第五章 附屬於建築物之結構物部分構體、非結構構材與設備之地震力要求修訂
第一節 國內外消能元件性能測試程序與檢核標準比較
壹 速度型消能元件
以下將彙整過去與現行美、歐相關規範與準則中，應用於建築與橋梁速度型消能 元件之實體與性能保證試驗相關試驗程序與檢核內容，包括美國加州州政府交通部 (California Department of Transportation, Caltrans)、歐洲標準委員會(European Committee for Standardization, CEN)與美國土木工程師學會(American Society of Civil Engineers, ASCE)之相關報告與規範，以作為未來國內規範相關試驗建議之參考。
1. 美國加州州政府交通部(California Department of Transportation, Caltrans)
1995 年 Caltrans 訂定一針對隔震支承與消能元件應用於高速公路橋梁之測試計畫 [California Department of Transportation, 1995]，以進行相關耐震性能之測試檢核。此計 畫提出之測試程序主要目的，為建立隔震支承與消能元件實際性能表現與品質保證的
Design Displacement) 移動等級 (Movement Rating) 50 kips 1 1 <12.0 in. 2.0 in.
150 kips 3 2, 3, 4 <12.0 in. 3.0 in.
240 kips 1 5 12.0 in. 4.0 in.
(資料來源：California Department of Transportation, 1995)
表6-2 第四個試驗分類各試驗組須依序進行之試驗項目
(資料來源：California Department of Transportation, 1995)
表6-3 試驗項目之內容與檢核要求(Caltrans) 試驗1：基本性能試驗(Performance Benchmark)
目的：驗證勁度、阻尼或摩擦力等力學特性，以及達穩定反應所需之循環數。
試驗2：頻率試驗(Frequency Dependent Characteristics)
目的：決定動力特性及驗證組成律。
試驗3：疲勞與耗損試驗(Fatigue and Wear)
目的：模擬由溫度與活載重引致之微小軸向位移，以評估因剝落、疲勞或磨損而造成地
試驗4：老化試驗(Environmental Aging)
目的：驗證於鹽霧環境下之性能表現。
試驗條件：依 ASTM B 117 規定與標準，置於鹽霧試驗箱內 1,000 小時。
檢核：檢驗受環境因素所產生性能衰退之情形。
試驗5：溫度試驗(Dynamic Performance Characteristics at Temperature Extremes)
目的：驗證溫度對於特性之影響。
試驗6：耐久性試驗(Durability Test)
目的：評估歷經多個強烈地表循環運動下之耐久性能。
試驗7：極限試驗(Displacement Stability Test to Failure)
目的：決定破壞載重與安全限度範圍。
2. 歐洲標準委員會(European Committee for Standardization, CEN)
歐洲標準委員會(European Committee for Standardization, CEN)的技術委員會 (Technical Committee CEN/TC 340)於 2009 年 9 月針對抗震元件所提出的 EN 15129:
2009[EN 15129]，其中，第 7 章規定速度型消能元件相關設計與試驗等細節，速度型 消能元件可分為兩大類型：(1)不具儲存勁度之液態黏性阻尼器(Fluid Viscous Damper, FVD)；(2)具有儲存勁度之液態彈簧阻尼器(Fluid Spring Damper, FSD)。
試驗依不同目的可分兩類：(1)實體試驗(Type Testing)；(2)性能保證試驗(Factory Production Control Testing)。執行實體試驗時，每一型式與尺寸之元件皆須測試；性能 保證試驗之要求，則為每一支製造生產之元件皆須執行壓力試驗，並將相同組成律與 試驗1：壓力試驗(Pressure Test)
試驗條件：內部壓力達 125%最大出力之壓力，且加壓達 125%最大出力之壓力後持 續120 sec。
檢核：不得漏油、性質劣化或性能衰減之現象。
試驗2：低速試驗(Low Velocity Test) 液態黏性阻尼器(FVD)
檢核：出力<(1+td)倍設計出力或由專業工程師訂定更小值。td：製作生產廠商提供 之設計出力誤差容許範圍。
試驗3：組成律試驗(Constitutive Law Test)
目的：驗證元件組成律。
試驗4：基本性能試驗(Damping Efficiency Test)
目的：評估能量消散能力及穩定性。
試驗5：風力試驗(Wind Load Cycle Test)
目的：驗證抵抗風力振動之能力。
試驗6：疲勞試驗(Seal Wear Test)
試驗7：衝程驗證試驗(Stroke Verification Test)
目的：驗證設計衝程。
3. 美國土木工程師學會(American Society of Civil Engineers, ASCE）
ASCE 7-10 第 18 章含消能系統結構耐震設計要求中的第 18.9 節，訂定了消能元 件(含位移型與速度型消能元件)的通則性試驗要求，依不同目的可分為實體試驗 (Prototype Test)以及性能保證試驗(Production Test)。實體試驗採用各種型號、尺寸的 2 組實尺寸消能元件進行測試，除非專業工程師同意，試驗試體不得再用於現地安裝。
• 經專業工程師分析驗證，15%之限制可放寬。
滑動力，則以上試驗可免除。
2. 每一元件均應加載 5 次完全反覆循環，其位移須相當於最大考量地震作用下之反應，
且測試頻率為
f
1，若消能元件的特性會因當時溫度的不同而有差異，則須在至少三 種操作溫度（最小、週遭、最大）下進行試驗。例外：只要下列條件滿足，消能元件可由上述方法以外之其它方法進行測試：
(1) 所提試驗方法須與此節的反覆循環試驗要求相似。
(2) 所提試驗方法須能反映消能元件在不同溫度、不同載重頻率下及試驗時溫度升高之 效應。
(3) 所提試驗方法須經由專業技師審查通過。
而國內規範對於性能保證測試的敘述為：在裝設消能元件於建築物之前，專業技 師須按該消能元件特性，訂定抽樣比例及測試內容。抽樣時即按專業技師所訂之抽樣 比例與測試內容，挑選出每一類型且其尺寸具代表性的消能元件進行測試，以確保他 們的力-速度-位移之特性在專業技師所設定的限制以內。
關於試驗檢核標準則需符合下列所有情況，該實體元件之行為表現可視為達到要 求：
1. 在上述試驗之下其受力與位移曲線有非負值之增額承載容量。
2. 例外：若消能元件為具速度相關之行為則不須依從此規定。
3. 在上述試驗中，一實體消能元件在任一循環中之有效勁度（Keff）其差異不超過平均 有效勁度之±15%內。
4. 例外：(1) 若分析顯示更大差異值對消能建築反應並無有害的影響，則 15%之限制 可以提高。(2) 流體粘滯消能元件及其它不具有效勁度之元件則不需依從本規定。
5. 在上述之每一試驗中，一實體消能元件試體在任一循環中於零位移所對應之最大、
最小力與所有循環之最大、最小力平均值之差異皆不超過15%內。
6. 例外：若分析顯示更大的差異值對消能建築反應並無有害的影響，則 15%之限制可 以提高。
7. 在上述之每一試驗中，一實體消能元件試體在任一循環中之遲滯圈面積(WD)不超過 平均遲滯曲線面積之±15%內。
8. 例外：若分析顯示更大的差異值對消能建築反應並無有害的影響，則 15%之限制可 以提高。
9. 對於位移相關型元件在上述之每一試驗所得之平均有效勁度，在零位移之平均最大、
最小力及遲滯迴圈之平均面積均應落在設計值之內，其差異不超過5 個循環面積之
±15%內。
10. 對於速度相關型元件在上述所述步驟下之每一試驗計算所得之在零位移之平均最 大、最小力，有效勁度（只對粘彈性元件）及遲滯迴圈之平均面積均應落在設計值 之內。
11. 液態黏滯元件之力與速度性質的變化量不應超過其設計理論值之±15%。
另一方面，美國規範 AISC 341-10 中 K3 節之「挫屈束制支撐反覆載重驗證試驗
（cyclic tests for qualification of buckling-restrained braces）」則對 BRB 試驗方式、加載 歷時與合格標準規定的相當明確[AISC 2010]。針對 BRB 反覆載重試驗包含構件試驗 與子結構試驗，構件試驗目的為驗證BRB 滿足規範強度及非線性變形容量之要求，並 建立結構系統設計所需之基本參數；而子結構試驗則為提出BRB 之設計能符合該設計 變形及轉角需求之證據，且證明其與構件單軸試驗所得之遲滯行為一致。此外，美國 規範也體認子結構試驗所需的設備、難度與成本等，均高出構件單軸試驗許多；因此，
若BRB 的供應者已針對該型式的 BRB 進行過合理規模的子結構試驗，驗證其受力變 形反應滿足規範要求，並可提出相關試驗數據供設計者參考，則可不需對每件工程案 進行子結構試驗。
圖6-1 挫屈束制支撐試驗加載歷時 (資料來源：AISC 2010)
此外，美國規範亦明確地說明試驗控制與加載程序方式。試驗以控制施加試驗試 體之軸向或轉角變形∆b進行，另允許施加最大轉角變形並維持固定後，軸向變形則依 規定之加載歷時進行試驗；施加於試驗試體之載重應達到下列變形要求，如圖 6-1 所 示，該變形為斜撐試體之鋼核心軸向變形與子結構試驗試體之轉角變形需求：
(1) 加載∆b=∆by 之變形兩迴圈。每一加載迴圈包括完整拉與壓位移行程。
(2) 加載∆b=0.5∆bm 之變形兩迴圈。
(3) 加載∆b=1.0∆bm 之變形兩迴圈。
(4) 加載∆b=1.5∆bm 之變形兩迴圈。
(5) 加載∆b=2.0∆bm 之變形兩迴圈。
(6) 斜撐試驗試體加載完整∆b=1.5∆bm 之反覆變形迴圈，以使軸向累積非線性變形量 達到至少200 倍之降伏變形量（對於子結構試驗試體則不要求）。
其中，∆by=試驗試體發生初始明顯降伏之變形量，∆bm=設計樓層側位移所對應之 變形量。對於計算∆bm之目的而言，設計樓層側位移應不小於 0.01 倍之樓層高度，其 他能證明對最大與累積非線性變形具有等效或更嚴苛之加載歷時，允許使用做為證明 試驗試體合格之加載歷時。
不論是構件或子結構試驗之試體在規定之加載歷時內須符合下列要求：
(1) 加載與變形歷時圖應表現具正向增加勁度之穩定與可重複的行為。
(2) 無斜撐破裂、不穩定、或斜撐端部接合破壞。
(3) 對於斜撐試驗，變形大於∆by 之每個迴圈其最大拉力與壓力不得小於鋼核心之標 稱強度。
(4) 對於斜撐試驗，變形大於∆by 之每個迴圈其最大壓力與最大拉力之比值不可超過 1.3。對於經由具合格之同儕審查與主管機關核可之斜撐試驗或子結構試驗試體，允 許採用其他之合格標準。