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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林致寬
研究生(外文):Chih-Kuan Lin
論文名稱:傾斜滑動支承之數值模擬與實驗驗證
論文名稱(外文):Experimental and Numerical Verification of a Sloped Sliding-Type Isolation Bearing
指導教授:鍾立來鍾立來引用關係
口試日期:2017-07-10
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:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:248
中文關鍵詞:滑動式隔震支承非線性參數探討真實隔震案例近斷層地震振動台實驗
外文關鍵詞:Sloped Sliding-Type Bearingnonlinearparametric studyreal isolated structurenear-fault earthquakeshaking table experiment
相關次數:
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隔震系統乃一有效降低由地震力上傳至上部結構剪力之方法,滑動式隔震支承即為一常用之隔震系統類型。前人對於傳統線性滑動式隔震支承─摩擦單擺系統之研究已日趨成熟,然而諸多研究亦逐漸發現摩擦單擺系統由於其回復力與位移呈一線性關係,使得系統具有一特定之隔震頻率。故當地表外力頻率較接近隔震頻率時,則會因共振效應導致隔震效果不彰。因此,近年來隔震技術之研究逐漸轉向非線性隔震系統。在此,本文將探討一種新式非線性滑動式隔震支承墊─傾斜滑動支承(Sloped Sliding-Type Bearing, SSB),其滑動面為一斜面,並以摩擦力作為其主要消能機制,相較於現行之鉛心橡膠支承或摩擦單擺系統實務設計,當本支承之設計參數─摩擦係數及斜面角度決定時,無需經由迭代便可定出一固定之最大上傳剪力值。有別於傳統之線性系統,本支承具有回復力固定之特性,使其無特定之隔震頻率,故不具共振情形之疑慮。本文首先藉由結構動力學之觀念推導出系統之運動方程式,並整理出模擬之方法。藉由參數分析,以掌握系統反應對參數之敏感度,同時證明本系統之絕對加速度對地表外力之振幅及頻率不敏感,亦表現系統不具特定隔震頻率之特性。由於本系統尚未具有一完整之設計流程,故會提出一套簡易之設計方法以決定設計參數,並藉由一真實隔震案例將本系統與摩擦單擺系統做一隔震行為之比較。模擬結果顯示,當本系統經適當設計下,不論於遠域或近斷層地震下均能有效發揮隔震效果,且不若摩擦單擺系統,本系統於近斷層地震作用下,仍保有不錯之隔震效果。最後,藉由一振動台實驗,對實驗數據與數值模擬結果進行擬合,結果均顯示本系統具有不錯之隔震效果,亦證明本系統於實務應用之可行性且模擬方法對系統之非線性力學行為亦有不錯之掌握度。
Isolation system is an effective way to reduce the earthquake load transmits to superstructure. In addition, sliding isolation bearing is one of the most commonly used isolation systems. The research on a conventional sliding isolation bearing, Friction Pendulum System (FPS), is known thoroughly nowadays. FPS possesses a specific isolation period due to the linear relationship between the restoring force and the isolation displacement. However, more studies have shown that FPS will be ineffective when the earthquake frequency approaches the isolation frequency, which may cause a resonant phenomonen. Therefore, the development of isolation technique has gradually focused on nonlinear isolation system these years. This article will introduce a new nonlinear isolation technique, Sloped Sliding-Type Bearing (SSB), which has a sloped sliding surface and the energy dissipation mechanism is mainly provided by the frictional force. Different from the design procedures of Lead Rubber Bearing (LRB) and FPS, the maximum base shear of SSB can be easily determined without iteration procedures when the two system parameters of SSB, friction coefficient and inclination angle, are decided. Besides, due to the nonlinearity between the restoring force and the isolation displacement of SSB, it does not possess a specific isolation period, which will be able to prevent the resonant phenomonen. This article will first derive the system’s equation of motion and arrange the simulation method. By a parametric study, the sensitivity of the system response toward the system parameters is able to comprehend. Furthermore, the system is proved that it does not possess a specific isolation period, and the absolute acceleration response is insensitive to the amplitude and frequency content of the earthquake. Due to not having a design procedure for SSB, a simple design method is proposed to determine the design parameters. By comparing SSB with FPS using a real isolated structure, SSB is shown to be effective under both far-field and near fault earthquake. Besides, it will show a better result than FPS under the near fault earthquake. Finally, by comparing the simulation results with the shaking table experiment results, the feasibility of SSB is verified and the simulation method is proved to be valid in order to present the dynamic behavior of SSB.
口試委員審定書 i
誌謝 ii
摘要 iii
Abstract iv
目錄 vi
表目錄 viii
圖目錄 x
第一章  緒論 1
1.1 研究動機與背景 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 本文內容 5
第二章  傾斜滑動支承理論 7
2.1 傾斜滑動支承之單向剛體模擬 7
2.1.1 運動方程式推導 8
2.1.2 模擬方法 9
2.1.3 分析非滑動狀態之修正 11
2.2 傾斜滑動支承之單向雙自由度模擬 14
2.2.1 運動方程式推導 14
2.2.2 模擬方法 16
2.3 摩擦模型與遲滯迴圈 19
第三章  傾斜滑動支承之模擬 21
3.1 傾斜滑動支承之參數探討 21
3.1.1 隔震系統參數介紹 21
3.1.2 簡諧地表外力下之參數探討 25
3.1.2.1 正規化摩擦係數對系統反應之影響 25
3.1.2.2 斜面角度對系統反應之影響 30
3.1.2.3 地表外力頻率對系統反應之影響 31
3.1.3 真實地表外力下之參數探討 33
3.1.3.1 正規化摩擦係數對系統反應之影響 33
3.1.3.2 斜面角度對系統反應之影響 35
3.2 傾斜滑動支承與FPS之單向剛體比較 63
3.3 傾斜滑動支承與FPS之單向雙自由度比較 87
3.3.1 隔震系統比較結果 88
3.3.2 變更設計比較結果 94
3.3.2.1 變更摩擦係數 94
3.3.2.2 變更斜面角度 97
3.3.3 新設計參數下隔震系統比較結果 100
第四章  傾斜滑動支承之實驗與分析 162
4.1 振動台實驗介紹 162
4.1.1 實驗構架與設備 162
4.1.1.1 實驗構架 162
4.1.1.2 實驗設備 163
4.1.2 震波選用與參數設定 164
4.2 模擬假設驗證 176
4.3 參數識別 182
4.4 實驗結果及擬合 189
4.4.1 模擬結果與檢驗 189
4.4.2 擬合結果討論 195
第五章  結論與未來展望 218
5.1 結論 218
5.2 未來展望 219
參考文獻 221
附錄A 226
附錄B 229
附錄C 235
附錄D 247
D.1 247
D.2 247

表3.1 真實震波資訊 38
表3.2 之轉折點 38
表3.3 近似與模擬之 最大誤差 38
表3.4 進似與模擬位移反應極值比較(PGA=400 gal) 39
表3.5 真實地震之理論轉折點 39
表3.6 隔震系統上部結構資訊 69
表3.7 設計參數(設計目標PGA=80 gal) 69
表3.8 FPS摩擦係數最佳化隔震設計流程結果 69
表3.9 系統加速度極值指標比較 70
表3.10 系統位移極值指標比較 70
表3.11 系統殘餘位移反應指標比較 71
表3.12 系統上部結構加速度反應極值指標比較 103
表3.13 系統隔震層位移反應極值指標比較 103
表3.14 系統層間位移極值指標比較 104
表3.15 系統基底總剪力極值指標比較 104
表3.16 系統殘餘位移反應指標比較 105
表3.17 變更設計系統上部結構加速度反應極值指標比較 106
表3.18 變更設計隔震層位移反應極值指標比較 107
表3.19 變更設計系統層間位移極值指標比較 108
表3.20 變更設計系統基底總剪力極值指標比較 109
表3.21 變更設計系統殘餘位移反應指標比較 110
表3.22 新設計參數系統上部結構加速度反應極值指標比較 111
表3.23 新設計參數隔震層位移反應極值指標比較 111
表3.24 新設計參數系統層間位移極值指標比較 112
表3.25 新設計參數系統基底總剪力極值指標比較 112
表3.26 新設計參數系統殘餘位移反應指標比較 113
表4.1 振動台性能 166
表4.2 感測計對照表 167
表4.3 感測計命名規則 168
表4.4 實驗震波資訊 169
表4.5 試驗震波編號 170
表4.6 庫倫摩擦係數識別結果 184
表4.7 第1號震波擬合結果 197
表4.8 第2號震波擬合結果 197
表4.9 第3號震波擬合結果 197
表4.10 第4號震波擬合結果 198
表4.11 第5號震波擬合結果 198
表4.12 第6號震波擬合結果 198
表4.13 第7號震波擬合結果 199
表4.14 第8號震波擬合結果 199
表4.15 第9號震波擬合結果 199
表4.16 第10號震波擬合結果 200
表4.17 第11號震波擬合結果 200
表4.18 第12號震波擬合結果 200
表4.19 第13號震波擬合結果 201
表4.20 第14號震波擬合結果 201
表4.21 第15號震波擬合結果 201

圖2.1 傾斜滑動支承示意圖 13
圖2.2 傾斜滑動支承剛體模型 13
圖2.3 傾斜滑動支承自由體圖 13
圖2.4 傾斜滑動支承雙自由度模型 18
圖2.5 傾斜滑動支承雙自由度自由體圖 18
圖2.6 速度與摩擦力之關係 20
圖2.7 系統之力與變位關係 20
圖3.1 簡諧地表外力振幅變化示意圖 39
圖3.2 地表加速度歷時及頻率反應譜 44
圖3.3 ,fg=2Hz,PGA=400 gal 之隔震器反應 45
圖3.4 與隔震性能指標關係圖 46
圖3.5 之理論轉折點與模擬轉折點比較 47
圖3.6 反應相位差及相對加速度頻率譜(fg=2Hz,PGA=400 gal) 48
圖3.7 反應相位差及相對加速度頻率譜(fg=2Hz,PGA=400 gal) 49
圖3.8 反應相位差及相對加速度頻率譜(fg=2Hz,PGA=400 gal) 49
圖3.9 反應相位差及相對加速度頻率譜(fg=2Hz,PGA=400 gal) 50
圖3.10 與 之近似關係圖 51
圖3.11 斜面角度 與系統反應關係圖 (fg=2Hz,PGA=400 gal) 52
圖3.12 地表外力頻率fg與系統反應關係圖 53
圖3.13 真實地表外力下 與系統反應關係圖 54
圖3.14(c) 正規化摩擦係數對應位移歷時比較圖(Kuma_major) 58
圖3.15 斜面角度 與系統反應關係圖 62
圖3.16 Taiwan SMART1地震(EW向,PGA=215.82 gal) 72
圖3.17 工址設計反應譜 72
圖3.18 真實地震加速度反應譜(PGA=0.32 g) 73
圖3.19 地表外力頻率fg與不同隔震系統反應關係圖 74
圖3.20 隔震系統極值及殘餘位移反應比較(El Centro) 76
圖3.21 隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Kobe) 78
圖3.22 隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Haga) 80
圖3.23 隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Kuma_prior) 82
圖3.24 隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Kuma_major) 84
圖3.25 隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Taiwan SMART1) 86
圖3.26 上部非剛體隔震系統極值及殘餘位移反應比較(El Centro) 116
圖3.27 上部非剛體隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Kobe) 119
圖3.28 上部非剛體隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Haga) 122
圖3.29 上部非剛體隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Kuma_prior) 125
圖3.30 上部非剛體隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Kuma_major) 128
圖3.31 上部非剛體隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Taiwan SMART1) 131
圖3.32 變化摩擦係數之隔震系統極值及殘餘位移反應比較(El Centro) 132
圖3.33 變化摩擦係數之隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Kobe) 133
圖3.34 變化摩擦係數之隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Haga) 134
圖3.35 變化摩擦係數之隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Kuma_prior) 135
圖3.36 變化摩擦係數之隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Kuma_major) 136
圖3.37 變化摩擦係數之隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Taiwan SMART1) 137
圖3.38 變化斜面角度之隔震系統極值及殘餘位移反應比較(El Centro) 138
圖3.39 變化斜面角度之隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Kobe) 139
圖3.40 變化斜面角度之隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Haga) 140
圖3.41 變化斜面角度之隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Kuma_prior) 141
圖3.42 變化斜面角度之隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Kuma_major) 142
圖3.43 變化斜面角度之隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Taiwan SMART1) 143
圖3.44 新設計參數下隔震系統極值及殘餘位移反應比較(El Centro) 146
圖3.45 新設計參數下隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Kobe) 149
圖3.46 新設計參數下隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Haga) 152
圖3.47 新設計參數下隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Kuma_prior) 155
圖3.48 新設計參數下隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Kuma_major) 158
圖3.49 新設計參數下隔震系統極值及殘餘位移反應比較(Taiwan SMART1) 161
圖4.1 上部鋼構架平面圖 171
圖4.2 隔震結構平面組立圖(單位:mm) 171
圖4.3 隔震結構立面圖 172
圖4.4 傾斜滑動支承設計圖 173
圖4.5 摩擦子及下支承版 173
圖4.6 感測器與集錄系統 174
圖4.7 感測器配置 175
圖4.8 第2號震波位移反應歷時(El Centro_Y_100%) 179
圖4.9 第5號震波位移反應歷時(Kobe_X_100%) 179
圖4.10 第9號震波位移反應歷時(Haga_X_100%) 180
圖4.11 第11號震波位移反應歷時(Kuma_prior_X_100%) 180
圖4.12 第14號震波位移反應歷時(Kuma_major_X_100%) 181
圖4.13 摩擦係數識別示意圖 185
圖4.14 第1號震波識別結果 185
圖4.15 第2號震波識別結果 185
圖4.16 第3號震波識別結果 186
圖4.17 第4號震波識別結果 186
圖4.18 第5號震波識別結果 186
圖4.19 第6號震波識別結果 186
圖4.20 第7號震波識別結果 186
圖4.21 第8號震波識別結果 186
圖4.22 第9號震波識別結果 187
圖4.23 第10號震波識別結果 187
圖4.24 第11號震波識別結果 187
圖4.25 第12號震波識別結果 187
圖4.26 第14號震波識別結果 187
圖4.27 第14號震波識別結果 188
圖4.28 第15號震波識別結果 188
圖4.29 第1號震波(El Centro_X_100%) 202
圖4.30 第2號震波(El Centro_Y_100%) 203
圖4.31 第3號震波(Kobe_X_50%) 204
圖4.32 第4號震波(Kobe_Y_50%) 205
圖4.33 第5號震波(Kobe_X_100%) 206
圖4.34 第6號震波(Kobe_Y_100%) 207
圖4.35 第7號震波(Haga_X_50%) 208
圖4.36 第8號震波(Haga_Y_50%) 209
圖4.37 第9號震波(Haga_X_100%) 210
圖4.38 第10號震波(Haga_Y_100%) 211
圖4.39 第11號震波(Kuma_prior_X_100%) 212
圖4.40 第12號震波(Kuma_prior_Y_100%) 213
圖4.41 第13號震波(Kuma_major_X_50%) 214
圖4.42 第14號震波(Kuma_major_X_100%) 215
圖4.43 第15號震波((Kuma_major_Y_100%) 216
圖4.44 相對速度和瞬間摩擦力正向力之關係圖 217
圖A.1 隔震系統反應歷時(El Centro, PGA=0.32g) 226
圖A.2 隔震系統反應歷時(Kobe, PGA=0.32g) 226
圖A.3 隔震系統反應歷時(Haga, PGA=0.32g) 227
圖A.4 隔震系統反應歷時(Kuma_prior, PGA=0.32g) 227
圖A.5 隔震系統反應歷時(Kuma_major, PGA=0.32g) 228
圖A.6 隔震系統反應歷時(Taiwan SMART1, PGA=0.32g) 228
圖B.1 隔震系統反應歷時(El Centro, PGA=0.32g) 229
圖B.2 隔震系統反應歷時(Kobe, PGA=0.32g) 230
圖B.3 隔震系統反應歷時(Haga, PGA=0.32g) 231
圖B.4 隔震系統反應歷時(Kuma_prior, PGA=0.32g) 232
圖B.5 隔震系統反應歷時(Kuma_major, PGA=0.32g) 233
圖B.6 隔震系統反應歷時(Taiwan SMART1, PGA=0.32g) 234
圖C.1 變更摩擦係數( )隔震系統反應歷時(El Centro, PGA=0.8g) 235
圖C.2 變更摩擦係數( )隔震系統反應歷時(Kobe, PGA=0.8g) 236
圖C.3 變更摩擦係數( )隔震系統反應歷時(Haga, PGA=0.8g) 237
圖C.4 變更摩擦係數( )隔震系統反應歷時(Kuma_prior, PGA=0.8g) 238
圖C.5 變更摩擦係數( )隔震系統反應歷時(Kuma_major, PGA=0.8g) 239
圖C.6 變更摩擦係數( )隔震系統反應歷時(Taiwan SMART1, PGA=0.8g) 240
圖C.7 變更斜面角度( )隔震系統反應歷時(El Centro, PGA=0.8g) 241
圖C.8 變更斜面角度( )隔震系統反應歷時(Kobe, PGA=0.8g) 242
圖C.9 變更斜面角度( )隔震系統反應歷時(Haga, PGA=0.8g) 243
圖C.10 變更斜面角度( )隔震系統反應歷時(Kuma_prior, PGA=0.8g) 244
圖C.11 變更斜面角度( )隔震系統反應歷時(Kuma_major, PGA=0.8g) 245
圖C.12 變更斜面角度( )隔震系統反應歷時(Taiwan SMART1, PGA=0.8g) 246
圖D.1 兩系統遲滯迴比較圖(採用3.2節設計參數) 247
圖D.2 上部結構絕對加速度反應歷時與頻率反應譜 (Taiwan SMART1) 248
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