第五章 液流阻尼器之防振(震)性能試驗
5.4 木造結構加裝低容量液流阻尼器之耐震性能測試
5.4.2 試驗配置與規劃
本試驗於二層樓木造結構模型一、二樓層梁柱接頭附近的角隅間 安裝八組低容量液流阻尼器進行耐震性能測試，圖 5.64 為一樓液流 阻尼器與荷重元連接之安裝完成圖，圖 5.65 為四組荷重元裝設位置，
圖 5.66 為液流阻尼器於二層樓木造結構之組裝完成照片。
試 驗 所 用 之 輸 入 震 波 係 以 國 際 結 構 控 制 協 會 （ International Structural Control Society）所建議之 Kobe Earthquake、Hachinohe Earthquake 及 El Centro Earthquake 等地震作為輸入地表擾動，並調整 其最大地表加速度進行一系列之耐震試驗。三組輸入震波之歷時如圖 5.21 所示。為了避免空構架結構於試驗中受損，有關空構架之試驗僅
驗結果係依照地震強度作線性比例放大，加裝低容量液流阻尼器之試 驗結果則為直接量測值。
5.4.3 耐震性能試驗與評估
木造結構加裝低容量液流阻尼器在 Kobe Earthquake、El Centro Earthquake 及 Hachinohe Earthquake 等三組震波不同強度下之試驗結 果分別討論如下：
5.4.3.1 Kobe Earthquake
在 Kobe Earthquake 下之測試結果中，各樓層加速度反應峰值歸 納於表 5.21。五組試驗中各樓層之加速度峰值都有折減效果，其中當 PGA＝0.25g 時折減效益較為平均，2F 之折減率為 17%，RF 之折減 率為 16%，各樓層之加速度反應歷時比較如圖 5.67~5.71 所示。各樓 層加速度反應之均方根值（root-mean-squares, RMS）的比較歸納於表 5.22，五組測試中 RMS 結果均有折減效益，當 PGA=0.08g 時，RF 之加速度均方根值折減率為 18％；當地震強度提升時，其折減效益 有提升的趨勢，當 PGA=0.28g 時，其折減效益提升至 33%。2F 之折 減效益亦有類似趨勢。
接著利用 ARX 模型進行系統識別分析。加裝液流阻尼器之木造
個模態。識別所得之自然頻率與阻尼比等動力特性歸納於表 5.23。其 結果顯示，加裝低容量液流阻尼器後，結構系統之等效阻尼比有提 升，顯示低容量液流阻尼器對於結構具有消能的作用。以 PGA=0.08g 之識別結果為例，加裝低容量液流阻尼器之結構，阻尼比則由 3.6%
上升至 7.8%；第二振態結構阻尼比由 2.2%上升至 3.7%。
於不同地震強度下，安裝於一樓液流阻尼器的四組荷重元所測得 之軸向拉、壓力歷時如圖 5.72~5.76 所示。不同地震強度所對應之低 容量液流阻尼器最大出力歸納於表 5.24。其結果顯示，木造結構梁柱 兩側之出力有隨地震強度增加而上升的趨勢，且於 PGA=0.28g 達最 大值。以 S-W 液流阻尼器為例，當 PGA=0.08g 時，最大出力達 35kgf，
當地震強度提升至 PGA=0.28g 時，最大出力可達 199kgf。
比較液流阻尼器軸向拉、壓力歷時圖，PGA=0.08g 時之結果顯示 北側液流阻尼器(N-W 及 N-E)出力有差別，N-W 及 N-E 之最大出力 分別為 27kgf 及 14kgf；隨地震強度增加，N-W 阻尼器之最大出力逐 漸提升，但是 N-E 阻尼器之出力並沒有隨地震強度增加而變大。當 PGA≧0.19g 時，N-E 阻尼器之最大出力均維持在 30kgf 左右沒有提 升。在比較北側液流阻尼器(S-W 及 S-E)之最大出力值，其值雖然不 同但差距不大，且均隨地震強度增加而逐漸提升。發生 N-E 液流阻
均以人工打造組裝，其產品精度未臻完善有關。
5.4.3.2 Hachinohe Earthquake
Hachinohe Earthquake 中各樓層加速度反應峰值歸納於表 5.25。
在 PGA≧0.22g 的二組測試中 2F 及 RF 之加速度峰值都有折減效果，
其中當 PGA＝0.26g 時折減效益最好，2F 之折減率為 25%，3F 之折 減率為 11%。PGA≦0.19g 之三組測試顯示，裝設液流阻尼器之 2F 加速度反應峰值均有 12%之折減率，不過 RF 加速度反應峰值有些微 放大的現象，各樓層之加速度反應歷時比較如圖 5.77~5.81 所示。各 樓層之加速度反應均方根值的比較歸納於表 5.26。五組測試結果加速 度 RMS 值均有折減效益，當 PGA=0.08g 時，2F 之加速度均方根值 折減率為 23％；當地震強度提升時，其折減效益有提升的趨勢，當 PGA=0.26g 時，其折減效益提升至 36%。RF 之折減效益亦有類似之 趨勢。
接著利用 ARX 模型進行系統識別分析。加裝低容量液流阻尼器 之木造結構於不同震度之 Hachinohe 震波作用下，亦能清楚識別出模 型結構之二個模態。識別所得之自然頻率與阻尼比等動力特性歸納於 表 5.27。其結果顯示，加裝低容量液流阻尼器後，結構系統之阻尼比 有提升，顯示液流阻尼器對於結構有消能的作用。以 PGA=0.08g 之
識別結果為例，加裝液流阻尼器之結構，阻尼比由 3.6%上升至 7.1%；
第二振態結構阻尼比則由 2.2%上升至 3.4%。
於不同地震強度下，安裝於一樓液流阻尼器的四組荷重元所測得 之軸向拉、壓力歷時如圖 5.82~5.86 所示。不同地震強度所對應之低 容量液流阻尼器最大出力歸納於表 5.28。其結果顯示，木造結構兩側 之出力有隨地震強度增加而上升的趨勢，且於 PGA=0.26g 達最大值。
以 S-W 液流阻尼器為例，當 PGA=0.08g 時，最大出力達 23kgf，當 地震強度提升至 PGA=0.26g 時，最大出力可達 73kgf。比較液流阻尼 器軸向拉、壓力歷時圖， N-E 阻尼器出力仍未隨地震強度增加而變 大。當 PGA≧0.19g 時，N-E 阻尼器之最大出力均維持在 20kgf 左右 沒有提升。
5.4.3.3 El Centro Earthquake
El Centro Earthquake 中各樓層加速度反應峰值歸納於表 5.29。在 PGA≧0.23g 的二組測試中 2F 及 RF 之加速度峰值都有折減效果，但 是折減率沒有前兩個震波優異。PGA≦0.20 g 之三組測試顯示，裝設 液流阻尼器之 2F 及 RF 加速度反應峰值均有放大的現象，各樓層之 加速度反應歷時比較如圖 5.87~5.91 所示。各樓層加速度反應之均方
效益，當 PGA=0.10g 時，RF 之加速度均方根值之折減率為 7.9％；
當地震強度提升時，其折減效益有提升的趨勢，當 PGA=0.29g 時，
其折減效益提升至 13.9%。RF 之折減效益亦有類似趨勢。
接著利用 ARX 模型進行系統識別分析。加裝低容量液流阻尼器 之木造結構於不同震度之 El Centro 震波作用下，均可清楚識別出模 型結構之二個模態。識別所得之自然頻率與阻尼比等動力特性歸納於 表 5.31。其結果顯示，加裝液流阻尼器後，結構系統之阻尼比有提升，
顯示液流阻尼器對於結構有消能的作用。以 PGA=0.10g 之識別結果 為例，加裝液流阻尼器之結構，阻尼比則由 3.6%上升至 8.7%；第二 振態結構阻尼比由 2.2%上升至 3.2%。
於不同地震強度下，安裝於一樓液流阻尼器的四組荷重元所測得 之軸向拉、壓力歷時如圖 5.92~5.96 所示。不同地震強度所對應之低 容量液流阻尼器最大出力歸納於表 5.32。其結果顯示，木造結構梁柱 兩側之出力有隨地震強度增加而上升的趨勢，且於 PGA=0.29g 達最 大值。以 S-W 液流阻尼器為例，當 PGA=0.10g 時，最大出力達 45kgf，
當地震強度提升至 PGA=0.29g 時，最大出力可達 186kgf。比較液流 阻尼器軸向拉、壓力歷時圖， N-E 阻尼器出力仍沒有隨地震強度增 加而變大。當 PGA≧0.20g 時，N-E 阻尼器之最大出力均維持在
5.4.4 小結
本節完成應用低容量液流阻尼器於木造結構之耐震性能測試，藉 由振動台試驗驗證低容量阻尼器配置於梁柱接頭角隅上的方式對木 構造之減震效果。試驗結果顯示，木造結構加裝低容量液流阻尼器 後，對於結構之自然頻率並無影響，而結構之等效阻尼比則有顯著增 加，顯示低容量液流阻尼器產生具體之消能作用。此外，加裝低容量 液流阻尼器之木造結構於 Kobe 地震作用下，結構各樓層加速度峰值 與均方根值，均呈現折減效益。於 Hachinohe 地震及 El Centro 地震 作用下，當 PGA<0.2g 時其加速度鋒值反應之折減效益不彰，惟由 RMS 反應指標則反映出減震效果。主要原因是利用消能器增加結構 阻尼效應，其能量吸收會隨著時間而逐漸累積，因此能反映在 RMS 之結果及等效阻尼比上。結構加速度反應峰值若出現在地震初期，因 振動衰減效益尚未發揮，加上震波較小時，偶發之突波雜訊都可能使 加速度峰值上升，因此整體減震效果就不是太顯著。此外，由第四章 之元件測試結果亦知，清瑞機械研製之液流阻尼器在衝程較小時其遲 滯迴圈圖較不飽滿，顯示其性能在阻尼器衝程較小時尚難發揮；為當 衝程在 1.27mm 以上時，其遲滯消能特性即可有效發揮，此由輸入地 震強度較大時，加速度峰值亦能反映出減震效果可以得到印証。
表 5.1 加速度規/速度規之規格
WR731
Model
Power unit/Amplifier
Acceleration 0.1~450Hz(3dB deviation) Frequency
Range
Velocity 1.5~150Hz(3dB deviation)
Acceleration ± 0.5g Dynamic
Range
Velocity ± 50in/sec
Acceleration 10，100，1000V/g Sensitivity
Velocity 0.1，1，10V/( in/sec)
0.1~10Hz 1.0μg(Peak to Peak) Noise
10~450Hz 0.2μ g rms
表 5.2 訊號擷取系統規格
表 5.3 筆記型電腦規格
表 5.4 激振器(Shacker)開啟之加速度振動反應 RMS 值
Model IMC S
Analog Input 16 differential channels
Sum Sampling Rate 20 kHz
Maximum Sampling Rate 10 kHz
Noise(input Shorted) 9μ Vrms
A/D converter resolution 16 bits
ASUS F3S Series Duo T7100 CPU 1024MB Memory
RMS (gal) Test
w/o Damper w/ Damper Reduction (%)
1 74 53 28.4
2 72 49 31.9
3 70 48 31.4
表 5.5 五層樓鋼結構模型細部尺寸
表 5.6 五層樓鋼結構模型之動力特性
Mode 1 2 3 4
Frequency
(Hz) 1.45 4.53 7.59 10.12
Damping
Ratio (%) 0.29 0.33 0.25 0.32
Length (m) 2
Width (m) 2
Height of 2~5 floors (m) 1.3 Height of 1st floors (m) 1.5
m5 (kg-sec2/m) 82.28
m4 (kg-sec2/m) 84.75
m3 (kg-sec2/m) 84.75
m2 (kg-sec2/m) 84.75
m1 (kg-sec2/m) 85.13
表 5.7 各樓層加速度峰值反應比較( Input=Hachinohe) Input = Hachinohe Earthquake
PGA=0.09g PGA=0.14g
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction (%)
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction damper(g)
w/
damper(g)
Reduction (%)
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction
表 5.8 各樓層加速度均方根值比較(Input=Hachinohe) Input = Hachinohe Earthquake
PGA=0.09g PGA=0.14g
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction (%)
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction damper(g)
w/
damper(g)
Reduction (%)
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction
表 5.9 結構之等效頻率與阻尼比(Input=Hachinohe)
Input=Hachinohe Earthquake
w/o damper PGA=0.09g PGA=0.14g
Freq. Damping Freq. Damping Freq. Damping Mode
(Hz) Ratio (%) (Hz) Ratio (%) (Hz) Ratio (%) 1 1.45 0.29 2.07 10.9 2.11 11.3 2 4.53 0.33 6.34 11.0 6.46 10.6 3 7.59 0.25 8.96 4.3 9.04 4.3
PGA=0.19g PGA=0.24g PGA=0.30g Freq. Damping Freq. Damping Freq. Damping Mode
(Hz) Ratio (%) (Hz) Ratio (%) (Hz) Ratio (%) 1 2.14 10.5 2.13 10.8 2.16 11.4 2 6.63 10.0 6.68 9.8 6.71 9.7 3 9.28 5.3 9.31 5.5 9.36 5.6
表 5.10 液流阻尼器最大出力(Input=Hachinohe) Input = Hachinohe Earthquake
Earthquake Intensity 液流阻尼器 最大出力
(kgf) 0.09g 0.14g 0.19g 0.24g 0.30g 拉力 208 276 439 508 590
西側 壓力 -183 -250 -405 -473 -561
拉力 86 148 320 407 514
東側 壓力 -106 -175 -332 -419 -527
表 5.11 各樓層加速度峰值反應比較( Input= El Centro) Input = El Centro Earthquake
PGA=0.05g PGA=0.14g
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction (%)
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction damper(g)
w/
damper(g)
Reduction (%)
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction
PGA=0.30g w/o
damper(g)
w/
damper(g)
Reduction
表 5.12 各樓層加速度均方根值比較(Input= El Centro) Input = El Centro Earthquake
PGA=0.05g PGA=0.14g
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction (%)
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction damper(g)
w/
damper(g)
Reduction (%)
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction
PGA=0.30g w/o
damper(g)
w/
damper(g)
Reduction
表 5.13 裝設阻尼器模型結構之等效頻率與阻尼比(Input=El Centro)
Input= El Centro Earthquake
w/o damper PGA=0.05g PGA=0.14g
Freq. Damping Freq. Damping Freq. Damping Mode
(Hz) Ratio (%) (Hz) Ratio (%) (Hz) Ratio (%) 1 1.45 0.29 1.92 9.8 2.06 9.06 2 4.53 0.33 5.84 6.5 6.03 6.58 3 7.59 0.25 8.48 3.0 8.77 5.2
PGA=0.18g PGA=0.25g PGA=0.30g Freq. Damping Freq. Damping Freq. Damping Mode
(Hz) Ratio (%) (Hz) Ratio (%) (Hz) Ratio (%) 1 2.08 9.2 2.1 11.0 2.09 9.7 2 6.11 7.7 6.12 8.3 6.09 7.8 3 8.85 6.8 8.83 6.0 8.81 5.2
表 5.14 液流阻尼器最大出力(Input= El Centro) Input = El Centro Earthquake
Earthquake Intensity 液流阻尼器 最大出力
(kgf) 0.05g 0.14g 0.18g 0.25g 0.30g 拉力 137 416 475 626 589
西側 壓力 -125 -363 -422 -579 -537
拉力 53 297 380 589 551 東側 壓力 -21 -259 -330 -549 -496
表 5.15 各樓層加速度峰值反應比較( Input= Kobe) Input = Kobe Earthquake
PGA=0.08g PGA=0.14g
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction (%)
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction
damper(g)
Reduction (%)
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction
damper(g)
Reduction
表 5.16 各樓層加速度均方根值比較(Input=Kobe) Input = Kobe Earthquake
PGA=0.08g PGA=0.14g
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction (%)
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction
damper(g)
Reduction (%)
w/o damper(g)
w/
damper(g)
Reduction
damper(g)
Reduction
表 5.17 裝設阻尼器模型結構之等效頻率與阻尼比(Input=Kobe)
Input= Kobe Earthquake
w/o damper PGA=0.08g PGA=0.14g
Freq. Damping Freq. Damping Freq. Damping Mode
(Hz) Ratio (%) (Hz) Ratio (%) (Hz) Ratio (%) 1 1.45 0.29 2.04 11.3 2.09 10.8 2 4.53 0.33 6.15 5.5 6.21 5.1 3 7.59 0.25 9.62 4.4 9.72 3.8
PGA=0.22g PGA=0.34g PGA=0.37g Freq. Damping Freq. Damping Freq. Damping Mode
(Hz) Ratio (%) (Hz) Ratio (%) (Hz) Ratio (%) 1 2.14 11.2 2.13 12 2.14 11.9 2 6.37 5.6 6.33 5.6 6.36 6.3 3 9.67 5.0 9.69 5.2 9.64 5.3
表 5.18 液流阻尼器最大出力(Input= Kobe) Input = Kobe Earthquake
表 5.18 液流阻尼器最大出力(Input= Kobe) Input = Kobe Earthquake