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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:蘇翰唐
研究生(外文):Han-Tang Su
論文名稱:考慮碼頭與土壤在地震與波浪作用下之互制行為
論文名稱(外文):The Response of Wharf Structures Subjected to Waves and Earthquake When Considering the Interaction Between Structure and Soil Behavior
指導教授:李賢華李賢華引用關係
指導教授(外文):H.H. Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:海洋環境及工程學系研究所
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:波浪地震互制關係碼頭土壤
外文關鍵詞:EarthquakeWharf StructuresWavesInteractionSoil
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摘要
台灣地處環太平洋地震帶,地震發生頻繁,且四面環海,加上每年幾乎都會遭受到大大小小的颱風侵襲,對港灣結構物常常造成嚴重破壞,若我們想確保港灣結構物在地震力與波浪力雙重作用下的安全,對港灣結構物與其基礎土壤之間的互制行為,應有正確的了解。一般而言,港灣系統通常包含有:港灣結構物、後方填土、基礎土域與海水等四方面,這其中不僅包含了固體與流體的互動關係,更牽涉到基礎土域延伸至無限遠處的輻射問題。本論文先建立運動方程式所須之質量矩陣M及勁度矩陣K,再將相合微小有限元素網格法(Consistent infinitesimal finite element cell method ),應用於港灣系統,期能以相似理論(Simularity)有效的模擬土壤無限延伸的輻射特性(radiation)。而真實狀態下,能量是會隨著土壤的延伸而外傳,而且每個時間點上都會有所變化,所以需要計算出每一時間,所傳到邊界的能量,再加以扣除,方能去除有限元素法能量不會從系統內消散的缺點。另外,再以Sanflou公式為基礎,計算波浪作用於岸壁上的外力。最後,於外力項再加上地震力作用,以Newmark method來作時間域(time-domain)上之動力分析。
ABSTRACT
Taiwan is located at the seismic belt around Pacific Ocean. Earthquake occurs with high frequency and all kinds of degrees of typhoons also attack Taiwan almost every year. It causes serious destruction to the wharf structure. To ensure the safety of wharf structure subjected to earthquake and waves, a better knowledge about the interaction between structure and soil behavior is important. Not only is the interaction of solid and fluid concerned, but also the radiation condition of soil extending to infinite domain is considered.
First, the research establishes the mass matrix and the stiffness matrix of dynamic equation, then applied to harbor system with the consistent infinitesimal finite element cell method. To efficiently simulate the radiation condition of soil the theory of similarity is employed. In reality, energy passes outward with soil extension, and changes every time. So we must calculate the value of energy passing on boundary at any time. Finally, adding the force of earthquake to the external force, the dynamic analysis is carried out in time-domain by using Newmark method.
目錄
頁次
第一章緒論 1
1.1研究背景與目的 …………………………………………………… 1
1.2文獻回顧 …………………………………………………………… 2
1.3本文架構 …………………………………………………………… 3
第二章港灣系統的運動方程式 5
2.1運動方程式 ………………………………………………………… 5
2.2質量矩陣與勁度矩陣的建立 ……………………………………… 6
2.3波浪作用 …………………………………………………………… 8
2.3.1 Sanflou波壓公式………………………………………………… 8
2.3.2 波浪外力之計算………………………………………………… 9
第三章時間域上港灣系統之動力分析
3.1近區土域與遠區土域之互制關係 ………………………………… 16
3.1.1相似無限制環境的動力勁度矩陣 ……………………………… 16
3.1.2微小有限元素網格的靜勁度與質量矩陣 ……………………… 17
3.1.3組合微小有限元素網格與無限制環境 ………………………… 22
3.1.4相合微小有限元素網格方程式 ………………………………… 23
3.2時間離散化 …………………………………………………………… 25
3.2.1第一段時間 ……………………………………………………… 25
3.2.2第n段時間 ……………………………………………………… 28
3.3土壤互制力於時間域上之解…………………………………………… 29
3.4 Newmark Method …………………………………………………… 30
第四章數值結果與討論 34
4.1 動力分析-固定外力作用下 ………………………………………… 34
4.2 動力分析-衝擊外力作用下 ………………………………………… 36
4.3 動力分析-單一波作用下 …………………………………………… 37
4.4 動力分析-重複波作用下 …………………………………………… 38
4.5 動力分析-地震與重複波同時作用下 ……………………………… 39
4.6 收斂性驗證 ………………………………………………………… 40
第五章結論與建議 55
5.1 結論 ………………………………………………………………… 55
5.2 建議與未來方向 …………………………………………………… 56
參考文獻 57
附錄A 59
A-1 Taylor expansion展開……………………………………………… 59
A-2 Jacobian matrix [J] ………………………………………………… 60
A-3 節點應變-變位矩陣(The strain-nodal displacement matrix) ……… 62
A-4 靜勁度矩陣(the static-stiffness matrix) …………………………… 63
A-5 質量矩陣(the mass matrix) ………………………………………… 67
A-6 的對稱性……………………………………… 68
A-7 的值……………………………………………… 69
A-8 相合微小有限元素網格方程式…………………………………… 72
A-9 的對稱性證明………………………………………………… 76
附錄B The Newmark Method 80
附錄C 波浪與結構物互制之線性分析 82
參考文獻[1]Wolf, John P. and Song, Chongmin (1995)“Consistence infinitesimal finite-element cell method:in-plane motion”Comput. Methods Appl. Mech. Engrg.,123 355-370[2]Song, Chongmin and Wolf, John P. (1995),“Consistent infinitesimal finite-element-cell method:out-of-plane motion”J. Engrg. Mech.,ASCE,121,613-619[3]Zienkiewicz, O.C. , Paul, D.K. and Hinton, E. (1983)“Cavitation in fluid-structure response(with particular reference to dams under earthquake loading)”, Earthquake engineering and structure Dynamics, vol. 11, 463-481 [4] Lee, G. S. , and Tsai, C. S.(1991a).“Time-domain analyses of dam-reservoir system.I : Exact solution .”J. Engrg. Mech. ,ASCE,117(9), 1990-2006[5]Tsai, C. S., and Lee, G. C. (1991b).“Time-domain analyses of dam-reservoir system.II:Substructure method.” J. Engrg. Mech. ,ASCE,117(9),2007-2025[6]Golub, G. H. , Nash, S. and Loan, C. V. “Ahessenberg-Schur method for the problem AX+XB=C”,IEEE trans. Autom. Control AC-24(6) (1979) 909-913[7]Bartels, R.H. and Stewart, G.W. “Solution of the Matrix Equation AX+XB=C”,Communications of the ACM,Sept. 1972,Volume 15,Number 9[8]Bathe, K. J. “FINITE ELEMENT PROCEDURES”,P.780-782[9]Lee, J. F. “Decoupled Analysis of A Linear Wave-Structure Interaction Problem”, Journal of Harbor Technology ,Vol. 13, pp. 23-39.[10]Smith, I. M.,“Programming the Finite Element Method with application to geomechanics ”科技圖書股份有限公司[11]湯麟武(1996),“港灣及海域工程(第二版)”,中國土木水利工程學會。[12]曾鼎程(2001),“波浪與結構物互制之二階解析”,國立成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文。[13]蔡崇興(1998),“水壩與無限土域及流域在地震時之互制行為”,第四屆結構工程研討會。[14]宇泰工程顧問公司(2000),“九二一地震台中港北碼頭區港埠設施災損勘測及原因探討分析報告書”
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