建築物隔制震設計規範與實務之研究比較

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(1)建築物隔制震設計規範與實務之研究比較、. 內政部建築研究所研究報告.

(2) MOIS921027. 「建築物隔制震設計規範與實務之研究比較」. 研究主持人：葉祥海共同主持人：黃德琳研究助理：曾一平、楊森翔、吳志強. 內政部建築研究所研究報告中華民國 92 年 12 月 ii.

(3) 第一章緒論..................................................................................................................1 1.1 前言..................................................................................................................1 1.1.1 隔震制震結構技術的起源...................................................................1 1.1.2 何謂隔震．制震結構...........................................................................2 1.1.3 現行耐震基準的目標...........................................................................3 1.1.4 耐震性能的概念...................................................................................3 1.1.5 耐震結構•隔震結構•制震結構的原理概要...................................4 1.1.6 隔震•制震結構系統的普及...............................................................4 1.1.7 美國之性能設計法介紹.......................................................................4 1.2 研究背景與目的............................................................................................13 1.3 研究方法與步驟............................................................................................13 第二章隔震結構系統相關技術................................................................................20 2.1 概要................................................................................................................20 2.2 隔震結構之原理............................................................................................20 2.3 隔震結構之分類............................................................................................21 2.4 隔震建物的反應特性....................................................................................22 2.4.1 隔震建物之優點.................................................................................22 2.4.2 隔震建物地震時反應行為.................................................................23 2.5 隔震構材的特性............................................................................................24 2.5.1 隔震構材的種類與基本特性.............................................................25 2.5.2 積層橡膠的基本特性與設計製造.....................................................28 2.6 建物隔震的設計與施工................................................................................33 2.6.1 建物隔震之設計................................................................................33 2.6.2 建物隔震工程的施工........................................................................35 2.7 積層橡膠的耐久性．耐火性與建物的維持管理........................................36 2.7.1 積層橡膠的耐久性............................................................................36 2.7.2 積層橡膠之耐火性.............................................................................37 2.7.3 隔震建物之維護管理........................................................................38 2.7.4 隔震裝置之替換................................................................................38 第三章制震(減震消能)結構系統.............................................................................67 相關技術......................................................................................................................67 3.1 概要................................................................................................................67 3.2 制震結構的理論及應用................................................................................67 3.2.1 能量論.................................................................................................67 3.2.2 制震結構種類.....................................................................................69 3.3 制震阻尼器....................................................................................................70 3.3.1 黏性阻尼器.........................................................................................70 3.3.2 位移型阻尼器.....................................................................................71 i.

(4) 3.4 制震結構的反應特性....................................................................................72 3.4.1 位移型阻尼器之反應特性.................................................................72 3.4.2 粘性阻尼器之反應特性.....................................................................73 3.4.3 位移型阻尼器與粘性阻尼器的比較.................................................73 3.5 建物制震結構設計........................................................................................74 第四章日本隔震相關規範........................................................................................85 4.1 日本隔震結構概況........................................................................................85 4.2 隔震結構的設計與法令................................................................................85 4.3 隔震結構的技術規範....................................................................................86 4.3.1 設計方法.............................................................................................86 4.3.2 設計審査.............................................................................................89 4.3.3 隔震構材之規定.................................................................................90 4.3.4 施工管理及維持管理.........................................................................91 第五章我國與日本現行隔制震相關技術規範之探討..........................................106 5.1 我國與日本隔震設計規範比較檢討..........................................................106 5.1.1 靜力分析內容比較...........................................................................106 5.1.2 動力分析內容比較...........................................................................110 5.1.3 隔震裝置的試驗規定.......................................................................118 5.1.4 檢討與建議.......................................................................................119 5.2 日本制震相關技術介紹..............................................................................122 5.2.1 日本制震技術之現況.......................................................................122 5.2.2 日本制震結構設計及結構分析.......................................................135 5.2.3 制震裝置之介紹...............................................................................155 5.2.4 制震結構物之實例介紹...................................................................164 第六章隔震建築結構之設計範例..........................................................................174 6.1 建築物設計概要.........................................................................................174 6.2 我國靜力分析方法......................................................................................177 6.3 日本靜力分析方法.....................................................................................182 6.4 非線性動力歷時分析方法..........................................................................222 第七章結論..............................................................................................................275 ※參考文獻........................................................................................................276 ※附錄一:日本隔震建物外審一覽表 ..............................................................278. ii.

(5) 第一章緒論 1.1 前言 1.1.1 隔震制震結構技術的起源如何在建築物上裝吸能裝置，改變其結構抗震系統，而使建築物在遭受到強烈地震侵襲時，增加建築結構安全能消除或減低傳統耐震結構建築物所造成的激烈搖動，及人們心理產生建築物將倒塌的不安與恐懼感，這對地震頻繁的台灣之建築結構學者、技術者與使用者而言，是長期以來追求的目標與願望。不論在家中或者是在辦公室，一般人在遇到地震時，心理會感覺到不安與危險，直接的反射動作就是會衝到屋外進行避難。像這種心理反應及逃生舉動，證實了一般人對現今建築結構的抗震能力，尚抱持著某種程度的不信任感。因此，在地震發生時，如何提供“安全的建築物．安心”給社會大眾，讓在屋外的人會想往建築物內避難，是建築結構技術者努力的目標。以現階段的科學技術及過去的地震記錄之研究，可大略預測地震發生的週期，但是仍然無法準確地預知地震發生的時間，所以以現今的科學技術，想預測對結構物之安全具有威脅性的強烈地震之發生時間是很困難的。因此目前地震的防災對策，唯有靠提高建築物本身的抗震能力，以及減低地震時所帶來的災害，才是唯一方式。根據過去在大地震中得到建築物被破壞的教訓，結構技術的先進前輩研究開發耐震結構系統已有 100 年歷史。然而在近年發生的大地震中，尤其 1995 年 1 月 17 日日本神戶大地震（約 6300 人死亡，14 萬棟房屋全倒），以及 1999 年９月 21 日台灣集集大地震（約 2400 人死亡，2 萬 6 千棟房屋全倒），顯示耐震結構之抗震能力也有其極限，而這些大地震所造成的不幸結果，更加深了一般人對傳統建築耐震結構的抗震能力之懷疑與不安。針對這些無確定性且未知因素多的強烈地震，如消極地忍耐或墨守傳統耐震結構的設計，是很難達到特殊用途的建築物所要求的耐震性能。為超越與突破傳統耐震結構的抗震性能，並確保人命財產的安全以及維持建築物的機能，以現今的建築耐震抗震技術，唯有靠「隔震制震結構系統」才有可能突破耐震結系統的瓶頸，達到大幅提昇建物耐震能力之目標。地震對策結構技術系統的發展階段內容如圖 1.1.1.1 所示。. 1.

(6) 1.1.2 何謂隔震．制震結構隔震•制震結構之概念可參考？１９５０年發展隔震制震結構時之基本原則如下圖 1.1.2.1 所示。 (a)遮斷地震動能量的傳遞路徑。 (b)使建築物的自然週期帶避開地震動週期帶。 (c)賦與建物非線形特性，使成非定常非共振系統。 (d)附加控制反力。 (e)利用能量吸收機構。若可實現，則不需發展其他。但是目前除了有將結構物輕微浮起的技術之外，遮斷建築物之地震動能量的傳遞尚不可能。因而實際應用上，第二項以下的項目為較重要議題。第二項即為隔震結構，其基本原則乃增加建築物之周期，避免與地盤週期產生共振。隔震結構系統本身是具有一定自然週期的被動系統，由於因地盤條件不同，產生地震動特性的變動，所以隔震結構並不是適用於所有的地盤。一般而言，只適用於中低層樓，因此隔震結構並不是萬能的，但是只要符合其適用條件，將可發揮良好的隔震。在國外，從集合住宅到辦公大樓、實驗設施、電算中心等，已有許多的實際應用例，並且從日本神戶大地震中，證實神戶市的隔震建築物之效果後，隔震建築物的棟數便逐漸增多。第五項為被動系統的制震結構，其乃於建築物上設置能量吸取機構，提昇地震能量的減衰效果，減低建築物反應。過去，制震結構主要適用於需要做動力分析的高層建築物，但是自日本神戶大地震及台灣集集大地震後，人們對地震發時建物安全性的意識漸漸提昇，制震結構適用範圍因而擴大，中低層築物的設計應用也隨之逐漸增多。其他制震結構尚有設置與主結構體自然週期同調的質量彈簧系統的動吸振器型(TMD)。其於地震時，制震裝置機能起動速度緩慢，無法追隨激烈地震動而立即發揮制震效應，但是對於強風搖動的控制或破壞性大的地震波的減震確有實質效果。第三項與第四為主動式制震結構，近年來電腦控制的周邊設備技術之進步，在建築物上則利用電腦控制主動式制震結構，比被動系制震結構有更佳的控制效果。至目前為止，已實用化的系統有驅動附加質量控制型(AMD)及結構特性可變型(AVS、AVD)。前者是主動驅動附加質量，利用其慣性力做為控制反力；後者是為了實現非定常非共振系統，於結構物賦與人為的非線性，當地震動到達建築物底下時，為不產生共振，即會時時刻刻改變建築物本身的振動特性(剛性)，換 2.

(7) 言之，即是避開地震動週期的一種主動式控制系統(亦有減衰特性可變型)。在抵抗大地震的各類制震系統中，此類型主動式制震系統已在國際上深受矚目。根據地震動的特性、大小或建築物的規模，為求得結構安全，可將上列第二 ~第五項的開制震裝置做組合運用，即所謂 Hi-Brid 型的控制制震系統。. 1.1.3 現行耐震基準的目標從各種報章雜誌媒體對九二一集集大地震的報導得知，一般人認為地震發生時，建築物應完全無毀損才是無缺陷的耐震設計，其認為依現行耐震設計規範所設計的建築物，地震發生時，如有毀損就是設計或施工上的不良所導致，這其實是一個錯誤的觀念。由此可知，一般居民對現行耐震基準的目標尚未充分瞭解現行耐震基準規範設計中所規定之建築物的耐震能力及耐震目標，需要做正確地教育與宣導，讓居民確實理解耐震設目標之真義，才不會在地震後，產生無謂的紛爭。若依目前住戶要求設計，在１００年內遇到一次大地震時，建築物需“完全無毀損”，此「嚴格」設計會造成建築經費之浪費，或因梁柱斷面變大而造成居住之不便利。地震發生時，建築物需保有多少的耐震能力？對於中地震及大地震發生時，分別就裝飾材、設備、人命的保護等現行耐震基準規定說明如下。 (a)中地震時震度 5 的中地震時，層間變位角控制在 1/200 以下，裝飾材、設備不會毀損，結構體只受到輕微毀損。 (b)大地震時震度６的大地震時，變位可容許為中地震的２倍以上，但建築物不可倒塌以致傷及人命安全。. 1.1.4 耐震性能的概念以往的耐震設計主要是針對建築物的結構強度做設計與檢討，近年來由於受到地震災害(日本神戶大地震及台灣集集大地震)的教訓，對於建築物的耐震性檢討，不單指結構本體，還包括影響建築物機能的構成要素(建築裝飾材、建築設備等)，皆需整體性的評估及地震後建築物各機能的狀態、性能等也要進行檢討。換言之，即使結構體之耐震性能佳，但經建築物之完整耐震性能評估後，有可能是耐震不良。一般耐震設計之目標可分成下列數種要求水準： (a)人命的保護 (b)財產的保全（建築物財產價值的保全） (c)建築物機能的維持（主要指地震必要機能）. 3.

(8) 需與業主協議後再決定建築物之耐震性能目標。通常耐震性能要求高者為地震後，機能可以維持的建築物(主要為官方設施、急診醫院等具有防災用途之建築物)，或地震時收納物不受毀損之建築物（如美術館、博物館、電算中心等）。若決定採用隔震．制震結構，則建築設計初期階段即應進行慎重的規劃與檢討。. 1.1.5 耐震結構•隔震結構•制震結構的原理概要地震動產生的地震能進入結構物後，結構物內部吸收消耗地震能說明如下 (參考圖 1.1.5.1)： (1)耐震結構（Earthquake Resistant Structure）耐震結構是建築物受到地震力時，利用結構構材本身的彈塑性特性，在安全地支持鉛直荷重（建築物自重）下，吸收消耗地震能。在大地震時，得以優先保護人命，並容許建築物可部分毀損。 (2)隔震結構（Seismic Isolation Structure）隔震結構是在建築物下部設置隔震層，其具有大變形之能力，將集中於隔震層之地震能，利用阻尼器等消能裝置，吸收消耗地震能。設置於隔震層之支承（Isolator）須能安全地支持鉛直荷重，亦必須具有大的水平變形能力。隔震支承之種類有很多，其他積層橡膠是最常見的。大地震時，隔震建築物搖動緩慢，樓板加速度小，家具等即使不做耐震固定處理，也不會移動或翻倒，因此可以維持建築物的機能，這是隔震結構的大特色。 (3)制震結構（Vibration Damping Structure）制震結構是利用裝設在建築物上的吸能裝置機構（阻尼器－Damper），來吸收消耗地震能量，控制建築物反應振動，減低地震時結構體的毀損。. 1.1.6 隔震•制震結構系統的普及國外隔震•制震結構之研究開發已有十年以上歷史，而隔震•制震建築實際應用例，已有相當數目，亦即隔震•制震結構系統已經從開發階段進入到普及階段。台灣近年來，尤其在九二一集集大地震後，也跟著世界技術潮流，陸續引進隔震•制震結構技術，並且在建築物上的應用也開始逐漸普及。隔震• 制震結構專業者，亦積極地推動將隔震•制震結構技術應用在建築物上，「大地震時，建築物不搖動不毀損，充份保全建築物財產與維持重要機能等」為目標，共同攜手努力創造安心•安全的社會。. 1.1.7 美國之性能設計法介紹 1.緒論 4.

(9) 1989 年美國加州 Loma Pritea 地震及 1994 年美國加州北嶺地震造成加州都市龐大的經濟損失，因此美國目前正致力於徹底改變建築設計規範之理念。至今的設計係以不造成人員傷亡之程度但容許各種損失產生，而此後不再僅是保障人員性命安全，將擴及建築物本身及其機能之重要性並設定可容許之損傷程度，以確保可滿足這些條件之耐震性能，也正是目前正於檢討中的性能設計（Performance-Based Design）1)-8)。此檢討專案係針對新建建物為對象，加州結構工程協會 SEAOC（Structural Engineers Association of California）首次依據 Loma Pritea 地震後所編著完成的 Vision 2000 Committee 實施；自此之後，性能設計法增訂於耐震修補規範中，也將是未來可適用於新建物之方向。此外，第二代正著手進行評估法之不確定性及變動性之檢討。本論文首先將介紹美國規範制訂機關及其職責，而性能設計法之動向將分為第一代、第二代說明之。 2.美國之耐震設計規範 (1) 規範制訂機關圖 1.1.7.1 係表示耐震設計規範相關之代表機關及其相互間之關係。ICBO （International Conference on Building Officials）發行之 UBC（Uniform Building Code）自 1927 年發行初版以來，至今經過多次增修，特別是耐震設計資料之豐富性廣受全球肯定，而如此成就是藉由前述之 SEAOC（圖 1.1.7.1）努力之下所得來之成果。SEAOC 聚集了 4,000 名以上的技術人員及一部份的大學教授，自 1950 年代開始舉辦義工活動，每年發行、修訂 Blue Book 之指南、解說手冊，指南手冊約每三年即大幅增訂 UBC 的改版內容；其他之民間團體最具知名的是位於加州的協會 ATC（Applied Technology Council）（圖 1.1.7.1），ATC 自 1970 年代起便持續探索未來指向型之規範，一如後文將提到的目前正承辦政發行之規範制訂工作。SEAOC 會員中的一小部分亦同時參與 ATC，此外位於東部的美國土木學會 ASCE（American Society of Civil Engineers）也自 10 年前左右著手進行規範之制訂工作。政府方面所制訂之規範係作為 1978 年開始運作的地震災害減輕計劃 NEHRP（Earthquake Hazard Reduction Program）的環節之一，由位居首都華盛頓的聯邦救難總署 FEMA（Federal Emergency Management）執行（圖 1.1.7.1）。1990 年代即開始編著各種文獻，舉凡 NEHRP 耐震設計規範、耐震診斷法、補強法以及一般市民使用之地震對策等多數文獻均有出版發行；而文獻主要係委託 ATC 編制，最近亦有委託 ASCE 等其他機構，此外也有透過公開招募委託的情形。例如眾所周知的美國北嶺地震造成鋼結構之樑端處受損的案件即是交由 SAC （SEAOC、ATC、CUREE（California Universities for Research in Earthquake Engineering））等 3 個企業合資經營團體共同承辦（圖 1.1.7.1）。這些耐震設計規範係地震載重及分析法中包含了鋼構、混凝土、磚造、木造 5.

(10) 等其他設計法，尤其是設計法係將各構造類別之各協會的指南稍作修改後予以採用。例如鋼構係採用芝加哥之美國鋼構造協會 AISC（American Institute for Steel Construction）所出版的鋼構造設計指南（AISC Seismic Design Specifications）（圖 1），AISC 設立於 1921 年，係由鋼材廠商及製造協力廠商所投資組成。以上係針對耐震設計為中心說明之內容。建築規範係由美國的三個區域共同完成，而承辦之機構是足以反映北部、東部、南部及西部各地情事的 BOCA （Building Officials and Code Administrators International）、SBCCI（Southern Building Code Congress International）及 ICBO（前述）。這些機構出版過 NBC （National Building Code）、SBC（Standard Building Code）以及 UBS，各規範對於耐雪、耐風、耐震設計等均有相當豐富之資訊。2000 年時，此三種規範合併為 IBC（International Building Code），初版係由 ICC（International Code Council）發行，因而使得最具適用性的通用規範終於誕生（圖 1.1.7.1）。為能永續推擴， UBC 在 1997 年發行了最終版，此後則歸納列入 IBC 成為其中部份環節。 (2) 性能設計規範之推廣觀看美國設計規範之歷史演變，UBC 自 1927 年發行初版以來，均要求建築物具備某特定之性能，其具體內容因時代變遷而有所不同，至 1970 年代之訴求則是保障人類性命安全。而自此之後，亦增修了經常性中小地震之建築物損傷防止的規定，但內容尚未成氣候。然而隨著地震工學醒目亮眼的發展，約自 10 年前開始建造可預測出具可靠性耐震性能的建築物隨即成為標的，性能要求之細分化及性能預測法之研發目前亦穩步順利地進行。此外，在這短期間內，概念迥然不同的二種性能設計法已研究成功，並分類為第一代及第二化之性能設計法。第一代是類似 SEAOC-Vision20009)、FEMA27315)、FEMA35617)等規範，根據利用地震級數與性能等級判斷的矩陣圖定義建築物性能目標，並列舉為達成目標所使用之方法手段。第二代是類似 SAC 編著之鋼構造性能規範 FEMA35020)-24)，以機率論方式將地震波動、構造模型之變動性、分析法之不確定性、構材/結構耐力差異等加入上述之矩陣圖中，目前亦正在評估未來將擴展至其他構造以及進行經濟損失之評估。而本專案之計劃案詳細於 FEMA283 及 FEMA349 中 25)-26)。關於第一代及第二代的性能設計法概要將介紹於下文中。 3.第一代之性能設計法 (1) 各規範之定義以新建建築物為對象，1995 年經 Vision2000 提出性能設計架構後，即針對既有建築物為研究對象並於 1997 年 NEHRP 推薦規範 FEMA273 及解說書 FEMA274 提出詳細之手法內容。修補方面必須針對建築物現狀之性能進行評 6.

(11) 鑑，且修補後之性能等級視建築物所有人之需求不盡相同，因此新建物更需要性能設計，這即是使之具體化之原由。由 FEMA273 之地震級數及性能等級構成之矩陣圖，於 1997 年運用 FEMA302 新建建築物規範，為了使各個建築物重要度能表現出最基本之性能因而予以採用，然而其他詳細性能等級對新建物之適用性至今仍尚不明確。另一方面，有關於修補方面，於 2000 年依據 FEMA273 之內容，出版了具法律約束力之規範書典範（Pre-Standard）FEMA356。 (2) FEMA237 規範之性能目標分類下文將針對 FEMA237 修補設計之概要詳加說明。 (a)地震級數設定為該地區 50 年來再現機率中發生之地震。 50%再現機率之地震（50/50），再現期 72 年 20%再現機率之地震（20/50），再現期 225 年 10%再現機率之地震（10/50），再現期 474 年 2%再現機率之地震（2/50），再現期 2475 年 (b)構造材、非構造材之性能等級關於構造材之定義如下。 1. Immediate Occupancy Level（發生損傷但尚安全） 2. Damage Control Range（1 與 3 之間的範圍） 3. Life Safety Level（保障性命安全） 4. Limited Safety Range（3 與 5 之間之範圍） 5. Collapse Prevention Level（防止崩塌）非構造材之定義如下。 A. Operational Level（大致上無損傷） B. Immediate Occupancy Level（發生損傷但尚安全） C. Life Saf ety Level（保障性命安全） D. Hazards Reduced Range（C 以上之範圍） E. Not Considered（忽略非構造材之損傷） (c)建築物整體之性能等級上述之構造、非構造材之性能等級經由組合後，將各種建築物性能等級定義如表 1 中，此後大體上均以表中具代表性之性能等級為參考基準，也就是 1-B. Immediate Occupancy Level（發生損傷但尚安全） 3-C. Life Safety Level（保障性命安全） 5-E. Collapse Prevention Level（防止崩塌）. 7.

(12) 表１ FEMA273 之構造、非構造材性能等級組合表構造材非構造材. 1. 2. 3. 4. 5. A. 1-A. 2-A. (N.R.). (N.R.). (N.R.). B. 1-B. 2-B. 3-B. (N.R.). (N.R.). C. 1-C. 2-C. 3-C. 3-C. 5-C. D. (N.R.). 2-D. 3-D. 4-D. 5-D. E. (N.R.). (N.R.). (N.R.). 4-E. 5-E. 注）N.R.=Not Recommended（不推薦）. (d)性能目之選擇如表 2 所示，利用 (a) 地震等級與 (c) 建築物性能等級之組合表，選擇目標之修補後性能。這些內容雖分類成多種類型，但經群組化之後整理如下。 Enhanced Rehabilitation Objectives（高性能 11 分類） Basic Safety Objective（BSO，基本性能 1 分類） Limited Rehabilitation Objectives（低性能 52 分類）表2. FEMA273 之建築物性能目標之分類. Operational 地震等級. 建築物性能等級 Immediate Life Occupancy Safety (1-B) (3-C) b c. Collapse Prevention (5-E) d. 50/50. a. 20/50. e. f. g. h. 10/50. i. j. k. l. 2/50. m. n. o. p. Basic Safety Objectives(BSO) = k + p（有顏色部份）. [1 分類]. Enhanced Objectives = (m, n, o, or p) + (i or j). [8 分類] [3 分類]. = k + (m, n, or o) Limited Objectives = (m, n, o, or p) + (a, b, c, d, e, f, g, h, or i) = (i or j) + (a, b, c, d, e, f, g, or h). [36 分類] [16 分類]. 此外，「基本性能」相當於近年新建築物規範之性能要求，也就是 10/50、2/50 之地震，保障性命安全可達(3-C)、防止崩塌可達(5-E)之程度。「高性能」則如表 2 備註中之重點歸納，換言之即是 2/50 之地震中，保障性命安全可達(3-C)、發生損傷但尚安全可達(1-B)，而幾乎無損可達(1-A)程度之總稱。於(b)中新增詳細定義後之性能等級組合，則 2/50 之地震中若符合 1-C、 2-A、2-B、2-C、2-D 以及 3-B 時皆可稱之為「高性能」。. 8.

(13) (3) FEMA273 規範之性能評估 (a) 地震輸入力之設定：設定「基本性能」為目標時，應以規範書為基準，利用美國全區的地震度地圖製成反應譜，並另製成可與之搭配的模擬地震波。若設定「高性能」為目標時，需製成地震震度、地基至斷層之距離、斷層破壞之發展方向、基於地域之地質構成的 Site-Specific 反應譜及模擬地震波。 (b) 分析手法利用分析確認建築物之全構成構材，可從下文中選擇使用之分析手法。線性分析 - 靜態分析、反應譜分析、歷時分析非線性分析 - 靜態分析、歷時分析線性之靜態分析中，當建築物高度為 33m 以上之情形，若水平勁度呈不規則分布時則無法使用。此外，非線性分析中，靜態、歷時分析均有設定各自之適用條件。利用分析確認由表 2 所選擇的性能目標（(2)節(d)）是否符合。例如，選擇目標 “j” 時，應驗證 10/50 之地震時是否可達 1-B 之建築物性能等級，這是用以確認構造材是否為 “1”，非構造材為 “B”之性能（表 1）， (c) 構造材之性能容許目標值構造材視有無變形能力可分為 Deformation-Controlled（變形分配）與 Force-Controlled（載重分配）二種型式，並判斷前者之變形、後者之載重是否可達容許值。舉例說明，當變形分配型之構材載重變形曲線如圖 1.1.7.2 般定義時，則各點之座標依每個構材均可由規範書中具體求出。此外，例如為能滿上述之性能等級“1”時，分析中所呈現之變形小於圖 1.1.7.2 中的 1 為其條件。若採用線性分析時，依構材類別採用規範書中制定之增幅係數乘上分析值之數值。 (d) 非構造材之性能容許目標值非構造材在建築構材方面可分為窗戶、外牆、隔間牆、地板、天花板、煙囪、女兒牆等，設備方面可分為機械、鍋爐、空調機、防火設備、配管、排氣孔等，電氣相關方面可分為電子、通訊機器、照明，內容物有頂棚、電腦相關、危險物品、電梯、輸送帶等其他多類。這些非構造材主要可分為 Deformation-Sensitive（變形依附）及 Acceleration-Sensitive（加速度依附）等二種，後者中包含了載重分配型，而變形、加速度之混合依附型亦有相關規定。各非構造材設有性能容許目標值，例如圍幕牆為能取得上述”B”的性能（Immediate Occupancy Level，發生損傷但尚安全），層間變形應在 0.01radian 以下。此外，為能平衡”C”之性能（Life Safety Level，保障性命安全），應運用規範 9.

(14) 計算式算出層間變形及加速度，使之達到規定值以下之數值。 (e) 注釋以上是 FEMA273 將 Vision2000 之概念具體化，並與規範等級之內容重新彙整後因而廣受好評。對於地震輸入力，需要求各構造材、非構造材能符合目標性能，建築物整體之變形應考量 P-∆ 效果並運用於建築物崩塌可能性之確認，這是由於傳統的設計規範限制大小地震中的層間變形之故，因此可說是和意圖大略抑制構造、非構造材之損傷呈現對照情形。 4.第二代之性能設計法 (1) FEMA273、FEMA356 之問題運用於既有建築之 FEMA273，以及有相同內容且具法律約束力的規範書典範 FEMA356，於近 6、7 年廣受採用，而下文則是根據其結果發現的指摘問題 11)-14) 。 (a) 僅一部份之構材未達目標值((3)(c),(d))之情形，在無關乎構造整體的餘裕度下，建築性能等級降低且容易產生不正確與不經濟的評估結果。 (b) 因沒有直接評估因地震所蒙受之經濟損失，表示決定性能目標的資訊情報來源仍不充足。 (c) 過去若是符合規範，則設計師的基本責任便已完成，然而當要求實際之地震時行為需符合性能目標時，則對於設計師而言便產生極大的風險問題。 (d) 每個構成材料之性能規定需加入變動性，然而評估其變形、載重的分析手法，在驗證方面仍顯不足，此外亦欠缺考量其不確定性。 (e) 針對構造及非構造材雖為不錯的方式，但構造整體的行為舉動並沒有包含在性能評估中（可參照(a)）。 (f) 管理求取精確的施工精確度困難，即使可能其實際之精確度必定會產生變動進而影響性能。 (g) 地震輸入力係根機率論歸類為最基本，但卻沒有考量到其明顯的不確定性。 (h) 整體而言，關於設計之過程及結果，尚欠缺使其可靠性定量化且明確化（參照(d),(f),(g)））。 (2) 問題解決的方向問題解決的開端始於 2000 年提出了 FEMA350、FEMA351 的性能設計法，各新建物及既有的鋼構造均為其設定之對象，並且研擬出應對 1994 年北嶺地震造成大量接合處脆性破壞的 SAC((1)節)方案。此手法係設計時，設定超過選擇性能之輸入力為產生之機率，並定義為性能目標。例如，上述之 FEMA273 中，在 50 年 2%機率的地震中，防止崩塌之性能目標與 SAC 手法相較時，則 SAC 手法中之性能目標中，建築物崩塌的機率為 10.

(15) 50 年 2%。此外，建築物之可靠性等級也可利用此法進行評估。 SAC（以下稱為 FEMA350）之手法係摻入(1)節(d)、(f)-(h)中所述之地震波動、構造模型之變動性、分析法的不確定性、構材、結構耐力差異等，並將性能以機率論方式定義，與 FEMA273 以最基本式制定之性能截然不同。事實上，一定會發生 FEMA273 未達性能目標的情形，而 FEMA350 手法在性能設計中是相當自然的手法。關於此設計法之詳細內容係由我國之松下氏及長谷川氏所發表的，筆者將其概要簡述於下。 FEMA350 性能設計法的前半過程雖類似 FEMA273，然其對象範圍((2)節) 狹小，僅能針對 10/50、2/50 之地震考量，而該構造材之性能等級為”1”和”5”，非構材則為”B”和”E”((2)節(b))。製作反應譜及模擬地震波、分析法之選擇亦是根據 FEMA273(3.3 節(a),(b))，而之後的構造材性能容許之目標值則如下述般如極大的不同。表現整體行為的層間變形、表現局部的樑柱接合處之回轉角及其他接合處，可利用下列之可靠性指標 λ 求解。. λ=. γγ a D φC. (1). 此處，C=保有性能值（Capacity）、 φ =表示保有性能值之不確實性及變動的抵抗係數、 D =分析後之要求值（Demand）、 γ =假設地震特性及分析模型之要求值變動係數、 γ a =因分析法差異性之不確定係數。例如，2/50 地震中係將構造整體具有”5”（Collapse Prevention）性能等級之可靠性，利用線性反應譜分析進行評估。構造整體之指標係採用層間變形角，利用 C =由樑柱接合處細部及由樑距處利用公式求出的保有層間變形角， φ =0.9、 D =分析後之層間變形角、 γ =1.5（12 層以上之情形）、 γ a =1.14（線性反應譜分析之情形）等求出 λ，即可評估可靠性等級。此外，接合處等也以相同的方式評估，這些的可靠度等級若能符合規定之最小值，那麼即可判斷在 2/50 地震中，構造整體具有”5”性能等級之可靠度便相當足夠。 3. 第二代之推廣 FEMA350 性能設計法除了適用於鋼構造之外，更應擴展運用至其他構造，然經檢討以目前的情況而言仍舊難以突破。而 FEMA273 方面則出現各種問題 (4.1 節)，在實務運作上也愈來愈多意見反映內容過於複雜。因此，在考量雙方成果的同時，由最根本之處重新進行修正。今年 7 月， ATC 與 JSCA（日本建築構造技術者協會）召開了第 10 屆美日構造設計協議會，本文將為各位介紹會中發表的二份專案報告。 (a) FEMA 之新專案第一個是 FEMA 的 Mohoney 氏所介紹 12)的新 FEMA 之性能設計專案（2001 年起），性能預測部份之流程圖範例如圖 1.1.7.3 所示，採用可靠性理論，考量構造材及非構材之損傷機率，同時亦為評估經濟損失之方向。 11.

(16) 此專案係由 1995 年加州大學柏克萊分校的 EERC（Earthquake Engineering Research Center），以及 2000 年美國地震工學會 EERI（Earthquake Enginerring Research Institute）提案，經檢討後採用後者用以推廣。詳細內容記載於文獻 12、25，目前正處於 Phase1（專案修正案製作，編制小組），接下來準備進入 Phase2（構造、非構造材之性能定量化）的階段，計劃下一步驟將進入 Phase3（性能驗證法及其準則製作）及 Phase4（迅速之設計法及其準則製作）。 Phase1 及 2 之專案預算合計約需要 30 億日圓，而由於 Phase3 及 4 係為 5 年計劃與長期計劃，故所需費用相當龐大。 (b) PEER 之新專案第二個是加州大學柏克萊分校 PEER（Pacific Earthquake Engineering Research Center）的所長 Moehli 氏介紹之專案。PEER 係為最近設立之美國政府三所地震工學研究所的其中之一，該研究所之前身為 EERC。此專案係承續上述之 1995 年 EERC 提案之性能設計研究，其概念如圖 1.1.7.4 所示。 PEER 之目標性能設計具一貫性採用機率論，如圖 1.1.7.4 所示係由地震輸入力分析、構造、非構造材分析、損傷評估分析及經濟損失分析等 4 個過程組成。根據 Markov 過程，表現圖 1.1.7.4 各過程中機率變數相互間之關係，由各個過程中評估之條件附機率，最終階段建物所有人預測將蒙受之損失的方法。 5.結語本文旨說明美國之性能設計法相關之新動向，歷經約 10 年歲月完成了第一代及第二代的各種設計法，讓我深深感受到美國執著與認真的態度。引用 Mahoney 氏之定義則可如此形容：”Performance-based seismic design is a concept that permits the design of buildings with a realistic and reliable understanding of the risk of life, occupancy, and economic loss that may occur as a result of future earthquakes”.。為能擁有更高度之可靠性，因此應使性能指向工學宿命性的不確定性及變動性明確化，美國人堅持與努力的印象是如此深植我心。以往摻雜載重及耐力變動性的載重、耐力係數設計法 LRFD（Load and Resistance Factor Design,1986 年）可謂世界先驅並且擁有實現化之成績，而第二代的各手法均考量到輸入力、分析、評估、設計各個過程的期待值與分散等，換言之即是單純以「安全取向」使用之理論及預測法已不再符合性能設計之要求。以上為美國之想法概念，係為非常自然的想法。具體而言，地震輸入力之預測原本即應極力預測出例如構造材、非構造、建築物整體之反應及損傷，且需明確表現其適用範圍及誤差。雖說是項困難的課題，但重要的是首先應該讓保存之相關資料能永續穩健地傳承下去。日本國內雖沒有美國般的大動作，但藉由使建築性能提昇之隔震、制振構造等，或許可使性能設計法早日引進國內。提及此問題，例如隔震構造中，隔震裝置之實質性能、裝置分析模型之精確度以及隔震構造分析模型之精確度等相關問 12.

(17) 題，包含誤差的綜合評估目前正著手研討中。. 1.2 研究背景與目的九二一集集大地震過後，台灣人民格外重視地震災害的防治工作，高科技技術(如隔、制震建築技術)的引進，如火如荼地在台灣這塊地震頻繁的土地上蔓延開來，爲因應此科技時代的潮流，隔、制震建築設計規範即成為建築物隔、制震結構設計者不可獲缺的設計依據。建築物的隔震設計規範已於九十一年四月通過，其架構和「八十八年十一月版之建築物耐震設計規範及解說」相似，設計者可以輕易的瞭解並使用，此為本規範最大特色及優點。然而，此規範僅參考美國規範及國內學者的研究，並未把和我國同樣處於環太平洋地震帶上且擁有豐富隔震、制震經驗和實績的日本規範納入參考，實在可惜。本研究希望能就我國、美國及日本現有隔震、制震相關規範進行研究探討其規範之理論精神、設計方法及實際設計案例進行研究比較，供將來規範制定或修訂及設計時之參考。. 1.3 研究方法與步驟本研究蒐集國內及美國、日本的隔、制震規範，研究比較各規範之異同，並使用實際設計例，分別以各國規範進行分析設計一個隔、制震建築物範例，比較在不同設計規範標準下，所設計出的隔、制震建築物的差異性。. 國內外隔制震規範蒐集. 國內外隔制震規範異同處之比較隔制震設計實例之蒐集. 以國內規範及美國、日本規範進行隔制震設計. 各規範設計分析結果比較. 13.

(18) 耐震設計. 鋼結構. 1920~現在. 動力設計. 剛結構 (原子爐結構:逸散減衰) (1960) 柔結構 (超高樓層:吸收減衰) (1970). 隔震 (積層橡膠等) 1980~. 地震對策設計. 被動式控制 (1980). 吸收減衰 (油壓、磨擦、遲滯) 同調質量系 (TMD、TLD). 制震(振) (結構控制). 複合型 (1980). 主動吸振器型 (HMD) 控制反力型 (AMD、AT) (1985) 可變剛性. 主動式控制 (1990) 結構特性可變形 (1990). 圖 1.1.1.1 地震對策結構技術的發展階段. 14. 可變剛性、衰減 (AVD) 可變遲滯控制.

(19) 建物承受之地震力. AVS、AVD. 圖 1.1.2.1 隔震、制震的五項原則. 15.

(20) 阻尼器＋構架. 構架部份. 只有構架. 崩壞. 阻尼器. 圖 1.1.5.1 各種建築結構系統之抗震概念. 各種規範. 鋼構規範. 等. 圖 1.1.7.1 美國設計規範之制訂機關及其相關性. 構造材之載重. 構造材之變形. 圖 1.1.7.2 FEMA273 之變形分配型構造構材之設計模型. 16. 構架部份.

(21) 圖 1.1.7.3 2001 年開始實施的 FEMA 之新專案中的性能預測概念（引用文獻 12）. 圖 1.1.7.4 PEER 之新專案中性能設計之概念（引用文獻 13）. 17.

(22) 参考文献： 1) 桑村仁、鋼構造建築物の性能設計の理念と枠組日本建築学会大会パネルディスカッション資料、 2003.9 2) 桑村仁、田中直樹、杉本功一、向野聡彦、鋼構造躯体の性能表示：鋼構造建築物の性能設計に関する研究その１：日本建築学会構造系論文集、2002.12 3) 緑川光正「Vision 2000 – 建築物の性能指向耐震工学」の概要：日本建築防災協会建築防災, 239 号, pp.2-5, 1997.12 4) 笠井和彦、ロマプリーエータ地震、ノースリッジ地震後の米国の考え方、「特集：価値ある耐震性能設計に向けて」、建築雑誌、日本建築学会、Vol. 110, No.1372, pp.48-49, 1995.5 5) 笠井和彦、ノースリッジ地震前後における米国の鉄骨耐震設計の動き：SAC ジョイントベンチャー：鉄構技術(STRUTEC)、鋼構造出版、pp. 49-52, 2002.1 6) 松下冨士雄：ノースリッジ地震の教訓を活かした米連邦危機管理庁の「鉄骨耐震設計規準」を読んで、鉄鋼技術(STRUTEC), pp. 32-41, 2001.4 7) 田中直樹：米国が推奨する柱梁接合法, 鋼構造の性能設計を考える、「研究発表会」付随行事シンポジウム、日本建築学会関東支部、構造専門研究委員会、鋼構造 WG、pp.37-66, 2001.3 8) 長谷川隆：米国 SAC ガイドラインの耐震性能評価法の概要とその適用事例, 鋼構造の性能設計を考える、「研究発表会」付随行事シンポジウム、日本建築学会関東支部、構造専門研究委員会、鋼構造 WG、pp.67-74, 2001.3 9) Structural Engineers Association of California (SEAOC), Vision 2000 Committee, Vision 2000 - Performance Based Seismic Engineering of Buildings, Sacramento, CA., 1995.4 10) IBC 2000, International Building Code, International Code Council, Inc., Falls Church, Virginia, 2000.3 11) Hamburger, R.O., and Moehle, J.P. : State of Performance-Based Engineering in the United States, 2nd US-Japan Workshop on Performance-Based Engineering; Methodology for Reinforced Concrete Building Structures, Report PEER-2000/10, pp. 15-27, 2000. 12) Mahoney, M..: FEMA Program to Develop Next-Generation Performance-Based Seismic Design Guidelines (Invited Paper), Proceedings, ATC/ JSCA 10th US-Japan Workshop on Improvement of Structural Design and Construction Practices, pp. 2-1∼2-10, Maui, Hawaii, June 30- July 2, 2003. 13) Moehle, J.P. : A Framework for Performance-Based Engineering, Proceedings, ATC / JSCA 10th US-Japan Workshop on Improvement of Structural Design and Construction Practices, pp. 4-1∼4-10, Maui, Hawaii, June 30- July 2, 2003. 14) Freeman, S., et.al.: Is It Really Performance-Based Seismic Engineering? – Not Exactly, Proceedings, ATC/JSCA 10th US-Japan Workshop on Improvement of Structural Design and Construction Practices, pp. 5-1∼5-12, Maui, Hawaii, June 30- July 2, 2003. 15) FEMA-273: NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings. Prepared with FEMA funding by ATC and ASCE for the Building Seismic Safety Council. Washington, DC, 1997. 16) FEMA-274: Commentary on the NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings. Prepared with FEMA funding by ATC and ASCE for the Building Seismic Safety Council. Washington, DC, 1997. 17) FEMA-356 Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings. Prepared by ASCE, Reston, VA, 2000. [Supersedes FEMA-273.] 18) FEMA-302: NHERP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures. 1997 Edition. Part 1: Provisions. Prepared for FEMA by the Building Seismic safety Council (BSSC), Washington, DC, 1998. 19) FEMA-303: NHERP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures. 1997 Edition. Part 2: Commentary. Prepared for FEMA by the Building Seismic safety Council (BSSC), Washington, DC, 1998. 20) FEMA-350: Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings. Prepared for SAC Joint Venture Partnership by Guidelines Development Committee. Washington, DC, 2000. 21) FEMA-351 Recommended Seismic Evaluation and Upgrade Criteria for Existing Welded Steel Moment-Frame Buildings. Prepared for SAC Joint Venture Partnership by Guidelines Development Committee. Washington, DC, 2000. 22) FEMA-352 Recommended Postearthquake Evaluation and Repair Criteria for Welded Steel Moment-Frame Buildings. Prepared for SAC Joint Venture Partnership by Guidelines Development Committee. Washington, DC, 2000. 23) FEMA-353 Recommended Specifications and Quality Assurance Guidelines for Steel-Moment Frame Construction for Seismic Applications. Prepared for SAC Joint Venture Partnership by Guidelines Development Committee. Washington, DC, 2000. 24) FEMA-354 A Policy Guide to Steel Moment-Frame Construction. Prepared for SAC Joint Venture Partnership by Guidelines Development Committee. Washington, DC, 2000. 25) FEMA-349: Action Plan for Performance-Based Seismic Design. Prepared for FEMA by the Earthq. Eng. Research Institute. 2000. 26) FEMA-283: Performance-Based Seismic Design of Buildings. Prepared for FEMA by the Earthquake Engineering Research Center (EERI), University of California. 1995. 27) FEMA-368 NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures, 2000 Edition. Part 1: Provisions. Prepared for FEMA by the Building Seismic Safety Council (BSSC). Washington, DC, 2001 28) FEMA-369 NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures, 2000 Edition. Part 2: Commentary. Prepared for FEMA by the Building Seismic Safety Council. 18.

(23) (BSSC). Washington, DC, 2001. 29) Kasai K., Kibayashi M. et al : Principles and Current Status of JSSI Manual for Design and Construction of Passively Controlled Buildings (Part 1); Proceedings of Structural Engineers World Congress (SEWC), CD-ROM, T2-2-a-1(2002). 19.

(24) 第二章隔震結構系統相關技術 2.1 概要耐震設計規範之原則為：中小地震來臨時，建築物不會遭受到損壞；大地震時，結構允許局部破壞，但不致於倒塌而造成人員傷亡；亦即大地震發生時，容許構件產生降伏或建築物產生部份損壞的情形發生。換言之，按照耐震規範設計的建築物，並無法避免地震時的強烈晃動；所以，當遭遇大地震時，雖然可以保証人身安全，但並不能確保財產（建築物及其內部物品）的完整。一般耐震設計方法是提高強度、靭性、抵抗地震力。而隔震結構工法與制震結構工法則是減低地震力對建築物的反應的方法。以下各節將說明隔震結構系統，闡述隔震系統的基本原理與特點，並概述結構分析流程及隔震工程施工等的注意事項。. 2.2 隔震結構之原理建物承物地震之建物加速度反應譜圖形，如圖 2.1.1.1 所示：短週期建築物，地震力造成建築物上的反應加速度很大，過了該週期領域其反應就逐漸減小；選擇不同的地震動，可以繪出類似的曲線，如此反覆進行，可求得許多條曲線。如果工址土壤堅硬，地震動的短週期成分較多，反之，工址土壤較軟，則含有較多的長週期成分。因此，若建築物的自然週期越長，工址土壤越堅硬，受到的地震力就越小。通常低層建築物的剛性較大，即其建築物自然周期較短，則地震反應加速度較大。所以，設法將建築物自然周期加長，反應加速度就會有大幅度的下降。隔震結構的原理即是將隔震器設置於建築物的基礎下，加長建築物的自然週期，降低反應加速度，減低上部結構所承受的地震力反應（大約可降至 1/3~1/10），以確保上部結構與內部設備的安全性。隔震器內適當地加入阻尼器，使隔震器不但可藉由延長週期降低加速度的反應，更可藉由阻尼機能的發揮再降低地震加速度反應。. 20.

(25) 2.3 隔震結構之分類隨安裝位置的不同，隔震層考慮的要點也不同，如圖 2.1.1.2 所示，本節分別說明基礎隔震工法及中間層隔震工法兩個種隔震設置方法的要點。一、基礎隔震工法 1.於建物的基礎下設置隔震層。 2.建物周邊必須預留隔震淨空間。大地震時的，水平變形單側約達 50∼ 60cm，另需擋土牆厚度，故基地周圍可能須具備 1 公尺寬以上空間。二、中間層隔震工法 1.適合建物周邊没有多餘的基地時、或地下很深、需大規模檔土牆工程時。 2.高樓層建物(塔樓)與低樓層建物(裙樓)交接處、設置隔震層。 3.隔震層中之設備配管類的可撓性化需要空間，從建物下層到上層通過隔震層的配管種類非常多的建物、可撓性化所需的空間及費用需加檢討。 4.垂直動線 (如電梯間、樓梯間)需做特別處理。處理方法大致有(a)垂直動線在建築設計時不直接通過隔震層及(b)垂直動線在隔震層位置必須考慮大變形的可繞性能力等 2 種。 5.室內裝修材可容許最大 50∼60cm 的變形，且需満足防水、防火性能要求。隔震結構工程隨建物條件不同而異，通常工程費用比耐震結構高。但一般耐震結構，各樓層各梁柱構件及梁柱接頭處均需有相當嚴格的施工品質管制，才能確保建築物的韌性，避免因施工品質的變異而造成建築物軟弱層的發生，對於施工的技術及施工管理層面上，要達到耐震結構的韌性設計要求，是相當不容易且難以達成的。然而對於隔震結構而言，因其地震力作用均集中在隔震層中，隔震層以上的各個樓層所受的地震力作用相當小，故從施工管理的層面來看，隔震結構的施工管理要徑僅有隔震層之施工，較易集中掌握其施工品質，故就施工品質管理而言，一個成功的隔震結構比一個成功的韌性結構，其施工管理成本要降低很多。若建造成本不僅單純地考量新建時成本，而以理想的隔震結構與理想的韌性結構之建造成本為基準作比較，隔震結構的成本不見得比韌性結構的成本高。若更進一歩考慮營建生命週期內之修繕成本，例如考慮在地震發生頻繁的台灣地區，由於地震衍生建築物、裝潢、家具等之補修費用一，從長期費用考慮下，隔震結構的成本可能反而較為經濟。. 21.

(26) 2.4 隔震建物的反應特性 2.4.1 隔震建物之優點相較於耐震結構相比較之下，隔震建築物的反應效果一般有下列優點： 1.建築物內部的家具設備受到地震動的搖晃程度反應加速度可降低 1/3~1/10，使居住的安全性提升，避免設備配管的損傷及家具和物品的移動與傾倒(圖 2.2.1.1)。 2.結構體中所承受地震層剪力會降低，故梁或柱的斷面減小，有利於建築使用空間。 3.建築物各樓層因地震產生之層間變位減少，故可提昇樓層間的設備配管以及內、外裝材的安全性可以提升。圖 1.1.3 表示各種結構系統對於地震的抵抗形式。通常的耐震結構是由柱、梁、壁等 RC 結構體產生的材料龜裂或鋼材變形與降伏來吸收地震能量。而隔震結構係由隔震器來隔絕吸收地震能，以下為隔震結構之力學優點。一、扭轉反應降低傳統耐震建築物如圖 2.2.1.2 所示，地震發生時，建築物的水平地震力作用於建築物的重心，而建築物的抵抗力中心為剛心，若兩點間有所偏心，則會產生扭轉效應，建築物角隅的柱會產生極大的變形，而有破壞的可能。但隔震結構系統，可藉由隔震器的配置與調整，將建築物的重心與隔震層的剛心調整為一致，可大幅減少扭轉效應所造成的破壞。二、高層建築物的反應降低相較於與中低層建築物，高層建築物的自然週期較長，故加速度的反應值較小，而高模態的自然週期比第一模態的自然週期短，所以高模態對建築物振動的影響就愈大(圖 2.2.1.3)。高層的住宅及辦公室，隔震結構將建築物長週期化，除了第一振動模態的反應降低以外對於其他高模態的振動反應也有抑制反應的效果，對於安全性的確保及機能的維持，高樓層建築採用隔震結構系統的在國外的實際案例越來越多。高層建築物之隔震器設計需更加詳細周到。另外，高層建築物會產生的傾倒力矩會較大，設計時要考慮隔震器受拉力作用時的情況。三、軟弱地盤上的建築物反應降低港灣海岸地區的地盤較為軟弱，地盤本身的卓越週期與硬地盤比較之下，軟弱地盤的卓越週期較長可達 2~3 秒，可能與建築物隔震結構的週期相近，導致隔震效果不彰，而降低了軟弱地盤上建築物使用隔震結構的可行性。但由於現在物流業的發展，港灣地區常設置大型的自動化倉庫，為防止 22.

(27) 地震造成倉庫內部之機器與商品，亦漸有採用隔震結構系統的建築物。軟弱地盤上採取隔震結構系統與高層建築物相同，其隔震建築物需更加延長週期，所以隔震器的設計需更加嚴格，而且軟弱地盤上採用隔震系統，可能會發生位移量很大的情形需更加注意，故在設計時需要加裝較多的阻尼設施。隔震結構建築物發揮隔震的效果通常從地震震度 3 級開始作用，大地震 (震度 5、6 級以上)時之改善效果會更為顯著。滑動式的隔震系統對於較小的地震即可令產生隔震效果，但必須考慮到風力作用下建築物不能產生搖晃，以避免居住者產生不安。. 2.4.2 隔震建物地震時反應行為隔震建築物的特性可由隔震層強制變位試驗或自由振動試驗確認，亦可由實際的地震觀測紀錄中直接觀察地震時隔震建築物的反應行為。在本文中，提供一個 1995 年兵庫縣南部地震時，隔震建築物(WEST BUILDING)的實際地震觀測實例與模擬分析。WEST BUILDING 為一幢六樓的隔震建築物，隔震層設置於基礎與一樓樓板之間，本建築物的概要如表 2.2.2.1 所示。本隔震建築物的耐震目標為 Level 2，即在最大速度 40cm/s 之時，隔震層的最大變形量為 25cm 以下，最大加速度為 200gal 以下，上部結構須控制在容許應力範圍以內。本隔震建築物之工址位置位於離兵庫縣南方地震震央 35km，觀測所得之加速度最大值如表 2.2.2.2 所示。比較六樓與基礎之最大值如下；垂直方向六樓反應為基礎反應之 1.8 倍，南北向六樓反應為基礎反應之 1/3.5 倍，東西向六樓反應為基礎反應之 1/3 倍，由此可知，加速度的遞減相當大，隔震效果發揮地相當好。而且隔震層的最大變形量為 10cm 左右，積層橡膠支承皆未發生任何異樣。利用基礎的觀測紀錄進行分析，分析模式與原設計時相同，但建築物實際使用的活載重與設計使用的活載重要小很多，導致使用載重趨近於呆載重。隔震構材水平方向之模式係採用修正雙線性型(Bi-linear)，上部結構之彈性阻尼比採用 2%，隔震構材之內部阻尼比採用 2%。另外，在垂直向分析時，為使觀測記錄資料與分析反應值一致，故將阻尼比變更為 10%。垂直向分析模擬時隔震層及上部結構均設定為彈性。隔震建築物垂直向之反應分析係依據文獻 7 所觀測到之結果，再考慮結構土壤互制作用之影響，隔震層的阻尼比採用 20~30%，故此假設模式可吻合觀測紀錄的資料。圖 2.2.2.1 所示為六樓的觀測紀錄與模擬反應地震波波形，由此可知設計時，使用適當的簡單分析模式，仍可求得一致的結果。隔震建築物在地震發生時的行為，例如超高層隔震建築物、軟弱地盤、復原力特性的模型化、扭轉反應、二方向地震波輸入的影響等可參考文獻 1。. 23.

(28) 2.5 隔震構材的特性隔震構材(隔震器、阻尼器)除了在垂直方向需能支撐建築物的荷重外，在地震發生時，水平方向必須要能提供適當地軟弱以具備大變形能力。隔震器、阻尼器與其他結構構材一樣，在設計時必須先獲得力學特性之定量數值。對設計者而言，積層橡膠隔震器及阻尼器等，與梁、柱等結構構件一樣，在實施設計前要先有相當的瞭解與認識，才能決定其尺寸、材質、性能等適當參數。這正好說明以「隔震裝置」或「隔震材料」來稱呼隔震器，不如就依照稱呼結構構件(結構構材)的方式來稱隔震器為「隔震構材(隔震構件)」來的更加適當貼切。而以隔震構材所組成的機構一般可稱之為隔震系統。欲採用隔震結構系統，且希望獲得相當之隔震效果，對於隔震構材對其性能就必須有相當的要求。隔震構材須具備下列性能：一、絕緣性能(水平變形性能、加長周期、反應減低) 隔震構材主要包含隔震器及阻尼器兩大部分，隔震器在常時荷重時必須具備長期間之安定支持能力。二、阻尼性能(吸收能量、抑制變形) 建築物一般使用年限為 60 年至上百年，故阻尼器必須要確保其性能在長時間的使用下，其性能變化不會變化太大，具有穩定的阻尼遲滯能力。阻尼器部分則必須配合提供足夠的阻尼，以控制整個隔震建築的設計位移不會太大。三、回復性能(水平方向的回復力) 隔震器除了具備相當大的水平變形能力外，還須具備適當的水平剛性，通常應儘量使隔震器的水平剛性柔軟，其隔震性能才會高，讓建築物在地震過後有回覆至原來位置的復原能力。復原性能的大小會影響地震後残留變形的大小。一般水平剛性與復原力特性不會因軸力的變動而產生相當大的變化，為了提高隔震建物的分析與設計之信頼性，有必要考慮軸力的影響。四、支持性能(支持垂直載重) 對於水平變形性能之要求，隔震器必須具備在有水平變形的情況下仍須具有支撐垂直荷重的能力。地震發生時其垂直荷重可能會達到常時荷重的 2 ∼3 倍。五、耐久性、耐候性能對於經年變化所造成的性能劣化現象亦必須控制在容許範圍内。六、品質及誤差控制各項機能與各種類隔震支承的關係如表 2.3.1 所示. 24.

(29) 從微小變形到破壞斷裂的履歴特性以及面壓與速度的相依特性等，設計者應掌握定量數據。一個品質優良的隔震器，除了具備優異的力學特性與耐久性外，品質的安定性更加重要，亦即隔震器的製作精度、水平剛性及極限變位等，其製作品質誤差應要求愈小愈好。. 2.5.1 隔震構材的種類與基本特性隔震構材必須具備上述各項性能，具有多性能的隔震構材一直在研發中，若隔震構材只有單一性能時，則必須和具其他性能的隔震構材混合使用。目前使用於建築物中最廣泛的隔震構材，為滑動支承隔震器、積層橡膠支承隔震器與阻尼器，介紹如下述。目前、隔震器使用如照片 2.3.1.1 的積層橡膠相當地多。積層橡膠係由圓形的薄鋼板（中間鋼板）與薄橡膠片相互膠著而成的構造（積層構造）。橡膠材料的特性其有彈性係數小、延展能力佳、非壓縮性(波松比 0.5)體積變化很小等特性。積層橡膠受到壓力荷重的作用下，橡膠片會產生横方向膨脹的現象，由於橡膠片受到中間鋼板束制的作用，橡膠的體積變化非常小，所以其壓縮變形量非常小，故積層橡膠的垂直方向具有堅硬之特性。水平變形時，中間鋼板幾乎沒有變形只有橡膠片作剪力變形，但不會產生體積變化，因橡膠本身比較柔軟而由橡膠的材料特性來決定水平剛性。因而積層橡膠即垂直方向能夠支撐建築物的荷重，水平方向又有充分的變形能力，故成為目前普遍使用的隔震構材。一、積層橡膠 1.積層橡膠的原理很早之前，人們已利用橡膠伸長率大柔性高的性質來作為隔震器的材料，以減低交通振動或機械振動建築物振動的目的，這方面的應用很早就有了。隔震支承必須要具備其基本的隔震性能；從建築物的重量的支承，到力學特性的發揮(變形、剛性的發揮)，隔震器需審慎選擇其使用的橡膠材料。積層橡膠之垂直剛性比水平剛向要大很多約在 1000 倍~2000 倍以上(圖 2.3.1.1)。隔震支承的極限變形會由橡膠的伸長率與支承的挫屈能力來控制，一般而言，挫屈破壞的問題可藉由隔震支承的外形設計克服，所以，隔震支承的極限變形能力乃由橡膠的變形能力控制。 2.積層橡膠的種類目前常用的積層橡膠支承，從橡膠材料及構造的不同，大致可以分為天然橡膠系積層橡膠支承、鉛心積層橡膠支承、高減衰積層橡膠支承 3 類：從形狀來看，天然橡膠系積層橡膠支承與高減衰積層橡膠支承的外形相似，而鉛心積層橡膠支承係於積層橡膠的中心部位加入圓柱形鉛棒等之衰減材料(圖 2.3.1.2)。積層橡膠的特性係由積層橡膠的水平變形及其水平荷重的 25.

(30) 變形關係(遲滯圈特性)評估，遲滯曲線所圍面積的大小即為能量吸收的大小，其代表衰減能力的大小，各種類積層橡膠的性能概要如表 2.3.1.1 所示。 (1)天然橡膠系積層橡膠支承：使用彈性、耐潛變及耐寒性佳的天然橡膠，但是天然橡膠本身的減衰性能小，有效阻尼比約在 2%~3%左右。所以常需與其他阻尼器裝置一併使用。天然橡膠的遲滯圈特性如圖 2.3.1.3(a)所示為直線形狀。天然橡膠系積層橡膠支承對於溫度、振動次數、反覆載重次數對遲滯圈特性的影響相當小。為了抗氧、臭氧及紫外線等環境劣化因素，一般會在支承外圍以耐候性佳的合成橡膠包覆作為保護層。 (2)鉛心積層橡膠支承：在天然積層橡膠支承中加入鉛棒，鉛棒隨著積層橡膠的水平變形而產生塑性變形發揮其減衰阻尼性能，鉛心積層橡膠的水平力方向之遲滯圈特性如圖 2.3.1.3(b)所示，遲滯圈所包圍的面積大即表示其吸收地震之能力。鉛心降伏前的剛性相當高，亦即微小變形時其剛性高對於抑制強風作用下建築物的搖動有相當好的效果，而降伏後的剛性又相當低，大地震發生時水平方向有較柔軟的剛性特性。而且因為支承本身就具有阻尼特性，可以不必與阻尼器合併使用，故隔震構材的裝置佔用的空間較小。鉛的柔軟性高，在反覆載重變形後其性能也能回覆，且在小力量作用下，鉛心會具有慢慢地變形的特性(潛變特性)，即使地震發生後所產生的殘留變形也會因橡膠的遲滯圈特性，在經過一段時間後回覆到原始位置。 (3)高減衰積層橡膠支承：外形與天然橡膠系積層橡膠支承相同，橡膠材料本身具有衰減性能，故稱之為高減衰橡膠。高減衰積層橡膠的水平方向遲滯圈特性如圖 2.3.1.3(c)所示，相較於天然橡膠系積層橡膠支承，其遲滯圈特性所包圍的遲滯圈面積比較大，代表其吸收能量的能力較大。其遲滯圈隨著水平變形的增加會產生剛性的減少之非線性形狀。高減衰積層橡膠支承的初期剛性低於鉛心橡膠支承的初期剛性，可抑制風作用力所造成的建築物搖晃，同時對於小變形時亦有隔震的效果。高減衰積層橡膠支承的衰減性能隨著橡膠變形而產生，由分子間的摩擦提供阻尼要素及黏性衰減的阻尼要素共同形成，隨著橡膠的種類及變形的大小，其阻尼比會有若干差異，高減衰積層橡膠的有效阻尼比約在 15%~20% 之間，同樣地，與鉛心橡膠支承相同，可以不必與阻尼器合併使用，隔震器的裝置佔用的空間也較小。 3.積層橡膠组裝方法：設置在建物時必要的積層橡膠上下的端部鋼板的裝設方法因為加硫作用(加溫加壓)工程其機具設備能力的關係有(a)與基層橡膠一體成型的還有(b)使用螺栓與積層橡膠接合方式，如圖 2.3.1.4 所示。二、滑動支承滑動支承隔震器必須具備：建築物的支持機能、與地面絕緣的機能。此形式支承之應用在橋梁方面歷史已久，且有許多實際案例(但是不適當作隔震器使用)。 26.

(31) 滑動支承水平方向的遲滯圈特性如圖 2.3.1.5 所示，滑動式支承開始滑動前的初始剛性很高，滑動後的剛性很低，此一特性導致遲滯圈曲線呈現約為四方形。滑動荷重(水平荷重)除以支持荷重(垂直荷重)稱為摩擦係數，摩擦係數小表示滑動支承的隔震絕緣效果大，但為抵抗風力作用的振動生，仍須具備某一程度的摩擦力係數。而且，在同樣的變形量下，當滑動支承摩擦係數愈大時，遲滯圈所包圍的面積亦愈大，吸收能量的能力亦增加，所以從滑動支承衰減性能的觀點來看，摩擦係數的設定相當的重要。因為摩擦係數的設定，決定了滑動支承的特性，因此摩擦係數的安定性非常重要。再則，長期的作用力下其耐荷重性、耐磨耗性、耐候性等皆為非常重要的特性。摩擦係數的大小會隨著材料的不同而異，一般約在 0.1 左右，其會隨著面壓的增加而減少。一定程度(10(cm/sec))以上的速度對摩擦係數幾乎沒有相關性。滑動支承的材料一般由鐵弗龍(PTFE)、不銹鋼板及鋼板等組成，使用時的面壓(單位面積所承受的荷重)通常設定為 100~300kgf/cm2 之間。地震時必須有使建築物回復的彈簧措施，所以常與積層橡膠合併使用。目前市場已開發出具有回覆力的滑動支承 FPS(Friction Pendulum System)，其滑動面為曲面，故具備有回覆功能，因而不需配合彈簧，並可藉由滑動面曲率的設定，調整隔震建築物的週期。三、隔震用阻尼器隔震裝置中的阻尼器，主要為吸收建築物振動的能量，抑制振動的反應。通常隔震用阻尼器僅有阻尼機能，而沒有支持機能、回覆機能，其常與天然橡膠系積層橡膠支承或滑動支承組合使用。由於其與支持機能互相獨立設置，地震發生時的扭轉問題，可藉由隔震用阻尼器的自由配置加以解決。隔震用阻尼器吸收能量的方法有： 1.利用流體的黏性(黏性阻尼器)。 2.利用金屬降伏後的遲滯特性(鋼材阻尼器、鉛阻尼器) 3.利用摩擦力所產生的衰減力(摩擦阻尼) 以上這些阻尼器的遲滯圈特性如圖 2.3.1.6 所示。鋼材阻尼器或摩擦阻尼器在反覆載重作用下受到大變形時，其遲滯圈曲線大致為平行四邊形，摩擦阻尼器則接近長方形，鋼材阻尼器在降伏前，摩擦阻尼器在滑動前的剛性相當大，因此能防制風力等較小作用力造成建築物之移動。一定程度以上的受力以上，剛性下降後，隔震效果才能發揮。黏性阻尼器係利用流體在管內產生的流體抵抗力作為其阻尼力。或以抵抗鋼板與黏性體之間產生的剪力抵抗力作為其阻尼力之剪力型黏性阻尼器。黏性阻尼器的遲滯圈特性(力-變形關係曲線)呈現橢圓形，抵抗板的相對速度最大時，其阻尼力最大，其幾乎沒有剛性，在微小振動或中小地震時其衰減性能容易發揮，但仍須具備有追隨大地震時大變形的能力，故阻尼器的行程 (Stroke)較大，外型形狀也較大。 27.

(32) 2.5.2 積層橡膠的基本特性與設計製造本節介紹一般最常用的隔震器由積層橡膠之基本力學特性、設計要點與製作方法。 1.積層橡膠的基本特性積層橡膠用於隔震系統中一般可歸納成下列三種形式；(1)天然橡膠系列的積層橡膠；(2)天然橡膠與各種阻尼器組成的系統，機能分離型；(3)高阻尼橡膠系列積層橡膠或鉛心置入型積層橡膠，其為隔震器與阻尼器機能一體化的系統，故稱為機能一體型。天然橡膠具之抗拉強度、延展性、耐潛變性等性能優越、對於温度變化所造成物性的變化亦相當小之特色。天然橡膠系列的積層橡膠係以天然橡膠為主體的積層橡膠，其復原力特性呈線彈性。另外，鉛心置入型積層橡膠係在積層橡膠中心之孔穴中置入鉛棒，鉛心棒約積層橡膠外徑的1/5∼1/7，利用鉛棒的塑性變形產生阻尼效果。高阻尼橡膠系列積層橡膠係以特殊配比的橡膠材料，利用橡膠材料分子間之摩擦提高粘滯性用來吸收能量以產生阻尼效果。鉛心置入型積層橡膠以及高阻尼橡膠系列積層橡膠等的復原力特性會呈現彈塑性。積層橡膠與鐵弗龍不鏽鋼板所組成的滑動支承機構，係利用滑動摩擦的特性來提供隔震構材的阻尼力，或者以球型支承的滾動摩擦的特性來提供隔震構材的阻尼力。天然橡膠系列積層橡膠的水平剛性 K H 與面壓 σ 的近似值關係式，如下：  σ KH = 1 −  KH 0  σ cr.    . 2. ,. KH0 =. GA h. (1). 其中， K H 0 為面壓為 0 時之水平剛性， G 為橡膠之剪力彈性模數， A 為受壓面積， h 為橡膠層總厚度， σ cr 為挫屈應力強度，其為水平剛性 0 時的對應垂直應力強度，其可由下式估算： σ cr ≅ ζGS1 S 2 (2) 其中， S1 為積層橡膠的 1 次形狀係数、 S 2 為積層橡膠的 2 次形狀係數，這些形狀係數是描述積層橡膠形狀之重要因子，如下：橡膠的束制面積（受壓面積）橡膠直徑 S1 = S2 = 橡膠一層的自由表面積(側面積) 橡膠層總厚度其中 ζ 值為 0.9，當 S1 為 30 以上時 0.95，當 S1 介於 30 之 10 之間 1.0、當 S1 為 10 以下時。由(1)式可知，面壓愈大，則天然橡膠系列積層橡膠水平剛性會如拋物線般地降低。為了確保面壓為 0 時，其水平剛性降低的程度控制在 10%以内，則積層橡膠的面壓須控制在 σ cr 3 應力強度以下。地震時，積層橡膠會受到彎矩作用及上下振動所造成的額外軸力作用。積層橡膠在對於軸力變動下所受的最大 28.

(33) 面壓時，應確保安定變形能力能夠順利發揮，因而設計時需限制最大面壓。最大面壓與各個積層橡膠的水平變形能力有相當大的關連，並沒有一定的標準。一般而言，最大壓面大致可考慮為 σ cr 2 左右。文獻[4]提到相關試驗結果及其理論解；以鋼板露出型積層橡膠與中間鋼板埋入型積層橡膠比較之下，中間鋼板埋入型積層橡膠之水平剛性與面壓的相依性較大，在使用前須作充分檢討。隨著隔震建築有愈來愈高的情形，積層橡膠則愈來愈有機會受到拉力的作用。近年來，積層橡膠抗拉力特性的實驗研究亦增加了很多，積層橡膠的抗拉力特性也愈來愈清楚與準確。圖 2.3.2.1 所示為積層橡膠受到拉力作用下，其拉力荷重與拉力變形關係之例。在試驗中，試驗體為天然橡膠系列之積層橡膠，其直徑 500mm、橡膠總厚度 97.5mm。試驗中，先施加 200mm 的剪力變形後，再以變位控制得到拉力變形。最大拉力變形量約與橡膠的總厚度一致（即拉力應變為 100%）。在圖 2.3.2.1 中可發現，積層橡膠的拉力特性為雙線性型的遲滯圈特性，其拉力初期剛性為壓縮剛性的 1/10∼1/15，2 次剛性則為初期剛性的 1/10，降伏應力（與一般的降伏現象有些不同，在此以降伏這個字眼來代表其行為現象）為橡膠材料剪力模數的 2∼3 倍左右。相較於壓縮特性，積層橡膠的拉力特性非常軟弱。但拉力應變達 100%之變形作用以後，其壓縮特性及壓縮剪力特性所造成的變化非常小，亦即拉力作用之大變形對於積層橡膠的影響並不顯著。實際設計允許積層橡膠承受若干程度的拉力變形（例如 10%以下）。但橡膠這一類的製品，剪力變形變大時，拉力變形能力可能會急速地降低，所以容許拉力應變標準值之設定應更加審慎注意。當積層橡膠受到拉力變形後，壓縮剛性及水平剪力剛性並未受到顯著影響，其原因目前並沒有明確的答案，可為未來研究的課題之一。當積層橡膠發生剪力變形時，其承受荷重之機制可以由單純的有效支持部分來考慮（積層橡膠上下面之重疊部分），若壓縮荷重除以有效支持部分之面積 Ae 所得之應力到達挫屈應力強度時，此時積層橡膠的變形狀態即為積層橡膠的安定極限變形。有效支持面積 Ae 為水平變形量 δ ，若其水平變形量 δ 為積層橡膠直徑的 0.6 倍左右，且誤差量控制在 2%以下，其有效面積關係式可依 Ae = (1− 1.2 δ D )A 求得。根據上述假設，可求得水平變形量與面圧的関係如圖 2.3.2.2 點線所示。在圖 2.3.2.2 中可發現，隨著面壓愈來愈大，安定極限變形量會直線下降。實際上，除了有效支持部分的支撐效果外，應還有如材料應變硬化等的支撐能力，所以積層橡膠的安定極限變形能力應會在圖中的點線以上，其中差異需視積層橡膠的形狀及軸力的大小而決定，故可求得，安定極限變形 δ cr 的下限値。圖 2.3.2.3 所示為天然橡膠系列積層橡膠之壓縮剪力破壞試驗。橡膠厚度分別為 7mm ( S1 =18)與 3.75mm( S1 =33)二類，其直徑均為 500mm， S 2 =5。兩試驗體的橡膠材料為同一種類，剪力彈性模數 G 為 0.45N/mm2。在 S1 =33 的試驗體中，剪應變到達 250%左右時，面壓並無顯著影響，幾乎獲得同樣的水平剛性。其中，剪應變為積層橡膠的水平變形量除以橡膠總厚度之值。 29.