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姓名 吳啟祥(CHI-HSIANG WU) 查詢紙本館藏 畢業系所 土木工程學系 論文名稱 配置雙橢圓鋼板消能器之鋼結構於近斷層載重作用下耐震性能研究 相關論文 檔案 [Endnote RIS 格式]
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摘要(中) 近斷層地震通常帶有含速度脈衝之震波，對結構物之危害遠大於同規模之遠域地震，本研究針對近斷層載重作用下，配置雙橢圓鋼板消能器之斜撐對鋼構架耐震性能提升有效性，進行探討，並以一系列構件及構架試驗，評估其強度、勁度、能量消散與有效阻尼之規模。
另為評估此設計在近斷層衝擊效應下的強健性，本研究亦參酌先前研究之成果[21]，比較其在反復載重與近斷層載重下，承載性能之差異。由試驗結果之比較得知，相較於反復載重模式，此設計在近斷層衝擊效應下，仍有穩定之承載能力，且無面外挫屈之行為發生。另由構架承載性能比較，雙橢圓鋼板消能器，既能提升其耐震性能，亦能有效維持主要結構構件之完整性，配置此設計之斜撐鋼構架，其強度能達到抗彎構架之1.83倍以上，累積總消能則可提升1.4倍以上。由此可證，抗彎構架內配置此設計於近斷層載重衝擊下，亦能大幅提升其承載能力與耐震性能，因此為一有效可行之耐震性能提升設計。摘要(英) In the past decade, the disasters caused by several well-known large earthquakes, both domestically and internationally, have drawn attention to the effects of near-fault ground motions. These earthquakes typically involve ground motions with velocity pulses, which damage to structures is bigger than the Far-Fault earthquakes. Therefore, this study focuses on evaluating the feasibility of using a previously designed[21]configuration of double-oval steel plate dampers in buckling-restrained steel frames under near-fault loading protocol. The study aims to define its application feasibility under near-fault effects, observe its structural behavior, and conduct a detailed comparison with configurations under cyclic loading protocol.
To assess its feasibility under near-fault effects, this research conducted a series of loading tests on specimens with different cross-sectional depths and eccentricities designed based on previous studies[21]. From the test results, it is evident that compared to cyclic loading patterns, this design maintains stable load-bearing capacity even under near-fault effects, with no occurrence of out-of-plane buckling behavior. Compared to moment-resisting frames, this design not only effectively preserves the integrity of the main structure but also enhances its seismic performance. Its strength can exceed that of moment-resisting frames by more than 1.83 times, and the cumulative energy dissipation can also increase by more than 1.4 times. This indicates that incorporating this design into moment-resisting frames significantly enhances their load-bearing capacity and seismic performance, making it an effective and feasible design solution.關鍵字(中) ★ 近斷層載重
★ 雙橢圓鋼板消能器
★ 滑動斜撐
★ 抗彎構架關鍵字(英) ★ near-fault effects
★ dual-oval steel plate damper
★ sliding brace
★ moment-resisting frame論文目次 目錄
摘要 I
ABSTRACT II
目錄 III
表目錄 VIII
圖目錄 IX
照片目錄 XIV
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 3
1-3 研究內容與方法 4
第二章 文獻回顧 5
2-1 抗彎構架相關研究 5
2-2 梁柱接頭相關研究 6
2-3 同心斜撐相關研究 8
2-4 金屬降伏型阻尼器 8
2-5 圓環形消能器相關研究 9
2-6 橢圓形鋼板曲線消能器相關研究 9
2-7 雙橢圓鋼板曲線消能器相關研究 10
2-8 鋼結構設計相關規定 11
2-8-1 強柱弱梁設計[10] 11
2-8-2 梁柱彎矩強度比設計[10] 12
2-8-3 柱強度要求[10] 13
2-8-4 梁柱腹板交會區設計[10] 13
2-8-5 斜撐構材設計[10] 14
2-8-6 斜撐接合設計[10] 15
2-8-7 含被動消能系統建築物之設計 16
2-9 近斷層相關研究 17
2-9-1 近斷層地震之特性 17
2-9-2 近斷層地震對結構之影響 18
2-9-3 近斷層衝擊載重之加載歷時 19
第三章 理論分析 20
3-1 前言 20
3-2 雙橢圓鋼板消能器 20
3-2-1 雙橢圓鋼板消能器之受力分析[21] 21
3-2-2 雙橢圓鋼板消能器之強度計算 24
3-2-3 雙橢圓鋼板消能器之剪應力計算 25
3-3 特殊滑動斜撐之設計與分析[21] 26
3-4 等效阻尼之計算 27
3-5 ANSYS有限元素模型建立 27
第四章 實驗規劃與流程 34
4-1 前言 34
4-2 實驗規劃與研究參數 34
4-3 試體標號 35
4-3-1 構件試驗 35
4-3-2 構架試驗 35
4-4 試體製作 36
4-4-1 雙橢圓鋼板消能器 36
4-4-2 斜撐系統 36
4-4-3 構架系統 36
4-5 試驗設備 37
4-6 試驗方法 39
4-6-1 雙橢圓鋼板消能器之構件試驗方法 39
4-6-2 雙橢圓鋼板消能器之構架試驗方法 40
4-7 加載歷時 41
第五章 實驗結果觀察 43
5-1 前言 43
5-2 構件試驗之結果與觀察 44
5-2-1 DO-30-250 44
5-2-2 DO-40-290 45
5-2-3 DO-45-290 46
5-3 構架試驗之結果與觀察 48
5-3-1 MF 48
5-3-2 FD-30-250 48
5-3-3 FD-45-290 50
第六章 結果分析與比較 53
6-1 前言 53
6-2 近斷層載重構件試驗之結果比較 54
6-2-1 強度包絡線 54
6-2-2 勁度 54
6-2-3 累積能量消散與能量強度趨勢線 54
6-2-4 小結 55
6-3 近斷層載重構架試驗之結果比較 55
6-3-1 FD-30-250與MF之比較 55
6-3-2 FD-45-290與MF之比較 56
6-4 近斷層載重與反復載重[21]之構件試驗結果比較 57
6-4-1 DO-30-250 57
6-4-2 DO-40-290 58
6-4-3 DO-45-290 59
6-5 近斷層載重與反復載重[21]之構架試驗結果比較 60
6-5-1 MF 60
6-5-2 FD-30-250 61
6-5-3 FD-45-290 62
6-6 有限元分析軟件ANSYS與整體試驗之結果比較 64
第七章 結論與建議 65
7-1 結論 65
7-2 建議 66
參考文獻 68
表目錄
表3- 1材料試驗結果 72
表3- 2 Chaboche材料參數 72
表4- 1構件試驗之試體編號與尺寸 72
表4- 2構架試驗之試體編號與尺寸 72
表4- 3構架試驗加載歷時 73
表4- 4構件試驗加載歷時 74
表5- 1構件試驗降伏強度與理論值 75
表5- 2構件試驗承載性能結果 75
表5- 3構架試驗承載性能結果 75
表5- 4 FEMA 356 構架性能目標[32] 75
表6- 1構架試驗耐震性能之比較 76
表6- 2構件試驗與反覆載重[20]結果之比較 76
表6- 3構架試驗與反覆載重[20]結果之比較 77
表6- 4 ANSYS與構件試驗結果之比較 77
表6- 5 ANSYS與構架試驗結果之比較 78
表6- 6近斷層載重與反覆載重[20]之等效阻尼比峰值比較 78
圖目錄
圖2- 1圓環形鋼板消能器焊道斷裂情形[15] 79
圖2- 2 配置圓環形鋼板消能器之斜撐構架[19] 79
圖2- 3橢圓形鋼板消能器[19] 80
圖2- 4雙橢圓鋼板消能器[20] 80
圖2- 5 近斷層載重加載歷時 81
圖2- 6近斷層載重與一般載重模式之比較 81
圖3- 1 配置雙橢圓鋼板消能器之滑動斜撐 82
圖3- 2 消能器位移示意圖 82
圖3- 3 消能器傳力示意圖 83
圖3- 4 四分之一之消能器幾何關係示意圖 83
圖3- 5 四分之一之消能器贅餘力與外力示意圖 84
圖3- 6 (a)外力與(b)贅餘力對桿件所造成的彎矩 84
圖3- 7 消能器受力之內力示意圖 85
圖3- 8斷面幾何與應力關係示意圖 85
圖3- 9 (a)曲線弧之塑性鉸位置 (b)曲線弧簡化成定向支承示意圖 86
圖3- 10 SRDs與斜撐連接模式示意圖[15] 86
圖3- 11 (a)斜撐與構架鉸接 (b)傳統SRDs之斜撐(上)、具滑槽之斜撐(下)示意圖[19] 86
圖3- 12 斜撐與消能器相對滑動關係示意圖 87
圖3- 13 滑動斜撐與消能器之組合圖 87
圖3- 14 Coupon test應力應變曲線 88
圖3- 16 構件試驗分析模型之邊界條件 89
圖3- 17 構架試驗分析模型之邊界條件 90
圖3- 18 分析模型之網格大小示意圖 90
圖4- 1 消能器幾何與標號之關係示意圖 91
圖4- 2 構件試驗標號說明 91
圖4- 3 構架試驗標號說明 92
圖4- 4 斜撐系統細部 92
圖4- 5 構件試驗之尺寸 93
圖4- 6 構架試驗之尺寸 93
圖4- 7 構件試驗配置圖 94
圖4- 8 構架試驗配置圖 94
圖4- 9 構件試驗應變計配置 95
圖4- 10 構架試驗應變計配置 95
圖4- 11 構件試驗位移加載歷時 96
圖4- 12 構架試驗位移加載歷時 96
圖5- 1 DO-30-250-N試體之遲滯迴圈 97
圖5- 2 DO-30-250-N試體之強度包絡線 97
圖5- 3 DO-30-250-N試體之強度能量趨勢線 98
圖5- 4 DO-30-250-N試體之對稱應變計數據 98
圖5- 5 DO-30-250-N試體之拉壓應變計數據 99
圖5- 6 DO-30-250-N試體之降伏位移應變計數據 99
圖5- 7 DO-40-290-N試體之遲滯迴圈 100
圖5- 8 DO-40-290-N試體之強度包絡線 100
圖5- 9 DO-40-290-N試體之強度能量趨勢線 101
圖5- 10 DO-40-290-N試體之對稱應變計數據 101
圖5- 11 DO-40-290-N試體之拉壓應變計數據 102
圖5- 12 DO-40-290-N試體之降伏點應變計數據 102
圖5- 13 DO-45-290-N試體之遲滯迴圈 103
圖5- 14 DO-45-290-N試體之強度包絡線 103
圖5- 15 DO-45-290-N試體之強度能量趨勢線 104
圖5- 16 DO-45-290-N試體之對稱應變計數據 104
圖5- 17 DO-45-290-N試體之拉壓應變計數據 105
圖5- 18 DO-45-290-N試體之降伏點應變計數據 105
圖5- 19 MF-N試體之遲滯迴圈 106
圖5- 20 MF-N梁之應變計數據 106
圖5- 21 MF-N試體之強度包絡線 107
圖5- 22 MF-N試體之強度能量趨勢線 107
圖5- 23 FD-30-250-N試體之消能器降伏點應變計數據 108
圖5- 24 FD-30-250-N梁之應變計數據 108
圖5- 25 FD-30-250-N試體之遲滯迴圈 109
圖5- 26 FD-30-250-N試體之強度包絡線 109
圖5- 27 FD-30-250-N試體之強度能量趨勢線 110
圖5- 28 FD-45-290-N試體之消能器降伏點應變計數據 110
圖5- 29 FD-45-290-N梁之應變計數據 111
圖5- 30 FD-45-290-N試體之遲滯迴圈 111
圖5- 31 FD-45-290-N試體之強度包絡線 112
圖5- 32 FD-45-290-N試體之強度能量趨勢線 112
圖6- 1構件試驗強度包絡線之比較 113
圖6- 2 構件試驗強度勁度之比較 113
圖6- 3構件試驗累積能量消散之比較 114
圖6- 4構件試驗強度能量趨勢線之比較 114
圖6- 5 構架試驗強度包絡線之比較 115
圖6- 6 構架試驗勁度之比較 115
圖6- 7構架試驗正規化勁度之比較 116
圖6- 8構架試驗累積能量消散之比較 116
圖6- 9構架試驗強度能量趨勢線之比較 117
圖6- 10近斷層載重與反復載重下之 DO-30-250試體遲滯迴圈比較 117
圖6- 11近斷層載重與反復載重下之DO-30-250試體強度包絡線比較 118
圖6- 12近斷層載重與反復載重下之DO-30-250試體勁度比較 118
圖6- 13近斷層載重與反復載重下之DO-30-250試體累積能量消散比較 119
圖6- 14近斷層載重與反復載重下之DO-40-290試體遲滯迴圈比較 119
圖6- 15近斷層載重與反復載重下之DO-40-290試體強度包絡線比較 120
圖6- 16近斷層載重與反復載重下之DO-40-290試體勁度比較 120
圖6- 17近斷層載重與反復載重下之DO-40-290試體累積能量消散比較 121
圖6- 18近斷層載重與反復載重下之DO-45-290試體遲滯迴圈比較 121
圖6- 19近斷層載重與反復載重下之DO-45-290試體強度包絡線比較 122
圖6- 20近斷層載重與反復載重下之 DO-45-290試體勁度比較 122
圖6- 21近斷層載重與反復載重下之DO-45-290試體累積消散能量比較 123
圖6- 22近斷層載重與反復載重下之抗彎構架遲滯迴圈比較 123
圖6- 23近斷層載重與反復載重下之抗彎構架強度包絡線比較 124
圖6- 24近斷層載重與反復載重下之抗彎構架勁度比較 124
圖6- 25近斷層載重與反復載重下之抗彎構架累積能量消散比較 125
圖6- 26近斷層載重與反復載重下之FD-30-250試體遲滯迴圈比較 125
圖6- 27近斷層載重與反復載重下之FD-30-250試體強度包絡線比較 126
圖6- 28近斷層載重與反復載重下之FD-30-250試體勁度比較 126
圖6- 29近斷層載重與反復載重下之FD-30-250試體累積能量消散比較 127
圖6- 30近斷層載重與反復載重下之FD-45-290試體遲滯迴圈比較 127
圖6- 31近斷層載重與反復載重下之FD-45-290試體強度包絡線比較 128
圖6- 32近斷層載重與反復載重下之FD-45-290試體勁度比較 128
圖6- 33近斷層載重與反復載重下之FD-45-290試體累積能量消散比較 129
圖6- 34 DO-30-250-N試體與ANSYS分析之比較 129
圖6- 35 DO-40-290-N試體與ANSYS分析之比較 130
圖6- 36 DO-45-290-N試體與ANSYS分析之比較 130
圖6- 37 MF-N試體與ANSYS分析之比較 131
圖6- 38 FD-30-250-N試體與ANSYS分析之比較 131
圖6- 39 FD-45-290-N試體與ANSYS分析之比較 132
照片目錄
照片3- 1 Coupon test試驗情形 133
照片4- 1清潔後之雙橢圓鋼板消能器 133
照片4- 2 刷上石灰漆之雙橢圓鋼板消能器 134
照片4- 3中央大學大型力學實驗館 134
照片5- 1 DO-30-250-N試體構件試驗配置 135
照片5- 2 DO-30-250-N試體石灰漆略微剝落 135
照片5- 3 DO-30-250-N試體石灰漆剝落情形 136
照片5- 4 DO-30-250-N試體構件試驗後之外觀 136
照片5- 5 DO-40-290-N試體構件試驗配置 137
照片5- 6 DO-40-290-N試體石灰漆略微剝落 137
照片5- 7 DO-40-290-N試體石灰漆大面積剝落 138
照片5- 8 DO-40-290-N試體構件試驗後之外觀 138
照片5- 9 DO-45-290-N試體構件試驗配置 139
照片5- 10 DO-45-290-N試體石灰漆略微剝落 139
照片5- 11 DO-45-290-N試體石灰漆大面積剝落 140
照片5- 12 DO-45-290-N試體構件試驗後之外觀 140
照片5- 13 MF-N試體構件試驗配置 141
照片5- 14 MF-N梁上石灰漆剝落情形 141
照片5- 15 FD-30-250-N試體構架試驗配置 142
照片5- 16 FD-30-250-N試體石灰漆剝落情形 142
照片5- 17 FD-30-250-N梁上石灰漆剝落情形 143
照片5- 18 FD-30-250-N構架試驗後之梁與鉸接 143
照片5- 19 FD-30-250-N試體構架試驗後之外觀 144
照片5- 20 FD-45-290-N試體構架試驗配置 144
照片5- 21 FD-45-290-N試體石灰漆大面積剝落 145
照片5- 22 FD-45-290-N梁上石灰漆剝落情形 145
照片5- 23 FD-45-290-N試體構架試驗後之外觀 146參考文獻 1. Krawinkler, H., “Shear in Beam-Column Joint in Seismic Design of Steel Frames”, Engineering Journal, AISC, Vol.15, pp.82-91, 1978.
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