國內消能元件性能測試程序執行現況

壹 速度型消能元件(以液態黏滯阻尼器及黏彈性阻尼器為例)

國內現行版建築物耐震設計規範與解說[內政部營建署 2011]於第十章「含被動消 能系統建築物之設計」中，已提供消能元件之實體與性能保證試驗相關說明與規定。

實體試驗之目的為確認供應商具足夠能力製造生產消能元件，在製造生產消能元件前，

確認其在設計地震作用下之地震行為與設計相符，以及在最大考量地震作用下之特性 及穩定性；性能保證試驗之目的則著重於消能元件之品管檢核，於現場安裝前，確認 其在設計地震作用下力學特性與設計相同或在容許誤差範圍。國家地震工程研究中心 (National Center for Research on Earthquake Engineering, NCREE)為國內具公信力之國 家級大型力學實驗室[國家實驗研究院國家地震工程研究中心 2003]，具國際標準認證 ISO 9001 及 ISO 17025，並通過全國認證基金會 TAF 與台灣檢驗科技公司 SGS 評鑑認 證，為因應國內規範與實務工程之測試需求，已於2004 年建置一減震消能元件測試系 統(見圖 6-2)，其最大出力與衝程容量分別可達 200tf 與±500 mm，在出力 100 tf 的條件 下，最大速度約可達250 mm/sec。國家地震工程研究中心過去已依「建築物耐震設計 規範及解說」－10.7 消能元件所需之試驗相關規定[內政部營建署 2011]、內政部建築 研究所「建築物耐震設計規範隔震設計及含被動消能系統設計專章研修與示範例研擬」

之相關測試建議、2013 年「結構隔減震技術講習會」[汪向榮 2013]與「耐震設計規範 研討會」[張國鎮等 2013]之相關測試建議、國外相關規範與準則[California Department of Transportation 1995, EN 15129, ASCE 7-10]、以及委託測試單位專業技師之測試需求，

執行了多項建築與橋梁工程應用消能元件之測試驗證，消能元件型態包含線性與非線 性液態黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器、雙線性油壓阻尼器等。

圖6-2 NCREE 減震消能元件測試系統 (資料來源：國家地震工程研究中心)

1. 試驗 1：風力試驗

以油壓阻尼器之測試為例，如採用加載頻率為0.3 Hz、振幅為 2.5 mm 之正弦波，

進行2,000 次完整循環試驗。檢核原則為評估位移與出力關係，如圖 6-3，並透過試驗 後以目視觀察其油封處與外觀是否發生異狀。

圖6-3 油壓阻尼器於風力試驗下之位移與出力關係圖 (資料來源：國家地震工程研究中心)

2. 試驗 2：頻率試驗/基本性能試驗

進行正弦波循環加載試驗，以測試消能元件於不同頻率、不同振幅下之行為，試 驗程序可有以下兩類：

(1) 於同一頻率下，在不同振幅下之進行測試

於每個試驗項目皆進行至少5 個正弦波循環，以油壓阻尼器之測試振幅與頻率為 例，見表6-7，由於數據處理上建議不計第一個起始半循環及最後一個結束半循環，為 滿足5 個正弦波循環之測試要求，因此，於表中循環數要求為(5+1)個正弦波循環。油 壓阻尼器位移與出力之關係圖，可繪製如下圖6-4 所示(以頻率 0.3 Hz，振幅 45 mm 為 例)。

表6-7 油壓阻尼器試驗項目

正弦波加載參數 試驗最大速度

(mm/sec) 測試時間

(sec) 備註 頻率 (Hz) 振幅

(mm) 循環數

0.30 20 5+1 37.70 20.0 0.30 45 5+1 84.82 20.0 0.30 55 5+1 103.67 20.0 (資料來源：國家地震工程研究中心)

圖6-4 油壓阻尼器之位移與出力關係圖 (資料來源：國家地震工程研究中心)

(2) 於同一振幅下，在不同頻率下之進行測試

於每個試驗項目皆進行至少5 個正弦波循環，以液態黏滯阻尼器之測試振幅與頻 率為例，見表6-8，由於數據處理上建議不計第一個起始半循環及最後一個結束半循環，

為滿足 5 個正弦波循環之測試要求，因此，於表中循環數要求為(5+1)個正弦波循環。

液態黏滯阻尼器位移與出力之關係圖，可繪製如圖 6-5(以頻率 0.45 Hz，振幅 22 mm 為例)。

表6-8 液態黏滯阻尼器試驗項目

正弦波加載參數 試驗最大速度

(mm/sec) 測試時間

(sec) 備註 頻率 (Hz) 振幅

(mm) 循環數

0.30 22.0 5+1 41.47 20.0

0.45 22.0 5+1 62.60 13.3

0.60 22.0 5+1 82.94 10.0

(資料來源：國家地震工程研究中心)

圖6-5 液態黏滯阻尼器之位移與出力關係圖 (資料來源：國家地震工程研究中心)

將試驗結果繪製位移-出力之關係圖，以進行相關參數之檢核，如：(1)比較各測試

項目中任一循環於零位移所對應之最大、最小出力與平均最大、最小出力之差異；(2) 比較各測試項目中任一循環遲滯迴圈面積與平均遲滯迴圈面積之差異；(3)取每一組試 驗項目中所有循環之最大及最小出力平均值，以及其所對應之最大試驗速度平均值，

將此試驗結果點繪於速度-出力曲線圖(見圖 6-6)中，比較試驗值與理論值之差異。

(a) 油壓阻尼器 (b) 液態黏滯阻尼器 圖6-6 各速度下出力之實驗值與理論值比較圖

(資料來源：國家地震工程研究中心)

3. 試驗 3：耐久性試驗

如採用加載頻率為0.825 Hz、振幅為 18.1 mm 之正弦波，進行 20 個完整循環試驗。

依試驗結果繪製位移-出力之關係圖，並比較任一循環於零位移所對應之最大、最小出 力與平均最大、最小出力之差異。

4. 試驗 4：疲勞與磨損試驗

此試驗之目的為二：(1)透過此試驗以量化破壞或性能衰減之情形；(2)於此試驗前 後配合執行基本性能試驗，進而評估與檢討基本性能試驗結果之差異。如採用加載頻 率為0.1 Hz、振幅為 5 mm 之正弦波，進行 10,000 個完整循環試驗，總試驗時間達 27.78 小時，因考量試驗時間以及消能元件溫度之影響，可將試驗分段進行(由委託測試單位 專業技師決定)。將各段試驗結果繪製位移-出力之關係圖，並透過試驗後以目視觀察 其外觀，比較試驗前後於外觀上有無任何差異。

5. 試驗 5：溫度試驗

以下介紹兩種溫度試驗方式：(1)以乾冰包覆消能元件達到降溫作用，利用消能元 件反覆運動達到升溫作用，於減震消能測試系統進行試驗；(2)將消能元件置於密閉恆 溫箱之方式進行升、降溫作用，於多自由度多功能構件試驗系統(Multi-Axial Testing System，MATS)[9]進行試驗。

以液態黏滯阻尼器為例，於不同溫度下，包含低於常溫(<15℃)、常溫(25±2℃)及 高於常溫(>35℃)之三種溫度條件，進行反覆載重試驗，如採用加載頻率為 2.38 Hz、

振幅為20 mm 之正弦波，進行至少 5 個完整循環試驗，溫度監測參考點為委託測試單 位專業技師指定之阻尼器表面位置。測試順序說明如下：

(1) 溫度低於常溫條件(<15℃)之試驗方式，為採用乾冰包覆阻尼器表面(如圖 6-7 所示)，

使阻尼器表面達到降溫作用後再進行反覆載重試驗。

(2) 常溫條件(25±2℃)之試驗方式，為溫度低於常溫條件(<15℃)之試驗完畢後，將包 覆阻尼器之乾冰拆除，使阻尼器表面達到常溫條件後再進行反覆載重試驗。

(3) 溫度高於常溫條件(>35℃)之試驗方式，為先將阻尼器進行反覆運動以達內部升溫 作用，再進行反覆載重試驗。

圖6-7 乾冰包覆阻尼器示意圖 (資料來源：國家地震工程研究中心)

在不同溫度下之試驗結果繪製位移-出力之關係圖(見圖 6-8)。取每一組試驗項目中 所有循環於零位移所對應之最大、最小出力平均值，以及各組試驗之最大速度平均值，

比較試驗值與理論值之差異。

圖6-8 在不同溫度下於各速度之阻尼器出力實驗值與理論值比較圖 (資料來源：國家地震工程研究中心)

以黏彈性阻尼器為例，於三種溫度(35℃、25℃與 15℃)條件下，利用 MATS 進行 反覆載重試驗，MATS 與阻尼器接合之示意圖可見圖 6-9(a)。將阻尼器安裝於密閉恆

溫箱內，經由溫度控制系統可控制恆溫箱內部溫度達至測試需求，溫度監測參考點為

圖6-10 黏彈性阻尼器於頻率 0.18 Hz、振幅 30 mm 循環試驗下溫度歷時圖 (15℃) (資料來源：國家地震工程研究中心)

(a) 溫度控制：15℃ (b) 溫度控制：25℃ (c) 溫度控制：35℃

圖6-11 黏彈性阻尼器於溫度試驗下之位移與出力關係圖 (資料來源：國家地震工程研究中心)

6. 試驗 6：衝程試驗

以液態黏滯阻尼器為例，進行慢速試驗以驗證阻尼器之衝程容許量可達設計需求 (如±30 mm)。檢核方式為測量阻尼器試驗前後位移量之變化是否有達到設計需求，如 圖6-12。

(a) 試驗前外部位移計量測示意 (b) 試驗後外部位移計量測示意 圖6-12 衝程試驗前後阻尼器外觀與外部位移計量測

(資料來源：國家地震工程研究中心)

7. 小結

近年來減震技術已廣泛應用於國內建築與橋梁新建與補強工程，內政部營建署與

10 12 14 16 18 20 22

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Temperature(°C)

Time (sec.)

交通部亦於建築物與橋梁耐震設計規範中[內政部營建署 2011，交通部 2009]新增了 減震相關章節，對於消能元件之分析、設計與測試驗證要求均有規定。國家地震工程 研究中心近年已協助諸多國內外建築與橋梁實務工程應用消能元件進行測試，然而，

隨著耐震技術與工法的日益精進，以及國家與人民對於建築、橋梁與公共設施之使用 機能與耐震性能要求不斷提升，耐震元件的性能、製作及施工品質愈益要求，且相關 規模與尺寸亦隨之增加。以近年來許多重要公共工程如橋梁應用之阻尼器為例，其設 計出力、衝程與速度需求動輒分別達200 tf、±200 mm 與 400 mm/sec，國內既有實驗 室之測試系統容量著實已不敷使用，一則只好至國外具大容量之實驗室進行測試，如 美國加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)的六自由度結 構構件動態測試機組(Seismic Response Modification Device, SRMD)[Shortreed et al.

2001, UC San Diego 1960]，以及位於義大利 EUCENTRE TREES(European Centre for Training and Research in Earthquake Engineering)實驗室的阻尼器試驗設施(Damper Tester Machine)[EUCENTRE TREESLab Laboratory 2008]，如此一來，將大為增加營造 成本與發生施工工期的延宕，抑或是遷就於國內現有測試系統之性能容量，但無法實 際驗證阻尼器於設計與大地震需求下之真實力學行為，這對於未來國內耐震新技術之 持續精進、提升與推動無疑是一大隱憂。

因此，國家地震工程研究中心將於未來規畫建置一高性能減震消能元件測試系統，

其最大出力與衝程容量分別可達400 tf 與±600 mm，在出力 200 tf 的條件下，最大速度 約可達 1000 mm/sec，此一規格將可滿足目前與未來至少 95%建築物與橋梁工程應用 減震設計之速度型阻尼器測試需求。同時，此一系統亦具備密閉恆溫箱與溫度控制系 統，有效改善採用反覆運動與乾冰包覆以達升降溫作用之傳統作法。

貳 位移型消能元件(以挫屈束制支撐為例)

由於國內規範針對BRB 性能測試的適用性仍有討論的空間，因此目前國內工程師 在進行 BRB 工程應用案的規劃與設計時，主要參考國內規範對品質檢核的精神[內政 部營建署 2011]，並依據美國規範的明確條文[AISC 2010]，同時考量其工程案的結構 特性與得標承攬供應者的不確定性，制訂針對該工程案BRB 供應者所需依循的抽樣數 量、試驗方式、加載歷時與合格標準。這些綜合考量各工程案特性所要求執行之BRB 反覆載重驗證試驗目的為，提供BRB 供應者、官方、業主及設計者最直接的試驗證據，

由於國內規範針對BRB 性能測試的適用性仍有討論的空間，因此目前國內工程師 在進行 BRB 工程應用案的規劃與設計時，主要參考國內規範對品質檢核的精神[內政 部營建署 2011]，並依據美國規範的明確條文[AISC 2010]，同時考量其工程案的結構 特性與得標承攬供應者的不確定性，制訂針對該工程案BRB 供應者所需依循的抽樣數 量、試驗方式、加載歷時與合格標準。這些綜合考量各工程案特性所要求執行之BRB 反覆載重驗證試驗目的為，提供BRB 供應者、官方、業主及設計者最直接的試驗證據，