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研究生:王柏勳
研究生(外文):Po-Hsun Wang
論文名稱:中小學校舍結構最佳化補強研究
論文名稱(外文):A Study on the Optimization of Structure Strengthening for Primary and Junior High School Buildings
指導教授:金文森金文森引用關係
指導教授(外文):Won-Sun King
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:營建工程系碩士班
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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:104
中文關鍵詞:側推分析極限載重耐震能力
外文關鍵詞:Seismic EvaluationPushover AnalysisUltimate Load
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臺灣位於環太平洋地震帶上,時常受到地震災害的威脅,且由921地震勘查結果顯示部分校舍結構耐震能力堪慮,大多數校舍均有耐震能力不足及不符合現有耐震設計規範之要求。本文先以簡單的構架案利用不同軟體分析,研究構架的極限承載力,載重-位移曲線,塑性鉸之形成,桿件軸力、剪力、彎矩的差異。既有校舍耐震能力評估是以結構各桿件之實際尺寸,材料性質及斷面配筋進行分析。然後模擬不同假設條件的校舍進行結構基底剪力及耐震能力比較,並針對其耐震能力不足之處,找出結構補強最佳化的方法與建議,研究結果可在未來能作為耐震補強工程之參考。ETABS v9.5在本文案例驗證分析的結果與實際的情況較為符合,用於耐震分析中的分析程式較為恰當。而國震中心開發一套自動計算柱、梁非線性鉸自動化程式將塑性鉸置入不同的桿件位置會導致不同的載重-位移曲線,有些甚至跑不出結果或是直線往上衝。
Taiwan is located in circum-Pacific seismic belt, and is often under the threat of earthquake. Seismic prospecting results from the 921 earthquake, parts of the school buildings’ structural seismic resistant capacity are worthy of consideration. Seismic resistant capacity of most school buildings is inadequate and does not meet current seismic design requirements. At first, we take several simple frame cases that were used to analyze the ultimate loads of structures, load-displacement curves, formations of plastic hinges, differences between the axial forces, shear forces and bending moments by different computer programs. Then, the base shear capacities and seismic resistant capacities of school buildings were compared based on the actual sizes of members, material properties and sections of steel reinforcements. Simulations were carried out with different assumptions. Suggestions of retrofitted methods for the inadequate seismic resistant capacity are provided. The research results can serve as references for seismic retrofitting engineering in the future. Since analyses and results by ETABS V9.5 are more approachable to those real in cases, it is more appropriate to apply these data into the analysis for seismic evaluation. When the plastic hinge of National Center for Research on Earthquake Engineering was put in different position of a member, the load-deflection curve will be different. Some cases do not get any results. Some cases get a vertically upward load-deflection curve.
摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1研究動機 1
1.2研究目的 1
1.3研究方法 2
1.4研究內容 3
1.5文獻回顧 3
第二章 程式簡介與設計規範 5
2.1 ETABS 應用軟體簡介[15] 5
2.2非線性靜力分析方法 7
2.3結構性能點之求取與定義破壞地表加速度 8
2.4校舍耐震性能評估目標準則 9
2.5地表加速度 11
2.5.1需求震譜之建立與折減 11
2.6 ETABS Input Data操作步驟 16
第三章 案例驗證分析 18
3.1前言 18
3.2結構分析電腦程介紹 18
3.2.1 SAP2000主要特點 18
3.2.2 SAP2000側推分析 19
3.3 RC構架實例分析比較 20
3.3.1 RC門型構架A 20
3.3.2 RC門型構架B 27
3.3.3 RC門型結構C 33
3.3.4 RC門型結構C延續 39
3.4台北新建7樓住宅分析 40
3.5小結 44
第四章 實際案例分析與補強 46
4.1 案例介紹 46
4.2 補強前分析 46
4.2.1 結構物假設評估值 46
4.2.2現況程式模擬分析 52
4.3評估結果綜合判斷及建築物繼續使用應注意事項 63
4.4補強方案規劃 63
4.5建築物分析補強後結構耐震能力評估 65
第五章 實際案例問題探討 86
5.1前言 86
5.2價格 92
5.3安全性 94
5.4功能性 96
5.5工期 96
5.5.1擴柱 98
5.5.2翼牆 99
5.5.3 RC剪力牆 99
第六章 結論與建議 101
6.1結論 101
6.2建議 101
參考文獻 103
表目錄
表2-1 低矮型RC 校舍損壞狀態分級表 ........................................................ 10
表2-2 ATC-40 規定A SR 及V SR 之最小容許值 .............................................. 16
表3-1 樑及柱鋼筋之配置 ................................................................................. 22
表3-2 定義混凝土與鋼筋之材料性質 ............................................................ 22
表3-3 節點邊界束制條件之設定 .................................................................... 23
表3-4 RC 門型構架A 國震柱斷面資料 .......................................................... 24
表3-5 RC 門型構架A 國震梁斷面資料 .......................................................... 24
表3-6 RC 門型構架A 程式分析輸出軸力檢核 .............................................. 24
表3-7 RC 門型構架A 桿件內力比較表 .......................................................... 26
表3-8 RC 門型構架A 分析結果的誤差 .......................................................... 26
表3-9 樑柱鋼筋之配置 ..................................................................................... 29
表3-10 鋼筋與混凝土材料性質之設定 .......................................................... 29
表3-11 節點束制之邊界條件設定 ................................................................... 30
表3-12 RC 門型構架B 柱斷面資料 ................................................................ 30
表3-13 RC 門型構架B 程式分析輸出軸力檢核 ............................................ 30
表3-14 RC 門型構架B 桿件內力比較表 ........................................................ 32
表3-15 RC 門型構架B 的結構分析結果 ........................................................ 32
表3-16 樑及柱鋼筋之配置 ................................................................................ 35
表3-17 鋼筋與混凝土材料性質之設定值 ...................................................... 35
表3-18 邊界束制條件之設定............................................................................ 36
表3-19 RC 門型構架C 柱斷面資料 ................................................................ 36
表3-20 RC 門型構架C 桿件內力比較表 ........................................................ 38
表3-21 RC 門型構架C 結構曲線分析結果表 ................................................ 38
表3-22 鋼筋與混凝土材料性質之設定值 ....................................................... 42
表4-1 評估採用混凝土強度.............................................................................. 50
表4-2 樓層載重計算(靜載重及活載重) ..................................................... 50
表4-3 各樓層樓地板面積計算.......................................................................... 50
表4-4 基地地盤分類(地盤種類、475 年設計地表加速度(g)) .............. 51
表4-5 建物基本震動週期 .................................................................................. 51
表4-6 工址設計水平譜加速度Sad、工址短週期設計水平譜加速度SDS(正規
化水平加速度反應譜係數C) ......................................................................... 52
表4-7 磚牆資料 .................................................................................................. 55
表4-8 柱斷面資料 .............................................................................................. 55
表4-9 建築物ETABS V9.5 程式分析輸出軸力檢核 ...................................... 56
表4-10建築物ETABS V9.5程式分析觀測點位移量 ................................. 59
表4-11性能點選取決定破壞地表加速度 ........................................................ 63
表4-12建築物國震中心分析結構各項耐震能力評估表 ............................... 63
表4-13評估採用混凝土強度............................................................................ 65
表4-14 本棟建築物原有鋼筋降伏強度 .......................................................... 65
表4-15補強用之設計載重 ................................................................................ 66
表4-16 擴柱補強後建築物國震中心分析結構各項耐震能力評估表 .......... 67
表4-17擴柱補強後ETABS V9.5程式分析屋頂觀測點位移量 .................... 68
表4-18翼牆補強後建築物國震中心分析結構各項耐震能力評估表 ........... 72
表4-19翼牆補強後ETABS V9.5程式屋頂觀測點位移量 ............................ 73
表4-20 RC剪力牆補強後建築物國震中心分析結構各項耐震能力評估表 . 78
表4-21建築物RC剪力牆補強後ETABS V9.5程式觀測點位移量 .......... 79
表5-1擴柱估價表 .............................................................................................. 93
表5-2 翼牆估價表 ............................................................................................. 93
表5-3剪力牆估價表 .......................................................................................... 94
表5-4鋼筋組立、混凝土澆置與模板組立1人1天可做多少 ..................... 97
圖目錄
圖1-1 921地震後霧峰光復國中教室崩塌[2] .................................................... 2
圖2-1 ETABS 設定非線性鉸參數介面(M3) ..................................................... 6
圖2-2 FEMA 273 設定非線性塑性鉸性質曲線的參數圖 ............................... 7
圖2-3 側推分析之容量曲線............................................................................... 8
圖2-4 地表加速度-屋頂層位移曲線(性能曲線)示意圖 ................................ 11
圖2-5 容量震譜之二線段模擬......................................................................... 12
圖2-6 理想二線段容量震譜之遲滯阻尼 ........................................................ 13
圖2-7 遲滯阻尼消散能量之推導 .................................................................... 14
圖2-8 負過降伏勁度之容量震譜 .................................................................... 15
圖2-9 ATC-40 折減需求震譜之方法 .............................................................. 16
圖3-1 RC門型構架A實驗配置圖 .................................................................. 20
圖3-2 樑斷面圖 ................................................................................................. 21
圖3-3柱斷面圖 .................................................................................................. 21
圖3-4 RC門型構架A作用圖 .......................................................................... 23
圖3-5門型RC構架A軸力、剪力、彎矩、塑性鉸比較圖 ......................... 25
圖3-6 RC門型構架A載重-位移圖 ................................................................. 27
圖3-7 RC門型構架B實驗配置圖 .................................................................. 28
圖3-8 樑斷面圖(強軸彎曲)......................................................................... 28
圖3-9 柱斷面圖(強軸彎曲)......................................................................... 29
圖3-10 RC門型構架B軸力、剪力、彎矩、塑性鉸比較圖 ........................ 32
圖3-11 RC門型構架B載重-位移曲線圖 ....................................................... 33
圖3-12 RC門型構架C實驗配置圖 ................................................................ 34
圖3-13 實驗的樑、柱斷面圖........................................................................... 34
圖3-14 等效樑、柱斷面圖 ............................................................................... 35
圖3- 15門型構架C旋轉圖 .............................................................................. 37
圖3-16 RC門型構架C軸力、剪力、彎矩、塑性鉸比較圖 ........................ 37
圖3-17 RC門型構架C載重-位移曲線圖 ....................................................... 39
圖3-18 RC門型構架C載重-位移曲線圖 ....................................................... 40
圖3-19 建築物之3D透視圖 ............................................................................ 41
圖3-20 建築物之平面圖 ................................................................................... 42
圖4-1 A棟結構平面圖 ...................................................................................... 48
圖4-2 A棟現況梁柱配筋圖 .............................................................................. 49
圖4-3建築物3D模型構件圖 ........................................................................... 53
圖4-4建築物模型屋頂立面圖數字放大 ......................................................... 54
圖4-5建築物模型屋頂平面圖.......................................................................... 54
圖4-6建築物3D塑性鉸圖 ............................................................................... 59
圖4-7建築物X向第1面塑性鉸圖 ................................................................. 60
圖4-8建築物X向第2面塑性鉸圖 ................................................................. 60
圖4-9建築物X向第3面塑性鉸圖 ................................................................. 61
圖4-10建築物X向第5面塑性鉸圖 ............................................................... 61
圖4-11建築物國震中心程式分析X向容量曲線、性能曲線 ...................... 62
圖4-12建築物國震中心分析Y向容量曲線、性能曲線 .............................. 62
圖4-13建築物國震中心分析補強X向容量曲線、性能曲線 ...................... 68
圖4-14建築物補強擴柱補強後3D塑性鉸發展圖 ........................................ 69
圖4-15建築物補強擴柱補強後第一面塑性鉸發展圖 ................................... 69
圖4-16建築物補強擴柱補強後第二面塑性鉸發展圖 ................................... 70
圖4-17建築物補強擴柱補強後第三面塑性鉸發展圖 ................................... 70
圖4-18建築物補強擴柱補強後第五面塑性鉸發展圖 ................................... 71
圖4-19建築物補強3D圖 ................................................................................. 71
圖4-20建築物擴柱補強後補強位置平面圖 ................................................... 72
圖4-21建築物國震中心分析補強X向容量曲線、性能曲線 ...................... 73
圖4-22建築物翼牆補強後之3D塑性鉸發展圖 ............................................ 74
圖4-23建築物翼牆補強後之第一面塑性鉸發展圖 ....................................... 75
圖4-24建築物翼牆補強後之第二面塑性鉸發展圖 ....................................... 75
圖4-25建築物翼牆補強後之第三面塑性鉸發展圖 ....................................... 76
圖4-26建築物翼牆補強後之第五面塑性鉸發展圖 ....................................... 76
圖4-27建築物翼牆補強3D位置圖 ................................................................. 77
圖4-28建築物翼牆補強後補強位置平面圖 ................................................... 77
圖4-29建築物國震中心分析RC剪力牆補強X向容量曲線、性能曲線 ... 79
圖4-30建築物RC剪力牆補強後之3D塑性鉸發展圖 ................................. 81
圖4-31建築物RC剪力牆補強後之第一面塑性鉸發展圖 ............................ 82
圖4-32建築物RC剪力牆補強後之第二面塑性鉸發展圖 ............................ 82
圖4-33建築物RC剪力牆補強後之第三面塑性鉸發展圖 ............................ 83
圖4-34建築物RC剪力牆補強後之第五面塑性鉸發展圖 ............................ 83
圖4-35建築物RC剪力牆補強3D圖 ............................................................. 84
圖4-36建築物RC剪力牆補強後補強位置平面圖 ........................................ 85
圖5-1訂定招標底價流程圖.............................................................................. 87
圖5-2廠商投標估價流程表.............................................................................. 89
【1】交通部觀光局,921地震教育園區,2011年10月20日下載,取自:http://taiwan.net.tw/m1.aspx?sNo=0001112&id=A12-00017
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【27】幾個校舍耐震有關因素之探討,2012年6月20日下載,取自: http://kbteq.ascc.net/archive/nsc/eidc/1/t20.html
【28】營建管理淺論之三:工期管理,2012年6月20日下載,取自: http://www.arch.net.tw/spc/spc-1/s001-3.htm
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