第五章 振動台試驗
6.1 結論
本研究以 3.5m×3m×3m(長×寬×高)冷卻水塔、組合構架與彈簧避 振器組成之冷卻水塔系統為例，透過反覆載重試驗與振動台試驗，探 YS-1200A 彈簧避振器之遲滯迴圈特性可分為兩部分，第一部分為 小位移狀況(0 mm~±6 mm)，彈簧避振器之側向勁度僅由彈簧之未
38 性。雖均方根值法之放大倍率均較尖峰值法來的高，如圖5.29~5.34 所示，以均方根法設計較保守，但本研究還是將兩種方式之結果 列出，以利後續研究參考。
39
3. 彈簧避振器主要破壞的形式，為承重蓋板與兩旁螺桿接合面銲道 破壞造成螺桿鬆脫，或螺桿因受力拔出而在受剪面積面積減少，
螺桿遭剪斷，使彈簧避振器失去主要抵抗水平側力的能力。建議 可將承重蓋板加厚，並增加銲道厚度、強度，增加承重蓋板和螺 桿間的連結面積。
4. 由振動台試驗破壞模式得知，冷卻水塔系統除考彈簧避振器在地 震力作用下，彈簧避振器破壞造成設備物失穩、傾覆現象外，還 需考慮冷卻水塔本身是否能承受較大之地震力作用下，不致損 傷。建議可在冷卻水塔系統中加裝液態黏性阻尼器以增加整體系 統阻尼值，避免冷卻水塔因地震力過大造成損傷。
5. 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，由於冷卻水塔不為均質之個體，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。
40
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
【8】 International Code Council ,International Building
Code,Whittier,California,2006.
【9】 建築物耐震設計規範及解說，內政部，2005 年 7 月
【10】 〝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。
【11】 T.T.Soong 、 G.Chen 、 Z.Wu 、 R-H.Zhang and M.Grigoriu ，
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【12】 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。
41
表 4. 1 設計反覆三角波
設計類型 非束制階段 束制階段
油壓制動器執 行速度
0.5mm/sec 0.5mm/sec
最大振幅 1 個 Cycle 的週期為 24
10 data/0.5mm (1 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 )
42
43
表4. 2 量測儀器裝設位置
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 拉線式位移計 單向水平向位移 + 軸向位移 東北側
外部位移計 單向水平位移+單向垂直位移 測力計 單向水平剪力 + 軸向力 拉線式位移計 單向水平向位移 + 軸向位移 東南側
外部位移計 單向水平位移+單向垂直位移 測力計 單向水平剪力 + 軸向力 拉線式位移計 單向水平向位移 + 軸向位移 西南側
外部位移計 單向水平位移+單向垂直位移 測力計 單向水平剪力 + 軸向力 拉線式位移計 單向水平向位移 + 軸向位移 冷
卻 水 塔 底 部
西北側
外部位移計 單向水平位移+單向垂直位移
44
表 4. 3 反覆載重試驗結果
千斤頂 西北 東北 東南 西南
最大剪力(kN) 78 21.72 17.16 17.26 20.86
位移(mm) 21.10 17.76 18.93 18.05 19.74
表4. 4 彈簧尺寸表
YS-2-1200A
線徑 d ( mm ) 10
彈簧圓柱直徑 D ( mm ) 54
彈簧圓柱高H0 ( mm ) 110
單圈螺距高 h ( mm ) 21
有效圈數 n 5.23
卜松比 υ 0.3
彈性係數 E ( N/mm2 ) 210000
45
46
47
48
表 4. 9 彈簧避振器比較
型號 YS-1000A YS-2400A YS-1200A
彈簧避振器示意圖
螺桿直徑 φ14
螺紋間距 2mm
頂板厚度 螺桿度定處厚 6 mm
10mm，圈數5.5
彈簧數量 2 4 2
螺桿直徑(mm) 11 14 13
承重蓋板厚(mm) 1.5 2 2
螺桿固定處厚 (mm)
4.5 6 6
固定處螺紋圈數 5.3 5.5 5.5
49
表5. 1 量測儀器裝設位置
高度 裝置位置 量測儀器 量測反應
測力計 雙向水平剪力 + 軸向力 TemposonicsⅡ
位移計 TemposonicsⅡ
位移計 TemposonicsⅡ
位移計 TemposonicsⅡ
位移計
TemposonicsⅡ
位移計 南北向水平位移
TemposonicsⅡ
位移計 東西向水平位移 西南側
加速度計 雙向水平加速度 + 軸向 加速度
TemposonicsⅡ
位移計 東西向水平位移 TemposonicsⅡ
位移計 南北向水平位移
50 X-50%(0.518g)
西南 1.996
1.939 0.066
東北 1.853 西北 1.973 東南 2.029 X-75%(0.776g)
西南 1.965
X-100%(1.091g)
西南 1.900
1.911 0.067
東北 2.020 西北 2.050 東南 1.950 Y-50%(0.531g)
西南 1.950
1.939 0.066
東北 2.030 西北 2.040 東南 1.930 Y-75%(0.753g)
西南 1.930
Y-100%(1.01g)
西南 2.032
1.911 0.067
東北 6.731 西北 6.519 東南 6.536 Z-50%(0.148g)
西南 5.859
1.939 0.066
東北 6.070 西北 5.819 東南 5.869 Z-75%(0.217g)
西南 5.253
Z-100%(0.306g)
西南 5.076
1.911 0.067
51 X-50%(0.518g)
西南 1.577
1.518 0.082
東北 1.379 西北 1.426 東南 1.520 X-75%(0.776g)
西南 1.429
X-100%(1.091g)
西南 1.305
1.321 0.064
東北 1.951 西北 1.983 東南 1.857 Y-50%(0.531g)
西南 1.901
1.923 0.055
東北 2.110 西北 2.150 東南 2.040 Y-75%(0.753g)
西南 2.040
Y-100%(1.01g)
西南 2.383
2.377 0.063
東北 6.607 西北 5.525 東南 5.126 Z-50%(0.148g)
西南 6.102
5.840 0.650
東北 6.240 西北 7.177 東南 6.321 Z-75%(0.217g)
西南 6.921
Z-100%(0.306g)
西南 5.954
5.548 0.560
52 X-50%(0.518g)
西南 3.403
3.306 0.067
東北 3.025 西北 2.880 東南 3.060 X-75%(0.776g)
西南 2.991
X-100%(1.091g)
西南 2.675
2.696 0.107
東北 3.690 西北 3.700 東南 4.600 Y-50%(0.531g)
西南 4.390
4.095 0.470
東北 1.280 西北 1.280 東南 1.300 Y-75%(0.753g)
西南 1.260
Y-100%(1.01g)
西南 1.351
1.378 0.023
東北 6.787 西北 6.668 東南 6.106 Z-50%(0.148g)
西南 5.782
6.336 0.474
東北 6.124 西北 5.971 東南 5.487 Z-75%(0.217g)
西南 5.355
Z-100%(0.306g)
西南 5.467
5.617 0.289
53 X-50%(0.518g)
西南 1.530
1.518 0.058
東北 1.316 西北 1.417 東南 1.336 X-75%(0.776g)
西南 1.518
X-100%(1.091g)
西南 1.318
1.268 0.035
東北 2.361 西北 2.318 東南 2.891 Y-50%(0.531g)
西南 2.882
2.613 0.317
東北 1.535 西北 1.557 東南 0.816 Y-75%(0.753g)
西南 0.743
Y-100%(1.01g)
西南 0.820
1.171 0.379
東北 6.760 西北 5.948 東南 5.293 Z-50%(0.148g)
西南 6.769
6.192 0.713
東北 6.351 西北 7.803 東南 6.169 Z-75%(0.217g)
西南 9.231
Z-100%(0.306g)
西南 7.905
6.021 1.393
54
圖1. 1 隔振設備物常見的破壞模式【姚昭智教授攝、李京翰攝】
55
圖 2. 1 試驗構架拆解圖
圖 2. 2 冷卻水塔立面圖
56
圖 2. 3 冷卻水塔正視圖
圖2. 4 彈簧避振器正視圖
57
圖2. 5 彈簧避振器正視圖
圖2. 6 B1 樑詳圖
58
圖2. 7 B2、B4 樑詳圖
圖2. 8 B3 樑詳圖
59
圖2. 9 內斜撐詳圖
圖 2. 10 B1 樑中加勁版
圖2. 11 連接板詳圖
60
B4 B2
B1
B3
brace
340 cm
350 cm
圖2. 12 組合構架完成詳圖
圖2. 13 整體構架示意圖
61
圖2. 14 整體構架試驗照片
8 cm 8 cm
6 cm 11 cm
11 cm
6 cm Ф1.2 cm
18 cm
34 cm 8 cm8 cm18 cm
Ф1.5 cm
上視圖 黑色代表YS-1200A攻牙
藍色代表穿孔
正視圖
Ф2.0 cm
2.5
2 cm 2 cm 2 cm
2 cm
圖2. 15 (a.1)彈簧避振器與 LOAD CELL 之轉接版(上板)
62
34 cm 2 cm 2 cm
圖 2. 16(a.2)彈簧避振器與 LOAD CELL 之轉接版(下板)
63
d
D
h H
0α
H z
α ′
圖3. 1 彈簧尺寸圖
X Z Y
d
Z
d
X Z Y
圖 3. 2 彈簧軸向受力圖
64
d α
′γ
dA
圖3. 3 螺旋彈簧受側力圖
φ φ
圖 3. 4A 元素受力分析
φ
圖3. 5A 元素剖面受力圖
65
H
x
z
O
2 H x
z
2 f
rf
rO
圖3. 6 兩端平行的螺旋彈簧變形分析(參照彈簧手冊)
f
圖3. 7 彈簧壓縮後的變形行為
66
2
θ h
Y
π
Z
A
O O´
Fr M
0圖 3. 8 彈簧側向受力正視圖
圖3. 9 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
G G G
圖3. 10 座標轉換關係圖
67
圖4. 1 冷卻水塔設備與組合構架(彈簧避振器)
68
69
3.43 m
圖4. 2 油壓致動器與冷卻設塔設備物銜接示意圖(側視圖)
70
圖 4. 3 試驗構架平面圖
71
圖4. 4 反覆載重試驗拉線式位移計、測力計、外部水平位移計裝置圖
圖4. 5 外部水平、垂直位移計裝置圖
72
-40 -20 0 20 40
displacement(mm)
-80 -40 0 40 80
Shear Force(kN)
V-D
圖4. 6 反覆載重油壓制動器力量與位移關係圖
73
-40 -20 0 20 40
displacement(mm)
-20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-D NW
圖4. 7 西北側彈簧受力遲滯迴圈
-40 -20 0 20 40
displacement(mm)
-20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-D NE
圖4. 8 東北側彈簧受力遲滯迴圈
74
-40 -20 0 20 40
displacement(mm)
-20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-D SE
圖4. 9 東南側彈簧受力遲滯迴圈
-40 -20 0 20 40
displacement(mm)
-20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-D SE
圖4. 10 東南側彈簧受力遲滯迴圈
75
-40 -20 0 20 40
displacement(mm)
-20 -10 0 10 20
S hea r Fo rce(kN )
V-D NE
圖4. 11 彈簧避振器受力過程各階段圖
76
-4 -2 0 2 4
displacement(mm)
-4 -3 -2 -1 0 1 2
Shear Force(kN)
V-D Part A
圖4. 12 彈簧避振器受力階段 A
-20 -10 0 10 20
displacement(mm)
-30 -20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-D Part B
圖4. 13 彈簧避振器受力階段 B
77
-30 -20 -10 0 10 20 30
displacement(mm)
-30 -20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-D Part C
圖4. 14 彈簧避振器受力階段 C
-40 -20 0 20 40
displacement(mm)
-12 -8 -4 0 4 8
Shear Force(kN)
V-D Part D
圖4. 15 彈簧避振器受力階段 D
78
-20 -10 0 10 20
displacement(mm)
-20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-D
圖4. 16 西北向彈簧最大受力遲滯迴圈
79
(A)
圖4. 17 西北向彈簧 A 階段示意圖
圖4. 18 西北向彈簧 B 階段示意圖
80
(C)
圖4. 19 西北向彈簧 C 階段示意圖
圖4. 20 西北向彈簧 D 階段示意圖
81
圖4. 21 西北向彈簧 E 階段示意圖
圖4. 22 西北向彈簧 F 階段示意圖
82
圖4. 23 西北向彈簧 G 階段示意圖
( H )
圖4. 24 西北向彈簧 H 階段示意圖
83
圖4. 25 西北向彈簧 I 階段示意圖
圖4. 26 西北向彈簧 J 階段示意圖
84
圖4. 27 西北向彈簧 K 階段示意圖
圖4. 28 西北向彈簧 L 階段示意圖
85
圖4. 29 西北向彈簧 M 階段示意圖
圖4. 30 西北向彈簧 N 階段示意圖
86
-20 -10 0 10 20
displacement(mm)
-20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-D
圖4. 31 東南向彈簧最大受力遲滯迴圈
87
(A)
圖4. 32 東南向彈簧 A 階段示意圖
圖4. 33 東南向彈簧 B 階段示意圖
88
(C)
東南向彈簧C 階段示意圖
圖4. 34 東南向彈簧 D 階段示意圖
89
圖4. 35 東南向彈簧 E 階段示意圖
( F )
圖4. 36 東南向彈簧 F 階段示意圖
90
圖4. 37 東南向彈簧 G 階段示意圖
圖4. 38 東南向彈簧 H 階段示意圖
91
圖4. 39 東南向彈簧 I 階段示意圖
圖4. 40 東南向彈簧 J 階段示意圖
92
圖4. 41YS-1000A 彈簧避振器螺桿斷裂
圖4. 42YS-1000A 彈簧避振器外框架破壞
93
圖4. 43YS-2400A 彈簧避振器螺桿螺牙破壞
圖4. 44YS-2400A 彈簧避振器承重蓋板銲道破壞
圖4. 45 試驗過程 YS-2400A 彈簧避振器螺桿鬆脫
94
圖4. 46 YS-1200A 螺桿與承重蓋板接合處破壞
圖4. 47 YS-1200A 螺桿受剪力破壞模式
95
圖4. 48 YS1200A 螺桿被拔出
圖4. 49 YS1200A 承重蓋板與螺桿交界處剪斷
96
0 10 20 30
Frequency ( Hz )
Spectral Response Acceleration ( g )
5% Damping
Horizontal RRS
A
FLXA
RIG圖5. 1 正規化設備物需求反應譜
圖5. 2 振動台試驗冷卻水塔裝置示意圖(正視圖)
97
圖5. 3 振動台冷卻水塔底部量測儀器裝置圖(參照表 5.1)
圖5. 4 振動台冷卻水塔底部量測儀器裝置圖(參照表 5.1)
98
Z
Y
圖5. 5 振動台試驗座標(側視圖)
圖5. 6 振動台試驗座標(正視圖)
99
Acceleration( g )
AC156-X
Acceleration( g )
AC156-Y
Acceleration( g )
AC156-Z
圖5. 7 振動台試驗輸入地震力( CHY009_100% )
100
Shear Force(kN)
V-DAC156-X
-20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-D AC156-X
Shear Force(kN)
V-DAC156-X
-20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-DAC156-X
東北側Y 向遲滯迴圈 西南側Y 向遲滯迴圈
圖5. 9 輸入波 X 向、Y 軸向反應
101
Shear Force(kN)
V-DAC156-X
-20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-DAC156-X
東北側Z 向遲滯迴圈 西南側Z 向遲滯迴圈
Shear Force(kN)
V-DAC156-Y
-20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-DAC156-Y
東北側X 向遲滯迴圈 西南側X 向遲滯迴圈
圖5. 11 輸入波 Y 向、X 軸向反應
102
Shear Force(kN)
V-DAC156-Y
-20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-DAC156-Y
東北側Y 向遲滯迴圈 西南側Y 向遲滯迴圈
Shear Force(kN)
V-DAC156-Y
-20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-DAC156-Y
東北側Z 向遲滯迴圈 西南側Z 向遲滯迴圈
圖5. 13 輸入波 Y 向、Z 軸向反應
103
Shear Force(kN)
V-D AC156-Z
Shear Force(kN)
V-D AC156-Z
Shear Force(kN)
V-D AC156-Z
Shear Force(kN)
V-D AC156-Z
東北側Y 向遲滯迴圈 西南側Y 向遲滯迴圈
圖5. 15 輸入波 Z 向、Y 軸向反應
104
Shear Force(kN)
V-D AC156-Z
Shear Force(kN)
V-D AC156-Z
Shear Force(kN)
V-DAC156-XYZ
-20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-DAC156-XYZ
東北側X 向遲滯迴圈 西南側X 向遲滯迴圈
圖5. 17 輸入波 XYZ 向、X 軸向反應
105
Shear Force(kN)
V-D AC156-XYZ
-80 -40 0 40 80
displacement(mm)
-20 0 20
Shear Force(kN)
V-D AC156-XYZ
東北側Y 向遲滯迴圈 西南側Y 向遲滯迴圈
Shear Force(kN)
V-DAC156-XYZ
-20 -10 0 10 20
Shear Force(kN)
V-DAC156-XYZ
東北側Z 向遲滯迴圈 西南側Z 向遲滯迴圈
圖5. 19 輸入波 XYZ 向、Z 軸向反應
106
Input Response
X
0 10 20 30 40 50
Time ( sec )
-0.2 0 0.2
Input Acceleration( g )
Pulse-X
Y
0 10 20 30 40 50
Time ( sec )
-0.2 0 0.2
Input Acceleration( g )
Pulse-Y
Z
0 10 20 30 40 50
Time ( sec )
-0.2 0 0.2
Input Acceleration( g )
Pulse-Z
圖5. 20 振動台衝擊波試驗輸入衝擊歷時
107
Output Response
X
0 20 40 60
Time ( sec )
-0.2 0 0.2
Output Acceleration( g )
Pulse-X
Y
0 20 40 60
Time ( sec )
-0.2 0 0.2
Output Acceleration( g )
Pulse-Y
Z
0 20 40 60
Time ( sec )
-0.2 0 0.2
Output Acceleration( g )
Pulse-Z
圖5. 21 振動台衝擊波試驗輸出衝擊歷時
108 AS-ASET
圖5. 22 冷卻水塔空構架傳遞函數示意圖
圖5. 23 冷卻水塔系統傳遞函數示意圖
109
震波方向 傳遞函數 自振頻率(Hz)
X
0 4 8 12
Frequency (Hz) 0
Frequency (Hz) 0
Frequency (Hz) 0
110
震波方向 傳遞函數 自振頻率(Hz)
1st 2nd X
0 4 8 12
Frequency (Hz) 0
Frequency (Hz) 0
Frequency (Hz) 0
111 1stMode ROOF
Spring Ground
2ndMode
圖5. 26 X 向模態示意圖
1stMode ROOF
Spring
Ground
2ndMode
圖5. 27 Y 向模態示意圖
am amT
圖5. 28 放大倍率示意圖
112
Amplification Factor
Peak Acceleration of Input Motion (g)
放大倍率X-am
Amplification Factor
Peak Acceleration of Input Motion (g)
放大倍率Y-am
Amplification Factor
Peak Acceleration of Input Motion (g)
放大倍率Z-am
113
Amplification Factor
Peak Acceleration of Input Motion (g)
放大倍率X-am
Amplification Factor
Peak Acceleration of Input Motion (g)
放大倍率Y-am
Amplification Factor
Peak Acceleration of Input Motion (g)
放大倍率Z-am
114
Amplification Factor
Peak Acceleration of Input Motion (g)
放大倍率X-amT
Amplification Factor
Peak Acceleration of Input Motion (g)
放大倍率Y-amT
Amplification Factor
Peak Acceleration of Input Motion (g)
放大倍率Z-amT
115
Amplification Factor
Peak Acceleration of Input Motion (g)
放大倍率X-amT
Amplification Factor
Peak Acceleration of Input Motion (g)
放大倍率Y-amT
Amplification Factor
Peak Acceleration of Input Motion (g)
放大倍率Z-amT
116
冷卻水塔傾覆 圖
傾覆歷時
0 20 40 60
Time History ( sec )
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4
Rocking Angle ( Degree )
WEST Side EAST Side
AC156-X
傾覆角 東側 0.287° 西側 0. 3° 圖5. 33 冷卻水塔傾覆分析(X 向輸入波)
117
冷卻水塔傾覆 圖
傾覆歷時
0 20 40 60
Time History ( sec )
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4
Rocking Angle ( Degree )
NORTH Side SOUTH Side
AC156-Y
傾覆角 北側 0.385° 南側 0.412° 圖5. 34 冷卻水塔傾覆分析(Y 向輸入波)
118
Frequency (Hz)
0
119
0 4 8 12
Frequency (Hz)
0 2 4 6 8 10
Amp.
AS-ASE AS-ASET ASE-ASET
Transfer-Function-Y-AC156
圖5. 37 AC156-Y 傳遞函數示意圖
JOINTCONFERENCEPROCEEDINGS
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