竹科、中科、南科FAB地震放大倍率與阻尼器減震策略

前言

發生在2006/12/26的恆春地震圖1，造成南科廠區相當大的財產損失，依照廠內的加速度計記載達到56gal，當時F14P3結構體正在施工中，也就在這個地震事件後，決定在後續的新建廠房結構體裝設減低加速度的裝置，而F14P3也就成為第一個新廠裝設阻尼器的案例，其他的新廠如F12P4/5、F15P1/2、F14P4、F12P6等，舊廠如FAB8、FAB5(以上為結構補強)及F12P3(減震)等也都有追加裝設阻尼器，同時F14 SUP (central support building)也正在評估裝設中，這些廠房分別位於三個科學園區，本文將針對這幾個不同案例分享減震的經驗，也期望能帶給後續廠房設計上有更明確的標準。

設計概念

目前阻尼器的設計都當作是外加於主體結構的設計概念，也就是說主體結構在不含阻尼器的幫助之下，必須能夠單獨承受全部法規地震力的考驗，阻尼元件主要作為中小型地震下的減震機制，以降低主要製程樓層L30或是L40的加速度。可以提供阻尼的元件大致上有兩類，分別是速度型與位移型，由於建築物地震下的動態行為所產生的最大速度與位移有90度相位差，也就是說最大速度發生時候，建築物位移會最小，表示結構體樑柱等主體構架受力會最小，在這個時刻讓速度型阻尼器發揮最大出力不會造成主體結構額外負擔，此外，理論上速度型阻尼器不會影響結構體勁度，所以也不至於會在提高阻尼情況下而縮短建築物周期。速度型阻尼器一般又可以分為兩種型式，分別是矽油流體式與黏彈性橡膠式，最後選擇矽油流體阻尼器的原因是：矽油流體式阻尼器藉由油壓缸產生很大力量，可以減少安裝支數，因為在廠房內要找到適合安裝位置通常很不容易。此外，矽油化學成份穩定，安裝於回風區不會對半導體製程產生汙染，阻尼器也特別採用航太級不鏽鋼製造，進一步降低汙染風險。

地震與斷層

在台灣斷層是主要的地震來源，依照中央地質調查所的定義，過去100,000年內曾活動，未來可能再度活動的斷層稱為「活動斷層」。其中，過去10,000年內曾活動者，為第一類活動斷層；在過去100,000年~10,000年內曾活動者，為第二類活動斷層。存疑性活動斷層，則是指過去500,000年有活動，但不確定過去100,000年內是否有活動的斷層。依照中央地質調查所2010年的最新資料，台灣的活斷層有:北部8條斷層，中部8條斷層，西南部9條斷層，南部4條斷層，東部8條斷層；其中屬於第一類20條，第二類13條，共33條活動斷層，另列出4條存疑性活動斷層，由全台活斷層分布圖圖二，可以明顯的看出活斷層遍佈全台。(參考：www.moeacgs.gov.tw)

由於人類測量地震只有一百多年的時間，斷層的活動周期卻可能達到數百年或是數千年，地質的情況也很複雜，很難論定哪個斷層會在短期內發生活動，加上台灣可能有一些盲斷層還沒有被發現，所以目前對地震活動的預期都是根據統計與機率的方法來處理，例如斷層的長度可以對應到發生地震規模的大小，斷層越長則規模越大圖三，距離震央越遠加速度越小圖四，這種衰減的趨勢又可能受到地質條件的影響而出現不同的衰減率，所以目前人類對地震的掌控有相當大的不確定性，許多可以量化的參數基準基本上都是建立在統計技術上，只從單一個別事件通常很難看出趨勢，必須累積大量資料後才能有比較明確的包絡線，作為後續的參考，這也是從14P3起新廠都會加裝自動量取功能的地震加速度計的原因，唯有蒐集足夠資料後才能發現新的現象，也才有可能改善結構行為。

地質條件

不同地質條件就會產生不同的震波內涵，談到波的特性時候，必定包含了最基本的兩個特性，分別是振幅與頻率，而地質條件的不同就會造成振幅的放大，也會造成頻率的改變，一般來說，比較會擔心的都是屬於比較軟弱的地質條件，以圖六為例，比較軟的地質會激發出較長的周期波動，長的周期波有甚麼不好？主要在於比較容易發生共振，一般建築物周期通常比較長，經驗值可以採用樓層數乘上0.1作為建築物的自然周期秒數，例如10樓層建築物周期為10×0.1=1.0秒，如果地層有比較厚的黏土層表示地質比較軟，會反應出比較長的周期波，如果剛好地層也有1.0秒的周期振動，就會產生共振現象，會大幅度的放大地震反應，可能會放大出高達2~3倍的加速度，如果地表測得的加速度是100gal則放大後的屋頂加速度可能達到300gal，由下面的地震反應譜圖中可以看出，比較軟的地質(Soft to medium clay and sand)會有很寬的震譜共振區段，其放大倍率達到兩倍以上，建築物周期若是小於1秒，基本上都在共振區段，如果建築物周期比較長，例如周期超過2秒，則加速度放大倍率可以小於1，依照結構動力理論建築物周期必須達到共振周期的√2倍，加速度放大倍率才等於1.0，周期要比√2倍更長，加速度放大倍率才會小於1，基礎隔振就是利用比較軟的鉛心橡膠在基礎下方與地表隔開，透過比較軟又具有阻尼的橡膠減低傳到建築物的地震力，但是這種做法會產生比較大的位移量，對於進出管線複雜又強調微振的半導體廠房，會是另一種風險。過去在14P3規劃階段曾經評估過隔振的想法，當時光只考慮增加隔震墊與RC基礎的費用，概估的花費就達台幣五億元以上，這還不包含微振補強與進出管線隔震接頭的費用，若是未來製程精密度越來越高，設備費用也相形更貴的情形下，隔震可能還是可以列入下世代廠房可以考量的技術。目前基礎隔震已應用於少量的國內一般住宅建築以及公眾建築如慈濟醫院及台大土木系新館，在廠房方面則只有位於F12P1對面之DNP台灣大日印光罩，據廠方表示其建造經費為傳統構造的兩倍；由於其為光罩單一製程，機台及廠務設施相對單純，在實際應用基礎隔震的困難也就相對簡單。

若是比較北中南三個園區的地質條件，以南科最軟、中科最硬、竹科界於中間，由於地質軟硬程度可以藉由測量地層剪力波速方式來研判，未來可以在各廠區進行剪力波速測量，累積足夠資訊後，可以作為各廠區屬於TSMC應用的地盤動力特性，這比過去只依靠耐震設計規範計算出來的地盤動力特性會更貼近事實。

地震儀的應用

目前每個新建的廠房，都有安裝地震儀，記錄地震下的樓層反應，此外，除了廠房裡面的地震儀，還特別在戶外土壤裡面裝設地震儀，作為比較的參考，這樣在每次地震後除了依靠中央氣象局的地震儀資料外，還可藉由安裝在廠區的地震儀了解廠址的地震波動特性，在每次地震後都可以比較不同廠區與廠房的加速度效應。由於FAB的結構系統相當類似，加上不同廠房排列也很規則，目前世界上很少有像這樣排列整齊且都加上監測系統的案例，在過去高雄甲仙地震量測資料解析後就曾經發現，當地震震源由南向北部傳遞時候，每棟建築物都像是濾波器一樣由F14P1→F14P2→F14P3，越往北放大倍率就越高，共振情況也越明顯，我們曾經詢問國家地震中心的專家是否有研究過像這樣的效應，由於過去並沒有人裝設過這樣高密度的精密觀測系統，所以也沒有文獻記載，相信可以持續蒐集資料並做進一步比對分析。

地震的波動特性

由於地震是大自然的波動，透過很複雜的天然地層傳遞到人造的建築物裡面，有很多的效應都會影響到傳遞的行為，例如:地下水、基樁、地下室分佈、三度空間土層分布、其他建築物的擾動、震央的位置、基地位於斷層上盤還是下盤、斷層的活動類型…等，這點可以由下圖中各廠區在不同地震下的反應譜中可以看出有相當大的變異性，但是若是比較這三張圖還是可以看出某些趨勢，例如：中科地質比較趨近於短周期的波動特性圖八，南科周期最長[圖九]。如果各位特別留意的話，也許可以發現在中科頻譜圖中921這種規模很大的地震圖八，也會激發出長周期波動，但是對於規模比較小的地震共振頻寬就很小，且限制在0.25秒的短周期的區段，對於周期在0.4~0.6秒的FAB結構比較不會構成威脅，但若是廠房有太多的剪力牆，使得建築物變得比較硬，周期變短，就會接近共振區段，反而會有不利的影響，當初在設計F15P1時候，我們就曾經考量過是否要比照F14P4增加剪力牆來降低位移與加速度，經過實際模擬分析測試不同地震後發現，這種加剪力牆的降低加速度效果對南科比較適用表一，對中科來說就不一定適用，所以F15P1並沒有像F14P4一樣去增加剪力牆長度。

阻尼消能

透過速度型阻尼消能減小地震作用下的樓層加速度反應，是很成熟的概念，這就像是汽車的避震器一樣是由彈簧與矽油缸組成。圖十是目前採用的美國Taylor Device公司所生產的阻尼原件構造透視，可以看出阻尼器有兩個可以互相迴流的油壓缸，透過細小的孔洞讓具有黏滯性的矽油迴流，藉由流體流動黏性阻力產生熱能。

既然要把能量從系統中取走就必須達到有相當的比例，不然是不會有明顯的效果的，我們知道能量W=F×位移D，也就是能量是力量與沿力量方向位移的積，所以，如果只是有很大的力量，但是位移很小，沒有辦法得到很大的能量，相反的，如果有很大位移，但是力量很小也不會有效果，FAB型態的建築物，在L30以下有很多的剪力牆，在PGA=80gal地震下的層間位移約為5mm，也就是說L10~L20之間有5mm位移，而L20~L30大約也是5mm，由於阻尼器畢竟是機械裝置，透過鋼構架把樓層相對位移轉移到阻尼器的兩端前，構架就可能吸收了2mm左右的位移，最後能讓阻尼器發揮的位移只有3mm左右，若是再加上製作上的容許公差，實際上真的能發揮的阻尼消能效果會非常有限。目前FAB構造能夠發生最大的位移量的樓層位置是在L30~L40之間的回風區圖十一、十二，在PGA=80gal地震下大約可以有15mm的層間水平變位，阻尼元件在地震下的受力行為如圖十三所示，可以看出阻尼器約有200 ton的出力，對應的軸向變位約有6mm，目前幾個新廠(F14P3、F15P1、F12P4、F14P4)的阻尼器就裝設在L30~L40之間的回風區，阻尼器規格也相同。

阻尼器的消能特性決定於黏性與速度相依特性參數，阻尼器出力F跟矽油的黏性C成正比，也與速度v的α次方成正比，若是把速度對應於不同黏性C值力量對應關係畫成圖可以看出下列關係

F = Cv^a

圖十五中可以看出，力與速度的對應關係不是線性的，也就是說阻尼器是非線性阻尼器，阻尼器對應於比較小的速度時候會有很大的出力反應，對應於比較高的速度時候反應比較不敏感，這特性正好非常適用於FAB構造，因為對比較小的地震就有很敏感的反應，但是對於強烈地震還是要以主體結構抗震為主，在設計階段比較過不同黏性C=500、400、300消能效果，對於F14P3或是F12P4這類廠房，C=500的黏性的阻尼器會有比較好的降低加速度表現，此外，C=500阻尼器是目前美國Taylor公司在建築物制震量產阻尼器當中最黏的一種，超過這種規格，阻尼器必須經過客製化研發設計，單價會很高。但是，過於黏稠的油也不一定都是正確的，對F12P3這種比較小型且沒有剪力牆的廠房，阻尼設計過程中我們就發現，如果採用C=500的阻尼器，加速度反而會加大，就像是過黏的油黏著阻尼器不會動，建築物力量不足以趨動C=500這種高黏性的阻尼器，若是把參數修改成C=250之後，就能發揮很好的消能效果。若以廠房的短向代表桁架的方向，廠房在這個方向有比較大的層間變位，也比較有利於阻尼器發揮效能，廠房的長向消能效果會受限於外牆的型式，當外牆在L30~L40之間是RC外牆時候，長向安裝阻尼器消果會很有限，長向阻尼器位置若能離開外牆構架會有比較好的效果，但是把長向阻尼器移到內側會影響潔淨室的空間使用。

阻尼器設計的挑戰

地震波動有很高的不確定性，每個地震波動各有不同的頻率內涵，不同地震下的減震效果可能差距甚大，表二為F14SUP使用鉛阻尼器在不同地震作用下之減震效果，F14SUP會使用鉛阻尼器乃是因為受限於廠房已生產運作一段時間，L30層已無空間可裝設速度型阻尼器，而L10及L20之層間變位又太小，恐無法有效驅動速度型阻尼器，故改採在極小位移即可作用之鉛阻尼器。由表中可以看出在某些地震下甚至會將加速度放大，由於在中、小規模地震下的結構行為的研究幾乎沒有，我們目前只能透過安裝於廠區的地震觀測系統逐步建立資料庫，分析資料以嘗試了解結構物在中、小規模地震下之行為，並回饋給結構設計師以期減震設計能更接近現況且準確。

測量資料回饋

透過廠區安裝的加速度計，可以作為分析結果與實際測量資料比對用，我們可以把L10的加速度當作是輸入資料，比對分析出來的L30加速度與測量到的加速度差異，來驗證結構動力分析的可靠度，作為以後修改結構模型的依據，這樣對以後新建廠房的結構行為預測會更正確，圖十六是F14P3對震央在花蓮的1219地震經過多次修正結構模型參數後之模擬分析與實測結果的比較，可以看出適當的模型參數設定依目前的模擬技術已經有相當的可靠度可模擬地震之結構行為。

CONCLUSION 結語

經過這幾年的加速度控制與阻尼設計經驗後，我們有幾點建議作為後續努力的重點工作:

1. 建立北、中、南各園區基地所專屬的地震設計參數基本資料庫，其中包含：土層波速、地盤周期、10年、80年、475年、2500年回歸期PGA…等資訊。
2. 建立各廠區減震歷時分析地震資料加速度標準檔案，新廠設計過程中，不論該廠位於哪個園區，都依照這套標準加速度進行分析，可以立即比對新廠構造型式對未來其他廠區規劃有何影響。
3. 建立廠房減震歷時分析標準，分析過程中相關參數很多，與結構設計所採用的分析模型不會相同，應對目前已經使用的結構模型參數，例如:結構內部阻尼係數、桁架樓版模擬方式等建立技術標準。
4. 目前使用中的阻尼器有兩種規格(C=500, C=250, α=0.35)，應建立備品庫存，可以在萬一台灣發生強烈地震而遭遇損壞時更換。