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建築研究簡訊第109期

  • 日期:109-09-26
主題報導黃國倫
研擬建築物消能元件性能試驗方法

目前國內工程採用建築物消能元件須符合國內耐震設計規範第10.7節之要求,然而目前並無國家標準可供依循。本研究蒐集黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器及挫屈束制斜撐等3種消能元件之各國相關試驗規定,參考國內現行建築物耐震設計規範及解說第10.7節消能元件所需之試驗,同時綜合國內試驗設備能力與常規試驗報告內容,以研提我國建築物耐震消能元件之國家標準草案。

本案所研擬草案之試驗方法以現行耐震設計規範規定為主要依循,並考量各國規定之優點予以加強補充;另外,挫屈束制斜撐之試驗規定係依循目前國內工程實務上主要參考的AISC 341(美國鋼結構抗震規定)。表1至表3分別為本案研擬之建築物耐震用黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器及挫屈束制斜撐之試驗方法,其適用範圍僅限於安裝在建築物上且作為耐震設計用途之阻尼器。安裝在橋梁上或作為耐風設計用途之阻尼器,因其設計需求上之差異,不一定能夠適用本研究所研擬草案。

本研究研擬黏滯阻尼器之試驗項目包含基本性能試驗、溫度試驗、高循環數試驗、低循環數試驗及油封耐磨試驗等,其中,基本性能試驗與溫度試驗之溫度條件,係對應耐震設計規範要求之週遭、最小及最大溫度(分別為25℃、10℃及40℃)給予明確定義,基本性能試驗之頻率與振幅組合(0.5f1,0.65-1u0)、(f1,u0) 和(2f1,0.65u0)係對應耐震設計規範中頻率試驗之頻率要求,同時亦對應第10.1.2節中極限速度應達到設計速度之1.3倍的基本要求,其中f1為設計頻率,係設計時考慮阻尼器參與結構振動的主要頻率;u0為設計位移,係設計時考慮阻尼器由平衡狀態(活塞位於油壓缸長度中央位置之狀態)伸長或縮短的位移量。高循環數試驗與低循環數試驗分別對應耐震設計規範之風力試驗與地震力試驗,由於規範要求之循環次數與阻尼器在實際設計風力或設計地震力下所經歷的次數可能存在差異,因此特別修改其名稱為高循環數試驗與低循環數試驗以避免誤解,此外,高循環數試驗之振幅取0.1u00.1u0  以上,係考慮試驗設備能力之限制給予彈性調整;而油封耐磨試驗係參考歐盟EN 15129規定,於耐震設計規範要求之外,特別增加以確保黏滯阻尼器之密封性能。

黏彈性阻尼器與黏滯阻尼器同屬速度型阻尼器,因此試驗項目幾乎相同,惟黏彈性阻尼器無滲漏問題,故不需要油封耐磨試驗。此外,因黏彈性阻尼器對結構具有勁度貢獻,故通常取最大、最小位移對應之阻尼力為檢核項目,據以計算其有效勁度,有別於黏滯阻尼器取零位移對應之正、負阻尼力為檢核項目。除了表2所列針對阻尼器整體的試驗項目之外,本案參考中國與日本之規定,增加針對黏彈性阻尼器之黏彈性材料的老化性能試驗,由於國內黏彈性阻尼器所使用的黏彈性材料以橡膠居多,而橡膠之耐久性直接影響阻尼器之使用年限,因此,本案最後參考公共工程施工綱要規範第05823章「人造橡膠支承墊」規定,要求根據CNS 3556 K6347「硫化橡膠老化試驗法」進行溫度100℃且持續72小時之老化試驗,並要求試驗後橡膠之抗拉強度的變化率不得超過15%,且斷裂伸長率的變化率不得超過40%。

挫屈束制斜撐屬於位移型阻尼器,本案試驗方法係參考AISC 341,惟檢核項目則參考中國JG/T 209,必須額外檢核彈性勁度、降伏位移、降伏後勁度、極限位移及遲滯迴圈面積之實測值與設計值之差異,以完整掌握挫屈束制斜撐對於結構勁度和阻尼的影響。另外,在外觀檢測部分參考中國規定,要求產品的彎曲變形應小於其長度的1/1000;扭轉變形則應小於斷面高度的1/250。

表1. 建築物耐震黏滯阻尼器之試驗方法

表1. 建築物耐震黏滯阻尼器之試驗方法表2. 建築物耐震黏彈性阻尼器之試驗方法

表2. 建築物耐震黏彈性阻尼器之試驗方法

表3. 建築物耐震挫屈束制斜撐之試驗方法

表3. 建築物耐震挫屈束制斜撐之試驗方法

本案已完成建築物耐震用黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器及挫屈束制斜撐等3類型消能元件之標準草案,並於108年3月8日以建研工字第1080002604號函,將研提之標準草案函送經濟部標準檢驗局,建請作為增訂國家標準之參考。

圖1. 阻尼器試驗照片

圖1. 阻尼器試驗照片