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研究生:王勝宣
研究生(外文):Sheng-Hsuan Wang
論文名稱:隔震系統最佳化設計流程及摩擦消能水平雙向隔震試驗之研究
論文名稱(外文):Optimal Design Procedures for Isolation Systems and Bidirectional Experiment on Friction Pendulum Isolation System
指導教授:鍾立來鍾立來引用關係
指導教授(外文):Lap-Loi Chung
口試委員:盧煉元黃震興楊卓諺
口試委員(外文):Lyan-Ywan Lu
口試日期:2015-06-29
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:土木工程學研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:227
中文關鍵詞:類彈簧隔震系統摩擦單擺隔震系統最佳化設計流程動力穩定性雙向隔震試驗雙向模擬
外文關鍵詞:elastomeric isolation systemfriction pendulum systemoptimal design proceduresdynamic stabilitybidirectional isolation testbidirection simulation
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在目前業界習用之設計流程中,不論是類彈簧還是摩擦消能隔震系統,皆缺少一套準則來決定消能參數之多寡,如等效阻尼比及摩擦係數,設計者通常是仰賴經驗來決定,故有改善空間。因此,本文將本團隊發表之阻尼比最佳化與摩擦係數最佳化設計公式融入業界習用之設計流程,是為最佳化設計流程,並以此流程來設計隔震案例。為彰顯最佳化設計流程之效果,本文以設計地震、1.5倍設計地震及近斷層地震當作輸入,並進行歷時分析。根據分析結果,若案例為類彈簧隔震系統,經過最佳化隔震設計後,即使在非設計地震作用下其位移反應也不會超過設計位移;若案例為摩擦消能隔震系統,即使經過最佳化隔震設計,在非設計地震作用下其位移反應依然超過設計位移,因為摩擦隔震之消能力不因外力放大而增加。因此本文嘗試修正摩擦隔震系統最佳化設計流程之邏輯,進而設計出能滿足非設計地震需求之摩擦係數。本文提出之設計流程相對於業界習用之流程差異不大,並不會大幅影響工程師之設計習慣,更可以提供依據,幫助工程師決定隔震系統之消能參數。
在摩擦單擺隔震系統受雙向震波作用之研究中,前人通常直接假設轉角微小、回復力為向心且線性,並以簡化後的模型來模擬雙向反應。本文則透過詳細的數學推導證明回復力之水平分量確實向心,亦直接導出了可模擬大角度反應之數學模型。當然,若角度微小,本文之模型與前人相同。為探討模型是否可靠,本文將以實驗結果來驗證。本文將詳細介紹實驗試體、設備及感測計,並藉實驗數據識別參數。本文使用之實驗數據包含水平單向與水平雙向,因此模擬亦包含單向及雙向,並藉由與實驗數據比較來檢驗模型,可知模型為可靠。最後探討雙向與單向模擬之差別,彰顯雙向模擬之優點。


In the conventional isolation design procedures, the energy dissipation parameters, like equivalent damping ratio and friction coefficient, are not determined by some certain criteria but engineers’ pratical experience. Therefore, we attempted to integrate the optimal formula of dissipation parameters into the conventional design procedures called optimal design procedures, and chose a real case to do the time history analysis and then discussed the feasibility of optimal design procedures. Three earthquake types were utilized as input, one was the design earthquake, another was a non-design earthquake with PGA which was 1.5 times the design earthquake, the other was a near-fault earthquake.
According to the analysis results, if the case utilized elastomeric isolators designed by optimal damping ratio design procedures, the isolation system could play a good result about isolation effect and displacement regardless of the types of input. If the case utilized friction pendulum system designed by optimal friction coefficient design procedures, the isolation displacement will be greater than the design displacement. For this reason, we tried to modify the logic of optimal friction coefficient design procedures, in order to obtain the required friction coefficient which would satisfy the demand of the non-design earthquake. Because the difference between the optimal design procedures and the conventional one is insignificant, engineers will feel comfortable to adopt the optimal design procedures. The optimal dissipation parameters formula will be the criteria in deciding the damping ratio and friction coefficient.
In the previous researches about simulating bidirectional response of friction pendulum system, the isolation model was directly simplified without any verification. Therefore, we tried to verify the simplication through the mathematical derivation and experimental data, and then utilized the simplified model to simulate the unidirectional and bidirectional response. The comparison between experimental data and simulation results was conducted. On the basis of the comparison results, we firmly believe that the simplified isolation model is reliable. Finally, The comparison between unidirectional and bidirectional simulation was also executed, and then the advantage of bidirectional simulation is obvious.


序言 i
摘要 iii
Abstract iv
目錄 vi
圖目錄 x
表目錄 xvii
第一章  緒論 1
1.1 研究動機 1
1.1.1 類彈簧隔震系統及其數值分析 1
1.1.2 摩擦消能隔震系統 2
1.2 文獻回顧 3
1.3 本文內容 5
第二章  類彈簧隔震系統之阻尼比最佳化設計 8
2.1 標準隔震設計流程與阻尼比最佳化隔震設計流程 8
2.1.1 標準隔震設計流程之介紹與步驟 8
2.1.2 阻尼比最佳化隔震設計流程之介紹與步驟 12
2.1.3 真實隔震案例之設計結果 14
2.2 以歷時分析驗證阻尼比最佳化設計流程之效果 20
2.2.1 隔震器與阻尼器之非線性行為 20
2.2.1.1 等效線性歷時分析 20
2.2.1.2 非線性歷時分析 23
2.2.2 以隔震案例之模擬結果比較兩流程 29
2.2.2.1 以等效線性歷時分析之結果比較兩流程 30
2.2.2.2 以非線性歷時分析之結果比較兩流程 31
2.3 以ETABS驗證阻尼比最佳化設計流程之效果 48
2.3.1 類彈簧隔震器與黏滯型阻尼器之模擬 48
2.3.2 以ETABS之模擬結果比較兩流程 49
2.3.3 以ETABS檢驗兩種歷時分析之成果 50
第三章  摩擦消能隔震系統之摩擦係數最佳化設計 72
3.1 摩擦係數最佳化隔震設計流程 72
3.1.1 設計流程之介紹與步驟 73
3.1.2 隔震案例之設計結果 75
3.1.3 以剪力平衡法驗證摩擦係數最佳化設計流程之效果 76
3.1.3.1 摩擦單擺隔震系統之模擬 76
3.1.3.2 隔震案例之模擬結果 78
3.2 最佳化設計流程─考慮非設計地震 85
3.2.1 考慮1.5倍設計地震 85
3.2.2 考慮近斷層地震 86
3.2.3 隔震案例之設計結果 87
3.2.4 設計位移過大之解決方法 88
3.2.5 隔震案例之設計結果 90
3.2.6 以剪力平衡法驗證修正最佳化設計流程之效果 92
3.3 以ETABS驗證修正最佳化設計流程之效果 99
3.3.1 摩擦單擺隔震器之模擬 99
3.3.2 以ETABS之模擬結果驗證修正最佳化設計流程 100
3.3.3 以ETABS檢驗剪力平衡法歷時分析之成果 101
第四章  摩擦消能隔震系統簡諧反應之穩定性 112
4.1 隔震系統之有效週期及等效阻尼比 112
4.2 隔震系統之簡諧反應 115
4.3 隔震系統簡諧反應之穩定性 123
4.3.1 正規化頻率對穩態反應之影響 124
4.3.2 正規化幅值對穩態反應之影響 125
4.3.3 綜觀正規化頻率與正規化幅值對穩態反應之影響 127
第五章  摩擦單擺隔震系統之實驗與模擬 133
5.1 實驗介紹 133
5.1.1 實驗試體 133
5.1.2 實驗設備與震波 134
5.1.3 參數之識別與確認 135
5.2 摩擦單擺隔震系統之單向模擬 152
5.2.1 上構為剛體之檢驗 152
5.2.2 隔震系統直線運動之簡化 152
5.2.2.1 從平面運動簡化為直線運動 153
5.2.2.2 直線運動之檢驗 154
5.2.2.3 向心加速度對正向力影響之檢驗 (單向) 154
5.2.3 模擬方法 155
5.2.4 模擬結果之檢驗 156
5.3 摩擦單擺隔震系統之雙向模擬 168
5.3.1 位移數據修正與否之檢驗 168
5.3.2 上構為剛體之檢驗 169
5.3.3 隔震系統平面運動之簡化 170
5.3.3.1 回復力之方向 170
5.3.3.2 從三維運動簡化為平面運動 172
5.3.3.3 平面運動之檢驗 174
5.3.3.4 向心加速度對正向力影響之檢驗 (雙向) 175
5.3.4 模擬方法 176
5.3.5 模擬結果之檢驗 178
5.3.6 雙向模擬之優點 180
第六章  結論與未來展望 210
6.1 結論 210
6.2 未來展望 212
參考文獻 213
附錄一  等效線性系統之理論背景 219
A1.1 有效勁度 219
A1.2 等效阻尼比 220
A1.2.1 隔震器之消能機制 221
A1.2.2 阻尼器之消能機制 222
作者簡介 227


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