設計目標

1.1 設計性能目標

進行減震消能結構設計時的性能目標，一般以確保建物耐震安全性 能為主，其次考慮使用性、機能性、機器與設備等性能需求。我國規範 有關消能建築設計基本原則，對所有消能建築，要求在中小地震下須完

全保持彈性，且非結構元件無明顯損壞，其意謂中小地震下除了有結構 安全性的需求外，也考慮到設備及非結構元件之機能性；在設計地震 下，消能系統正常發揮功能，而原結構體可容許產生降伏，但使用韌性 不得超過其容許韌性容量 Ra。最大考量地震下，消能系統仍能正常發 揮功能，而原結構體容許產生降伏，但使用韌性不得高於規定之韌性容 量R。這規定與耐震設計目標相同，因為耐震結構物要求於迴歸期約 30 年之地震，其 50 年超越機率為 80%左右，所以在建築物使用年限中發 生機率相當高，因此要求建築物於此中小度地震下結構體保持在彈性限 度內；迴歸期 475 年之地震，其 50 年超越機率約為 10%左右，於此地 震水準下建築物不得產生嚴重損壞，以避免造成嚴重人命及財產損失，

建築物產生韌性比不得超過容許韌性容量；迴歸期 2500 年之地震，其 50 年超越機率約為 2%左右，設計目標在使建築物於此罕見之烈震下不 產生崩塌，以避免造成嚴重之損失或造成二次災害，所以允許結構物使 用之韌性可以達到其韌性容量。

日本有關減震建物之地震強度的規定，一般區分為兩個 LEVEL，

一為 LEVEL1 通常定在中小度地震之地表速度 25cm/sec，另一則是 LEVEL2 則是定在大地震時之地表速度 50cm/sec。日本 2000 年設計規 範中之性能水準採用生命安全及損壞開始兩個狀態，地震地表運動之迴 歸期分別為50 及 500 年。建築物存在期間中會遭受到 1 次 50 年迴歸期 地震強度，其輸入之地表運動速度為25kine；另建築物存在期間可能會 遭遇到500 年迴歸期之大地震，其輸入之地表運動速度為 50kine。其性 能目標的要求如表2-1。

Vision-2000 定義了四種不同層級之性能水準為正常使用、輕微受 損、生命安全、近乎倒塌，其設計地震水準以迴歸期表示分別為43、72、

475 及 970 年。參考美日所訂之性能水準及由相關文獻可以得知，要很 準確的定義何謂輕微受損現在還存有許多技術上的困難，且迴歸期為43 及 72 年之地震水準的差距過小，若考慮地震及結構分析之不確定性與 誤差的情形下，很難以區分此兩個性能水準之差別；我國耐震規範建議 可行之方式為採用三種不同層級之性能水準如表 2-2。

1.彈性極限階段(EL)：此階段主要結構體不可有任何明顯之損壞，但次 要結構容許有輕微易修之損壞；建議之地震水準為迴歸期 50 年或 30

年之地震。若為30 年迴歸期之地震，其 50 年超越機率約為 80%左右。

所以建築物使用年限中發生的機率相當高，因此要求建築物於此中小 度地震下結構體保持在彈性限度內，使地震過後，建築物結構體沒有 任何損壞，以避免建築物需在中小度地震後修補之麻煩。一般而言，

對高韌性容量的建築物而言，此一目標常控制其耐震設計。

2.生命安全階段(LS)：為迴歸期 475 年之地震，其 50 年超越機率約為 10%左右。於此地震水準下建築物不得產生嚴重損壞，以避免造成嚴 重的人命及財產損失。對於重要建築物而言，其對應的迴歸期更長。

於設計地震下若限制建築物仍保持彈性，殊不經濟，因此容許建築物 在一些特定位置如梁之端部產生塑鉸，藉以消耗地震能量，並降低建 築物所受之地震反應，乃對付地震的經濟做法。為防止過於嚴重之不 可修復的損壞，建築物產生之韌性比不得超過容許韌性容量。

3.近乎倒塌階段(CP)：為迴歸期 2500 年之地震，其 50 年超越機率約為 2%左右。設計目標在使建築物於此罕見之強烈地震下不產生崩塌，以 避免造成嚴重之損失或造成二次災害。因為地震之水準已經為最大考 量地震，若還限制其韌性容量之使用殊不經濟，所以允許結構物使用 之韌性可以達到其韌性容量。

由上述可知，我國規範僅有針對整體結構性能做韌性及層間變位角 的要求，並未進一步檢討結構物各構材的韌性與轉角。在進行結構非線 性分析時，構材之非線性分析模型須要能確切反應構材真實之非線性行 為；非線性歷時分析所得之反應值不需要作任何韌性折減，其輸入地震 紀錄之振幅須要先乘以用途係數I 來調整再進行分析；結構構材之非線 性分析模型，在降伏強度、破壞機制及遲滯行為各方面皆須要能切確反 應出構材真實之非線性行為；非線性歷時分析之結果須檢核整體結構之 韌性需求是否小於規定之韌性容量。

1.2 性能曲線

依據2003 年日本免震構造協会「^制振構造設計∙施工^

」在已知建物設計目標的條件下，如何決定各種不同消能元件配置 的數量，以及特定種類消能元件於結構系統之力學行為，如圖2-1所示。

黏性、油壓、黏彈性等消能元件加入損失勁度比 Kd”/Kf 與安裝構 材勁度比 Kb/Kf(或 Kb’/Kf)兩個力學特性值時，即可簡易地由性能曲線 中求出反應變位降低率，由圖中可知，若假設安裝構材勁度比Kb/Kf 為 固定值時，層剪力及層間變位會隨著損失勁度比 Kd”/Kf 增加而降低，

可是當損失勁度比 Kd”/Kf 過大時，層剪力及層間變位反而會增加，其 反應出建物減震消能效果變差，當 Kd”/Kf 大到一個程度時，層剪力降 低率大於1，其表示採用過多或噸數(噸數為工程數語，表示最大設計阻 尼力)過大的消能元件使得結構物反應加速度不降反升，且樓層層剪力 比純構架還要大。此外，安裝構材勁度比Kb/Kf 愈大，則層剪力及層間 變位有顯著降低，此意謂結構設計者若假設消能元件支撐安裝材為剛性 時，有可能會高估消能建物減震能力，反而形成一不保守之設計。從黏 性、油壓、黏彈性等消能元件之性能曲線可以知道，若黏性及黏彈性消 能元件配置不當，會造成層剪力降低率大於1 以上，而油壓消能元件即 使過度配置，其層剪力降低率大致上皆不大於1。如果設計者設計目標 是希望於某一種地震強度下，層剪力能夠降低20%，也就是層剪力降低 率為 0.8，從性能曲線可以看出，無論採用黏性、油壓、黏彈性等消能 元件皆可達成目標。由此可知，在某一種地震強度下，為了降低該樓層 之層剪力，並不僅有黏性或油壓消能元件可以達成，即使是有提供明顯 勁度之黏彈性消能元件也可以達成此一目標。為了能夠達成性能目標之 消能元件結構設計，結構設計者可以參考日本免震構造協会「

制振構造設計∙施工」配置消能元件。

鋼材消能元件則是以韌性比µ 與彈性勁度比 Ka/Kf 兩個力學特性值 決定鋼材性能曲線，韌性比µ 愈大，則鋼材之層剪力降低率值愈小，可 是過小的韌性比，會使得鋼材消能元件過早降伏，尤其是在風力等外力 反覆作用之下，鋼材消能元件很容易產生疲勞破壞。如果設計鋼材於中 度地震才產生降伏，意謂其消能效果才準備發生，若比中度地震更小的 地震發生，其消能結構反應加速度可能會高於純構架結構反應加速度，

主要的原因是消能元件提供予結構物額外的勁度，使得長週期建物之週 期變短，從加速度反應譜的行為得知，其反應加速度會增加，故有可能 造成消能結構反應加速度可能會高於純構架結構反應加速度，關於此 點，結構設計者也有需要特別注意。

1.3 消能建物設計常見的問題

於某種地震強度下，達成某種性能目標，無論是採用位移型或是速 度型消能元件皆有可能達成該目標，有些減震消能結構設計者誤以為若 建築物為位移控制則採用位移型消能元件比較適當，若為層剪力控制則 採用速度型消能元件較適宜，但從性能曲線可知，無論是採用位移型及 速度型消能元件應皆有達成位移控制或層剪力控制之目標，很難說是層 剪力控制用速度型消能元件，而位移控制用位移型消能元件較恰當。

(2)壁量較多之 RC 建物

若RC 結構物的壁量很多，也有結構設計者認為於此種條件下不適 宜採用消能元件，筆者另有其它看法，一棟結構物中通常會有牆、梁、

柱等抵抗橫力之豎向構材，若以側推分析(Push Over Analysis)一棟具有 牆、柱、梁的建築物時，因為各構材之強度與韌性皆不相同，一般而言，

牆體的強度較高，而韌性較差，從相關設計規範瞭解到，梁的韌性要求 比柱高，但柱的勁度與強度的要求比梁高，此意謂，牆、梁、柱等構材 強度、勁度與韌性皆不相同，因此，其構材破壞並不會同時發生，再加 上韌性的要求不同，尤其是牆體，其韌性較差，故隨著變形量的增加，

結構物有可能發生強度逐漸衰減的現象，若建築物之耐震能力主要是依 靠牆體的強度抵抗橫力，則此時採用消能元件做補強設計筆者認為似較 不宜，因為牆量多的建物，結構物勁度也很大，則各樓層之層間變位不 大，故消能元件的消能效果可能不如預期，但如果牆量較多之建物耐震 能力仍為梁柱韌性控制，因為有足夠的層間變形量，故採用消能元件提 高建物之耐震能力，是有可能達成目標的。總而言之，任何型式的結構

結構物有可能發生強度逐漸衰減的現象，若建築物之耐震能力主要是依 靠牆體的強度抵抗橫力，則此時採用消能元件做補強設計筆者認為似較 不宜，因為牆量多的建物，結構物勁度也很大，則各樓層之層間變位不 大，故消能元件的消能效果可能不如預期，但如果牆量較多之建物耐震 能力仍為梁柱韌性控制，因為有足夠的層間變形量，故採用消能元件提 高建物之耐震能力，是有可能達成目標的。總而言之，任何型式的結構