速度型阻尼器補強之注意事項

 1,2,3鍾立來、1楊卓諺、1邱聰智、4賴勇安、5藍朝卿

1國震中心、2臺大土木系、3成大土木系、4央大土木系、5新北市結構工程技師公會

土木結構之固有阻尼低,若以結構進入非線性之遲滯消能,勢必引致構件破壞。遂於梁柱構架內或構架外,增設速度型阻尼器,消散傳入之能量,降低結構之反應,從而提升結構之耐震能力 [1]。依建築物耐震設計規範 [2],耐震需求之降低有其限制,因此,若既有結構耐震能力太低,僅靠速度型阻尼器,未必能達成補強之目標。

以側推分析評估補強後之效果,側推分析之每一步,代表結構往復運動時,位移達峰值之瞬間,此時速度為零,速度型阻尼器不出力,故側推分析並未反映阻尼器之行為,連接件(新增或既有)之強度及變形,亦未充分考慮。事實上,結構往復運動時,速度達峰值之瞬間,阻尼器之出力亦隨之達峰值,應以此一瞬間,檢討連接件之強度及變形。

有鑑於此,本文嘗試整理速度型阻尼器應用於補強之注意事項,供補強工程師參考,避免高估阻尼器之效果,以致無法有效減緩地震之災害。

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三、阻尼器連接構件強度之檢核

在地震之過程中,結構作往復運動,以其基底剪力及屋頂位移作圖,形成遲滯迴圈。取每一迴圈之最大位移及對應之基底剪力,連成曲線,即為遲滯迴圈之包絡線。側推分析係以非線性靜力方法,取得容量曲線,相當於非線性歷時分析之包絡線。

非線性靜力側推分析之每一步,相當於非線性動力歷時分析某一遲滯迴圈之最大位移及其對應之基底剪力。當結構之位移達最大時,速度為零,速度型阻尼器之出力亦隨之為零。因此,非線性靜力側推分析,其結構模型不必納入速度型阻尼器。但是,在一迴圈中,當結構位移為零時,速度達峰值,阻尼器之出力亦隨之達峰值。為反映此一情境,於側推分析後,應以阻尼器之最大出力 (受拉及受壓),檢核連接構件之強度、連接構件錨定之強度、混凝土承壓及承剪之強度等。

阻尼器之安裝,若採對角斜撐 (圖1) [3],強度之檢核包括:連接構件之軸力 (拉及壓)、連接板之強度、錨栓之強度、梁柱接頭之強度。若採 (正或倒) V字型斜撐 (圖2) [3,4],除了前述之檢核外,尚有既有梁於斜撐接合處之強度 (集中軸力、錨栓剪力)。若採間柱 (圖3) [4],連接柱之彎矩、剪力及扭轉 (面內勁度高,而面外之勁度稍低)。

若強度不足,重新設計連接構件、接合板或錨栓,補強原有構件 (柱、梁及接頭),使阻尼器發揮其強度。若重新設計或補強,受到限制,則性能點必須往後移動,移動至連接構件及原構件尚未破壞前之步驟,來計算補強後之耐震能力,因阻尼器未能全然發揮其功能,故補強效果勢必有所折減。

四、阻尼器位移之檢核

連接系統 (包括新增構件及板與既有梁、柱及接頭) 之強度檢核通過後,進一步檢核阻尼器之位移,以掌握能量之消散。若連接系統之剛度非常高,變形極小,層間變位全部反映在阻尼器之位移,消能效果好,但連接系統造價高。若連接系統之柔度非常高,變形集中在連接系統,阻尼器之位移極小,消能效果差。

若採對角斜撐 (圖1) [3],連接系統有:連接桿件之軸向變形、受壓時之面外變形、受拉時之接合變形。若採 (正或倒) V字型斜撐 (圖2) [3,4],除了新增構 (組) 件外,尚有 (與之連接) 既有梁之變形。若採間柱 (圖3) [4],除了上述之變形外,還有間柱之扭轉變形。

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五、結語

速度型阻尼器之補強效果,確有限制,本文提出,由容量曲線性能點之等效阻尼比,查建築物耐震設計規範之阻尼比修正係數及其上限值,可推得容量需求比 (CDR) 提升比率之上限,若既有結構之耐震能力太低,容量需求比提升比率要求太高,阻尼器無法達成補強之目標。

速度型阻尼器之補強效果,係以阻尼比量化之。非線性側推分析反映了結構之非線性行為,結構為線性之公式,未必適用。本文提出,以性能點對應之阻尼器位移,求算結構之等效阻尼比。

阻尼器功能之發揮,端賴連接件之強度及勁度,本文提出,連接件之強度檢核,確保阻尼器功能得以發揮,而勁度檢核,則量化阻尼器功能發揮之程度。

參考文獻

1.鍾立來、何彥葳、賴勇安、楊卓諺、盧煉元、劉紹魁、連冠華、楊耀昇、邱聰智、黃國倫 (2018),「結構耐震補強:以速度型阻尼器消能且降低耐震需求」,技師報,第1147期。

2.內政部營建署 (2011),「建築物耐震設計規範及解說」,取自https://goo.gl/h7dU6V。

3.Jenn-Shin Hwang, Yin-Nan Huang, Shy-Lian Yi, and Song-Yen Ho (2008), "Design Formulations for Supplemental Viscous Dampers to Building Structures," Journal of Structural Engineering, DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(2008)134:1(22).

4.汪向榮(2018),[結構隔減震設計]課程講義,台灣科技大學營建工程系。

表1 短週期及一秒週期結構阻尼比之修正係數 [2]

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圖1 速度型阻尼器之對角斜撐加裝型式

 

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圖2 速度型阻尼器之 (正或倒) V字型斜撐加裝型式

 

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圖3 速度型阻尼器之間柱加裝型式[4]

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 


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