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研究生: 彭致華
Peng, Chih-Hua
論文名稱: 槓桿式勁度可控質量阻尼器於結構減振之應用與實驗驗證
Application of Leverage-type Stiffness Controllable Mass Damper on Vibration Control and its Experimental Verification
指導教授: 朱世禹
Chu, Shih-Yu
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 217
中文關鍵詞: 調諧質量阻尼器槓桿式勁度可控質量阻尼器半主動控制摩擦單擺隔震系統近域地震
外文關鍵詞: Tuned Mass Damper, Leverage-Type Stiffness Controllable Mass Damper, Semi-Active Control, Friction Pendulum System, Near-Field Earthquakes
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  • 使用傳統被動調諧質量阻尼器(TMD)對於結構減振控制是一有效的控制方法,但TMD對於頻率之去調諧效應十分敏感,故藉由提供額外主動控制力之混合型質量阻尼器(HMD)與半主動質量阻尼器(SAMD)相應而生,但此類系統大多利用油壓制動器作為主動控制力來源,在施工或實際應用上皆有一定限制,不僅需要消耗較大能量,並對控制力時間延遲效應較為敏感,可能會使控制效果不如預期,因此本文利用槓桿式勁度可控質量阻尼器(LSCMD)作為減振控制系統改善以上情形並且可降低衝程反應,其可使用被動控制模式或是半主動控制模式作為控制策略,而半主動控制模式是使用LQR最佳控制理論作為基礎。此外,由過去的研究與實際應用案例中可證實基礎隔震可有效降低上傳之結構地震力,然而對於單一週期之摩擦單擺隔震系統(FPS)應用於基礎隔震在遭受近域地震時,此FPS基礎隔震無法有效降低上傳至結構之地震力,甚至會使隔震層位移過大,故本文利用LSCMD配合單擺摩擦隔震結構,改善FPS於近域地震時,隔震效果較差的現象。本文針對一般結構與FPS隔震結構裝設LSCMD進行理論研究與數值分析以探討控制成效,並且由實驗測試其控制成效與驗證數值分析結果,更進一步探討LSCMD本身呈現之特性。由數值分析與實驗測試結果皆可展現LSCMD對於一般結構或是FPS隔震結構之減振控制確實有較佳成效並且有較小衝程反應,並且可發揮其半主動控制之優點與提升FPS於近域地震時之隔震性能。

    The conventional tuned mass damper (TMD) is an effective control device for vibration suppression, but it is very sensitive to the fluctuation in tuning of the designed frequency to the natural frequency of the main system. In this regard, the hybrid mass damper (HMD) and the semi-active mass damper (SAMD) equipped with additional active control forces are proposed to provide a better performance. In general, the active control force is supplied by a powered mechanism which is energy-consuming and is more sensitive to the actuation time delay. A leverage-type stiffness controllable mechanism is adopted in this study to improve the performance of a conventional TMD by reducing its required stroke. The proposed LSCMD can be activated either in passive mode or in semi-active mode in accord with the designed control strategy. Based on the optimal LQR output feedback control algorithm, the control performance of the leverage-type stiffness controllable mass damper (LSCMD) can be improved as deigned. The control effectiveness of regular buildings and structures isolated by the friction pendulum system (FPS) is investigated. Both numerical simulations and experimental verifications are conducted in this study when the LSCMD is equipped. From the observations in this study, the structural responses when equipped with LSCMD can be suppressed with smaller stroke. Furthermore, the excessive displacements of the isolated layer due to near field earthquakes can be effectively controlled if the LSCMD is installed.

    論文摘要 II ABSTRACT III 致謝 IV 目錄 VI 表目錄 VIII 圖目錄 IX 符號表 XVII 第1章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 3 1.3 本文內容 5 第2章 槓桿式勁度可控質量阻尼器之理論 7 2.1 槓桿式勁度可控質量阻尼器(LSCMD)介紹 8 2.1.1 LSCMD組成構件介紹 8 2.1.2 槓桿系統說明 9 2.2 系統運動方程式之推導 13 2.2.1 一般結構使用LSCMD之運動方程式 13 2.2.2 摩擦單擺隔震結構使用LSCMD 之運動方程式 16 2.2.3 LSCMD之槓桿摩擦力 22 2.3 直接輸出回饋最佳控制 23 2.3.1 考慮時間延遲之離散時間狀態空間方程式 24 2.3.2 離散時間最佳控制增益 26 2.4 離散時間之時間域與頻率域數值分析 30 2.4.1 由剪力平衡法求滑動隔震元件之摩擦力 31 2.4.2 離散時間系統時間域分析(多重取樣時域分析法) 32 2.4.3 離散時間系統頻率域分析 34 2.5 結構使用LSCMD之控制流程 35 2.5.1 結構使用LSCMD之半主動控制模式 36 2.5.2 結構使用LSCMD之被動控制模式 40 2.5.3 使用LSCMD之能量需求 41 第3章 一般結構使用LSCMD之控制成效 43 3.1 頻率域數值分析結果 45 3.2 時間域數值分析結果 47 3.2.1 由模擬之反應歷時討論控制成效 47 3.2.2 等值控制力跳點探討 48 3.2.3 LSCMD半主動控制模式與HMD之比較 52 3.2.4 由模擬之反應極值討論控制成效 53 3.2.5 控制延遲時間對控制成效之影響 54 3.3 一般結構使用LSCMD之實驗測試 57 3.3.1 實驗試體與設備 57 3.3.2 實驗方法與流程 58 3.3.3 實驗數據與數值分析之擬合驗證 60 3.3.4 控制成效驗證 63 3.3.5 實驗結果討論 64 3.4 本章結論 65 第4章 摩擦單擺隔震結構使用LSCMD之控制成效 67 4.1 頻率域數值分析結果 70 4.2 時間域數值分析結果 71 4.2.1 由模擬之反應歷時討論控制成效 72 4.2.2 LSCMD槓桿摩擦力探討 73 4.2.3 由模擬之反應極值討論控制成效 75 4.3 摩擦單擺隔震結構使用LSCMD之實驗測試 77 4.3.1 實驗試體與設備 78 4.3.2 實驗方法與流程 78 4.3.3 實驗數據與數值分析之擬合驗證 81 4.3.4 控制成效驗證 86 4.3.5 實驗結果討論 88 4.4 本章結論 89 第5章 結論與建議 91 5.1 本文結論 91 5.2 未來研究方向建議 93 參考文獻 94 表格 98 圖形 122

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    下載圖示 校內:2011-08-20公開
    校外:2011-08-20公開
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