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研究生： 劉育成
Liu, Yu-Chen
論文名稱： 強震時抗彎構架桿件元素韌性因子需求分佈之研究
指導教授： 郭炎塗
Guo, Yan-Tu
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年： 2003
畢業學年度： 91
語文別： 中文
論文頁數： 107
中文關鍵詞： 桿件韌性因子 、非線性動力歷時分析
外文關鍵詞： ductility factor
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    • 現行的耐震設計規範多採用強柱弱樑的型式加以設計，如此的設計方式不僅能夠使結構在地震作用下，有選擇性的使部分桿件產生非線性變形，消耗更多的能量，並且可以使部分之結構桿件發生局部的破壞，不致於使整體結構發生崩塌的情況。但這樣的模式仍與實際結構受震的情況有些許的差距，由許多文獻與地震災害記錄報告可知，在地震力作用下，仍有少部分的柱桿件會產生永久的變形，因此本研究將針對結構樑柱桿件皆可進入非線性產生非線性變形的情況加以討論，並利用桿件韌性因子的概念討論其非線性變形的能力。
    本研究乃採用鋼筋混凝土抗彎構架，針對樓高為5、10、15、20樓之結構進行分析，並將樑柱桿件勁度提高2倍、3倍共12種型式之結構；在樑柱性質方面，依據【洪文岳，2001】之簡化設計法並搭配【Panagiotakos and Fardis，2001】建議之材料性質，建立一完美彈塑性行為用以描述結構桿件之基準曲線，並採用【Wen，1976】建議之力與變位關係的遲滯圈模式；在作用力方面，則採用921集集大地震TCU084測站及1022嘉義大地震CHY046所量測之兩筆加速度歷時資料；在分析模式方面，乃根據有限元素分析程式Sap2000Nonlinear的基本理論，採用集中質量（Lump Mass）方式建立基本的動力方程式，並且利用Ritz Vector Method進行模態分析，最後並搭配FNA（Fast Nonlinear Analysis）及Modified Newton-Raphson Method進行平面的非線性動力分析。
    分析結果顯示，最大桿件韌性發生的位置並非在結構最底層的部分，而是發生在相對高度為0.2～0.5之間；並且對於樑柱皆模擬成具有產生非線性變形能力的桿件，其對整體的結構反應具有一定程度的影響，因此對於設計者而言，在設計前應多加以考量。

    none

    目 錄 摘要--------------------------------------------------------Ⅰ 誌謝--------------------------------------------------------Ⅱ 目錄--------------------------------------------------------Ⅲ 表目錄------------------------------------------------------Ⅵ 圖目錄------------------------------------------------------Ⅷ 第一章 諸論-------------------------------------------------1 1.1 前言-------------------------------------------------1 1.2 相關文獻回顧-----------------------------------------2 1.3 研究動機與目的---------------------------------------3 1.4 研究方法---------------------------------------------4 第二章 韌性因子概述-----------------------------------------6 2.1 斷面韌性---------------------------------------------6 2.2 桿件韌性---------------------------------------------7 2.3 結構韌性---------------------------------------------9 第三章 分析模式 --------------------------------------------10 3.1 Sap2000分析程式-------------------------------------10 3.2 非線性元素模擬 --------------------------------------10 3.2.1 線性彈簧力與變形之關係 ------------------------11 3.2.2 非線性元素變形之關係---------------------------11 3.2.3 非線性元素桿件節點力---------------------------12 3.3 非線性材料性質的模擬 --------------------------------14 3.4 遲滯圈模式 ------------------------------------------16 3.4.1 遲滯圈模式通式---------------------------------16 3.4.2 Wen遲滯圈模式---------------------------------17 第四章 非線性動力分析模式 ----------------------------------20 4.1 動力方程式 ------------------------------------------20 4.2 模態分析 --------------------------------------------21 Ritz-Vector Method -------------------------------------21 4.3 數值分析 --------------------------------------------23 4.3.1 Newmark 直接積分法 ---------------------------23 4.3.2 Wilson直接積分法-------------------------------26 4.3.3 FAN 法 ----------------------------------------27 4.4 Modified Newton-Raphson Method -----------------------27 第五章 案例分析結果與討論 ----------------------------------30 5.1 結構基本參數 ----------------------------------------30 5.1.1 結構實體---------------------------------------30 5.1.2 斷面性質---------------------------------------30 5.1.3 材料參數---------------------------------------31 5.2 邊界條件--------------------------------------------32 5.2.1 幾何邊界條力邊界條件 --------------------------32 5.2.2 力邊界條件-------------------------------------32 5.3 分析結果與討論 --------------------------------------33 5.3.1 基礎剪力與樓層數、PGA之關係 ------------------33 5.3.2 頂層最大變位與樓層數、PGA之關係 --------------34 5.3.3 地震力輸入與消耗能量---------------------------34 5.3.4 韌性因子分佈情形-------------------------------35 5.3.5 樑桿件韌性因子與樓層相對高度之關係-------------36 5.3.6 柱桿件韌性因子與樓層相對高度之關係-------------36 5.3.7 韌性因子與結構週期之關係-----------------------37 第六章 結論與建議 ------------------------------------------39 附表--------------------------------------------------------42 附圖--------------------------------------------------------68 參考文獻---------------------------------------------------106 表目錄 表5.1 分析案例之結構自重與週期-----------------------------43 表5.2-1 樓層案例之樑柱基本參數 - NCNB（1EI）-----------------44 表5.2-2 樓層案例之樑柱基本參數 - NCNB（2EI）-----------------45 表5.2-3 樓層案例之樑柱基本參數 - NCNB（3EI）-----------------46 表5.3-1 集集大地震（TCU084）最大頂層變位與最大基礎剪力-------47 表5.3-2 嘉義大地震（CHY046）最大頂層變位與最大基礎剪力-------48 表5.4-1 集集大地震（TCU084）能量輸入與消散表-----------------49 表5.4-2 嘉義大地震（CHY046）能量輸入與消散表-----------------50 表5.5-1 5F之各樓層樑桿件最大韌性因子（μθ,b）----------------51 表5.5-2 10F之各樓層樑桿件最大韌性因子（μθ,b）----------------52 表5.5-3 集集大地震15F之各樓層樑桿件最大韌性因子（μθ,b）------53 表5.5-3 嘉義大地震15F之各樓層樑桿件最大韌性因子（μθ,b）------54 表5.5-4 集集大地震20F之各樓層樑桿件最大韌性因子（μθ,b）------55 表5.5-4 嘉義大地震20F之各樓層樑桿件最大韌性因子（μθ,b）------56 表5.6-1 5F之各跨柱桿件最大韌性因子（μθ,c）------------------57 表5.6-2 10F之各跨柱桿件最大韌性因子（μθ,c）-----------------58 表5.6-3 15F之各跨柱桿件最大韌性因子（μθ,c）-----------------59 表5.6-4 20F之各跨柱桿件最大韌性因子（μθ,c）-----------------60 表5.7-1 5F之各樓層柱桿件最大韌性因子（μθ,c）----------------61 表5.7-2 10F之各樓層柱桿件最大韌性因子（μθ,c）----------------62 表5.7-3 集集大地震15F之各樓層柱桿件最大韌性因子（μθ,c）------63 表5.7-3 嘉義大地震15F之各樓層柱桿件最大韌性因子（μθ,c）------64 表5.7-4 集集大地震20F之各樓層柱桿件最大韌性因子（μθ,c）------65 表5.7-4 嘉義大地震20F之各樓層柱桿件最大韌性因子（μθ,c）------66 表5.8-1 結構週期與樑最大韌性因子分佈表（μθ,b）---------------67 表5.8-2 結構週期與柱最大韌性因子分佈表（μθ,c）---------------67 圖目錄 圖2.1 樑之雙線性彎矩曲率關係--------------------------------69 圖2.2 懸臂樑達極限彎矩時的受力狀態圖------------------------70 圖2.3 承受反對彎矩稱桿件------------------------------------71 圖2.4 結構受震反應示意圖------------------------------------71 圖3.1 非線性元素中以彈簧模式模擬之示意圖--------------------72 圖3.2 非線性桿件元素變形示意圖------------------------------72 圖3.3 非線性桿件元素節點力----------------------------------73 圖3.4 材料力與變形示意圖------------------------------------73 圖3.5 exp值對Wen模式之影響--------------------------------74 圖3.6 材料變形曲線分解圖------------------------------------74 圖4.1 Wilson-θ線性加速度法之示意圖--------------------------75 圖4.2 Newton-Raphson求解步驟圖-----------------------------75 圖4.3 Modified Newton-Raphson求解步驟圖---------------------76 圖5.1 結構配置圖--------------------------------------------77 圖5.2 921集集大地震加速歷時（TCU）-------------------------78 圖5.3 嘉義大地震加速度歷時（CHY）---------------------------78 圖5.4 地震加速度反應譜--------------------------------------79 圖5.5 最大基礎剪力（Vm）與樓層數之關係（TCU）----------------80 圖5.6 最大基礎剪力（Vm）與樓層數之關係（CHY）----------------80 圖5.7 最大基礎剪力（Vm）與PGA之關係（TCU）----------------81 圖5.8 最大基礎剪力（Vm）與PGA之關係（CHY）----------------81 圖5.9 最大頂層變位（Dm）與樓層數之關係（TCU）----------------82 圖5.10 最大頂層變位（Dm）與樓層數之關係（CHY）---------------82 圖5.11 最大頂層變位（Dm）與PGA之關係（TCU）----------------83 圖5.12 最大頂層變位（Dm）與PGA之關係（CHY）----------------83 圖5.13 20F-NCNB（1EI）-1.0g能量輸入與消散圖（TCU）-----------84 圖5.14 輸入能量與樓層數之關係（TCU）-------------------------85 圖5.15 消散能量與樓層數之關係（TCU）-------------------------85 圖5.16 輸入能量與樓層數之關係（CHY）-------------------------86 圖5.17 消散能量與樓層數之關係（CHY）-------------------------86 圖5.18 遲滯圈與模態阻尼比與樓層數之關係（TCU）--------------87 圖5.19 遲滯圈與模態阻尼比與樓層數之關係（CHY）--------------87 圖5.20 遲滯圈與模態阻尼比與PGA之關係（TCU）-----------------88 圖5.21 遲滯圈與模態阻尼比與PGA之關係（CHY）-----------------88 圖5.22 桿件轉角歷時分佈（TCU）------------------------------89 圖5.23 桿件韌性因子歷時分佈（TCU）--------------------------89 圖5.24 5F樑柱桿件最大韌性因子分佈（TCU）--------------------90 圖5.25 5F相對高度與各樓層樑桿件最大韌性因子分佈圖（TCU）----91 圖5.26 5F相對高度與各樓層樑桿件最大韌性因子分佈圖（CHY）----91 圖5.27 10F相對高度與各樓層樑桿件最大韌性因子分佈圖（TCU）---92 圖5.28 10F相對高度與各樓層樑桿件最大韌性因子分佈圖（CHY）---92 圖5.29 15F相對高度與各樓層樑桿件最大韌性因子分佈圖（TCU）---93 圖5.30 15F相對高度與各樓層樑桿件最大韌性因子分佈圖（CHY）---93 圖5.31 20F相對高度與各樓層樑桿件最大韌性因子分佈圖（TCU）---94 圖5.32 20F相對高度與各樓層樑桿件最大韌性因子分佈圖（CHY）---94 圖5.33 樑桿件最大韌性因子與樓層數之關係圖（TCU）------------95 圖5.34 樑桿件最大韌性因子與樓層數之關係圖（CHY）------------95 圖5.35 5F相對高度與各樓層柱桿件最大韌性因子分佈圖（TCU）---96 圖5.36 5F相對高度與各樓層柱桿件最大韌性因子分佈圖（CHY）---96 圖5.37 10F相對高度與各樓層柱桿件最大韌性因子分佈圖（TCU）---97 圖5.38 10F相對高度與各樓層柱桿件最大韌性因子分佈圖（CHY）---97 圖5.39 15F相對高度與各樓層柱桿件最大韌性因子分佈圖（TCU）---98 圖5.40 15F相對高度與各樓層柱桿件最大韌性因子分佈圖（CHY）---98 圖5.41 20F相對高度與各樓層柱桿件最大韌性因子分佈圖（TCU）---99 圖5.42 20F相對高度與各樓層柱桿件最大韌性因子分佈圖（CHY）---99 圖5.43 柱桿件最大韌性因子與樓層數之關係圖（TCU）------------100 圖5.44 柱桿件最大韌性因子與樓層數之關係圖（CHY）-----------100 圖5.45 樑桿件最大韌性因子與結構週期之分佈圖（TCU）---------101 圖5.46 樑桿件最大韌性因子與結構週期之分佈圖（CHY）---------101 圖5.47 柱桿件最大韌性因子與結構週期之分佈圖（TCU）---------102 圖5.48 柱桿件最大韌性因子與結構週期之分佈圖（CHY）---------102 圖5.49 樑桿件最大韌性因子與PGA之關係圖（TCU）-------------103 圖5.50 樑桿件最大韌性因子與PGA之關係圖（CHY）-------------103 圖5.51 柱桿件最大韌性因子與PGA之關係圖（TCU）-------------104 圖5.52 柱桿件最大韌性因子與PGA之關係圖（CHY）-------------104 圖5.53 樑桿件最大韌性因子與結構週期之分佈圖----------------105 圖5.54 柱桿件最大韌性因子與結構週期之分佈圖----------------105

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    下載圖示 校內：立即公開
    校外：2003-07-11公開
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