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結構防振液流阻尼器之研發及應用研討會(95.2.11) 數值案例： 液流阻尼器在高科技廠房的減震應用 (電子計算機於土木水利工程應用研討會,台南,94.9.1-2)
徐德修 蕭珮芳 李永峰 侯建元 成功大學 土木系
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速度型阻尼器之裝置 高強度的套筒 活塞桿及活塞片 黏滯性的液體
目的：藉由內部液體由阻尼器的一側經過活塞片與套筒間的縫隙流至另一側，運動過程中，活塞兩側之壓力差，即為產生之阻尼力。 圖1 阻尼器示意圖
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高科技廠房個案說明 高科技廠房的模型建立 本高科技廠房為地上六層樓，地下二層樓。
佔地面積為64.35m×84.00m(約為0.54公頃)，高度為31.2m。 僅就地面上樓層加以分析討論。 第1、4二層樓為軟弱層。
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圖2 廠房立面圖(x-z平面)
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各樓層的細部說明: 一樓 高度為7.2m，樓版厚度為60cm，且配合無塵室之設計，於樓地板面計每60cm間隔的孔洞，以利通風除塵，每個開孔的直徑為35cm。 為了分析上的方便，其中開孔樓版以密閉樓版設定(2.4t/m^3)調整為1.74t/m^3。樓版所承受的活載重為1000kgf/m^2，結構模型平面如次頁圖3所示。
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圖3 一樓平面圖
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二樓 高度為6.3m 。 活載重為300kgf/m^2 。 結構模型平面圖如右。 圖4 二樓平面圖
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三樓 高度為3.7m 。 活載重為750kgf/m^2， 結構模型平面圖如右。 圖5 三樓平面圖
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四樓 高度為7.2m，樓版厚度為60cm，且配合無塵室之設計，於樓地板面計每60cm間隔的孔洞，以利通風除塵，每個開孔的直徑為35cm。 為了分析上的方便，其中開孔樓版以密閉樓版設定(2.4t/m^3)調整為1.74t/m^3。樓版所承受的活載重為1000kgf/m^2。結構模型平面如次頁圖6所示。
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圖6 四樓平面圖
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五樓 高度為6.3m 。 活載重為300kgf/m^2， 結構平面圖如右圖所示。 圖7 五樓平面圖
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六樓 高度為3.7m 。 活載重為200kgf/m^2， 結構模型平面圖如右。 圖8 六樓平面圖
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高科技廠房的動力分析檢驗 高科技廠房的佔地廣闊(5405.4平方公尺),使用的桿件數目超過400根/story,還有一些特殊的建築需求的設計(樓版),使得模型的建立仍不甚完備。 依據動力分析所得結果，X方向的基本振動週期為1.01秒，Y方向為0.7秒，符合規範規定。
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阻尼器的安裝 本研究對於液流阻尼器之設置，僅在結構體的外圍柱間裝設，且搭接方式為對角配接，所使用阻尼器之編號及對應之阻尼係數，如下表。
表1 阻尼器編號及其係數 液流阻尼器的編號 阻尼係數(KN*s/mm2) C100 100 C200 200
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考慮三大類型，分別建立結構模型進行有限元素數值分析:
第一類：未加裝阻尼元件之原結構 尚未加裝任何液流阻尼器的空結構模型，如次頁圖9所示。以便取得原結構在地震橫力下，所呈現之基本動力反應。
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圖9
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第二類：針對相同的軟弱層配置不同液流 阻尼器 探討此「具軟弱層」之特殊結構，如欲增強其耐震能力，液流阻尼器應優先配置之位置。因此，考慮優先增強軟弱層的勁度及強度，以各種不同阻尼係數之液流阻尼器，分別配置在結構體的第一樓層和第四樓層等兩種不同情形加以討論，詳見次頁圖10、圖11所示。
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圖10 液流阻尼器配置於第一樓層
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圖11 液流阻尼器配置於第四樓層
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第三類：原結構透過不同配置位置來加裝 液流阻尼器 透過採用不同的阻尼器及其配置位置，觀察其對結構體的影響。 (見圖12、圖13、圖14)
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結構體1樓及4樓配置液阻器，如下圖 圖12
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結構體1、2樓皆配置液阻器，如下圖。 圖13
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結構體各樓層皆配置液阻器，如下圖。 圖14
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採用EL Centro地震歷時作為動力分析時之外力，作用方向為X向。
結構體承受地震外力 採用EL Centro地震歷時作為動力分析時之外力，作用方向為X向。 圖15
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分析結果 1.觀察節點反應及桿件應力： 在X-Z平面上觀察L-1格線，依次為6樓、5樓、4樓、3樓、2樓及1樓之節點，用來觀測節點最大加速度(cm/s^2)。 各樓版設為rigid diaphragm(D1、D2、D3、D4、D5、D6)，觀察其形心的位移量(cm)。
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控制率 控制前反應 – 控制後反應 = x 100% 控制前反應
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表2 配置C100在軟弱層的加速度控制率 表3 配置C100在軟弱層的位移控制率 樓層 加速度 控制率(%) 6 5 4 3 2 1
加速度 控制率(%) 6 5 4 3 2 1 C100阻尼器在1樓 17.14 16.12 17.89 17.23 16.69 17.40 C100阻尼器在4樓 13.69 12.52 13.38 13.83 11.95 12.99 C100阻尼器在1、4樓 19.98 18.89 20.1 19.81 20.12 19.87 表3 配置C100在軟弱層的位移控制率 樓層 位移 控制率(%) 6 5 4 3 2 1 C100阻尼器在1樓 17.13 16.91 16.36 16.99 17.21 C100阻尼器在4樓 13.12 12.32 13.48 13.52 11.12 12.94 C100阻尼器在1、4樓 19.81 19.21 20.12 20.09 19.01 19.43
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圖16 加速度控制率
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圖17 位移控制率
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表4 配置C200在軟弱層的加速度控制率 表5 配置C200在軟弱層的位移控制率 樓層 加速 度控制率(%) 6 5 4 3 2 1
19.98 20.01 19.54 19.79 18.98 19.04 C200阻尼器在4樓 15.12 14.23 15.36 14.13 15.01 C200阻尼器在1、4樓 27.13 26.22 28.01 28.13 27.34 27.91 表5 配置C200在軟弱層的位移控制率 樓層 位移 控制率(%) 6 5 4 3 2 1 C200阻尼器在1樓 19.67 19.02 19.59 19.79 18.67 18.34 C200阻尼器在4樓 15.02 14.93 14.56 15.75 15.01 16.13 C200阻尼器在1、4樓 28.02 26.76 27.79 27.99 28.12 28.39
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圖18 加速度控制率
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圖19 位移控制率
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表6 位移控制率 表7 加速度控制率 樓層 位移控制率(%) 6 5 4 3 2 1 C100阻尼器在1、2樓 25.13 24.12
表6 位移控制率 樓層 位移控制率(%) 6 5 4 3 2 1 C100阻尼器在1、2樓 25.13 24.12 25.98 25.43 24.13 25.72 C100阻尼器在1~5樓 30.12 29.56 30.34 31.23 29.12 31.98 表7 加速度控制率 樓層 加速度控制率(%) 5 4 3 2 1 C100阻尼器在1、2樓 25.87 24.32 25.15 25.56 24.11 24.98 C100阻尼器1~5 樓 30.43 29.34 31.76 30.32 29.99 30.13
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圖20 加速度控制率
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圖21 位移控制率
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表8 位移控制率 表9 加速度控制率 樓層 位移控制率(%) 6 5 4 3 2 1 C200阻尼器1、2樓 31.13 29.18
表8 位移控制率 樓層 位移控制率(%) 6 5 4 3 2 1 C200阻尼器1、2樓 31.13 29.18 32.19 30.98 29.98 31.91 C200阻尼器在1~5樓 35.13 33.80 35.12 36.94 35.67 36.09 表9 加速度控制率 樓層 加速度控制率(%) 6 5 4 3 2 1 C200阻尼器1、2樓 30.98 31.23 31.94 33.81 29.46 30.12 C200阻尼器在1~5樓 35.87 33.41 36.29 34.78 34.98 36.98
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圖22 加速度控制率
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圖23 位移控制率
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原結構(-)與配置C200液流阻尼器於1~6F(-)的 加速度歷時比較圖
圖24
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結論與建議 本實例中僅採用阻尼係數100KN*s/mm及200KN*s/mm的液流阻尼器，。
具有軟弱層的結構物，適當加裝阻尼器後，在結構的位移和加速度方面，都可獲得不錯的改善。
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以控制率為比較之標準時，當結構物具有2個軟弱層時，優先配置阻尼器的順序(以本實例中分析之廠房為例)為：配置於整樓層者優於配置於1至3樓者，且均優於僅配置阻尼器於軟弱樓層者。
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報告完畢
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