建議 - 振動台試驗 - 科技廠房及設備耐震評估與防震研究---總計畫暨子計畫：含隔振裝置之機電設備足尺寸振動台試驗研究(I)

第五章振動台試驗

6.2 建議

由此試驗過程中發現之問題，或上述討論之結果歸納出以下幾點之建議

:

《1》在振動台試驗過程中，發電機系統有顯著的傾覆現象，由其是在 Y 軸(短向)搖晃程度更為明顯，但加裝橡膠抗震器之後搖晃程度明顯降低許多，研判橡膠抗震器於強震之中，增加整體發電機隔振系統之垂直勁度，使得晃動程度減低，但相對會使整體系統加速度反應變大，故建議可視情況增減橡膠抗震器裝置的數量，使發電機位移和加速度反應找到一個平衡點。

《2》由於彈簧避振器主要破壞的形式為承重蓋板和兩旁螺桿接合處的銲道破壞及螺桿的螺牙磨損，造成螺桿鬆脫，使得彈簧避振器失去主要抵抗水平側力的能力，亦非當初所設想之螺桿斷裂，或是外框架破壞，故建議可將承重蓋板加厚，並增加銲道厚度、強度，以增加承重蓋板和螺桿間的連結面積。

《3》在振動台試驗過程中，進行相對位移之量測時，主要量測儀器乃採拉線式位移計進行量測，但在試驗後資料處理分析過程中，發現在位移反應較小之歷時區間內，常與測力計所量測之力量無法完全相符，推測應為拉線式位移計反應較不靈敏所致，以致形成位移歷時之相位差，故建議以外部水平位移計 (

Temposonics

Ⅱ

Transducer )

取代之。

《4》理論上質心之質量代表整個系統之質量和，且根據牛頓第二定律，即通過質心之加速度可轉換為一系統之等效力，但在振動台試驗中，由於發電機不為均質之個體，無法準確求得質心位

置，僅能以各量測點之加速度概略計算之，故建議進行相關試驗時，可向設備之廠商要求提供設備規格之相關參數值，以符合理論之條件。

參考文獻

【

1

】

Saeed Fathali and André Filiatrault

，〝

Experimental Seismic Performance Evaluation of Isolation/Restraint Systems for Mechanical Equipment _Part 1 :Heavy Equipment Study

〞

Technical Report MCEER-07-0007

，

National Center For Earthquake Engineering Research

，

Buffalo

，

New York

，

2007.

【2】陳閔富，〝設備隔振基座之反覆載重試驗研究〞碩士論文，台灣科技大學，2008。

【3】陳怡，〝機電設備隔振系統之反覆載重行為研究〞碩士論文，台灣科技大學，2009。

【4】方重凱，〝螺旋彈簧隔振器之動態特性分析及應用〞碩士論文，

海洋大學，2004。

【5】張英會、劉輝航、王德成，〝彈簧手冊_第二版〞機械工業出版社，2008。

【6】陽光武，〝螺旋圓彈簧的橫向剛度分析〞中國鐵道科學，2010。

【

7

】〝

Cylindrical helical springs made from round wire and bar - Calculation and design - Part 1 : Compression springs

〞

European Committee for Standardization . BS EN 13906-1

，

2002

。

【

8

】

T.T.Soong

、

G.Chen

、

Z.Wu

、

R-H.Zhang and M.Grigoriu

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〝

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，

New York

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【9】李京翰，〝非結構構件耐震設計準則之演進〞碩士論文，台灣科技大學，2007。

【10】林龍震，〝Pro/Mechanism/MECHANICA Wildfire 2.0_機械/

運動/結構/熱力分析〞金禾資訊，2006。

【11】林淸安，〝Pro/Engineer Wildfire3.0 零件設計基礎〞，臺北市旗標，2006。

55 sec)，Sampling Rate

=10 Hz。

10 data/0.5mm (1 sec)，

Sampling Rate =10 Hz。

每隔 2 循環振幅增加 0.5 mm，初估最大振幅為±6 mm，總時間歷時 624(sec)。振幅 0mm~6 mm。

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Time ( sec )

Displacement ( mm )

表

4. 2

TEST 2 之設計反覆三角波

試驗類型 彈簧避振器 +橡膠抗震器

油壓致動器 執行速度

0.2mm/sec

最大振幅 60 sec(1 個 Cycle)，最大振幅 10 mm 資料擷取

頻率 10 data/0.2mm ( 1 sec ) ，Sampling Rate = 10 Hz

備註每隔 2 循環振幅增加 0.2 mm，初估最大振幅為±10 mm，

總時間歷時 10200(sec)。

圖

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Time ( sec ) -10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Displacement ( mm )

表

4. 3

各儀器裝設位置

高度裝置位置量測儀器量測反應

測力計單向水平剪力 + 軸向力東北側拉線式位移計單向水平向位移 + 軸向位移

測力計單向水平剪力 + 軸向力東南側拉線式位移計單向水平向位移 + 軸向位移

測力計單向水平剪力 + 軸向力西南側拉線式位移計單向水平向位移 + 軸向位移

測力計單向水平剪力 + 軸向力發

電機底部

西北側

拉線式位移計單向水平向位移 + 軸向位移

表

4. 4

反覆載重試驗

TEST_1

彈簧避振器

千斤頂東北東南西南西北備註

最大剪力

(KN) 100.60 24.53 25.03 23.95 26.27

位移

(mm) 21.00 8.12 16.39 15.62 19.80

^破壞

TEST_2

彈簧避振器

+

橡膠抗震器

千斤頂東北東南西南西北備註

最大剪力

(KN) 110.70 11.34 11.04 11.44 10.32

位移

(mm) 12.00 8.93 9.64 8.94 9.16

^未破壞

表

4. 5

彈簧尺寸表

YS-2-2400A

大彈簧小彈簧

線徑

d (mm) 12.7 8.4

彈簧圓柱直徑

D (mm) 54.5 33

彈簧圓柱高

H

(mm) 110 110

單圈螺距高

h (mm) 23.5 19

有效圈數

n 4.68 5.79

卜松比 υ

0.3 0.3

彈性係數

E (N/mm2) 210000 210000

表

4. 6

彈簧避振器之軸向勁度

實驗值

(N/mm)

理論值

(N/mm)

^誤差

( % )

東北方

1037 11.85

東南方

1117 5.05

西南方

1166 0.89

YS-2-2400A

西北方

1102

1176.44

6.33

60 東北側 TemposonicsⅡ

位移計南北向水平位移

表

5. 2

等效阻尼比(%)

編號裝置方式方向東北方東南方西南方西北方平均值標準差

X 2.246 3.595 2.813 2.370 2.76 0.53

Y 2.676 2.803 2.849 2.546 2.72 0.12 TEST 1

^{彈簧避振器}

Z 0.995 1.073 1.079 1.007 1.04 0.04

X 6.402 6.410 7.896 6.674 6.85 0.62

Y 7.311 5.197 5.232 6.851 6.15 0.95 TEST 2

彈簧避振器

+

橡膠抗震器

Z 2.970 3.278 3.351 3.529 3.28 0.20

表

5. 3

發電機放大倍率

a

裝置方式分析方式方向平均值

(Mean)

平均值－標準差

(Mean

－σ

)

平均值

+

標準差

(Mean

+σ

)

X 3.349 2.771 3.928

Y 5.967 3.836 8.097

均方根比

Z 7.311 6.364 8.258

X 4.097 2.727 5.467

Y 4.501 2.477 6.525

彈簧避振器

尖峰值比

Z 11.165 7.407 14.923

表

6. 1

試驗自然振動頻率比對

方向實驗值

(Hz)

^理論值

(Hz )

軸向

(Z) 4.38 4.52

單位力法

1.913

振動台試驗

TEST 1

側向

(X) 2.75

能量法

1.917

圖

1. 1

隔振設備物常見破壞形式

(

姚昭智教授攝

)

承載物

組合鋼架

基座

圖

2. 1

試驗構架拆解圖

圖

2. 2

柴油發電機正視圖圖

2. 3

柴油發電機側視圖

圖

2. 4

彈簧避振器側視圖圖

2. 5

彈簧避振器正視圖

圖

2. 6

彈簧避振器零件拆解圖

圖

2. 7

彈簧避振器零件組裝圖

圖

2. 8

橡膠抗震器圖

2. 9

橡膠抗震器剖視圖

(

由固安震提供

)

圖

2. 10

整體試驗基座安裝尺寸示意圖

(

正視圖

)

圖

2. 11

整體試驗基座安裝尺寸示意圖

(

側視圖

)

33.65 cm 55 cm

圖

2. 15 (a.1)

彈簧避振器與

LOAD CELL

之轉接板

(

上板

)

7 cm

10 cm

7 cm Ф1.2 cm

34 cm

7 cm 10 cm 10 cm 7 cm

上視圖

^{黑色代表下部攻牙}_{藍色代表穿孔}

正視圖

Ф2.0 cm

2.5

2 cm 2 cm

圖

2. 16 (a.2)

彈簧避振器與

LOAD CELL

之轉接板

(

下板

)

圖

2. 17 (b)

橡膠抗震器與

LOAD CELL

之轉接板

38cm

42 cm

5 cm 5 cm

7.3 cm 2.6 cm

正視圖

1.5 cm

Ф 2 cm Ф 2 cm

上視圖

螺孔穿孔

Ф 2 cm Ф 2 cm

3. 2 cm

3. 2 cm 1 cm

圖

2. 18 (c)

連接

C

型鋼與橡膠抗震器之板

圖

2. 19 (d)

連接

C

型鋼與彈簧避振器之連結板

圖

2. 20 (e) C

型鋼之加勁板

(

彈簧避振器

)

圖

2. 21 (f) C

型鋼之加勁板

10 cm 10 cm 11 cm

20 cm 14 cm

2.5 cm

2.5 cm 5.5 cm

5.5 cm

Ф 3 cm Ф 3 cm

Ф1.2 cm

※紅色穿孔Ф3 cm 黑色攻牙Ф1.2 cm

上視圖

11 cm

正視圖

6.5cm 6.5cm

55cm

圖

2. 22 (g)

轉接板

d α ^′ γ

dA

圖

3. 2

彈簧軸向受力圖圖

3. 3

彈簧元素受力圖

α ′

圖

3. 1

彈簧尺寸圖

ξ

圖

3. 4

螺旋彈簧受側力圖

φ

圖

3. 5 A

元素受力分析圖

3. 6 A

元素剖面受力分析

H

x

z

O F

F

2f_r

M

H

x

z

O

(a) (b) (c)

圖

3. 7

兩端平行的螺旋彈簧變形分析

(

參考彈簧手冊

)

f

圖

3. 8

彈簧壓縮後的變形行為

2 θ h π

X Y

圖

3. 9

彈簧側向受力正視圖圖

3. 10

彈簧俯視圖

α ^G β ^G

( )

x i G ( )

y j G

i cos sin

j sin cos

θ β θ α θ β θ α

= ⋅ − ⋅

= ⋅ + ⋅

G G G

圖

3. 11

座標轉換關係圖

79 拉線式位移計

測力計

圖

4.1

反覆載重試驗中拉線式位移計和測力計裝置圖

圖

4. 2

反覆載重試驗 TEST 1 (彈簧避振器)

圖

4. 3

反覆載重試驗 TEST 2 (彈簧避振器+橡膠抗震器)

圖

4. 4

反覆載重裝置方式(側視圖)

圖

4. 5

試驗構架平面圖

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -120

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

-20 -10 0 10 20 30

Shear Force ( KN )

圖

4. 8

TEST_1 東南側 YS-2-2400A 受力遲滯迴圈

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

-20 -10 0 10 20 30

Shear Force ( KN )

圖

4. 9

TEST_1 西北側 YS-2-2400A 受力遲滯迴圈

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

-20 -10 0 10 20 30

Shear Force ( KN )

圖

4. 10

TEST_2 東南側 YS-2-2400A 受力遲滯迴圈

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

-20 -10 0 10 20 30

Shear Force ( KN )

圖

4. 11

TEST_2 西北側 YS-2-2400A 受力遲滯迴圈

-20 -10 0 10 20

Displacement ( mm ) -30

-10 -5 0 5 10

Displacement ( mm ) -20

-10 0 10 20

Shear Force ( KN )

A B

F H

正向反向

圖

4. 14

TEST_2 西北側 YS-2-2400A 受力流程圖

-10 -5 0 5 10

Displacement ( mm ) -20

-10 0 10 20

Shear Force ( KN )

圖

4. 15

TEST_2 YS-2-2400A 東南側受力流程圖

圖

4. 16

西北側 YS-2400A 之遲滯迴圈 B 階段受力示意圖

圖

4. 17

西北側 YS-2400A 之遲滯迴圈 B→C 階段受力示意圖

圖

4. 18

西北側 YS-2400A 之遲滯迴圈 D 階段受力示意圖

正向加載上部重量

螺桿與承重蓋板接合處進一步旋

轉

螺旋彈簧壓縮重心持續偏移

圖

4. 19

西北側 YS-2400A 之遲滯迴圈 D→E 階段受力示意圖

圖

4. 20

西北側 YS-2400A 之遲滯迴圈 G 階段受力示意圖

承重蓋板和轉

接板相對滑移反向加載

上部重量

圖

4. 21

西北側 YS-2400A 之遲滯迴圈 H→I 階段受力示意圖

90 上部重量

螺旋彈簧壓縮重心持續反向偏移

反向加載

螺桿與承重蓋板接合處進一步旋

轉

圖

4. 22

西北側 YS-2400A 之遲滯迴圈 I→J 階段受力示意圖

圖

4. 23

YS-1000A 彈簧避振器螺桿斷裂

圖

4. 24

YS-1000A 彈簧避振器外框架破壞

圖

4. 25

YS-2400A 彈簧避振器

螺桿螺牙破壞

圖

4. 26

YS-2400A 彈簧避振器

承重蓋板銲道破壞

圖

4. 27

試驗過程 YS-2400A 彈簧避振器螺桿鬆脫

-15 -10 -5 0 5 10 15

Displacement ( mm ) -120

Displacement ( mm ) -20

-12 -8 -4 0 4 8 12

Displacement ( mm ) -20

-10 0 10 20

Shear Force ( KN )

TEST 1 TEST 2

圖

4. 30

油壓致動器相同位移之迴圈比較(量測位置:發電機西北側)

北南

振動台

圖

5. 2

振動台試驗發電機裝置示意圖(正視圖)

Frequency ( Hz )

Spectral Response Acceleration ( g )

5% Damping

Horizontal RRS

AFLX

ARIG

圖

5. 1

設備物需求反應譜

圖

5. 3

振動台試驗發電機底部量測儀器裝置圖

(參照表 5.1)

圖

5. 4

振動台試驗發電機頂部量測儀器裝置圖

(參照表 5.1)

Z

Y

圖

5. 5

振動台試驗座標方向(側視圖) 圖

5. 6

振動台試驗座標方向( 正視圖 )

Acceleration ( g )

Y 軸向

Acceleration ( g )

Z 軸向

Acceleration ( g )

圖

5. 7

振動台試驗輸入地震力( CHY009_100% )

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

100

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

101

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

102

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

103

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

104

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

105

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

106

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

107

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

108

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

109

-30 -20 -10 0 10 20 30

Displacement ( mm ) -30

110

111

Intput Acceleration ( g )

0 5 10 15 20 25 30 35

Intput Acceleration ( g )

0 5 10 15 20 25 30 35

Intput Acceleration ( g )

Y

Intput Acceleration ( g )

0 5 10 15 20 25 30 35

Intput Acceleration ( g )

0 5 10 15 20 25 30 35

Intput Acceleration ( g )

Z

Intput Acceleration ( g )

0 5 10 15 20 25 30 35

Intput Acceleration ( g )

0 5 10 15 20 25 30 35

Intput Acceleration ( g )

圖

5. 33

振動台衝擊波試驗試驗之衰減反應

112

Time History( sec ) -0.4

Rocking Angle ( Degree )

EAST Side WEST Side

0 10 20 30 40 50

Time History( sec ) -0.4

Rocking Angle ( Degree )

EAST Side WEST Side

傾覆角東側 0.307∘ 西側 0.254∘ 東側 0.292∘ 西側 0.274∘

圖

5. 34

發電機傾覆分析(X 軸向輸入波)

113

Time History( sec ) -1.2

Rocking Angle ( Degree )

NORTH Side SOUTH Side

0 10 20 30 40 50

Time History( sec ) -1.2

Rocking Angle ( Degree )

NORTH Side SOUTH Side

傾覆角南側 0.933∘ 北側 1.065∘ 南側 0.727∘ 北側 0.733∘

圖

5. 35

發電機傾覆分析(Y 軸向輸入波)

114

Time History( sec ) -0.4

Rocking Angle ( Degree )

EAST Side WEST Side

0 10 20 30 40 50

Time History( sec ) -0.4

Rocking Angle ( Degree )

EAST Side WEST Side

傾覆角東側

0.300

∘ 西側

0.321

∘ 東側

0.211

∘ 西側

0.212

∘ 圖

5. 36

發電機傾覆分析

(XYZ

軸向輸入波

)

115

Time History( sec ) -1.2

Rocking Angle ( Degree )

NORTH Side SOUTH Side

0 10 20 30 40 50

Time History( sec ) -1.2

Rocking Angle ( Degree )

NORTH Side SOUTH Side

傾覆角南側

0.845

∘ 北側

1.153

∘ 南側

0.567

∘ 北側

0.600

∘

圖

5. 37

發電機傾覆分析