簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 林憲良
Lin, Hsien-Liang
論文名稱: 降伏型非線性構件之慢速擬動態試驗與數值模擬
Pseudodynamic Testing and Verification of Buckling Restrained Nonlinear Components
指導教授: 朱世禹
Chu, Shih-Yu
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: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 114
中文關鍵詞: 擬動態試驗結構實驗標準加載試驗非線性結構分析
外文關鍵詞: Simple Buckling Restrained Component, Nonlinear Hysteretic Model, Newmark Explicit Method, Pseudodynamic Testing
相關次數: 點閱:98下載:3
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 利用理論分析之方法求解結構物或隔震、消能元件受地震力作用下之真實反應,是一件相當複雜的工作,由於強震作用下,結構系統將可能進入非線性範圍,當其非線性行相當複雜時,則不易以理論模型模擬此真正非線性行為。利用已發展成熟的「擬動態實驗技術」來觀察非線性元件受地震力作用下的行為為一可靠之方法,由於擬動態實驗技術是以直接量測之回復力大小,來取代理論的數學模型,可避免因數學模擬不正確所引起的誤差,使得地震反應的正確性大幅提高。

    本文中將說明所使用之數值計算方法及所需軟硬體介面外,並利用INSTRON 8800萬能試驗機進行慢速擬動態試驗。為了實現這樣的技術,使用NI-PCI6031E訊號擷取卡來做為溝通的媒介,且應用MATLAB之Simulnk工具箱來進行擬動態試驗軟體的相關開發。本研究中選擇試體之反力與反應速度不具明顯關係之降伏型構件(如具有消能機制之鋼片),並利用標準加載試驗求得數值模型,且嘗試識別出構件之數值模型參數,由標準加載試驗數值模型與慢速擬動態試驗結果進行比較其結果說明慢速擬動態試驗,較能將試體受外力作用之非線性行為完整的描述,於文中也利用修正後加載試驗模,以驗証擬動態試驗方法之正確性。

    The nonlinear behavior of a structure under severe earthquake is difficult to predict if the corresponding mathematical model is unknown or complicated to identify. As control hardware and software evolved, the pseudodynamic testing technique is getting more and more mature and can be implemented to observe the dynamic response of a nonlinear component. The step-by-step Newmark explicit integration method is applied together with the help of NI-6031E data acquisition card and INSTRON 8800 material testing machine to conduct the experimental task. The restoring force of the nonlinear specimen is measured and fed back to the numerical model to predict the displacement of next step.
    In order to construct a pseudodynamic testing apparatus, the SIMULINK toolbox and the Real-Time Window Target package provided by the MathWorks are integrated to serve as the communication medium to the INSTRON 8800 controller. A few critical calibration procedures are also suggested in this study to ensure the precision and accuracy of experimental measurements that will consolidate the results of a typical pseudodynamic testing. Some critical parameters of a nonlinear hysteretic model of the simple buckling restrained component (SBRC) are identified based on the result of standard loading protocol suggested by AISC. The simulated responses subjected different earthquake excitations are compared with the experimental data measured from a series of pseudodynamic testing on these SBRC specimens. The results show that the identified hysteretic model requires some modifications to conform to the real dynamic behavior observed from the pseudodynamic testing.

    目錄 I 圖目錄 III 表目錄 VII 第1章 緒論 1 1.1 背景介紹 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 研究目的與內容 3 第2章 慢速擬動態試驗數值積分方法 6 2.1 慢速擬動態試驗簡介 6 2.2非線性系統數學模型 7 2.2.1勁度漸變型非線性模型 7 2.3 數值積分法 10 2.3.1狀態空間數學模型 10 2.3.2 Newmark 外顯式逐步積分法 14 2.4 誤差來源 17 第3章 實驗相關軟硬體介紹 22 3.1相關軟體介紹 22 3.1.1 MATLAB 22 3.1.2 Simulink 22 3.1.3 Real –Time Workshop (C程式碼產生器) 23 3.1.4 Real-Time Windows Target (RTWT) 23 3.2相關硬體介紹 24 3.2.1訊號轉換擷取卡(National Instrument PCI-6031E) 24 3.2.2 INSTRON 8800實驗設備 25 3.3儀器操作介紹 26 3.3.1 INSTRON 8800拉伸判斷試驗 26 3.3.2使用RTWT介面控制INSTRON 8800 26 3.4 實驗儀器校正 27 3.4.1 Instron 8800共同接地測試 27 3.4.2 Instron 8800 LVDT位移訊號輸出測試 28 3.4.3訊號綜合校正 30 3.5 結論 34 第4章 慢速擬動態試驗 61 4.1簡易防挫屈束制元件試體之介紹 61 4.1.1試體尺寸設計 61 4.1.2實驗試體之拉伸試驗 62 4.2簡易防挫屈束制元件遲滯特性之測試 62 4.2.1標準加載歷程設計 62 4.2.2標準加載試驗 63 4.2.3 勁度測試 64 4.2.4標準加載試驗數值模型識別 65 4.3單自由度系統慢速擬動態模擬實驗 65 4.3.1擬動態試驗步驟 66 4.3.2慢速擬動態試驗模型 67 4.3.3線性擬動態試驗 67 4.3.4非線性擬動態試驗 68 第5章 數值模擬分析 94 5.1 SIMULINK數值模型說明 94 5.2標準加載試驗數值模型之驗証 94 5.3試驗修正數值模型之驗証 96 5.5結論 97 第六章 結論與建議 111 6.1結論 111 6.2建議 111 圖目錄 圖 1.1 擬動態試驗架構(PDT)[7] 5 圖 2.1 理想雙線性系統和預模擬系統之比較 19 圖 2.2 雙線性系統關係圖 19 圖 2.3不同N值比較圖 20 圖 2.4 、 差值之比較 20 圖 2.5 割線(secant)勁度 和切線(tangent)勁度 比較 21 圖 2.6 擬動態試驗示意圖 21 圖 3.1 National Instrument PCI-6031E 數位類比訊號轉換擷取卡 45 圖 3.2 PCI-6031E 所外接之數位/類比訊號轉接盒BNC-2110及BNC-2115 45 圖 3.3 (a)INSTRON 8800萬能試驗機、(b)Controller與(c)主電腦(PC) 46 圖 3.4 INSTRON 8800 相關的週邊元件 46 圖 3.5 Simlink之Ramp測試的Model 47 圖 3.6 活塞頭上壓下拉之示意圖 47 圖 3.7 實驗時實際操作的示意圖 48 圖 3.8 控制軟體Dax 48 圖 3.9 Controller上的BNC接頭輸入與輸出 49 圖 3.10 設定Ext- Aux模式 49 圖 3.11 Instron controler接地線搭接圖 50 圖 3.12 使用三用電錶量測Instron 8800輸出之電壓 50 圖 3.13 訊號輸出埠之間的電阻量測 51 圖 3.14 訊號輸出埠與接地線之間的電阻量測 52 圖 3.15 ±2mm之電壓量測值與位移命令的關係圖 53 圖 3.16 ±0.009mm之電壓量測值與位移計算值的關係圖 53 圖 3.17 ramp未修正測試model 54 圖 3.18 ramp位移命令訊號 54 圖 3.19 Instron之電壓縮放因子設定介面 55 圖 3.20 ramp為1mm未修正之位移命令與訊號量測比較圖(彈簧) 55 圖 3.21 ramp為1mm未修正之力量訊號量測圖(彈簧) 56 圖 3.22 測微計架設圖(彈簧) 56 圖 3.23 ramp為1mm修正後之位移命令與訊號量測比較圖(彈簧) 57 圖 3.24 ramp為1mm修正後之力量訊號量測圖(彈簧) 57 圖 3.25 ramp為-0.1mm未修正之位移命令與訊號量測比較圖(空台) 58 圖 3.26 ramp為-0.1mm未修正之力量訊號量測圖(空台) 58 圖 3.27 測微計架設圖(空台) 59 圖 3.28 ramp為-0.1mm修正後之位移命令與訊號量測比較圖(空台) 59 圖 3.29 ramp為-0.1mm修正後之力量訊號量測圖(空台) 60 圖 4.1 試體尺寸設計圖(厚度6mm) 74 圖 4.2 鋼棒受拉(3mm)的力量變化圖 75 圖 4.3 試體組裝(步驟一) 75 圖 4.4 試體組裝(步驟二) 76 圖 4.5 試體組裝(步驟三) 76 圖 4.6 試體組裝(步驟四) 77 圖 4.7 試體組裝側視圖 77 圖 4.8 標準加載歷時 78 圖 4.9實驗試體之架設圖 78 圖 4.10簡易防挫屈試體之遲滯迴圈 79 圖 4.11 ramp=-1mm比較圖 79 圖 4.12 正弦之simulink測試model 80 圖 4.13 由ke與kp之切線求抗拉、壓降伏力Py 81 圖 4.14 正弦振幅0.1mm之command與measure比較圖 80 圖 4.15 模擬標準加載試驗之模型 81 圖 4.16編號N1標準加載試驗與模擬分析比較圖(N=1) 82 圖 4.17編號N2標準加載試驗與模擬分析比較圖(N=2) 82 圖 4.18編號N3標準加載試驗與模擬分析比較圖(N=3) 83 圖 4.19編號N4之標準加載試驗與模擬分析比較圖(N=4) 83 圖 4.20不同N值所對應之Gerror 84 圖 4.21 擬動態實驗之simulink測試model 84 圖 4.22 試體NO.1線性擬動態實驗之力與位移關係圖 85 圖 4.23試體NO.1線性擬動態實驗simulate與measure之位移歷時比較圖 85 圖 4.24試體NO.1非線性擬動態實驗command與measure之位移歷時比較圖 86 圖 4.25 1940 El Centro (N-S) 86 圖 4.26 1999 TCU068 (N-S) 87 圖 4.27 試體NO.1之實驗的遲滯迴圈 87 圖 4.28 試體NO.2之實驗的遲滯迴圈 88 圖 4.29試體NO.1與NO.2之實驗量測的位移歷時反應比較圖 88 圖 4.30試體NO.1與NO.2之實驗量測的反力歷時反應比較圖 89 圖 4.31 試體NO.3之實驗的遲滯迴圈 89 圖 4.32 試體NO.4之實驗的遲滯迴圈 90 圖 4.33試體NO.3與NO.4之實驗量測的位移歷時反應比較圖 90 圖 4.34試體NO.3與NO.4之實驗量測的反力歷時反應比較圖 91 圖 4.35 試體NO.5之實驗的遲滯迴圈 91 圖 4.36 試體NO.6之實驗的遲滯迴圈 92 圖 4.37試體NO.5與NO.6之實驗量測的位移歷時反應比較圖 92 圖 4.38試體NO.5與NO.6之實驗量測的反力歷時反應比較圖 93 圖 5.1 模擬擬動態試驗之數值模型 101 圖 5.2標準試驗數值模型模擬與試體NO.2之遲滯迴圈比較圖 101 圖 5.3標準試驗數值模型模擬與試體NO.2之位移歷時比較圖 102 圖 5.4標準試驗數值模型模擬與試體NO.2之恢復力歷時比較圖 102 圖 5.5標準試驗數值模型模擬與試體NO.4之遲滯迴圈比較圖 103 圖 5.6標準試驗數值模型模擬與試體NO.4之位移歷時比較圖 103 圖 5.7標準試驗數值模型模擬與試體NO.4之恢復力歷時比較圖 104 圖 5.8標準試驗數值模型模擬與試體NO.6之遲滯迴圈比較圖 104 圖 5.9標準試驗數值模型模擬與試體NO.6之位移歷時比較圖 105 圖 5.10標準試驗數值模型模擬與試體NO.6之恢復力歷時比較圖 105 圖 5.11修正後數值模型模擬與試體NO.2之遲滯迴圈比較圖 106 圖 5.12修正後數值模型模擬與試體NO.2之位移歷時比較圖 106 圖 5.13修正後數值模型模擬與試體NO.2之恢復力歷時比較圖 107 圖 5.14修正後數值模型模擬與試體NO.4之遲滯迴圈比較圖 107 圖 5.15修正後數值模型模擬與試體NO.4之位移歷時比較圖 108 圖 5.16修正後數值模型模擬與試體NO.4之恢復力歷時比較圖 108 圖 5.17修正後數值模型模擬與試體NO.6之遲滯迴圈比較圖 109 圖 5.18修正後數值模型模擬與試體NO.6之位移歷時比較圖 109 圖 5.19修正後數值模型模擬與試體NO.6之恢復力歷時比較圖 110 表目錄 表 3.1電壓縮放因子對應表 35 表 3.2 LVDT位移電壓量測值(單位: V) 36 表 3.3 LVDT校正位移量測值(單位:mm) 37 表 3.4 LVDT精密校正位移電壓量測值(單位:V) 38 表 3.5 LVDT精密校正位移量測值(單位:mm) 39 表 3.6 訊號未修正之ramp測試的彈簧位移量測值 40 表 3.7訊號未修正之ramp測試的彈簧力量量測值 40 表 3.8 訊號修正偏移量及命令訊號之彈簧位移量測值 41 表 3.9 訊號修正偏移量及命令訊號之彈簧力量量測值 41 表 3.10訊號修正偏移量及命令訊號後之彈簧實驗誤差率 42 表 3.11訊號未修改之ramp測試的空台位移量測值 42 表 3.12訊號未修正之ramp測試的空台力量量測值 43 表 3.13訊號修正偏移量及命令訊號之空台位移量測值 43 表 3.14訊號修正偏移量及命令訊號之空台位移測試結果的誤差率 44 表 3.15訊號修正偏移量及命令訊號之空台力量量測值 44 表 4.1標準加載歷時設定 71 表 4.2簡易防挫屈試體之拉、壓力差異比較 71 表 4.3準加載模擬參數 71 表 4.4彈性擬動態試驗之參數設定 72 表 4.5彈塑性擬動態試驗之設定參數 72 表 4.6試體受外力作用之最大位移、力量及永久變形值 73 表5.1標準加載試驗數值模型之模擬分析與擬動態試驗結果比較 99 表5.2試驗修正數值模型之設定參數 99 表5.3試驗NO.2修正數值模型之設定參數 99 表5.4試驗NO.4修正數值模型之設定參數 100 表5.5試驗NO.6修正數值模型之設定參數 100 表5.6修正數值模型之非線性動態反應模擬分析與擬動態試驗結果比較 100

    [1]Hakuno, M., Shidawara, M., and Hara, T., “Dynamic destructive test of a cantilever-beam controlled by an analog-computer” Transactions Japan Society of Engineers, 1-9. (In Japanese.) , (1969).
    [2]Takanashi, K., “Nonlinear earthquake response analysis of structures by a computer ac-tuator online system” Transactions Architectural Instruction Japan , 229, 77-83 (In Japa-nese.), (1975).
    [3]張順益,適用於擬動態試驗之具數值消散特性的外顯式積分法,中國土木水利工程學刊,第495-503頁(1998)。
    [4]Wang Yen-Po, Lee Chien-Liang, and Yo. Tzen-Hun, “Modified state space proce-duresfor pseudodynamic testing” Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 30, 59-80 (2001).
    [5]羅仕杰,記憶體共享光纖網路設備於即時擬動態試驗之初步研究,國立暨南大學土木工程學系,南投,(2005)。
    [6]李明鴻,應用快速擬動態試驗技術於非線性含斜撐框架動態反應之模擬與試驗,國立成功大學土木系結構材料所,台南,(2006)。
    [7] Mettupalayam V. S., and Andrei M. “Hysteretic Models For Deteriorating Inelastic Structures”, Journal Of Engineering Mechanics, Vol. 126, NO. 6, 633-640 (2000).
    [8]Bouc, R., “Modele mathematique d’hysteresis ”, Acustica,Vol.24, No.1, 16-25, (1971).
    [9]Wen, Y. K., “Method for Random Vribation of Hysteretic Systems”, Journal of the En-gineering Mechanics, Vol. 102, NO. 2, 249-263, (1976).
    [10]Tsai, C.S., Chiang, T.C., Chen, B.J. and Lin, S B., “An advancedanalytical model for high damping rubber bearings“ Earthquake Engng Struct. Dyn. 2003; 32: 1373-1387, (2003).
    [11]http://nees.colorado.edu
    [12]Chopra, A.K., Dynamics of Structures, Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J., (1995)。
    [13]Newmark N. M., “A method of computation for structural dynamics”, Journal of en-gineering mechanics division , 85(EM3), 67-94, (1959).
    [14]The MathWorks Inc., “Getting started with MATLAB version 7”MathWorks Inc. 3 Apple Hill Drive Natick, MA, (October 2004).
    [15]The MathWorks Inc., “xPC Target user guide version 2”, MathWorks Inc. 3 Apple Hill Drive Natick, MA, (November 2004).
    [16]The MathWorks Inc., “Using Simulink version 6” MathWorks Inc. 3 Apple Hill Drive Natick, MA, (October 2004).
    [17]The MathWorks Inc., “Real-Time Workshop user’s guide version6” MathWorks Inc. 3 Apple Hill Drive Natick, MA, (October 2004).
    [18]王信聰,即時結構動態反應模擬器之研究與應用,國立暨南大學地震與防災工程研究所,台中,(2005)。
    [19]張智星,視覺化建模環境,鈦思科技股份有限公司(2001)。
    [20]Instron Track 8800, Materials Test Control System(FastTrack Console Version 5).
    [21]Juang Jer-Nan, Applied System Identification, Prentice Hall PTR(1994).
    [22] ATC, Seismic evaluation and retrofit of concrete of concrete buildings, Vol.1, Red-wood City, (1996).
    [23] AISC, “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings. “American Institute of Steel Construction, Chicago, IL, (2002).
    [24] 劉育誠,簡易強化式挫屈束制斜撐之試驗與分析,逢甲大學土木工程所,(2004)。

    下載圖示 校內:立即公開
    校外:2007-08-28公開
    QR CODE