摘 要 I ABSTRACT II 誌 謝 III 目 錄 IV 圖表索引 VI 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機與目的 1 1.3 研究方法及內容 3 1.3.1 研究方法 3 1.3.2 研究內容 3 1.4 文獻回顧 4 第二章 制震阻尼器之介紹 7 2.1 前言 7 2.2速度相依型阻尼器其種類及消能原理 8 2.3位移相依型阻尼器之介紹 11 2.3.1金屬阻尼器其種類及消能原理 12 2.4 阻尼器於制震結構中配置方式 15 2.5垂直變位消能裝置之簡介 17 第三章 單層樓結構系統 19 3.1 前言 19 3.2 消能裝置於單層樓結構之配置 19 3.3 消能裝置之參數研究 21 3.4 消能裝置理論等效阻尼比 25 3.4.1 理論等效阻尼比計算方式 25 3.4.2 消能裝置等效阻尼比與互制變數 28 3.5 結構加裝消能裝置後之勁度修正 32 3.5.1 結構勁度改變之影響 32 3.5.2 勁度之修正方式 34 3.6 消能裝置韌性比之決定 35 3.6.1 韌性比對等效阻尼比之影響 35 3.6.2 韌性比對地震模擬下有效阻尼比之影響 37 3.7地震模擬下之有效阻尼比 41 3.7.1 地震資料 41 3.7.2 分析方式 42 3.7.3 分析結果 44 3.8 結論 46 第四章 多層樓結構系統 49 4.1 前言 49 4.2 消能裝置於多層樓結構配置方式 49 4.3 各樓層消能裝置參數 50 4.3.1 各樓層消能裝置參數之影響 50 4.3.2 各樓層消能裝置參數調整方式 51 4.4 多層樓結構消能裝置理論等效阻尼比計算方式 54 4.5 五層樓結構消能裝置消散能力 56 4.5.1 理論等效阻尼比 56 4.5.2 地震模擬之有效阻尼比 58 4.5.3 五層樓結構消能裝置有效韌性比及其折減率 60 4.6 十層樓結構消能裝置消散能力 60 4.6.1 十層樓結構消能裝置配置方式 60 4.6.2 理論等效阻尼比 62 4.6.3 地震模擬之有效阻尼比 62 4.6.4十層樓結構消能裝置有效韌性比及其折減率 63 4.7 二十層樓結構消能裝置消能能力評估 64 4.8 結論 67 第五章 結論與建議 69 5.1 結論 69 5.2 建議 72 參考文獻 73 附錄I 單層樓結構細部介紹 160 附錄II 五層樓結構及消能裝置細部介紹 161 附錄III 十層樓結構及消能裝置細部介紹 166 附錄IV 二十層樓結構及消能裝置細部介紹 172 附錄V 垂直變位消能裝置設計步驟及設計流程 178 附錄VI 垂直變位消能裝置於耐震結構設計流程圖 181 作者簡介 182 圖表索引 圖2.1.1 ELCENTRO地震其週期為0.1～5SEC之加速度反應譜(PSA) 76 圖2.1.2 ELCENTRO地震其週期為0.1～5SEC之位移反應譜(SD) 76 圖2.2.1 液流黏性阻尼器其力與位移之關係示意圖 77 圖2.2.2 較常見之液流黏滯阻尼器搭配斜撐之配置方式 77 圖2.2.3 黏彈性阻尼器其力與位移之關係示意圖 78 圖2.3.1 各種鋼材其應力.應變曲線關係圖 78 圖2.3.2 鋼材阻尼器軸力抵抗型及剪力抵抗型其受力及抵抗方式示意圖 79 圖2.3.3 鋼材阻尼器彎矩抵抗型及扭轉抵抗型其受力及抵抗方式示意圖 79 圖2.3.4 低降伏鋼力與變形曲線關係圖 80 圖2.3.5 軸力抵抗型UNBOUNDED BRANCE DAMPER構造示意圖 80 圖2.3.6 剪力抵抗型框形阻尼器構造示意圖 81 圖2.3.7 彎矩抵抗型鋼材阻尼器構造示意圖 81 圖2.3.8 扭轉抵抗型鋼材阻尼器構造示意圖 82 圖2.4.1 特定層集中配置方式第一層及最上層集中配置方式示意圖 82 圖2.4.2 特定層集中配置方式中間層及複數層集中配置方式示意圖 83 圖2.4.3 制震結構其阻尼器配置方式採取各層分散配置之示意圖 83 圖2.4.4 利用制震阻尼器連接核心結構與週邊結構之配置方式示意圖 84 圖2.4.5 兩相鄰建築物以制震阻尼器連接之配置方式示意圖 84 圖2.4.6 振動特性不同之高低層樓結構以制震阻尼器連接之配置方式 85 圖2.4.7 將結構分成各個振動特性不同之區塊再以制震阻尼器連接之配置方式 85 圖2.4.8 巨型構架與次構架以制震阻尼器連接之示意圖 86 圖2.5.1 傳統耐震結構以梁柱變形消散地震能量示意圖 86 圖2.5.2 具垂直變位之消能裝置示意圖 87 圖2.5.3 具垂直變位消能元件制震結構裝置示意圖 87 圖2.5.4 具垂直變位消能元件制震結構變形消能示意圖 88 圖3.2.1 垂直變位型消能裝置與單層樓結構系統的幾何型式 88 圖3.2.2 垂直變位型消能裝置與單層樓結構系統的細部設置 89 圖3.2.3 垂直變位型消能裝置與單層樓結構系統之變形幾何關係 89 圖3.2.4 垂直變位型消能裝置其力與位移之關係示意圖 90 圖3.3.1 單層樓結構(D=5.0、U=0.02M)消能裝置之降伏力與初始勁度之關係圖 90 圖3.3.2 單層樓結構下(KD=13400T/M和U=0.02M)消能裝置降伏力和降伏變形量之關係圖 91 圖3.3.3 單層樓結構下(KD=13400T/M和U=0.02M)消能裝置降伏力和結構頂層位移之關係圖 91 圖3.3.4 單層樓結構下(KD=13400T/M和U=0.02M)消能裝置降伏力和韌性比之關係圖 92 圖3.3.5 單層樓結構下(FYD=11.1T和D=5.0)消能裝置初始勁度和結構頂層位移之關係圖 92 圖3.3.6 單層樓結構下(FYD=11.1T和U=0.02M)消能裝置韌性比和極限剪力之關係圖 93 圖3.3.7 單層樓結構下(FYD=11.1T和U=0.02M)消能裝置韌性比和初始勁度之關係圖 93 圖3.3.8 單層樓結構下(FYD=11.1T和U=0.02M)消能裝置極限剪力和初始勁度之關係圖 94 圖3.3.9 單層樓結構下(FYD=11.1T和U=0.02M)消能裝置極限剪力和結構基底剪力之關係圖 94 圖3.3.10 單層樓結構下(FYD=11.1T和U=0.02M)消能裝置初始勁度和結構基底剪力之關係圖 95 圖3.4.1 消能裝置力與位移之遲滯迴圈示意圖 95 圖3.4.2 消能裝置遲滯迴圈之消能面積示意圖 96 圖3.4.3 加裝消能裝置之制震結構其力與位移之遲滯關係示意圖 96 圖3.4.4 單層樓結構(D=5.0和U=0.02M)消能裝置相對應至結構之等效阻尼比與消能裝置初始勁度之關係圖 97 圖3.4.5 單層樓結構(D=5.0和U=0.02M)消能裝置相對應至結構之等效阻尼比與消能裝置降伏力之關係圖 97 圖3.4.6 單層樓結構(D=5.0和FYD=11.1T)消能裝置相對應至結構之等效阻尼比與消能裝置初始勁度之關係圖 98 圖3.4.7 單層樓結構(D=5.0和FYD=11.1T)消能裝置初始勁度與消能裝置遲滯消能面積之關係圖 98 圖3.4.8 單層樓結構(D=5.0和FYD=11.1T)消能裝置初始勁度與整體結構之彈性應變能關係圖 99 圖3.4.9 單層樓結構(D=5.0和FYD=11.1T)消能裝置初始勁度與消能裝置相對應結構之等效阻尼比之關係圖 99 圖3.4.10 單層樓結構(KD=13400T/M和FYD=11.1T)消能裝置之消能面積與結構頂層位移之關係圖 100 圖3.4.11 單層樓結構(KD=13400T/M和FYD=11.1T)消能裝置消能面積與整體結構彈性應變能面積之比值和結構頂層位移之關係圖 100 圖3.4.12 單層樓結構(KD=13400T/M和FYD=11.1T)消能裝置相對應結構之等效阻尼比與結構頂層位移之關係 101 圖3.5.1 未修正勁度之空構架結構與裝設消能裝置之制震結構其位移歷時 101 圖3.5.2 地表加速度頻率為18(RAD/SEC)之正弦波輸入下，結構週期為0.1~1SEC之位移反應譜 102 圖3.5.3 6個不同性質之自然地震及9個不同性質之人造地震其最大位移反應譜 102 圖3.5.4 15個不同性質地震其平均最大位移反應譜 103 圖3.5.5 勁度修正與勁度未做修正其結構最大位移之位移衰減率比較圖 103 圖3.5.6 加裝消能裝置之結構當頂層位移旋轉角達至5‰、10‰及15‰時整體結構有效勁度之示意圖 104 圖3.6.1 極限變形量與降伏力固定時，其韌性比和消能面積之示意圖 104 圖3.6.2 完全彈塑性材料，當韌性比為無窮大時，其消能面積示意圖 105 圖3.6.3 完全彈塑性材料，韌性比與消能面積之變化曲線圖 105 圖3.6.4 消能裝置之初始勁度分別為4020(噸/米)、8370(噸/米)及18000(噸/米)之結構頂層位移與消能裝置韌性比之關係圖 106 圖3.6.5 消能裝置之韌性比分別為2.5、5及10其結構頂層位移與消能裝置等效阻尼比之關係圖 106 圖3.6.6 消能裝置之韌性比分別為2.5、5及10其結構頂層位移與消能裝置有效阻尼比之關係圖 107 圖3.7.1 單層樓結構該六組消能裝置於其等效阻尼比與韌性比之關係變化圖 107 圖3.7.2 單層樓結構該六組消能裝置其有效阻尼比與結構頂層位移旋轉角之關係變化圖 108 圖3.7.3 單層樓結構第一組消能裝置其有效阻尼比與等效阻尼比之比較圖 108 圖3.7.4 單層樓結構第二組消能裝置其有效阻尼比與等效阻尼比之比較圖 109 圖3.7.5 單層樓結構第三組消能裝置其有效阻尼比與等效阻尼比之比較圖 109 圖3.7.6 單層樓結構第四組消能裝置其有效阻尼比與等效阻尼比之比較圖 110 圖3.7.7 單層樓結構第五組消能裝置其有效阻尼比與等效阻尼比之比較圖 110 圖3.7.8 單層樓結構第六組消能裝置其有效阻尼比與等效阻尼比之比較圖 111 圖3.7.9 單層樓結構加裝消能裝置之制震結構受到振幅為A5 之ELCENTRO地震其結構頂層位移歷時 111 圖3.7.10 單層樓結構加裝消能裝置之制震結構受到振幅為A10 之ELCENTRO地震其結構頂層位移歷時 112 圖3.7.11 單層樓結構加裝消能裝置之制震結構受到振幅為A15 之ELCENTRO地震其結構頂層位移歷時 112 圖3.7.12 單層樓結構有效韌性比值減率與消能裝置之初始勁度關係圖 113 圖4.2.1 制震結構其消能裝置配置為分散且連續之配置方式示意圖 113 圖4.2.2 多層樓制震結構其消能裝置配置為下層集中之配置方式示意圖 114 圖4.2.3 多層樓制震結構其消能裝置配置為分散且不連續之配置方式示意圖 114 圖4.3.1 五層樓結構其消能裝置之裝設配置示意圖 115 圖4.4.1 五層樓結構各個勁度値之消能裝置其經過修正降伏力修正及未經過降伏力修正之等效阻尼比關係圖 115 圖4.5.1 五層樓結構固定結構頂層位移旋轉角為5‰時與平均韌性比，其消能裝置初始勁度與等效阻尼比之關係圖 116 圖4.5.2 五層樓結構該六組消能裝置其韌性比與等效阻尼比之關係圖 116 圖4.5.3 五層樓結構該六組消能裝置其最大位移衰減率與整體結構頂層位移旋轉角之關係圖 117 圖4.5.4 五層樓結構該六組消能裝置其有效阻尼比與整體結構頂層位移旋轉角之關係圖 117 圖4.5.5 五層樓結構其第一組消能裝置在結構頂層位移旋轉角逐漸增加下，其等效阻尼比與有效阻尼比之比較 118 圖4.5.6 五層樓結構其第二組消能裝置在結構頂層位移旋轉角逐漸增加下，其等效阻尼比與有效阻尼比之比較 118 圖4.5.7 五層樓結構其第三組消能裝置在結構頂層位移旋轉角逐漸增加下，其等效阻尼比與有效阻尼比之比較 119 圖4.5.8 五層樓結構其第四組消能裝置在結構頂層位移旋轉角逐漸增加下，其等效阻尼比與有效阻尼比之比較 119 圖4.5.9 五層樓結構其第五組消能裝置在結構頂層位移旋轉角逐漸增加下，其等效阻尼比與有效阻尼比之比較 120 圖4.5.10 五層樓結構其第六組消能裝置在結構頂層位移旋轉角逐漸增加下，其等效阻尼比與有效阻尼比之比較 120 圖4.5.11 五層樓結構該六組消能裝置其韌性比為5.0及3.0時所相對應之等效阻尼比 121 圖4.5.12 五層樓結構其消能裝置之有效韌性比折減率與初始勁度關係圖 121 圖4.6.1 規則型十層樓空構架結構之示意圖 122 圖4.6.2 消能裝置裝設於十層樓結構系統之配置方式示意圖 122 圖4.6.3 十層樓結構固定消能裝置之平均韌性比與結構頂層位移旋轉角，其消能裝置之初始勁度與等效阻尼比之關係圖 123 圖4.6.4 十層樓結構該六組消能裝置在固定降伏力及初始勁度下其平均韌性比與等效阻尼比之關係圖 123 圖4.6.5 十層樓結構該六組消能裝置其最大位移衰減率與整體結構頂層位移旋轉角之關係圖 124 圖4.6.6 十層樓結構該六組消能裝置其有效阻尼比與整體結構頂層位移旋轉角之關係圖 124 圖4.6.7 十層樓結構第一組消能裝置在結構頂層位移旋轉角逐漸增加下，其等效阻尼比與有效阻尼比之比較 125 圖4.6.8 十層樓結構第二組消能裝置在結構頂層位移旋轉角逐漸增加下，其等效阻尼比與有效阻尼比之比較 125 圖4.6.9 十層樓結構第三組消能裝置在結構頂層位移旋轉角逐漸增加下，其等效阻尼比與有效阻尼比之比較 126 圖4.6.10 十層樓結構第四組消能裝置在結構頂層位移旋轉角逐漸增加下，其等效阻尼比與有效阻尼比之比較 126 圖4.6.11十層樓結構第五組消能裝置在結構頂層位移旋轉角逐漸增加下，其等效阻尼比與有效阻尼比之比較 127 圖4.6.12 十層樓結構第六組消能裝置在結構頂層位移旋轉角逐漸增加下，其等效阻尼比與有效阻尼比之比較 127 圖4.6.13 十層樓結構該六組消能裝置其韌性比為5.0及3.0時所相對應之等效阻尼比 128 圖4.6.14 十層樓結構消能裝置之有效韌性比折減率與初始勁度關係圖 128 圖4.7.1 規則型二十層樓空構架結構之示意圖 129 圖4.7.2 消能裝置裝設於二十層樓結構系統之配置方式示意圖 130 圖4.7.3 有效韌性比折減率為0.5～0.7相對應之有效阻尼比其範圍包含了等效阻尼比極值時之修正範圍示意圖 131 圖4.7.4 二十層樓結構第一組消能裝置有效阻尼比其預估範圍與實際地震模擬之有效阻尼比差異關係圖 131 圖4.7.5 二十層樓結構第二組消能裝置有效阻尼比其預估範圍與實際地震模擬之有效阻尼比差異關係圖 132 圖5.1 單層樓結構、5層樓結構及10層樓結構(D=5.0和STORY DRIFT=5 ‰)其初始勁度與等效阻尼比關係圖 132 表3.6.1 消能裝置降伏力固定為8噸、結構頂層位移旋轉角為5‰時，消能裝置之初始勁度及其韌性比之變化表 133 表3.6.2 消能裝置降伏力固定為8噸，結構頂層位移旋轉角分別為5‰、10‰及15‰時之消能裝置韌性比 133 表3.6.3 各組消能裝置之降伏力、初始勁度及降伏變形量 134 表3.6.4 結構頂層位移旋轉角為5‰、10‰及15‰時，各組消能裝置之韌性比、等效阻尼比及相對應之結構有效週期、基底剪力 134 表3.6.5 結構頂層位移旋轉角為5‰、10‰及15‰時，各組消能裝置之有效阻尼比 134 表3.7.1 單層樓結構頂層位移旋轉角為5‰且韌性比為5之情況下，六組消能裝置之降伏力及初始勁度 135 表3.7.2 單層樓結構系統其結構頂層位移旋轉角為5‰、10‰及15‰時，各組消能裝置之韌性比、等效阻尼比及相對應之結構有效週期、基底剪力 135 表3.7.3 單層樓結構第一組消能裝置結構頂層位移和消能裝置之有效韌性比及等效阻尼比之相關表 136 表3.7.4 單層樓結構第二組消能裝置結構頂層位移和消能裝置之有效韌性比及等效阻尼比之相關表 136 表3.7.5 單層樓結構第三組消能裝置結構頂層位移和消能裝置之有效韌性比及等效阻尼比之相關表 137 表3.7.6 單層樓結構第四組消能裝置結構頂層位移和消能裝置之有效韌性比及等效阻尼比之相關表 137 表3.7.7 單層樓結構第五組消能裝置結構頂層位移和消能裝置之有效韌性比及等效阻尼比之相關表 138 表3.7.8 單層樓結構第六組消能裝置結構頂層位移和消能裝置之有效韌性比及等效阻尼比之相關表 138 表3.7.9 單層樓結構六組消能裝置非線性動力分析之結果 139 表4.3.1 五層樓結構其消能裝置未修正當頂層位移旋轉角為5‰時，各層消能裝置之變形量與韌性比 139 表4.3.2 五層樓空構架結構頂層位移旋轉角為5‰時，各樓層之層間位移及層間位移旋轉角 140 表4.3.3 五層樓結構其基準組之韌性比為5.0時之降伏力及其他各組之韌性比 140 表4.3.4 五層樓結構各組消能裝置降伏力之修正比值及修正後之降伏力 140 表4.3.5 五層樓結構降伏力修正後各組消能裝置之韌性比及平均值 141 表4.4.1 五層樓結構經降伏力調整後之等效阻尼比 141 表4.5.1 五層樓結構該六組消能裝置，其調整後之各層消能裝置降伏力及於結構頂層位移旋轉角為5‰時各層消能裝置之韌性比 142 表4.5.2 五層樓結構該六組消能裝置當結構頂層位移旋轉角分別為5‰、10‰及15‰，其消能裝置平均韌性比與等效阻尼比 143 表4.5.3 五層樓結構第一組消能裝置其結構頂層位移旋轉角、平均韌性比及等效阻尼比 144 表4.5.4 五層樓結構第二組消能裝置其結構頂層位移旋轉角、平均韌性比及等效阻尼比 144 表4.5.5 五層樓結構第三組消能裝置其結構頂層位移旋轉角、平均韌性比及等效阻尼比 145 表4.5.6 五層樓結構第四組消能裝置其結構頂層位移旋轉角、平均韌性比及等效阻尼比 145 表4.5.7 五層樓結構第五組消能裝置其結構頂層位移旋轉角、平均韌性比及等效阻尼比 146 表4.5.8 五層樓結構第六組消能裝置其結構頂層位移旋轉角、平均韌性比及等效阻尼比 146 表4.5.9 五層樓結構該六組消能裝置於結構頂層位移旋轉角分別為5‰、10‰及15‰時其平均韌性比、有效韌性比及兩者之比值 147 表4.6.1 十層樓結構該六組消能裝置其初始勁度及調整後之降伏力與平均韌性比 148 表4.6.2 十層樓結構其結構頂層位移角為5‰、10‰及15‰時，該六組消能裝置之平均韌性比與等效阻尼比 149 表4.6.3 十層樓結構第一組消能裝置其結構頂層位移旋轉角、平均韌性比及等效阻尼比 150 表4.6.4 十層樓結構第二組消能裝置其結構頂層位移旋轉角、平均韌性比及等效阻尼比 150 表4.6.5 十層樓結構第三組消能裝置其結構頂層位移旋轉角、平均韌性比及等效阻尼比 151 表4.6.6 十層樓結構第四組消能裝置其結構頂層位移旋轉角、平均韌性比及等效阻尼比 151 表4.6.7 十層樓結構第五組消能裝置其結構頂層位移旋轉角、平均韌性比及等效阻尼比 152 表4.6.8 十層樓結構第六組消能裝置其結構頂層位移旋轉角、平均韌性比及等效阻尼比 152 表4.6.9 十層樓結構該六組消能裝置於結構頂層位移旋轉角分別為5‰、10‰及15‰時其平均韌性比、有效韌性比及兩者之比值 153 表4.7.1 二十層樓空構架結構側推至頂層位移旋轉角為5‰之分析結果 154 表4.7.2 二十層樓結構系統其各層之分組及各組平均層間位移 154 表4.7.3 二十層樓結構該兩組消能裝置其各層調整後之消能裝置降伏力及於結構頂層位移旋轉角為5‰時各層消能裝置之韌性比 155 表4.7.4 二十層樓結構第一組消能裝置其結構頂層位移旋轉角、平均韌性比及等效阻尼比 155 表4.7.5 二十層樓結構第二組消能裝置其結構頂層位移旋轉角、平均韌性比及等效阻尼比 156 表4.7.6 二十層樓結構該兩組消能裝置其有效韌性比折減率為0.5～0.7其所相對應之有效韌性比 156 表4.7.7 二十層樓結構該兩組消能裝置其所相對應之有效阻尼比模擬值之預測範圍 156 表4.7.8 二十層樓結構系統該兩組消能裝置其有效阻尼比預估範圍與實際模擬之差異 157 表5.1 各樓層結構裝置消能裝置後在各地震振幅下其平均位移衰減率 157 表5.2 各樓層結構裝置消能裝置後在各地震振幅下其平均基底剪力衰減率 157 表5.3 各樓層結構裝置消能裝置後在各地震振幅下其平均有效阻尼比 158 表5.4 單層樓結構有效韌性比為0.6所相對應之等效阻尼比與地震模擬下之有效阻尼比 158 表5.5 五層樓結構有效韌性比為0.6所相對應之等效阻尼比與地震模擬下之有效阻尼比 158 表5.6 十層樓結構有效韌性比為0.6所相對應之等效阻尼比與地震模擬下之有效阻尼比 159