醫療院所耐震補強與性能提升之研究---總計畫暨子計畫：外接黏性阻尼器於醫院結構耐震補強之應用(III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

醫療院所耐震補強與性能提升之研究--總計畫暨子計畫:外 接黏性阻尼器於醫院結構耐震補強之應用(III)

研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 整合型

計 畫 編 號 ： NSC 98-2625-M-011-002-

執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學營建工程系

計 畫 主 持 人 ： 黃震興

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：黃泰淵 博士班研究生-兼任助理人員：林旺春

報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文

處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢

中 華 民 國 99 年 09 月 06 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

外接黏性阻尼器於醫院結構耐震補強之應用

計畫類別：□ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC98－2625－M－011－002

執行期間：九十八年八月一日至九十九年七月三十一日

計畫主持人：黃震興 國立台灣科技大學營建工程系教授 計畫參與人員：黃泰淵 國立台灣科技大學營建工程系研究生

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

■出席國際學術會議發表之論文一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計 畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢□涉及專 利或其他智慧財產權，■一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立台灣科技大學營建工程系

中 華 民 國 九十九 年 七 月 三十一 日

摘要

當災害發生時醫院在救災活動中扮演著不可或缺之重要角色，在 民國八十八年的九二一集集大地震中，中部災害相當嚴重，此時最需 要醫療資源，但有幾間醫院因本身建築結構及醫療設備遭破壞，造成 無法提供緊急醫療，僅能在戶外進行簡單診療工作，因此若能有效地 提升醫院建築結構體之耐震能力，亦應同時提升醫院電機及重要醫療 設備之耐震性能，必能在大地震發生後確保生命安全與醫療設備正常 運作等性能。

本研究提出建造一反力鋼構構架以外接黏性阻尼器銜接醫院結 構之補強方法，並考慮非古典阻尼，以及黏性阻尼器所消散之能量等 於結構之總應變能的觀念，推導出各樓層之阻尼係數作為減震設計依 據，且以逐樓層與部分樓層加裝阻尼器補強之兩種方法進行分析，來 驗證設計公式的正確性，並擬定出補強設計方法，以降低醫院結構體 受地震作用下之位移及加速度反應。

本研究結果顯示，設計公式所識別之阻尼比可有效達到目標阻尼 比，而欲補強之結構以逐樓層與部分樓層加裝阻尼器補強方法承受地 震歷時作用下，皆能使欲補強之結構的位移與加速度歷時反應降低。

Abstract

Hospitals are essential structures which have to remain functional after major earthquakes. The lessons learned from the 1999 Taiwan Chi-Chi earthquake have shown that some hospital structures may lose their functionality after major quakes if there are not properly designed. Thus, seismic retrofit is need for these hospital structures. However, to retrofit a hospital structure is extremely difficult simply because the hospital is in service, and any interference or intrusion arisen from the seismic retrofit to the medical operation may not be acceptable. In addition, the retrofit strategies that cause large noise and vibration may also be rejected.

Considering the aforementioned construction difficulties, to externally connect viscous dampers may be one of the good and feasible options for the seismic retrofit of hospital structures. A few reaction structures with well separated vibration frequency from that of the hospital structure will be built adjacent to the hospital, and viscous dampers are then connected in between the hospital structure and the reaction structures. In this study, the design formulations are developed for the design of the viscous dampers and the reaction structures. Design formulas and procedure are established to determine the damping coefficients of the viscous dampers corresponding to a desired added damping ratio to the hospital structure.

The requirements for the appropriate natural frequency of the reaction structure are also provided so that the reaction structure can be designed in accordance.

目錄

摘要….. ... III

Abstract ... III

...IX

... VII

... X

第一章 緒論 ... 1

1.1 研究背景與目的...1

1.2 研究重點與內容...5

第二章 含黏性阻尼器減震結構之設計理論 ... 7

2.1 前言...7

2.2 液態黏性阻尼器之介紹及力學特性 ...7

2.2.1 液態黏性阻尼器之介紹...7

2.2.2 液態黏性阻尼器之力學特性...7

2.3 含液態黏性阻尼器結構之等效阻尼比 ...10

2.3.1 結構系統中各桿件所貢獻之阻尼比 ...10

2.3.2 線性黏性阻尼器之等效阻尼比...12

2.3.3 非線性黏性阻尼器之等效阻尼比 ...16

第三章 兩相鄰多自由度結構以黏性阻尼器銜接之耐震補 強設計理論

... 18

3.1 補強設計構想與設計理論介紹 ...19

3.2 有效模態質量之定義...20

3.3 以阻尼器銜接兩單自由度系統之阻尼比推導 ...24

3.3.1 考慮古典阻尼求解：模態分析...25

3.3.2 考慮非古典阻尼求解：狀態空間法 ...26

3.3.3 系統整體阻尼比討論...30

3.3.4 線性黏性阻尼器對系統阻尼比之貢獻 ...31

3.3.5 阻尼器設計公式驗證(I)...32

3.3.5.1 SAP2000N 對黏性阻尼器之模擬 ...32

3.3.5.2 線性黏性阻尼器識別阻尼比之方式...33

3.3.5.3 結構耐震設計分析：2D 構架模型...35

3.3.5.4 黏性阻尼系統之設計...38

3.3.5.4.1 逐樓層加裝阻尼器補強之方法...39

3.3.5.4.2 部分樓層加裝阻尼器補強之方法...40

3.3.5.5 自由振動：線性黏性系統阻尼比識別...41

3.4 以阻尼器銜接兩多自由度系統之阻尼比推導 ...43

3.4.1 阻尼器設計公式驗證(II) ...45

3.4.1.1 黏性阻尼系統之設計...45

3.4.1.1.1 逐樓層加裝阻尼器補強之方法...45

3.4.1.1.2 部分樓層加裝阻尼器補強之方法...46

3.4.1.2 自由振動：線性黏性系統阻尼比識別...46

第四章 動態分析探討 ... 49

4.1 分析 2D 構架模型...49

4.1.1 地震歷時反應：線性黏性阻尼器設計公式驗證 ...49

4.2 分析 3D 構架模型...51

4.2.1 結構耐震設計分析：3D 構架模型...51

4.2.2 黏性阻尼系統之設計...57

4.2.2.1 逐樓層加裝阻尼器補強之方法...58

4.2.2.2 部分樓層加裝阻尼器補強之方法...59

4.2.3 自由振動：線性黏性系統阻尼比識別 ...60

4.2.4 地震歷時反應：線性黏性阻尼器設計公式驗證 ...62

第五章 結論與建議 ... 65

參考文獻

... 67

... 73

... 87

表索引

表 3-1 規則型結構十層樓二維構架之梁柱桿件尺寸...73

表 3-2 規則型結構十層樓二維構架各樓層之質量、勁度與正規化 模態...73

表 3-3(a) 反力鋼構架十樓層二維構架之梁柱桿件尺寸 ...74

表 3-3(b) 反力鋼構架五樓層二維構架之梁柱桿件尺寸 ...74

表 3-4 規則型結構十層樓二維構架 X 向地震力豎向分配...74

表 3-5 規則型結構十層樓二維構架在豎向分配地震力作用下 X 向 各樓層之層間變位角...75

表 3-6 規則型結構十層樓二維構架第一模態之有效模態質量計算 參數...75

表 3-7 反力鋼構架十樓層二維構架第一模態之有效模態質量計算 參數...76

表 3-8 反力鋼構架五樓層二維構架第一模態之有效模態質量計算 參數...76

表 3-9 規則型結構十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強，並 以式(3.63)計算阻尼係數之計算參數...76

表 3-10 規則型結構十層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強， 並以式(3.63)計算阻尼係數之計算參數...77

表 4-1 規則型結構十層樓二維構架受 100%El Centro 地震擾動下， 頂樓、6 樓、3 樓的空構架與加裝阻尼器補強後之比值 ...77

表 4-2 規則型結構十層樓二維構架受 100%TCU065 地震擾動下， 頂樓、6 樓、3 樓的空構架與加裝阻尼器補強後之比值 ...78

表 4-3 規則型結構十層樓二維構架受 200%TAP003 地震擾動下， 頂樓、6 樓、3 樓的空構架與加裝阻尼器補強後之比值 ...78

表 4-4 規則型結構十層樓二維構架受 100%Kobe 地震擾動下， 頂樓、6 樓、3 樓的空構架與加裝阻尼器補強後之比值 ...78

表 4-5 規則型結構十層樓二維構架受地震擾動下，以逐樓層加裝

阻尼器補強方法之各樓層的阻尼出力 ...78

表 4-6 規則型結構十層樓二維構架受地震擾動下，以部分樓層加 裝阻尼器補強方法之各樓層的阻尼出力 ...79

表 4-7 規則型結構八層樓三維構架之梁柱桿件尺寸...79

表 4-8 規則型結構八層樓三維構架各樓層之質量、勁度與正規化模態 ...79

表 4-9(a) 反力鋼構架八樓層三維構架之梁柱桿件尺寸 ...80

表 4-9(b) 反力鋼構架四樓層三維構架之梁柱桿件尺寸 ...80

表 4-10 規則型結構八層樓三維構架 X 向地震力豎向分配...80

表 4-11 規則型結構八層樓三維構架 Y 向地震力豎向分配 ...81

表 4-12 規則型結構八層樓三維構架在豎向分配地震力作用下 X 向各樓層之層間變位角 ...81

表 4-13 規則型結構八層樓三維構架在豎向分配地震力作用下 Y 向各樓層之層間變位角 ...82

表 4-14 規則型結構八層樓三維構架的第一模態之有效模態質量， 並以逐樓層加裝阻尼器補強以式(3.63)計算阻尼係數之計算 參數 ...83

表 4-15 反力鋼構架八樓層三維構架第一模態之有效模態質量計算 參數 ...83

表 4-16 規則型結構八層樓三維構架的第一模態之有效模態質量， 並以部分樓層加裝阻尼器補強以式(3.63)計算阻尼係數之計 算參數 ...84

表 4-17 反力鋼構架四樓層三維構架第一模態之有效模態質量計算 參數 ...84

表 4-18 規則型結構八層樓三維構架受 100%El Centro 地震擾動下， 頂樓、6 樓、3 樓的空構架與加裝阻尼器補強後之比值...84 表 4-19 規則型結構八層樓三維構架受 100%TCU065 地震擾動下，

表 4-20 規則型結構八層樓三維構架受 200%TAP003 地震擾動下，

頂樓、6 樓、3 樓的空構架與加裝阻尼器補強後之比值...85 表 4-21 規則型結構八層樓三維構架受 100%Kobe 地震擾動下，頂

樓、6 樓、3 樓的空構架與加裝阻尼器補強後之比值...85 表 4-22 規則型結構八層樓三維構架受地震擾動下，以逐樓層加裝

阻尼器補強方法之各樓層的阻尼出力...85 表 4-23 規則型結構八層樓三維構架受地震擾動下，以部分樓層加

裝阻尼器補強方法之各樓層的阻尼出力...86

圖索引

圖 1-1 以外接黏性阻尼器銜接醫院結構之補強方法...87

圖 1-2 兩單自由度系統之相角差關係圖 ...87

圖 2-1 含 run-through rod 液態阻尼器之縱向剖面圖 ...88

圖 2-2 線性與非線性阻尼器之力量與速度關係圖...88

圖 2-3 線性與非線性黏性阻尼器力量與位移之遲滯迴圈...89

圖 2-4 黏性與黏彈性阻尼器力與位移之遲滯迴圈...89

圖 2-5 承受正弦運動下之單自由度系統 ...90

圖 2-6 彈性應變能

( W

)

( W

)

...90

圖

3-1

...91

圖

3-2

...91

圖

3-3

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c c

c

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圖 3-4 第一模態阻尼比與頻率比之關係圖(

ξ

ξ

c c

c

c

圖 3-5 第一模態阻尼比與頻率比之關係圖(

ξ

ξ

c c

c

c

圖 3-6 第一模態阻尼比與頻率比之關係圖(

ξ

ξ

c c

c

c

圖 3-7 第一模態阻尼比與頻率比之關係圖(

ξ

ξ

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c

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圖 3-8 第一模態阻尼比與頻率比之關係圖(

ξ

ξ

c c

c

c

圖 3-9 第二模態阻尼比與頻率比之關係圖(

ξ

ξ

c c

c

c

圖 3-10 第二模態阻尼比與頻率比之關係圖(

ξ

ξ

c

c

c

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圖 3-11 第二模態阻尼比與頻率比之關係圖(

ξ

ξ

/ _a =

d

c

c

c

c

圖 3-12 第二模態阻尼比與頻率比之關係圖(

ξ

ξ

c c

c

c

圖 3-13 第二模態阻尼比與頻率比之關係圖(

ξ

ξ

c c

c

c

圖 3-14 第二模態阻尼比與頻率比之關係圖(

ξ

ξ

c c

c

c

圖 3-15 相角差(

θ

θ

ξ

ξ

c c

c

c

圖 3-16 相角差(

θ

θ

ξ

ξ

c c

c

c

圖 3-17 相角差(

θ

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c c

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圖 3-18 相角差(

θ

θ

ξ

ξ

c c

c

c

圖 3-19 相角差(

θ

θ

ξ

ξ

c c

c

c

圖 3-20 相角差(

θ

θ

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ξ

c c

c

c

圖 3-21 中間段帶寬與

c /

c

c /

c

ξ

ξ

圖 3-22 SAP2000N 中所提供之非線性元素 Damper...111

圖 3-23 規則型結構十層樓二維構架之逐樓層加裝阻尼器示意圖..111

圖 3-24 規則型結構十層樓二維構架之部分樓層加裝阻尼器示意圖 ...112

圖 3-25(a) 規則型結構十層樓二維構架各樓層之勁度 ...113

圖 3-25(b) 規則型結構十層樓二維構架各樓層之勁度 ...114

圖 3-26(a) 規則型結構十層樓二維構架 X-Z 向應力比-DL+LL...115

圖 3-26(b) 規則型結構十層樓二維構架 X-Z 向應力比-DL+LL+EQ ...115 圖 3-27 規則型結構十層樓二維構架銜接十層樓反力鋼構架之中

間段帶寬檢核 ...116 圖 3-28 規則型結構十層樓二維構架銜接五層樓反力鋼構架之中

間段帶寬檢核 ...116 圖 3-29 脈衝型正弦波地表加速度擾動 ...117 圖 3-30 規則型結構十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強且

以式(3.48)計算阻尼係數之系統阻尼比 15%，系統自由振 動之位移反應 ...117 圖 3-31 反力鋼構架十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強且

以式(3.48)計算阻尼係數之系統阻尼比 15%，系統自由振 動之位移反應 ...118 圖 3-32 規則型結構十層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

且以式(3.48)計算阻尼係數之系統阻尼比 15%，系統自由 振動之位移反應 ...118 圖 3-33 反力鋼構架五層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

且以式(3.48)計算阻尼係數之系統阻尼比 15%，系統自由 振動之位移反應 ...119 圖 3-34 以阻尼器銜接兩多自由度系統之阻尼比公式推導說明圖..119 圖 3-35 線性黏性阻尼器銜接兩結構之設計流程圖...120 圖 3-36 規則型結構十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強且

以式(3.63)計算阻尼係數之系統阻尼比 15%，系統自由振 動之位移反應 ...121 圖 3-37 反力鋼構架十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強且

以式(3.63)計算阻尼係數之系統阻尼比 15%，系統自由振 動之位移反應 ...121

圖 3-38 規則型結構十層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強 且以式(3.63)計算阻尼係數之系統阻尼比 15%，系統自由 振動之位移反應 ...122 圖 3-39 反力鋼構架五層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

且以式(3.63)計算阻尼係數之系統阻尼比 15%，系統自由 振動之位移反應 ...122 圖 4-1 1940 年 El Centro 加速度時間歷時、加速度反應譜、位移

反應譜示意圖...123 圖 4-2 九二一集集大地震 TCU065 加速度時間歷時、加速度反應

譜、位移反應譜示意圖...124 圖 4-3 九二一集集大地震 TAP003 加速度時間歷時、加速度反應

譜、位移反應譜示意圖...125 圖 4-4 日本 Kobe 地震之加速度時間歷時、加速度反應譜、位移

反應譜示意圖...126 圖 4-5 規則型結構十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方法

受 100%El Centro 地震擾動下之位移歷時反應...127 圖 4-6 規則型結構十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方法

受 100%El Centro 地震擾動下之加速度歷時反應...128 圖 4-7 規則型結構十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方法

受 100%TCU065 地震擾動下之位移歷時反應 ...129 圖 4-8 規則型結構十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方法

受 100%TCU065 地震擾動下之加速度歷時反應 ...130 圖 4-9 規則型結構十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方法

受 200%TAP003 地震擾動下之位移歷時反應...131 圖 4-10 規則型結構十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 200%TAP003 地震擾動下之加速度歷時反應 ...132 圖 4-11 規則型結構十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 100%Kobe 地震擾動下之位移歷時反應...133

圖 4-12 規則型結構十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方 法受 100%Kobe 地震擾動下之加速度歷時反應...134 圖 4-13 反力鋼構架十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 100%El Centro 地震擾動下之頂層位移與頂層加速度 歷時反應 ...135 圖 4-14 反力鋼構架十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 100%TCU065 地震擾動下之頂層位移與頂層加速度 歷時反應 ...136 圖 4-15 反力鋼構架十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 200%TAP003 地震擾動下之頂層位移與頂層加速度 歷時反應 ...137 圖 4-16 反力鋼構架十層樓二維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 100%Kobe 地震擾動下之頂層位移與頂層加速度歷 時反應 ...138 圖 4-17 規則型結構十層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 100%El Centro 地震擾動下之位移歷時反應...139 圖 4-18 規則型結構十層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 100%El Centro 地震擾動下之加速度歷時反應...140 圖 4-19 規則型結構十層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 100%TCU065 地震擾動下之位移歷時反應 ...141 圖 4-20 規則型結構十層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 100%TCU065 地震擾動下之加速度歷時反應 ...142 圖 4-21 規則型結構十層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 200%TAP003 地震擾動下之位移歷時反應 ...143 圖 4-22 規則型結構十層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 200%TAP003 地震擾動下之加速度歷時反應 ...144 圖 4-23 規則型結構十層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 100%Kobe 地震擾動下之位移歷時反應...145

圖 4-24 規則型結構十層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 100%Kobe 地震擾動下之加速度歷時反應...146

圖 4-25 反力鋼構架五層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強 方法受 100%El Centro 地震擾動下之頂層位移與頂層加速 度歷時反應 ...147

圖 4-26 反力鋼構架五層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強 方法受 100%TCU065 地震擾動下之頂層位移與頂層加速 度歷時反應 ...148

圖 4-27 反力鋼構架五層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強 方法受 200%TAP003 地震擾動下之頂層位移與頂層加速 度歷時反應 ...149

圖 4-28 反力鋼構架五層樓二維構架以部分樓層加裝阻尼器補強 方法受 100%Kobe 地震擾動下之頂層位移與頂層加速度 歷時反應 ...150

圖 4-29 規則型結構十層樓二維構架受 100%El Centro 地震擾動下 各方法之各樓層相對位移、絕對加速度、柱剪力與層間 變位角之情形 ...151

圖 4-30 規則型結構十層樓二維構架受 100%TCU065 地震擾動下 各方法之各樓層相對位移、絕對加速度、柱剪力與層間 變位角之情形 ...152

圖 4-31 規則型結構十層樓二維構架受 200%TAP003 地震擾動下 各方法之各樓層相對位移、絕對加速度、柱剪力與層間 變位角之情形 ...153

圖 4-32 規則型結構十層樓二維構架受 100%Kobe 地震擾動下各 方法之各樓層相對位移、絕對加速度、柱剪力與層間變 位角之情形 ...154

圖 4-33 採用外部補強模式之 3D 模型示意圖 ...155

圖 4-34 規則型結構八層樓三維構架之平面圖...156

圖 4-35(a) 規則型結構八層樓三維構架各樓層之勁度 ...157

圖 4-35(b) 規則型結構八層樓三維構架各樓層之勁度 ...158 圖 4-36 規則型結構八層樓三維構架 X-Z 向應力比-DL+LL ...159 圖 4-37 規則型結構八層樓三維構架 X-Z 向應力比-DL+LL+EQ....159 圖 4-38 規則型結構八層樓三維構架 Y-Z 向應力比-DL+LL...160 圖 4-39 規則型結構八層樓三維構架 Y-Z 向應力比-DL+LL+EQ ....160 圖 4-40 規則型結構八層樓三維構架銜接八層樓反力鋼構架之中

間段帶寬檢核 ...161 圖 4-41 規則型結構八層樓三維構架銜接四層樓反力鋼構架之中

間段帶寬檢核 ...161 圖 4-42 規則型結構八層樓三維構架以逐樓層加裝阻尼器補強且

以式(3.63)計算阻尼係數之系統阻尼比 15%，系統自由振 動之位移反應 ...162 圖 4-43 反力鋼構架八層樓三維構架以逐樓層加裝阻尼器補強且

以式(3.63)計算阻尼係數之系統阻尼比 15%，系統自由振 動之位移反應 ...162 圖 4-44 規則型結構八層樓三維構架以部分樓層加裝阻尼器補強，

以式(3.63)計算阻尼係數之系統阻尼比 15%，系統自由振 動之位移反應 ...163 圖 4-45 反力鋼構架八層樓三維構架以部分樓層加裝阻尼器補強，

以式(3.63)計算阻尼係數之系統阻尼比 15%，系統自由振 動之位移反應 ...163 圖 4-46 規則型結構八層樓三維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 100%El Centro 地震擾動下之位移歷時反應 ...164 圖 4-47 規則型結構八層樓三維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 100%El Centro 地震擾動下之加速度歷時反應...165 圖 4-48 規則型結構八層樓三維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 100%TCU065 地震擾動下之位移歷時反應 ...166 圖 4-49 規則型結構八層樓三維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

圖 4-50 規則型結構八層樓三維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方 法受 200%TAP003 地震擾動下之位移歷時反應 ...168 圖 4-51 規則型結構八層樓三維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 200%TAP003 地震擾動下之加速度歷時反應 ...169 圖 4-52 規則型結構八層樓三維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 100%Kobe 地震擾動下之位移歷時反應...170 圖 4-53 規則型結構八層樓三維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 100%Kobe 地震擾動下之加速度歷時反應...171 圖 4-54 反力鋼構架八層樓三維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 100%El Centro 地震擾動下之頂層位移與頂層加速 度歷時反應 ...172 圖 4-55 反力鋼構架八層樓三維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 100%TCU065 地震擾動下之頂層位移與頂層加速度 歷時反應 ...173 圖 4-56 反力鋼構架八層樓三維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 200%TAP003 地震擾動下之頂層位移與頂層加速度 歷時反應 ...174 圖 4-57 反力鋼構架八層樓三維構架以逐樓層加裝阻尼器補強方

法受 100%Kobe 地震擾動下之頂層位移與頂層加速度歷 時反應 ...175 圖 4-58 規則型結構八層樓三維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 100%El Centro 地震擾動下之位移歷時反應...176 圖 4-59 規則型結構八層樓三維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 100%El Centro 地震擾動下之加速度歷時反應...177 圖 4-60 規則型結構八層樓三維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 100%TCU065 地震擾動下之位移歷時反應 ...178 圖 4-61 規則型結構八層樓三維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 100%TCU065 地震擾動下之加速度歷時反應 ...179

圖 4-62 規則型結構八層樓三維構架以部分樓層加裝阻尼器補強 方法受 200%TAP003 地震擾動下之位移歷時反應 ...180 圖 4-63 規則型結構八層樓三維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 200%TAP003 地震擾動下之加速度歷時反應 ...181 圖 4-64 規則型結構八層樓三維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 100%Kobe 地震擾動下之位移歷時反應...182 圖 4-65 規則型結構八層樓三維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 100%Kobe 地震擾動下之加速度歷時反應...183 圖 4-66 反力鋼構架四層樓三維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 100%El Centro 地震擾動下之頂層位移與頂層加 速度歷時反應 ...184 圖 4-67 反力鋼構架四層樓三維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 100%TCU065 地震擾動下之頂層位移與頂層加速 度歷時反應 ...185 圖 4-68 反力鋼構架四層樓三維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 200%TAP003 地震擾動下之頂層位移與頂層加速 度歷時反應 ...186 圖 4-69 反力鋼構架四層樓三維構架以部分樓層加裝阻尼器補強

方法受 100%Kobe 地震擾動下之頂層位移與頂層加速度 歷時反應 ...187 圖 4-70 規則型結構八層樓三維構架受 100%El Centro 地震擾動

下各方法之各樓層相對位移、絕對加速度、柱剪力與層 間變位角之情形 ...188 圖 4-71 規則型結構八層樓三維構架受 100%TCU065 地震擾動下

各方法之各樓層相對位移、絕對加速度、柱剪力與層間 變位角之情形 ...189 圖 4-72 規則型結構八層樓三維構架受 200%TAP003 地震擾動下

各方法之各樓層相對位移、絕對加速度、柱剪力與層間

圖 4-73 規則型結構八層樓三維構架受 100%Kobe 地震擾動下各 方法之各樓層相對位移、絕對加速度、柱剪力與層間變 位角之情形 ...191

第一章 緒論

1.1 研究背景與目的

台灣位於歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊交界處，因此常發生地 震，所以醫院在地震過後的救災活動中扮演不可或缺之角色，一方面 必須提供震後大量湧入的新病患緊急醫療與照顧，另一方面更需保障 院內病患與醫療團隊之安危。在民國八十八年九二一集集地震中，中 部許多災區的大型醫院在最需要醫療資源的時候，因醫院本身也受到 地震影響而須撤離醫院工作，如在地震後最需要醫療資源的 48 小時 內，南投縣損失了將近 1000 個病床，位於災區南投縣的 9 間主要醫 院，其中有兩間醫院因為本身建築結構體的破壞，被迫無法提供緊急 醫療，許多醫療被迫遷移至戶外進行簡單診療工作，最後只有兩所醫 院能在地震後繼續進行院內治療，由九二一集集地震經驗可知，醫院 在大地震後需保有生命安全及正常運作等性能，除了提升建築結構體 耐震能力，亦應同時提升醫院機電等功能性設施，以及重要醫療設備 等之耐震性能。另外美國加州 1971 年 San Fernando 地震與 1994 年北 嶺地震，以及日本的阪神大地震，都使醫院受創而無法救災，之後各 國都訂定了相關安全法案以及在地震發生時之緊急對策，以備災害發 生時能即時的發揮其醫院機能。所以為了確保地震後能提供災民醫療 服務而提升醫院結構體與非結構之耐震能力，必須對醫療功能需求造 成的結構特殊性有深入之瞭解。在初步的資料收集對國內醫院結構特 性作一簡單敘述。

醫院建築空間配置可分為平面分散式、絕對集中式與相對集中 式，由於台灣土地狹小且取得不易，在考量功能需求下大部份採用絕 對集中式。醫院以功能區分為門診、急診與住院三部分，以台灣為例，

一樓為急診與檢查部門，二至三樓為門診處與開刀房，並於同層樓設 置加護病房與心導管室以考慮其功能關聯性，而住院病房通常位於高

樓層，其視野、通風與採光佳且具穩密性，而呼吸隔離病房置於最高 樓層，備有獨立相關系統(如高速排氣空調系統)，與其他病人和醫務 人員隔離，急診處通常依附於主建築結構，如同一小型醫院具有門 診、檢驗與手術室等。所以對於目前正在營運中之醫院進行耐震補強 極為困難，原因如下：(1)各樓層設計之功能性不同，且相關的獨立 管線與維生系統數量龐大，造成補強的施作位置及施作空間有限；(2) 考量病患在手術後需要安靜與乾淨之醫療環境，所以大量粉塵與噪音 是不允許的；(3)振動對於醫院重要醫療設備運作會造成一定程度的 影響，導致醫生手術時的難度增加並加重病患的負擔；(4)醫院是全 年營運的機構，所以施工期間醫院必定同時處於運作當中，因此工期 的控制有其困難度。所以任何改變結構型式的構想在目前醫療體系思 考邏輯上是不可能被接受的，因此遷就既有的結構型式並使醫院結構 具有良好的防震功能，提出減低結構物地震力反應的防震設計方法，

使醫療設備在大地震作用下保有運作功能，乃為國內醫院結構之重要 研究課題。由於醫院結構型式特殊及醫療設備複雜，其提升耐震能力 具有困難性，以目前地震工程技術而言，被動控制為目前可令醫院結 構達到功能設計的可能。

以下為目前國內外在結構被動控制技術方面的敘述：結構被動控 制技術可分為結構隔震與結構減震兩種方法。在減震設計方面，減震 系統可分為速度相依型與位移相依型兩種，如 ADAS【1】、TADAS

【2】、Unbonded Brace 或 BRB(buckling restrained braces) 【3】，而黏 彈性阻尼器【4~6】，黏性阻尼器【7~19】則屬於速度相依型減震系統。

在減震設計規範方面，國內新版規範【20】已自 FEMA 356【21】第 九章節錄部分條文，其內容相當概略性並未對任一種阻尼系統作完整 描述，亦缺乏詳細設計流程與步驟。液態黏性阻尼器近來在世界各地 受到廣泛應用於結構減震設計，其主要原因為其不具儲存勁度，不影 響結構之自然週期而在設計上相對簡單。

基於上述得知，改變在營運中之醫院結構型式是不被接受的，所

以針對醫院進行補強的施工方法，本研究乃提出建造一反力鋼構結構 以黏性阻尼器相銜接醫院結構之補強方法如圖 1-1，這項補強方法之 優點為其施工時不必進入醫院內進行，而降低施工時帶給病患及醫事 人員的負擔。本研究所提出之補強構想與在相鄰兩結構間加裝阻尼器 之構想十分相似，以下為簡要文獻回顧。現今城市中高樓建築都相當 接近，且高樓建築因無消能裝置互相銜接，當地震時高樓防震能力僅 取決本身耐震能力，為了增加高樓建築之耐震容量，多元的防震技術 乃被應用於銜接相鄰的建築結構，其中以黏彈性阻尼器、黏性阻尼器 與摩擦阻尼器的消能裝置之應用最為廣泛【22~29】，由研究顯示加裝 消能裝置能有效的增加結構系統的耐風能力與耐震容量，並降低兩結 構碰撞機率。研究【27】Luco 和 Barros 提出用黏性阻尼器互相聯結 相鄰兩棟不同高度結構的分配之最佳化研究，結果指出藉由阻尼器用 於各種方式的微小阻尼結構中，在某些條件下可顯著的達到高阻尼 比。研究【30】Xu 等人研究採用液態阻尼器連結多樓層建築結構在 地震作用下的有效性。採用狀態空間法【31~33】進行控制方程式之 參數分析，結果顯示假如能夠適當的選擇阻尼器之特性，如阻尼器之 阻尼係數，其兩棟結構在未連結時的動力特性將被保留，且因地震引 起之動力反應也將有顯著的降低。【34】Zhang 等人研究出以離散的 黏彈性阻尼器結合相鄰建築去降低控制的反應與減緩在地震作用下 之反應，經由參數分析結果，證明在使用適合的離散黏彈性阻尼器之 參數去連結相鄰結構，能明顯降低在隨機地震下的反應。研究【35】

Ni 等人開發出一套方法在分析以非線性遲滯阻尼裝置相互連結兩相 鄰建築的結構系統的隨機地震反應。研究【36】Bhaskararao 等人對 於以黏性阻尼器連結兩個相鄰單自由度結構在基底加速度作用下的 動力行為有一完整之研究，此研究推導出連結系統的運動控制方程式 並求得相對位移反應與絕對加速度反應，由結果可發現在某適當的阻 尼下，以黏性阻尼器連結兩單自由度系統能降低其結構反應。研究

【37】Xu 等人建造兩棟不同頻率之三層剪力屋，並相互以液態阻尼

的液態阻尼器之阻尼係數與設置位置，由試驗比較得知在兩相鄰結構 採用適當的阻尼器連結之系統，能明顯降低兩棟結構之動力反應與增 加其模態阻尼比。研究【38】Zhang 等人推導以麥斯威爾模型(Maxwell Model)之流體阻尼器銜接兩棟相鄰建築的系統方程式，此研究建立一 套能有效決定相鄰結構以流體阻尼器連接之動力特性的方法，經由參 數分析可以識別出恰當的流體阻尼器參數，並用於連結兩棟相鄰結構 能有效增加模態阻尼比與減緩受震反應。

根據上述，過去針對相鄰兩棟建築物以阻尼器連接之研究，可歸 納以下幾點：(1)相鄰兩棟結構以阻尼器連結，的確能夠增加其耐震 能力，降低地震對結構物所造成之破壞；(2)以黏彈性阻尼器或黏性 阻尼器進行連結兩相鄰結構，並無考慮在地震作用時兩棟結構物多自 由度的耦合效應造成所裝設之阻尼器效能的影響；(3)針對兩棟基本 結構特性十分接近之結構物進行加裝阻尼器研究，缺乏相鄰兩結構動 力特性差異較大時之研究；(4)以往分析模式皆採用數值分析進行最 佳化阻尼器參數之識別，並無通用之設計公式或設計流程可供參考。

但上述無提到結構以阻尼器互相連結時，相鄰結構的自然頻率是否造 成阻尼器能有效地運作。例如，假設當兩單自由度的頻率一致的情況 下，兩結構的相角差為0 或^D 180 ，當相角差為^D

θ

θ

θ

θ

c

ξ

ω

ω

θ

θ

之ㄧ。因此將延續文獻【39】所推導之阻尼比設計理論與中間段帶寬 關係之應用，且擴展至多自由度系統並推導整體系統之有效阻尼比，

作為黏性阻尼器之阻尼係數的設計依據，並以逐層樓加裝阻尼器補強 與部分樓層加裝阻尼器補強兩種方式以數值分析驗證。

1.2 研究重點與內容

本研究之補強構想，其整體結構動力行為與前述研究在兩相鄰結 構加裝阻尼器之行為相似，且補強構想中的反力鋼構架之載重僅來自 本身自重，其振動頻率遠高於欲進行補強之醫院結構，因此與前述之 兩相鄰結構以阻尼器連結動力特性並不盡相同。因此本研究繼續延伸 文獻【39】所推導之理論，且擴展至多自由度並推導整體系統之有效 阻尼比，作為黏性阻尼器之阻尼係數的設計依據，以下為研究重點：

1. 以阻尼器銜接兩單自由度系統之阻尼比推導。

2. 以阻尼器銜接兩多自由度系統之阻尼比推導。

3. 線性黏性阻尼器設計方式及驗證。

4. 以三維結構驗證線性黏性阻尼器設計方法之適用性。

第二章 含黏性阻尼器減震結構之設計理論

2.1 前言

液態黏性阻尼器早期運用在軍事工業，於西元 1897 年法國將其 應用在火砲發射台上，之後液態黏性阻尼器陸續被應用在軍事、重工 業與土木工程等領域上，成為幫助結構體吸收能量及消散衝擊力【7、

40】。在土木工程方面，液態黏性阻尼器除了在減震結構物發揮其作 用，例如：消散地震力、降低風力輸入結構之能量，另外在隔震結構 物上也常利用液態黏性阻尼器之功能來增加阻尼值，減少隔震結構物 因加裝隔震系統，使勁度降低導致位移過大。

2.2 液態黏性阻尼器之介紹及力學特性

2.2.1 液態黏性阻尼器之介紹

液態黏性阻尼器的基本構造包含了高強度筒身、油封、活塞桿及 含小孔(orifice)的活塞頭，並在阻尼器內填滿黏性矽基脂液體(silicone oil)，藉由活塞運動，黏性液體由阻尼器的一側經由活塞頭上的小孔 流至另一側，在合金製成的恆溫器校正下，黏性液體的流動將不因溫 度的變化而產生太大影響(-40℃~70℃間維持穩定【40】)。液態黏性 阻尼器的阻尼力主要來自黏性液體流經活塞頭時，在活塞頭兩側產生 的壓力差及液體的可壓縮性，而阻尼力主要用來消散結構因震動產生 之能量。活塞頭上的小孔配置與內部機械構造，可改變流體的流動特 性而產生不同的阻尼力性質，例如：線性或非線性阻尼力與不同的阻 尼係數。圖 2-1 為液態黏性阻尼器的基本構造圖。

2.2.2 液態黏性阻尼器之力學特性

液態黏性阻尼器理想的力學行為是阻尼力只與相對速度相關且

) sgn(u

u

C

F

其中：

F ：阻尼器產生之阻尼力

C ：阻尼器之阻尼係數 u ：活塞運動速度 α

u

u

u

當

α

α

α

α

α

線性阻尼器之阻尼力反而會大於非線性阻尼器的阻尼力。

圖 2-3 為理想液態黏性阻尼器之力量與位移之遲滯迴圈，圖中線 性黏性阻尼器之遲滯迴圈為一橢圓形，而非線性阻尼器則隨著

α

由式(2.1)可知，液態黏性阻尼器之阻尼力與速度同相，與位移成 2

π /

當阻尼器活塞運動的位移為一簡諧之正弦函數時

t u

u

ω

其中：u ：阻尼器活塞運動之位移

u

ω

阻尼器產生之阻尼力由式(2.2)微分後代入式(2.1)可得

ω

ω t

u C

F

當

α

0

ω

(

F

Cu

因此阻尼係數C 可由式(2.4)求得

max max 0

max

) (

) ( )

(

u F u

C F

= 

=

ω

當

α

α

ω

)

(

F

C u

C u

) (ln ln

)

ln( F

= C + α u 

F

u 

由式(2.7)，將(

F

u 

α

由上述可知液態黏性阻尼器分為線性黏性阻尼器及非線性黏性

係；而非線性黏性阻尼器為

α

α

F

= C u 

α

2.3 含液態黏性阻尼器結構之等效阻尼比

美國聯邦災變處理局(Federal Emergency Management Agency, FEMA)從 1997 年起公布了一系列與減震有關之規範，例如 1997 年之 FEMA273、274【41】，2000 年之 FEMA356【21】及 2001 年之 FEAM368、369【42】等 NEHRP(National Earthquake Hazard Reduction Program)規範。FEAM273、274 是最早有關阻尼器設計的規範，

FEAM365 再將其層級由 provisions 提高為 pre-standard。FEAM368、

369 內容主要是新增探討結構物降伏後與多模態之情形，對於減震控 制基本設計方面主要還是以 FEAM273、274 為主。其中關於結構物 加裝液態黏性阻尼器之設計，最重要的應是整體阻尼比的估算公式，

本章節將詳細介紹線性與非線性阻尼器等效阻尼比之推導過程。

2.3.1 結構系統中各桿件所貢獻之阻尼比

針對結構單元桿件阻尼比對整體結構阻尼比之貢獻的求法，可追 溯到由 Raggett (1975)所提出的論文【43】。對一個已知模態且呈穩定 的線性系統，其系統阻尼比可表示如下：

t t

t

U

E ξ π

=4 (2.8)

其中：

ξ

E ：在一週期中所消散的全部能量

U ：在一週期中的最大勢能

將上式作移項整理，可得

E 的表示式

t t

t

U

E

π ξ

再者，結構系統所消散的總能量可看作是各單元桿件所消散能量 之總和，即

∑

=

i i

t

E

E

其中：

E

i i

i

U

E = 4 πλ

其中：

λ

U

t t i

i i i

i

t

E U U

E

∑

π ∑ λ

πξ

所以

∑

=

i t

i i

t

U

λ U

ξ

或是

∑

∑ ⁼

=

i i

i t

i

t

U

E ξ

ξ π

4 (2.14)

其中：

ξ