消能减振系统技术领域
本发明涉及一种消能减振系统。
背景技术
随着经济建设的发展,在建地狭小与人口密集的区域中,诸多建筑物均
朝向高楼建设发展。然而建筑物在抵抗地震与风力的安全性与舒适性考虑是
不容忽视的。早期采用硬性抵抗外在的地震及风力扰动,也即采用结构加大
断面的方式进行设计,造成空间使用不便以及材料过度浪费。因此随着科技
的发展,如何在结构减振与兼具外观之间取得平衡为目前业界急需解决的问
题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消能减振系统,该系统可达到减振效果,也
可同时兼具室内建筑景观设计之美,从而克服了现有技术中空间使用不便以
及材料过度浪费的缺点。
本发明的一个方面提供一种消能减振系统,其应用于建筑物结构中。消
能减振系统包含基座与质量块。基座置于建筑物结构中。基座具有凹曲面,
且凹曲面具有至少一个曲率半径。凹曲面包含多个摩擦区,多个摩擦区的摩
擦系数皆不同。质量块可滑动地置在基座上,且质量块通过基座隔离于建筑
物结构。质量块与凹曲面的至少一个摩擦区相接触。
在一个或多个实施方式中,基座为碗状基座,且摩擦区自碗状基座的圆
心呈同心环状排列。摩擦区的摩擦系数自碗状基座的圆心,沿着碗状基座的
径向方向增加。
在一个或多个实施方式中,位于碗状基座的圆心的摩擦区的静摩擦系数
约为0.20%,且摩擦区的动摩擦系数约为0.16%。
在一个或多个实施方式中,基座的凹曲面的材质为聚四氟乙烯。
在一个或多个实施方式中,质量块包含主质量块、副质量块与多个支撑
块。副质量块位于主质量块与基座之间。副质量块具有相对的第一滑动面与
第二滑动面。第一滑动面与基座相接触,使得副质量块可相对于基座滑动,
且第二滑动面与主质量块相接触,使得副质量块可相对于主质量块滑动。支
撑块分别位于主质量块与基座之间,且位于副质量块的外围。
在一个或多个实施方式中,第一滑动面与凹曲面互相平行。
在一个或多个实施方式中,消能减振系统还包含挡板,位于基板上且围
绕凹曲面。
在一个或多个实施方式中,消能减振系统还包含多个支柱与多条连接线
材。支柱分别位于基板上,且位于凹曲面的外围。连接线材分别连接支柱与
质量块。
在一个或多个实施方式中,消能减振系统还包含多个指向装置,分别位
于支柱上。当任一连接线材被质量块牵动时,指向装置显示连接线材被牵动
的方位。
在一个或多个实施方式中,消能减振系统还包含多个定位装置,分别位
于支柱上,且分别连接连接线材。定位装置分别通过调整连接线材的长度来
调整质量块的位置。
在一个或多个实施方式中,凹曲面为椭圆曲面。
在一个或多个实施方式中,还包含转动装置,置于基座与建筑物结构之
间,转动装置使得基座相对于建筑物结构转动。
在一个或多个实施方式中,建筑物结构具有共振频率f,质量块与基座之
间具有摩擦力F,且共振频率f、凹曲面的曲率半径、重力加速度g与摩擦力
F满足下列关系式:
1
f
=
2
π
R
g
+
F
,
]]>其中R为曲率半径。
因此上述的质量块因能够在基座中滑动,通过与凹曲面的摩擦区的相互
摩擦,质量块能够间接将建筑物结构的振动动能消耗掉,如此一来建筑物结
构的振动动态反应即能相对减轻,以达到减振效果。
附图说明
图1为根据本发明一个实施方式的消能减振系统的立体图。
图2为沿图1的线段2-2的剖面图。
图3为本发明另一个实施方式的消能减振系统的局部剖面图。
图4为本发明再一个实施方式的消能减振系统的立体图。
图5为本发明又一个实施方式的消能减振系统的立体图。
图6为图5的消能减振系统在滑动时的上视图。
图7为本发明再又一个实施方式的消能减振系统的立体图。
具体实施方式
以下将以附图公开本发明的多个实施方式,为明确说明起见,许多具体
的细节将在以下叙述中一并说明。然而,应了解到,这些具体的细节不应用
以限制本发明。也就是说,在本发明部分实施方式中,这些具体的细节是非
必要的。此外,为简化附图起见,一些公知惯用的结构与元件在附图中将以
简单示意的方式表示。
请同时参照图1与图2,其中图1为根据本发明一个实施方式的消能减振
系统10的立体图,图2为沿图1的线段2-2的剖面图。消能减振系统10可应
用于建筑物结构中,用来减缓建筑物结构所产生的振动。消能减振系统10包
含基座100与质量块200。基座100置于建筑物结构中,例如置于建筑物结构
中的地板900上。基座100具有凹曲面110,且凹曲面110具有至少一个曲率
半径,例如在本实施方式中,凹曲面110具有曲率半径R。凹曲面110包含多
个摩擦区,例如在本实施方式中,摩擦区可分别为微小风力驱动区112、设计
风力位移区114与位移控制消能区116,这些摩擦区的摩擦系数皆不同。质量
块200可滑动地置于基座100上,且质量块200通过基座100隔离于建筑物
结构。换句话说,质量块200与建筑物结构未直接接触,而质量块200与凹
曲面110的至少一个摩擦区相接触。应了解到,上述的凹曲面110为以点C
为中心,曲率半径R为半径所形成的球面的一部分。换句话说,凹曲面110
的曲率中心为点C,而凹曲面110上的任一点与点C皆相距曲率半径R。
在本实施方式中,当建筑物结构受到外在扰动(如强风或地震)时,建筑物
结构的振动动能能够传递至消能减振系统10,使得质量块200在基座100中
滑动。通过与凹曲面110的摩擦区的相互摩擦,质量块200能够间接将建筑
物结构的振动动能消耗掉,如此一来建筑物结构的振动动态反应即能够相对
减轻。再加上消能减振系统10使用摩擦耗能,因此不需加入额外的阻尼器即
可达到减振效果。另一方面,因凹曲面110的摩擦区的摩擦系数皆不同,因
此消能减振系统10能够应用于不同振动程度的扰动上。
在一个或多个实施方式中,基座100可为碗状基座,且上述的摩擦区自
碗状基座的圆心呈同心环状排列,其中摩擦区的摩擦系数自碗状基座的圆心,
沿着碗状基座的径向方向增加。应注意的是,本实施方式的凹曲面110在地
板900上的垂直投影为圆形,而上述的“碗状基座的圆心”位于凹曲面110
上,且“碗状基座的圆心”在地板900的垂直投影,与凹曲面110在地板900
的垂直投影的圆心重叠。另一方面,“碗状基座的径向方向”表示自碗状基座
的圆心,沿着凹曲面110至凹曲面110的边缘上任一点的最短距离的方向。
在本实施方式中,微小风力驱动区112、设计风力位移区114与位移控制
消能区116例如可按序自圆心向外呈同心环状排列。微小风力驱动区112具
有三者中最小的摩擦系数,设计风力位移区114次之,而位移控制消能区116
具有三者中最大的摩擦系数。其中碗状基座的圆心位于微小风力驱动区112,
而质量块200在静止状态时也与碗状基座的圆心重叠。如此一来,当建筑物
结构处于微小振动时,微小风力驱动区112的小摩擦系数使得质量块200能
够轻易地滑动,来进行摩擦来消能,因此可提高建筑物结构的环境舒适度。
而当建筑物结构具有强烈振动时,振动强度使得质量块100往外滑动至设计
风力位移区114与/或位移控制消能区116。随着摩擦系数的增加,消能减振
系统10的摩擦耗能量也增加,因此能够更有效率地将建筑物结构的振动动能
消耗掉,借此提高建筑物结构的安全性。综合上述,本实施方式的消能减振
系统10能够同时兼顾建筑物结构的微小振动与强烈振动,使得建筑物结构在
各种振动幅度下皆具有减振功效,借此同时改善建筑物结构的舒适度与安全
性。然而应注意的是,上述的摩擦区的个数仅为例示,并非用以限制本发明。
本发明所属本领域技术人员,应视实际需要,弹性选择摩擦区的个数。
在一个或多个实施方式中,微小风力驱动区112的静摩擦系数可约为
0.20%,且动摩擦系数可约为0.16%。设计风力位移区114例如可针对一年至
十年回归期的风速进行消能,而其静摩擦系数可约为1.0%~10%,且动摩擦系
数可约为1.0%~10%。位移控制消能区116例如可针对五十年至一百年回归期
的风速进行消能,而其静摩擦系数可约为5%~20%,且动摩擦系数可约为
5%~20%,然而本发明不以上述的数值为限。在一个或多个实施方式中,基座
100的凹曲面110的材质可为聚四氟乙烯。经由设计不同的的表面粗糙度,聚
四氟乙烯能够具有不同的摩擦系数,以达成上述各摩擦区的摩擦系数的数值。
请参照图2。在一个或多个实施方式中,为了达到较好的摩擦效果,质量
块200的底面202可选择与凹曲面100平行,换句话说,质量块200的底面
202可选择与凹曲面110完全接触且实质贴合。如此一来,因质量块200与凹
曲面110之间的接触面积增加,因此质量块200在凹曲面110上滑动时,质
量块200与凹曲面110之间所产生的摩擦力也会增加,借此增加质量块200
耗能的效率。
在本实施方式中,建筑物结构具有共振频率f,质量块200与基座100之
间具有摩擦力F,其中摩擦力F由质量块200的质量与凹曲面110的摩擦系数
所决定。因消能减振系统10的共振频率取决于凹曲面110的曲率半径R,因
此为了使消能减振系统10具有较好的共振效果来进行摩擦消能,共振频率f、
基座100的凹曲面110的曲率半径R、重力加速度g与摩擦力F可满足下列
关系式:
1
f
=
2
π
R
g
+
F
.
]]>
因此,若凹曲面110的曲率半径R符合上述关系式,建筑物结构的振动
动能可较有效率地传递至消能减振系统10,接着再通过质量块200滑动摩擦
来耗能。然而本发明不以此为限,只要建筑物结构的振动动能能够传递至消
能减振系统10中,且质量块200能够利用滑动摩擦来耗能,皆在本发明的范
畴内。
另一方面,因一般的钟摆式消能减振系统的体积取决于其钟摆的摆长,
因此其安装空间通常需跨越好几层楼,反而会造成安装上的不便。然而因本
实施方式的消能减振系统10的共振频率取决于凹曲面110的曲率半径R,因
此安装空间仅与消能减振系统10的基座100体积有关。换句话说,消能减振
系统10可设置于单一楼层,因此可大幅改善安装的困难度,且也有利于楼层
的规划。再加上质量块200的外观可根据实际需求加以设计,例如设计为中
国传统文物──玉玺或古钟等具中国独特性的象征文物,因此消能减振系统
10不但可达到减振效果,也可同时兼具室内建筑景观设计之美。
接下来将以模拟数据说明消能减振系统10的功效。本实施例所模拟的建
筑物结构的对象为台北101大楼。在本实施例的模拟中,台北101大楼简化
为单一自由度系统,且主要针对台北101大楼振动的第一模态进行模拟。其
中为了突显消能减振系统10的功效,本实施例分别模拟未加装任何消能减振
系统、加装钟摆型消能减振系统与加装消能减振系统10的情况以供比较。
请参照表一,其列出本实施例的各项模拟参数与模拟结果。首先,在未
加装任何消能减振系统的情况下,模拟给定半年回归谱所算得的第一振态风
力,可分析出台北101大楼的顶楼的位移峰值为7.85厘米,加速度峰值为6.54
厘米/秒2。由于加速度值已高于5gal的舒适性要求,显然不符合台湾现行规
范所规定的舒适度要求,因此接下来将比较台北101大楼分别加装钟摆型消
能减振系统与上述的消能减振系统10后的结构反应。
表一:模拟参数与模拟结果
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当加装钟摆型消能减振系统后,在给定相同的风力扰动状况下,台北101
大楼的顶楼的位移峰值为5.84厘米,加速度峰值为4.62厘米/秒2,而与未加
装消能减振系统的情况比较,加速度比为0.7029。因加速度峰值已小于5gal
的要求,因此已达到安装消能减振系统的目的。
而当加装消能减振系统10后,在给定相同的风力扰动状况下,台北101
大楼的顶楼的位移峰值为5.66厘米,加速度峰值为4.43厘米/秒2,而与未加
装消能减振系统的情况比较,加速度比为0.6782,比起加装钟摆型消能减振
系统后的加速度比而言,加装消能减振系统10明显更降低了台北101大楼的
顶楼的加速度峰值。
综合上述,虽然加装钟摆型消能减振系统与消能减振系统10皆能符合规
范对于加速度峰值小于5gal的要求,但加装消能减振系统10后的位移峰值
与加速度峰值的减少量皆好于加装钟摆型消能减振系统。另外,因消能减振
系统10不需加装阻尼器即可达到与钟摆型消能减振系统相同的功效,因此消
能减振系统10更能够降低成本。
接着请参照图3,其为本发明另一个实施方式的消能减振系统10的局部
剖面图。本实施方式与图2的实施方式的不同处在于质量块200的结构。在
本实施方式中,质量块200包含主质量块210、副质量块220与多个支撑块
230。副质量块220位于主质量块210与基座100之间。副质量块220具有相
对的第一滑动面222与第二滑动面224。第一滑动面222与基座100相接触,
使得副质量块220可相对于基座100滑动,且第二滑动面224与主质量块210
相接触,使得副质量块220可相对于主质量块210滑动。支撑块230分别位
于主质量块210与基座100之间,且位于副质量块220的外围。
详细来说,因主质量块210与副质量块220可相对滑动,因此当质量块
220往凹曲面110的边缘滑动时,副质量块220的倾斜幅度会增加。然而因主
质量块210能通过第二滑动面224而相对于副质量块220滑动,因此主质量
块210的倾斜幅度可较副质量块220的倾斜幅度小,如此一来主质量块210
可更不易倾倒。另一方面,支撑块230分别位于主质量块210与基座100之
间,因此当质量块200在滑动时,支撑块230可作为主质量块210与基座100
之间的缓冲,因此具有稳定主质量块210的效果。
在一个或多个实施方式中,第一滑动面222可与凹曲面110互相平行。
如此一来,因副质量块220与凹曲面110之间的接触面积增加,因此副质量
块220在凹曲面110上滑动时,副质量块220与凹曲面110之间所产生的摩
擦力也会增加,借此增加副质量块220耗能的效率。至于本实施方式的其他
细节,因与图2的实施方式相同,因此便不再叙述。
接着请参照图4,其为本发明再一个实施方式的消能减振系统10的立体
图。本实施方式与图1的实施方式的不同处在于增加挡板300。在本实施方式
中,消能减振系统10可还包含挡板300,位于基板100上且围绕凹曲面110。
详细来说,当建筑物结构产生振动时,消能减振系统的质量块200会因共振
而开始滑动。然而若建筑物结构的振动过于强烈,则质量块200会大幅度滑
动至位移控制消能区116。虽然位移控制消能区116具有较大的摩擦系数,若
仍是不足以将质量块200的共振能量消耗掉的话,质量块200便会滑出基座
100,如此一来滑出的质量块200不但会造成危险,还会使得消能减振系统失
去减振效果。而在本实施方式中,挡板300即可避免质量块200滑出基座。
至于本实施方式的其他细节,因与图1的实施方式相同,因此便不再叙述。
接着请参照图5,其为本发明又一个实施方式的消能减振系统10的立体
图。本实施方式与图1的实施方式的不同处在于增加支柱400、连接线材500、
指向装置600与定位装置700。在本实施方式中,消能减振系统10可包含多
个支柱400与多条连接线材500。支柱400分别位于基板100上,且位于凹曲
面110的外围。连接线材500分别连接支柱400与质量块200。以图5为例,
若以基座100的圆心为中心,支柱400可分别位于中心的八个方位,即任两
相邻的连接线材500之间皆相夹约45度。当质量块200位于基座100的圆心
时,各连接线材500皆处于松弛状态。而当质量块200开始滑动时,部分的
连接线材500会被质量块200拉紧,质量块200的滑动幅度可被处于紧张状
态的连接线材500所牵制,如此一来消能减振系统10所储存的共振能量不但
能经由摩擦来耗能,还能通过连接线材500而进一步耗能。
虽然本实施方式以八个支柱400为例,然而此并不限制本发明。本发明
所属本领域技术人员,应视实际需要,弹性选择支柱400的数量。支柱400
也可根据实际需求而设计不同的外形,例如支柱400可为具中国传统文化特
色的龙形,以搭配消能减振系统10的整体造形。另一方面,连接线材500得
材质可为金属线材,如钢线,或者聚合物线材,以加强连接线材500本身的
牢固程度,然而本发明不以此为限。
在一个或多个实施方式中,消能减振系统10还包含多个指向装置600,
分别位于支柱400上。当任一连接线材500被质量块200牵动时,指向装置
600用来显示连接线材500被牵动的方位。具体而言,每一指向装置600例如
可具有开关,且开关分别与连接线材500相连接,使得当连接线材500处于
紧张状态时,连接线材500能够触发开关以开启指向装置600,让指向装置
600能够显示连接线材500被牵动的方位。然而上述的开关仅为例示,并非用
以限制本发明。只要当连接线材500处于紧张状态时,与其对应的指向装置
600能够被开启,皆在本发明的范畴内。另外指向装置600例如可为激光或发
光二极管,本发明不以此为限。
举例而言,请参照图6,其为图5的消能减振系统10在滑动时的上视图。
当质量块200往图中的左下方滑动时,连接线材500a处于紧张状态,而其余
的连接线材500仍处于松弛状态。因此连接线材500a可间接驱动指向装置
600a,例如指向装置600a可通过发光来表示产生振动的方位,其效果与中国
古代的侯风地动仪类似。
接着请回到图5。在一个或多个实施方式中,消能减振系统10可还包含
多个定位装置700,分别位于支柱400上,且分别连接连接线材500。定位装
置700分别用以通过调整连接线材500的长度来调整质量块200的位置。详
细而言,当质量块200滑动至摩擦系数较大的摩擦区(如图1中的位移控制消
能区116)时,大摩擦系数可能会导致质量块200停止在位移控制消能区116
而无法回到基座100的圆心。此时便可利用定位装置700将过长的连接线材
500收回定位装置700中,借此带动质量块200,来将质量块200拉回基座100
的圆心。在本实施方式中,定位装置700可为绞盘,然而本发明不以此为限。
另一方面,虽然图5的消能减振系统10同时包含指向装置600与定位装
置700,然而此并不限制本发明。其他实施方式中,消能减振系统10可仅包
含指向装置600或定位装置700,也在本发明的范畴内。至于本实施方式的其
他细节,因与图1的实施方式相同,因此便不再叙述。
接着请参照图7,其为本发明再又一个实施方式的消能减振系统10的立
体图。本实施方式与图1的实施方式的不同处在于凹曲面110的形状。在本
实施方式中,凹曲面110为椭圆曲面。举例而言,在图7中,凹曲面110沿
线段A-A之剖面具有曲率半径R1,其中点C1为其曲率中心,另一方面,凹
曲面110沿线段B-B的剖面具有曲率半径R2,其中点C2为其曲率中心。线
段A-A与B-B的延伸方向实质正交,曲率半径R1与R2的值互不相同,因此
点C1与C2在空间上的位置也相异。
本实施方式得消能减振系统10可应用于结构不对称的建筑物结构中。结
构不对称的建筑物结构在各方向的共振频率皆不相同,因此本实施方式的消
能减振系统10即可分别配合不同的共振频率来设计曲率半径R1与R2的值,
使得结构不对称的建筑物结构可在任何方向上皆能达成消能减振的效果。
在一个或多个实施方式中,消能减振系统10可还包含转动装置300,用
来使得基座100相对于建筑物结构转动。因本实施方式的消能减振系统10具
有方向性,因此即可通过转动基座100,使得线段A-A与B-B的延伸方向按
实际需求作方向上的微调。如此一来就算消能减振系统10的安装方位有些许
误差,也能够在后续利用转动装置300转动基座100作适当的调整,以免去
重新安装的工序。在本实施方式中,转动装置300例如为轴承或马达,然而
本发明不以此为限。至于本实施方式的其他细节,因与图1的实施方式相同,
因此便不再叙述。
虽然本发明已以实施方式公开如上,然其并非用以限定本发明,任何本
领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,可作各种不同的选择和改
变,因此本发明的保护范围以权利要求书及其等同形式所限定。