一、台北實驗室

為了提供標準化、制度化的服務及更精確的實驗數據給客戶,本中心依據 ISO 17025 與 ISO 9001 之標準,成立地震模擬實驗室及校正實驗室,此兩實驗室皆通過全國認證基金會之評鑑 (ISO 17025:2005),而地震模擬實驗室另取得 SGS 台灣檢驗科技公司之認證 (ISO 9001:2015)。 地震模擬實驗室能提供大比例尺寸之靜態與動態結構試驗之研究,是本中心成立之主要任務之一。目前主要之設備包含:三軸向地震模擬振動台、反力牆及強力地板實驗系統、多軸向試驗系統 (Multi-Axial Testing System, MATS) 及其他各種實驗輔助設施。

地震模擬振動台

地震模擬實驗室的地震模擬振動台共擁有六個自由度,以模擬三軸向之地震,目前發生在世上主要地震均能在地震模擬實驗室模擬重現,地震模擬振動台之台面尺寸為5公尺乘5公尺,質量為27公噸,試體之最大質量則為50公噸。其結構為一矩形結構體,充份利用有限之質量來提高其彎矩及扭轉勁度。

振動台係由油壓致動器來驅動,每一軸向四支致動器,三軸向共十二支致動器。其上試體等之重力係由四支垂直靜力支承來承受,垂直靜力支承係以壓縮空氣提供承載力,每支承載力為21公噸,4支共可承載84公噸,調整氣缸內之空氣壓力來抵消總運動質量之重力,如此垂直致動器則僅需提供動態力量即可驅動振動台。油壓泵提供油壓動力以推動致動器,兩部電動油壓泵及三部柴油油壓泵共可提供流量1,325 gpm,而液壓油之工作壓力為210kg/cm2 。 油壓泵提供系統所需之平均流量,而尖峰流量所需之差額則由蓄壓器提供。致動器驅動振動台時所需之反力係由反力質塊來提供,反力質塊之尺寸為16 公尺(長)×16公尺(寬)×7.6公尺(深),質量約於4,000公噸。為了要進一步改善工作環境與實驗環境之品質,以隔震系統將反力質塊與固定基礎分隔開,此時反力質塊即成為浮動基礎,隔震系統係由96 組空氣彈簧及80組阻尼器所組成。

反力牆與強力地板

反力牆 (reaction wall) 及強力地板 (strong floor) 實驗系統實為本中心相當重要的一組大型結構試驗設備,除可提供一般傳統的大型結構靜態試驗 (quasi-static tests) 或反覆載重試驗 (cyclic loading tests) 外,更可以完成一般結構物之大比例尺,甚或是足尺的大型擬動態試驗 (pseudo-dynamic tests)。

反力牆主要用來固定油壓致動器,並在油壓致動器施力時提供反力作用。採用箱型設計 (cell type),外型為L型,高度分別為15公尺、12公尺、9公尺及6公尺之階梯式安排,而與其相對應之寬度分別為15.5公尺、15.5公尺、12公尺及12公尺。至於牆的斷面組合係採厚度皆為1.2公尺之前後翼版,此兩平行翼版之內緣彼此相距2.6公尺,並每隔3公尺增加一道厚度為0.4公尺的加勁鋼筋混凝土板而形成一5公尺深的箱型組合斷面。反力牆與強力地板間尚採用為數眾多之後拉法預力鋼棒來增加彼此間之固定關係,以控制反力牆的變形量。

強力地板主要用來固定試體,以防止試體的移動或轉動。強力地板為一塊長60公尺 x 寬29公尺x 厚1.2公尺之鋼筋混擬土板,其所使用之混凝土抗壓強度為350 kg/cm2,底下每間隔250公分均設置厚度50公分的剪力牆,以利承載重。

在反力牆及強力地板實驗系統中,減震消能元件測試系統乃主要執行動態反覆載重測試,由測試構架及二具高性能動態油壓致動器組成。本測試系統可滿足大部份減震消能元件測試所需,主要以位移控制,控制兩具動態油壓致動器之運動。

減震消能元件測試系統

本中心減震消能元件測試系統,屬於地震模擬實驗室反力牆與強力地板測試系統之其中一部份。其主要任務乃是執行單一軸向動態反覆載重測試 (cyclic loading tests),由測試構架及一具高性能動態油壓致動器組成。本測試系統可滿足大部份減震消能元件測試所需,主要以位移控制,控制一具動態油壓致動器之運動。

多軸向試驗系統

多軸向試驗系統 (Multi-Axial Testing System, MATS) 為本中心新建置的結構試驗設備,為六個自由度的試驗系統,除能提供垂直向載重外,亦有同時施加水平載重、側向載重及三個方向彎矩之能力,較以往所使用之設備能模擬更多元之結構實際受力或變形情況。此系統可用以進行多種不同型式構件之試驗,包括隔震支承墊、柱構件、速度型阻尼器、斜撐構件、樑柱接頭以及剪力牆。MATS構架高度7.75公尺,主要構架採用預力混凝土材料設計,使用抗壓強度為700 kg/cm2的自充填混凝土。系統由反力梁、兩A形預力RC構架、RC基礎、十三個無摩擦壓力千斤頂、水平向千斤頂及載重平台所組成。試體置於載重平台上,一端與載重平台固定,另一端固定於上方反力梁,可容納試體之最大高度為5公尺。垂直向千斤頂設置於載重平台下方,透過載重平台對試體施加垂直向載重與垂直向位移;水平向千斤頂裝置於反力牆與載重平台間,由反力牆提供反力推動載重平台水平向運動以進行試驗,MATS可提供模擬子結構或元件的六個自由度受力狀況,能符合結構柱、梁柱接合、斜撐等受地震力作用下的複雜受力條件、隔震支承墊常須承受巨大的水平位移、及來自多樓層內高層柱的巨大垂直載重。MATS系統的主要特色包括:最大垂直力為6000噸、最大水平位移為正負1.2公尺,最大水平拉壓力約為700噸。以隔震支承墊為例,在正負1.2公尺極大的水平位移變形下,MATS系統可同時提供40,000 kN垂直載重與3,500 kN水平載重。

比較式低頻加速規校正系統(校正實驗室)

校正實驗室通過 ISO 17025:2005 認證(實驗室編號:1180)之校正系統為比較式低頻加速規校正系統 (Low Frequency Accelerometer Calibration System - Comparison Method),其採用激振器與單軸向氣墊式滑軌,進行比較式加速規校正。將低頻標準加速規與待校低頻加速規共同安裝於滑台上,並將個別之訊號線連接至搭配之放大器輸入端,最後再經由各自之精密複用電表,進行電壓輸出值之數據比較校正。

比較式低頻加速規校正系統

小型結構實驗室

小型結構實驗室具備鋼構造反力牆 (reaction wall) 及反力地板 (reaction floor),主要可提供出力小與高精度之動態測試服務(dynamic testing),以及一般傳統的小型靜態測試 (quasi-static testing)。此外,小型結構實驗室亦可提供複合實驗(hybrid simulation)及即時複合實驗(real-time hybrid simulation)之服務。

小型結構實驗室之軟硬體配置,可供國內外學術界進行先進實驗技術開發之平台,包括多自由度油壓致動器精確的即時控制、數值演算法的應用、平行或多工運算技術、模型參數即時修正技術、跨系統整合技術、資料傳遞與儲存技術等、以及非接觸型實驗量測與分析技術等,可滿足國內產官學界地震工程測試驗證之需求。

小型結構實驗室目前配置之軟硬體簡述如下:[展開]

二、台南實驗室
長衝程高速度地震模擬振動台

位於本中心台南實驗室的長衝程高速度地震模擬振動台共六個自由度,可重現近斷層地震並進行大型結構試驗。其檯面尺寸為8m×8m,質量為92 公噸,最大荷載則為250 公噸。振動台為一矩形結構體,經分析及設計,能充份利用有限質量以提高其彎矩及扭轉勁度。振動台係由油壓致動器來驅動,採V型配置以降低三軸間之動態互制,三軸向共十二支致動器,其中包含較大流量的動態致動器8支,以及用於承重之靜態致動器4支。系統垂直向 (Vertical)、側向 (Lateral)與長向(Long),分別對應實驗場縱向、東西向及南北向。

壓動力系統則由數組電動馬達、蓄壓瓶及充壓系統 (Blowdown system)組成,工作壓力為207kg/cm2 (3000psi)。電動馬達提供油壓動力推動致動器,最大可提供流量855gpm,而蓄壓瓶提供瞬間流量及穩壓的功能。此外,若系統需要更大工作能力,每次實驗前需花費10分鐘進行充壓工作,能重現較大地震歷時(如:瞬間速度較大的近斷層地震)。致動器驅動振動台時所需之反力由反力質塊來提供,尺寸為W20m×D15m×H9m,質量約4,000 公噸。為進一步改善工作環境與實驗環境之品質,使用120 組空氣彈簧及48 組阻尼器將反力質塊與固定基礎分隔開,稱為浮動基礎系統,經測試得浮動基礎系統自然頻率約為1Hz。

雙軸向動態測試系統

「雙軸向動態試驗系統」(Bi-Axial Testing System,以下簡稱BATS),位於本中心台南實驗室,包含剛性測試平台、固定式鋼構造反力構架、高強度鋼筋混凝土基礎以及數種油壓致動器。

BATS 測試系統能對測試件施加垂直軸力並進行水平向位移。平台尺寸為 2.54 m × 8.3 m,試體藉由平台上的M42車牙孔位加以固定,反力構架孔位間距為500mm,試體上部可與之結合。

系統垂直向 (Vertical)、側向 (Lateral)與長向(Long),分別對應實驗場縱向、南北向及東西向。垂直向部分,平台底部有6支動態致動器與1座靜態致動器提供垂直向力量與位移,其衝程為+125mm,需注意在未升起檯面前,淨高為2080mm;側向部分共有4支靜態致動器容許系統在此方向進行微調,衝程為±10mm;長向則由4 支動態致動器作動並且能滿足靜態大位移的需求,動態油壓致動器主要以能夠達到高速為要求,因此選用較高流量之三階伺服閥,衝程為±1200mm。同時為了防止系統受傾覆力影響及增加油壓組件之穩定性,設有油壓反力系統 (Hold-down System),由反力樑 (Hold-down Beam)及數支靜態致動器組成。此外,雙軸向動態試驗系統亦可施加最大 8MN之軸拉力及60MN之軸壓力於試體上,可進行反覆軸向拉壓之動態試驗。在不與長衝程高速度地震模擬振動台同時使用油壓動力的狀況下,油壓動力泵與蓄壓器共可提供此系統之最大瞬間流量為4900 gpm。

上述系統規格符合大部份隔震與減震的測試要求,可提供產官學界進行足尺寸隔震元件之動態測試與深入研究,預防地震造成之損壞。BATS測試系統之架構承繼本中心臺北實驗室既有之多軸向測試系統,在性能有大幅度提升以滿足更廣泛的測試目標。

反力牆與強力地板

本中心臺南實驗室反力牆採用箱型設計(Cell type),東西向、南北向跨度為15公尺及5公尺,高度為12公尺,所使用之混凝土抗壓強度為560 kg/cm2。至於牆的斷面組合係採厚度皆為1.2m之前後翼版,此兩平行翼版之內緣彼此相距2.6公尺,並每隔3公尺增加一道厚度為0.5公尺的加勁鋼筋混凝土版,形成一5公尺深的箱型組合斷面,箱型斷面中空部分可提供人員進出。反力牆設計載重為100 tf/m2,牆上預留之螺栓孔為通孔,孔徑為3英吋,立面方向每隔1公尺,東西向每隔1公尺或0.5公尺佈置一孔,設計錨定容量為550公噸。

強力地板為一塊鋼筋混凝土版,東西向、南北向跨度為22.4公尺及36公尺,厚度為1.2公尺,所使用之混凝土抗壓強度為560 kg/cm2。底下每間隔2公尺均設置厚度0.5公尺之剪力牆,以利承載重量。強力地板設計載重為11 tf/m2,亦即水平方向兩方向每隔3公尺可容許施加垂直於地板面之100公噸載重。強力地板預留之螺栓孔為沉孔,孔徑分別為3.3與3英吋,水平方向每隔1公尺佈置一孔,設計錨定容量為550公噸。

油壓致動器主要係由活塞挺桿(Piston rod)、荷重元(Load cell)、位移計(Displacement transducer)與伺服閥(Servo valve)組成。致動器之控制模式可選為位移控制或力量控制,其原理係以伺服閥根據荷重元或位移計回授之訊號對伺服閥進行控制,達到變化致動器活塞挺桿位移之目的。根據試體配置選擇適當致動器,可執行動態、靜態反覆載重測試(Cyclic loading tests)。

土壤靜/動力學實驗室

配置於本中心台南實驗室的土壤靜/動力學實驗室,除了可進行實驗求取土壤基本參數外,主要為進行土壤靜/動力學性質試驗,可提供產學研界進行高精度與高品質土壤靜/動力學實驗服務,未來可提供大型公共工程基礎或離岸風力發電基礎設計之土壤之動態特性試驗及土壤抗液化能力試驗評估。

本實驗室之土壤動態設備採用英國GDS instruments公司所設計之試驗設備,其試驗設備包含靜態三軸試驗系統(Static Triaxial Test System)、動態三軸試驗系統(Dynamic Triaxial Test System)、共振柱系統(Resonant Column Test System)及反覆單剪試驗系統(Simple Shear Test System),均可進行高品質之土壤靜/動態試驗。

靜態三軸試驗為普遍用於評估土壤於不同條件下之剪力強度(Shear Strength),本實驗室所配置之靜態三軸試驗系統為高度自動化設備,具有可進行高品質試驗及減少人力操作之特性。

動態三軸試驗系統驅動系統為下頂式機電動力致動器,採閉迴路(Closed-loop)進行高速反覆荷重/位移控制,其最大垂直向動態控制能量為2 Hz, 4 mm (Double Amplitude),最大實驗衝程為100 mm,解析度為0.2μm ,本試驗系統配備鈦金屬之彎曲元件(Bender Element),可得低剪應變下之土壤剪力模數與阻尼比。

共振柱試驗系統為Stokoe type,驅動系統採用NdFeB合金電磁鐵驅動,系統掃頻的範圍可達300 Hz以上,可進行扭轉共振、扭轉阻尼、彎曲元件振動波速、彎曲元件振動阻尼比及小於2 Hz慢速扭剪試驗等。

一般共振柱試驗系統主要藉由加速規量測系統扭轉之應變量,本試驗系統則採用近接感應器(Proximeter Transducer)直接量測試體位移,可增加實驗之準確度。

反覆單剪試驗系統共配置兩組獨立伺服機電動力致動器(Servo-motor Actuators)可提供垂直向及水平向5 kN之軸向力及剪動力,感測器解析度為0.2 N,雙軸向最大動態控制為5 Hz, 2 mm (Double Amplitude)。

本系統共有兩種試驗架構,分別為反覆單剪試驗構架及動態三軸試驗構架,藉由構架之轉換即可進行靜態或動態三軸試驗,而反覆單剪試驗構架則配有表面含鐵氟龍塗層之試體圍束環使試體維持Ko狀態,確保試體截面積保持恆定。

反覆單剪試驗系統及動態三軸試驗系統均可輸入使用者自定波型,模擬現地土壤受地震歷時作用下,土壤之後動態行為及是否產生液化等。

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