1.1 研究背景及目的
結構耐震功能設計法(seismic performance-based design)歷經美、日等國 多年來的研究，目前並無具體化的設計規範衍生，其最主要的原因乃為建 築物功能(functionality)的定義不僅取決於結構本身的耐震表現，同時也取決 於非結構及設備的耐震表現。建築物因用途不同(例如醫院、高科技廠房 等)，使得結構型式不同，亦使得非結構元件及相關配備不同。隨著結構型 式、非結構元件及設備的不同，整體結構之耐震功能設計的指標(seismic performance criteria and objective)因而不同。建築物之耐震功能性除了取決 於結構的耐震性能外，亦須取決於非結構元件及設備的耐震性能，如果非 結構及設備在大地震中失去其功能性，則建築物亦必失去其原始的設計功 能(functionality)。最明顯的例子如 921 地震中，中部地區諸多醫院並未倒塌 或僅受到某種程度的損害，然而由於醫療設備及其他維生管線的損害而使 醫院完全喪失醫療之設計功能。另者，以晶圓廠及 TFT-LCD 半導體廠而言，
土木結構之建造費用約 30~50 億，而設備費用則可能高達 800~1000 億。由 此可見，結構耐震功能設計法必須同時考慮結構及非結構的耐震性能。簡 而言之，對晶圓廠、TFT-LCD 半導體廠、醫院及其他重要結構而言，結構 耐震功能設計必須使得結構的地震力反應減小到不足以對非結構及設備產 生關鍵性的破壞。由於一些滿足建築物使用用途之設備或非結構元件常對 加速度或速度敏感(acceleration sensitive or velocity sensitive)，建築物耐震功 能設計的參考指標必須同時以結構之地震加速度、速度及位移反應為參考 指標，而不可僅以位移設計法(displacement-based design)中所強調的以位移 反應為主要指標。
對高科技廠房而言，首重半導體(semiconductor)晶圓廠房及 TFT-LCD 半導體廠。這些廠房設備在半導體業通稱為 fab，半導體晶圓製造與 TFT-LCD 半導體最大之不同乃在於晶圓廠乃將電晶體生長於晶圓(wafer) 上，而 TFT-LCD 則將電晶體生長於玻璃上。以 TFT-LCD 而言，每片玻璃
上需生長約 768×1024(解析度) ×3(基本畫素)=約 200 萬顆電晶體，因此其電 晶體總數隨所要求的解析度而異。而晶圓半導體廠其晶圓尺寸不外乎 6 英 吋、8 英吋及 12 英吋，在固定體晶圓片面積下，若能用更小的線距(line width) 來規劃電路，則每片晶圓片所能生產的晶片(chip)必定更多，其成本必定更 低，因此過去半導體業的演進除了製程技術外，一直在追求毫米到微米再 到奈米的技術，然而隨著製程線距的愈來愈小，使得微振、無塵室潔淨度 (cleanness)等要求愈來愈高，以確保其製作上的良率(yield)。對於微振要求 的提高當然影響到設計結構的結構型式，而晶圓片的尺寸則影響設備重 量，亦即影響結構載重。
1.1.1 高科技廠房結構型式
本小節將針對目前半導體晶圓廠房及 TFT-LCD 半導體廠之結構型式作 一描述再探討問題之所在，並於第三章提出相對的解決辦法。圖 1.1 所示為 標準型之晶圓廠，其主要由一外殼結構(shell structure)及一內部結構(interior structure)所組成。外殼結構對地震力之反應基本上為一單自由度結構，其設 立的目的有二：(一)對微振之控制。當晶圓廠受風力或環境噪音影響時，外 殼結構所受之振動反應必須透過具極大質量之基礎再傳入內部結構進而影 響座落於內部結構頂端之無塵室，如此一來，環境噪音及風力對無塵室的 影響勢必減少;(二)作為無塵室空氣過濾的迴風通路。在外殼結構與內部結 構之間的縫隙，提供了迴風的通路，在 sub fab 靠近縫隙的地方常設有第一 道過濾網以過濾空氣中之粒子，以增加無塵室之潔淨度。內部結構基本上 為二至三層的 RC 結構(抗彎構架)，其屋頂(無塵室地板)為 1.2m 之 waffle slab 或 60cm 之平板(flat slab)，使用如此厚之樓板的主要目的乃在增加樓板之垂 直剛性以減少垂直微振量(一般而言，房屋結構之垂直微振量大於水平微振 量)。如此一來，無塵室之靜載重必大於 sub fab 之靜載重，若加上無塵室之 設備載重，則其慣性力反應質量(seismic reactive mass)，勢必比 sub fab 之慣 性力反應質量大上許多。一般而言，無塵室之靜載重約為 1.2 ton/m2，而 sub fab 之靜載重約為 0.36 ton/m2，而無塵室之活載約為 1.5 ton/m2~2.0 ton/m2， 而 sub fab 則為 0.75 ton/m2，若考慮 1/4 活載重為 seismic reactive mass，則
無塵室之質量約為 1.6 ton/m2~1.7 ton/m2，而 sub fab 則僅有 0.55 ton/m2，兩 者相差將近三倍。因此，內部結構的第一震動模態與一般房屋結構之倒三 角形分佈的模態並不相同。以圖 1.2 所示國內某晶圓廠內部結構為例，經由 實際現地量測，在每樓層同時排兩個水平微振儀，所得之傳遞函數（transfer function），可得其振動模態如圖 1.3 所示，可知其振動模態類似於倒單擺 (inverted pendulum)之型式。如此一來，安裝半導體製造設備的無塵室勢必 受到較大水平加速度反應，無塵室設備的受損機率相對提高許多。
另一種晶圓廠之形式為疊層式晶圓廠(double fab 或 multiple fab)，如 圖 1.4、1.5 所示。其結構形式的形成主要是由於台灣土地取得不易，為滿 足提高產能及降低成本的需求，乃將標準晶圓廠堆置而成。以圖 1.4 中之双 層式晶圓廠(double fab)為例，其主要可分為上層及下層廠(upper fab and lower fab)，由於無塵室工作空間的需求，lower fab 的柱僅分部於無塵室之 四週，而中間之排柱則僅具支撐之作用。對 lower fab 的 sub fab 而言，為 滿足減少無塵室之垂直微震量的需求，一般均具多柱形式﹐而在上層廠 (upper fab)方面，由於其 sub fab 跨座於下層廠之上，其下面並無柱支撐，因 此常設有一桁架(mega truss)以支承上層廠之載重並將垂直載重傳遞於下層 廠無塵室四週之柱及無塵室中間之排柱，並同時提供足夠之垂直勁度以減 少上層廠無塵室之垂直微振量，由於 mega truss 除了垂直剛性甚高外，其側 向勁度亦相當大，相較之下，自然在 lower fab 之無塵室形成耐震上之軟層 (soft story)，或甚至為弱層(weak story)。以圖 1.6 之疊層晶圓廠為例，其下 層無塵室(lower fab)必定為軟層，甚至可能為弱層。不管其是否為弱層，其 是軟層的特性已足已造成上層無塵室(upper fab)的地震加速度反應過大，而 使得敏感的半導體製程設備遭受破壞。圖 1.6 所示之 double fab，經現地環 境振動量測計算其傳遞函數，其第一水平振動模態如圖 1.7 所示。由此振動 模態可知 lower fab 約佔了 40%的總側向位移而 upper fab 則佔了 27%的側 向位移。
依此模式，若將結構形式推向如圖 1.5 所示之 TFT-LCD 半導體廠，則 勢必產生多重之軟層或弱層，對耐震及防震而言，極為不利。由於產能為 目前 TFT-LCD 光電產業(optoelectronics)之國際競爭力的重要決定因素之
一，任何改變多層 fab 的結構形式的構想，在高科技業者的思考邏輯上乃為 短期內不可能接受之建議。因此，如何遷就既有的結構形式並使多層晶圓 廠能具更高的防震功能性，乃為國內高科技產業防震之重要研究課題之一。
1.1.2 高科技廠房之非結構及設備【1】
關於高科技廠房之非結構及設備的部分，其內容非常之複雜。依圖 1.8 所示之半導體製程而言，其設備種類主要可分為沈積（deposition），微影
（photolithography）及蝕刻(etching)三部分。而其配合之製程設備則甚為繁 雜，諸如化學氣象沈澱（CVD）、分子束磊晶系統（MBE）、光罩（mask）、
曝光機(scanners and steppers)、離子植入機（ion implanters）、乾蝕刻機、蒸 鍍機、濺鍍機、化學機械研磨及其他量測(metrology)之檢驗設備等。要針對 這些設備建立耐震功能設計的指標(seismic performance criteria)，必須進行 實體試驗，然而由於設備種類繁多且費用高昂，實質上並非易事。這些設 備本身亦可視為結構的一種，惟在大地震作用下，設備本身在機械結構上 並不一定損壞，但其運作功能可能因部分零件的破壞而完全喪失。以 921 地震為例，許多爐台中直立式石英管毀損 (如圖 1.9、圖 1.10 及圖 1.11 所示
【1】)，諸多晶圓半成品報廢，直接損失金額龐大，復原時程中的非直接損 失亦不小。因此，實有必要進行研究，探討減低結構物地震力反應之防震 設計方法，使半導體設備在大地震下作用下，得以保有其正常運作功能或 在校正後即可迅速恢復功能。
基於以上背景說明可知由於高科技產業對國家經濟上的重要性，高科 技廠房防震為一重要之研究課題。故本文欲使用黏性阻尼器以增加晶圓廠 之有效阻尼比，並依非古典阻尼之概念嘗試改善圖 1.2、1.3 所示之標準型 晶圓廠及圖 1.6、1.7 所示之疊層式晶圓廠之立面不規則的反應情形。基於 黏性阻尼器具 90 度阻尼力及阻尼器位移相位差的特性，再根據加裝阻尼器 使結構阻尼比增加，依非古典阻尼的概念改變原結構之振動模態進而改善 國內晶圓廠之地震力反應，以減少高科技產業因地震所造成的損失。
除標準型晶圓廠外，一般中、高樓之建築結構也因傾倒彎矩(Overturning Moment)作用產生撓曲變形而造成倒單擺(inverted pendulum)之振動模態。
因此第五章將針對晶圓廠之耐震補強設計理論推導進行修正以應用於一般 建築結構，主要修正方向為考量阻尼器兩端垂直相對變位之影響。
1.2 研究內容
基於前述之背景說明，本文之研究重點如下:
1. 進行標準型晶圓廠加裝黏性阻尼器以調整倒單擺(inverted pendulum)振 動模式之耐震補強設計理論推導。
2. 進行疊層式晶圓廠加裝黏性阻尼器以調整軟(弱)層(soft story and/or weak story) 振動模式之耐震補強設計理論推導。
3. 進行一般中、高樓建築結構加裝黏性阻尼器以調整倒單擺(inverted pendulum)振動模式之耐震補強設計理論推導。
4. 以數值驗證本文提出之黏性阻尼器設計方法適用性。