第一章 緒論
1.1 研究背景與目的
台灣位於歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊交界處，因此常發生地 震，所以醫院在地震過後的救災活動中扮演不可或缺之角色，一方面 必須提供震後大量湧入的新病患緊急醫療與照顧，另一方面更需保障 院內病患與醫療團隊之安危。在民國八十八年九二一集集地震中，中 部許多災區的大型醫院在最需要醫療資源的時候，因醫院本身也受到 地震影響而須撤離醫院工作，如在地震後最需要醫療資源的 48 小時 內，南投縣損失了將近 1000 個病床，位於災區南投縣的 9 間主要醫 院，其中有兩間醫院因為本身建築結構體的破壞，被迫無法提供緊急 醫療，許多醫療被迫遷移至戶外進行簡單診療工作，最後只有兩所醫 院能在地震後繼續進行院內治療，由九二一集集地震經驗可知，醫院 在大地震後需保有生命安全及正常運作等性能，除了提升建築結構體 耐震能力，亦應同時提升醫院機電等功能性設施，以及重要醫療設備 等之耐震性能。另外美國加州 1971 年 San Fernando 地震與 1994 年北 嶺地震，以及日本的阪神大地震，都使醫院受創而無法救災，之後各 國都訂定了相關安全法案以及在地震發生時之緊急對策，以備災害發 生時能即時的發揮其醫院機能。所以為了確保地震後能提供災民醫療 服務而提升醫院結構體與非結構之耐震能力，必須對醫療功能需求造 成的結構特殊性有深入之瞭解。在初步的資料收集對國內醫院結構特 性作一簡單敘述。
醫院建築空間配置可分為平面分散式、絕對集中式與相對集中 式，由於台灣土地狹小且取得不易，在考量功能需求下大部份採用絕 對集中式。醫院以功能區分為門診、急診與住院三部分，以台灣為例，
一樓為急診與檢查部門，二至三樓為門診處與開刀房，並於同層樓設 置加護病房與心導管室以考慮其功能關聯性，而住院病房通常位於高
樓層，其視野、通風與採光佳且具穩密性，而呼吸隔離病房置於最高 樓層，備有獨立相關系統(如高速排氣空調系統)，與其他病人和醫務 人員隔離，急診處通常依附於主建築結構，如同一小型醫院具有門 診、檢驗與手術室等。所以對於目前正在營運中之醫院進行耐震補強 極為困難，原因如下：(1)各樓層設計之功能性不同，且相關的獨立 管線與維生系統數量龐大，造成補強的施作位置及施作空間有限；(2) 考量病患在手術後需要安靜與乾淨之醫療環境，所以大量粉塵與噪音 是不允許的；(3)振動對於醫院重要醫療設備運作會造成一定程度的 影響，導致醫生手術時的難度增加並加重病患的負擔；(4)醫院是全 年營運的機構，所以施工期間醫院必定同時處於運作當中，因此工期 的控制有其困難度。所以任何改變結構型式的構想在目前醫療體系思 考邏輯上是不可能被接受的，因此遷就既有的結構型式並使醫院結構 具有良好的防震功能，提出減低結構物地震力反應的防震設計方法，
使醫療設備在大地震作用下保有運作功能，乃為國內醫院結構之重要 研究課題。由於醫院結構型式特殊及醫療設備複雜，其提升耐震能力 具有困難性，以目前地震工程技術而言，被動控制為目前可令醫院結 構達到功能設計的可能。
以下為目前國內外在結構被動控制技術方面的敘述：結構被動控 制技術可分為結構隔震與結構減震兩種方法。在減震設計方面，減震 系統可分為速度相依型與位移相依型兩種，如 ADAS【1】、TADAS
【2】、Unbonded Brace 或 BRB(buckling restrained braces) 【3】，而黏 彈性阻尼器【4~6】，黏性阻尼器【7~19】則屬於速度相依型減震系統。
在減震設計規範方面，國內新版規範【20】已自 FEMA 356【21】第 九章節錄部分條文，其內容相當概略性並未對任一種阻尼系統作完整 描述，亦缺乏詳細設計流程與步驟。液態黏性阻尼器近來在世界各地 受到廣泛應用於結構減震設計，其主要原因為其不具儲存勁度，不影 響結構之自然週期而在設計上相對簡單。
基於上述得知，改變在營運中之醫院結構型式是不被接受的，所
以針對醫院進行補強的施工方法，本研究乃提出建造一反力鋼構結構 以黏性阻尼器相銜接醫院結構之補強方法如圖 1-1，這項補強方法之 優點為其施工時不必進入醫院內進行，而降低施工時帶給病患及醫事 人員的負擔。本研究所提出之補強構想與在相鄰兩結構間加裝阻尼器 之構想十分相似，以下為簡要文獻回顧。現今城市中高樓建築都相當 接近，且高樓建築因無消能裝置互相銜接，當地震時高樓防震能力僅 取決本身耐震能力，為了增加高樓建築之耐震容量，多元的防震技術 乃被應用於銜接相鄰的建築結構，其中以黏彈性阻尼器、黏性阻尼器 與摩擦阻尼器的消能裝置之應用最為廣泛【22~29】，由研究顯示加裝 消能裝置能有效的增加結構系統的耐風能力與耐震容量，並降低兩結 構碰撞機率。研究【27】Luco 和 Barros 提出用黏性阻尼器互相聯結 相鄰兩棟不同高度結構的分配之最佳化研究，結果指出藉由阻尼器用 於各種方式的微小阻尼結構中，在某些條件下可顯著的達到高阻尼 比。研究【30】Xu 等人研究採用液態阻尼器連結多樓層建築結構在 地震作用下的有效性。採用狀態空間法【31~33】進行控制方程式之 參數分析，結果顯示假如能夠適當的選擇阻尼器之特性，如阻尼器之 阻尼係數，其兩棟結構在未連結時的動力特性將被保留，且因地震引 起之動力反應也將有顯著的降低。【34】Zhang 等人研究出以離散的 黏彈性阻尼器結合相鄰建築去降低控制的反應與減緩在地震作用下 之反應，經由參數分析結果，證明在使用適合的離散黏彈性阻尼器之 參數去連結相鄰結構，能明顯降低在隨機地震下的反應。研究【35】
Ni 等人開發出一套方法在分析以非線性遲滯阻尼裝置相互連結兩相 鄰建築的結構系統的隨機地震反應。研究【36】Bhaskararao 等人對 於以黏性阻尼器連結兩個相鄰單自由度結構在基底加速度作用下的 動力行為有一完整之研究，此研究推導出連結系統的運動控制方程式 並求得相對位移反應與絕對加速度反應，由結果可發現在某適當的阻 尼下，以黏性阻尼器連結兩單自由度系統能降低其結構反應。研究
【37】Xu 等人建造兩棟不同頻率之三層剪力屋，並相互以液態阻尼
的液態阻尼器之阻尼係數與設置位置，由試驗比較得知在兩相鄰結構 採用適當的阻尼器連結之系統，能明顯降低兩棟結構之動力反應與增 加其模態阻尼比。研究【38】Zhang 等人推導以麥斯威爾模型(Maxwell Model)之流體阻尼器銜接兩棟相鄰建築的系統方程式，此研究建立一 套能有效決定相鄰結構以流體阻尼器連接之動力特性的方法，經由參 數分析可以識別出恰當的流體阻尼器參數，並用於連結兩棟相鄰結構 能有效增加模態阻尼比與減緩受震反應。
根據上述，過去針對相鄰兩棟建築物以阻尼器連接之研究，可歸 納以下幾點：(1)相鄰兩棟結構以阻尼器連結，的確能夠增加其耐震 能力，降低地震對結構物所造成之破壞；(2)以黏彈性阻尼器或黏性 阻尼器進行連結兩相鄰結構，並無考慮在地震作用時兩棟結構物多自 由度的耦合效應造成所裝設之阻尼器效能的影響；(3)針對兩棟基本 結構特性十分接近之結構物進行加裝阻尼器研究，缺乏相鄰兩結構動 力特性差異較大時之研究；(4)以往分析模式皆採用數值分析進行最 佳化阻尼器參數之識別，並無通用之設計公式或設計流程可供參考。
但上述無提到結構以阻尼器互相連結時，相鄰結構的自然頻率是否造 成阻尼器能有效地運作。例如，假設當兩單自由度的頻率一致的情況 下，兩結構的相角差為0 或D 180 ，當相角差為D
θ
a −θ
b =0D時，其連結 之阻尼器並無法發揮消能之作用；當相角差θ
a −θ
b =180D時，連結的 阻尼器將會產生消能之行為，如圖 1-2，所以可知兩單自由度系統之 自然頻率相互之關係將造成阻尼器運行的效率與否。所以研究【39】， 其研究將兩單自由度系統以黏性阻尼器互相連結，推導出其整體系統 之有效阻尼比設計公式，作為黏性阻尼器之總阻尼係數(c
d)的設計依 據，且研究結果發現兩結構之複合有效阻尼比(ξ
n)與頻率比(ω
b/ω
a) 以及相角差(θ
a −θ
b)有密切關係，而證明兩相鄰結構銜接時，兩者自 然頻率不得太過於相近，而提出中間段帶寬之關係來加以檢核。根據 本研究之補強構想中反力構架之載重，僅來自本身鋼材之自重，其振 動頻率必遠高於欲進行補強之醫院結構，由上述文獻可知，其為優點之ㄧ。因此將延續文獻【39】所推導之阻尼比設計理論與中間段帶寬 關係之應用，且擴展至多自由度系統並推導整體系統之有效阻尼比，
作為黏性阻尼器之阻尼係數的設計依據，並以逐層樓加裝阻尼器補強 與部分樓層加裝阻尼器補強兩種方式以數值分析驗證。