第三章 預彎拱鈑之元件試驗與分析
3.6 小結
由本系列元件測試結果顯示，預彎拱鈑於週期性荷載下呈現穩定的消能特 性，且隨擾動振幅增大，預彎拱鈑之遲滯迴圈更趨飽滿。此外，預彎拱鈑之勁度 變化亦呈現與非線性彈性挫屈理論所預測的，隨軸拉位移之變大而增加，隨軸壓 位移增大而降低。由動態試驗結果顯示，預彎拱鈑的遲滯迴圈並不受加載速率的
影響，其消能特性僅與位移相依，驗證其具有位移型阻尼器之特徵。比較元件測 試與ANSYS 有限元素分析結果顯示，當考慮預彎拱鈑兩端邊界條件為固接條件 下，ANSYS 分析結果所得之消能遲滯迴圈高於試驗結果，亦即元件測試所得之 實際消能能力仍未臻理想。試驗結果之表現介於邊界條件為固接與鉸接之間，其 原因為測試機構上部可動鋼梁於測試過程中產生扭轉及用於固定預彎拱鈑與固 定座之螺栓無法完全密合，且於試驗過程中螺栓孔隙有滑動現象，因此其端部之 邊界條件並未達到理想的固接條件，鋼板的變形降伏程度未如預期。
表3.1 縮尺預彎拱鈑元件測試試體尺寸
SDt1 SDt2 SDt3 振幅
表3.4 非對稱配置預彎拱鈑之彈性挫屈理論分析與試驗結果比較 最大出力 (tf)
FS10T FS12T FS10U FS12U 位移
(mm) 理論值 試驗值 理論值 試驗值 理論值 試驗值 理論值 試驗值 25 16.29 17.11 28.15 19.06 20.34 21.21 35.15 28.59 20 9.97 10.12 17.23 14.28 12.45 12.9 21.52 20.31 15 6.14 6.47 10.61 10.27 7.67 8.57 13.25 14.48 10 3.5 3.69 6.05 6.76 4.37 5.18 7.56 10.27
5 1.54 1.02 2.66 3.44 1.92 2.32 3.32 6.39 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -5 -1.25 -3.60 -2.16 -4.36 -1.56 -4.56 -2.69 -4.06 -10 -2.29 -4.05 -3.95 -6.26 -2.86 -5.37 -4.94 -5.53 -15 -3.17 -4.28 -5.48 -6.06 -3.96 -5.28 -6.85 -5.44 -20 -3.94 -4.29 -6.81 -5.61 -4.92 -5.07 -8.50 -5.21 -25 -4.61 -4.07 -7.97 -5.06 -5.76 -4.88 -9.95 -4.93
側視圖
俯視圖
圖3.1 SDt1 試體之設計詳圖(單位:mm)
側視圖
俯視圖
圖3.2 SDt2 試體之設計詳圖(單位:mm)
側視圖
俯視圖
圖3.3 SDt3 試體之設計詳圖(單位:mm)
1.5tf油壓致動器
荷重元 預彎拱鈑
圖3.4 縮尺預彎拱鈑元件之測試構架設計圖
圖3.5 縮尺預彎拱鈑元件之測試構架組裝完成照片
圖3.6 MTS1.5tf 動態油壓致動器
圖3.7 荷重元（Load Cell）
圖3.8 訊號擷取系統
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
Displacement (mm) -30
Forces (kgf)
t=1mm ; f=0.1Hz ; s=1mm
Forces (kgf)
t=1mm ; f=0.3Hz ; s=1mm
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
Displacement (mm) -30
Forces (kgf)
t=1mm ; f=0.5Hz ; s=1mm
Forces (kgf)
t=1mm ; f=1.0Hz ; s=1mm
圖3.9 縮尺預彎拱鈑元件測試之遲滯迴圈(SDt1；s=1mm)
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Displacement (mm)
-200
Forces (kgf)
t=2mm ; f=0.1Hz ; s=1mm
Forces (kgf)
t=2mm ; f=0.3Hz ; s=1mm
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Displacement (mm) -200
Forces (kgf)
t=2mm ; f=0.5Hz ; s=1mm
Forces (kgf)
t=2mm ; f=1.0Hz ; s=1mm
圖3.10 縮尺預彎拱鈑元件測試之遲滯迴圈(SDt2；s=1mm)
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Displacement (mm) -300
Forces (kgf)
t=3mm ; f=0.1Hz;s=1mm
-1.5 -1 Displacement (mm)-0.5 0 0.5 1 1.5
Forces (kgf)
t=3mm ; f=0.3Hz;s=1mm
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Displacement (mm) -300
Forces (kgf)
t=3mm ; f=0.5Hz; s=1mm
-1.5 -1 Displacement (mm)-0.5 0 0.5 1 1.5
Forces (kgf)
t=3mm ; f=1.0Hz; s=1mm
圖3.11 縮尺預彎拱鈑元件測試之遲滯迴圈(SDt3；s=1mm)
-10 -5 0 5 10 Displacement (mm)
-800
Force (kgf)
t=1mm; f=0.1Hz s=1mm s=3mm s=5mm s=6mm
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Displacement (mm) -200
Forces (kgf)
t=1mm ; f=0.1Hz ; s=1mm
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Displacement (mm) -200
Forces (kgf)
t=1mm ; f=0.1Hz ; s=3mm
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Displacement (mm) -200
Forces (kgf)
t=1mm ; f=0.1Hz ; s=5mm
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Displacement (mm) -200
Forces (kgf)
t=1mm ; f=0.1Hz ; s=6mm
圖3.12 SDt1 縮尺預彎拱鈑元件測試之遲滯迴圈(f=0.1Hz)
-12 -8 -4 0 4 8 Displacement (mm)
-400
Forces (kgf)
t=2mm ; f=0.1Hz s=1mm Displacement (mm)
-400
Forces (kgf)
t=2mm ; f=0.1Hz ; s=1mm
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Displacement (mm)
-400
Forces (kgf)
t=2mm ; f=0.1Hz ; s=3mm
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Displacement (mm)
-400
Forces (kgf)
t=2mm ; f=0.1Hz ; s=5mm
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Displacement (mm)
-400
Forces (kgf)
t=2mm ; f=0.1Hz ; s=7mm
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Displacement (mm)
-400
Forces (kgf)
t=2mm ; f=0.1Hz ; s=8mm
圖3.13 SDt2 縮尺預彎拱鈑元件測試之遲滯迴圈(f=0.1Hz)
-10 -5 0 5 10 Displacement (mm)
-800
Force (kgf)
t=3mm ; f=0.1Hz s=1mm Displacement (mm)
-600
Forces (kgf)
t=3mm ; f=0.1Hz ; f=1mm
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Displacement (mm)
-600
Forces (kgf)
t=3mm ; f=0.1Hz ; s=3mm
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Displacement (mm)
-600
Forces (kgf)
t=3mm ; f=0.1Hz ; s=5mm
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Displacement (mm)
-600
Forces (kgf)
t=3mm ; f=0.1Hz ; s=7mm
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Displacement (mm)
-600
Forces (kgf)
t=3mm ; f=0.1Hz ; s=8mm
圖3.14 SDt3 縮尺預彎拱鈑元件測試之遲滯迴圈(f=0.1Hz)
-8 -4 0 4 8
Displacement (mm) -600
Forces (kgf)
s=3mm ; f=0.1Hz t=1mm
Displacement (mm) -600
Forces (kgf)
s=5mm ; f=0.1Hz t=1mm
-800 -400 0 400 800 1200
-9 -6 -3 0 3 6 9
Displacement (mm)
Forces (kgf)
t=1mm t=2mm t=3mm
圖3.16 不同鈑厚縮尺預彎拱鈑之最大出力包絡線
俯視圖
正視圖
圖3.17 FS12T 試體之細部設計詳圖(單位:mm)
Dynamic Actuator
Fixing Bracket
Pre-bent Strip
Fixing Bracket Foundation
圖3.18 足尺預彎拱鈑元件之動態測試構架設計圖(單位:mm)
圖3.19 足尺預彎拱鈑元件之動態測試構架組裝完成照片
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Displacement (mm)
-8
Force (tf)
f=0.1Hz Displacement (mm)
-8
Force (tf)
f=0.3Hz Displacement (mm)
-8
Force (tf)
f=0.5Hz Displacement (mm)
-8
Force (tf)
f=0.8Hz Displacement (mm)
-8
Force (tf)
f=1.0Hz
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Displacement (mm)
-8
Force (tf)
s=5mm Displacement (mm)
-8
Force (tf)
s=10mm Displacement (mm)
-8
Force (tf)
s=15mm Displacement (mm)
-8
Force (tf)
s=20mm
(a) FS12T（固接）
(b) FS12T（鉸接）
圖3.23 FS12T 預彎拱鈑之 ANSYS 分析模型
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm)
-10 0 10 20
Force (tf)
(a)Experimental
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm)
-10 0 10 20
Force (tf)
(b)ANSYS-Clamped
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm)
-10 0 10 20
Force (tf)
(c)ANSYS-Hinged
圖3.24 FS12T 預彎拱鈑之 ANSYS 與試驗結果比較(0.5Hz)
俯視圖
正視圖
圖3.25 FS10T 試體之細部設計詳圖(單位:mm)
俯視圖
正視圖
圖3.26 FS10U 試體之細部設計詳圖(單位:mm)
俯視圖
正視圖
圖3.27 FS12T 試體之細部設計詳圖(單位:mm)
俯視圖
正視圖
圖3.28 FS12U 試體之細部設計詳圖(單位:mm)
Buckled Strut Fixing Bracket
(a) Top View
Buckled Strut Fixing bracket
Fixed to the Seating H-Beam
Fixed to Movable H-Beam
(b) Side View
圖3.29足尺預彎拱鈑之靜態試驗元件細部設計圖(單位:mm)
圖3.30足尺預彎拱鈑之靜態試驗安裝示意圖
(a) 試體FS12T（切削斷面，β =0.33）
(b) 試體FS12U（均勻斷面，β=1.0）
(c) 200tf 油壓致動器
圖3.31 非對稱足尺預彎拱鈑之元件靜態測試構架組裝完成照片
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Displacement (mm)
Time (min)
圖3.32 致動器連續加載歷時圖
-30 -20 -10 0 10 20 30 Displacement (mm)
-10
Force (tf)
(a)t10Fc645
-30 -20 -10 0 10 20 30 Displacement (mm)
-10
Force (tf)
(b)t12Fc645
-30 -20 -10 0 10 20 30 Displacement (mm)
-10
Force (tf)
(c)t10Fu645
-30 -20 -10 0 10 20 30 Displacement (mm)
-10
Force (tf)
(d)t12Fu645
(a) FS10T (b) FS12T
(c) FS10U (d) FS12U
圖3.33 預彎拱鈑之測試結果比較
-10 0 10 20 30 40
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30
Displacement (mm)
Forces ( tf )
FS10T FS12T FS10U FS12U
圖3.34 非對稱配置預彎拱鈑之力與位移關係曲線(測試結果)
-20 -10 0 10 20 30 40
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30
Displacement (mm)
Forces ( tf )
FS10T FS12T FS10U FS12U
圖3.35 非對稱配置預彎拱鈑之力與位移關係曲線(彈性挫屈理論)
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Time
位移(mm)
圖3.36 ANSYS 往復載重分析之位移指令歷時
(a) FS12U（固接）
(b) FS12T（固接）
圖3.37 預彎拱鈑之 ANSYS 分析模型（固接）
(a) FS12U（鉸接）
(b) FS12T（鉸接）
圖3.38 預彎拱鈑之 ANSYS 分析模型（鉸接）
-30 -20 -10 0 10 20 30 Displacement (mm)
-10 0 10 20
Force (tf)
(a)Experimental
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm) -10
0 10 20
Force (tf)
(b)ANSYS-Clamped
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm) -10
0 10 20
Force (tf)
(c)ANSYS-Hinged
圖3.39 FS10T 預彎拱鈑之 ANSYS 與試驗結果比較
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm)
-10 0 10 20
Force (tf)
(a)Experimental
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm)
-10 0 10 20
Force (tf)
(b)ANSYS-Clamped
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm)
-10 0 10 20
Force (tf)
(c)ANSYS-Hinged
圖3.40 FS12T 預彎拱鈑之 ANSYS 與試驗結果比較
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm)
-20 -10 0 10 20 30
Force (tf)
(a)Experimental
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm)
-20 -10 0 10 20 30
Force (tf)
(b)ANSYS-Clamped
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm)
-20 -10 0 10 20 30
Force (tf)
(c)ANSYS-Hinged
圖3.41 FS10U 預彎拱鈑之 ANSYS 與試驗結果比較
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm)
-20 -10 0 10 20 30
Force (tf)
(a)Experimental
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm)
-20 -10 0 10 20 30
Force (tf)
(b)ANSYS-Clamped
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm)
-20 -10 0 10 20 30
Force (tf)
(c)ANSYS-Hinged
圖3.42 FS12U 預彎拱鈑之 ANSYS 與試驗結果比較
俯視圖
正視圖
圖3.43 對稱足尺預彎拱鈑元件測試之試體細部設計圖
Pre-bent Strip Fixing Bracket
Interval Plate
Pre-bent Strip
Fixing Bracket Fixed to Movable H-Beam
Fixed to the Seating H-Beam Fixed to the Seating H-Beam
圖3.44 對稱配置之足尺預彎拱鈑元件測試設計圖
圖3.45 對稱配置之足尺預彎拱鈑元件測試測試構架組裝完成照片
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm) -60
-40 -20 0 20 40 60
Force (tf)
圖3.46 對稱配置之足尺預彎拱鈑元件測試遲滯迴圈
(a) 固接條件
(b) 鉸接條件
圖3.47 對稱配置預彎拱鈑之 ANSYS 結構分析模型
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm)
-60 -40 -20 0 20 40 60
Force (tf)
(a)Experimental
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm)
-60 -40 -20 0 20 40 60
Force (tf)
(b)ANSYS-Clamped
-30 -20 -10 0 10 20 30
Displacement (mm)
-60 -40 -20 0 20 40 60
Force (tf)
(c)ANSYS-Hinged
圖3.48 對稱配置預彎拱鈑之 ANSYS 與試驗結果比較