結構物生命週期中面臨的最大考驗,除了強風之外,就屬地震最為嚴重,不 但會造成結構物內部高精密設備的損壞,其構件破壞將危及居住者的安全。現在 普遍的現象是發展高樓層建築,如何建築出更高的大樓,但又不會有安全的疑慮,
高樓層的減振已成為土木建築發展的趨勢。
1.1 研究目的與動機
結構控制的技術,由控制的機制而言,可以分為主動控制、半主動控制及被 動控制三種。主動控制須經由外加作用力以改變建築物的特性以達到減振效果。
半主動控制結合了主動控制及被被動控制的特性,以少樣的外力驅動被動裝置,
利用主動控制方式去調整結構特性使被動裝置最佳化。被動控制不需要附加外力,
僅利用地震力所提供之驅動力即可達到控制效果。被動控制是目前運用較為廣泛 的結構控制裝置。
高樓付有調和質量阻尼器之結構即為一被動控制振動的系統,高樓結構如臺 北 101 大樓的球型調和質量阻尼器,可用來減緩因強風造成的建築物振動,降低 住戶因建築物振動所產生的不適感。雖然傳統調和質量阻尼器被證實可對結構物 達到有效的控制,但其裝置還是有一些可改進地方面:1.傳統調和質量阻尼器大 多很重也很大,安裝傳統調和質量阻尼器將使頂層的空間無法被使用,失去經濟 效益。2.傳統調和質量阻尼器需調和至結構物的自然頻率,如果結構物有很多模 態需要被控制,則須安裝多組針對不同模態的調和質量阻尼器。3.傳統調和質量 阻尼器沒有容錯性,如果設計錯誤,則結構物反應不但無法減小更會放大。本文 提出一種窗型調和質量阻尼器,安裝在結構物的外牆上,解決傳統調和質量阻尼 器佔有空間的問題,此窗型調和質量阻尼器在設計上提供改變重量及改變阻尼的 調整可能性,使窗型調和質量阻尼器容錯率增大,當結構物受到如風或地震的外 力影響,窗型調和質量阻尼器可藉由在外牆擺動的方式,調和結構物的振動,窗 型版擺動過程中,可以達到空氣流動的效果,對節能上會有幫助,且窗戶形狀的 設計,可同時達到制震、節能又美觀的三項訴求。本文利用 8 層樓的剪力構架做 為要控制的目標,調整適合的窗型調和質量阻尼器參數,如勁度以及阻尼,來控
制 8 層樓的剪力構架第一模態的震動。
1.2 文獻回顧
隨著科技的發展,高樓的發展在 19 世紀後期在美國蓬勃,被稱做所謂的美式 建築,此種建築風格漸漸成為世界各地仿效的對象,尤其亞洲國家如中國、日本、
韓國及馬來西亞皆有高樓建築,對於地狹人稠的都市,高樓建築在有限的土地使 用面積下提供顯著的經濟效益,高樓建築勢必會持續發展。但對於樓層超過 40 層 以上的建築,風的動態反應對結構產生極大的影響,樓層越高,則結構物的頻率 越低,當結構物頻率越低,結構物越容易受到風的共振使反應變大,將使高樓住 戶產生不適感,所以控制高樓的振動隨著高樓的發展而愈趨重要。高樓的震動受 到很多因素影響,包含結構形狀、結構勁度、結構質量及結構阻尼,其中以結構 阻尼最難評估。結構阻尼是指一個結構物可以提供多少程度的吸能,可幫助降低 共振的反應,結構阻尼包含兩種阻尼,第一種為結構的本質阻尼,由結構的材料 及包覆所提供,為所有結構物皆固有的阻尼,但很難預測因為受到很多因素影響;
第二種為附加阻尼,傳統調和質量阻尼器就是一種附加阻尼的應用,但其過重過 大且占有頂層空間,雖然已證實其控制效果,但對於高樓建築的效益仍有改進之 處。Oesterle [4]等學者提出以高樓雙層帷幕牆控制結構物振動的概念,此帷幕牆可 調節空氣的流動,達到環境節能,Moon [2]再提出此高樓雙層帷幕牆對結構物的動 態反應有控制的效果,證明雙層帷幕牆的實用性,而 Smith[3]等學者提出大樓外懸 臂支架阻尼器,其尺寸較傳統調和質量阻尼器更為精巧,且不佔樓層空間,提供 很大的經濟效益。
1.3 研究架構與內容
本研究主要探討窗型調和質量阻尼器對結構物受到不同地震及不同的地表加 速度時的減振效果,所使用的液態黏性阻尼器,屬於速度相依型減振元件,用作 窗型版的減振機制,此種液態黏性阻尼器的機構,使窗型版在受到風或是地震的 外力作用時,達到減振吸能的效果。
本文各章節大綱如下:
第一章: 本文的研究動機、文獻回顧與簡介。
第二章: 窗型調和質量阻尼器的設計原理及阻尼器的性能測試。
第三章: 振動台試驗規劃。
第四章: 實驗結果的比較,並介紹模擬的方法。
第五章: 探討控制效果不佳的原因,並對最佳化窗型調和質量阻尼器設計參
數進行模擬。
第六章: 對模擬結果進行探討與結論,並對未來研究提出建議。