校舍結構以液流黏性阻尼器補強耐震能力評估之研究 

呂東苗^*    吳亦閎^**

                            *國立中興大學土木工程學系研究所  教授

                           **國立中興大學土木工程學系研究所   研究生

摘要

本文旨在探討校舍結構耐震能力以「液流黏性阻尼器」補強時，應如何依據國家地震工程研究中心(National Center for Research on Earthquake Engineering簡稱NCREE)「校舍結構耐震評估與補強技術手冊」第二版(NCREE-09-023) 【1】之側推分析法完成補強後之耐震能力評估，以作為校舍結構耐震能力補強之另一「解決方案」之參考。 

前言

眾多減震元件中，以液流黏性阻尼器減震系統之設計最為簡便，其特色為不具勁度、不干擾結構物本身之週期，使設計工作簡化許多；液流黏性阻尼器產生之阻尼力與速度同相，與位移呈90度相位，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，不因此增加結構物負擔。正因這些優點，黏性阻尼器目前已成為國內外經常被採用之減震元件，其中又以液流黏性阻尼器(fluid viscous damper)之應用最廣。故本文選擇「液流黏性阻尼器」 之減震補強工法為研究對象。

本文提出了對校舍結構以液流黏性阻尼器補強之設計方法，主要採用國家地震工程研究中心-「校舍結構耐震評估與補強技術手冊第二版(NCREE-09-023)」及相關修訂文件所發展之非線性塑鉸定義，使用其所發展之輔助程式進行整體結構耐震之側推分析，並採用張國鎮、陳長佑提出之「既有鋼建築物加裝消能器補強之位移設計法」【2】原理進行模擬。此法使用替代結構法，將加裝消能裝置補強之校舍結構的非線性分析，以等效線性系統來取代，此理想化線性的方法對於分析上，提供了一個快速且簡單的途徑。 

替代結構原理

建築物加裝消能系統如圖1所示，在圖中能量消散的特性可分為結構非線性變形及能量消散裝置。本研究位移設計的過程中，使用替代結構觀念來包含結構的非線性行為，以等效的線性系統來取代非線性系統，其中包含等效勁度及等效阻尼比，已考慮當結構進入非線性及消能裝置等的影響。此替代結構與非線性結構有相同的極限位移及極限力。因為替代結構有等效線性的特性，故可使用彈性位移反應譜及疊加法，如此替代結構法允許非線性結構系統以彈性的位移反應譜來做設計。 

一、單自由度之轉換

如圖2，將多自由度系統的頂層位移及各層樓質量轉換成單自由度的目標位移及等值質量。多自由度轉單自由度之技巧，是利用規則結構的動力反應主要是由基本振態(或是由構架該方向最主要控制振態)來控制的觀念，將多振態的影響，概略的以此主要的控制振態來計算其動力反應。因此，當我們將多自由度轉為單自由度系統後，便可使用彈性反應譜來預測等效單自由度轉換後結構物的反應。為了建立起原多自由度結構物及轉換為單自由度結構物反應之關係，以下之參數將必須使用到：

三、等效勁度及等效阻尼比

實務上可將結構物非線性變形之消散能量，以等效的遲滯阻尼比來取代。假設結構物受側力時其基底剪力－頂層位移關係為雙線性如圖5，由於結構物在遭受到地震時，結構物並不會永遠在彈性段，也不會一直在變位最大的迴圈上跑動，因此，假想結構在遭受到地震時，其力-位移關係的跑動是從彈性段慢慢來回上升到非線性段的迴圈。假想存在一等效的線性系統如圖6、圖7 等效於如圖5 之系統，並利用上述之假設以兩系統等平均的儲存能量來推導等效線性系統的等效勁度，以等平均的消散能量來推導線性系統因結構非線性所致之等效阻尼，最後等效阻尼比為由結構進入非線性所致之等效阻尼比及消能裝置所致之等效阻尼比相加而成。等效勁度如圖8，將結構非線性勁度行為，以一含線性勁度及遲滯阻尼的系統來模擬。

結論

本文提出以NCREE耐震評估輔助程式結合替代構架法之液流黏性阻尼器補強既有校舍耐震評估方法，將多振態的反應，以一主要控制的模態單自由度化後，再將結構進入非線性行為，合理以一彈性系統：等效勁度、等效阻尼比來做取代，並將消能裝置效能考量到等效的彈性系統內，配合彈性反應譜後，可簡單且方便的作補強評估與設計。 

建議

一、本文以「液流黏性阻尼器阻尼」補強的耐震能力評估為研究對象，後續可對「黏彈性阻尼器」、「降伏型阻尼器」補強的耐震能力評估作進一步研究，將有助於制震補強結構之耐震能力評估。

二、本文中之非線性靜力側推分析將結構物簡化成單自由度，並以其第一振態進行側推分析，如於較高樓層之建築物因受高振態的影響較大，分析結果將會有較大誤差，後續之研究可以變動側力方式將高振態因素納入，以得到更準確之結果。

圖1　建築物加裝消能裝置之消能概念		圖2　單自由度之轉換
圖3　含線性勁度及黏滯阻尼在 週期振動下之力－位移關係		圖4　黏滯阻尼在週期振動下之力－位移關係
圖5　結構側力(基底剪力)－ 頂層位移理想化雙線性關係		圖6　等效線性系統(等效勁度)
圖7　等效線性系統(等效阻尼)		圖8　遲滯結構的模擬
圖9　黏滯型消能裝置在簡諧運動下之 力－位移關係		圖10　消能裝置之擺放位置

表1　阻尼比修正係數

圖11　結構加裝液流阻尼器補強之設計流程

參考文獻

[1]國家地震工程研究中心（2010）。「校舍結構耐震評估與補強技術手冊」第二版。

[2]張國鎮、陳長佑（2005）。「既有鋼建築物加裝消能器補強之位移設計法」。

[3]國家地震工程研究中心（2002）。「含非線性黏性阻尼器結構之減震試驗與分析」。

[4]內政部（2006）。「建築物耐震設計規範及解說」。