諧調質量阻尼器(tuned mass damper, TMD)是目前常用的一種控制振動的方法,然而TMD的變數是否最佳化決定了其效果,若變數設置不當,甚至可能引發反效果。傳統於變數最佳化大多假設系統阻尼為零,而有一系列的設計公式,但實際上系統阻尼並非為零,再加上建築物並非簡單的單自由度系統,TMD的擺放位置亦是考量因素之一,此時則須經由迭代或是變數搜尋才能得到最佳變數,因此本研究開發了一最佳化架構,將數學分析軟體MATLAB與有限元素套裝軟體ABAQUS做了適當的結合,以有限元素軟體做為主要分析引擎,可擴充分析模型的類型,再由數學分析軟體擷取數據做運算與設計變數之搜尋,達到TMD設計變數最佳化之目的。 本論文中,首先介紹了TMD的運動方程式推導,以及轉換函數,接著於第三章中介紹了最佳化題目的定義,以及TMD的設計變數有哪些,包含了質量比、頻率比、阻尼比、位置等等,並大略說明這些變數對整體系統反應的影響,並舉出TMD設計的目標函數,例如位移均方值等等。 在第四章首先介紹本研究所使用的軟體,再來詳細介紹了本研究所開發的最佳化設計架構,將整體架構分為三大部分,分別為資料處理模組、有限元素分析模組、最佳化分析模組,說明各模組負責的工作項目以及指令的使用方法。 而在第五章則利用本研究所開發的分析架構,對不同類的TMD設計題目進行最佳化分析,首先先對單自由度系統進行驗證確保本研究內容可行,接著變換目標函數、設計變數、外力輸入、主系統形式,同樣進行TMD設計,求取最佳變數解使得TMD可以發揮最好的效果。 綜合以上結果,本研究架構所得在TMD的設計上有不錯的成效。
摩擦鐘擺型調諧質塊阻尼器之圓弧球面提供回復力及摩擦力,無需額外之彈簧及阻尼器,且不需懸吊,節省空間。本文旨在探討摩擦鐘擺型調諧質塊阻尼器之最佳化設計參數,藉由最佳化設計之理論,推導最佳設計參數之方程式,並採數值方法,有系統地迭代,求取最佳設計參數。由參數分析可知,結構減振效果對頻率比相當靈敏,而對摩擦係數則不甚靈敏;當質量比變化時,最佳頻率比及摩擦係數並沒有明顯變動之趨勢。以台北101大樓作為實際案例,進行摩擦鐘擺型調諧質塊阻尼器之最佳設計,經數值分析之驗證,確實發揮減振效果,符合舒適度之要求,因此,摩擦鐘擺型調諧質塊阻尼器實屬可行。
為了瞭解台鐵列車行經車站的地下結構時,所引起之振動對於上部結構體在振動方面的影響程度。進行鐵路列車行駛下結構物樓版振動現地量測,得知鐵路列車行駛下現有結構物樓版之實際數值,及判斷其是否對居住舒適度造成影響。本研究利用ETABS分析軟體建立結構分析模型進行結構振動分析,以量測現行列車行駛時的加速度歷時為輸入,進行數值模擬與分析。修正分析模型並與量測結果比較,使可準確模擬動態行為。最後利用ETABS分析軟體在結構分析模型加裝調諧質量阻尼器(Tuned Mass Damper簡稱TMD)來達到減振效果。TMD減振原理是將阻尼器之振動頻率設計成與構造物之基本振動頻率相近,當結構物受外力振動時,TMD會應共振原理隨結構振動,而TMD在振動過程中與結構間的互制作用會減小構造物之振幅。
近年來,黏性阻尼器(Viscous Damper)被廣泛應用於建築結構作為被動消能裝置,然而在現行的規範當中,對於阻尼器配置方法並無具體的建議與規定。儘管在阻尼配置的議題上有許多最佳化方法陸續被提出,但多數方法所夾帶的繁瑣計算,使得實務工程採用的意願較低。因此,在本研究中,主要目的為找尋設計流程簡易且兼具抗震效益之阻尼配置方法。 本研究透過整理現有阻尼配置方法,將配置方法分為兩種類型:簡易分配法以及迭代分配法,並藉由現有方法之延伸討論,提出四種新的分配法,包含一種簡易分配法以及三種迭代分配法。在配置方法分類中,迭代分配法為需要地震歷時分析以取得最佳化配置之方法,因此在本文中設定兩種設計地震歷時,分別為單筆與多筆地震歷時,並應用於迭代分配法之設計流程。另外,將新提出的迭代分配法應用於多元最佳化目標,以討論分配法對於不同最佳化目標之適用性。 將所有分配法應用於四種剪力構架中,以多筆真實地震歷時及人工合成地震歷時進行檢核,並且將性能指標表示為與均勻配置之反應折減指標。透過設計結果與檢核結果的討論,可以將整發現不經過設計的簡易分配法在檢核中有穩定的折減效果,而針對迭代分配法的討論中,以多筆地震歷時設計之迭代分配法的配置結果相比以單筆者有更優良的檢核結果,另外迭代分配法在人工合成地震歷時檢核相較於真實地震歷時所得到的反應折減更加明顯。在不同最佳化目標之分配法的檢核中,針對不同最佳化目標有不同的檢核結果,但由於多數分配法受限於單筆地震歷時設計,其檢核結果與單筆地震歷時設計之迭代分配法相同,反應折減效果皆不如預期。
本文旨在探討線性被動式調諧質塊阻尼器(被動式TMD)之最佳化設計,以及相位控制之控制律,於半主動式調諧質塊阻尼器(半主動式TMD)與主動式調諧質塊阻尼器(主動式TMD)之減振效益研究。首先,以單自由度結構位移之均方為最小,提出線性被動式TMD之最佳設計方法-迭代法、圖表法與最佳化設計公式。接著,對於半主動式TMD及主動式TMD;半主動式TMD之模型為被動式TMD加裝半主動式摩擦機構,以可變之正向力調整摩擦機構之摩擦力;主動式TMD之模型為被動式TMD加裝主動式噴射機構,以噴射力之方式施加主動控制力於質塊上;本文以相位控制為控制原理,提出一組控制律,使半主動式TMD及主動式TMD盡量維持-90度相位差之控制律,以達最佳之減振效果。以0.5Hz單自由度結構於強迫振動及數值模擬之結果顯示,結構加裝半主動式TMD或主動式TMD後,可有較大之減振頻率帶寬;於隨機振動之數值模擬結果顯示,其結構反應都優於最佳化被動式TMD,且由頻率比敏感度及TMD阻尼比敏感度分析,半主動式TMD及主動式TMD對於頻率比及TMD阻尼比皆不敏感,可解決被動式TMD適應性之問題;經由三維圖進行頻率比及TMD阻尼比最佳化設計後,可再增加半主動式TMD及主動式TMD之減振效益。最後以台北101結構轉換為單自由度系統作為案例分析,在台北101半年回歸期風力下,分析結果顯示,加裝被動式TMD,三種最佳化設計方式與實際最佳值之減振效果相若,皆可達減振目的;加裝半主動式TMD與主動式TMD不僅均可達減振目的,且減振效果更較最佳化被動式TMD為佳;並且,由於無適應性之問題,可不需進行最佳化設計即可有優於被動式TMD之減振效果,驗證此控制律作用之半主動式TMD與主動式TMD確實可行並有其優點。
風能兼具環保性及永續性,因此台灣近年於台灣海峽上建造風力發電機,實施海上風電場之計畫。但是台灣位處地震帶,為確保海上風力發電機的安全性及可靠性,避免風機結構或內部設備在受波浪、風及地震作用時,因振動量過大產生不穩定甚至損壞的情形發生,因此本文擬以理論與實驗方法探討調諧質量阻尼器(tuned mass damper, TMD)作為離岸風機結構減震元件之可行性。TMD為一種廣泛應用於高聳結構之有效減震技術。與其他減震裝置相比,TMD系統可整合為風機結構的一部份,因此對結構系統的影響較少。本文乃參考美國再生能源研究中心(NREL)所訂定之5-MW套筒式風機結構標準規格,製作1/25比例之套筒式風機縮尺模型及其TMD,以進行振動台測試。同時,為方便理論分析之用,本文乃針對套筒式風機支撐結構建議一簡化之分析模型,並推導其連體運動方程式,期以理論分析與實驗觀察,了解TMD於離岸風機之真實減震效益。本文透過縮尺風機支撐結構模型之振動台試驗,驗證所建議理論分析模型的正確性。同時,藉由比較裝設與未裝設TMD之風機結構振動台試驗結果,探討TMD對於套筒式風機支撐結構各自由度之減震效益。
本論文將討論一個新式的電磁式能量採集器,此採集器結合永磁無刷直流馬達與滾珠螺桿慣質,實現一個可應用於減振系統之慣質式電磁能量採集器。慣質為一個完整的雙端子機械裝置,可以等效為機械系統中的質量,使得機械網路系統得以完美的對應至電子網路系統,且能夠以較小的質量藉由其轉動慣量的提升來達成較大的等效質量。慣質目前已成功地運用在汽機車、火車與建築物之懸吊或減振 系統上,並證實可提升其性能。 因此本論文將設計此結合慣質的電磁式能量採集器並將其實現,用實驗驗證其力學模型與能量採集功率。由於其理論模型的部分含有許多不確定因素,如滾珠螺桿摩擦力與馬達阻尼係數等,故本論文在實驗部分先將這些未知參數擬合出後 再探討此能量採集器的等效阻尼、慣質影響與其機械效益等特性。 最後將此慣質式電磁能量採集器應用於建築物減振系統中,其中調諧質量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)是目前常見的一種控制振動方法,由於TMD質量塊之衝程與速度皆大於主結構之位移與速度,且原先這些能量會以廢熱的形式逸散,如何能夠採集這些逸散的能量便屬振動能量採集器的設計範疇,近年來也有學者開始將慣質加入TMD裝置中做為慣質式調諧質量阻尼器(Tuned Mass Damper Inerter, TMDI),故本論文所設計之慣質式電磁能量採集器將會作為 TMDI 中的慣質元件,並以數值模擬驗證其減振效果,模擬結果顯示在地震力與風力歷時反應下,此可用於能量採集的慣質式調諧質量阻尼器不僅能有效降低主結構的振動,同時也能採集到相當可觀的電能。
本文旨在探討於線性被動式調諧質塊阻尼器 (Tuned Mass Damper, TMD) 之最佳化設計,以及相位控制之控制律 (control algorithm) 於半主動式TMD受基底振動下之減振效益的研究。首先,以單自由度系統加裝一線性被動式TMD,在白雜訊 (white noise) 基底加速度作用下,分別推導其結構位移及絕對加速度均方 (mean square) 最小化,使用迭代法及設計公式等兩種方式,提出線性被動式TMD之參數最佳化設計方法。接著,以相位控制為控制原理,提出一組控制律,欲使半主動式TMD之相對位移與結構位移保持 -90度的相位差。隨後以一週期為3秒之單自由度結構,分別受正弦波與隨機基底加速度作數值模擬,其結果顯示結構加裝TMD後,可有效降低結構整體反應,加裝半主動式TMD可較加裝被動式TMD有更大之減振頻率帶寬,且由頻率比敏感度及TMD阻尼比敏感度分析,半主動式TMD有較好的適應性,不需額外的阻尼;而經由三維圖搜尋半主動式TMD之最佳設計值頻率比與直接取TMD之頻率等於結構第一振態之頻率進行比較,其減振效果差異不大,有著很好的強健性。最後以兩個實際地震歷時進行數值模擬,分別為東西向El Centro地震及300%東西向花蓮331地震,其分析結果顯示,無論是被動式TMD或半主動式TMD,對於降低結構極值之效果皆屬不佳,但半主動式TMD仍對其設計參數不敏感,且相較於被動式TMD,有著更佳的整體減振效果;同樣以三維圖尋找半主動式TMD之最佳設計值頻率比與直接取TMD之頻率等於結構第一振態之頻率進行比較,其減振效果亦差異不大,可不需進行最佳化設計,即可有不錯的減振效果。由上述之模擬,可驗證以此控制律作用之半主動式TMD確實有效並有其優點。
調諧質量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)是目前常見的一種控制振動的方法,大多用於高層建築、大跨度橋梁以及高科技廠房的機台上,以抗振並提高舒適性。但單一TMD的控制效果對頻率相當敏感,當頻率略偏離設計值時,效果會大幅的下降。並且裝置TMD之結構物往往在地震發生時會有反應放大的情形發生,有學者提出,在地震力的作用下,高層結構可能會有高模態反應的發生,所以分布式多頻調諧質量阻尼器的目的為,不僅僅只控制第一模態,而是利用多個TMD來控制多個欲控制的模態,使得結構在任何頻率的反應下都可以有效的得到控制。 因此本研究團隊提出了分布式多頻調諧質量阻尼器之最佳化設計方法,並針對單自由度TMD與多自由度TMD分別提出適合之演算法,以快速、穩定且精確地得到最佳化設計變數,並且使得TMD最佳化設計結果皆為全域最佳解。 利用本研究之分析架構,以不同樓高之剪力構架模型進行TMD之最佳化,並以白噪音與多筆地震歷時來檢核其減振效果。而為了模擬現實結構中軸向變形發生的情形,也以不同樓高之抗彎構架模型來進行TMD之最佳化,以求得合理之最佳化結果。
結構主動控制就是由控制元件對結構系統施加額外作用力,以改善土木結構之動力特性,或提高勁度,或提高阻尼,來達到減震消能之效果。結構主動控制系統包含三個核心部分:感應計、控制律及控制器。感應計佈設在土木結構及控制器上,以量測其動力反應;控制律就是控制力施加之法則,根據結構及控制器之反應,決定控制力施加之時機、大小及方向;控制器就是控制力產生之機構,透過一系列的動力系統,將控制力施加在土木結構上。而用於非線性結構物上最佳控制理論研究上,通常將此最佳控制問題轉換為兩點邊界值問題,而在本論文用於求解兩點邊界值問題的數值解法為李群打靶法,再配合四階精度龍格-庫塔法求出數值結果。而李群打靶法對於求解未知的邊界值問題是一個強而有力的數值解法,此法根據保群算法中群的封閉性質、李群的性質、保長性質以及一些簡單數學的推導,例如:中值原理的觀念推導而來。再將此數值解法運用在線性最佳化控制、單自由度達芬非線性振子以及雙自由度達芬非線性振子上。本文當中使用到程式語言FORTRAN進行數值分析,並透過繪圖軟體GRAPHER將數值模擬圖形呈現出來,並且期望未來能應用在土木工程發展上。
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