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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:謝文國
研究生(外文):Win-kuo Hsieh
論文名稱:古蹟建築結構補強及基礎隔震之應用
論文名稱(外文):The Application of the Foundation Isolator for Rehabilitation of Historical Buildings.
指導教授:張景鐘張景鐘引用關係
指導教授(外文):Jing-Jong Jang
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:河海工程學系
學門:工程學門
學類:河海工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:206
中文關鍵詞:古蹟建築結構磚造結構基礎隔震耐震評估診斷
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本論文主要係以隔震裝置作為國內古蹟建築結構基礎耐震補強設施之應用。傳統結構耐震設計是利用增進構材之強度、勁度與韌性變形能力,做為抵抗地震及消散能量的手段。但對大地震時結構構件的損壞與變形,使震後修復與補強作業造成極大困擾與負擔。況且古蹟磚造建築為剛性的非韌性結構體,921大地震後,存在多數的古蹟建築結構耐震能力已經受損減弱或遭受嚴重破壞。面對未來強震的來襲其抗震能力更形脆弱且有安全之顧慮,加上新的耐震規定將台中地區震度提昇至地震甲區(Z=0.33),其抗震強度的重新檢討與提升將是保護歷史資產的必要課題。本文將針對古蹟建築耐震能力的提升與磚構造破壞補強工法,配合數種現有耐震評估診斷研究作業,整理出基礎隔震裝置評估選用與施工管理的原則。
古蹟建築的耐震補強,依補強原理可區分為,提高材料強度、改變結構系統、減少輸入地震力等三類。在考量對古蹟建築使用機能、原樣保存及再利用的活化需求比較,應以增強耐震性能及降低地震力傳輸做為基礎耐震補強工法。其做法可以改善結構系統、包覆鋼板、包覆鋼筋混凝土、包覆複合材料、以及增設消能隔減震裝置等五類進行補強。由於古蹟磚造建築大都是以磚石造或加強磚造為主,所需耐震強度的補強應依磚牆的抗震性能加以檢討。在水平方向力學行為,則由兩端剛度及脆性高的承重磚牆來作為抗震構材。屋頂的上部構造是以木質構材做成穩定的三角形系統,非主要抗震構材,僅作為提供支撐上部屋頂載重,將重量向下傳遞至基礎。此種建築構造又以磚牆、石造為主,為本論文應用探討之重點。
本文針對台中火車站古蹟建築磚構造之耐震評估,首先以日本的耐震指標法(一)進行耐震指標計算,再以成大、劉宜珮論文之磚造建築物之耐震診斷法(二)及最後再以成大、葉俊宏論文磚造歷史建築物磚牆力學特性的耐震評估法(三),進行評估診斷。將三種耐震評估結果比較差異,以符合磚造建築其耐震能力可達震區係數Z=0.33,用途係數I=1.25之強震需求,否則即需進行耐震補強。
古蹟建築結構多為磚造建築,在歷次的震災中發現,此種建築的崩塌及損毀比例極大。且磚造建築為國內既有構造物經常使用的構材,因其剛性勁度高,且在分析時被視為非結構體而忽略其勁度,所以低估磚造建築對整體結構之影響。因此為了保護古蹟建築的歷史資產,免於受地震的作用造成崩塌及損毀,需提高古蹟建築的抗震強度,可將基礎增設隔震裝置以提升抗震能力,同時可以減弱地震向上部結構傳輸的能量。
This paper studies the application of base isolator for rehabilitation of historical buildings. The traditional structure seismic-resistant design is to increase the strength, stiffness and the ductility of the construction material. It takes enormous works and the economic burden to repair the damaged structures done by earthquake. Moreover, the brick construction material makes the historical building a rigid and non-ductile structure body. Therefore, most historical buildings suffer serious destruction during the 921 Chi-Chi earthquakes. Will it be safe for future earthquake when the seismic zone factor for Tai Chung area (Z=0.33) becomes the essential research topic? This research will focus on how to install base isolators at the historical buildings and the reinforced the brick structure destruction.
There are three types of works for historical building’s repair, such as enhance the material strength, change the change structure system and reduce the input earthquake force. The use function, the original design preservation and the reuse activation demand are taken into account. We may choose the following methods: improve the structure system, cover the steel plate, cover the reinforced concrete, cover the compound material, as well as additionally dampers to dissipate energy. Most of the historical buildings are brick or stone construction. The strength and the earthquake resistance performance needed to be examined. First, the horizontal direction mechanics behavior is studied, then the beginnings and ends rigidity and the brittle high load-bearing brick wall. The wood roof superstructure makes a stable triangle system, which is not a major earthquake resistance structure. It only support the roof load, transmits the weight to down to the foundation. The historical building constructed by the brick wall or stone is key point of this research.
This paper evaluates the seismic capacity of Taichung train station which is a historical building brick structure. First, it is computed by Japan’s seismic index method. Then, by Cheng Daliu’s method, the brick to make with strengths the brick to make the building to bear shakes the diagnosis, to carry out the diagnosis. It is desired that the seismic capacity to meet the seismic zone factor 0.33 and important factor 1.25.
The historical brick structure many suffer damages in the earthquake disaster. The brick structure as the main material of historical building. Because, its rigid stiffness is high, also when analysis is regarded as the non- structure body to neglect its stiffness. Therefore, it is underestimated that the brick which makes the construction to influence the overall construction. Therefore, in order to protect the historical site and avoid the earthquake damage from damage. The foundation base isolators are used to increase the earthquake resistance ability and to dissipate the earthquake energy.
摘要 ………………………………………………………Ⅰ-Ⅳ
第一章 緒論…………………………………………… 1
1.1 研究動機 …………………………………………… 1
1.2 研究目的 …………………………………………… 2
1.3 研究內容 …………………………………………… 3
1.4 文獻回顧 …………………………………………… 5
第二章 古蹟建築之修復補強技術 …………… 9
2.1 構造物之力學特性 …………………………………… 10
2.2 磚造牆體受側載之破壞模式 ………………………… 12
2.3 古蹟構造損壞原因之探討及補強對策 ……………… 13
2.3.1古蹟構造損壞原因……………………………… 13
2.3.2結構修復補強對策……………………………… 16
2.4 耐震補強工法 ………………………………………… 17
2.4.1 結構構件裂縫修復工法………………………… 18
2.4.2 結構構件補強工法……………………………… 19
2.4.3 結構系統改善補強工法………………………… 21
2.4.4 增設基礎隔震裝置補強工法…………………… 23
2.5古蹟建築耐震補強……………………………………… 26
第三章 磚造建築耐震評估法……………………… 35
3.1 磚造建築評估方法……………………………………… 36
3.2 耐震指標法(一) ………………………………………… 37
3.3 磚造建築之耐震診斷(二) ……………………………… 46
3.3.1極限界面強度……………………………………… 46
3.3.2磚牆之破裂路徑與面內剪力強度………………… 52
3.3.3無開口磚牆承受面內剪力之極限位移…………… 57
3.3.4台中火車站站體水平極限強度與
水平極限位移曲線(Q-Δ)實例演算……………… 58
3.4 靜態推垮曲線法介紹…………………………………… 62
3.4.1基本假設 ………………………………………… 64
3.4.2靜態推垮曲線的製作過程 ……………………… 64
3.4.3建築物診斷樓層的保有耐力 …………………… 65
3.4.4建築物第一層崩塌時之地表加速度 …………… 66
3.4.5建築物任意樓層崩塌時之地表加速度 ………… 68
3.4.6台中火車站站體崩塌地表加速度Ac …………… 69
3.5 以純磚牆力學特性為基礎之評估法(三) ……………… 71
3.5.1評估法(三)基本概念……………………………… 71
3.5.2受力單元磚牆體有效高度、面內剛度
及極限抗剪強度………………………………… 71
3.5.3 樓層之彈塑性反應(Q-Δ)曲線… …………… 74
3.5.4 樓層之等值彈性極限剪力強度Q ……………… 74
3.5.5 建築物之樓層崩塌地表加速度(ac) ……………… 75
3.5.6 台中火車站站體之彈塑性反應曲線( Qei )計算… 75
第四章 基礎隔震………………………………………… 83
4.1基礎隔震發展概述………………………………………… 83
4.2隔震原理與適用性………………………………………… 83
4.2.1 隔震原理…………………………………………… 83
4.2.2 設置隔震裝置的適用性…………………………… 85
4.3磚造結構特性與評估……………………………………… 87
4.3.1 磚造結構特性……………………………………… 87
4.3.2 磚造結構評估……………………………………… 88
4.4基礎隔震之種類與特性…………………………………… 90
4.4.1 基礎隔震之種類…………………………………… 90
4.4.2 隔震系統之特性…………………………………… 91
4.5.隔震材料的性能…………………………………………… 97
4.6隔震結構設計……………………………………………… 99
4.6.1 建築物隔震設計規範……………………………… 99
4.6.2 靜力分析……………………………………………101
4.6.3 隔震支承墊設計 …………………………………111
4.7慈濟醫院新店分院新建工程案例 ………………………121
4.7.1 隔震構材特性………………………………………121
4.7.2 材料耐久性能………………………………………123
4.7.3 隔震構材配置原則…………………………………124
第五章 歷史古蹟建築物補強技術案例 …………127
5.1引言……………………………………………………… 127
5.2 車站建築構造與用途介紹…………………………………129
5.2.1 車站建築構造介紹…………………………………130
5.2.2 用途功能介紹………………………………………132
5.3 建築結構現況概述…………………………………………135
5.3.1 磚造基礎……………………………………………135
5.3.2 磚牆造結構…………………………………………137
5.3.3 鋼筋混凝土造構……………………………………140
5.4 站體破壞型式………………………………………………143
5.4.1 破壞之修復補強……………………………………144
5.4.2 磚造建築物耐震評估………………………………146
5.5 基礎耐震補強構想…………………………………………148
5.5.1 基礎耐震補強探討…………………………………148
5.5.2 古蹟建築維修計劃…………………………………150
5.5.3 結構耐震補強工法…………………………………152
5.6 基礎隔震工法之國外實例…………………………………156
5.6-1 國外案例……………………………………………156
5.6-2 日本愛知縣春日井市實例…………………………157
第六章 結論與建議……………………………………… 162
6.1結論 …………………………………………………………162
6.2建議 …………………………………………………………168
參考文獻………………………………………………………169
附錄A …………………………………………………………A-1
2002年11月,郭世榮,“橋梁隔減震技術應用與程式開
發期末報告”。
【1-2】 1999年,內政部建築研究所,蔡益超、陳清泉,文獻參考〝鋼筋混凝土耐震能力評估及推廣〞。
【2-1】 1999年12月,內政部建築研究所;「鋼筋混凝土建築物之修復與補強技術彙編」。
【2-2】 2003年6月,成大劉宜佩論文;「磚牆或加強磚造建築物之耐震診斷」。
【2-3】 2003年6月。成大陳哲男論文;「具開口部磚砌牆體修復與補強研究」。
【2-4】 2003年3月,委託單位 台中市政府;「第二級古蹟台中火車站整體修復工程調查研究及修護計畫」。
【2-5】 2003年9月,中華民國建築技術學會;「國立臺灣博物館歷史建築結構安全鑑定報告」。
【2-6】 2000年8月,賴彥魁;「中空鋼筋混凝土橋柱韌性、剪
力強度與補強之理論分析(Ⅲ)」。
【2-7】 2001年12月,內政部建研所;「磚造建築技術規則之研
修及磚牆配置之探討」。
【2-8】 2004年4月,張國鎮、黃震興、蘇晴茂、李森柟所著;「結構消能減震控制及隔震設計」。
【3-1】 1980年,日本建築防災協會SPRC委員會出版,「既存鋼筋
混凝土造建築物之耐震診斷準」。
【3-2】 2000年6月,成大、郭心怡論文〝RC學校建築快速耐震診斷〞;1999年,成大許茂雄、郭心怡,提出”靜態推垮曲線法”(Static Pushover Curve)。
【3-3】 2003年6月,成大、劉宜珮論文”磚造與加強磚造建築
物之耐震診斷”。
【3-4】 2003年3月,台中市政府;何肇喜建築師事務所 ”第二級古蹟台中火車站整體修復工程調查研究及修護計畫 ”。
【3-5】 2003年,成大陳奕信論文,”含磚牆RC建築結構之耐震
診斷”。
【3-6】 成大、許茂雄教授等為內政部建築研究所修訂"磚構造建
築技術規則之研修及磚牆配置之探討"之研究計畫報告。
【3-7】 2003年6月,成大、建築許茂雄教授、劉宜珮等【9】。
【3-8】 2000年,內政部營建暑,”建築技術規則”。
【3-9】 2002年,成大張嘉祥教授指導、王貞富論文,〝磚造歷史建築物震害及耐震評估研究〞。
【3-10】 1994年,成大、陳明生論文,〝紅磚、砂漿與其介面之基本力學”。利用試驗方法探討磚塊、灰縫及及磚塊與灰縫介面各項物理基本特性。
【3-11】 1985年,陳清泉、高健章、蔡益超,陳國顯,行政院國家科學委員會,〝紅磚與磚牆力學特性之試驗之研究〞。
【3-12】 2001年,內政部建築研究所研究計劃成果報告,許茂雄、劉白梅〝磚構造建築技術規則之研修及磚牆配置之探討〞。
【3-13】 1998年6月,內政部建築研究所專題計畫成果報告,“鋼
筋混凝土建築物之修復與補強技術彙編”。
【3-14】 1984年,陳清泉、高健章、蔡益超、陳國顯,利用試驗方法探討彰化花壇地區生產之磚塊、砂漿及磚塊與砂漿介面黏結強度之基本特性。
【3-15】 2001年12月,內政部建築研究所研究計畫成果報告,“建築結構隔震設計手冊之研訂”。
【3-16】 2003年7月,成大葉俊宏論文,”磚造歷史建築物磚牆力學特性與耐震評估”。
【3-17】 1992年,中國建築出版社,施楚賢,”砌體結構理論與設計”。
【3-18】 成大張嘉祥、王貞富論文,〝九二一集集地震磚造歷史街屋
震害調查研究〞。
【3-19】 1995年,成大黃國璋論文,係對具有含RC框架之磚牆進行反覆加載試驗,並以RC與框架二種進行理論分析及以等值牆板觀念建立P-Δ曲線。
【4-1】 1999年12月及2000年1月,內政部修正版『建築物隔震
設計規範及解說』。
【4-2】 2004年12月,內政部『建築物隔震設計規範』。
【4-3】 2004年4月,張國鎮、黃震興、蘇晴茂、李森柟所著;「結構消能減震控制及隔震設計」。
【4-4】 2004年6月,中華顧問工程司,”隔震建築結構設計與施工管理”。
【4-5】 2001年12月,內政部建築研究,建築結構隔震設計手冊之研訂。
【4-6】 2002年5月,內政部建築研究,九十一年度隔震建築設計與施工研討會。
【5-1】 台北市建築師公會,廖慧明、孫傑森、陳健一、陳鵬欽、
李健志,「臺灣省立博物館館舍結構安全鑑定報告書」。
【5-2】 張嘉祥、王貞富,「磚造建築物耐震評估」,「原台南州廳修復技術研討暨研習資料彙編」,國立文化資產保存研究中心籌備處。
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