《基准在港湾构造物设计过程中所扮演之角色课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基准在港湾构造物设计过程中所扮演之角色课件.ppt（60页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、港灣構造物設計基準修訂,簡報資料,交通部運輸研究所,榕聲工程顧問有限公司中山大學海洋環境及工程學系中華民國九十三年十二月,簡報目錄,一、前言二、鄰近地區港灣構造物設計基準之發展現況及內容分析三、港灣構造物設計基準編排方式通盤檢討四、港灣構造物設計之發展趨勢分析五、本次修訂工作之主要內容六、本次修訂對國內港灣工程設計之可能影響七、耐震設計規範之修訂建議八、結論與建議,一、前言,計畫背景說明,交通部於民國八十五及八十六年分別頒佈港灣構造物設計基準防波堤及碼頭設計基準及說明，九二一地震後，雖曾進行耐震設計修訂之研究工作及部份修訂，惟隨著時空環境之改變，此一設計基準之內容及編排方式實有必要進行檢討。本
2、計畫將針對防波堤及碼頭設計基準及說明之內容進行修訂及補充，期使我國港灣設計基準能符合當前世界潮流及國內規劃設計所需，促進港灣建設之發展。,研究內容與項目,鄰近地區港灣設計基準之發展現況及內容分析國內港灣構造物設計最近之發展趨勢分析港灣構造物設計基準編排方式之通盤檢討 防波堤及碼頭設計基準之修訂防波堤及碼頭設計基準之補充座談會,研究流程,二、鄰近地區港灣構造物設計基準之發展現況及內容分析,台 灣,名稱,港灣構造物設計基準-防波堤設計基準及說明 港灣構造物設計基準-碼頭設計基準及說明,出版年,八十五年-防波堤設計基準及說明八十六年-碼頭設計基準及說明,沿革,章節,防 波 堤第一章 總論第二章 設計
3、之基本原則第三章 基本設計第四章 細部設計第五章 防波堤與漂沙對策設施第六章 防波堤之管理與維修,碼 頭第一篇 通則第二篇 設計條件第三篇 工程材料第四篇 基礎第五篇 碼頭工程第六篇 專門碼頭,中國工程師手冊水利篇之港灣工程 七十年頒布之港灣構造物設計標準上下冊,日 本,名稱,港灣施設技術上基準同解說/社團法人日本港灣協會,出版年,1999,沿革,1979、1989分別進行修訂,章節,美 國,名稱,海岸工程手冊（Coastal Engineering Manual)/美國陸軍工兵團（Army Corp of Engineer,USACE),出版年,2002,沿革,1973年發行海岸保護手冊（S
4、hore Protection Manual)，歷經1975、1977及1984之改版,章節,香 港,名稱,海港工程設計手冊/香港政府土木工程處,出版年,2002年,沿革,1992出版海港工程手冊設計、建造及維修，1996年再版修正,章節,中 國 大 陸,大陸天津一航勘察院/1994年起陸續出版三大冊之海港工程設計手冊。,1997年起修訂頒布一系列港灣構造物之相關規範，包括：,綜合整理(一),綜合整理(二),三、港灣構造物設計基準 編排方式通盤檢討,各國編排及編纂方式綜整,港灣構造物設計基準之編排方式調整,將原本單獨發行之碼頭及防波堤設計基準合併為一冊原設計基準之編排方式進行調整，將基準與基準
5、說明加以合併以增加使用者查閱時之方便性及一致性,依據兩次座談會專家學者之綜合意見，設計基準之編排方式調整如下：,四、港灣構造物設計之發展趨勢分析,功能性設計之考量,一般防波堤設計波浪之迴歸期大都介於25-50年；碼頭之設計使用年限大多採30-50年，惟地震力則採475年迴歸期。日本港灣技術基準(1999年版)一般碼頭設計時所採用地震之迴歸期為75年，特定或維生碼頭之迴歸期則視實際需要加以調整。從經濟層面考量，日本維生碼頭之概念值得作為國內設計基準修訂之參考。,危險度之考量,危險度之考量為基於構造物在使用年限內遭遇設計外力之機率，依日本1999年版港灣構造物技術基準，遭遇機率之計算公式如下：11
6、-(1-1/)L1 外廓防波堤如採用50年之設計年限，在其設計年限內與50及100年迴歸期颱風波浪作用下之遭遇機率為63.6%及39.5%。港灣構造物在50年之耐用期限內，遭遇475年迴歸期地震侵襲之機率為10%。,RC構造物設計方法之考量,目前國內建築物鋼筋混凝土之設計方法包括工作應力法及強度設計法。港灣構造物採用強度設計法設計時，須對材料承受反覆作用下產生疲勞破壞的極限狀態加以考量。國內目前尚未建立港灣構造物之載重係數、強度折減因素及極限狀態檢核等相關基準及定義，直接套用建築技術規則之相關標準可能與現況並不相符，未來須另行訂定相關參數以符合實際需求。,結構設計方法/九二一後相關規範之考量,
7、工作應力法及強度設計法皆可應用於港灣構造物設計。港灣構造物之地震力係以475年迴歸期之地震作為作用外力，921地震後，建築物耐震設計規範將工址之水平加速度係數予以提高，造成設計上及工程造價大幅提昇之困擾。耐震設計之考量中應對功能性設計、遭遇機率及耐震設計作一整合性考量。,生態景觀上之考量,以往外廓堤防設計時之主要考量重點為堤防在波浪作用下之安全性，未來應在可能之範圍內朝向降低對漁類及海岸生態之影響。碼頭本體本身之景觀考量有限，惟碼頭之附屬設施如客運設施、通棧、貯槽等，在景觀設計上則可配合現地加以調整及規劃，香港之海港工程設計手冊對碼頭景觀美學特別以專節加以說明可供參考。,五、本次修訂工作之主要
8、內容,工作流程摘要說明,修訂作業說明,1.內容之修訂及增加主要係參考日本港灣構造物技術基準（1999）、建築技術規則及橋樑耐震設計等。建議在下一階段之工作中將原有僅限碼頭及防波堤之範圍加以擴充，建議增加之項目如下：新生地之規劃設計及地盤改良 外海專用碼頭 港埠設施之規劃工作,修訂作業說明,國內港灣構造物設計基準與日本之技術基準在耐震設計部份有相當大之不同，主要之差異在於：碼頭設計時地震迴歸期不同 國內港灣構造物之耐震設計係參考建築技術規則及 橋樑耐震規範訂定，而日本基準僅作為原則性之說 明，設計者在設計時須針對使用目的進行耐震分析 由於建築技術規則目前亦處於修訂狀態尚未公布正式之修訂版本，故本
9、次耐震設計修訂之工作係以2002年修訂之建築物耐震設計規範及解說修訂草案為準，內容上有大幅度之修訂。,重大修訂部份,1.將原先之基準及基準說明合併，以方便查閱。2.將港灣構造物設計基準碼頭部份與防波堤部份合併，不再各印單行本，防波堤部份列為第七篇。3.增加第四篇預鑄混凝土構件及第六篇水域設施，其他章節順延，將原分散於第六篇碼頭工程及第七篇防波堤工程之相關內容加以調整。將設計基準內所使用之單位改為SI制，以便與國際工程界接軌。耐震設計部份依新版建築物耐震設計規範及解說修訂草案之規定予以大幅修訂。,第二篇 設計條件,第一篇 通則,新增SI單位之說明及其與現有單位之換算表,各篇章修訂內容說明,設計因
10、素考量新增遭遇機率之說明(1.2節)修正船型參考尺寸表、DWT和GT之關係式、船舶排水噸與DWT之關係式及作用於繫泊船舶之風力公式等項(CH2)第四章波浪內容大幅擴充 新增第五章波力，原防波堤篇相關內容加以調整 新增潮位基準換算(6.5節)新增水流對披覆材料之安定分析(7.3節)第十章耐震設計，依新版建築物耐震設計規範及解說修訂草案之規定有大幅修訂，新舊版內容比較說明詳附錄三。,第四篇 預鑄混凝土構件,第三篇 工程材料,新增篇幅，將原有分散於碼頭及防波堤之相關內容綜整於本篇 沉箱設計外力考量載重組合及載重係數(1.4.2節)沉箱完成後之外力依不同使用場合修正(1.4.7節),防蝕電流密度值依不
11、同環境修正(2.4.4節)新增容許應力之增減(2.3.7節)新增極限強度設計之說明(3.2節),各篇章修訂內容說明,第五篇 基礎,二層土壤之基礎承載力修正為多層土壤(2.4節)推定單樁行為之分析方式第4項張有麟方法修正(4.4.4節)斜組樁橫向承載力增加樁頭彈簧係數及相關公式(4.4.6節),各篇章修訂內容說明,第六篇 水域設施,新增篇幅。,第七篇 防波堤工程,將原先單行本之防波堤設計基準內容加以調整後併入修訂之基準，部份內容移至第二章設計條件及第四章預鑄混凝土構件中，其餘配合原有基準之格式加以調整及修訂。,第九篇 專門碼頭,貨櫃碼頭修訂貨櫃碼頭長度及水深參考表(1.2.1節),各篇章修訂內容
12、說明,第八篇 碼頭工程,設計流程之調整(1.1節)增加考量地震時之動水壓 鋼板樁圓筒碼頭設計流程及分析過程大幅修正，由重力式構造物調整為考量土壤力量之結構體(6.1.3節),六、本次修訂對國內港灣 工程設計之可能影響,修訂工作對未來港灣工程設計之可能影響,本次港灣構造物設計基準之修訂工作對未來港灣工程設計之可能影響，依以下項目加以探討：基準在港灣構造物設計過程中所扮演之角色 SI制之引進 設計觀念之調整 土壤及結構之互制行為 耐震設計之調整 提供未來增訂及相關研究之方向 本次修訂對工程造價之可能影響,修訂工作對未來港灣工程設計之可能影響,基準在港灣構造物設計過程中所扮演之角色 國內外供設計者依
13、循或參考之相關資料設計規範（Code,Specification）設計手冊（Manual）設計指引（Guideline）設計基準或技術基準（Standard）對港灣工程沒有涉獵之設計者，應先修習或閱讀其他港灣工程之基本教材，再參閱本設計基準，對入門者，本基準可作為研讀相關設計資料之指引，對有經驗之設計者，本基準可作為設計之參考，對設計審核者，本基準則可作為審核之依據 SI制之引進 SI制較適合動力分析時之狀況，隨著動力分析之推廣，採用SI制將可避免不必要之困擾。,修訂工作對未來港灣工程設計之可能影響,設計觀念之調整 作用外力之迴歸期分析 功能性設計之引進 土壤及結構之互制行為 在碼頭篇中對鋼板
14、樁圓筒式碼頭之設計有大幅之修正，將鋼板樁圓筒式碼頭之設計比照埋入式圓筒式碼頭加以調整 耐震設計之調整 本次修訂所考量之因素較為週詳，依初步之分析顯示，修訂後之地震力與921後之基準相較，隨港口所在區域、地質狀況及基本震動週期而有所增減，其變動幅度與921後之變動相較明顯縮小，較能反應實際之狀況。,修訂工作對未來港灣工程設計之可能影響,提供未來增訂及相關研究之方向增訂部分 a.新生地填築及地質改良 b.外海之專用碼頭 c.港灣規劃工作 研究項目 a.強度設計法相關參數之確認 b.功能性設計相關設計參數及基準之研擬 c.動力分析在港灣構造物設計之運用,修訂工作對未來港灣工程設計之可能影響,本次修訂
15、對工程造價之可能影響921地震後，港灣構造物之水平震度全面提昇，以台中港13公尺深之棧橋式碼頭為例，當水平震度由0.28提昇到0.33時，上部結構之工程費將增加9%，下部結構將增加18%，碼頭之整體工程費約提高14%。本次修訂地震力所考量之因素較多，SaD值將隨地盤種類及結構物之基本震動週期而有所不同，國內各港口依擬修訂規範與現行規範之SaD值，除基隆及高雄有全面提昇之現象外，其餘港口則隨著結構物之基本震動週期而有所不同，亦即本次耐震設計之修訂對工程造價之影響不若921之後那麼明顯。,七、耐震設計規範之修訂建議,港灣構造物耐震設計基準之修訂重點港灣構造物耐震設計目標之修訂非剛性港灣結構物設計地
16、震力之修訂剛性港灣結構物設計地震力之修訂工址水平譜加速度係數之引入及應用最大考量地震與特殊耐震碼頭之設計要求中小度地震與設計地震之合併考慮部分用途係數之修訂動力分析之必要性（包含歷時分析）,港灣構造物耐震設計修訂概要,港灣構造物之耐震設計目標,中小度地震：為回歸週期約30年的地震，其50年超越機率約為80%左右，地震過後結構體維持在彈性限度內，建築結構體沒有任何損壞。設計地震：為回歸週期475年之地震，其50年超越機率為10%左右。在此地震水平下結構物不得產生嚴重損壞，造成嚴重的人命及財產損失。最大考量地震：為回歸週期2500年之地震，其50年超越機率為2%左右。在此強烈地震作用下建築結構不產
17、生崩塌。,非剛性港灣結構之設計地震力,非剛性結構物之設計地震力(現行設計基準)Z 為工址水平加速度係數 I 為用途係數C 為工址正規化水平加速度反應譜係數 W 為結構物全部靜載重Fu 為結構系統地震力折減係數 y 為始降伏地震力放大倍數,非剛性結構物之設計地震力(修訂中基準)SaD為工址設計水平譜加速度係數，隨結構物基本振動週期及工址短週期與一秒週期之設計水平譜加速度係數與而改變 SaD替代 ZC之乘積 另外分母由1.2放大為1.4,475年回歸週期地震力下碼頭之性能限制,剛性港灣結構之設計地震力,剛性結構物之設計地震力 Z 為工址水平加速度係數I 為用途係數W 為結構物全部靜載重 y 為起始
18、降伏地震力放大倍數,剛性結構物之設計地震力SDS 為在考量工址地盤特性、可能斷層與震源距離等相關因素分析下所得之工址短週期水平譜加速度係數,1995,1999,2002,港灣構造物之設計地震力,=,其SaD/Fu 值之設定比起現行港灣結構物設計基準中C/Fu1.1之單一限定具有較大彈性。,一般工址設計水平加速度反應譜係數,碼頭新舊規範設計地震力係數比較,台中港區一至三類地盤設計頻譜加速度係數,台中港區一至三類地盤最大頻譜加速度係數,碼頭新舊規範設計地震力係數比較,高雄港區一至三類地盤設計頻譜加速度係數,高雄港區一至三類地盤最大頻譜加速度係數,用途係數表,結構動力分析方法,動力分析方法使用的時機
19、 動力分析使用時機為：若結構物之幾何形狀、質量分布、勁度變化等屬於不規則時，以靜力分析方法難以反映結構物在地震作用下的動態行為，應採用動力分析方法設計之。多振態反應譜疊加法 利用不同地震（單一方向）分量之反應譜作疊加計算，而得出同一構件或位置在受到不同地震分量同時作用下之整體反應，所得出之結果雖然與地震作用時之真實反應值並不完全一致，但在從事結構設計時卻足以代表結構之動力行為,非線性靜力分析法(側推分析)以結構之某一振態作振態側推分析 得水平力及位移關係將側推力-位移圖轉為譜加速度(側推力/振態質量)-譜位移(位移/振態參予係數)關係即容量曲線圖將設計譜加速度與週期之關係轉為與譜位移之關係即設
20、計頻譜需求曲線結合容量曲線圖與設計頻譜需求曲線可得出交會之表現點(performance point)該點之值乘以振態參予係數得出結構體在不同震譜強度下之真實位移,歷時動力分析方法,輸入地震要求，至少三個與設計反應譜相符之水平地震紀錄，其應能確切反應工址設計地震(或最大考量地震)之地震規模、斷層距離與震源效應 針對任一個水平地震紀錄，計算其5%阻尼之反應譜。同時，調整地震紀錄使得位於0.2T至1.5T週期範圍內任一點之譜加速度值不得低於設計譜加速度值之90%及於此週期範圍內之平均值不得低於設計譜加速度值之平均值 線性歷時分析之調整係數為 構材之非線性分析模型須要能確切反映構材真實之非線性行為；
21、非線性歷時分析所得之反應值不得再以調整係數予以折減,多振態反應譜疊加法-1,決定結構系統參數：包括結構之質量矩陣m、勁度矩陣k及系統之阻尼 決定結構系統之自然頻率及相對應之振態 計算第n個振態之最大反應(Peak response)，其步驟如下：從對應之自然頻率、阻尼比以及地震反應譜（或設計反應譜Design spectrum）中求出變形(Deformation)及擬加速度(Pseudo acceleration)值 從右式中計算出相關位移,多振態反應譜疊加法-2,計算出等量之靜側向力(Equivalent static lateral force)如下式利用靜力分析法，將上述側向力作用時之各
22、構件之剪力及彎矩力求出 最後利用多振態反應譜求出之反應值疊加為所需之反應值，方法包括CQC(Complete quadratic combination)法則，SRSS(square-root-of-sum-squares)疊加法等,SRSS疊加法,平方和的方根值法,Square Root of Sum of Square,八、結論與建議,結論,1.本次耐震設計修訂係以2002年版之建築物耐震設計規範及解說修訂草案為準，依地質基本震動週期與921後之基準相較互有增減。2.港灣構造物須考量材料腐蝕、混凝土保護層、船舶靠泊之撞擊力等因素，外海地區之構造物則須另外考量波浪、海流之作用力及基礎可能之淘
23、刷等問題，除外在環境考量不同，結構物本身與一般基本學理並無不同。3.港灣構造物依其使用上之定位，其功能性、重要性不同，故應採用功能性設計為一較合理之設計程序，值得加以推動，惟功能性設計之相關設計參數應及早建立以方便業者使用。,結論,4.民間企業所投資興建之碼頭因緊臨其後線廠區，碼頭已成為生產設備之一部份，僅能對其後線之業者提供服務，此類具專用性質之碼頭很可能隨著產業之變遷或轉型而進行改建，產業之生命週期一般而言較結構物之使用年限為短，此類配合產業需求所興建之專用設施，在功能、定位及相關設計參數之訂定上值得再加斟酌考量，適當調整業者之投資額度，增加產品之競爭力。,建議,1.國內港灣構造物設計基準
24、係以日本之港灣構造物技術基準為藍本，配合國內之需求及現況所研擬之設計參考資料，日本每十年即出版修訂之技術基準，國內雖亦配合辦理相關修訂工作，但在時效上皆有落差，建議未來可將作業時程前移，以方便港灣工程界及早取得較新之資訊。2.港灣設計基準除了參考日本之技術基準及其他國外之相關技術資料外，有關耐震設計、強度設計法、功能性設計等，應考量國內之施工環境建立本土化之設計參數，建議未來應辦理相關之研究並將其結果作為修訂設計基準之參考，以加速未來基準修訂工作之進行並提供國內業者最新本土化之設計資訊。,建議,3.國內港灣構造物設計基準之內容較適合作為有經驗之設計者或審核人員之參考資料，對初學者或缺乏港灣工程
25、經驗之設計者，直接採用可能會導致考慮欠週詳之設計，應參考國外設計手冊加入設計案例介紹，並對整個設計過程有明確之解說，以供相關從業人員使用，提昇設計之水準，避免不必要之錯誤。4.港灣構造物之主要外力為地震及波浪，有關地震部份，有明確之規範可依循；波浪部份則未如地震力明確。建議由公部門主導，進行台灣地區各海域之分析，訂定各海域不同迴歸期不同波向之設計波高及週期，作為設計之依據，如此可降低人為錯誤之機率並避免資源之浪費，提升工程之安全性。,建議,5.本次基準修訂對設計工作之衝擊主要為耐震設計之修訂及風險管理觀念之引進，惟修訂後之基準其適用性仍須各界試用得到量化之數據方能作進一步之評估，建議先將修訂之基準交由各港務局及相關單位試用相當期限後，再召開相關會議彙整各方意見，將內容再作調整以符合各方之需求及增加基準之適用性。6.建議設置常設之機構進行港灣構造物設計基準之修訂及相關研究工作之推展，並定期召開協調會或座談會，廣納各界之意見，經由平時之交流，了解業者之需求，發行相關之出版物供各界參考，時機成熟時再對設計基準進行修訂工作，對基準之使用時效及適用性將有相當大之助益。,
