各國消能元件之規定

一、 臺灣：建築物耐震設計規範及解說 1. 適用範圍

根據「建築物耐震設計規範及解說」第1.1 節適用範圍之規定，該規範規定 建築物結構體、結構物部分構體、非結構構材與設備、非建築結構物、隔震建築 物與含被動消能系統建築物設計地震力之計算方式及耐震設計之相關規定。其 中，第10 章為含被動消能系統建築物之耐震設計規定，對於採用隔震與被動消能 系統外之其他主動或被動控制系統亦允許使用，但需經由特殊結構外審之審查。

2. 種類

建築物耐震設計規範及解說第 10.2 節消能元件之模擬規定將消能元件分為 位移型、速度型與其它型。位移型消能元件顯現剛塑性（摩擦元件）、雙線性（金 屬降伏元件）或三線性遲滯行為，且其反應需與速度及激振頻率無關。速度型消 能元件包含固態與液態之黏彈性元件及液態黏滯性元件。其它型消能元件則包含 所有不屬於位移型與速度型的消能元件，其典型範例如形狀記憶合金（超彈性效 應）、摩擦－彈簧組件以及兼具回復力與阻尼的液態消能元件。規範對於各類型 消能元件之特性敘述如下：

(1) 位移型消能元件

位移型消能元件的受力與位移反應關係主要是該元件兩端點相對位移的函 數，而與兩端點間的相對速度及激振頻率並無實質關係。位移型消能元件的受力 可表示為：

(2-1) 其中， 為消能元件的有效勁度； 為消能元件兩端點的相對位移。

(2) 速度型消能元件

速度型元件的受力與位移反應關係主要是該元件兩端點相對速度的函數。

(3) 其他型消能元件

無法歸類於位移型與速度型的消能元件即為其他型消能元件。

(4) 固態黏彈性元件

固態黏彈性元件屬於速度型消能元件，一般而言含有黏彈性聚合物所組成的 束縛層，利用該束縛層之抗剪行為產生阻尼效果，而黏彈性固體之力學特性通常 與頻率、振幅及運轉溫度有關，固態黏彈性元件可利用並聯之彈簧與阻尼(Kelvin 模型）加以模擬，彈簧常數與阻尼係數之選取則應充分掌握該元件與頻率和溫度 之相依性，使其與建築物基本頻率和運轉溫度範圍一致。固態黏彈性元件的受力

可表示為：

(2-2) 其中， 為為消能元件的有效勁度； 為消能元件的阻尼係數； 為消能元 件兩端點的相對速度。

(5) 液態黏彈性元件

液態黏彈性元件屬於速度型消能元件，利用黏彈性液體之抗流動性產生阻尼 效果，而黏彈性液體之力學特性通常也與頻率、振幅及運轉溫度有關，液態黏彈 性元件可利用串聯之彈簧與阻尼(Maxwell 模型)加以模擬，彈簧常數與阻尼係數 之選取則應充分掌握該元件與頻率和溫度之相依性，使其與建築物基本頻率和運 轉溫度範圍一致。液態黏彈性元件的受力可表示為：

(2-3)

其中， 為彈簧的有效勁度； 為阻尼的阻尼係數； 為阻尼的速度指數；

為消能元件兩端點的相對位移； 為彈簧的相對位移； 為阻尼的相對位移。

(6) 液態黏滯性元件

態黏滯性元件屬於速度型消能元件，利用液體穿越小孔之節流原理產生阻尼 效果，液態黏滯性元件的力學特性與速度相關，也可能與頻率和振幅相關，且通 常與運轉溫度有關。液態黏滯性元件可能在高頻反覆載重時呈現些許勁度，若液 態黏滯性元件在0.5 至至2.0 的頻率範圍（ 為建築物基本頻率）內呈現勁度，

則必須模擬為液態黏彈性元件。若液態黏滯性元件在0.5 至2.0 的頻率範圍內 呈現無勁度，則其受力可表示為：

(2-4) 其中， 為消能元件的阻尼係數； 為消能元件的速度指數； 為消能元件兩 端點的相對速度。

3. 要求事項

(1) 極限位移和極限速度

建築物耐震設計規範及解說第10.1.2 節規定，相較於最大考量地震計算所得 最大值，消能元件應能承受更大之位移（及速度，對速度型元件而言），位移（及 速度）容量之增加與消能系統所提供的贅餘程度有關，因此根據不同的消能元件 配置方式訂定不同的消能元件容量要求如下：

a. 建築物之某一樓層於其主軸方向若提供 4 組以上之消能元件，且在樓層剛 心之兩側配置2 組以上時，則所有消能元件須能承受經由最大考量地震計 算出之最大總位移的1.3 倍。惟速度型元件至少另須能承受經由最大考量 地震計算出最大總速度的1.3 倍所對應之力。

b. 建築物之某一樓層於其主軸方向若提供少於 4 組之消能元件，或在樓層剛 心之兩側配置少於2 組時，則所有消能元件須能承受經由最大考量地震計 算出之最大總位移之2.0 倍。惟速度型元件至少另須能承受經由最大考量 地震計算出之最大總速度的2.0 倍所對應之力。

(2) 有效勁度

建築物耐震設計規範及解說第10.7.4 節規定，在 10.7.2C 節的試驗中，消能 元件在任一循環中之有效勁度，其差異不應超過平均有效勁度的±15%。對於位 移型消能元件，在10.7.2C 節之每一試驗所得的平均有效勁度，其差異不應超過 設計值之±15%。若分析顯示更大差異值對消能建築物之反應並無有害影響，則 15%的限制可以提高。液態黏滯性元件及其它不具有效勁度之消能元件不須依從 本規定。

(3) 最大和最小阻尼力

建築物耐震設計規範及解說第10.7.4 節規定，在 10.7.2C 節的每一試驗中，

消能元件在任一循環中零位移所對應之最大和最小出力，其差異不應超過所有循

環之最大和最小出力平均值的±15%。對於位移型和速度型消能元件，在 10.7.2C 節之每一試驗所得最大和最小出力的平均值，其差異不應超過設計值之±15%。

若分析顯示更大的差異值對消能建築物的反應並無有害影響，則15%的限制可以 提高。

(4) 遲滯曲線

建築物耐震設計規範及解說第10.7.4 節規定，在 10.7.2C 節的每一試驗中，

消能元件在任一循環中之遲滯迴圈面積，其差異不應超過所有循環遲滯迴圈面積 平均值的±15%。對於位移型和速度型消能元件，在 10.7.2C 節之每一試驗所得遲 滯迴圈面積的平均值，其差異不應超過設計值之±15%。若分析顯示更大的差異 值對消能建築物的反應並無有害影響，則15%的限制可以提高。

(5) 疲勞性能

建築物耐震設計規範及解說第10.5.4 節規定，消能元件及其附件須經可信之 研究並證實於使用年限內不得有疲勞損壞，元件若會因低週數疲勞而產生破壞，

則其於設計風力下元件必須保持在彈性範圍之內。

建築物耐震設計規範及解說第10.7.2 節之解說敘明，每一實體消能元件應承 受至少2000 次位移循環其振幅等於在設計風暴下所預期者，此試驗之目的有二 個：

a. 展示在設計風暴中元件之疲勞壽命不會耗盡。

b. 提供元件在設計風暴中具有與設計性能相同之工程紀錄。

對於短週建築物，在設計風暴中可能遭遇超過2000 個顯著位移循環，此時 應增加其位移循環之次數。另外，消能元件應儘量測試以確定其扮演的關鍵角色，

每一實體元件試體均應承受20 個相當於最大考量地震之位移循環，其試驗頻率 應取代表最大考量地震下建築物之頻率特徵。

(6) 耐火性能

建築物耐震設計規範及解說第10.5.5 節規定，消能系統須具有適當之防火保 護，使其防火時效與建築物之柱、梁、牆、樓版或其它構材之防火時效一致。

4. 試驗法

(1) 基本性能試驗

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 。

(2) 溫度試驗

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）下進行前述基本性能試驗。

(3) 風力試驗

每一元件均應循環加載至在設計風暴所預期之次數，但不得少於2000 次完 全反覆之載重（位移型消能元件及黏彈性元件）或位移（黏滯性元件）循環週數，

其振幅如設計風暴所預期，且頻率等於 。若消能元件不承受風力引致之受力或 位移，或設計風力小於阻尼器降伏力或滑動力，則以上試驗可免除。

(4) 地震力試驗

每一實體元件試體均應承受20 個相當於最大考量地震之位移循環，其試驗 頻率應取代表最大考量地震下建築物之頻率特徵。

(5) 頻率試驗

對於速度型消能元件或激振頻率相關之元件，若消能元件之受力與變形性質 在變化測試頻率從0.5 至2.0 之條件下，在小於或等於最大總位移內任何時候 該性質之變動量超過設計值之 15%時，則前述之測試應在0.5 、1.0 及2.0 之 頻率下再測試。

5. 取樣

建築物耐震設計規範及解說第 10.7 節規定，在被動消能系統之設計中所假 設之受力與變形關係與阻尼值均應在生產前經過實體試驗及性能保證測試證實。

或者這些試驗在設計階段前已施作，則這些測試結果可用於設計。

(1) 實體試驗

下列實體試驗須分別施作於設計中各類型及各尺寸之消能元件各 2 個全尺 寸試體。若經審查通過，消能元件之每一類型之代表性尺寸試體可選用作性能保 證測試。非經專業技師同意，否則測試試體不可用於建築構體上。

(2) 性能保證測試

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。

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。