「結構防振液流阻尼器之研發製造及應用」研討會 液流阻尼器應用在土木結構控制之設計 「結構防振液流阻尼器之研發製造及應用」研討會 液流阻尼器應用在土木結構控制之設計   主講人：李永峰 國立成功大學土木系 中華民國95年2月11日

簡報大綱 （一）液流阻尼器簡介 構造及作用原理 力學特性 （二）液流阻尼器之應用設計 液流阻尼器之設計 消能結構分析 實例說明

液流阻尼器構造與作用原理 組成構造：套筒、活塞及填充液 阻尼力來源：阻尼器內的流體穿過孔隙之黏滯力及 左右兩室形成之壓力差

液流阻尼器依孔隙型式分類 A B C A-A斷面 A：套筒壁 B：活塞軸 C：活塞與套筒 內徑間隙 外環型 鑽孔型 C：油封 D：液流孔 D

液流阻尼器依活塞軸分類 雙軸式 單軸式

液流阻尼器之力學特性 液態黏滯元件 液態黏彈性元件 （Maxwell model）

「建築物耐震設計規範及解說」(民國94年7月) 當液態黏滯元件在0.5f1至2.0f1的頻率範圍內呈現 勁度時，必須模擬為液態黏彈性元件。 f1為建築物之基頻

液流阻尼器理論公式 阻尼器型式 理論公式 （線性液流阻尼器） 外環型阻尼器 鑽孔型阻尼器

液流阻尼器測試方法 動態循環載重測試 錘撞試驗

循環載重試驗及錘撞試驗

（二）液流阻尼器之應用設計 液流阻尼器之設計 消能結構分析

消能結構設計流程 樓層相對位移角檢核 消能元件相接構材設計 減振目標檢核 梁柱構件檢核 初始結構分析及設計 選擇阻尼器參數 消能結構分析 設定減振目標 選定安裝位置 ok ok ok 完成 No No 構件補強設計 No No

液流阻尼器之設計 設計（選擇）阻尼器參數 F＝CVn F：阻尼器設計載荷 C：阻尼係數 V：阻尼器設計速度 n：速度項指數係數

n值的選擇 1. n越小之阻尼器較受歡迎嗎？是的! (a)速度小於設計速度時，可提供較大之阻 尼力 (b)速度大於設計速度時，阻尼力之增量較 小，阻尼器強度可獲得較好的控制

液態黏性阻尼器力與速度關係 阻尼器設計載荷 阻尼器設計速度

n值的選擇(續） 2. n≧1之阻尼器亦可使用嗎？是的! (a) 對每支阻尼器， n值不是一個絕對的值

阻尼器基本特性測試結果

n值的選擇(續） 2. n≧1之阻尼器亦可使用嗎？是的! (a) 對每支阻尼器，n值不是一個絕對的值 (b) n<1之阻尼器有較佳之控制效率，但與 n>1相差不大

Chi-Chi TCU107 葉家君、李永峰、徐德修，「液流阻尼器之非線性行為在結構控制上之研究」，第廿八屆全國力學會議，No. 10020，民國93年12月3-4日，第987-996頁。

n值的選擇(續） 2. n≧1之阻尼器亦可使用嗎？是的! (a) 對每支阻尼器， n值不是一個絕對的值 (b) n<1之阻尼器有較佳之控制效率，但與 n>1相差不大 (c) n=1或n>1之阻尼器強度可依規範規定獲 得控制

阻尼器載荷容量之規定 主方向上提供超過4組以上之消能元件，且剛心兩側至少2組：阻尼器需能承受在最大考量地震力下，所計算出阻尼器最大速度之1.3倍所對應之力。 主方向上提供少於4組以上之消能元件，或剛心兩側少於2組：阻尼器需能承受在最大考量地震力下，所計算出阻尼器最大速度之1.5倍所對應之力。

消能結構分析 等值線性靜力分析 線性動力分析 歷時分析

等值線性靜力分析 條件限制： (1)由消能元件提供的有效阻尼不得超過基 本模態臨界阻尼的30%。 (2)每一樓層在考慮方向上由所有消能元件 所提供之最大層剪力不得超過構架本身 的50%。

有效阻尼比之估算 (1)線性液流阻尼器 其中 :阻尼器增加之結構阻尼比 :結構第一振態週期 :第j個阻尼器之阻尼係數 其中 :阻尼器增加之結構阻尼比 :結構第一振態週期 :第j個阻尼器之阻尼係數 :第j個阻尼器之裝設水平傾斜角 :第一個振態第j個裝置兩端之水平相對位移 :第i個自由度之質量 :結構第一振態第i個自由度之位移

有效阻尼比之估算(續) (2)非線性液流阻尼器 其中 :第j個阻尼器之速度指數係數 A :頂層最大位移 :結構第一振態頻率 為Gamma function， 為Beta function，於 FEMA273中可查表。

有效阻尼比之估算步驟 (1)假設一個消能建築之有效阻尼比，藉由耐震規範 中表(3-1)定義相對應的阻尼修正因子，並計算側 向作用力。 (2)利用此一修正後之側向作用力，代入地震力豎向 分配公式(2.12節)計算該消能建築第i樓層的水平 作用力Fi。 (3)利用線性分析模型計算第i樓層相對於水平作用力 Fi的水平位移ui。

有效阻尼比之估算步驟 (4)利用計算所得之水平位移ui，代入有效阻尼比的 估算公式計算ξd。 (5)將步驟4計算所得之有效阻尼比代入步驟1，作為 初始假設值，並重複步驟1至4。反覆迭代，直至 步驟1使用的初始假設值與步驟4計算所得的有效 阻尼比相等為止。

建築構材設計力 建築物內構材的設計力需考量下述三個不同變位情況來計算，並採用最大值進行設計。 (1)最大變位情況 (2)最大速度與零變位情況 (3)最大加速度情況 最大加速度情況＝最大變位情況×CF1+ 最大速度情況×CF2

線性動力分析 條件限制：與線性靜力分析同 採用多模態振態反應譜疊加法。 (1)依照各振態之週期及模態位移計算各振態 之有效阻尼比 (2)各模態基於5%結構阻尼的反應譜予與修正 ，各振態的阻尼修正因子(Bs或B1)均不相同 (3)經由動力分析所得之最大基底剪力未達靜 力分析所得之90%，所有子結構與桿件的作 用力與變形量必須等比例放大，以達靜力 分析結果之水準。

歷時分析法 需以阻尼元件直接模擬其對結構之效應。 採用歷時分析法，所輸入之地震記錄，至少 取三個與設計反應譜相符之水平地震記錄。 針對任一個水平地震記錄，其5%阻尼反應 譜於0.2TeD(TeM)至1.5TeD(TeM)週期範圍內任 一點之譜加速度值不得低於設計(最大考量) 譜加速度值之平均值，其中TeD(TeM)為消能 建築物於設計地震(最大考量地震)下之有效 振動週期。

歷時分析法（續） 線性歷時分析之調整係數為I／(1.4αyFu)。 非線性歷時分析時，分析模型需能反應構 材之非線性行為，且地震記錄需先乘以用途 係數I，反應值不得再以I／(1.4αyFu)調整。 中小度地震作用下，主結構體及消能元 件皆不得產生降伏。 在中小度地震作用下，各樓層層間相對 側向位移角不得超過0.005。

實例說明

實例說明 (一)建築結構概述 1.位置及用途：台北市士林區，活動中心 2.樓層數：地上三層，每樓層高3.3m 3.構造種類：鋼筋混凝土(RC) 4.結構平面：X向4跨，每一跨距5m Y向2跨，每一跨距6m 5.結構系統：RC柱 55*55cm RC梁 30*75cm RC小梁 25*70cm RC樓版 厚度12cm

(二)設定減振目標 1.減振效益以加速度檢討，採475年迴歸期原始歷時，其各 樓層（由上至下）反應需分別符合400、350及300gal。 2.層間變位在475迴歸期地震下，需小於0.5％。 3.強度設計時，依法規反應譜修正歷時，並以線性歷時分 析設計。

1.安裝位置：X向及Y向外側，每層樓前後左右各2組， 三層樓皆以對角斜撐安裝，共24支。 2.特性參數：設計載荷 50噸 (三)阻尼器配置及特性參數 1.安裝位置：X向及Y向外側，每層樓前後左右各2組， 三層樓皆以對角斜撐安裝，共24支。 2.特性參數：設計載荷 50噸 阻尼特性函數 F＝9.59V （kN-mm-sec) X 向 Y 向

(四)選取地震紀錄及修正

(五)地震記錄調整 1.非線性歷時分析(減振評估) PGA=I*0.4SaD=0.3g 2.線性歷時分析(強度設計) PGA=0.4SaD*I/ (1.4*αy*Fu) =0.0798g I (用途係數) 1.25 R (結構系統韌性容量) 3.2 地盤種類 台北盆地 T = 0.05h3/4 (基本週期) 0.28 SaD (工址設計水平加速度反應譜係數) 0.6 αy (起始降伏地震力放大倍數) 1.5 Fu (結構系統地震力折減係數) 1.789

(五)建立結構分析模型

(六)減振目標檢核 加速度 (gal) X向 Y向 目標值 空構架 含阻尼器 3F 686 382 627 339 400 2F 559 346 448 281 350 1F 266 299 254 300

(七)樓層間位移角檢核 位移角 (ooo) X向 Y向 目標值 空構架 含阻尼器 3F 1.5 0.89 1.2 0.7 5 2F 2.7 1.6 2.2 1.1 1F 3.2 1.8 2.5 1.3

(八)梁柱檢核及補強 1.考慮阻尼器功用，採線性歷時分析，並依法規規定之 載重組合，以程式之設計功能，計算所需之鋼筋量， 並與原始配筋作比較。（若為綱結構，檢核應力比是 否小於1） 2.若配筋量不足，新建築物可直接調整鋼筋之配置，對 舊有補強建築，則可採鋼板包覆等方法補強之。

(九)阻尼器斜撐構件設計 阻尼器設計載荷為50噸/支，採單斜式安裝 樓高330cm，最大淨高(330-70)=260cm 最大淨跨距(600-55)=545cm 取 採用方形鋼管，材質STKR400，Fy≧2.5 ton/cm2 use TS200*200*8，As=59.79 cm，r=7.78，w=46.9kg/m ，得fa =1.082 ton/cm2 容許軸力Pa ＝fa*As = 1.082*59.79 = 64.69 ton (O.K.)

~ 敬請指教 ~