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研究生: 顏奕鎧
Yan, Yi-Kai
論文名稱: 懸吊式共同管架系統之耐震補強研究-以角鋼吊架為例
A Study on Seismic Retrofit of Suspended Piping Trapeze Systems: A Case Study of Steel Angle Trapeze
指導教授: 姚昭智
Yao, George C.
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 規劃與設計學院 - 建築學系
Department of Architecture
論文出版年: 2022
畢業學年度: 110
語文別: 中文
論文頁數: 182
中文關鍵詞: 懸吊式共同管線吊架非結構耐震補強振動台實驗數值模擬
外文關鍵詞: Trapeze system, Non-structural seismic reinforcement, Static pushover analysis, Shaking table testing, Numerical simulation
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  • 建築物內許多重要設備如空調、消防撒水系統等其管路經常使用懸吊式共同管線吊架(簡稱:吊架)進行整合與懸掛,而目前國內多以螺紋牙桿作為懸吊構件且未採取相關補強措施,據先前研究結果顯示其系統自振頻率低,極易與建築物共振,導致地震來襲時振動量被放大,進而與鄰近結構體發生碰撞使管線發生破壞,失去其應有機能。因此,為提升吊架之耐震性能,本研究擬探討以角鋼作為吊架之懸吊構件,同時參考國內外相關規範進行耐震補強設計,並透過系統識別與振動台地震模擬實驗,了解其基本特性、動態反應以及補強效果。
    系統識別結果顯示,未補強之單雙層吊架管線縱向(X向)自振頻率皆為1.0 Hz,進行角鋼斜撐補強後,剛度大幅提升,該方向自振頻率提升至8~10 Hz,可有效避開與建築物共振頻率段;由振動台地震模擬實驗結果,未進行補強之單雙層吊架X向振動量極大,在激振歷時JMA KOBE 20%下最大位移量分別為210 mm與260 mm,已嚴重超過NFPA 13 規定之位移上限值50 mm,而加設X向角鋼斜撐補強後,其位移量大幅降低,兩者皆降至約1 mm,效果十分顯著。
    為證明此模型設定之正確性,本研究根據構件試驗結果,利用SAP 2000建立吊架之數值模型並進行模態與動力歷時分析,將其結果與振動台實驗結果進行比對,結果顯示兩者之位移歷時整體趨勢一致且振幅接近。
    最後,為模擬實際滿水狀態下吊架之反應,本研究利用已建立好之空載管線吊架數值模型,參考NFPA 13所給定的滿水管線重量建議值進行質量調整,並探討其基本特性與位移量差異。實際滿水狀態下,各組試體之自振頻率皆明顯下降,動力歷時分析結果顯示,未補強之單雙層吊架X向位移量極大,而經補強後,振動量有效被抑制且在規範要求內,構件內力部分經檢核亦在安全範圍內。

    The purpose of this research is to study the seismic capacity of the steel angle trapeze system in Taiwan and build a numerical model consistent with the actual behavior to develop Taiwanese steel angle trapeze system seismic design specification. First, this study designs two sets of configurations using Taiwanese construction methods, they are single-layer steel angle trapeze and double-layer steel angle trapeze, both of which will be reinforced. Then, static experiments and shaking table experiments will be carried out to observe the failure mode of the no-load steel angle trapeze and understand the vibration characteristics before and after reinforcement. Then in order to build the numerical model, the mechanical test of the suspension components is carried out, and the accuracy of the numerical model of the no-load steel angle trapeze system is verified according to the shaking table test results. Finally, in order to simulate the actual situation, the quality of the pipeline is adjusted to be full of water. The analysis results show that the rigidity of the steel angle trapeze can be effectively improved and the displacement during the earthquake can be greatly reduced after reinforcement.

    摘要 I ExtendedAbstract II 誌謝 VII 目錄 VIII 表目錄 XI 圖目錄 XV 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究方法與流程 2 第二章 文獻回顧 5 2.1 建築物耐震設計規範及解說 5 2.2 公共工程施工綱要規範 8 2.3 NFPA 13 自動撒水系統安裝標準 10 2.4 FEMA461 16 2.5國內管線吊架相關研究 17 第三章 吊架系統靜力側推實驗 19 3.1實驗目的 19 3.2實驗規劃 19 3.2.1實驗鋼構棚架介紹 19 3.2.2實驗試體設計 21 3.2.3實驗量測設備介紹 25 3.2.4實驗加載歷程與加載位置 30 3.3系統識別結果與數值模擬比較 33 3.3.1無補強吊架系統識別結果 33 3.3.2吊架系統數值模擬 36 3.4靜力側推實驗結果 39 3.5小結 55 第四章 吊架系統振動台實驗與分析 57 4.1 實驗目的 57 4.2 實驗規劃 57 4.2.1振動台性能介紹[9] 57 4.2.2實驗鋼構架介紹 59 4.2.3實驗試體設計 60 4.2.4實驗量測設備介紹 67 4.2.5實驗輸入波介紹 72 4.3 系統識別結果與分析 77 4.4阻尼比 84 4.5吊架系統位移反應 88 4.6小結 93 第五章 構件試驗及數值模擬 97 5.1 角鋼彎矩塑鉸實驗 97 5.2吊架系統數值模型建立 103 5.2.1角鋼設定 103 5.2.2配管設定 107 5.2.3載重設定與檢核 108 5.3吊架系統數值模擬與驗證 109 5.3.1模態分析與系統識別結果比較 109 5.3.2動力歷時分析 117 5.3.3構件內力分析 136 5.4滿水管線吊架系統數值模擬 141 5.4.1滿水管線模擬設定 141 5.4.2滿水管線模態分析 143 5.4.3滿水管線動態反應 146 5.4.4滿水管線靜力分析 148 5.4.5滿水管線構件內力分析 152 5.4.6多跨滿水管線吊架靜力分析 156 5.5小結 158 第六章 結論與建議 161 6.1 結論 161 6.2 建議 163 參考文獻 165 附錄一 地震歷時下管線吊架系統之位移歷時 168

    [1] 國家實驗研究院,「何謂非結構物」,檢自https://www.narlabs.org.tw/tw/xcscience/cont?xsmsid=0I148638629329404252&sid=0K232527880178283282 (Dec.25,2021 )
    [2] 內政部營建署,「建築物耐震設計規範及解說」,2011。
    [3] 行政院公共工程委員會,「公共工程施工綱要規範」,15060吊掛及支撐,2016。
    [4] Nation Fire Protection Association; NFPA 13: Standard for the Installation of Sprinkler, 2010 Ed. , Massachusetts, USA.
    [5] FEMA 461,“Interim Testing Protocols for Determining the Seismic Performance
    Characteristics of Structural and Nonstructural Components”, Federal Emergency
    Management Agency , Washington, D.C., 2007.
    [6] 黃喬俊,「消防撒水系統耐震問題研究」,碩士論文,台南:國立成功大學,2003。
    [7] 黃珮宜,「懸吊式共同管架系統之耐震行為與補強研究」,碩士論文,台南:國立成功大學,2021。
    [8] 經濟部標準檢驗局,「CNS6445 G3127配管用碳鋼鋼管」,中華民國國家標準,2012。
    [9] 國家地震工程研究中心,「長衝程高速度地震模擬振動台簡介」,檢自https://www.ncree.narl.org.tw/about/laboratory/page/102 (Jan.18,2022 )
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    [11] Hilti Taiwan Co., Ltd.,《HKD 多顆抗震多冗性設計技術資料》,2016。
    [12] 許宸珮,「懸吊式消防撒水管線系統模擬研究」,碩士論文,台南:國立成功大學,2020。
    [13] 黃振綱,「醫院消防撒水系統接頭耐震行為之研究」,碩士論文,台北:國立台灣大學,2013。
    [14] 內政部營建署,「鋼結構容許應力設計法及解說」,2010。

    下載圖示 校內:2024-07-19公開
    校外:2024-07-19公開
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