入口試驗規劃 4-1 試體規劃 37 4-2 實驗架規劃設計 55 4-3 試體製作與上架 58 4-4 其他試驗設備 63 第五章 實驗過程及試體行為 5-1 DW01試體 68 5-2 DW02試體 71 5-3 DW03試體 74 5-4 DW04試體 77 5-5 DW05試體 80 5-6 DW06試體 83 5-7 DW07試體 86 5-8 DW08試體 89 5-9 DW09試體 92 5-10 DW10試體 95 5-11 DW11試體 98 5-12 DW12試體 101 5-13 GW01試體 106 5-14 小結 108 第六章 實驗結果討論 6-1 連牆出入口破壞模式 113 6-2 水平力作用下之逃生門破壞模式 119 6-3 層間變位角與逃生門損害關係 123 6-4 連牆出入口結構行為影響因素 128 6-5 實驗限制與誤差來源 136 第七章 規範檢討及建築物功能設計法應用 7-1 現有連牆開口部地震安全相關規範檢討 141 7-2 建築物功能設計法 143 7-3 考慮連牆逃生門之功能設計分級 149 第八章 結論 8-1 結論 155 8-2 後續研究 157 參考文獻 159 表目錄 表1-1 Vision2000之要求檢討建築物使用功能表……….…………5 表2-1 竹山某飯店隔間牆破壞現場描繪圖……………….……… 14 表2-2 竹山某飯店牆體破壞模式示意圖………………….……… 18 表2-3 竹山某大飯店921地震逃生門震害統計表……….………..19 表2-4 竹山某大飯店921地震逃生門震害統計表…….…………..20 表2-5 竹山某大飯店921地震門框破壞統計表……….…………..21 表2-6 阪神地震調查之建物基本資料表…………………………..22 表2-7 阪神地震調查之逃生門破壞模式圖…………….………….23 表2-8 阪神地震調查之逃生門變形量統計………………………..24 表2-9 阪神地震調查之逃生門破壞統計…………………………..25 表3-1 紅磚等級分類表……………………………………………..29 表3-2 不同浸泡時間下磚塊吸水率………………………………..30 表3-3 磚塊抗壓試驗結果表………………………………………..31 表3-4 灰縫抗拉試驗結果…………………………………………..33 表3-5 灰縫剪力試驗結果…………………………………………..35 表4-1 試體規劃表…………………………………………………..53 表4-2 上梁植筋步驟………………………………………………..62 表5-1 試體DW01施力-變形角關係……………………………….69 表5-2 試體DW01破壞過程圖……………………………………..70 表5-3 試體DW02施力-變形角關係………………………………72 表5-4 試體DW02破壞過程圖……………………………………..73 表5-5 試體DW03施力-變形角關係………………………………74 表5-6 試體DW03破壞過程圖……………………………………..76 表5-7 試體DW04施力-變形角關係……………………………….78 表5-8 試體DW04破壞過程圖……………………………………..79 表5-9 試體DW05施力-變形角關係……………………………….80 表5-10 試體DW05破壞過程圖……………………………………..82 表5-11 試體DW06施力-變形角關係………………………………84 表5-12 試體DW06破壞過程圖…………………………………….85 表5-13 試體DW07施力-變形角關係………………………………87 表5-14 試體DW07破壞過程圖…………………………………….88 表5-15 試體DW08施力-變形角關係………………………………90 表5-16 試體DW08破壞過程圖……………………………………..91 表5-17 試體DW09施力-變形角關係………………………………93 表5-18 試體DW09破壞過程圖…………………………………….94 表5-19 試體DW10施力-變形角關係………………………………96 表5-20 試體DW10破壞過程圖……………………………………..97 表5-21 試體DW11施力-變形角關係……………………………….99 表5-22 試體DW11破壞過程圖……………………………………100 表5-23 試體DW12施力-變形角關係……………………………...102 表5-24 試體DW12破壞過程圖……………………………………103 表5-25 試體DW12(修補)破壞過程圖……………………………..105 表5-26 試體GW01施力-變形角關係……………………………..106 表5-27 試體逃生門卡死之層間變位角整理.……………………..108 表5-28 各試體水平施力與對應層間變位角整理.………………..109 表6-1 逃生門破壞模式……………………………………………122 表6-2 各試體逃生門損壞統計……………………………………123 表6-3 發生門框高度單邊水平裂縫之施力統計…………………126 表6-4 DW01試體與GW01試體之比較表………………………….128 表6-5 磚牆DW01試體力量整理表……………………………….129 表6-6 石膏板牆GW01試體力量整理表………………………….129 表6-7 DW01試體、DW03試體與DW04試體之比較表…………..130 表6-8 DW01試體、DW03試體與DW04試體力量整理表…………130 表6-9 DW01試體與DW05試體之比較表…………………………131 表6-10 DW01試體與DW05試體力量整理表………………………131 表6-11 DW01試體與DW10試體之比較表…………………………132 表6-12 DW01試體與DW10試體力量整理表………………………132 表6-13 DW01試體與DW12試體之比較表…………………………133 表6-14 DW01試體與DW12試體力量整理表………………………133 表6-15 DW01試體與DW06試體之比較表…………………………133 表6-16 DW01試體與DW06試體力量整理表………………………134 表6-17 DW01試體與DW08試體之比較表…………………………134 表6-18 DW01試體與DW08試體力量整理表………………………134 表6-19 DW01試體與DW09試體之比較表…………………………135 表6-20 DW01試體與DW09試體力量整理表………………………135 表6-21 水灰比與水泥砂漿強度關係………………………………136 表6-22 門框與門扇間之餘裕空間…………………………………140 表7-1 中國國家標準CNS逃生門相關規範……………………….142 表7-2 Vision2000功能設計建議草案……………………………..144 表7-3 FEMA273 有關非結構之反應及損壞等級………………...145 表7-4 Building Performance(FEMA建築物之功能設計等級)……146 表7-5 日本三菱地震研究所耐震設計建議案(1)…………………146 表7-6 日本三菱地震研究所耐震設計建議案(2)…………………147 表7-7 日本大林組結構體耐震設計建議案……………………….147 表7-8 由Vision2000之要求檢討建築物使用功能……………….148 表7-9 本文建議功能設計分級標準與其他文獻之比較…………..151 表7-10 逃生門耐震性能評估………………………………………154 圖目錄 圖1-1 阪神地震各個逃生門破壞之層間變位角統計圖……………..4 圖1-2 逃生門變形及餘裕空間示意…………………………………..6 圖1-3 磚牆之等值斜撐理論示意圖…………………………………..6 圖1-4 各種橫縫方向試體之破壞形式………………………………..6 圖1-5 磚牆平面應力轉換示意圖……………………………………..7 圖1-6 垂直應力對介面剪力黏結強度之效應………………………..7 圖1-7 實驗架立面圖…………………………………………………..7 圖1-8 力量-變形圖……………………………………………………8 圖1-9 混凝土磚牆含開口部破壞模式圖…………………………….8 圖1-10 試體與震動台接合細部圖…………………………………….8 圖1-11 試體破壞圖…………………………………………………….8 圖1-12 實驗裝置照片………………………………………………….9 圖1-13 實驗裝置圖…………………………………………………….9 圖1-14 各試體破壞圖………………………………………………...10 圖2-1 瑞里地震逃生門破壞情況……………………………………13 圖2-2 逃生門損害度與樓層關係圖…………………………………19 圖2-3 竹山某飯店門框破壞情況……………………………………20 圖2-4 門框變形量與牆體破壞關係…………………………………26 圖3-1 磚塊抗壓試驗圖………………………………………………31 圖3-2 水泥砂漿抗壓試驗圖…………………………………………32 圖3-3 灰縫抗壓強度與天數關係圖…………………………………32 圖3-4(a) 灰縫抗拉試驗示意圖………………………………………..33 圖3-4(b) 灰縫抗拉試驗示意圖………………………………………..33 圖3-5(a) 灰縫抗拉試驗………………………………………………..33 圖3-5(b) 灰縫抗拉試驗………………………………………………..34 圖3-5(c) 灰縫抗拉試驗………………………………………………..34 圖3-6 各試體磚灰縫間之抗拉應力…………………………………34 圖3-7 磚墩剪力試驗示意圖…………………………………………34 圖3-8 磚墩剪力試驗架……………………………………………....35 圖3-9 上層單層灰縫剪力破壞………………………………………35 圖3-10 上下兩層灰縫剪力破壞……………………………………...35 圖3-11 各試體灰縫間之抗剪應力…………………………………...35 圖4-1 DW01試體圖…………………………………………………37 圖4-2 DW02試體圖…………………………………………………38 圖4-3 DW03試體圖………………………………………………….38 圖4-4 DW04試體圖………………………………………………….39 圖4-5 DW05試體圖………………………………………………….39 圖4-6 DW06試體圖…………………………………………………40 圖4-7 DW07試體圖…………………………………………………40 圖4-8 DW08試體圖…………………………………………………41 圖4-9 DW09試體圖…………………………………………………41 圖4-10 DW09試體RC框架配筋圖……………………………….…42 圖4-11 DW010試體圖…………………………………………….….42 圖4-12 DW011試體圖…………………………………………….….43 圖4-13 DW012試體圖…………………………………………….….43 圖4-14 GW01石膏板牆試體圖………………………………………44 圖4-15 石膏板牆之立柱圖…………………………………………...44 圖4-16 石膏板牆之縱剖面圖…….…………………………………..44 圖4-17 石膏板牆之橫剖面圖………………………………………...45 圖4-18 DW01磚牆與GW01石膏板牆比較…………………………45 圖4-19 DW01與DW02比較…………………………………………46 圖4-20 DW10與DW11比較…………………………………………47 圖4-21 DW01與DW04比較…………………………………………48 圖4-22 DW02與DW03比較…………………………………………48 圖4-23 DW01與DW05比較…………………………………………49 圖4-24 DW01與DW10比較…………………………………………49 圖4-25 DW01與DW12比較…………………………………………50 圖4-26 DW01與DW06比較…………………………………………51 圖4-27 DW01與DW08比較…………………………………………52 圖4-28 DW01與DW09比較…………………………………………52 圖4-29 連牆開口部試體規劃總圖…………………………………...54 圖4-30 實驗架立面圖………………………………………………...55 圖4-31 實驗架上視圖………………………………………………...56 圖4-32 試體平面圖…………………………………………………...56 圖4-33 下梁植筋細部圖……………………………………………...57 圖4-34 上梁植筋細部圖……………………………………………...57 圖4-35 試體製做過程圖(a)…………………………………………...59 圖4-35 試體製做過程圖(b)…………………………………………...60 圖4-37 利用鐵框吊起試體…………………………………………...61 圖4-38 試體吊放至實驗架下梁上…………………………………...61 圖4-39 下底板與下梁利用螺桿鎖緊………………………………...61 圖4-40 千斤頂組……………………………………………………...63 圖4-41 油壓機………………………………………………………...63 圖4-42 電腦紀錄系統………………………………………………...63 圖4-43 位移計………………………………………………………...64 圖4-44 試驗加載圖…………………………………………………...66 圖5-1 DW01試體圖…………………………………………………68 圖5-2 DW01試體水平力與層間變位角關係………………………69 圖5-3 DW02試體圖…………………………………………………71 圖5-4 DW02試體水平力與層間變位角關係………………………72 圖5-5 DW03試體圖…………………………………………………74 圖5-6 DW03試體水平力與層間變位角關係………………………75 圖5-7 DW04試體圖…………………………………………………77 圖5-8 DW04試體水平力與層間變位角關係………………………78 圖5-9 DW05試體圖…………………………………………………80 圖5-10 DW05試體水平力與層間變位角關係………………………81 圖5-11 DW06試體圖…………………………………………………83 圖5-12 DW06試體水平力與層間變位角關係………………………84 圖5-13 DW07試體圖…………………………………………………86 圖5-14 DW07彎矩破壞示意圖………………………………………86 圖5-15 DW07試體水平力與層間變位角關係………………………87 圖5-16 DW08試體圖…………………………………………………89 圖5-17 DW08試體水平力與層間變位角關係………………………90 圖5-18 DW09試體圖…………………………………………………92 圖5-19 DW09試體水平力與層間變位角關係………………………93 圖5-20 DW10試體圖…………………………………………………95 圖5-21 DW10試體水平力與層間變位角關係………………………96 圖5-22 DW11試體圖…………………………………………………98 圖5-23 DW11試體水平力與層間變位角關係………………………99 圖5-24 DW12試體圖……………………………………………….101 圖5-25 DW12試體水平力與層間變位角關係…………………….102 圖5-26 DW12東側灌注Epoxy位置……………………………….104 圖5-27 DW12西側灌注Epoxy位置……………………………….104 圖5-28 Epoxy現場灌注…………………………………………….104 圖5-29 Epoxy現場灌注配置圖…………………………………….104 圖5-30 DW12修補試體水平力與層間變位角關係……………….104 圖5-31 GW01石膏板牆試體圖……………………………………..106 圖5-32 GW01試體水平力與層間變位角關係……………………..107 圖5-33 GW01試體破壞圖…………………………………………..107 圖5-34 石膏板受力後牆體變形關係示意圖……………………….107 圖5-35 磚牆試體破壞總圖………………………………………….110 圖6-1 試體產生水平裂縫…………………………………………..113 圖6-2 門框高度水平裂縫貫穿試體時之機構示意………………..114 圖6-3 壁體1之位移潛勢(理論上)…………………………………115 圖6-4 壁體1受到上梁、壁體3束制之示意圖…………………..115 圖6-5 試體最後垂直裂縫破壞示意圖…………………………….116 圖6-6 DW03試體之垂直裂縫………………………………………116 圖6-7 試體斜向裂縫……………………………………………….117 圖6-8 斜向裂縫破壞示意圖……………………………………….117 圖6-9 試體植筋處破壞示意圖……………………………………..118 圖6-10 試體受拉時，左側下方產生彎矩裂縫……………………..118 圖6-11 逃生門破壞模式示意圖(1)…………………………………119 圖6-12 逃生門破壞模式示意圖(2)…………………………………120 圖6-13 逃生門破壞模式示意圖(3)…………………………………121 圖6-14 各試體逃生門開啟不順及卡死之層間變位角分佈圖…….125 圖6-15 試體發生門框高度單邊水平裂縫………………………….126 圖6-16 水灰比與水泥砂漿強度關係……………………………….136 圖6-17 不同加壓速度下，混凝土抗壓強度……………………….138 圖6-18 門框與門扇間各處之餘裕空間…………………………….140

    參考文獻

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    下載圖示 校內：立即公開
    校外：2002-08-23公開
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