建築物速度型被動消能元件設計手冊之研擬

建築物速度型被動消能元件

設計手冊之研擬

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

ISBN 978-986-01-2901-4

建築物速度型被動消能元件

設計手冊之研擬

研究主持人

：何明錦 所長

協同主持人

：張國鎮 教授

研 究 員

：黃震興、蘇晴茂、柯鎮洋、黃立宗、李台光

助理研究員

：汪向榮、陳長佑、蔡木森、王秋文、林孟慧

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國

96 年 12 月

目錄

目

次

目 次 ... I 圖 次 ... III 表 次 ...VII 誌 謝 ... IX 摘 要 ... XI 第一章 緒 論 ... 1 第一節 研究背景與目的 ...1 第二節 研究方法與內容 ...3 第三節 預期成果與展望 ...5 第二章 文獻回顧 ... 7 第一節 美國 IBC2006（ASCE 7-05）...7 壹、基本說明... 7 貳、分析輸入資料... 7 叁、等效線性分析... 8 肆、阻尼修正係數... 9 伍、分析程序... 10 陸、特殊設計審查... 12 柒、試驗要求... 12 第二節 日本被動消能構造設計施工論文集 ...13 第三章 消能基本概念 ... 19 第一節 性能目標 ...19 壹、性能設計法(Performance-Based Design)... 19 貳、各種耐震設計方法之比較... 23 叁、被動消能減震技術... 23 第二節 阻尼比與結構動力 ...24 第三節 初步設計（消能曲線） ...26 壹、Kasai 消能性能曲線 ... 26 貳、黏性及黏彈性阻尼器之力學行為... 26 第四章 液態黏性阻尼器 ... 33 第一節 力學行為 ...33 壹、液態黏性阻尼器之構造及作用機制... 33 貳、液態黏性阻尼器之力學性質... 34 叁、液態黏性阻尼器力學性質之識別... 36 第二節 設計方法 ...37 壹、含液態黏性阻尼器結構之等效阻尼比... 37 貳、液態黏性阻尼器阻尼常數設計... 44 叁、肘型斜撐位移放大因子... 47

肆、考慮撓曲轉動變形設計... 49 伍、不同階段之結構受力反應... 51 陸、含液態黏性阻尼器結構構架分析設計流程... 53 第三節 試驗驗證 ...67 壹、三層樓之兩跨乘兩跨空間鋼構架... 67 貳、三層樓之兩跨乘兩跨空間鋼筋混凝土構架... 75 第四節 應用示範例 ...79 壹、線性靜力分析設計... 79 貳、線性動力分析... 85 叁、非線性靜力分析... 89 第五章 黏彈性阻尼器 ... 93 第一節 力學行為 ...93 壹、黏彈性材料之基本力學行為... 93 貳、黏彈性阻尼器之數值分析模型... 97 第二節 設計方法 ...103 壹、含黏彈性阻尼器結構之阻尼比計算... 103 貳、含黏彈性阻尼器之結構分析... 108 叁、含黏彈性阻尼器結構構架分析設計流程... 112 第三節 試驗驗證 ...126 壹、壁式黏彈性阻尼器振動台試驗... 126 第四節 應用示範例 ...142 壹、線性靜力分析設計... 142 貳、線性動力分析... 147 叁、非線性靜力分析... 150 第六章 常用分析軟體模擬簡介 ... 157 第一節 SAP2000 與 ETABS ...157 壹、前言... 157 貳、液態黏性阻尼器與黏彈性阻尼器之模擬... 157 第二節 PISA3D...160 壹、前言... 160 貳、液態黏性阻尼器與黏彈性阻尼器之模擬... 160 第三節 MIDAS ...161 壹、前言... 161 貳、液態黏性阻尼器與黏彈性阻尼器之模擬... 161 第七章 結論與建議 ... 165 第一節 結論 ...165 第二節 建議 ...165 附錄一 期中簡報審查意見會議紀錄...167 附錄二 期末簡報審查意見會議紀錄...171 參 考 文 獻 ... 175

圖目錄

圖 次

圖1.1 研究步驟流程圖 ...4 圖2.1 理想化彈塑性曲線 ...9 圖2.2 理想彈塑性模型之等效線性分析 ...9 圖2.3 側推分析容量曲線 ... 11 圖2.4 多質點消能構造設計法流程圖 ...15 圖2.5 含黏彈性阻尼器消能構造之消能性能曲線 ...16 圖2.6 含黏性阻尼器消能構造之消能性能曲線 ...17 圖 3.1 裝設黏性阻尼器之單自由度典型 MRF (a)斜撐與阻尼器串聯之小系統 (b)MRF 構架與小系統並聯為整體結構 ...29

圖3.2 對應不同之斜撐勁度勁度比(α_b)和 Damper Loss Stiffness Ratio(αd′′_{)時，系統} 所得之Added Stiffness Ratio (α_a) ...30

圖3.3 對應不同之斜撐勁度勁度比(α_b)和 Damper Loss Stiffness Ratio(α_d′′)時，系統 所增加之整體阻尼比(ξ_a)...30

圖3.4 當斜撐勁度勁度比(α_b)改變時，對應不同 Damper Loss Stiffness Ratio(α_d′′ )， 所繪之消能曲線...32 圖4.1 液態黏性阻尼器構造圖 ...34 圖4.2 線性與非線性阻尼器之阻尼力與速度關係 ...35 圖4.3 線性與非線性阻尼器之力與位移遲滯迴圈 ...35 圖4.4 阻尼器力量之實驗值與理論值比較 ...37 圖4.5 阻尼器力與位移遲滯迴圈 ...37 圖4.6 彈性應變能(W )及阻尼器消散之能量(_s W )示意圖 ...39 _D 圖4.7 不同阻尼器系統所對應之阻尼器位移放大因子 ...40 圖4.8 含對角斜撐阻尼器之剪力屋架變形圖 ...42 圖4.9 含非線性阻尼器構架之建議設計方法流程圖 ...47 圖4.10 含肘型斜撐阻尼器之單自由度構架系統 ...48 圖4.11 含肘型斜撐阻尼器之單自由度構架系統(修正)...49 圖4.12 含黏性阻尼器以 K 型斜撐裝置方式之二十層樓構架模態變形圖 ...49 圖4.13 樓層剪力變形 ...50 圖4.14 樓層剪力暨撓曲轉動變形 ...50

圖4.15 含黏性阻尼器結構之力與位移關係 ...53 圖4.16 含黏性阻尼器結構受簡諧位移運動 ...53 圖4.17 含速度型消能元件結構構架設計方法 ...54 圖4.18 線性靜力分析設計－液態黏滯阻尼器 ...60 圖4.19 線性動力分析設計－液態黏滯阻尼器 ...63 圖4.20 非線性靜力分析設計－液態黏滯阻尼器 ...66 圖4.21 黏性阻尼器性能測試裝置 ...68 圖4.22 非線性黏性阻尼器力與位移遲滯迴圈圖 ...68 圖4.23 非線性黏性阻尼器力與速度關係 ...69 圖4.24 含黏性阻尼器之對角斜撐構架 ...69 圖4.25 含黏性阻尼器之上肘型斜撐構架 ...69 圖4.26 不同試驗構架之轉換函數 ...70 圖4.27 不同試驗構架於地震歷時下整體反應之極值 ...71 圖4.28 不同試驗構架於頂層絕對加速度與相對位移之歷時反應 ...72 圖4.29 中小地震時含黏性阻尼器對角斜撐構架一樓層間位移與層間剪力 ...73 圖4.30 不同試驗構架之地震瞬時輸入能量與頂層位移 ...74 圖4.31 不同試驗構架之速度均方根值 ...74 圖4.32 含非結構牆之 RC 抗彎構架...75 圖4.33 加裝阻尼器之含非結構牆 RC 抗彎構架...76 圖4.34 結構有無加裝阻尼器於 200% Tcu078 地震試驗之反應比較...77 圖4.35 結構有無加裝阻尼器於 100% Tcu078 地震試驗之能量歷時比較...77 圖4.36 結構有無加裝阻尼器於 200% Tcu078 地震試驗之瞬時輸入能量歷時比較.78 圖4.37 結構有無加裝阻尼器於 200% Tcu078 地震試驗之瞬時降伏遲滯能量歷時比較 ..78 圖4.38 標準層結構平面圖 ...80 圖4.39 X 向外側構架立面圖 ...81 圖4.40 X 向內側構架立面圖 ...81 圖4.41 Y 向構架立面圖 ...81 圖4.42 功能績效點示意圖 ...90 圖5.1 黏彈性阻尼器 ...94 圖5.2 諧和載重下黏彈性材料剪應力與剪應變 ...95 圖5.3 黏彈性材料每單位體積消散能量 ...95

圖目錄 圖5.4 黏彈性阻尼器有限元素之元素座標 ... 110 圖5.5 線性靜力分析設計－黏彈性阻尼器 ... 116 圖5.6 線性動力分析設計－黏彈性阻尼器 ...121 圖5.7 非線性靜力分析設計－黏彈性阻尼器 ...125 圖5.8 試驗構架幾何形狀與配置 ...129 圖5.9 結構架設於振動台之整體外觀 ...129 圖5.10 鉛塊裝設之情況 ...130 圖5.11 阻尼材料特性測試裝置 ...130 圖5.12 反覆循環載重試驗裝置圖 ...131 圖5.13 阻尼器裝設於結構模型內之配置 ...132 圖5.14 含阻尼構架之振動台配置 ...133 圖5.15 White Noise 轉換函數 ...133 圖5.16 EL Centro 80%地震歷時下頂層中點位移歷時反應比較圖 ...135 圖5.16(續) Kobe 30%地震歷時下頂層中點位移歷時反應比較圖 ...135 圖5.17 EL Centro 80%地震歷時下頂層加速度歷時反應比較圖 ...136 圖5.17(續) Kobe 30%地震歷時下頂層加速度歷時反應比較圖 ...136 圖5.18 EL Centro 80%地震歷時下樓層相對位移 ...137 圖5.18(續) Kobe 30%地震歷時下樓層相對位移 ...137 圖5.19 EL Centro 80%地震歷時下構架層間變位角 ...138 圖5.19(續) Kobe 30%地震歷時下構架層間變位角 ...138 圖5.20 EL Centro 80%地震歷時下構架柱剪力 ...140 圖5.20(續) Kobe 30%地震歷時下構架柱剪力 ...141 圖5.21 EL Centro 80%地震歷時下底層阻尼器力-位移遲滯迴圈...141 圖5.21(續) Kobe 30%地震歷時下底層阻尼器力-位移遲滯迴圈 ...142 圖5.22 非線性靜力分析第 1 次疊代之功能績效點示意圖 ...152 圖5.23 非線性靜力分析第 2 次疊代之功能績效點示意圖 ...153

圖6.1 SAP 之 Maxwell Model ...158

圖6.2 SAP 之 Kelvin Model ...158

圖6.3 黏性阻尼器與黏彈性阻尼器（C 值阻尼部份）於 SAP2000 之模擬 ...158

圖6.4(a) 黏彈性阻尼器（K 值勁度部份）於 SAP2000 之模擬 ...159

圖6.5 液態黏性阻尼器之阻尼力-速度關係圖...160

圖6.6 PISA3D 之 Damper Element 輸入檔說明 ...161

圖6.7 MIDAS 之 Maxwell Model...162

圖6.8 黏性阻尼器於 MIDAS 之模擬 ...162

圖6.9 MIDAS 之 Kelvin Model...163

圖6.10 黏彈性阻尼器於 MIDAS 之模擬 ...163

圖6.11 MIDAS 之 Damper-Brace Assembly Model...164

表目錄

表 次

表1.1 結構控制技術領域 ...2 表2.1 地震力干擾等級和消能性能目標 ...14 表2.2 風力干擾等級和消能性能目標 ...14 表2.3 消能元件加振條件適用範圍 ...14 表3.1 功能設計法中地震大小分類表(一) ...20 表3.2 功能設計法中地震大小分類表(二) ...21 表3.3 SEAOC Vision 2000 建議的結構損害程度...21 表3.4 結構設計目標 ...22 表4.1 λ 值參考表 ...43 表4.2 各種阻尼器裝置型式暨位移放大因子...51 表4.3 有無加裝阻尼器構架之地震模擬試驗反應比值 ...76 表4.4 各樓層重量 ...79 表4.5 各樓層重量 ...80 表4.6 線性靜力分析之大梁尺寸表 ...82 表4.7 線性靜力分析之柱尺寸表 ...83 表4.8 線性靜力分析之模態分析結果 ...84 表4.9 線性靜力分析之 FVD 阻尼器設計參數 ...84 表4.10 線性動力分析之大梁尺寸表 ...86 表4.11 線性動力分析之柱尺寸表 ...86 表4.12 線性動力分析之構架應變能計算(單位：t-m-sec) ...88 表4.13 線性動力分析之阻尼係數與阻尼力計算(單位：t-m-sec) ...88 表4.14 非線性靜力分析之構架應變能計算 (單位:t-m-sec) ...91 表4.15 非線性靜力分析之阻尼係數與阻尼力計算 (單位：t-m-sec) ...91 表4.16 非線性靜力分析之 FVD 阻尼器設計參數 ...92 表4.17 非線性靜力分析之韌性容量需求 ...92 表5.1 試驗結構型鋼斷面尺寸 ...127 表5.2 反覆循環載重試驗用阻尼器尺寸 ...128 表5.3 振動台試驗用阻尼器尺寸 ...128 表5.4 White Noise 與自由振動實驗結果 ...132

表5.5 EL Centro 80%一樓樓層剪力、基底剪力與阻尼器水平向剪力 ...139 表5.6 Kobe 30%一樓樓層剪力、基底剪力與阻尼器水平向剪力 ...139 表5.7 線性靜力分析之等效阻尼計算 ...144 表5.8 線性靜力分析之阻尼器容量檢核(單位: tf )...146 表5.9 線性靜力分析之阻尼器性質 ...146 表5.10 線性動力分析之等效阻尼計算 ...149 表5.11 線性動力分析之阻尼器性質 ...150 表5.12 非線性靜力分析第 1 次疊代之等效阻尼計算 ...153 表5.13 非線性靜力分析第 2 次疊代之等效阻尼計算 ...154 表5.14 非線性靜力分析之阻尼器容量檢核(單位: tf )...155 表5.15 非線性靜力分析之阻尼器性質 ...156

誌 謝

誌

謝

本研究計畫執行期間，承蒙諸位學術界以及業界之專家學者，包括羅俊雄教 授、蔡克銓教授、姚昭智教授、廖文義教授、葉銘煌先生、中華工程顧問股份有限 公司張荻薇副總經理、中興工程顧問股份有限公司劉達中經理、永峻工程顧問股份 有限公司郭錫卿協理、陳亦信協理與洪雅惠小姐在專家諮詢會議中提供寶貴之建議 與意見，使本研究計畫之研究成果更趨於完備，在此一併表示感謝。

摘 要

摘

要

關鍵詞：消能元件、分析設計、規範、示範例 一 、 研 究 緣 起 隨著經濟成長與社會蓬勃發展，隔消能技術成為建築構造重要之世界潮流。再 加上 1999 年發生 921 大地震後，國人漸漸開始重視建築物的震害防制觀念，引進 大量建築隔震、消能裝置之產品與技術。近年來，國內工程界日漸重視消能裝置對 於結構物的影響，消能元件被視為加強結構物抗震能力的額外裝置，工程師對結構 耐震設計的設計彈性因此大增，根據內政部建築研究所統計，對於消能建築構造， 截至民國96 年為止，已有 81 棟之工程實績案例，預計至民國 98 年以前國內將有 約30 棟隔震建築構造將陸續興建完成。 目前國內耐震設計規範中「含被動消能系統設計」章節之相關分析方法仍在繼 續研究發展中。以美國IBC2006 為例，規範中僅針對位移型及速度型消能元件之消 能能力提供綱要性之描述，對於消能結構之設計步驟與細節均無任何詳細說明；至 於日本被動消能構造設計施工手冊中，亦僅針對各種消能元件之力學行為提供較詳 細之描述，但對於消能結構之設計步驟及細節仍未有著墨。參考美日兩國耐震設計 規範之相關發展，國內耐震設計規範在含被動消能系統建築物之章節亦以綱要性條 文呈現，為方便設計及審查者使用參酌，本研究乃蒐集國內外有關消能結構之研究 報告、期刊論文與設計施工手冊等參考文獻，而提出一內容包含速度型消能元件之 基本參數、力學特性及完整設計流程之設計手冊，供國內工程實務界參考。 二 、 研 究 方 法 及 過 程 由於建築物消能技術引進國內之歷史尚短，相關規定條文應適度為因應現行技 術發展而加以調整，因此對於建築物含被動消能系統設計應就目前已發展成熟之消 能元件，提出較為完整之設計流程以供業界分析設計時參酌。本研究計畫的主題在 於提出符合本國國情與業界需求之消能建築物設計手冊（本年度以速度型消能元件 為主），在參考國內外相關研究，詳列元件相關參數、力學特性、以至應用於結構 系統之設計，提供結構物消能性能保證的解決方案。 有關消能元件相關設計之參考文獻，迄今仍有許多研究成果陸續提出，本研究 計畫將主要以目前國內外相關建築結構消能設計規範、設計參考手冊與研究報告為 基礎，包含IBC、NEHRP、FEMA、ATC40、ASCE7、MCEER、NCREE 等相關參 考文獻報告，探討消能之概念、精神、理論背景、初步規劃、分析、設計方法等要 項。其中亦包括：消能建築結構體、消能裝置及與消能系統相關構件之設計計算方 式等。 為了及時避免不當或錯誤之設計案例發生，並宣導適當且合理之設計經驗，確 實有必要針對消能建築物設計之相關注意事項進行一系列之探討。目前國內設計規 範對消能裝置部份，並無相關之設計方法可供參酌，因此本研究團隊將對於消能裝 置之設計實務進行研究與擬提。消能裝置功能的發揮，以及建築物耐震性能之維

護，除需要適當且合理之設計，亦有賴於定期的維護管理，以使消能裝置能被適當 而正確地應用，以確保大眾之使用安全。 三 、 研 究 目 標 本研究參考目前國外最新的耐震設計規範與相關設計手冊之發展，如美國 IBC2006 與日本被動消能構造設計施工手冊，將建築物含消能元件之分析與設計原 則擇要於本手冊中探討，並於本手冊中說明了性能目標、阻尼比與消能曲線等相關 分析設計概念。另外，蒐集了國內外最新之速度型消能元件（包含液態黏性阻尼器 與黏彈性阻尼器）的研究文獻與報告，以及與國內專家學者與相關業界人士進行意 見交流後，將液態黏性阻尼器與黏彈性阻尼器之力學性質、分析模型、應用於結構 系統之分析設計、試驗驗證與相關分析軟體之應用詳盡地列於本手冊中，並以實際 應用設計例之方式，完整地說明相關分析設計流程。希冀能夠藉由本手冊，提供適 當合理之設計經驗與參考依循，以確實達到提高結構物耐震能力之預期目標，並使 工程設計單位能充分了解消能元件之應用範疇，提升國內結構工程之整體水準。

摘 要

ABSTRACT

Keywords：Passive control, Energy dissipation device, Design procedure

Applications of seismic passive control technologies in Taiwan were very limited before the 1999 Chi-Chi earthquake, and become active after the earthquake. Based on the results of research and developments during the last decade, the design methods and tools such as SAP2000 have become available to the practical engineers. Passive energy dissipation devices, such as the triangular steel plates, low-yield steel walls, viscous dampers, viscous walls and viscoelastic dampers, etc. have been applied to many new and retrofitted buildings, and the number of cases is increasing annually. New seismic design codes for buildings which include passive energy dissipation devices, seismic isolations, and etc. has been officially published by the government in January 2006. There are more than 80 buildings constructed with energy dissipation devices by the end of 2005 in Taiwan. Most of buildings with energy dissipation devices are reinforced concrete residential buildings with 5 to 15 stories. Hysteretic type dampers (e.g. TADAS) together with velocity type dampers (e.g. VE and VD) are usually used to enhance the seismic-resistant capacity of buildings.

This research summarizes the status of the recent research and applications on energy dissipation technologies and the design code developments. Relevant problems and questions encountered by practicing engineers should serve as excellent motivation for the further modification of the current seismic design specifications in the design of energy-dissipation systems. Based on the actual performance and the current application experience of seismic energy dissipation devices, the rational design procedure for the velocity type dampers will be given in this research. Workshops were held to make this research much more completed. In a word, the more comprehensive design procedure of velocity type energy dissipation devices is provided in this report in case of misusing or misunderstanding in the practical application.

第一章 緒 論

第一章

緒 論

第一節

研究背景與目的

台灣位處於地震頻繁地帶，地表上的結構物一旦誕生勢必就得面對地震力之威 脅，若要完全以強度來抵抗則所須付出之成本甚高，傳統耐震設計理念考慮結構物 具有韌性，對設計地震力得以有所折減，其主要精神在於確保使用者之生命安全， 亦即在較小地震層級時結構物仍處於彈性階段，面對較大規模地震時結構物則產生 塑性變形，以良好韌性來消散地震輸入之能量，進而達到小震不壞、中震可修、大 震不倒之設計目標。但當建物發揮愈多韌性，也意味著破壞程度愈形嚴重，伴隨著 結構物韌性而來之高變形量，亦將導致非結構元件如牆、室內裝潢、水電、瓦斯管 路之損毀破壞，雖不致倒塌，但其結構體與內部設備可能已經蒙受了巨大的毀壞及 使用機能的喪失，震後往往無法繼續使用或修復，尤其如醫院、消防局等必須在災 難發生後維持其固有之醫療與救災機能之建築物，或者是內部存放著昂貴機具之高 科技廠房、具高輻射危險性之核能發電廠等，皆無法承受在地震過後之任何損壞及 倒塌。故現今耐震設計之趨勢，除保障人員基本生命安全外，亦須兼顧建築物於震 後之修繕、機具設備成本及營運等其他經濟層面之考量，故功能設計法便是基於如 此的需求下孕育而生，其概念亦已廣泛地被接受與使用。結構物抵禦地震力並非只 有以韌性換取強度一途，結構控制技術因可有效地提高結構之耐震能力，使得結構 物於承受地震侵襲時之行為及震後結構之使用機能的保有較能符合預期之設計要 求，因此而被認為是滿足功能設計法的有效方法之一。 結構控制技術之發展已有一段時間，早期主要應用於電機、機械、航太等領域， 至1972 年由 James T. P. Yao 首先將控制理論導入土木工程領域【1】。至今，這套既 可兼顧安全與結構使用機能之嶄新觀念已發展成如表1.1 所示的三大領域，分別為 隔震控制、被動消能系統(減震控制)與主動/半主動控制【2】。三者之中，隔震控制 已被公認為具有較成熟的技術與較廣泛的運用，其基本精神係以延長結構系統主要 週期以避開地震主要週期，進而降低地震所輸入結構之能量以保護主結構體之安 全。而減震控制以多元化的材料與設備裝置處理結構體之阻尼、勁度、強度問題， 不僅可緩和或修復地震造成的損傷，亦可補強老舊且耐震力不足的結構。此類系統 的特性係以利用各種型式之阻尼器提高結構物吸收地震能量之能力，地震能量由阻 尼器集中消散，結構物本身受地震力之反應將得到折減。主動、半主動控制可視為 被動控制的演進，但基於成本與技術等因素使得主動控制目前並不被工程界廣泛採 用。減震設計皆不再僅依賴韌性作為結構物抵抗地震力之工具，配合結構控制技術 減低建物於地震中之損傷程度，免於或利於補強、修復工作之進行，建物之功能性 在震後亦得到保存。

表 1.1 結構控制技術領域

隔震技術 Seismic Isolation

被動消能技術 Passive Energy Dissipation

半主動與主動控制技術 Semi-active and Active

Control 橡膠支承墊 Elastomeric Bearings 金屬型阻尼器 Metallic Dampers 主動斜撐系統 Active Bracing Systems 鉛心橡膠支承墊

Lead Rubber Bearings

摩擦型阻尼器 Friction Dampers

質塊制動系統 Active Mass Dampers 單擺滑動摩擦系統 Sliding Friction Pendulum 黏彈性阻尼器 Viscoelastic Dampers 可變勁度或阻尼系統 Variable Stiffness or Damping Systems 液態黏性阻尼器

Viscous Fluid Dampers 智慧型材料 Smart Materials 調諧質量阻尼器

Tuned Mass Dampers 諧調液體阻尼器 Tuned Liquid Dampers

（資料來源：國家地震工程研究中心提供） 一般而言，減震系統可分為位移相依型與速度相依型兩種。位移相依型之減震 裝置主要包含摩擦型阻尼器及金屬阻尼器等；而速度相依型之減震裝置主要包含黏 彈性阻尼器及液態黏性阻尼器【3、4】。位移相依型之減震裝置主要為仰賴消能構 件之降伏來消散外來輸入能量，但因其具有儲存勁度，設計上須有較多之考量，且 於地震來臨時，必須俟消能構件降伏後方能發揮其消能之功用，無法如速度相依型 之減震裝置於地震來臨時，能馬上發揮立即而有效之消能效果。結構之減震設計以 黏性阻尼器最為簡易，其特色為不具儲存勁度、不干擾結構物本身之週期，使設計 工作簡化許多；再者黏性阻尼器理論上產生之阻尼力與速度同相，與位移呈90 相 差，在結構物層間位移量為零、速度最大時出力最大，在結構物變位達極值、速度 為零，亦即結構物桿件內力最大時阻尼器出力最小，此特性使黏性阻尼器在貢獻阻 尼力降低結構物反應時，不會使結構物增加太多額外負擔。液態黏性阻尼器依其力 學性質可分為線性黏性阻尼器與非線性黏性阻尼器兩種，經實驗證實非線性黏性阻 尼器之減震效益較線性黏性阻尼器佳，且相同設計阻尼比下非線性阻尼器之出力極 限需求往往小於線性阻尼器，享有較低造價之優勢，故目前國外大部分所採用之黏 性阻尼器主要以非線性黏性阻尼器為主。 隨著經濟的成長與社會的蓬勃發展，隔震、消能技術成為建築構造重要之世界 潮流。再加上 1999 年發生 921 大地震後，國人漸漸開始重視建築物的震害防制觀 念，亦引進大量建築隔震、消能裝置之產品與技術，且已逐漸成為許多建築銷售企 畫案的最佳賣點。近年來，國內工程界日漸重視消能裝置對於結構物的影響，消能 元件被視為加強結構物抗震能力的額外裝置，工程師對結構耐震設計的設計彈性因

第一章 緒 論 此大增，根據內政部建築研究所統計，對於消能建築構造，截至民國 96 年為止， 已有81 棟之工程實績案例，預計至民國 98 年以前國內將有約 30 棟隔震建築構造 將陸續興建完成。 現行版「建築物耐震設計規範及解說」【5】已於前（94）年 7 月 1 日公告施行， 迄今已逾兩年，與舊版規範比較，增加「隔震設計」與「含被動消能系統設計」之 章節。然而，由於建築物隔震、消能技術引進國內之歷史尚短，而且相關規定條文 應適度為因應現行技術發展而加以調整，其中目前隔震建築耐震設計規範尚稱成 熟，消能元件之設計則需進一步之探討與研究。目前國內業界對於相關裝置之實際 性能與設計、實務經驗，仍嫌陌生與不足，現行規範中隔震、消能裝置相關規定之 章節內容雖為業界漸趨廣泛應用，但對其亦有不少之疑慮與窒礙難行之處。因此， 內政部建築研究所於去（95）年委託國家地震工程研究中心執行「建築物耐震設計 規範隔震設計及含被動消能系統設計專章研修與示範例研擬」計畫【6】，參考國內 外最新之隔震、消能研發成果、設計案例、相關設計規範與手冊，並蒐集彙整相關 疑義，適度檢討及調整國內現行設計規範有關隔消能建築之章節，同時研擬相關設 計示範例以傳承正確之設計經驗，藉由實際應用設計例之檢討，以避免不當或錯誤 之設計發生。 目前國內耐震設計規範中「含被動消能系統設計」章節之相關分析方法仍在繼 續研究發展中。以美國 IBC2006【7】為例，規範中僅針對位移型及速度型消能元 件之消能能力提供綱要性之描述，對於消能結構之設計步驟與細節均無任何詳細說 明；至於日本被動消能構造設計施工手冊【8】中，亦僅針對各種消能元件之力學 行為提供較詳細之描述，但對於消能結構之設計步驟及細節仍未有著墨。參考美日 兩國耐震設計規範之相關發展，國內耐震設計規範在含被動消能系統建築物之章節 亦以綱要性條文呈現，為方便設計及審查者使用參酌，本研究乃蒐集國內外有關消 能結構之研究報告、期刊論文與設計施工手冊等參考文獻，而提出一內容包含速度 型消能元件之基本參數、力學特性及與完整設計流程之設計手冊。

第二節

研究方法與內容

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。如醫院與高科技廠房等，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，如果非結構元件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。另外，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， 而不可以位移設計法（Displacement-Based Design）中所強調僅以位移反應為主要參 考指標。

術發展而加以調整，因此對於建築物含被動消能系統設計應就目前已發展成熟之消 能元件，提出較為完整之設計流程以供業界分析設計時參酌。本研究計畫的主題在 於提出符合本國國情與業界需求之消能建築物設計手冊（本年度以速度型消能元件 為主），在參考國內外相關研究，詳列元件相關參數、力學特性、以至應用於結構 系統之設計，以提供結構物消能性能保證的解決方案。 本研究團隊過去曾針對各式各樣之消能裝置元件與系統，進行一系列的實驗與 數值分析研究，並有實際設計與施工之經驗。國內外研究結果顯示，消能系統具備 可增加結構物的勁度、遲滯消能能力及降低受震反應等優點，並可經由消能裝置於 結構系統的配置調整，有效減低主體結構之受震反應，若能進一步研擬消能裝置相 關參數設計，結合消能設計之精髓，應用於消能構造物中，必定能有效且可靠地增 加結構物的耐震性能，同時使消能建築物之結構反應更能被工程師所掌握。本研究 之步驟流程可參見圖1.1 所示。 國內外消能元件相關研究文獻蒐集與回顧 設計流程探討 專家學者座談會 國內外消能元件相關設計規範、設計參考手冊蒐集與回顧 制震元件分類（位移型、速度型、其他） 建築消能元件設計手冊 設計流程修訂與編篡 圖 1.1 研究步驟流程圖

第一章 緒 論 鑒於國內有關消能建築構造之發展迅速，惟目前國內業界對於相關裝置之實際 性能、設計與實務經驗仍嫌陌生與不足，因此本研究之目的主要如下： 1. 蒐集目前國內外發展成熟之速度型消能元件相關資料。 2. 蒐集並參考美國、日本等國消能建築構造之技術法規與設計手冊。 3. 根據業界所遭遇之工程問題，探討採用速度型消能元件之消能建築物設計之重 點項目與相關作業要點。 4. 蒐集國內外近年來消能建築構造之研究成果，儘可能針對採用速度型消能元件 之消能結構，提出較為詳細之設計流程供業界參考。 有關消能元件相關設計之參考文獻，迄今仍有許多研究成果陸續提出，本研究 計畫將主要以國內外相關建築結構消能設計規範、設計參考手冊與研究報告為基 礎，包含IBC、NEHRP、FEMA【9~13】、ATC40【14】、ASCE7【15】、MCEER【20、 22、23】、NCREE【28~33】等相關參考文獻報告，探討消能之概念、精神、理論背 景、初步規劃、分析、設計方法等要項。其中亦包括：消能建築結構體、消能裝置 及與消能系統相關構件之設計計算方式等。 為及時避免不當或錯誤之設計案例發生，並宣導適當且合理之設計經驗，確實 有必要針對消能建築物設計之相關注意事項進行一系列之探討。目前國內設計規範 對消能裝置部份，並無相關之設計方法可供參酌，因此本研究團隊將對於消能裝置 之設計實務進行研究與擬提。消能裝置功能的發揮，以及建築物耐震性能之維護， 除需要適當且合理之設計，亦有賴於定期的維護管理，以使消能裝置能被適當而正 確地應用，以確保大眾之使用安全。

第三節

預期成果與展望

本計畫之工作目標包括相關文獻回顧與蒐集、消能結構設計流程探討與編簒、 以及舉辦專家座談會議敦聘國內專家學者與相關業界人士與會以進行意見交流。經 由本案之研究，希冀可將國內結構工程整體水準向上提升，使消能結構系統之設計 更有參考之依循，以確實達到提高結構物耐震能力之預期目標，並使工程設計單位 能充分了解消能元件之應用範疇。 國內工程採用消能裝置之案例逐年成長，消能元件之適切與否，深深影響結構 設計之優劣。希冀經由本案之研究，可將國內結構工程整體水準向上提升，使消能 系統之設計有一標準化之參考，以提高結構物的耐震能力，並使工程設計單位能充 分了解消能系統之精義。 1.本計畫預期完成之工作項目與成果如下： 建築結構耐震設計之重要性已於數次大地震中不斷的被提出討論，更加速消能 構造之發展。尤其是消能建築愈來愈多的情形下，尋求更經濟更可靠之裝置與結構 系統，將是消能結構設計之趨勢。本研究可針對上述需求，預期可獲得下列具體成 果：

(1) 最新建築物被動消能系統技術發展及其應用。 (2) 建築物含被動消能系統設計手冊。 2.對建築發展短中長期方面預期貢獻： (1) 提升國內對於消能建築構造之規劃、設計與檢核能力。 (2) 加強國內消能裝置之品質管理。 (3) 有助於推廣消能建築，使國內業界更瞭解消能裝置之特性與相關規劃設計等注意 事項，並減少接踵而至之缺失。 (4) 配合消能建築物現行耐震設計規範與設計審查機制，以設計手冊的方式提供各相 關業界參考。 3.對於經濟建設或社會發展方面預期效益： (1) 消能建築物相關之設計手冊編定提出後，勢必加速消能建築之發展，不管是業 主、設計監造或施工單位，都有一個較為明確之規範依據遵循並實施，工程品質 自然提升，不但使用者用得安心，建造者也蓋得安心，無形中提升生活環境品質， 刺激房地產市場買氣，經濟影響相當可觀。 (2) 隨著經濟的成長與科學園區的蓬勃發展，我國半導體及光電產業等高科技產業日 漸成為我國經濟體制下重要的工業。高科技產業之生產設備精密而對振動極為敏 感，只要過量的振動即可能導致設備損壞，而這些設備的造價大多極為昂貴，常 以新台幣億元為單位計價。消能裝置應用於高科技廠房之案例日益增加，本研究 結果之提出，可提供高科技廠商與保險業者參考，作為廠房之設計指針與投保地 震災害險之參考資訊。此外，藉由本研究之應用推廣，將減少高科技產業因震害 之損失，同時節省保險業者之負擔，間接提升相關業者之成本效益。 4.推廣應用計畫與人才培育： (1) 本研究計畫之重點除前述各要項之外，並預計在各研究階段初步完成後，舉辦相 關之座談會，邀請產官學界相關人士，共同參與討論，提出各項建言與意見，以 研擬出一套合理而適用之參考指針。 (2) 透過本研究案之進行，提升我國內工程師對消能裝置與系統之瞭解，使國內技師 與建築師對消能裝置之行為與對建築構造之影響能有所概念，搭配其本身之工程 經驗，有創意地設計規劃出消能構造物。 (3) 除了舉辦相關座談會之外，可考慮不定期舉行技術與規範講習會，使業界熟悉本 研究之目的與目標，並瞭解本研究之真正意義與應用價值。

第二章 文獻回顧

第二章

文獻回顧

第一節

美國 IBC2006（ASCE 7-05）[7]

壹、基本說明

IBC 2006 第十六章 Structural Design 已提綱挈領地說明相關應遵循之設計規 範，以含消能元件結構設計為例，詳細內容仍須參考ASCE Standard（ASCE/SEI 7-05） 第十八章 Seismic Design Requirements for Structures with Damping Systems，其中說 明一般情況下所有型式消能系統之設計概念、程序與分析方法，並深入探討結構物 降伏後之行為以及考慮多模態之效應，以達到性能目標之最小設計需求。消能系統 除消能裝置本身外，尚包含傳遞力之相關結構元件或斜撐，消能元件一般則可分為 位移型與速度型消能元件。消能建築最基本的設計概念在於消能系統之所有元件 （阻尼器除外）須在地震中保持彈性（除非分析或試驗證明允許非彈性行為），並 可同時承受適當的軸向、側向與垂直向變位，以及考慮溫度、磨損、製作誤差與其 他相關影響，以避免消能裝置在設計使用期限內性質改變造成之影響。 力與位移之設計可分為未加阻尼器結構（抗側力系統）與消能裝置兩方面探 討。在未加阻尼器結構設計需求上，其設計地震力規定建議V V≥ _min，V 之計算如_min 下： max 1 V min ,0.75V) B V ( V + = ……… (2.1) 其中，V 為設計水平總橫力，B_v+1為阻尼修正係數（結構第一模態彈性週期下 之有效阻尼比，含固有阻尼比與黏滯阻尼比）。但以下兩種情形之設計地震力不得 小於1.0V ：(1)建築物之任一樓層於一主軸方向提供少於 2 組消能元件。(2)結構具 平面或立面不規則性。 貳、分析輸入資料 1.地震歷時 與最大考量地震反應譜相符之水平地震紀錄，其應能確切反映工址最大考量地 震之地震規模、斷層距離與震源效應。針對任一組（兩個）水平地震紀錄，計算其 SRSS 疊加後 5%阻尼之反應譜，調整地震紀錄使得位於 0.5T 至_1D 1.25T 週期範圍_1M 內之譜加速度平均值不得低於設計譜加速度值 1.3 倍之 10%（T 與_D T 請參考伍、_1M 分析程序說明）。其適用於以下情況： (1)結構座落震區之一秒週期最大考量地震水平譜加速度係數S 不小於₁ 0.6。 (2)消能系統可正確地以歷時反應分析模擬與分析。 2.反應譜

消能建築物之分析與設計須採用設計地震與最大考量地震反應譜。以下情況須 採用特定工址設計反應譜（Site-Specific Design Spectra）：

(1)結構位於工址分類 F。 (2)結構座落震區之一秒週期最大考量地震水平譜加速度係數S 不小於₁ 0.6。 叁、等效線性分析 以圖 2.1 為例，假設結構力與位移關係為一理想化彈塑性曲線，則彈性勁度與 彈性週期可依下式計算： , 2 y e e y e mA m K T D π K = = ⇒ 1 2 2 y e y D T A π⎛ ⎞ = ⎜_⎜ ⎟_⎟ ⎝ ⎠ ……… (2.2) 若考慮以等效線性的觀念進行反應譜分析與靜力分析，則等效勁度與等效週期 可依下式計算： , 2 y eff eff eff mA _m K T D π K = = ⇒ 2 1 2 _⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = y eff A D T π ……… (2.3) 整理上二式，則等效勁度與彈性勁度、等效週期與彈性週期之關係可計算如下： eff y eff _e e e eff y K D T K D K = D ⇒ T = K = D = μ……….… (2.4) 以黏性阻尼器應用為例，黏滯阻尼比之計算如下。由式中可發現線性黏性阻尼 器提供之阻尼比與週期成正比，非線性黏性阻尼器提供之阻尼比與週期的(2−α)次 方成正比。 線性黏性阻尼器 ： 4 e v CT m β π = ………..…….… (2.5) 非線性黏性阻尼器： -2 -1 2 2 N e v e C D m T α α λ π β π ⎛ ⎞ = _{⎜ ⎟} ⎝ ⎠ ……….……… (2.6) 因此，等效阻尼比可依下二式計算： 含線性黏性阻尼器結構 ： eff eff I v h I v h e T T β =β +β +β =β +β μ β+ …………..… (2.7) 含非線性黏性阻尼器結構：

( )

2- 1-2 eff eff I v h I v h e T T α α β =β +β ⎛_⎜ ⎞_⎟ +β =β +β μ +β ⎝ ⎠ ……... (2.8) 假設性能目標為韌性需求μ_D（即設計位移為D ），並合理假設結構力與位移_1D 關係為一理想化彈塑性曲線，如圖 2.2，則考慮韌性折減計算之設計地震力（基底 剪力，V ）可表示如下式： ₁

第二章 文獻回顧 1 0 y d R V V C = Ω ………..……… (2.9) 其中

有效韌性需求(Effective ductility demand)： 1D

D Y

D D

μ = …..…...………..…… (2.10)

結構系統超強因子(System overstrength factor)： ₀ Y Y

S S

V D V D

Ω = = …..………...… (2.11)

基於韌性考量之修正因子(Ductility-based portion of R-factor)： e Y

V R

V

μ = …..…… (2.12)

反應修正因子(Response modification factor)： e ₀ S

V R R

V μ

= = ⋅Ω ……..………....… (2.13)

位移修正因子(Deflection amplification factor)： 1

0 D d D S D C D μ = = ⋅Ω …...……… (2.14) y mA y D D Displacement Fo rc e eff K e K y D D μ= y mA y D D Displacement Fo rc e eff K e K y D D μ= K_eff,T_eff K_e,T_e Vs Ve Rμ DS 圖 2.1 理想化彈塑性曲線 圖 2.2 理想彈塑性模型之等效線性分析 （資料來源：國家地震工程研究中心提供） 肆、阻尼修正係數 結 構 週 期 大 於T （₀ T₀ =0.2S_D1 S_DS ） 之 阻 尼 修 正 係 數 可 查 ASCE Standard （ASCE/SEI 7-05）第十八章表 18.6-1 得知，若結構週期小於T ，則以 1（週期為 0₀ 秒）至阻尼比對應表之阻尼修正係數（週期為T 秒）中，以結構週期進行線性內差₀ 所得之值，即為相對應之阻尼修正係數。詳細說明如下： 1. 除非分析或試驗證明，主結構固有阻尼比β_I以不超過5%為限。

2. 位移型消能元件黏滯阻尼比β_Vm之計算，必須以結構等效降伏位移為基準。每一 組消能裝置所做的功須考慮高模態參與，亦須考慮接合消能元件與結構主構架 部份所造成的柔度效應。 3. 計算設計地震與最大考量地震下之遲滯阻尼比β_HD與β_HM 時，須考慮遲滯迴圈調 整因子q ，因為在反覆週次地震需求下，可能會因 Pinching 與其他效應造成遲_H 滯迴圈面積減少，真實阻尼比亦隨之折減。 1 0.67 s H T q T = , 0.5≤q_H ≤ ……….…..… (2.15) 1

(

0.64

)

1 1 HD H I D q β β μ ⎛ ⎞ = − _⎜ − _⎟ ⎝ ⎠,

(

)

1 0.64 1 HM H I M q β β μ ⎛ ⎞ = − _⎜ − _⎟ ⎝ ⎠……...… (2.16) 其中，μ_D、μ_M為設計地震與最大考量地震下結構於主軸方向之等效韌性需求。 4. 計算設計地震與最大考量地震下之等效阻尼比 1 mD VD D HD β =β β+ μ +β ，β_mM =β β₁+ _Vm μ_M +β_HM ……..… (2.17) 其中，β_mD與β_mM分別為在設計地震與最大考量地震的等效韌性需求下之等效阻 尼比；β_HD與β_HM 分別為在等效韌性需求μ_D與μ_M下，未加阻尼器結構與消能系 統因降伏所提供之遲滯阻尼比；β_I為主結構固有阻尼比；β_VD與β_Vm為在設計地 震與最大考量地震的等效韌性需求下，消能系統額外提供之黏滯阻尼比。 伍、分析程序 1.反應譜分析 反應譜分析同時針對基本模態與較高模態反應進行計算，可參考圖2.3。其適 用條件為： (1) 建築物之任一樓層於一主軸方向提供至少 2 組消能元件。 (2) 當結構於各主軸方向之顯著振態的有效阻尼比不大於 35%時。 反應譜分析步驟如下說明： (1) 決定設計地震與最大考量地震下之韌性需求μ_D與μ_M，利用結構彈性基本模態 週期T 計算對應之等效基本模態週期₁ T 與_1D T 如下式，第 m 個模態（m>1）對_1M 應之週期則不須調整。 1D 1 D T =T μ , T_1M =T₁ μ_M ……….……….……… (2.18) (2) 決定設計地震與最大考量地震下基本模態與第 m 個模態（m>1）之地震力係 數C 與_S1 C 。 _Sm (3) 利用 SRSS 或 CQC 方法將各模態基底剪力V 予以疊加。 _m

第二章 文獻回顧 (4) 各元件之設計力亦須將各模態之計算結果利用 SRSS 或 CQC 方法予以疊加。 (5) 各樓層之層間變位檢核須將各模態之計算結果利用 SRSS 或 CQC 方法予以疊 加，其值須大於利用結構彈性基本模態週期T 以及阻尼比計算之層間變位。 ₁ 圖 2.3 側推分析容量曲線 （資料來源：

ASCE 7-05

提供） 2.靜力分析 等效側向靜力分析同時針對基本模態與殘餘模態反應進行計算，此處殘餘模態 泛指較高模態，研究顯示其對於樓層速度反應有明顯的貢獻，因此為設計含速度型 消能元件結構之重要考量。其適用條件除了上述反應譜分析兩項外，尚包含以下三 點：

(1) 結構平面（Type 1a 或 1b）或立面（Type 1a，1b，2 或 3）並無不規則性。 (2) 剛性橫隔版。 (3) 結構高度於基底起算不超過 100ft（30m）。 靜力分析步驟如下說明： (1) 決定設計地震與最大考量地震下之韌性需求μ_D與μ_M，利用結構彈性基本模態 週期T 計算對應之等效週期₁ T 與_1D T 如下式： _1M 1D 1 D T =T μ , T_1M =T₁ μ_M ……….……….……… (2.19) (2) 決定設計地震與最大考量地震下基本模態之地震力係數C 。 _S1 (3) 決定設計地震與最大考量地震下殘餘模態之地震力係數C 。 _SR 計算C 時，_SR φ_iR =(1−Γ₁φ_i1) (1−Γ₁)為頂層位移為1 單位下之殘餘模態於第 i 層 樓位移大小，Γ = Γ 為殘餘模態之模態參與因子，_R 1- ₁ W_ R =W W- _1為殘餘模態

之等效重量，T_R =0.4T₁為殘餘模態之等效週期（NEHRP 2000 建議值）。 (4) 基本模態與殘餘模態基底剪力利用 SRSS 方法予以疊加， 2 2 1 R V = V +V 。 (5) 各元件之設計力亦須將各模態之計算結果利用 SRSS 方法予以疊加。 (6) 各樓層之層間變位檢核須將各模態之計算結果利用 SRSS 方法予以疊加，其值 須大於利用結構彈性基本模態週期T 以及阻尼比計算之層間變位。 ₁ 3.非線性歷時分析 歷時反應分析至少取三個水平地震記錄，其模型須能說明結構桿件和阻尼器的 非線性遲滯行為，並使用數值分析法得到一組符合工址設計反應譜的地表運動。每 一組地震歷時下，須計算消能裝置出力、位移與速度（速度型消能元件）之最大值。 若使用七組或更多組的地震加速度歷時，所得反應的平均值可作為設計之用；若少 於七組，則以分析反應的最大值作為設計之用。 陸、特殊設計審查 消能系統設計審查須由其他專業設計團隊或對於消能系統之分析、理論與應用 有相當經驗之團隊執行，內容包括：

1. 特定工址設計準則，包括特定工址設計反應譜（Site-Specific Design Spectra）、 地震歷時（Ground Motion）以及其他特定準則。 2. 未加阻尼器結構與消能系統之初步設計，消能元件設計參數。 3. 未加阻尼器結構、消能系統及其他結構系統之定案設計。 4. 消能裝置測試要求、消能元件製作品質與保證，及計畫性維護和監測之要求等。 柒、試驗要求 實體試驗之試體原則上須為設計中各類型及各尺寸之消能元件的兩個全尺寸 試體，且試驗樣品不能用於建造結構中。試驗提出三種方法，說明如下: 1. 設計風力(同結構頻率)下完全反覆之載重（位移相關及黏彈元件）或位移(黏滯 元件)循環週數須 2000 次以上，惟設計風力小於裝置降伏力或摩擦力方可不用進 行此項試驗。 2. 每一元件均應加載 5 次完全反覆循環，其位移須相當於最大考量地震作用下之 反應，且測試頻率為1T ，若消能元件的特性會因當時溫度的不同而有差異，_1M 則須在至少三種操作溫度（最小、週遭與最大）下進行試驗。 3. 若消能元件之受力與變形性質在變化測試頻率從1T 至_1M 2.5 T 之條件下， ₁ 在小於或等於最大總位移內任何時候該性質之變動量超過設計值之 15%時，則 前述之測試應在1 T 及₁ 2.5 T 之頻率下再測試。 ₁ 在以上三種測試下，消能元件須滿足下列要求：

第二章 文獻回顧 1. 試驗 1 沒有破壞的情形如降伏、破壞或溢漏。 2. 試驗 2 和 3 任一循環中，消能元件之有效勁度(keff)其差異不超過平均有效勁度之 ±15%。 3. 試驗 2 和 3 任一循環中，於零位移所對應之最大力、最小力與所有循環之最大 力、最小力平均值之差異皆不超過15%。 4. 任一循環中之遲滯圈面積(WD)，其差異不超過平均遲滯曲線面積之±15%。

第二節

日本被動消能構造設計施工論文集[8]

被動消能構造的基本性能和界限狀態由建築業主、建築設計者與設備設計者等 共同協商決定。一般主要考慮地震和風力的情形，但有時亦會考慮樓版振動情形。 界限狀態分為三個狀態：使用界限狀態、損傷界限狀態、安全界限狀態。針對速度 型消能元件界限狀態的定義如下： (1) 速度型消能元件包括油性阻尼器（線性）、黏性阻尼器（非線性）與黏彈性阻尼 器，其界限狀態分為三部分： (a) 使用界限狀態 消能元件的使用界限幾乎沒有規定。但是對於小地震、風荷重或微振動必須 注意消能元件要能發揮其消能的能力。 (b) 損傷界限狀態 為了保持黏性消能能力，必須規定消能元件的溫度與速度的界限。而對於黏 彈性阻尼器除了溫度與速度界限外，對於材料變形與疲勞的界限也要考慮。 (c) 安全界限狀態 為了保持黏性消能能力的最後界限，主要由變形來決定消能元件的形狀尺 寸。而對於黏彈性阻尼器，其材料最終的疲勞界限也需考慮。 (2) 未加阻尼器結構的界限狀態 (a) 使用界限狀態 在不造成建物功能失效的界限，從設置機器的運作條件和居住性等等來規 定。 (b) 損傷界限狀態 未加阻尼器結構受到損傷的界限，對地震和風等的水平力最先達到短期容許 應力的時候或塑性鉸發生的時候所對應的界限狀態 (c) 安全界限狀態 未 加 阻 尼 器 結 構 崩 塌 的 界 限 ， 對 地 震 和 風 等 的 水 平 力 所 對 應 崩 壞 機 構 (Mechanism)形成的時候所對應的界限狀態 控制被動消能構造在地震和風力反應下，設計時需要考慮兩個等級的干擾輸入

力發生頻率及建築物耐用的年限，而且需要達到各等級所對應的性能目標。其中等 級一地震為建物存在期間發生一次的地震，等級二地震為很少發生的大規模地震。 對於建物性能的具體要求為：等級一地震不能讓建物損傷且能維持其機能，等級二 地震不能讓建物崩塌，並且在日常風情形下要求不能讓居住者有不舒服的感覺。設 計者需考慮對設定等級的輸入力所造成消能構造的最大加速度、層間變位角等的目 標性能。未加阻尼器結構和消能元件一般只考慮各干擾等級輸入力所對應的損傷界 限和安全界限二種等級的界限狀態，但對日常風情形則需額外考慮使用界限。表2.1 與表2.2 分別為地震力和風力各干擾等級所對應的消能性能目標。 表 2.1 地震力干擾等級和消能性能目標 干擾等級 建物存在期間遭受一次 等級 極稀少發生大規模輸入 等級 輸入地震力等級 0.25 m/s 0.5 m/s 未加阻尼器結構 損傷界限以下 安全界限以下 消能元件 損傷界限以下 安全界限以下 樓板加速度 5 m/s2 10 m/s2 層間變位角 1/200 rad. 1/100 rad. 層間速度 0.1 m/s 0.2 m/s 目標性能 樓頂變位角 1/250 rad. 1/150 rad. （資料來源：日本被動消能構造設計施工論文集提供） 表 2.2 風力干擾等級和消能性能目標 干擾等級 1 年遭受 1,2 回 等級 建物存在期間遭 受一次等級 極稀少發生大規 模輸入等級 基準風速等級 15 m/s 34 m/s 42.5 m/s 未加阻尼器結構 使用界限以下 損傷界限以下 安全界限以下 消能元件 使用界限以下 損傷界限以下 安全界限以下

層間變位角 1/20,000 rad. 1/200 rad. 1/100 rad.

目標性能 樓層加速度 0.04 m/s2 5 m/s2 10 m/s2 （資料來源：日本被動消能構造設計施工論文集提供） 對於消能元件的耐用年限在設定時與建物是相同的，但須考慮消能元件耐用年 限較短時可替換之需求，而且在設計圖與各消能元件上最好都能明確的表示其耐用 年限。消能元件所設定耐用年限間，在假定承受的外力等級與頻率下，須確保功能 能夠發揮。另外，消能元件會因為環境條件不同，性能也會改變。所以對於環境條 件與性能變動大的情形，對於消能元件所對應的性能要求需特別的進行確認。消能 元件設計條件的適用範圍如表2.3 所示。 表 2.3 消能元件加振條件適用範圍 通常的振動頻率：0.2~3Hz 標準靜態振動頻率：0~0.2Hz 振動頻率範圍 高振動頻率:3~10Hz 溫度範圍 通常的室溫等級：10~30℃

第二章 文獻回顧 寒冷地區：-10~0℃ 高溫地區：30~40℃ 大地震對應：10 周 暴風時對應：1000 周 反覆的回數 日常風對應：1000000 周 大地震對應：1/100 rad. (0.2m/s) 暴風時對應：1/100 rad. (0.1m/s) 層間變位角(層間速度) 日常風對應：1/20000 rad. (0.01m/s) （資料來源：日本被動消能構造設計施工論文集提供） 設計者為達到消能目標性能，在確認消能元件的基本性能後，必須有適當的計 畫來設計構造，並利用合理的分析方法評估其性能。日本被動消能構造設計施工論 文集中，第3 章介紹以等效線性化單質點系統，利用消能曲線的方法初步預測其受 震反應，另外，消能部材性能選取的剛性對分析結果影響大，建議將消能部材的影 響納入考慮。第4 章使用多質點系統消能構造的設計方法，其中包含高度方向的分 佈、構造體的撓曲轉動變形消能效果的影響討論，其設計流程如圖 2.4 所示。第 5 章介紹消能元件的模型建置。第6 章說明將消能元件模型化具體的方法、模型化的 影響以及相關需特別注意之處。第 7~10 章則說明每一種阻尼器的設計方法，在充 分理解每一種阻尼器的界限狀態後，設計者按照適當的判斷，決定設計消能元件容 許值的準則，此時需考慮消能元件基本特性性能界限、性能偏差、各種相關性以及 隨時間惡化等的狀態。 圖 2.4 多質點消能構造設計法流程圖 （資料來源：日本被動消能構造設計施工論文集提供）

經由計算阻尼器儲存與損失勁度而求得系統儲存與損失勁度，則可進一步得到 等效周期與阻尼比(減衰常數)。利用得到的結果與地震反應譜值結合，在沒有經過 繁瑣耗時的歷時分析下，就可以簡便的得到地震輸入力所對應的最大反應，此即為 單質點系統消能曲線。利用上述理論得到圖表簡單預測反應，不但對設計上有幫 助，而且可以提供設計者在性能與經濟上不同選擇的方案。詳細理論推導可參見第 三章消能基本概念中第三節初步設計（消能曲線）。 圖 2.5 為 含 黏 彈 性 阻 尼 器 消 能 構 造 之 消 能 性 能 曲 線 ， 其 中 ， ( , ) ( , ) d d eff eff d o o R =S ξ T S ξ T 為位移反應譜比，R_a =S_a(ξ_eff,T_eff) S_a( , )ξ_o T_o 為加速度反 應譜比（T 與_o ξ_o分別為未加消能元件結構之基本振動週期與內含阻尼比，T 與_eff ξ_eff 分別為考慮消能元件結構之基本振動週期與有效阻尼比）；K 為斜撐勁度，與系b 統位移同相；K ′ 為阻尼器之彈性儲存勁度；_d K_d″為阻尼器之損失勁度，其直接反 映阻尼器阻尼常數值，與位移呈90 相差；K 為構架本身之側向勁度；_f η_d =K K_d′′ _d′ 為損失因子。 位移折減比率R_d 位移折減比率R_d 加速度 折減比率 加速 度折減比率 圖 2.5 含黏彈性阻尼器消能構造之消能性能曲線 （資料來源：日本被動消能構造設計施工論文集提供） 設計時可考慮提高損失勁度比K ''d /Kf，以達到同時降低位移與加速度反應。 但必須注意增加過多的阻尼器亦會使儲存剛性K /'d Kf 過高，對於位移的折減效果 趨緩，但會使加速度反應急遽增加。相關步驟如下： (1) 利用固有周期T 和反應譜值求得未加阻尼器結構的最大變位_f u 。 _f (2) 決定消能目標位移u_max，定出位移折減率R_d =u_max/u_f。 (3) 計算阻尼器損失因子η_d，決定消能性能曲線損失因子後，得到滿足目標R 之阻_d 尼器的損失勁度比及儲藏勁度比。

第二章 文獻回顧 圖2.6 為含黏性阻尼器消能構造之消能性能曲線，其中， * b K 為阻尼器儲存勁度 與斜撐勁度串聯之等效勁度。 位移折減比率R 位移折減比率_d R _d 加速度折減 比率 加速度折減比率 圖 2.6 含黏性阻尼器消能構造之消能性能曲線 （資料來源：日本被動消能構造設計施工論文集提供） 相關步驟如下： (1) 利用未加阻尼器結構固有周期K 和反應譜值求得未加阻尼器結構不含阻尼器f 的最大變位u 。 _f (2) 決定消能目標位移u_max，定出位移折減率的目標值R_d =u_max/u_f ，同時求得加速 度折減率R ，從消能性能曲線中選出滿足目標值_a R 的_d * / b f K K 與Kd" /Kf 的組合。

第三章 消能基本概念

第三章

消能基本概念

由1994 年之美國加州北嶺地震、1995 年之日本阪神地震和 1999 年台灣集集地 震顯示，依目前耐震設計規範設計之建築物除少數以外，大多能夠保障住戶生命安 全，但大量建築物內設備與維生管線都受到相當程度之損害使得經濟上之損失非常 嚴重。此種鉅大之損失，已引起各國社會之恐慌與不滿。有鑑於此，美日下一代以 建築物使用功能為基準之耐震設計規範，將重視震後的受害程度，甚至考慮震後修 復費用與時間。 一幢建築物的初始興建成本加上使用期間的修復成本為該幢建築物的全部成 本。考慮震後使用功能的耐震設計規範，就是希望能獲得最低的建築全部成本，保 障業主的最大經濟效益。現代建築的規模日趨龐大，機能也很複雜，建築結構體的 造價僅為全部投資的一小部份，一旦受震害，設備的損失可能遠大於結構體的損 失。目前的規範雖能保障生命安全，但沒有考慮震後結構體與設備的修復費用與時 間，己經不符社會需求。更嚴重的是美國保險公司在北嶺地震後，理賠金額遠超過 全部保險金收入的數十倍。因此很多公司拒絕承攬地震保險，而造成為另一個社會 問題。可見今後的耐震設計規範發展趨勢，除保障生命安全外，也應兼顧建築物震 後使用功能與震後修復成本的經濟效益。 有鑑於此，自1992 年起，美國加州結構工程師協會 (SEAOC)組成一個特別委 員會Vision 2000 (SEAOC, 1995)，擬完成新的耐震設計規範，包括設計方法、施工 管理與使用管理之規定，俾使所設計之建築物可以估算震後損害程度甚至其修復費 用。日本建設省建築研究所從 1995 年阪神地震後，也開始著手規劃震後使用功能 規範及其相關規定(ATC, 1995)。台灣地區位處環太平洋地震帶，大小地震不斷，尤 其在921 集集地震後，更突顯出現行建築物耐震設計規範正遭受到嚴苛的考驗，國 人目前除致力於現有建築物之耐震評估與補強外，也應開始籌備下一部能夠兼顧生 命安全與震後受害程度甚至修復費用的新耐震設計規範。

第一節

性能目標

壹、功能設計法(Performance-Based Design) （一）功能設計法的特點

在目前的耐震設計規範中有一個所謂的重要因子(Important factor, I)，用來針對 不同重要性的建築物給予不同的地震力放大係數。而在功能設計法中，對於重要性 不同的建築物，則要求不同的震後損害程度(Performance Level)；在地震規模大小 (Earthquake Level)方面，除了目前常用的 475 年回歸週期或是 50 超越機率 10%的設 計地震之外，再加入一般常發生的中、小地震以及強烈地震所可能造成之損害考 量。由此可見，功能設計法對於結構物耐震設計的要求，已經不是所謂大震不倒、 小震不壞的二分法，而是必須在某個地震震度下滿足一指定的損害程度。 目前與功能設計相關的文獻除 SEAOC Vision 2000 與日本建築研究所外尚包括 ATC-33 (FEMA273, FEMA274, 1997)、ATC-40 (1996)、EERC (FEMA283, 1995)、

ATC-34 (1995)等。其中 SEAOC Vision 2000 只提出功能設計的觀念而已，並無具體 或量化的方法來達成預期之目標，而ATC-34 僅複述 SEAOC Vision 2000 的觀念， 並無其他相關內容；FEMA273, 274 為美國聯邦急難救助署(Federal Emergency Management Agency)於 1997 年公佈之設計指引，係供震後需復建之建築物使用 (Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Building)，此書較具功能設計雛形，其非 線性靜力分析法係以係數法(Coefficient Method)決定建築物之目標位移(Target Displacement)；ATC-40 是針對混凝土建築物震後的評估與補強(Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings)，其所採用的非線性靜力分析法, 容量譜法 Capacity Spectrum Method, 係為位移設計法中一重要設計方法。值得一提的是 FEMA273 與 ATC-40 都是針對已存在建築物做震後評估之用，對於使用功能設計法 於新建築，尚無類似規範。 （二）地震大小分類(Earthquake Level) 在功能設計法中，地震大小的分類仍然是以回歸週期或超越機率作為界定。 SEAOC Vision 2000 委員會與日本建築研究所各自訂定了四種地震大小作為設計的 考量，該兩研究機構所決定的四個地震大小大致上彼此相同，如表3.1 所示 【16】。 由表中可知，目前耐震設計規範所使用的475 年回歸週期設計地震相當於功能設計 法中的稀有地震。由此可見，功能設計法已經不是單一設計地震為主，而是可以針 對不同地震大小來指定建築物的行為反應，藉此當作建築結構物的設計需求。 除了上述的分類方式外，ATC-40 有關 RC 建築物耐震評估的研究報告書中，則 是採用比較簡單的分類方式表3.2，區分成服務地震(serviceability earthquake)、設計 地震與最大地震(maximum earthquake)三級，分別對應 73 年、475 年與 970 年回歸 週期，或是50%、10%與 5%的 50 年超越機率；而 FEMA 273 則區分成表 3.2 基本 安全地震1 (basic safety earthquake 1)與基本安全地震 2 (basic safety earthquake 2)二 級，分別對應475 年與 2475 年回歸週期，或是 10%與 2%的 50 年超越機率。由此 可知，未來結構耐震設計除了必須考慮以往既有的設計地震外，尚要考慮在常時地 震下的行為與極強烈地震下結構的功能性。 表 3.1 功能設計法中地震大小分類表(一) 地震大小 SEAOC Vision 2000 日本建築研究所 (earthquake level) 回歸週期 50 年超越機率 回歸週期 50 年超越機率 經常性(小震) 43 年 100% 50 年 92% 偶而(中震) 73 年 50% 100 年 39% 稀有(強震) 475 年 10% 500 年 9.5% 極稀有(烈震) 970 年 5% 1000 年 4.9% （資料來源：國家地震工程研究中心提供）

第三章 消能基本概念 表 3.2 功能設計法中地震大小分類表(二) 地震大小 ATC 40 FEMA 273 (earthquake level) 回歸週期 50 年超越機率 回歸週期 50 年超越機率 1 73 年 50% 475 年 10% 2 475 年 10% 2475 年 2% 3 970 年 5% （資料來源：國家地震工程研究中心提供） （三）功能設計等級(Performance Level)

建築物在各種破壞因素(ground shaking, ground fault rupture, soil liquefaction, lateral spreading, landsliding and differential settlement)下所造成的結構損害，無論是 結構性桿件或是非結構性構材，其損害程度和地震大小都有相當直接的關係。為了 確保結構物在地震後仍具備應有功能(function)，結構物的結構性桿件、非結構性構 材與設備的損害程度需受到一定程度的限制。以SEAOC Vision 2000 為例，結構物 的受害程度如表3.3 所示，其主要以層間變位角(Drift Ratio)來量化。由表 3.3 可知， 進行功能設計時可以按照建築結構物的重要性，規定個別不同的受害程度，藉此來 確保建築結構物於震後的使用功能。 表 3.3 SEAOC Vision 2000 建議的結構損害程度 損害等級與結構功能性 說明 層間變位角限制 無害：照常使用 (fully operational) 結構體與設備毫無損害 0.2% 小害：可使用 (operational) 結構體無損，重要設備物輕微受損 但可立即修復 0.5% 中害：人命安全 (life safety) 結構體受損但仍相當安全，設備物 損害需要較長時間才可修復 1.5% 大害：接近崩塌 (near collapse) 結構體嚴重受損但不會倒塌，設備 物與非結構體完全破壞 2.5% 結構體崩塌 (collapse) 結構體完全崩塌 > 2.5% （資料來源：國家地震工程研究中心提供） 除了上述的分類方式外，在 ATC-40 之 RC 建築物耐震評估的研究報告書中， 則是分別對於結構體與非結構體的損害程度給予分級。其中結構體的損害程度分 為：可立即使用(immediate occupancy, SP-1)、可控制之損害 (damage control, SP-2)、 人命安全(life safety, SP-3)、結構安全(limited safety, SP-4)與結構保持穩定(structural stability, SP-5)等五級；非結構體的損傷程度則分成：正常運作(operational, NP-A)、

可立即使用(immediately occupancy, NP-B)、人命安全(life safety, NP-C)與降低危害 (hazards reduced, NP-D)等四級。建築物整體的損害程度(performance level)則可以由 結構體與非結構體的損害程度共同決定，共可分成四級：正常運作(operational)、可 立即使用(immediately occupancy)、人命安全(life safety)與結構保持穩定(structural stability)。

FEMA 273 的規定則與 ATC-40 相似，其亦分別對結構體與非結構體的損害程度 給予分級。其中結構體的損害程度分為三級：可立即使用(immediate occupancy, S-1)、人命安全(life safety, S-3)與結構不倒塌(collapse prevention, S-5)；非結構體的 損傷程度則分成：正常運作(operational, N-A)、可立即使用(immediately occupancy, N-B)與人命安全(life safety, N-C)等三級。建築物整體的損害程度(performance level) 則可以由結構體與非結構體的損害程度共同決定，共可分成四級：正常運作 (operational, 1-A)、可立即使用(immediately occupancy, 1-B)、人命安全(life safety, 3-C) 與結構不倒塌(collapse prevention, 5-E)。

（四）功能設計目標(Performance Objective) 在地震大小與建築物整體的損害程度決定後，便可以針對不同重要性要求，規 定結構物在不同地震下應具備的損害程度來進行功能設計。以SEAOC Vision 2000 為例，可能的設計目標如表3.4 所示。 表 3.4 結構設計目標 結構損害程度 可能的結構設計目標 (performance objective) _{照常使用 可使用 人命安全 接近崩塌} 經常(frequent) C NG NG NG 偶而(occasional) B C NG NG 稀有(rare) _{A B C NG} 地 震 大 小 _{極稀有(very rare)} None A B C （資料來源：國家地震工程研究中心提供）

表 3.4 中 A 級(safety critical objective)表示極重要建築，通常是指儲存有具毒 性、爆炸性等危險物品的建築物；B 級(essential and/or hazardous objective)則是必須 在地震過後仍能維持其運作功能以救濟大眾的建築物；C 級(basic objective)則是一 般建築物；NG(unacceptable performance)則是指不能接受之結構行為。對儲存多量 具有毒性、爆炸性等危險物品之建築物而言，要求其在小震、中震甚至強震後都應 能正常使用毫無損壞，只有在烈震發生時能有些微損壞但可迅速修復；對地震災害 發生後必須維持機能以救濟大眾的重要建築物而言，Vision 2000 要求其在小震及中 震後能正常使用毫無損壞，強震後僅些微損壞可迅速修復，而即使在烈震後也要能 保障人生命安全；對一般建築而言，則要求其在小震後毫無損壞，中震後僅些微損 壞，強震後生命無虞，烈震後不至倒塌。這些當然比目前規範訂定者嚴格許多，為