柔性模型試驗參數識別與探討

在 柔 性 模 型 實 驗 部 分 ， 由 於 需 與 前 小 節 剛 性 模 型 做 比 較 ， 雷 射 位 移 計 架 設 位 置 亦 同 時 量 測 頂 樓 及 底 樓 位 移 量 ， 因 此 本 節 以 位 移 輸 出 結 果 呈 現 ， 以 和 剛 性 模 型 位 移 輸 出 結 果 相 互 對 照 ， 以 探 搞 本 研 究 柔 性 模 型 與 傳 統 風 洞 實 驗 剛 性 模 型 動 態 行 為 之 差 異 。 柔 性 模 型 為 模 擬 實 際 結 構 物 變 位 方 式 而 非 像 剛 性 模

型 將 結 構 物 設 為 勁 度 極 高 之 剛 體 ， 其 勁 度 較 小 提 供 樓 層 間 較 大 的 相 對 位 移 ， 頂 層 位 移 反 應 較 底 層 反 應 大 且 受 其 輸 入 外 力 頻 率 影 響 。 實 驗 方 式 首 先 參 照 前 述 流 程 進 行 量 測 ， 但 由 於 柔 性 模 型 不 若 剛 性 模 型 ， 頂 層 放 大 之 位 移 將 使 模 型 位 移 量 過 大 ， 因 此 需 特 別 小 心 調 整 適 當 的 位 移 控 制 命 令 。

一 、 首 次 實 驗 ：

由 於 未 考 慮 到 模 型 進 行 振 動 台 實 驗 時 ， 並 不 是 如 同 風 洞 實 驗 時 持 續 給 定 模 型 外 力 於 模 型 表 面 ， 而 是 由 基 底 輸 入 震 波 ， 模 型 受 來 回 劇 烈 晃 動 容 易 致 使 外 部 固 定 木 板 之 膠 帶 鬆 脫 而 使 模 型 動 態 反 應 與 原 預 期 效 果 有 所 不 同 ， 可 以 觀 察 到 膠 帶 鬆 脫 雖 然 不 會 造 成 模 型 壞 損 ， 但 會 改 變 模 型 動 態 反 應 ， 由 位 移 反 應 觀 察 此 組 實 驗 輸 出 頻 率 並 非 達 到 共 振 情 況 下 ， 在 反 應 後 段 時 依 然 明 顯 加 大 ， 這 是 由 於 膠 帶 鬆 脫 後 模 型 各 樓 層 可 錯 動 束 制 變 小 ， 層 間 位 移 放 大 導 致 模 型 反 應 放 大 。

二 、 第 二 次 實 驗 ：

第 二 次 實 驗 為 求 使 反 應 不 致 過 大 而 使 膠 帶 脫 落 ， 特 別 注 意 在 實 驗 規 劃 部 分 設 定 控 制 位 移 命 令 為 2mm，並將模型膠帶固定妥當進行實驗，

以 確 保 在 非 共 振 頻 率 下 模 型 反 應 不 該 有 放 大 或 是 任 何 異 常 狀 況 。 但 由 於 共 振 反 應 後 ， 膠 帶 還 是 略 有 受 損 ， 造 成 即 便 過 了 共 振 頻 率 後 ， 反 應 行 為 會 因 為 上 下 層 錯 動 而 相 互 影 響 與 原 位 移 反 應 不 同 。

三 、 第 三 次 實 驗 ：

經 過 上 兩 次 實 驗 以 及 數 據 處 理經 驗，我 們可 以 大 約預 估 共 振頻 率 ， 並 以 此 重 新 規 畫 實 驗 輸 出 頻 率 和 控 制 命 令 使 實 驗 量 測 結 果 較 佳 化 ， 此 次 實 驗 規 劃 為 使 振 動 台 輸 出 外 力 在 頻 率 上 升 時 不 造 成 能 量 過 大 ， 將 隨 頻 率 變 動 控 制 位 移 命 令 ， 如 此 激 發 共 振 反 應 時 也 不 使 柔 性 模 型 層 與 層 之 間 連 結 膠 帶 損 傷 ， 且 可 較 有 效 率 地 在 接 近 共 振 頻 率 範 圍 才 將 實 驗 筆 數 提 升 ， 除 了 可 以 節 省 花 費 時 間 外 ， 還 可 以 減 少 長 期 震 動 對 模 型 連 接 膠 帶 位 置 的 磨 損 ， 以 求 最 佳 實 驗 結 果 。 實 驗 規 劃 如 表 4-9。

表 4-9 柔性模型試驗各頻率正弦試驗輸出位移對照表

頻 率(Hz)

位 移 控 制 命 令(mm) (理論值)

實 驗 結 果(mm)

7 Hz ±1 mm +1.422 到-1.849 8 Hz ±1 mm +1.734 到-1.879 9 Hz ±1 mm +1.931 到-2.024 10 Hz ±0.75 mm +1.865 到-1.846 11 Hz ±0.6 mm +1.659 到-1.759 12 Hz ±0.6 mm +2.211 到-2.671 13 Hz ±0.5 mm +2.147 到-3.029 13.5 Hz ±0.3 mm +2.115 到-2.817 13.7 Hz ±0.25 mm +2.105 到-2.778 13.8 Hz ±0.2 mm +1.417 到-1.415 13.9 Hz ±0.2 mm +1.315 到-1.272 14 Hz ±0.35 mm +1.9 到-3.422 14.5 Hz ±0.3 mm +0.98 到-0.924

15 Hz ±0.3 mm +0.813 到-0.798 16 Hz ±0.3 mm +0.588 到-0.633 17 Hz ±0.3 mm +0.477 到-0.597 18 Hz ±0.3 mm +0.504 到-0.472

資 料 來 源 ： 本 計 畫 實 驗 數 據 整 理

由以上實驗數據整理可以找到柔性模型之共振頻率，由於位移命令均比 剛 性 試 體 試 驗 時 小 ， 所 以 ， 量 測 結 果 明 顯 受 雜 訊 影 響 。 但 由 於 在 頻 率 域 分 析 取 該 頻 率 含 量 最 大 震 幅 相 除 求 得 轉 換 函 數，如 圖 4-17，而非於時間域分析以 歷 時 反 應 中 將 最 大 反 應 相 除 ， 因 此 能 避 免 高 頻 雜 訊 頻 率 內 涵 對 反 應 之 影 響 。 在 實 驗 中 一 些 相 對 較 高 頻 震 波 位 移 量 量 測 結 果 中 ， 為 了 使 輸 出 能 量 不 至 於 過 大 而 將 其 控 制 位 移 量 降 低 而 導 致 量 測 到 的 位 移 量 與 雜 訊 影 響 量 相 近 的 資 料 ， 也 可 以 由 此 使 雜 訊 影 響 下 降 。 亦 即 ， 本 研 究 考 慮 頂 層 反 應 和 底 層 反 應 在 所 要 量 取 之 頻 率 內 涵 下，兩 者 之 間 的 對 應 關 係，上 下 層 所 架 設 之 雷 射 位 移 計 型 號 、 接 線 配 置 相 同 ， 並 經 同 樣 擷 取 系 統 ， 以 及 類 似 之 雜 訊 影 響 值 ， 不 至 影 響 到 系 統 反 應 頻 率 含 量 ， 由 此 方 法 可 降 低 雜 訊 對 結 果 之 影 響 。

圖

4-17 柔性模型頻率轉換函數圖

由 圖 4-17 柔性模型轉換函數中，模型之共振頻率落在約 14.5Hz 至 15Hz 附 近；對 照 柔 性 模 型 風 洞 試 驗 結 果，柔 性 模 型 水 平 向 共 振 頻 率 約 為 12Hz。由 於 頻 率 轉 換 函 數 計 算 頻 率 之 解 析 度 ， 受 選 取 資 料 點 數 與 取 樣 時 間 影 響 ， 因 此 會 有 些 許 差 距 。

第五章

第一節

結論

本 研 究 針 對 一 般 高 層 建 築 之 風 洞 試 驗 模 型 製 作 與 行 為 精 進 進 行 研 究 與 試 驗 ， 採 用 振 動 平 台 進 行 高 層 建 築 風 洞 試 驗 模 型 之 動 態 行 為 測 試 ， 進 一 步 應 用 系 統 參 數 識 別 技 術 ， 針 對 試 驗 模 型 之 動 態 參 數 與 振 態 行 為 進 行 識 別 。 同 時 進 行 剛 性 與 柔 性 氣 彈 模 型 之 風 洞 試 驗 ， 以 評 估 模 型 之 適 用 性 。 本 研 究 所 得 之 結 論 如 下 ：

(1) 針 對 建 築 風 洞 試 驗 柔 性 氣 彈 模 型 之 分 析 與 製 作 ， 本 研 究 採 用 鋼 材 與 飛 機 木 ， 配 合 碳 纖 維 絞 索 ， 成 功 製 作 具 有 柔 性 變 形 行 為 之 風 洞 模 型 ， 並 對 其 動 態 行 為 進 行 分 析 與 試 驗 測 試 。

(2) 利用風洞實驗室，完成高寬比(H/D)為 7 之三維方形斷面柱體之剛性與 柔 性 氣 彈 模 型 之 風 洞 試 驗 。 由 風 洞 實 驗 結 果 ， 可 知 在 達 到 渦 散 共 振 風 速 時 ， 柔 性 試 體 之 振 動 反 應 加 劇 ， 昇 力 驟 升 ， 紊 流 強 度 亦 由 原 先 保 持 在 0.5%以下的狀態，在共振現象升至 3.37%。

(3) 針 對 建 築 風 洞 試 驗 柔 性 氣 彈 模 型 之 擾 動 值 而 言 ， 在 未 發 生 共 振 效 應 的 狀 態 下 ， 擾 動 力 值 、 擾 動 扭 力 值 均 較 小 ， 亦 即 在 實 驗 過 程 中 並 未 出 現 大 量 偏 離 平 均 值 的 情 形，但 在 共 振 現 象 發 生 時，擾 動 值 有 增 加 的 現 象 。 (4) 本 次 研 究 中 可 以 觀 察 到 當 共 振 效 應 發 生 時 ， 柔 性 模 型 的 風 力 係 數 出 現 較 大 變 化，此 現 象 在 不 發 生 共 振 效 應 之 剛 性 氣 動 模 型 實 驗 難 以 觀 察 到 。 以 平 均 昇 力 係 數 為 例 ， 柔 性 氣 彈 模 型 共 振 反 應 最 大 時 ， 其 平 均 昇 力 係 數 約 為 0.18，而剛性氣動模型之昇力係數約為 0.00063，後者幾無出現 橫 風 向 受 力 情 形 ， 柔 性 模 型 可 以 表 現 剛 性 模 型 不 具 備 的 共 振 反 應 ， 且 其 差 異 顯 著 。

(5) 本 研 究 以 高 頻 振 動 台 給 定 風 洞 剛 性 模 型 試 體 及 柔 性 氣 彈 模 型 基 底 振 動 ， 藉 此 激 發 試 體 之 頻 率 內 涵 來 識 別 剛 性 模 型 與 柔 性 模 型 結 構 參 數 ， 用 以 和 風 洞 試 驗 值 進 行 比 較 。 傳 統 壓 克 力 製 作 之 剛 性 模 型 共 振 頻 率 約 為

25Hz，而柔性模型之共振頻率落在約 14.5Hz 附近；對照柔性模型風洞 試 驗 結 果 ， 柔 性 模 型 水 平 向 共 振 頻 率 約 為 12Hz。

第二節

建議

本 研 究 建 議 事 項 分 述 如 後 ： 建 議 一

增 加 柔 性 氣 彈 模 型 製 作 與 振 動 試 驗 測 試 相 關 研 究 課 題 ： 立 即 可 行 建 議 主 辦 機 關 ： 內 政 部 建 築 研 究 所

協 辦 機 關 ： 財 團 法 人 成 大 研 究 發 展 基 金 會 、 國 立 成 功 大 學 土 木 系 、 國 立 成 功 大 學 航 空 太 空 科 技 研 究 中 心 、 財 團 法 人 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 地 震 工 程 研 究 中 心 、 中 華 民 國 結 構 工 程 技 師 公 會 全 國 聯 合 會 、 中 華 民 國 全 國 建 築 師 公 會 、 社團法人中華民國風工程學會

柔 性 氣 彈 模 型 製 作 目 前 尚 有 材 料 調 整 、 外 觀 封 包 技 術 提 升 、 模 型 參 數 與 規 畫 設 計 目 標 值 調 校 等 關 鍵 技 術 需 要 突 破 。 建 議 未 來 內 政 部 建 築 研 究 所 應 持 續 支 持 柔 性 氣 彈 模 型 製 作 與 振 動 試 驗 相 關 研 究 ， 例 如 ： 非 對 稱 柔 性 氣 彈 模 型 之 風 洞 試 驗 、 應 用 柔 性 氣 彈 模 型 進 行 高 樓 建 築 外 型 最 佳 化 之 風 洞 試 驗 、 超 高 層 建 築 物 承 受 扭 轉 大 氣 邊 界 層 風 速 引 致 的 氣 彈 現 象 。

並 與 建 築 師 公 會 及 結 構 工 程 技 師 公 會 合 作 ， 探 討 結 構 分 析 軟 體 針 對 結 構 物 承 受 颱 風 衝 擊 引 起 的 氣 彈 效 應、現 有 高 樓 建 築 舒 適 度 效 能 調 查 與 量 測 分 析 研 究、

現 有 高 樓 建 築 應 用 振 動 控 制 裝 置 進 行 舒 適 度 效 能 提 升 之 風 洞 試 驗 等 課 題 ， 以 精 進 服 務 能 力 與 層 次 。

建 議 二

增 加 應 用 數 值 模 擬 分 析 建 築 氣 彈 互 制 行 為 相 關 研 究 課 題 ： 中 長 期 建 議 主 辦 機 關 ： 內 政 部 建 築 研 究 所

協 辦 機 關 ： 財 團 法 人 成 大 研 究 發 展 基 金 會 、 國 立 成 功 大 學 土 木 系 、 國 立 成 功 大 學 航 空 太 空 科 技 研 究 中 心 、 中 華 民 國 結 構 工 程 技 師 公 會 全 國 聯 合 會 、 社團法人 中華民國風工程學會

高 層 建 築 之 氣 彈 互 制 行 為 十 分 複 雜 ， 建 議 未 來 持 續 以 不 同 地 況 、 不 同 形 狀 逐 步 進 行 柔 性 氣 彈 模 型 之 風 洞 試 驗 ， 以 精 進 對 高 層 建 築 氣 彈 行 為 之 掌 握 。

在 計 算 機 軟/硬體大幅進步的現今，應用計算流體動力學之方法進行與風洞

試 驗 配 套 之 探 討 為 必 要 之 趨 勢 。 目 前 國 際 上 此 方 面 的 研 究 發 展 日 新 月 異 ， 也 是 風 工 程 的 一 個 重 要 發 展 方 向 。 建議未來內 政 部 建 築 研 究 所 應 持 續 推 動 計 算 流 體 動 力 模 擬 之 相 關 研 究 課 題 ， 以 推 估 各 種 實 際 規 劃 需 求 下 之 設 計 風 力 ， 並 提 供 建 築 物 耐 風 設 計 規 範 之 修 訂 參 考 。

建 議 三

推 動 高 層 建 築 健 康 監 測 與 風 洞 試 驗 驗 證 相 關 研 究 課 題 ： 中 長 期 建 議 主 辦 機 關 ： 內 政 部 建 築 研 究 所

協 辦 機 關 ： 財 團 法 人 成 大 研 究 發 展 基 金 會 、 國 立 成 功 大 學 土 木 系 、 中 華 民 國 結 構 工 程 技 師 公 會 全 國 聯 合 會 、 中 華 民 國 全 國 建 築 師 公 會 、 社團法人中華民國風 工程學會

一 般 於 高 樓 建 築 之 外 觀 設 計 除 了 滿 足 業 主 開 發 的 需 求 、 建 築 物 的 美 觀 與 住 戶 的 舒 適，為 了 降 低 渦 散 現 象 造 成 之 顫 振 效 應，均 應 進 行 整 體 外 形 之 風 洞 試 驗。 如 於 設 計 階 段 忽 略 此 一 效 應 之 影 響 ， 往 往 於 興 建 完 成 後 會 有 舒 適 度 無 法 滿 足 規 範 要 求 的 處 境 。

為 使 柔 性 氣 彈 模 型 製 作 更 貼 近 實 際 需 求 及 掌 握 其 於 風 洞 中 的 動 態 行 為 ， 建 議 未 來 內 政 部 建 築 研 究 所 可 與 建 築 師 公 會 及 結 構 工 程 技 師 公 會 合 作 ， 推 廣 高 層 建 築 健 康 監 測 計 畫。鼓 勵 高 層 建 築 於 設 計 階 段 即 進 行 風 力 監 測 計 畫 ， 配 合 建 議 二 之 數 值 模 擬 分 析 能 力 提 升，同 時 進 行 標 的 高 層 建 築 之 縮 尺 柔 性 模 型 風 洞 試 驗，

以 進 行 數 值 模 擬、風 洞 試 驗 與 真 實 量 測 比 對 之 研 究 流 程，以 精 進 高 層 建 築 規 劃 、

以 進 行 數 值 模 擬、風 洞 試 驗 與 真 實 量 測 比 對 之 研 究 流 程，以 精 進 高 層 建 築 規 劃 、