建築制震設計與施工品管作業手冊

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(1)建築制震設計與施工品管作業手冊. 內政部建築研究所委託研究報告.

(2) 093-301070000G1024. 建築制震設計與施工品管作業手冊. 受委託者：財團法人中華建築中心研究主持人：曾一平協同主持人研. 究. 蔡益超. 員：黃德琳、段永定、李明皓. 研究助理：吳志強. 內政部建築研究所研究報告中華民國九十三年十二月.

(3) ARCHITECTURE AND BUILDING RESEARCH INSTITUTE MINISTRY OF THE INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. Recommended Specifications and Quality Control Guidelines for Structural Design and Construction for Seismic Applications. BY Y. P. Tseng I. C. Tsai D. L. Hwang, Y. D. Duan and M. H. Lee Tzu-Chang Wu. November, 2004.

(4) 建築制震設計與施工品管作業手冊. 內政部建築研究所九十三年.

(5) 建築制震設計與施工品管作業手冊出版機關：內政部建築研究所電話：（02）27362389 地址：台北市敦化南路二段 333 號 13 樓網址：http://abri.gov.tw 出版年月：九十三年十二月版（刷）次：初版工本費：200 元.

(6) 目次. 目次目次 ..................................................................................................................................... i 表次 ................................................................................................................................... iii 圖次 ................................................................................................................................... iv 中文摘要 ............................................................................................................................ v 英文摘要 ........................................................................................................................... ix 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制 ........................................................ 1 第一節設計流程與計算書目錄 ................................................................... 2 第二節設計品管機制 ................................................................................... 9 第三節品管作業綱要 ................................................................................... 9 第二章減震消能結構設計注意事項 .......................................................................... 30 第一節設計目標 ......................................................................................... 30 第二節消能元件配置 ................................................................................. 34 第三節結構斷面設計 ................................................................................. 37 第四節地震紀錄 ......................................................................................... 38 第五節消能元件之模擬 ............................................................................. 39 第六節最大設計阻尼力 ............................................................................. 41 第七節消能元件周邊構架的設計 ............................................................. 42 第八節消能元件設計應考慮因素 ............................................................. 43 第九節含被動消能元件分析方法 ............................................................. 44 第三章減震消能結構設計基本資料查核 .................................................................. 63 第一節設計依據 ......................................................................................... 63 第二節被動消能元件 ................................................................................. 64 第三節設計性能目標 ................................................................................. 66 第四節動力歷時分析 ................................................................................. 67 第四章施工品管 .......................................................................................................... 69 第一節施工品管計畫 ................................................................................. 69 第二節消能元件試驗 ................................................................................. 70 第三節施工品管作業 ................................................................................. 75 第四節施工品管檢查項目 ......................................................................... 78 第五章維護管理 .......................................................................................................... 82 第一節維護管理規範規定 ......................................................................... 82 第二節維護管理檢查項目 ......................................................................... 83 第六章結論與建議 ...................................................................................................... 87 第一節結論 ................................................................................................. 87 第二節建議 ................................................................................................. 88. i.

(7) 目次. 參考文獻 .......................................................................................................................... 91 建築結構之設計與施工品管作業研究案審查回覆 ...................................................... 93. ii.

(8) 表次. 表次表 1-1 表 1-2 表 1-3 表 1-4 表 1-5 表 2-1 表 2-2 表 2-3. Unbond Brace (範例) ..................................................................................... 20 摩擦型消能元件(範例).................................................................................. 23 油壓消能元件(範例) ..................................................................................... 25 黏性消能元件(範例) ..................................................................................... 27 復元力特性 ..................................................................................................... 29 消能結構設計目標(日本) ............................................................................ 60 消能結構設計目標(我國) ............................................................................ 60 消能元件周邊構架設計 ............................................................................... 60. iii.

(9) 圖次. 圖次圖 1-1 圖 1-2 圖 1-3 圖 2-1 圖 2-2 圖 2-5 圖 2-6 圖 2-7 圖 2-8 圖 2-9 圖 2-10 圖 2-11 圖 2-12 圖 2-13 圖 2-14. 日本實務界一般減震消能結構設計之流程圖................................................ 17 我國實務界一般減震消能結構物之設計流程圖............................................ 18 減震消能構架的形式........................................................................................ 19 性能曲線............................................................................................................ 50 消能結構系統配置............................................................................................ 51 淺層土層的增幅放大效應................................................................................ 53 原記錄與地震波模擬圖形................................................................................ 54 減震消能構造單質點系模擬............................................................................ 55 單質點系消能元件的模擬................................................................................ 55 單質點系消能建物力學特性............................................................................ 56 消能元件受力與變形關係.............................................................................. 56 靜力分析流程圖 .............................................................................................. 57 簡化動力分析模型.......................................................................................... 58 各樓層層剪力與層間變形之關係曲線.......................................................... 58 層剪力與層間變位關係曲線簡化成三折線.................................................. 59. iv.

(10) 中文摘要. 中文摘要關鍵詞：消能元件、結構設計、施工品管、維護管理. 一、研究緣起近十年發生的大地震中，尤其是 1999 年 9 月 21 日台灣集集大地震（約 2400 人死亡，且 2 萬 6 千棟房屋全倒），而日本 1995 年 1 月 17 神戶大地震（約 6300 人死亡，且 14 萬棟房屋全倒），提高建築物之抗震能力有其需要性，然抗震能力設計除了採用耐震結構之設計方法外，近年來，含被動消能結構系統也被普徧的應用於世界各國。我國目前減震消能建物至少超過 47 棟以上，而國內有關含被動消能元件的設計尚未有正式的規範，因此，結構設計者之減震消能設計往往是依據研究文獻、FEMA273 及 274、日本免震構造協会「制振構造設計∙施工」等，不同的設計者會採用不同的設計規範或文獻作減震消能結構設計，問題是文獻或規範的設計需求，對於減震消能結構設計方法及要求不同，更何況減震消能結構設計目前於我國實務界結構設計者並非屬熟悉的設計方法，因此有需要針對消能減震結構設計品管作更詳細的說明及探討。為了維持消能元件的力學性能，必須對消能元件之施工品管與維護管理有一套可行的計畫概要，在施工品管方面，須有施工計畫書、現場及工廠品管計畫書、裝置製作計畫書等；在維護管理方面，應製作維護管理計畫書，其內容應包括維護管理的目的、檢查時機、檢查位置、檢查時間、檢查後處置等。二、研究方法及過程本研究首先蒐集國內外減震消能結構設計及施工品管資料，建立適合我國之設計流程與品管機制，然後提供減震消能結構設計注意事項與基本查核內容，最後即是針對施工品管與維護管理計畫及檢查重點概要式說明。研究步驟如下圖：. v.

(11) 中文摘要. 蒐集國內外減震消能結構設計及施工品管資料. 建立適合我國之設計流程與品管機制. 減震消能結構設計注意事項與基本查核內容. 施工品管與維護管理計畫及檢查重點. 三、重要發現 1.消能元件設計品管機制，除了一般國內於審查耐震結構之機制要求外，另應成立具有相當實務設計經驗的專家及學者共同審查消能結構系統建築物。 2.在消能元件的設計注意事項中包括設計目標、本模擬模型、各種設計考慮因素、周圍構架的設計等皆很重要，設計者應當特別注意。 3.若消能結構之設計目標大約符合規範基本設計原則，則本文認為應由成立的消能建物審查小組特別審查；倘建物耐震部分已達規範的基本性能規定，則另加裝消能元件只是再提高建物性能，則本文認為審查與否應由業主決定。 4.施工品管及維持管理方面，應製作可行的計畫書，其目的是提供一具體執行的方法予設計者及執行者，以確認消能元件基本力學性能符合設計需求。四、主要建議事項我國目前含被動消能系統建築物的設計，沒有一套標準之計算書範例以供從事消能結構設計者參考，因此，建立完整之計算書範例，實有其必要性。對於消能元件之設計應考慮之設計因素，這些效應如何反應於消能結構分析之中，也必須清楚交待。另外建立標準化施工品管作業及維護管理檢查制度，以確保消能元件的力學性能夠正常發揮。基於前述理由，本文大致建議如下：建議一消能結構計算書：中長期建議. vi.

(12) 中文摘要. 主辦機關：行政院公共工程委員會、內政部營建署協辦機關：各縣市政府工務局我國目前含被動消能系統建築物的設計，尚未有標準之計算書範例以供實務界從事消能結構設計者參考，所以有關計算書內容的要求，國內一般還是要透過結構外審機制控制設計品質。而一般從事消能結構設計者，必須根據其曾經接受外審的經驗，建立計算書的內容。筆者建議，最好能夠建立完整的消能建物計算書內容及範例，一則設計者有依循的參考標準，另一則可以從完整的計算書內容查核分析設計結果之正確性，以提高設計品質。建議二消能元件之設計考慮因素：中長期建議主辦機關：行政院公共工程委員會、內政部營建署協辦機關：各縣市政府工務局消能元件之設計應考慮之設計因素，包括風力、老化、潛變、疲勞、環境溫度、運轉溫度、製品誤差等因素。若一棟含消能元件之消能建築物的數學模型應包括消能元件之平面與豎向配置，且其數學模型之分析應考慮激振頻率、環境與運轉溫度、承載及雙向載重等因素對元件之影響。此外，為了獲取消能元件因力學特性改變對分析結果之影響，必要時須進行多重分析。這些效應如何反應於消能結構分析之中，應詳細說明，並明確提供設計範例，對於消能結構設計品質的提昇有重要的幫助。建議三施工品管制度標準化：中長期建議主辦機關：行政院公共工程委員會、內政部營建署協辦機關：各縣市政府工務局建立標準化施工品管作業流程及檢查方法。國內目前常用之消能元件主要有四種包括油壓、黏彈性、黏性、鋼材等消能元件，各種消能元件之製造、施工等方法皆不儘相同。消能元件設置於建築物中扮演重要. vii.

(13) 中文摘要. 角色，甚至可以視消能元件為主體結構之一部分，如果於設計目標地震下無法正常發揮，則建築物之設計目標將備受影響，其安全性與使用性也會受到相當程度的挑戰。因此，對於消能元件而言，製造廠商為第一線之品管人員，施工單位則為第二線之品管人員，為了確保消能元件的力學性能夠正常發揮，建立各種消能元件標準化之施工品管制度實有其必要性。建議四維護管理標準化：中長期建議主辦機關：行政院公共工程委員會、內政部營建署協辦機關：各縣市政府工務局為了確保消能元件的力學性能，定期或臨時檢查絶對是有必要的。尤其是消能元件力學性能若受到影響，則於大地震、強風等侵襲下，因其力學性能未完全發揮，則消能建物的抗震能力甚至有可能不足，故定期或臨時檢查非常重要。問題是該如何檢查才是正確作法，一般建物使用者可能並不清楚，即使是專業技師也要受過一定程度的訓練才會比較瞭解，故建議可以建立一套標準化維護管理檢查流程、方法、檢查項目等。. viii.

(14) 英文摘要. 英文摘要 A. Research Cause The Earthquake 921 and 331 not only make people doubt the security of building structure in Taiwan, but show the problems of design and construction quality of. B. Research Method and Process The contents of this research emphasizes mainly on the self design quality control system of the builder or the design department. Referring to the domestic and foreign documents. C. Significant Discovery This research finishes collecting, arranging, studying and understanding the related documents, for instance,. D. Major Suggestions According to the research, there is much room to improve the domestic design and construction quality control system. Before the seismic design and the construction. ix.

(15) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 第一章. 被動消能結構系統設計流程與品管機制. 含被動消能結構物之設計，我國尚未訂定正式的規範，但從建築物耐震規範與解說中含被動消能系統建築物之設計(草案)、FEMA273 及 274、日本免震構造協会「制振構造設計∙施工」、日本及我國實務界應用等相關內容，可以有系統的整理出適用於我國之含被動消能結構系統之設計流程與品管機制。在論及被動消能結構系統之前，必須先要瞭解耐震結構的設計需求，從我國相關設計規範可知，所謂之建築物耐震能力，可以從建物之強度與韌性兩方面檢討。問題是含被動消能系統之建築物其結構系統之構材設計是否也需要滿足耐震相關規範的規定呢?若從規範草案有關消能建築設計基本原則可知，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；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，但使用韌性不得超過規定之韌性容量 R。由此可知，即使是含消能元件之建築物，結構構材的設計也如同耐震結構設計的要求，因此，本文內容倘與耐震設計內容重疊的部分，於此多處不再贅言。有關被動消能結構設計流程，主要是參考日本及我國實務界的一般做法。日本實務界對於含被動消能元件建物主要是以非線性動力歷時分析為主，直至 2003 年日本免震構造協会「制振構造設計∙施工 」才有較明確之靜力分析方法，然其靜力分析法最主要的目的是從其性能曲線瞭解消能建物的力學特性及在特定設計目標下消能元件之配置，最後還是要以動力彈塑性分析檢討其設計目標。而我國實務界目前有關消能元件之設計，主要是以動力歷時分析為主，雖然草案已有靜力及反應譜分析方法，然實務界目前尚未廣泛應用。在設計品管機制方面，本章除了論及起造人、消能元件審查小組、監造人、專業技術人員等各人員職掌外，對於設計品管內容及其檢查要點皆有說明，尤其是設計品管檢查要點，乃參考日本實務界消能建物審查的內容，以資我國參考。. 1.

(16) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 第一節設計流程與計算書目錄圖 1-1 為日本實務界一般減震消能結構設計之流程圖；圖 1-2 則為我國實務界一般減震消能結構物之設計流程圖，兩者在設計方法最大的區別在於日本所謂之減震結構設計強調非線性動力歷時分析，其所謂之非線性不僅是消能元件之非線性行為，尚包括結構系統的彈塑性行為，而我國實務界一般作法，包括靜力分析及線性歷時分析，大部分的設計者皆會採用線性歷時分析，一則我國建築結構分析軟體主要採用 ETABS 及 SAP，一般之結構設計者皆會使用，另一則是 ETABS 及 SAP 等軟體所謂之減震消能結構歷時分析一般是指結構物仍然維持彈性，而消能元件為非線性行為，所以大部分之設計者皆會採用線性歷時分析。有關本節計算書目錄中之建築物概要、結構系統概要、荷重計算、減震結構相關檢核、水浮力檢核、施工系統及 RC、S、SRC 構材設計範例等部分，與耐震設計計算書主要內容大致相同，亦即耐震結構設計時之基本資料及構材設計需求，減震消能結構也必須滿足，惟消能結構尚必須多考慮消能元件之特性、分析模擬方法、及相關檢討項目等。減震消能結構計算書目錄大致如下所示。結構計算書目錄第一章、建築物概要 1.1 基地位置概況. 高度、地下樓層高度、基礎深度). 1.2 建物規劃、用途. 1.4 建築材料及規格. 1.3 建築規模. (內外牆、地坪、天花板、管線等). 1.3.1 面積. 1.5 地盤概要. (基地面積、樓地板面積、建築面積). 1.5.1 地形及地質概要. 1.3.2 樓層數. 1.5.2 地盤調查概要. (地上層、地下層、屋突層). 1.6 開挖及擋土措施. 1.3.3 高度 (建物總高度、建物至屋簷高度、標準層. 第二章、結構系統概要. 2.

(17) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 2.1 構造型式. 2.4 地下結構系統. 2.2 結構說明. (牆系統、SMRF 等). 2.2.1 平面形狀. 2.5 構造材料及規格. (規則性、伸縮縫、挑空、長寬比等). (混凝土、鋼筋、鋼骨、銲接材、螺栓等). 2.2.2 立面形狀. 2.6 構材尺寸. (挑高、樓層高均等性等). 2.7 構材跨度與高度. 2.3 地上結構系統. 2.8 基礎構造. (牆系統、斜撐系統、減震系統、SMRF、. 2.9 擋土支撐. CBF、EBF 等). 2.10 設計規範. 第三章、被動消能元件 3.1 阻尼器裝置及材料規格. 3.6.3.4 連續返復振動相依性. 3.2 阻尼器構造型式及尺寸. 3.6.4 黏彈性阻尼器. 3.3 裝置原理. 3.6.4.1 振動頻率相依性. 3.4 裝置構造. 3.6.4.2 温度相依性. 3.5 力學特性. 3.6.4.3 應變相依性. 3.5.1 基本特性方程式. 3.7 耐久性. 3.5.2 阻尼力特性. 3.7.1 耐熱耐寒. 3.6 各種相依性. 3.7.2 連續返復振動. 3.6.1 位移型阻尼器. 3.7.2.1 設計年限風速. 3.6.1.1 連續返復振動. 3.7.2.2 設計年限地震. 3.6.1.2 應變速度相依性. 3.7.3 經年劣化. 3.6.1.3 温度相依性. 3.8 裝置誤差. 3.6.2 油壓阻尼器. 3.8.1 位移型阻尼器. 3.6.2.1 振動頻率相依性. 3.8.1.1 勁度. 3.6.2.2 温度相依性. 3.8.1.2 降伏力. 3.6.3 黏性阻尼器. 3.8.2 油壓阻尼器. 3.6.3.1 振動頻率相依性. 3.8.2.1 阻尼力. 3.6.3.2 温度相依性. 3.8.2.2 內部剛性. 3.6.3.3 變位相依性. 3.8.2.3 等效阻尼係數. 3.

(18) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 3.8.3 黏性阻尼器. 3.9.2.1 變位界限. 3.8.3.1 阻尼力. 3.9.2.2 速度界限. 3.8.4 黏彈性阻尼器. 3.9.3 黏性阻尼器. 3.8.4.1 儲存模數. 3.9.3.1 變位界限. 3.8.4.2 耗損係數. 3.9.3.2 速度界限. 3.9 極限界限. 3.9.3.3 阻尼力界限. 3.9.1 位移型阻尼器. 3.9.4 黏彈性阻尼器. 3.9.1.1 變位界限. 3.9.4.1 變位界限. 3.9.1.2 疲勞界限. 3.9.4.3 疲勞界限. 3.9.2 油壓阻尼器. 3.10 分析模型與實驗結果. 第四章、荷重計算準則 4.1 設計載重. 4.1.7 土壓力. 4.1.1 靜載重. 4.1.8 設備載重及衝擊載重. 4.1.2 活載重. 4.2 地震波的選定. 4.1.3 地震力. 4.3 荷重計算基準. 4.1.4 風力. 4.4 荷重數據. 4.1.5 溫度、乾縮應力. 4.5 樓層重量分佈. 4.1.6 水位及水浮力. 第五章、線性與非線性結構模型的模擬 5.1 構材之模擬. 5.3.1 側向土壤彈簧. 5.1.1 RC 構造. 5.3.2 垂直土壤彈簧模擬. 5.1.2 S 構造. 5.3.3 Rocking 土壤彈簧模擬. 5.1.3 SRC 構造. 5.4 基樁彈簧模擬. 5.1.4 結構牆及非結構牆之模擬. 5.5 地下連續壁模擬. 5.1.5 斜撐構材的模擬. 5.6 消能元件模擬. 5.1.6 樓版之模擬(橫隔版之模擬). 5.7 線性減震結構分析模型. 5.2 梁柱接頭之模擬. 5.8 非線性減震結構分析模型. 5.3 土壤彈簧模擬. 5.9 分析軟體說明. 4.

(19) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 第六章、減震結構分析與設計說明 6.1 上部結構分析說明. 6.8 減震結構之分析設計說明. 6.2 下部結構分析說明. 6.8.1 相依性考慮. 6.2.1 地下室結構分析. 6.8.2 耐久性考慮. 6.2.2 地梁、基樁或連續壁之結構分析. 6.8.3 裝置誤差考慮. 6.3 附屬結構與非結構分析說明. 6.8.4 側推分析(Push Over Analysis). 6.4 載重組合. 6.8.5 遲滯特性設定. 6.5 構材設計說明. 6.8.6 遲滯迴圏設定. 6.6 梁柱接頭設計說明. 6.9 附屬結構與非結構分析設計說明. 6.7 地梁、基樁或連續壁設計說明. 6.10 地震波調整說明. 第七章、減震結構分析設計資料 7.1 建築及結構平面圖. 7.3.2.1 層間變位角. 7.2 建築及構架立面圖. 7.3.2.2 需要韌性容量. 7.3 性能目標. 7.3.3 各構材性能標準. 7.3.1 地震波. 7.4 阻尼器配置數量計算. 7.3.2 整體結構性能標準. 7.5 阻尼器配置平立面圖. 第八章、減震結構分析設計 8.1 靜力分析. 8.1.6 樓層傾倒力矩. 8.1.1 地震力計算. 8.2 反應譜分析. 8.1.1.1 地上結構地震力. 8.2.1 樓層反應加速度. 8.1.1.2 地下結構地震力. 8.2.2 樓層反應層間變位. 8.1.2 風力計算. 8.2.3 樓層反應剪力. 8.1.2.1 規範靜態風力. 8.2.4 樓層反應傾倒力矩. 8.1.2.2 風洞實驗風壓力. 8.3 動力線性歷時分析. 8.1.3 樓層加速度. 8.3.1 最大反應層加速度. 8.1.4 樓層層間變位. 8.3.2 最大反應層間變位. 8.1.5 樓層剪力. 8.3.3 最大反應層剪力. 5.

(20) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 8.3.4 最大反應層傾倒力矩. 8.7.2 遲滯特性設定. 8.3.5 阻尼器遲滯迴圏. 8.7.3 遲滯迴圏設定. 8.4 上部結構設計. 8.7.4 最大反應層加速度. 8.5 極限層剪力計算. 8.7.5 最大反應層間變位. 8.6 下部結構設計. 8.7.6 最大反應層剪力. 8.7 非線性動力歷時分析. 8.7.7 最大反應層傾倒力矩. 8.7.1 側推分析(Push Over Analysis). 8.7.8 阻尼器遲滯迴圏. 第九章、減震結構相關檢核 9.1 振態質量和. 9.4.4 面外錯位之豎向構材. 9.2 意外扭矩放大倍率. 9.4.5 非平行結構系統. 9.3 立面形狀. 9.5 構架單獨抗震檢討(二元系統). 9.3.1 剛性率. 9.6 建築碰撞距離. 9.3.2 質量. 9.7 容許層間變位角檢討. 9.3.3 立面不連續之豎向構材. 9.8 風力舒適性檢討. 9.3.4 極限層剪力強度. 9.9 非線性分析性能檢核. 9.4 平面形狀. 9.9.1 整體結構性能檢核. 9.4.1 偏心率. 9.9.2 各構材性能檢核. 9.4.2 凹角性. 9.9.3 塑鉸機構分佈. 9.4.3 不連續之橫隔版. 9.10 阻尼器設計及極限界限. 第十章、減震與非減震結構分析設計比較 10.1 靜力分析. 10.3 動力歷時分析. 10.2 反應譜分析. 10.4 非線性動力歷時分析. 第十一章、RC 構材設計範例 11.1 設計依據. 11.3.2 撓曲設計. 11.2 材料規格. 11.3.3 剪力筋設計. 11.3 梁設計. 11.3.4 扭力筋設計. 11.3.1 斷面檢討. 11.3.5 韌性檢核. 6.

(21) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 11.3.6 鋼筋配置與裂縫控制. 11.7 版設計. 11.4 柱設計. 11.8 結構牆設計. 11.4.1 斷面檢討. 11.9 基礎設計. 11.4.2 柱細長效應設計. 11.10 小梁設計. 11.4.3 柱縱向鋼筋設計. 11.11 附屬結構設計. 11.4.4 柱橫向鋼筋設計. 11.12 阻尼器支撐材及接合設計. 11.5 梁柱接頭檢討 11.6 強柱弱梁檢討. 第十二章、S 構材設計範例 12.1 設計依據. 12.9.2 銲接組合箱型柱. 12.2 材料規格. 12.9.3 梁柱接頭設計. 12.3 受拉構材. 12.9.4 梁柱腹板交會區設計. 12.4 受壓構材. 12.9.5 柱翼板間連續板. 12.5 撓曲構材. 12.9.6 梁柱彎矩強度比. 12.6 柱梁構材. 12.9.7 梁柱接頭側向束制. 12.7 合成構材. 12.9.8 梁側向支撐. 12.8 接合設計. 12.10 阻尼器支撐材及接合設. 12.9 耐震設計 12.9.1 柱強度要求. 13.3.5 柱配筋第十三章、SRC 構材設計範例. 13.4 梁構材. 13.1 設計依據. 13.4.1 設計彎矩強度. 13.2 材料規格. 13.4.2 設計剪力強度. 13.3 構造細則檢討. 13.4.2.1 一般剪力破壞. 13.3.1 鋼骨配置. 13.4.2.2 摩擦剪力破壞. 13.3.2 鋼骨鋼筋貫穿孔. 13.5 受壓構材. 13.3.3 梁開孔. 13.5.1 設計受壓強度. 13.3.4 梁配筋. 13.5.2 柱腳設計. 7.

(22) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 13.6 梁柱構材. 13.8.1 柱軸向強度. 13.6.1 撓曲與軸壓力強度. 13.8.2 梁彎矩強度. 13.6.2 構材細長效應. 13.8.3 梁剪力強度. 13.6.3 撓曲與軸拉力強度. 13.8.4 強柱弱梁檢討. 13.7 接合設計. 13.8.5 柱剪力強度. 13.7.1 梁柱接合設計. 13.8.6 梁柱接頭設計. 13.7.2 梁柱接合處撓曲強度比. 13.8.7SRC 剪力牆設計. 13.7.3 梁柱接頭柱內連續板. 13.9 阻尼器支撐材及接合設計. 13.8 耐震設計. 第十四章、水浮力檢核 14.1 填土. 14.5 常態水位之上浮力檢核. 14.2 水位. 14.6 最高水位之上浮力檢核. 14.3 抗拉拔樁. 14.7 筏基底版與地梁小梁配筋. 14.4 上浮力檢核之安全係數. 第十五章、施工系統 15.1 施工方法. 15.4 開挖安全措施及監測系統配置. 15.2 連續壁或擋土結構應力分析. 15.5 特殊施工法. 15.3 開挖面穩定分析. 8.

(23) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 第二節. 設計品管機制. 根據國內建築物耐震及其含被動消能系統設計規範(草案)，並參考行政院公共工程委員會評鑑制度，建立國內減震消能結構設計專業品管制度，以提供公共工程或民間一般工程，實施減震消能結構設計品管檢查與監督。減震消能結構設計檢查項目，起造人(或起造人之代理人)得獨立聘用一位以上專業工程師或專業機構，或由設計單位經起造人同意指派一位以上專業工程師或專業機構，於設計階段，實施減震消能建物結構設計品管查核。專業工程師必須就本章所定之減震消能結構品管作業項目，實施獨立之結構專業品管查核，為確實落實專業品管查核，起造人應成立消能系統之設計審查及具有相關之試驗計畫應由另一獨立之審查小組進行，小組之成員包括適當訓練之專業人員及對消能方法之理論與應用上有經驗之專家學者組成。此外應將品管查核記錄依據相關規定，通知建築主管機關、起造人、承造人及監造人。. 第三節. 品管作業綱要. 本部份主要參考美國 FEMA273 及 274、日本免震構造協会「 制振構造設計∙施工」、日本實務界有關減震消能建物設計. 品管檢查要點、我國建築物耐震規範及解說之修訂中含被動消能系統建築物之設計等，擬定減震消能建築結構設計品管作業手冊。擬定品管作業手冊綱要如后：減震消能建築結構設計品管作業手冊綱要 3.1 通則所有設置有消能元件之建築物之設計審查除須符合耐震結構一般設計規定之外，尚須符合建築物耐震規範及解說之修訂中含被動消能系統建築物之設計之規定。. 9.

(24) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 3.2 標準本品管作業手冊之檢查標準為： 1.建築物耐震規範及解說 2.混凝土工程設計規範與解說 3.鋼結構容許應力設計法規範及解說 4.鋼結構極限設計法規範及解說 5.鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範及解說 6.建築技術規則建築構造編－基礎構造設計規範 7.FEMA: NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings, Report No. FEMA273, FEMA274 8.日本免震構造協会「制振構造設計∙施工」 3.3 檢查項目 (1)建築概況 A.基地位置及週遭地貌、道路描述 B.建築規模、各層用途、內外牆系統描述 C.電梯、樓梯、管道間及停車系統描述 (2)基地調查 A.鑽孔數、分佈及深度 B.地下水位觀測 C.取樣及試驗方式 D.各項目數量與頻率依基礎設計規範之規定 (3)結構系統 A.結構系統之選擇是否合適 B.規則性與不規則性結構之判斷 C.基礎型式、平面承載系統、與地盤承載力 D.消能元件的配置. 10.

(25) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. (4)設計依據 A.設計規範之使用 (5)減震消能元件 A.消能元件的種類 B.消能元件設計考慮因素 y. 地震力造成之低循環數、大變形能力衰減. y. 風力、溫度效應及其它反覆載重所造成之高循環數、變形能力衰減. y. 重力造成之力及位移. y. 侵蝕或因為濕氣或化學暴露造成消能元件部分的黏著. y. 暴露於環境因素包括溫度、人為、濕氣、輻射、反應、侵蝕等. y. 因低循環數疲勞而破壞的消能元件必須抵抗風力而不滑動、移動或是非彈性循環. y. 溫度條件、消能元件外殼、製造誤差及其它造成消能元件在使用期限內改變的因素. C.消能元件周邊構架 D.消能元件之接合或束制 (6)垂直載重 A.靜載重 y. 每一平方公尺樓地版平均靜載重數值. y. 靜載重項目. B.活載重 y. 各種用途之樓版活載重. y. 屋頂所用活載重與一樓開放空間活載重值. y. 活動隔間之重量. y. 活載重之折減率計算. (7)地震力 A.靜力分析： y. 建物是否僅採用靜力分析 11.

(26) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. y. 消能元件提供之最大層剪力是否不大於構架層剪力之 50%. y. 最小設計水平總橫力計算方式，設計反應譜與重量之選用. y. 地盤之分類判斷及反應譜工址放大係數 Fa 及 Fv. y. 建築物基本振動週期之計算. y. 含消能元件建築物基本等效週期之計算. y. 含消能元件建築物等效阻尼比. y. 用途係數、結構系統韌性容量、起始降伏地震力放大倍數之選用. y. 消能元件最小設計總橫力. y. 豎向分配及屋頂外加總橫力. y. 結構物之偏心扭矩. y. 垂直地震力. y. 地下室與基礎設計地震力. B.反應譜分析： y. 加速度反應譜係數. y. 阻尼修正係數 BS 與 B1 的計算. y. 反應譜分析之總橫力. y. 考慮之振態數目的有效質量和. y. 含消能元件建築物等效阻尼比之計算. y. 含消能元件建築物反應譜分析之最小設計總橫力. y. 建築物不規則時，地震輸入的方向. y. 使用之振態疊加方法. y. 動態扭矩. C.動力歷時分析： y. 模擬之地震紀錄方法. y. 線性歷時分析之調整係數. y. 線性歷時分析之等效之阻尼比. y. 構材非線性分析模型. y. 各樓層與構材之韌性需求檢核. y. 線性歷時分析模型(消能元件為非線性，結構物為線性). 12.

(27) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. y. 非線性歷時分析模型(消能元件及結構物皆為非線性). (8)結構分析模式 A.地上結構 y. 結構物分析模型之幾何尺寸. y. 分析程式. y. 結構物分析模型. y. 樓板之模擬. y. 各構材之強度與勁度模擬. y. 接頭之模擬. y. 消能元件及其接合構材的模擬. y. 主要構材與次要(非結構)構材. y. 樓層重量與質心位置. y. 屋突層重量與幾何形狀模擬. y. 地上層之基面. B.地下結構與基礎 y. 地下結構幾何尺寸與重量模擬. y. 基礎構材之強度與勁度. y. 土壤彈簧之位置與勁度. y. 牆體位置之模擬. y. 地下設計水平地震力計算. (9)弱層檢核 A.計算極限層剪力強度的方法 B.牆量比檢核，牆之有效斷面積計算 C.層剪力比值 D.含消能元件的貢獻 (10)軟層檢核 (剛性率檢核) A.非結構牆貢獻 B.構材強度計算. 13.

(28) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. C.檢核結果 D.含消能元件的貢獻 (11)層間相對側向位移與建築物之間隔 A.檢核層間變位角之地震力及層間變位角 B.鄰棟間距 (12)非結構牆之影響 A.非結構牆配置 B.不均勻及不對稱非結構牆之相關處理 (13)構材設計與韌性設計 A.設計方法 B.設計程式及驗證範例 C.載重組合 D.版構材 y. 版配筋及撓度. y. 樓版剪力傳遞. E.梁構材 y. RC 梁之剪力箍筋韌性設計. y. 梁之頂層與底層主筋配置. y. RC 梁或 SRC 梁之鋼筋配置. y. 鋼梁之無側撐長度及其挫屈危險性. F.柱構材 y. 短柱之剪力筋. y. RC 柱或 SRC 柱之鋼筋配置. y. 鋼柱之局部挫屈危險性. y. 鋼柱之續接處處理. G.柱之長細效應檢討 y. 細長柱之 P- ∆ 效應. y. 側移構架或無側移構架之判斷. y. 彎矩放大倍率. 14.

(29) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. H.剪力牆及端構材 y. 剪力筋配置與錨定. y. 端構材分析與設計. y. 牆體需承受面內彎矩時之垂直筋配置. I.梁柱接頭 y. RC 梁柱接頭檢核. y. 鋼骨梁柱接頭等設計. y. 強柱弱梁檢核方式. J.與消能元件接合構材檢討接合構材的檢討，可依據圖 1-3 減震消能構架的形式決定檢討的項目，檢討項目如下： y. 直接接合型：梁構材及梁柱接頭檢討. y. 間接接合型：梁及柱構材檢討. y. 其它型：梁、柱及梁柱接頭檢討. (14)基礎設計 A.基樁承載力分析 B.筏基版之鋼筋施工合理性 C.樁帽及樁本身抗剪、抗彎之分析 D.彈性地梁分析方式與設計 (15)開挖及檔土措施設計 A.分析程式 B.結構分析模式 C.各開挖階段側壁之內力計算及開挖順序 D.連續壁貫入深度計算 E.開挖之塑性隆起穩定性檢核 F.砂湧安全性之檢核 G.上舉破壞之安全性檢核 H.監測系統與計劃 I.鄰房保護措施. 15.

(30) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 3.4 減震消能結構設計品管檢查本節除了耐震建築結構設計品管作業手冊綱要之檢查項目(詳本研究案耐震部分)外，另須額外考慮消能元件設計品管檢查，此一部分主要是參考日本實務界一般的設計檢查要點，表 1-1~表 1~4 為 Unbond Brace、摩擦型消能元件、油壓消能元件、粘性消能元件等檢查範例，而表 1-5 則為各種不同消能元件之復原力特性。. 16.

(31) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 開始. 調查及計劃. 基本設計基地地盤調查. 制震結構. 地盤卓越週期地盤非線性參數是否有土壤液化. NG. OK 隔震結構或耐震結構制震結構設計目標. 概略設計擬模地震波制震裝置選擇與概略設計設計用地震波由工學基盤輸入. 預備分析. 靜力用地震力基樁、結構、土壤互制靜力彈塑性分析. 各種分析檢討. 上部結構設計. 非線性動力歷時分析設計或選購制震裝置. 設計目標檢討設計制震裝置安裝構材設計下部結構. 製作評定資料. 制震裝置計畫. 結構性能評定. 防災評定. 申請合格. 完成. 表示為選擇性作業. 圖 1-1 日本實務界一般減震消能結構設計之流程圖. 17.

(32) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 設計性能目標設定. 減震消能結構系統計畫減震消能元件之種類選定減震消能元件之配置計畫減震消能元件數量設定. 地震紀錄及強震強度之決定. 主體結構斷面及消能元件種類、配置、數量檢討. 建立結構分析模型. 減震消能結構系統靜力分析. 減震消能結構系統動力分析. 否. 設計性能目標是否達成. 是設計定案. 圖 1-2 我國實務界一般減震消能結構物之設計流程圖. 18.

(33) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 直接結合型間接結合型. 斜撐型. SL 型. 方杖型. 接合處型. 其他. Outrigger 型. 圖 1-3 減震消能構架的形式. 19.

(34) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 表 1-1 Unbond Brace (範例). 一. 般. 機構. 能量吸收機構. 類型. 變位相依性. 裝置. 鋼材彈塑性消能元件. 名稱（品名）. Unbond-Brance. 概要與優點. •軸向降伏型消能元件（詳圖 1-4），以鋼筋混凝土加強挫屈束制（低降伏點鋼板：BT-LYP100，BT-LYP235）。. 事. •BA 級耐震評審合格。 •鋼板之厚度與寬幅可視所需強度與耐力調整。. 項. •如使用高度摩擦鋼板，其接合部分尚可壓縮。原理. •低降伏點鋼板藉由軸向之變形以吸收震動能量。 •消能元件係組裝於樑柱構造內。 •消能元件可藉由鋼筋混凝土作全部或部分補強防止挫屈。. 材料. •低降伏點鋼條（BT-LYP100，BT-LYP235） •其他鐵架：SN400B 等之普通鋼條 •混凝土：Fc=21N/mm2. 材. 力學特性. •下列為 100N/ mm2 級之性質。（）內為 235N/ mm2. 料. •降伏點：80~120（205~245）N/ mm2. 與. •抗拉強度：200~300（300~400）N/ mm2. 尺. •伸長率：50（40）%以上. 寸. 形狀與尺寸. 、. 為建築中心一般評定範圍內。（）內為個別認定之最大尺寸。 •長度：依鋼管強度而定。實際最大值為 22m。. 組. •構材：鋼板厚度 PL-9~40（40）mm、寬幅 50~450（700）mm. 裝. •鋼管：鋼板厚度 PL-3.2~16（22）mm、寬幅 100~500（750）mm •厚寬比例：圓形鋼管 D/t≦67、方形鋼管 B/t≦55 組裝方法. 同一般支承構架之做法、利用結點板以高強度螺栓鎖緊建築物、或直接於工地焊接。. 模式. 復原力特性. 雙線性（LYP235）或三線性（LYP100）彈簧元件(詳圖 1-4) •茲以 E 代表支承之彈性係數、Ag 代表截面積、則 •彈性強度：sKb=EAg. 20.

(35) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. •降伏耐力：Nbyl=σyAg（σy=100N/mm2（LTP100），225N/mm2 （LYP100）） 2 •最大耐力：sNbyU=σmaxA（σ N/mm（LTP100），無（LTP100） g max=200）. •第 2 斜率：α=0.20. 極. 變形. 層間變形角 R=1/20. 限. 循環次數. 140 次（R=1/75 時）. 能量吸收量. 依賴支承之豎向截面積. 累積豎向之反稱性. 約 500%（R=1/75 時）. 疲勞界限. 詳圖 1-4. 檢查計劃. 基本上不需維修. 臨界值維護. 如遇大型地震發生則於檢查建築物時一併進行臨時維修。. 管. 同時可另購累積變形記憶裝置、最大變形記憶裝置（另購配件）. 理文. 設計評價之公正性. 大會學術演講概要集 1999 年 9 月. 獻實績. 「全尺寸未接合型支承之疲勞性能（之一）（之二）」日本建築學會. 完成建築物（評價、評定）. 高層建築物（60m 以上）：約 10 件（已評定）已取得日本建築中心之一般評定（1999 年 9 月）. 21.

(36) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 概要圖無粘著支承披覆脫層材料. 鋼板. 混凝土. 應力受壓鋼管. 鋼管. 未接合型. 拉力. 變形. 軸力/降伏軸力比. 砂漿. 地震能量吸收量. 配置圖遲滯迴圏特性 ⊿ε（%）. 層間變形 1/100（應變 ±0.75）. 核心鋼板之截面型狀 Nf（cycles）. 疲勞曲線. 復原力特性. 圖 1-4 22. Unbond Brace.

(37) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 表 1-2 摩擦型消能元件(範例) 一般事. 機構類型裝設名稱（品名）. 概要與優點. 項. 原理材料與形狀、組裝. 模式化. 極限臨界值維持管理文獻實績. 組裝方法. 恢復力特性. 變形循環次數能量吸收量累積豎向應變疲勞界限檢查計劃設計評價之公正性完成建築物（評價、評定）. 能量吸收機構摩擦衰減摩擦消能元件摩擦制震支承 •本產品係針對現有 RC 造建築物耐震加固用阻尼器易變形之欠缺性能開發而成，本產品能有效吸收些微變形與震動能量。詳圖 1-5 •本摩擦阻尼器係依金屬材料之拉桿加工原理而成，藉由固定於筒內之塑模與筒外之鋼棒之推拉產生摩擦力。阻尼器之摩擦荷載可藉由鋼棒外徑與塑模內徑之差值，及兩者接觸長度加以調整。此外，塑模與鋼棒之摩擦面塗以二硫化鉬為主之固態潤滑劑，以安定摩擦荷載與形狀記錄。茲以圖說明阻尼器之組裝。將支承之軸心裝入摩擦阻尼器，使建築物樓層之變形直接傳至阻尼器，以便有效吸收能量。茲設定以下兩種組裝方式：一為阻尼器支承（附加摩擦阻尼器之支承）直接組裝（範例（a））於現有建築物外牆（樑側）上；另一為陽台或外廊下前端組裝鋼製支承使其與結構物合一，並將阻尼器支承裝設於結構物框架內（範例（b））。 •阻尼器之型狀與摩擦荷載之關係因已經理論證實，故可生產各種摩擦荷載與衝擊之阻尼器。現有使用成品為 10tf， 20tf，30tf，40tf 之阻尼器。 •圖為 30tf 之摩擦阻尼器以 0.5cm/sec 速度、±30mm 振幅加震測試之單體性能結果。依形狀記錄顯示呈完全彈塑性，且其特性為摩擦荷載±30tf，彈性強度 630tf/cm。 •茲將阻尼器單體之分析範例作成豎向彈簧模式，並定義完全彈性塑性模式為，測試所得之一個週期能量吸收量（B）除以阻尼器下滑量（Σδ）之平均摩擦荷載（P）強度（彈性強度：試驗結果、2 次斜坡：彈性強度之 1/1000）。此外，於分析支承與一體化阻尼器支承（豎向彈簧）時，其彈性強度設值則將摩擦阻尼器與鋼製支承之豎向強度垂直相加求之。層間變形角 R=1/20 140 回（R=1/75 時）依賴支承豎向截面積約 500%（R=1/75 時）見圖 1-5 基本上不需維修如遇大地震發生時，則連同建築物之檢查進行臨時維修。. 共同開發：日本大學安藤、中西研究所共同開發：股份有限公司巴技術研究 5 件：耐震加固用建築. 23.

(38) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 拉桿固定配件. 外筒. 拉桿. 陰模. 表摩擦阻尼器之元件材質. 螺帽. 構成元件. 材質. 性質（JIS 規格）. 鋼棒. 燐青銅. JIS H 3270 CG191B-H. 接環. 合金工具鋼材一般結構構用碳鋼管. 塑模內外筒. JIS G 4404 5KD11 JIS G 3444 STK400. 圖摩擦阻尼器概要圖. 固定台 CX 鋼棒. 鋼管支承. 鋼管. 鋼管支承. 摩擦阻尼器鋼管支架. 摩擦阻尼器鋼管支架. 固定台 CX 鋼棒（b）組裝於外框架上之場. （a）與現有結構直接組裝之場合. 圖配置例之概要圖. 荷載. 荷載（tf）. 內筒. 變形. 軸位移（mm）（v=0.5cm/sec，A=30mm）. 圖變位曲線（測試結果）. 圖 1-5. p：平均摩擦荷載（=E/Σδ） E：一個週期之能量 Σδ：阻尼器之滑動量. 圖平均摩擦荷載. 摩擦型消能元件. 24.

(39) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 表 1-3 油壓消能元件(範例) 機構類型組裝名稱（品名）. 形狀、組裝. 組裝方法. 基本性能、使用值. 第 1 衰減係數第 2 衰減係數卸載荷載組裝強度最大荷載最大速度最大衝擊使用條件. 能量吸收機構粘（彈）性衰減油壓阻尼器系列名稱：Oil Damper Bracing 系列油壓阻尼器支承 •本產品因與樑柱接合部分結合，故因彎矩導致對建築物之損害得以減少。 •本油壓阻尼器因外形輕巧，故能安裝於狹窄壁內。 •由儲能器施以操作油壓力，當微震（阻尼器本體為± 0.1mm 以上）時即產生衰減力，因此連強風或小地震之震動亦適用。 •其安定性能為-20℃~80℃間，可輕易地分析建築物之結構。 •敝公司所提供之填充材料累積長年經驗，可配合建築物之壽命，60 年以上無須維修。 •即使產品有嚴重變形亦不影響其機能，故大地震發生後仍能繼續使用。將油壓阻尼器支承設置於各樓層間以吸收樓層間之變形。油壓阻尼器將建築物之變形能量轉換為熱能以消散其能量。詳圖 1-6 利用敝公司開發之錐形銷可以簡易地進行組裝，防止鬆動。同時，組裝部位使用球面軸承以減少其製作誤差。詳圖 1-6 詳圖 1-6 詳圖 1-6,卸載速度 3.2cm/sec 詳圖 1-6 詳圖 1-6（類型品名代表最大荷載數值） 15cm/sec（阻尼器間之速度） 160mm（±80mm）安定性能為-20℃~80℃. 恢復力特性. 參考油壓阻尼器之油壓縮特性，採用 maxwell 模式. 變形荷載速度循環次數能量吸收量. 與最大衝擊（±80mm）相同與最大荷載相同與最大荷載相同. 一般事. 概要與優點. 項. 原理. 模式化極限臨界值維持管理文獻實績. 形狀與尺寸. 檢查計劃. 設計評價之公正性完成建築物（評價、評定）. 原則上無須維修臨時檢查（檢查人員：建築物管理者及專家、於大地震、火災、強風後進行）抗震結構物油阻尼器之開發其 1~其 4 日本建築學會大會學術演講概要集 1989.9、1999.9 高層建築物（60m 以上）：6 棟中層建築物（60m 以下）：4 棟. 25.

(40) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 耐震補強建築物. ：4 棟. ODB 系列 pin. 連接板油壓阻尼器接合. 連接板 ODB 系列組裝範例. 圖衰減力 KN. 2000KN 類型 1500KN 類型 1000KN 類型 500KN 類型 250KN 類型 125KN 類型 50KN 類型. 類型. 高阻尼器基本特性圖. 型號 C9O50-EE C11O120-EE C16O160-EE C24O160-EE C29O160-EE C34O160-EE. G（m） 12 12 22 22 22 28. 最大荷載（tf） 12.5 25 50 100 150 200. 15. 1. 177. 30. 2. 343. 250KN. 60. 4. 686. 500KN. 125. 8.5. 1373. 1000KN. 250. 17. 2746. 1500KN. 375. 25.5. 4119. 2000KN. 500. 34. 5492. ASSY 支承. 衝程 S. L（支承長度）. 圖. 阻尼器外型圖. 表. 阻尼器之詳細尺寸. 衝擊 S（m） 50 120 160 160 160 160. 組裝長度 La（m） 455 790 1110 1660 1900 2040. L1（m） 45 90 140 260 310 310. 圖 1-6. 強度. 125KN. 高阻尼. 組裝長度 Ls. 阻尼器. KN/Kine. 60KN. 結點板. 組裝栓. 第二衰減. KN/Kine. KN/Kine. 阻尼器速度. 圖. 第一衰減. ΦA（m） 110.0 139.8 200.0 282.0 355.6 400.0. R1（m） 30 50 80 110 135 155. 油缸內徑 ΦF（m） 90 110 160 240 290 340. R2（m） 40 85 135 250 300 300. 油壓消能元件 26. ΦC（m）. ΦD（m）. ΦE（m）. ΦF（m）. 45.0 55.0 80.0 130.0 160.0 180.0. － 130.0 177.8 267.4 318.5 381.0. － 110.0 153.8 243.4 292.5 341.0. 20 45 70 110 140 160. W（m） 63 113 173 263 360 390.

(41) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 表 1-4 黏性消能元件(範例). 一般. 機構類型組裝名稱（品名）. 事項. 概要與優點. 原理外形、組裝. 材料. 外形與尺寸組裝方法. 基本性能、使用值模式化極限臨界值維護管理文獻實績. 衰減力特性. 最大荷載最大速度最大衝擊使用條件恢復力特性變形荷載速度循環次數能量吸收量檢查計劃. 設計評價之公正性. 能量吸收機構液態粘性衰減粘性阻尼器抗粘性阻尼器 •無須維修，保證 40 年以上無流體滲漏之事故。 •幾乎不受溫度影響。 •因需定期更換流體，故阻尼器外部無儲能器與水平儀之加裝。此外，因節流孔可自由變化故無閥門設計，絕對不會發生通路阻塞之情形。 •可降低因地震或強風所產生之應力與彎曲毀損。 •有關衰減力、速度、衝擊等皆可配合工程師需求生產製造。本產品採活塞與油缸結構設計，將韌性流體填充其中並自特殊節流口噴射而出。以將地震能量進行熱轉換作用。 •機油：使用不起化學變化之矽流體。符合美國 OSHA 規格具不引性與不燃性。 •油缸：AISI4340（MIL-HDBK-5 與 AMS5659） •活塞型號：17-4PH 不鏽鋼（MIL-HDBK-5 與 AMS5659） •型 1：阻尼器兩面設置球型軸承。 •型 2：阻尼器一端設置球型軸承，另一端則用以接合支承螺栓。將阻尼器一端之 u 型勾（球型軸承）與結構體之托座孔以銷鎖緊。型 A：線性類型 F=CV F：衰減力（tf） C：衰減係數（tf-sec/cm） V：速度（cm/sec）型 B：非線性類型 F=CVα α係指 0.3 至 2.0 間之數值（α=0.4） 9000KN 15m/sec ±1000mm －40℃~70℃ •只有顯示阻尼器之緩衝器（Maxwell 模式） •因阻尼器之強度極大，故無須考慮模式化無特別限制依衝擊之需求設計（可至±1000mm）無特別限制（依荷載需求最大可設計至 9000KN）無特別限制（依荷載需求最大可設計至 15m/s）無特別限制無特別限制 •自由維修。可視情況進行下列維修 •初期檢查：管理者或技師於產品設置後 1 年內進行檢查。 •臨時檢查：管理者或技師於火災、M5 以上之地震或風速達 50m/s 之颱風過後進行檢查。建築物：衰減設計（1999,7）、及其他 50 種以上文獻報告。. 完成建築物（評價、國內架築物評定 1 件、國外建築物 40 件以上評定）實際承銷生產數目 2,000 件以上. 27.

(42) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 活塞桿. 油風固定扣密封. 油缸. 可壓縮珪流體. 室1 活塞頭與節流孔. 室 2 控制閥. 儲能器. 儲能器. 力學模式低速度設計速度最大速度. 速度裝置用外殼流體黏性阻尼. 圖 1-7. 液態黏性消能元件. 28.

(43) 第一章被動消能結構系統設計流程與品管機制. 表 1-5 復元力特性項目裝置名稱. 變位阻尼器 Unbond Brace. 阻尼. 摩擦消能元件. 粘性消能元件. 摩擦消能元件. 粘性消能元件. 斜撐. 斜撐. 摩擦衰減型. 粘性衰減型. 變位衰減型. 機構. 油壓消能元件 ODB 系列. 粘性衰減型 QD. QD. (kN). (kN). QD. (kN). QD. QDmax. (kN). QDmax. C1. 阻尼特性. QDmax. C2. Q1. QDmax. K2. K1 0. C1. δ. (cm). K1. 0. 0. 0. ν (cm/s). δ. (cm). V10. V20 ν (cm/s). QDmax：最大阻尼力. C1：初期阻尼係數. QDmax：最大阻尼力. QDmax：最大阻尼力. QDmax：最大阻尼力. C2：C1×0.068. K1：初期強度. K1：初期強度. C1：初期阻尼係數. Q1：卸載荷載. K2：0.2×K1 QD. QD. QD. (kN). QD. (kN). (kN). (kN). 復原力特性 δ. K(δ). δ. δ. (cm). K(δ,ν). K(δ). δ. (cm). (cm). C(δ,ν). (cm). K(δ,ν). C(δ,ν). 模型化軸彈簧模式. Maxwell 模式. 軸彈簧模式. 29. Maxwell 模式.

(44) 第二章減震消能結構設計注意事項. 第二章. 減震消能結構設計注意事項. 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；在設計地震下，使用韌性不得超過其容許韌性容量；最大考量地震下，使用韌性不得高於規定之韌性容量，此原則為減震消能結構基本設計要求，在此大原則之下，如何適當的配置減震消能元件，達成設計目標亦很重要。於配置消能元件時，並不是配的數量愈多或噸數愈大愈好，從 2003 年日本免震構造協会「制振構造設計∙施工」性能曲線可以看出，消能元件若配置不當反而會形成反效果。此外，設計者可以依據所需求之設計性能配置消能元件，例如採用特定層集中配置、分散層配置等。設置消能元件後，結構斷面尺寸可以適當縮減，並不是毫無限制的縮減，尚必須考慮規範任一層消能元件承擔層剪力不得超過該層層剪力 50%的規定。在做非線性動力歷時分析時，應至少取三個與設計反應譜相符之水平地震紀錄，其應能確切反映工址設計地震(或最大考量地震) 之地震規模、斷層距離與震源效應。另外消能結構物的力學特性及模擬方法亦很重要，本章概略以消能能量吸收、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略做說明。在最大考量地震計算出之最大總位移所對應之力的 1.3 倍或是 1.5 倍時，位於消能元件間傳遞作用力之構材與接頭須適當設計使其在線彈性範圍之內。在詳細設計階段，必須評估阻尼器與主體結構間的接合構材所具有的強度及接合方式，其次，需評估消能元件接合對周邊的樑柱等主構材及樓板等次構材的影響。. 第一節. 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. 30.

(45) 第二章減震消能結構設計注意事項. 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. 31.

(46) 第二章減震消能結構設計注意事項. 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。. 32.

(47) 第二章減震消能結構設計注意事項. 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。. 33.

(48) 第二章減震消能結構設計注意事項. 1.3 消能建物設計常見的問題 (1)位移及層剪力控制於某種地震強度下，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，任何型式的結構設計應該皆可嘗試，從整體性能的概念來看，只要設計者在滿足規範基本要求的前提下，且能夠達成預期之性能目標，則任何型式之結構設計應皆屬可行。. 第二節. 消能元件配置. 2.1 消能元件的平立面配置本節首先介紹一些具代表性的減震消能元件配置型式。. 34.

(49) 第二章減震消能結構設計注意事項. 1.特定層集中配置根據實際的地震破壞及地震力作用之彈塑性反應分析結果可知，許多高層的建築物，在結構勁度相對較軟的樓層較易發生損傷破壞集中現象，所以設計規範對於勁度不規則的軟層有下限規定，其規定側向勁度低於其上一層者之 60%或其上三層平均勁度 70%者，有此種情形之建築物，乃為耐震規範所不容許的。此外，並進一步要求確保建物有一定之塑性變形能力。對於含被動消能元件而言，設計者可以刻意減弱特定樓層之勁度，讓地震力集中至這些特定層，而於這些特定樓層設置消能元件，吸收地震能量之構造如圖 2.2(a)。特定層集中配置的力學原理類似隔震結構系統，但隔震結構的主要原理是延長隔震結構物的週期，降低隔震建築物的反應加速度。能量集中的特定樓層可以設計在第一層、最上層及中間層，亦可以設計於數個樓層進行減震消能。一般而言，能量吸收層設計在靠近地震動的下層時其地震能量消散的效率較高，振動反應的降低效果較好。能量吸收設置於特定層的消能設計，其消能元件需有較大吸收能量的能力，但需特別注意的是，於設計地震力發生時，集中層不得發生崩壞。然應用此種設計方法，於我國目前實務界的應用，尚未聽說採用此種方法做減震消能結構設計。 2.各層分散配置以各層分散配置的方法如圖 2.2(b)，為一般國內設計消能結構採用的方法。對於勁度較大的核心(Core)結構，則可利用核心結構及其周邊構架的振動特性不同，兩者間以消能元件連結，而發揮減震的效果。上下樓層連續剪力牆連接之梁與剪力牆，兩者強度相差甚多，故破壞一般會集中發生在此連接梁處，若將消能元件裝設於此連接處，可以發揮建築物全體的減震效果。 3.兩建築物之間配置兩建築物之間配置如圖 2.2(c)，利用鄰近兩棟建築物的振動特性之不同，消能元件可裝設在兩相鄰建築物之間配置。高層建築物的高樓層部分及低樓層部分可於邊緣處切離，而以消能元件相連結，亦可成為一種減震消能結構配置。形狀較細長的建築物、L 型之建築物及ㄇ字型的建築物，一般可分成幾個區塊，在各建築區塊間設置伸縮縫且裝設消能元件，利用各區塊結構振動特性不同之特徵，抑制建築區塊間的相對變. 35.

(50) 第二章減震消能結構設計注意事項. 位。 4.巨型框架巨型框架配置消能元件如圖 2.2(d)，超高層建築物振動的彎曲模態成分較多，利用層間變形發揮減震效用之消能元件，其效果較不能發揮。超高層建築物一般由巨型框架結構系統及次框架結構系統組成，次框架系統的振動反應一般會發生增幅的情形，在次框架中裝置消能元件，發揮消能元件之吸收能量的效率，建築物的全體振動反應亦得以降低。進行減震消能結構設計時，主體結構須先遵循相關規範之設計需求，但斷面尺寸可能作適當的縮減，以減低建造成本。減震消能元件選擇必須依據設計目標與性能要求，選定適當的類型，可能是單一種類或複數種類的組合搭配，其次需進行消能元件平面與立面配置計畫。各種可能的配置安排可參照圖 2-3 及圖 2-4。進行主體結構與消能元件組合配置時，立面剛性與強度分配要均勻，平面不能有偏心過大的情形發生。擬定配置計劃時，吸收能量的樓層部位、能力及順序等需預先構想，其對於反應的控制相當重要。平面配置計劃可參考圖 2-3。於建物外周分散配置可設置較多的消能元件數量，則每組消能元件的消能能力可以小一些；核心周圍的設置空間受到限定，則每組消能元件的吸能性能要求較大。立面配置計劃可參考圖 2-4。各層分散配置時，整棟樓層配置的數量多，則消能元件吸能能力可小一些。而連續配置時，柱子受到較大的傾倒力矩，柱腳的軸力變大，故須檢討拉拔情況如圖 2-4(a)。圖 2-4(b)錯開配置時，傾倒力矩可以分散，可避免柱腳軸力增大的情形。同圖 2-4(c)，消能元件集中配置於特定樓層時，消能層集中吸收大部分能量，為免非消能層不產生損傷破壞，因此建物的剛性與強度分配要做適當調整，地震的傳遞乃經由基礎上傳至建築物，所以於建物下層集中配置消能元件，減震的效果較大。如圖 2-4(d)消能元件亦可配置於高層建物的避難層或特殊用途樓層，消能元件配置於最上層樓與最下層樓，當中小地震發生時，最上端的消能層為主要吸能機制；當大地震發生時，最下端的消能層也加入吸能的行列。除結構上的考量外、建物的用途與計畫影響消能元件的空間配置時，必須進行適當配置的檢討。而溫度依存性較大的黏彈性及黏性消能元件必須配置於溫度變化較小的區域。. 36.

(51) 第二章減震消能結構設計注意事項. 2.2 消能元件配置缺失特定層集中配置一般配置於較柔的樓層，利用消能元件進行消能，若設計不當，則該層反而成為崩塌樓層，因此採用此法需要特別注意消能元件的勁度與消能能力。另消能系統為國內近年來逐漸被廣為運用之有效抗震系統之一，但由於若干設計者並未如一般結構設計般之熟悉，及由於 2002 年版耐震設計規範還未正式頒布，所以設計者進行此類系統之設計需額外之注意。由於國內建築結構規劃階段之特有生態，消能系統常因空間限制而往往無法配置於最適當之位置，此點於老舊建物補強上更為嚴重之問題，所以設計者若用大尺寸之消能元件來克服此類問題，則需注意其連結構材耐震能力是否能夠相匹配，尤其是在位移需求上之匹配而非強度上之滿足。配置消能元件時，由於設計者對於消能元件的力學特性及設計方法不熟悉，以致於以一般耐震設計的觀念配置消能元件，於地震發生時，可能導致建築物產生額外扭矩的發生。其中，產生額外扭矩可能被忽略的原因是，當配置消能元件時，即使有考慮到消能元件配置於剛心兩側的位置，但因為沒有考慮到同一樓層可能採用不同勁度的消能元件，以致意外偏心率加大，而分析時又忽略些一扭轉效應，形成一不安全之設計，例如：黏性消能元件一般廠商提供的資料顯示，黏性消能元件沒有勁度，但根據日本制震設計手冊說明，黏性消能元件是有勁度的，其勁度除包括支撐消能元件之支撐構材外，消能元件本身也有勁度，消能元件之噸數(工程數語所謂的噸數，是指最大設計阻尼力)不同，其勁度也不同，然設計者往往忽略此一效應，認為黏性消能元件沒有勁度，導致同一樓層配置不同噸數的黏性消能元件，忽略其可能造成之扭轉效應。. 第三節. 結構斷面設計. 減震消能結構對地震荷重的抵抗由主體結構與相連的消能元件共同分擔。若消能元件分擔的比率較大時，則主體結構的構材斷面可以減小，另需要注意的是，對於位移型消能元件，可利用線性靜力分析方法來分析位移型消能元件之效應，但須滿足以下條件： 1.每一樓層在考慮方向上提供之最大層剪力與藉由地震力豎向分配公式 37.