高科技廠房微振設計之研究

臺大學士班莊紹晹 亞新工程劉家仁技師、張穆奎技師

前言

高科技廠房是高科技產業製造所需的建築。隨著科技進步和半導體業發展，這類建築迅速興起。生產過程中，精密儀器需控制微振動。本文將使用ETABS程式模擬，分析柱距、梁板設計、剪力牆等對自然頻率的影響，並依需求選擇最佳結構設計以達高效減振效果(放大週期)。

高科技廠房歷史與介紹

高科技廠房起源於20世紀中期的美國與日本，最初為支持電子元件生產而設計。隨著科技進步，高科技廠房在研發與製造中的重要性日益提升，設施要求也日趨嚴格。在製造精密設備時，振動來源如交通或建築結構可能影響產品質量，因此需要高度振動控制，確保製程穩定。

以結構分析軟體模擬高科技廠房

在每一個結構系統當中都有它的自然頻率；但這個頻率會因爲結構的尺寸、形狀等等會有所差異。本文擬以ETABS軟體作爲分析工具，建立一高科技廠房模型，分析結構上的構件調整影響其自然頻率的情形。

本文建立之高科技廠房其結構配置：依序為柱、梁和牆以及擬訂不同樓層的載重。爲了建立模型並分析高科技廠房結構的自然頻率，以ETABS内建元素模擬之，分析結構物之力學行爲。

建築物概述

廠房為RC建築（長200公尺，寬200公尺，高30公尺）為四層樓之廠房。其結構構件敘述如下：

(一)  柱:採用矩形混凝土柱，斷面尺寸為60cm(寬)x60cm(深)x750cm(高)。

(二)  梁:採用矩形混凝土梁，斷面尺寸為48cm(寬)x72cm(深)。

(三)  井字梁板:整體深度為100cm，板厚為15cm，頂部與底部的寬度為50cm，板肋間距為144cm。 

(四)  剪力牆:採用矩形混凝土，牆厚為25cm。

各樓層載重假設：

(一)  3樓是廠房主要生產設備，且載重為2,000kgf/m²。

(二)  其他樓層為750kgf/m²

(三)  載重組合為1.4(DL+SDL)

廠房振動頻率之分析

由模態分析結果顯示，原方案振動週期（如表1），將以下列4種方式調整結構模型之構件，分析廠房振動之週期。

表1  廠房之模型的週期

模型1 縮小柱間距

柱子的間距縮小意味著橫梁與樓板的跨度減少，並能降低彎曲變形以及增加結構的剛度。表2將柱子跨度6.6m縮減至5.4m後之廠房週期。

表2  跨度5.4m模擬之廠房模型的週期

模型2 柱結構斷面加大

柱結構斷面加大能讓其彎曲剛度與斷面的慣性矩成正比，表3為將柱斷面由60cmx60cm減少為50cmx50cm之廠房週期。

表3  柱子50cmx50cm模擬之廠房模型的週期

模型3 梁結構斷面加大

梁結構斷面加大有助於減少振動傳播過程中的放大效應，表4為將梁由48cmx72cm減少為24cmx60cm之廠房週期。

表4  梁24cmx60cm模擬之廠房模型的週期

模型4 減少剪力牆

在建築物當中增加RC剪力牆，採雙向正交配置並且剪力牆的水平距離在50m以内。假設把建置好的剪力牆都刪除後， 廠房之週期如表5。

表5  無剪力牆配置模擬之廠房模型的週期

調整結構構件後廠房之振動週期與自然頻率整理如表6。

表6  模擬之廠房模型的振動週期與自然頻率

表7  結構量體與振動頻率之比較

綜合以上四種模型分析，減少剪力牆可提高自然頻率51%~63%，效益最佳。縮小柱間距自然頻率僅增至0.44~63Hz，結構量體增加0.19，且效果不佳。增加梁柱截面可提升自然頻率6%~9%，在無法使用剪力牆或經費有限的情況下，是有效替代方案，有助於開放空間設計。綜上，減少剪力牆在結構穩定與經濟效益方面最具優勢。

結語

本文運用結構設計軟體ETABS進行廠房之模擬，針對高科技廠房的自然頻率做分析，進而評估不同結構模型所影響之降振能力。分析發現， 減少剪力牆之設置效益最大。所謂“工欲善其事，必先利其器”高科技廠房是我們邁向高科技研發所需的重要一步之一。

參考文獻

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