臺灣博碩士論文加值系統

本文之主旨係以黏彈性諧調質量阻尼器(VE-TMD)做為減振機制，期減少高科技廠房樓版垂直向第一振態之振動量。所謂「黏彈性諧調質量阻尼器(VE-TMD)」係利用黏彈性材料提供諧調質量阻尼器之勁度與阻尼，亦即黏彈性阻尼器與質量塊之組合機構。本文之TMD其設計方法係依據Hartog’s method設計準則進行設計，藉由分析及試驗以檢視VE-TMD減少樓版垂直向振動量之可行性。是以，本文內容主要可分為兩部份，第一部份為樓版結構分析模擬之部份，分析所使用之軟體為SAP2000結構分析軟體，於SAP2000軟體中使用薄殼元素、固體元素及梁元素建立高科技廠房樓版結構分析模型，施加不同頻率之簡諧外力於樓版中央，以直接積分法對安裝TMD前、後之樓版進行動力反應之數值分析，進而求得樓版中央之振動反應(位移、速度及加速度)，比較樓版安裝TMD前、後之減振效果。第二部份內容為對現有之黏彈性阻尼器進行材料性質測試，本文提供一套簡單之材料性質試驗方法以做為參考，其試驗過程分為靜力試驗及動力試驗部份，靜力試驗之目的為，從現有之黏彈性阻尼器中篩選出最符合本文設計需求之樣品，將篩選出之樣品進行動力試驗，由動力試驗之結果求出黏彈性阻尼器其橡膠材料之勁度、自然頻率及阻尼比。本文使用之黏彈性阻尼器為受現有樣品之限制，樣品之材料性質無法完全適合本文廠房樓版之需求。但本文研究主旨目的係建立VE-TMD動力特性實驗架構與量測方法，以作為將來黏彈性阻尼之選擇與改善。

This study investigates the mechanisms of viscoelastic tuned mass damper (VE-TMD) in reducing the floor vibrations in high-tech buildings of the first vertical mode. The so-called VE-TMD is a device composed of a viscoelastic damper and a mass block, in which the stiffness and viscous features of the device are offered by viscoelastic materials. In this study, the TMD is designed according to Hartog’s method, to verify the feasibility of reducing the vertical vibrations of floors through both numerical and experimental approaches.
The content of this study is divided into two major parts. The first part is the numerical simulation part. With the commercial software SAP2000, the numerical models for the floors of high-tech buildings are set up with shell elements, solid element and beam elements. Applying harmonic loadings of different frequencies at the center of the floors and then comparing the dynamic responses (displacements, velocities, and accelerations) of the floors with and without TMD, the effects of TMD in reducing vibrations can be evaluated. The second part is the experimental verification part. A simple algorithm for testing the material properties of present viscoelastic dampers is presented in this study. The algorithm includes two tests: the static test and dynamic test. The purpose of the static test is to select a qualified viscoelastic damper that satisfies the design requirements out of several samples. The selected damper is then subjected to a dynamic test for the purpose of obtaining the properties of the rubber material in the damper, including the stiffness, natural frequency, and damping ratio.
Although the material properties of the damper samples do not fully satisfy the design requirements for the building floors herein due to the limited number of samples available, the objective of this study in presenting an algorithm for testing the dynamic characteristics of the VE-TMD is achieved, hence offering a guideline for further improvements and selections in viscoelastic dampers.

目錄
誌謝................................................................I
摘要..............................................................III
ABSTRACT...........................................................IV
目錄...............................................................VI
圖目錄...........................................................VIII
附錄圖目錄..........................................................X
表目錄.............................................................XI
照片目錄.........................................................XIII
第一章 緒論.......................................................1
1-1 研究動機...................................................1
1-2 研究目的...................................................2
1-3 論文架構...................................................3
第二章 文獻回顧...................................................5
2-1 諧調質量阻尼器之基本理論.....................................5
2-2 諧調質量阻尼器之設計參數....................................15
1. TMD之質量......... ........................................15
2. TMD之彈簧係數............................................. 16
3. TMD之阻尼係數............................................. 19
2-3 黏彈性阻尼器之基本理論......................................22
第三章 高科技廠房樓版之動力特性..................................29
3-1 高科技廠房樓版結構..........................................29
3-2 樓版結構之模擬與動力分析....................................34
1. 樓版結構模擬A分析.........................................34
2. 樓版結構模擬B分析.........................................39
第四章 樓版振動控制..............................................53
4-1 TMD配置與設計........................................ ......53
4-2 樓版安裝TMD後之動力特性....................................56
4-3 減振效果....................................................65
第五章 VE-TMD樣品試驗............................................72
5-1 VE-TMD樣品介紹..............................................72
1. TMD設計參數............................................... 72
2. 黏彈性阻尼器樣品種類.......................................73
5-2 試驗構架....................................................76
5-3 試驗儀器....................................................77
5-4 靜力試驗....................................................79
1. 短期-拉力試驗..............................................79
2. 長期-潛變測驗..............................................82
5-5 動力試驗....................................................84
1. 試驗說明...................................................84
2. 試驗結果...................................................87
第六章 結論與展望................................................97
6-1 結論........................................................97
6-2 未來展望...................................................100
參考文獻..........................................................102
附錄A 模擬樓版結構之薄殼、固體及梁元素種類及分佈位置.............. 104
附錄B 模擬樓版結構之梁元素種類及分佈位置......................... 118
附錄C 試驗構架之詳細設計......................................... 123 
圖目錄
圖2-1 主系統與TMD...................................................5
圖2-2 曲線( =400kg， =0.01， =0.990099)....................11
圖2-3 曲線( =200kg， =0.005， =0.995025)...................12
圖2-4 曲線( =400kg， =0.01， =0.990099)...................13
圖2-5 曲線( =200kg， =0.005， =0.995025)..................14
圖2-6 黏彈性阻尼器.................................................22
圖2-7 簡諧外力下黏彈性材料剪應力與剪應變之相位差.................. 23
圖2-8 黏彈性阻尼器應力-應變之關係................................. 25
圖2-9 含黏彈性阻尼器之單自由度結構及其自由體圖.................... 27
圖3-1 高科技廠房之三維結構分析模型................................ 31
圖3-2 標準型晶圓廠之Y-10向剖面圖..................................32
圖3-3 樓版結構模擬A上視圖(單位：m).................................35
圖3-4 樓版結構模擬A之立體圖........................................36
圖3-5 樓版結構分割示意圖.......................................... 37
圖3-6 一塊樓版之上視圖............................................ 40
圖3-7 樓版結構模擬B之立體圖...................................... 40
圖3-8 樓版結構模擬A未安裝TMD之前十二振態圖....................... 43
圖3-9 樓版結構模擬B未安裝TMD之前十二振態圖....................... 46
圖4-1 樓版之TMD與簡諧力施加位置....................................55
圖4-2 VE-TMD的組成示意圖...........................................55
圖4-3 樓版結構模擬A裝置TMD後之前十二振態圖.......................58
圖4-4 樓版結構模擬B裝置TMD後之前十二振態圖.......................61
圖4-5 樓版結構模擬A減振效果........................................70
圖4-6 樓版結構模擬B減振效果........................................71
圖5-1 橡膠材料面積：100x100 mm2之黏彈性阻尼器.......................74
圖5-2 橡膠材料面積：40x40 mm2之黏彈性阻尼器.........................74
圖5-3 黏彈性阻尼器之遲滯迴圈(40 cycles)............................75
圖5-4 試驗構架之立體圖.............................................76
圖5-5 位移計配置圖................................................ 78
圖5-6 黏彈性阻尼器(F-1)之位移-重量試驗圖...........................81
圖5-7 黏彈性阻尼器(F-5)之位移-重量試驗圖...........................81
圖5-8 黏彈性阻尼器之潛變測驗曲線...................................83
圖5-9 反應振幅-頻率比之試驗曲線....................................85
圖5-10 VE-TMD於X、Y及Z方向之簡諧加速度反應.......................93
圖5-11 馬達邊兩個垂直Z向加速度規之簡諧加速度反應..................93
圖5-12 黏彈性阻尼器F-5上、下端垂直Z向加速度規之加速度反應........94
圖5-13 黏彈性阻尼器F-1上、下端垂直Z向加速度規之加速度反應........94
圖5-14 黏彈性阻尼器F-5與F-1下端加速度規之TMD加速度反應..........95
圖5-15 黏彈性阻尼器F-5與F-1 上端加速度規之框架横梁加速度反應......95
圖5-16 黏彈性阻尼器F-5上、下端加速度反應振幅比....................96
圖5-17 黏彈性阻尼器F-5之加速度反應振幅比試驗曲線( ).............................................. 96
圖5-18 黏彈性阻尼器F-5之加速度反應振幅比試驗曲線放大圖........... 96
圖5-19 黏彈性阻尼器F-1上、下端加速度反應振幅比....................97
圖5-20 黏彈性阻尼器F-1之加速度反應振幅比試驗曲線( ).............................................. 97
圖5-21 黏彈性阻尼器F-1之加速度反應振幅比試驗曲線放大圖............97
圖6-1 黏彈性阻尼器(編號F-1及F-5)之位移-重量試驗..................100
 
附錄圖目錄
圖A-1 梁元素(模擬柱)..............................................106
圖A-2 固體元素....................................................107
圖A-3 水平薄殼元素1...............................................108
圖A-4 水平薄殼元素2...............................................109
圖A-5 水平薄殼元素3...............................................110
圖A-6 水平薄殼元素4...............................................111
圖A-7 水平薄殼元素5...............................................112
圖A-8 水平薄殼元素6...............................................113
圖A-9 垂直薄殼元素1...............................................114
圖A-10 垂直薄殼元素2..............................................115
圖A-11 垂直薄殼元素3..............................................116
圖A-12 垂直薄殼元素4..............................................117
圖A-13 垂直薄殼元素5..............................................118
圖B-1 梁元素1.....................................................120
圖B-2 梁元素2.....................................................121
圖B-3 梁元素3.....................................................122
圖B-4 梁元素4(模擬柱).............................................123
圖B-5 梁元素5(模擬柱).............................................124
圖C-1 框架之細部設計圖(單位：mm).................................. 125
圖C-2 TMD之分解圖................................................. 126
圖C-3 承重版之分解、俯視及仰視圖(單位：mm)..........................128
圖C-4 承重版(單位：mm)............................................129
圖C-5 黏彈性阻尼器連接版(單位：mm)................................ 130
表目錄
表3-1 樓版結構模擬A未安裝TMD之動力特性...........................42
表3-2 樓版結構模擬B未安裝TMD之動力特性...........................42
表3-3 樓版結構模擬A垂直Z向第一振態數值表......................... 49
表3-4 樓版結構模擬B垂直Z向第一振態數值表......................... 51
表4-1 樓版結構模擬A之輸入歷時.................................... 53
表4-2 樓版結構模擬B之輸入歷時.................................... 54
表4-3 樓版結構模擬A之TMD設計參數...................................55
表4-4 樓版結構模擬B之TMD設計參數...................................55
表4-5 樓版結構模擬A裝置TMD後之動力特性...........................57
表4-6 樓版結構模擬B裝置TMD後之動力特性...........................57
表4-7 樓版結構模擬A之位移減振效果................................ 67
表4-8 樓版結構模擬A之速度減振效果................................ 67
表4-9 樓版結構模擬A之加速度減振效果.............................. 68
表4-10 樓版結構模擬B之位移減振效果............................... 68
表4-11 樓版結構模擬B之速度減振效果............................... 69
表4-12 樓版結構模擬B之加速度減振效果............................. 69
表5-1 TMD設計參數.................................................. 73
表5-2 黏彈性阻尼器之性質(橡膠材料面積：100x100 、厚度：5mm)........75
表5-3 servo motor規格..............................................77
表5-4 靜、動力試驗感應計規格表 (數據來源：感應計之產品型錄)........78
表5-5 試體編號F-1、F-5之潛變記錄表(固定載重350kg).................83
表5-6 VE-TMD之頻率與反應振幅值量測數據表...........................91
表5-7 黏彈性阻尼器上、下端之頻率與反應振幅值量測數據表.............92
表6-1 樣品編號F-1之靜、動力試驗結果比較表..........................99
表6-2 樣品編號F-5之靜、動力試驗結果比較表.........................100
表6-3 F-1與F-5兩個試體並聯之靜、動力試驗結果比較表...............100
 
照片目錄
照片3-1 樓版澆置混凝土前概.........................................33
照片3-2 拆模後之樓版...............................................33
照片5-1 伺服馬達...................................................77

1.張勁燕 (2007)，「半導體製程設備」，五南圖書出版股份有限公司
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5.張國鎮、黃震興、蘇晴茂、李森枏 (2008)，「結構消能減震控制及隔震設計」(修訂版)，全華圖書股份有限公司
6.張國鎮、李森枏、林裕淵 (2001)，「壁式黏性阻尼器於建築結構之應用」，國家地震工程研究中心研究報告 NCREE-01-026
7.莊宗諺 (2010)，「應用 VE damper 控制高科技廠房結構地震反應之研究」，碩士論文，國立台灣大學工學院土木工程學系
8.聯邦工程顧問股份有限公司，李森枏 (2008)，「SAP2000結構設計實務」，科技圖書股份有限公司
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10.Ray W. Clough & Joseph Penzien, Dynamics of Structures ,McGraw-Hill,Inc.
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12.Julius S. Bendat & Allan G. Piersol, Random Data : Analysis And Measurement Procedures 2nd
13.Bernard Mulgrew & Peter Grant & John Thompson, Digital Signal Processing : Concepts and Applications
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