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研究生: 賴意喧
Lai, Yi-Xuan
論文名稱: 懸吊式隔振設備振動台實驗與數值分析研究
Shake-Table Testing and Numerical Analysis of Suspended Vibration-Isolated Equipment
指導教授: 林凡茹
Lin, Fan-Ru
鍾育霖
Chung, Yu-Lin
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 規劃與設計學院 - 建築學系
Department of Architecture
論文出版年: 2026
畢業學年度: 114
語文別: 中文
論文頁數: 238
中文關鍵詞: 懸吊式空調箱振動台試驗耐震補強數值模型
外文關鍵詞: Suspended HVAC, Shaking-Table Test, Seismic Retrofit, SAP2000
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  • 臺灣地震活動頻繁,醫療建築即使主結構維持安全,懸吊式空調設備與連接管線等非結構系統仍可能因過大位移、碰撞或支承失效而造成設備停用與功能中斷。本研究以2024年花蓮地震中醫院非結構系統之震損配置為基礎,建置大尺度振動台試體,探討懸吊式隔振空調箱及其相鄰進、出水管於不同補強配置與地震輸入強度下之動態反應與破壞行為。
    試驗分為完整補強、部分補強及未補強三階段,並透過白噪音、實際地震紀錄、樓板反應歷時及符合AC156需求之人工地震波進行測試。分析方法包括頻率響應函數、半功率法、單自由度擬合及SAP2000數值模型。結果顯示,完整補強可提高系統頻率並大幅降低設備與管線位移,但部分方向之加速度反應亦可能增加;未補強系統則呈現低頻柔性反應,並於高強度輸入下產生大位移、碰撞及局部尖峰,最終造成懸吊螺桿剪切、空調箱掉落與天花板損壞。
    單自由度系統模型透過歷時分段於低輸入強度下可合理描述主要位移波形與峰值,但隨碰撞與接觸行為增加,其擬合能力明顯下降。經FRF比對之數值模型可掌握系統主要頻率與整體反應趨勢,但對局部尖峰及高強度非線性行為之重現仍有限。懸吊式隔振設備之耐震設計應同時考量位移控制、加速度傳遞、設備與管線交互作用及震後功能之維持。

    Taiwan is seismically active, and hospital nonstructural systems may fail even when the primary structure remains intact. Based on damage observed during the 2024 Hualien earthquake, this study conducted large-scale shaking-table tests on a suspended vibration-isolated air-handling unit and its connected water pipes under different retrofit conditions.
    Tests included fully retrofitted, partially retrofitted, and unretrofitted configurations. White-noise and earthquake motions were applied at increasing intensities. Accelerometers and displacement transducers measured equipment and piping responses. Frequency response functions, single-degree-of-freedom time-history fitting, and an SAP2000 numerical model were used.
    The results showed that full retrofit increased system frequencies and substantially reduced equipment and piping displacements, although acceleration demands increased in some directions. The unretrofitted system exhibited flexible, low-frequency behavior and developed large displacements, impacts, and localized acceleration spikes under strong excitation, ultimately resulting in suspension-rod failure, the air-handling unit falling, and ceiling damage.
    The single-degree-of-freedom model performed well at low excitation levels but became less accurate when impact, contact, and support damage occurred. The calibrated numerical model captured the dominant frequencies and response trends, yet remained limited in reproducing localized peaks and nonlinear behavior. These findings emphasize the need to consider displacement control, acceleration transmission, support strength, equipment–piping interaction, surrounding clearance, and post-earthquake functionality in hospital seismic design.

    摘要 I SUMMARY II INTRODUCTION III MATERIALS AND METHODS IV RESULTS AND DISCUSSION V 誌謝 VI 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究目的與方法 1 1.3 文獻回顧 2 1.3.1 非結構物設備之震損行為 2 1.3.2 非結構物之研究期刊 5 1.4 非結構物設備之抗震設計規範彙整 6 1.4.1 隔振裝置之HVAC設備系統 6 1.4.2 與風管連接的懸吊式空調設備系統 7 1.4.3 懸吊設備系統 8 1.4.4 懸吊式管線系統 9 1.4.5 設備與天花板的交互作用 11 1.4.6 懸吊式設備之耐震補強方式 11 1.4.7 隔振設備之地震力放大係數與耐震拘束要求 12 第二章 振動台試驗配置 17 2.1 實驗構架 17 2.2 空調系統試體配置 18 2.2.1 空調系統配置 18 2.2.2 空調箱補強配置 18 2.2.3 全熱交換器補強配置 19 2.3 消防管線系統試體配置 19 2.4 天花板系統試體配置 20 2.5 設計輸入波 21 2.5.1 THH051R輸入波 22 2.5.2 THHRF輸入波 22 2.5.3 AC156輸入波 23 2.5.4 反應譜疊合比較分析 24 2.6 量測儀器 26 2.7 小結 27 第三章 數值模型 63 3.1 數值模型之建立 63 3.1.1 懸吊式空調箱設定 63 3.1.2 耐震補強措施設定 64 3.1.3 空調系統進出水管設定 65 3.2 Link元件參數設定 66 3.2.1 懸吊式避震器彈簧 66 3.2.2 空調箱內部風車組彈簧 69 3.2.3 橡膠式摯震器 70 3.3 小結 71 第四章 空調系統實驗分析 77 4.1 試驗觀察與損傷現象 77 4.2 系統識別之固有頻率與阻尼比分析 78 4.2.1 頻率響應函數 78 4.2.2 半功率法阻尼比分析 79 4.3 空調箱系統動態反應比較 80 4.3.1 位移歷時比較 80 4.3.2 加速度歷時比較 81 4.4 空調箱與相鄰管線之動態反應 83 4.4.1 位移歷時比較 83 4.4.2 加速度歷時比較 84 4.4.3 頻率傳遞與受震耦合行為 85 4.5 單自由度系統擬合分析 86 4.5.1 頻域識別參數於單自由度模型之適用性驗證 86 4.5.2 地震歷時分段 88 4.5.3 擬合分析方法 90 4.5.4 擬合準確性判斷 92 4.5.5 歷時擬合區間比較 96 4.6 擬合分析結果與實驗量測結果之比較 99 4.6.1 頻率及阻尼比之比較 99 4.6.2 不同輸入強度下之歷時擬合參數比較 105 4.6.3 分段擬合反應頻域與實際頻域之比較 108 4.7 樓板輸入需求與空調箱反應關係 109 4.7.1 樓板輸入強度與空調箱位移反應之比較 109 4.7.2 樓板輸入強度與空調箱加速度反應之比較 110 4.7.3 樓板譜位移與空調箱最大位移之關係 111 4.7.4 樓板譜加速度與空調箱最大加速度之關係 112 4.8 小結 113 第五章 實驗分析與數值模型比較 173 5.1 模型校正及歷時反應比較 173 5.2 系統識別 174 5.2.1 耐震補強下空調箱系統 174 5.2.2 未補強空調箱系統 175 5.3 位移歷時疊圖比較 176 5.3.1 空調箱歷時比較 176 5.3.2 空調箱相鄰管線 177 5.4 加速度歷時疊圖比較 178 5.4.1 耐震補強下之空調箱 178 5.4.2 未補強下之空調箱 179 5.5 小結 179 第六章 結論與建議 210 6.1 結論 210 6.2 建議 211 參考文獻 213

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