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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳豐山
研究生(外文):Feng-Shan Chen
論文名稱:含消能阻尼器之制震結構耐震能力評估方法研究
論文名稱(外文):A STUDY ON SEISMIC CAPACITY ASSESSMENT OF BUILDINGS IMPLEMENTED WITH DAMPERS
指導教授:王彥博劉俊秀劉俊秀引用關係
指導教授(外文):Yen-Po WangGin-Show Liou
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:土木工程系所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:145
中文關鍵詞:制震結構推覆分析耐震容量曲線
外文關鍵詞:seismically damped structurepushover analysisseismic capacity curve
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有鑒於九二一地震的慘痛教訓,制震設計的概念已漸為國內業者接受,利用各種型式的阻尼元件來消散地震能量也蔚為風潮。目前國內工程界多採用內政部建築研究所於1999 年公佈的「鋼筋混凝土建築物耐震能力評估法與推廣」﹙簡稱強度韌性法TS-RC﹚作為建築物耐震能力評估的依據,惟其並未考慮結構物加裝阻尼器之條件。鍾立來等人修正TS-RC法,可利用迭代方式求取含位移型阻尼器結構之崩塌地表加速度。與ETABS程式根據美國ATC-40所發展之推覆分析法之耐震評估結果比較,利用TS-RC法推估之結構崩塌地表加速度有偏低的傾向,顯與九二一地震之結果不符。因此,本研究擬嘗試採用推覆分析法,考慮結構加裝位移型阻尼器﹙含鋼框架﹚之條件下進行耐震能力評估分析,期能提供結構工程師一套簡便的「制震結構耐震能力評估方法」。本文以一現存建築物之耐震補强設計為例,分別根據TS-RC法及推覆分析法完成建築物補强前、後之耐震能力評估。結果顯示,TS-RC法估算之崩塌地表加速度值確有偏低的情況,而推覆分析法於制震結構所得的耐震容量曲線部分區段則出現不連續的現象,並不合理,現有ETABS軟體內建之推覆分析模組尚無法適當反映出制震結構的崩塌地表加速度。
In response to the disastrous lessons from Chi-Chi earthquake, the concept of seismic energy dissipation design has been gradually accepted by domestic industries. Utilization of a variety of damping devices for seismic energy dissipation has become a trend. Currently the “Seismic Capacity Assessment Method for RC Structures (1999)” (referred to as the strength ductility TS-RC method herein) by the Architecture Research Institute, Ministry of Domestic Affairs has been most widely adopted by the engineering professions. However, it does not take into account structures with supplemental seismic dampers. A modified TS-RC method with an iterative procedure by Chung et al. may used to determine the collapsing peak ground acceleration (CPGA) of the structure with displacement-dependent dampers. By comparing the results by ETABS pushover analysis based on ATC-40 of the United States, it is found that TS-RC method tends to underestimate the CPGA, which obviously contradicts to what have happened in Chi-Chi earthquake. Therefore, this study tries to adopt the pushover method for seismic capacity assessment of structures with seismic dampers (including the added steel frame), meant to provide for engineers a simple tool for seismic capacity assessment of structures with energy dissipative dampers. Using a practical seismic retrofit project as example, this study conducts seismic capacity analyses of the target structure prior to and after retrofit, using both the TS-RC and pushover methods independently. Results indicate that, the TS-RC does underestimate the CPGA (of the non-retrofit structure), while the seismic capacity curve of the seismically damped structure derived by the pushover analysis irrationally exhibits discontinuity in some segments of the curve. The built-in pushover analysis module of the current ETABS software cannot yet adequately reflect the CPGA of seismically damped structures.
目錄
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究內容 4
第二章 結構耐震補強方法概論 5
2-1 耐震補強設計原則 5
2-2 局部構件補強法 7
2-2-1 鋼鈑包覆補強工法 7
2-2-2 碳纖維複合材料補強工法 9
2-2-3錨栓補强設計 15
2-2-4 柱補強前後的強度評估 18
2-3 整體結構耐震補強法 20
2-3-1 增設RC剪力牆設計 21
2-3-2 增設鋼骨斜撐框架設計 22
2-3-3增設制震裝置之結構補強工法 23
第三章 消能制震系統之評估 26
3.1 消能制震系統之選擇 27
3-2 X形金屬降伏阻尼器之力學原理 29
3-3金屬降伏型阻尼器之消散能量能與位移之關係 36
3-4 X形金屬降伏阻尼器之安裝 41
3-4-1 鋼構造接合型式 41
3-4-2 鋼筋混凝土接合型式 44
第四章鋼筋混凝土結構耐震能力評估法 46
4-1 民國86年版本之耐震設計規範 46
4-2詳細評估法架構 48
4-3 構材行為之分析 49
4-3-1 梁、柱斷面降伏之彎矩強度 49
4-3-2 梁、柱斷面之剪力強度 50
4-3-3 韌性容量修正 51
4-3-4 單根梁、柱破壞模式比與韌性比 53
4-4 磚牆行為之模擬 56
4-5 節點強度比較、柱承擔剪力與韌性 57
4-6建築物之耐震能力 60
4-6-1 各半層降伏地表加速度與韌性容量 62
4-6-2 各半層之崩塌地表加速度 63
4-7 耐震能力標準 64
4-8 位移型阻尼器之制震結構耐震能力評估程序 65
4-8-1 地震總橫力修正 65
4-8-2 正規化反應譜係數修正 66
4-8-3 分析流程 67
第五章 位移型阻尼器制震結構之非線性靜力推覆評估法 70
5.1 非線性靜力推覆評估法(ATC-40) 70
5-2 構材塑鉸模擬 71
5-2-1混凝土結構梁、柱構材 72
5-2-2鋼結構梁、柱構材 76
5-3 等效單自由度系統 82
5-4 容量震譜建立 86
5-5 含X形金屬降伏阻尼結構之耐震能力評估程序 89
第六章 實例分析與探討 92
6-1 前言 92
6-2 補強前建築物耐震評估案例說明 94
6-2-1建築物概要 94
6-2-2 地震力分析 97
6-2-3 耐震能力評估結果 99
6-2-4 耐震能力評估補強基準判定 103
6-2-5 強度韌性法(TS-RC)與推覆分析法之比較 104
6-3 補強後建築物耐震能力評估 107
6-3-1 阻尼器佈置 107
6-3-2地震力分析 109
6-3-3耐震能力評估結果 111
6.4 耐震潛能評估 125
6.4.1 輸入擾動特性 125
6.4.2 消能阻尼器評估指標 126
6-4-3阻尼器檢核 130
第七章 結論與建議 136
7.1 結論 136
7.2建議 137
參考文獻 139
附錄A 系統識別 143

圖目錄

圖 2.1柱圍束力分佈圖 10
圖2.2 CFRP貼片/CFRP板對柱構材進行耐震補強流程圖 11
圖 2.3補強後斷面應力 – 應變與力平衡圖 12
圖 2.4碳纖維貼片補強設計步驟流程圖 13
圖 2.5 CFRP貼片補強 13
圖 2.6 HILTI 錨栓受剪力時混凝土應力錐投影面積 16
圖 2.7受剪力作用時錨栓邊距不足對混凝土應力錐投影面積之影響 17
圖 2.8受剪力作用時錨栓間距不足對混凝土應力錐投影面積之影響 17
圖 2.9受剪力作用時錨栓混凝土厚度不足對混凝土應力錐投影面積之影響 17
圖 2.10錨栓受不同角度剪力之示意圖(依喜得釘技術手冊重製) 18
圖 2.11 柱構材補強後之斷面 20
圖 2.12 制震設計消能器安裝示意圖 23
圖 2.13 消能元件之安裝示意圖 24
圖 2.14 混凝土結構制震補強設計示意圖 25

圖3 .1加速度與位移反應譜 26
圖3 .2阻尼器之受力示意圖 29
圖3 .3阻尼器取半分析示意圖 30
圖3.4 X形金屬降伏阻尼器遲滯迴圈 37
圖3.5側位移與消能面積關係 40
圖3.6 X形金屬降伏阻尼器單一循環所行走的路徑示意圖 40
圖3.7 金屬降伏阻尼器於新建之鋼結構安裝示意圖 43
圖3.8 金屬降伏阻尼器採用壁式安裝之示意圖 43
圖3.9 金屬降伏阻尼器安置於鋼框架之示意圖 44
圖3.10金屬降伏阻尼器安置於RC牆示意圖 45

圖4.1耐震能力評估流程圖【5】 49
圖4.2軸力-彎矩交互影響圖 50
圖4.3 梁柱構材之標稱剪力與韌性容量之關係 51
圖4.4剪力破壞時構材承擔之剪力與韌性比 54
圖4.5未達韌性容量之剪力破壞時構材承擔之剪力與韌性比 55
圖4.6達韌性容量時構材承擔之剪力與韌性比 56
圖4.7梁、柱節點破壞模式與承擔之剪力與韌性分析 58
圖4.8建築物耐震能力計算 61
圖4.9金屬降伏阻尼器有效勁度示意圖 67
圖4.10 含加勁消能元件之耐震評估法流程圖 69

圖5.1 塑角模擬圖 圖5.2 塑角模擬 72
圖5.3 混凝土構材正規化側向力與變形之關係圖(A)(B) 74
圖5.4理想化之構材力與變形之關係 74
圖5.5鋼構材側向力與變形之關係 79
圖5.6 MDOF基底剪力與頂層位移之關係 85
圖5.7 MDOF結構系統力與位移關係 85
圖5.8 SDOF結構系統力與位移關係 86
圖5 9 阻尼器雙線性模型 90

圖6.1結構平面圖 95
圖6.2構架剖面圖 95
圖6.3柱位配筋圖 96
圖6.4分析模型結構 96
圖6.5未補強結構塑鉸模擬示意圖 101
圖6.6屋頂側位移與基面層剪力關係 102
圖6.7 譜位移與譜加速度關係 103
圖6.8制震鈑設置位置圖 108
圖6.9含阻尼器結構特徵分析 112
圖6.10 X向阻尼比修正係數CD於迭代過程之變化 115
圖6.11 X向崩塌地表加速度於迭代過程之變化 115
圖6.12 Y向阻尼比修正係數CD於迭代過程之變化 116
圖6.13 Y向崩塌地表加速度於迭代過程之變化 116
圖6.14 補強結構塑鉸模擬示意圖 117
圖6.15 屋頂側位移與基面層剪力關係 118
圖6.16 譜位移與譜加速度關係 119
圖6.17 X向塑鉸形成順序 120
圖6.18 Y向塑鉸形成順序 122
圖6.19 X向系統識別結果(TCU017N-324) 123
圖6.20 Y向系統識別結果(TCU017N-324) 123
圖6.21 輸入地震紀錄(TCU017) 126
圖6.22 消能制震鈑能量消散歷時反應(TCU017N) 129
圖6.23 消能制震鈑能量消散歷時反應(TCU017E) 130
圖6.24 TCU017 N-S 作用在X向時之制震鈑遲滯迴圈 132
圖6.25 TCU017 N-S 作用在Y向時之制震鈑遲滯迴圈 133
圖6.26 TCU017 E-W 作用在X向時之制震鈑遲滯迴圈 134
圖6.27 TCU017 E-W作用在Y向時之制震鈑遲滯迴圈 135

表目錄

表5.1混凝土梁、柱構材模擬參數【25】 75
表5.2混凝土剪力牆模擬參數【25】 76
表5.3 完全束制接頭鋼造抗彎構架之梁構材模擬參數【25】 79
表5.4 完全束制接頭鋼造抗彎構架之柱構材模擬參數【25】 80
表5.5鋼造斜撐構架之柱構材模擬參數【25】 81

表6.1 總橫力之比較 127
表6.2 樓層變位角反應之比較 127
表6.3制震鈑最大剪力與位移反應 130
1. 內政部營建署、建築研究所,建築物耐震設計規範及解說,營建雜誌社,(1997)。
2. 內政部營建署、建築研究所,建築技術規則,營建雜誌社,(2000)。
3. 內政部建築研究所,既有鋼筋混凝土建築物耐震能力評估手冊,內政部建築研究所專題研究計畫成果報告,(1996)。
4. 內政部建築研究所,鋼筋混凝土建築物耐震能力評估及推廣,內政部建築研究所專題研究計畫成果報告,(1999)。
5. 中華民國結構工程技師公會全國聯合會,「建築物耐震能力評估及補強」講習,(2001)。
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