第二章 減震消能結構設計注意事項
第五節 消能元件之模擬
大致而言，我國規範有關分析用地震波乃是根據 FEMA273、356 的精神，其採用的地震波需能反應工址效應，至於該如何反應工址效 應，我國規範則是說明地震波必須能夠與設計反應譜相符，也就是說，
無 論 採 用 何 種 地 震 紀 錄 ， 只 要 該 地 震 紀 錄 與 工 址 設 計 反 應 譜 作 Compatible 即符合規範要求。地震紀錄與反應譜相符的圖形如圖 2-6。
日本有關地震波的規定，則是要求至少採用三種以上之公告地震波，將 三種公告地震波反應至工學基盤，再考慮工址土壤地盤增幅效應將地震 波反應至地表。此外，對於所謂之公告地震波，分別考慮標準地震波如 EL-CENTRO、長週期地震波如 HACHINOHE、短週期地震波 TAFT、
以及內陸垂直型地震波 JMA-KOBE 等，因此可以不需要再與設計反應 譜作Compatible。
第五節 消能元件之模擬
5.1 消能元件模擬模型
如圖2-7係採用單質點系統，以簡單的方式表現減震消能結構的模 型，可藉由單質點系之消能構架模型推導出多質點系消能結構之力學行 為，以及決定裝置、安裝構材與結構之間平衡的關系，透過此模型可看 見消能元件與安裝構材(斜撐)模擬成為串聯，而與結構模擬成並聯的簡 化模型。如下圖所示，其中安裝構材之勁度為Kb、結構之勁度為Kf。 如圖2-8所示，黏性消能元件中，特別是利用流動抵抗的筒型係由
其各黏性係數 Cm 的非線性阻尼裝置、勁度 Km 之彈性彈簧串聯模式 Maxwell 模型所組成，此外由於安裝構材彈簧 Kb與黏性消能元件模擬成 串聯模式，故 2 個彈性彈簧 Km、Kb後可以組成支撐材勁度 Kb’。油壓 阻尼器同樣是以Maxewll 構造組成，亦是由 2 種彈性彈簧組成支撐材勁 度Kb’、Cm係分兩階段變化，至某程度以上之速度時，減壓閥即開始動 作，此時Cm則會變小。黏彈性消能元件係以黏性Cd之非線性消能元件 與勁度 Kd之彈箕之並聯式之 Kelvin 模型，消能元件與安裝構材之勁度 Kb再以串聯模式模擬；Cd與Kd相依於振動頻率 ω 及溫度。鋼材消能元 件與變位具有相依性，不同於其他速度型消能元件。
5.2 消能元件力學特性
減震消能結構的力學行為可以從圖 2-9 可知，4 種消能結構物分別 可以由能量吸收、消能元件與安裝構材串聯、消能元件與安裝構材串聯 後再與主結構並聯等三部分組成，說明如下：
(1)能量吸收部分：黏性消能元件的數學表示式
F
=CV
α，其阻尼力與變 形曲線的形狀為楕圓形+四邊形；油壓消能元件的數學表示式F = CV
其阻尼力與變形曲線的形狀為楕圓形；黏彈性消能元件的數學表示式
( ) D C ( ) V K
F =
ω+
ω ，其阻尼力與變形曲線的形狀傾斜楕圓形；鋼材消 能元件F = Kf ( ) D
，其阻尼力與變形曲線的形狀為雙線性形。(2)消能元件與安裝構材串聯部分：表示消能元件與安裝構材串聯構造之 遲滯迴圏曲線，四種消能元件皆相同，採低勁度安裝構材時變形較 大，故能量吸收部位的變形量減少。此外，消能元件受力時，安裝構 材則隨之變形，即使是無勁度的消能元件，當其與安裝構材串聯組成 時，該消能元件亦會產生等值勁度，該等值勁度就是最大變形時之割 線勁度。
(3)消能元件與安裝構材串聯後再與主結構並聯部分：消能元件與安裝構 材串聯後，再加上結構彈性勁度 Kf與其並聯，則可以求出之減震消 能結構整體的遲滯迴圏曲線，消能元件結構系統之吸收能量面積與消 能元件吸收能量面積相同。
5.3 規範有關消能元件力學特性
我國規範草案將消能元件概分為位移型、速度型與其它型式。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。第三類(其它)則含括所有不屬 於位移型與速度型的消能元件，其典型範例包括形狀記憶合金(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。
模擬消能系統時，若介於消能元件與結構間傳遞作用力之子結構的 撓度足以影響消能系統之行為，則必須同時考慮該子結構的勁度。撓度 足以影響消能系統行為的子結構包括基礎、與消能元件串接的斜撐及其 接頭。除非使用經證實更精準的方法或行為模型，消能元件必須依據以 下各子節之描述加以模擬。規範確認位移型、速度型與其它等三種型式 的消能元件。金屬降伏與摩擦消能元件屬於位移型消能元件，其受力與 位移關係範例如圖 2-10 所示。速度型消能元件則包含黏彈性固態消能 元件、藉由黏彈性液體變形而運作之消能元件如圖 2-10。
第六節 最大設計阻尼力
6.1 消能元件最大設計阻尼力
相較於由最大考量地震計算所得之最大值，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。
1.建築物之某一樓層若提供超過 4 組以上之消能元件於其主軸方向，且 至少有2 組配置在樓層剛心之兩側時，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所對應之力的 1.3 倍。至於速度型 元件須能承受之力，不得小於經由最大考量地震計算出最大總速度所 對應之力的1.3 倍。
2.在一建築物之某一樓層之主軸方向若只提供少於 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 1.5 倍。對於速度型元件所須能承受 之力，不得小於經由最大考量地震計算出之最大總速度所對應之力的 1.5 倍。
6.2 極限層剪力強度
國內有些結構設計者於設計地下室時，會考慮上部結構崩塌時之極 限層剪力強度設計地下室，倘結構物中含有被動消能元件，而計算極限 層剪力強度時，忽略消能元件提供的阻尼力，也就是認為消能元件只提 供消能效果，而未考慮消能元件阻尼力的貢獻。含被動消能元件之結構 物，除了以極限層剪力強度設計地下室外，各樓層間之極限層剪力強度 的檢核，也必須注意將消能元件的阻尼力考慮於結構分析之中。
極限層剪力強度的計算方法，若為位移型消能元件，則必須考慮消 能元件於極限狀態下之最大阻尼力與結構物極限狀態下之層剪力以並 聯方式疊加；若為速度型消能元件，可以考慮最大加速度情況下，將所 計算出來之極限層剪力強度乘上參數CF1，以及最大速度情況時之作用 力乘上參數CF2，兩者之總和定義為建築結構在最大加速度情況之極限 層剪力強度。其中
( )
[
eff]
CF
1=costan−1 2β( )
[
eff]
CF
2 =sintan−1 2β而βeff則由靜力分析時，減震消能結構求得之等效阻尼比。