TW201439405A - 擺動式協調質量減幅系統 - Google Patents

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Abstract

本發明之擺動式協調質量減幅系統，基本上係具有一供安裝於建築物內，且可與建築物之結構體相對自然擺動的質量塊，另有一渦電流阻尼裝置供設於建築物之結構體與質量塊之間；該渦電流阻尼裝置，包括：一供裝設於質量塊上的固定磁場模組、一相對設於質量塊擺動行程處的渦電流產生模組及一電磁模組。主要在固定磁場模組、渦電流產生模組及電磁模組之交互運作下，對質量塊產生非接觸式之渦電流阻尼消能效應，將質量塊之勢能、動能轉換為導電板內因渦電流而產生的熱能並透過空氣傳導消耗，且由於未有任何與質量塊接觸動作的機具，因此可降低維護、保養成本、提升使用壽命，以及滿足建築物對於風振及地震之極限消能狀態。

Description

擺動式協調質量減幅系統
本發明係有關一種協調質量減幅系統，特別是指一種可對質量塊產生非接觸式之渦電流阻尼消能效應，使能滿足建築物對於風振及地震之極限消能狀態，且有效延長使用壽命之擺動式協調質量減幅系統。
台灣處於環太平洋板塊、菲律賓板塊及歐亞大陸板塊之交界，該等板塊互相撞擊、擠壓而常造成地震，且台灣所處之西北太平洋，全年皆可能有颱風形成，故尤須注意風振或地震對建築物的危害。目前一般的大樓或橋樑，主要係利用材料受力發生變形以吸收地震能量速度相依之消能裝置，來減少建築結構物受到風振或地震的影響，藉以降低建築結構物的搖動幅度。
隨著摩天大樓在全球的興起，摩天大樓的高度越來越高，摩天大樓因風振與地震力應用技術飛速發展，許多摩天大樓總質量極其巨大，調協質量減幅器(Tuned mass damper,TMD)被廣泛應用於摩天大樓之控制風振與地震力。
目前已知的調協質量減幅器係為質量塊由鋼索懸掛，並輔助以液體速度型阻尼器構成一類似自然作動的質量減幅(阻尼)系統，其中鋼索之長度可使質量塊以非常接近建築物的自然頻率震動；因此，當建築物因為風力或是地震其他因素而開始搖晃擺動時，質量減幅系統會因為其本身的自然頻率與建築物的自 然頻率相當接近的緣故，而以移動方向與建築物相反之特性開始震動，藉以將建築物之震動減低至可供接受的程度。
再者，摩天大樓總質量極其巨大，其所使用之調協質量減幅器當中的質量塊一般都在數百噸，由於高鋼度的彈簧製造不易，因此目前摩天大樓多採用擺動式調協質量減幅器，來減少建築結構物受到風振或地震；擺動式調協質量減幅器於實際應用時，係以一預定長度的鋼索將一預定質量的質量體懸掛在建築物之結構體上，質量塊之四周且輔助以液體速度型阻尼器提供阻尼。
類似習用對質量塊提供阻尼之液體速度型阻尼器係常態與質量塊，多係依靠密封件來封閉缸體以避免缸體內部之液壓油洩露，由於摩天大樓所使用的擺動式調協質量減幅器，幾乎全時都在反應風振下的振動，因此擺動式調協質量減幅器之質量塊動作極為頻繁，加上其用以對質量塊提供阻尼之液體速度型阻尼器係常態與質量塊接觸，同樣的液體速度型阻尼器之活塞桿與密封件之間呈現頻繁的摩擦工作，不但容易造成缸體之密封件磨損，而降低密封件之使用壽命。
尤其，一旦擺動式調協質量減幅器安裝完成之後，液體速度型阻尼器即無法更換密封件，甚至在調節及維護上亦相當不易，至於活塞桿之磨耗更是難以修復，不但降低擺動式調協質量減幅器之使用壽命，更嚴重影響整體擺動式調協質量減幅器之工作效率及可靠度，以致於無法滿足建築物對於風振及地震之極限消能狀態。
有鑒於此，本發明即在提供一種可對質量塊產生非 接觸式之渦電流阻尼消能效應，使能滿足建築物對於風振及地震之極限消能狀態，且有效延長使用壽命之擺動式協調質量減幅系統，為其主要目的者。
為達上揭目的，本發明之擺動式協調質量減幅系統，基本上係具有一供安裝於建築物內，且可與建築物之結構體相對自然擺動的質量塊，另有一渦電流阻尼裝置供設於建築物之結構體與質量塊之間；該渦電流阻尼裝置，包括：一固定磁場模組，具有至少一供裝設於質量塊上且隨質量塊擺動的永久磁石；一渦電流產生模組，相對設於質量塊擺動行程處，由至少一導電板所構成，各導電板且與永久磁石保持預定間距，供固定磁場模組與其呈切線運動時產生渦電流；一電磁模組，相對設於質量塊擺動行程處，由至少一導磁板所構成，各導磁板且分別與渦電流產生模組之導電板對應配置，供受導電板之渦電流作用，進而產生阻礙固定磁場模組運動的電磁場。
利用上述技術特徵，本發明之擺動式協調質量減幅系統所安裝之建築物因受風振、地震或其他外力產生震動時，其質量塊即在慣性作用下朝與建築物之結構體相反的方向擺動，進而對建築物之震動產生阻礙效果；尤其，當質量塊與建築物之結構體相對擺動時，其設於質量塊上的固定磁場模組係相對與設於建築物之結構體上的渦電流產生模組及電磁模組呈切線運動，使導電板因磁通量發生改變而對應產生抗衡磁場改變的渦電流，並使導磁板受渦電流作用而產生阻礙固定磁場模組運動的電磁場。俾可在固定磁場模組、渦電流產生模組及電磁模組之交互運作下，對質量塊產生非接觸式之渦電流阻尼消能效應，將質量塊之勢能、動能轉換為導電板內因渦電流而產生的熱能並透過空氣傳導消耗，使質量塊之擺動角度越來越小直到停止，且由於在預期 的震動範圍內，未有任何與質量塊接觸動作的機具，因此可降低相關機具之維護、保養成本，相對能夠有效提升擺動式協調質量減幅系統之使用壽命，以及避免因為機具故障或損毀而影響整體擺動式協調質量減幅系統之效能，滿足建築物對於風振及地震之極限消能狀態。
依據上述技術特徵，所述擺動式協調質量減幅系統係設有一供安裝於建築物之結構體上的框架，該質量塊係透過至少一鋼索懸吊於框架上。
依據上述技術特徵，所述擺動式協調質量減幅系統係在渦電流阻尼裝置周圍設有一限制質量塊擺動行程的環形限位器，且設有複數將環形限位器支撐的緩衝元件。
依據上述技術特徵，所述擺動式協調質量減幅系統係設有一供安裝於建築物之結構體上的框架，該質量塊係透過至少一鋼索懸吊於框架上；以及，在渦電流阻尼裝置周圍設有一限制質量塊擺動行程的環形限位器，且設有複數將環形限位器支撐的緩衝元件。
所述框架上設有一供調整鋼索長度的第一調節器。
所述固定磁場模組係具有複數排列呈凸球面狀的永久磁石；該渦電流產生模組係具有複數排列呈凹球面狀的導電板；該電磁模組係具有複數分別與各導電板貼合配置的導磁板。
所述渦電流阻尼裝置設有一供調整永久磁石角度的第二調節器、一供調整導電板及導磁板角度的第三調節器。
所述渦電流阻尼裝置設有一供調整永久磁石角度的第二調節器、一供調整導電板及導磁板角度的第三調節器、一供調整導電板及導磁板高度的第四調節器。
所述各緩衝元件係由設於環形限位器周圍的阻尼元 件所構成。
所述各緩衝元件係由設於環形限位器底下方的鉛心型橡膠隔震支座所構成。
所述各緩衝元件係分別由設於環形限位器周圍的阻尼元件，以及設於環形限位器底下方的鉛心型橡膠隔震支座所構成。
10‧‧‧建築物
20‧‧‧質量塊
21‧‧‧鋼板
22‧‧‧鋼索
30‧‧‧固定磁場模組
31‧‧‧永久磁石
40‧‧‧渦電流產生模組
41‧‧‧導電板
50‧‧‧電磁模組
51‧‧‧導磁板
60‧‧‧框架
70‧‧‧環形限位器
71‧‧‧阻尼元件
72‧‧‧鉛心型橡膠隔震支座
81‧‧‧第一調節器
82‧‧‧第二調節器
83‧‧‧第三調節器
84‧‧‧第四調節器
第一圖係為本發明第一實施例之擺動式協調質量減幅系統外觀立體圖。
第二圖係為本發明第一實施例之擺動式協調質量減幅系統結構剖視圖。
第三圖係為本發明第一實施例之擺動式協調質量減幅系統局部放大示意圖。
第四圖係為本發明之擺動式協調質量減幅系統之使用狀態動作示意圖。
第五圖係為本發明第三實施例之擺動式協調質量減幅系統外觀立體圖。
第六圖係為本發明第三實施例之擺動式協調質量減幅系統局部放大示意圖。
第七圖係為本發明第四實施例之擺動式協調質量減幅系統局部放大示意圖。
如第一圖本發明第一實施例之擺動式協調質量減幅 系統外觀立體圖、第二圖本發明第一實施例之擺動式協調質量減幅系統結構剖視圖、第三圖本發明第一實施例之擺動式協調質量減幅系統局部放大示意圖、第四圖本發明之擺動式協調質量減幅系統之使用狀態動作示意圖所示，本發明之擺動式協調質量減幅系統，基本上係具有一供安裝於建築物10內，且可與建築物10之結構體相對自然擺動的質量塊20，另有一渦電流阻尼裝置供設於建築物10之結構體與質量塊20之間；該渦電流阻尼裝置，包括：一固定磁場模組30，具有至少一供裝設於質量塊20上且隨質量塊20擺動的永久磁石31；於實施時，所述固定磁場模組30係具有複數排列呈凸球面狀的永久磁石31。
一渦電流產生模組40，相對設於質量塊20擺動行程處，由至少一導電板41所構成，各導電板41且與永久磁石31保持預定間距，供於固定磁場模組30與其呈切線運動時產生渦電流；所述固定磁場模組30係具有複數排列呈凸球面狀的永久磁石31；在所述固定磁場模組30係具有複數排列呈凸球面狀的永久磁石31之實施形態下，所述渦電流產生模組40係具有複數排列呈凹球面狀的導電板41，使各導電板41可與相對應的永久磁石31之間保持預定間距。
一電磁模組50，相對設於質量塊20擺動行程處，由至少一導磁板51所構成，各導磁板51且分別與渦電流產生模組40之導電板41對應配置，供受導電板41之渦電流作用，進而產生阻礙固定磁場模組30運動的電磁場；在上揭所述固定磁場模組30係具有複數排列呈凸球面狀的永久磁石31，以及所述渦電流產生模組40係具有複數排列呈凹球面狀的導電板41之實施形態下，所述電磁模組50係具有複數分別與各導電板41貼合配置的 導磁板51，使各導電板41及各導磁板51皆可與相對應的永久磁石31之間保持預定間距。
原則上，所述質量塊之質量大小係可介於建築物10結構體本身重量之0.1%~10%之間，整體質量塊20係可由複數疊製的鋼板21透過螺栓鎖固而成，整體擺動式協調質量減幅系統之頻率係透過調整質量塊12擺動半徑來計算實現，質量塊20的擺動半徑則可透過調整鋼索22長度之方式調節。
本發明之擺動式協調質量減幅系統，於使用時，所述再透過鋼索22直接固定於建築物10之結構體上，且依續將電磁模組50及渦電流產生模組40安裝於建築物10之結構體上(相對於質量塊20下方之樓層板上)；當建築物10(或其他安裝有擺動式協調質量減幅系統之結構體)因受風振、地震或其他外力產生震動時，其質量塊20即在慣性作用下朝與建築物10之結構體相反的方向擺動，由質量塊20運動時與建築物10之結構體本身運動之相位差，而對建築物10之震動產生阻礙效果，達到減小建築物10的震動幅度及加速度。
尤其，當質量塊20與建築物10之結構體相對擺動時，其設於質量塊20上的固定磁場模組30係相對與設於建築物10之結構體上的渦電流產生模組40及電磁模組50呈切線運動，使導電板41因磁通量發生改變而對應產生抗衡磁場改變的渦電流，並使導磁板51受渦電流作用而產生阻礙固定磁場模組運動的電磁場。
俾可在固定磁場模組30、渦電流產生模組40及電磁模組50之交互運作下，對質量塊20產生非接觸式之渦電流阻尼消能效應，將質量塊20之勢能、動能轉換為導電板41內因渦電流而產生的熱能並透過空氣傳導消耗，使質量塊20之擺動角度越 來越小直到停止，且由於在預期的震動範圍內，未有任何與質量塊20接觸動作的機具，因此可降低相關機具之維護、保養成本，相對能夠有效提升擺動式協調質量減幅系統之使用壽命，以及避免因為機具故障或損毀而影響整體擺動式協調質量減幅系統之效能，滿足建築物對於風振及地震之極限消能狀態。
再者，本發明之擺動式協調質量減幅系統，於實施時，係可進一步設有一供安裝於建築物10之結構體上的框架60，該質量塊20則透過至少一鋼索22懸吊於框架60上，以克服建築物10之樓層高度限制；以及，本發明之擺動式協調質量減幅系統，不論是否設有一供安裝於建築物10之結構體上的框架60(亦即不論係將質量塊直接懸吊於建築物之結構體上，或將將質量塊直接懸吊於框架上)，為避免因未為質量塊20之擺動角度或擺動幅度超出預期的設計而造成危害，本發明之擺動式協調質量減幅系統，係可進一步在渦電流阻尼裝置周圍設有一限制質量塊20擺動行程的環形限位器70，且設有複數將環形限位器70支撐的緩衝元件。
上述將環形限位器70支撐的緩衝元件係可如如第一圖及第四圖所示，分別由設於環形限位器70周圍的阻尼元件71所構成；或如第五圖及第六圖所示，分別由設於環形限位器70下方的鉛心型橡膠隔震支座72所構成；抑或是，如第七圖所示，分別由設於環形限位器70周圍的阻尼元件71，以及設於環形限位器70底下方的鉛心型橡膠隔震支座72所構成。俾可在阻尼元件71及鉛心型橡膠隔震支座72之作用下，對環形限位器70提供良好的支撐作用，以及反應環形限位器70受到質量塊20撞擊的消能作用。
值得一提的是，本發明之擺動式協調質量減幅系統，除可如第一圖所示，設有一供安裝於建築物10之結構體上的 框架60，該質量塊20則透過至少一鋼索22懸吊於框架60上，以克服建築物10樓層高度限制之外，亦可進一步於框架60上設有一供調整鋼索22長度的第一調節器81。
以及，如第三圖所示，可配合在所述固定磁場模組30具有複數排列呈凸球面狀的永久磁石31；渦電流產生模組40具有複數排列呈凹球面狀的導電板41；電磁模組50具有複數分別與各導電板41貼合配置的導磁板51之結構形態下，所述渦電流阻尼裝置係可進一步設有一供調整永久磁石31角度的第二調節器82、一供調整導電板41及導磁板51角度的第三調節器83；所述第二、第三調節器82、83係可透過連桿機構達到同時帶動永久磁石31或同時帶動導電板41及導磁板51角度之目的。
甚至於，在渦電流阻尼裝置設有一供調整永久磁石31角度的第二調節器82、一供調整導電板41及導磁板51角度的第三調節器83之實施形態下，可進一步設有一供調整導電板41及導磁板51高度的第四調節器84。俾獲致一模組化的擺動式協調質量減幅系統，方便於實際安裝施工時，針對所安裝之建築物條件調節質量塊之質量、永久磁石、導電板及導磁板之角度、渦電流產生模組及電磁模組與固定磁場模組之間距，更突顯本發明之擺動式協調質量減幅系統之適用性及操作便利性。
與傳統習用技術相較，本發明之擺動式協調質量減幅系統，主要在固定磁場模組、渦電流產生模組及電磁模組之交互運作下，對質量塊產生非接觸式之渦電流阻尼消能效應，將質量塊之勢能、動能轉換為導電板內因渦電流而產生的熱能並透過空氣傳導消耗，使質量塊之擺動角度越來越小直到停止，且由於在預期的震動範圍內，未有任何與質量塊接觸動作的機具，因此可降低相關機具之維護、保養成本，相對能夠有效提升擺動式協 調質量減幅系統之使用壽命，以及避免因為機具故障或損毀而影響整體擺動式協調質量減幅系統之效能，滿足建築物對於風振及地震之極限消能狀態。
綜上所述，本發明提供一較佳可行之擺動式協調質量減幅系統，爰依法提呈發明專利之申請；本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之揭示而作各種不背離本案發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧建築物
20‧‧‧質量塊
21‧‧‧鋼板
22‧‧‧鋼索
30‧‧‧固定磁場模組
40‧‧‧渦電流產生模組
50‧‧‧電磁模組
60‧‧‧框架
70‧‧‧環形限位器
71‧‧‧阻尼元件
81‧‧‧第一調節器

Claims (11)

  1. 一種擺動式協調質量減幅系統，具有一供安裝於建築物內，且可與建築物之結構體相對自然擺動的質量塊，另有一渦電流阻尼裝置供設於建築物之結構體與質量塊之間；該渦電流阻尼裝置，包括：一固定磁場模組，具有至少一供裝設於質量塊上且隨質量塊擺動的永久磁石；一渦電流產生模組，相對設於質量塊擺動行程處，由至少一導電板所構成，各導電板且與永久磁石保持預定間距，供固定磁場模組與其呈切線運動時產生渦電流；一電磁模組，相對設於質量塊擺動行程處，由至少一導磁板所構成，各導磁板且分別與渦電流產生模組之導電板對應配置，供受導電板之渦電流作用，進而產生阻礙固定磁場模組運動的電磁場。
  2. 如請求項1所述之擺動式協調質量減幅系統，其中，該所述擺動式協調質量減幅系統係設有一供安裝於建築物之結構體上的框架，該質量塊係透過至少一鋼索懸吊於框架上。
  3. 如請求項1所述之擺動式協調質量減幅系統，其中，該擺動式協調質量減幅系統係在渦電流阻尼裝置周圍設有一限制質量塊擺動行程的環形限位器，且設有複數將環形限位器支撐的緩衝元件。
  4. 如請求項1所述之擺動式協調質量減幅系統，其中，該擺動式協調質量減幅系統係設有一供安裝於建築物之結構體上的框架，該質量塊係透過至少一鋼索懸吊於框架上；以及，在渦電流阻尼裝置周圍設有一限制質量塊擺動行程的環形限位器，且設有複數將環形限位器支撐的緩衝元件。
  5. 如請求項3或4所述之擺動式協調質量減幅系統，其中，該框架上設有一供調整鋼索長度的第一調節器。
  6. 如請求項1至4其中任一項所述之擺動式協調質量減幅系統，其中，該固定磁場模組係具有複數排列呈凸球面狀的永久磁石；該渦電流產生模組係具有複數排列呈凹球面狀的導電板；該電磁模組係具有複數分別與各導電板貼合配置的導磁板。
  7. 如請求項1至4其中任一項所述之擺動式協調質量減幅系統，其中，該渦電流阻尼裝置設有一供調整永久磁石角度的第二調節器、一供調整導電板及導磁板角度的第三調節器。
  8. 如請求項1至4其中任一項所述之擺動式協調質量減幅系統，其中，該渦電流阻尼裝置設有一供調整永久磁石角度的第二調節器、一供調整導電板及導磁板角度的第三調節器、一供調整導電板及導磁板高度的第四調節器。
  9. 如請求項3或4其中任一項所述之擺動式協調質量減幅系統，其中，該各緩衝元件係由設於環形限位器周圍的阻尼元件所構成。
  10. 如請求項3或4其中任一項所述之擺動式協調質量減幅系統，其中，該各緩衝元件係由設於環形限位器底下方的鉛心型橡膠隔震支座所構成。
  11. 如請求項3或4其中任一項所述之擺動式協調質量減幅系統，其中，該各緩衝元件係分別由設於環形限位器周圍的阻尼元件，以及設於環形限位器底下方的鉛心型橡膠隔震支座所構成。
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