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研究生: 許宸珮
Hsu, Chen-Pei
論文名稱: 懸吊式消防撒水管線系統模擬研究
A Research on Suspension Fire Sprinkler Piping System Simulation
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: 2020
畢業學年度: 108
語文別: 中文
論文頁數: 147
中文關鍵詞: 懸吊式消防撒水管線系統非結構耐震補強振動台實驗數值模擬
外文關鍵詞: Suspension fire sprinkler piping system, Non-structural seismic reinforcement, Shaking table testing, Numerical simulation
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  • 近年來發現,在震後建築物無損壞的情況下,發生多次消防撒水系統振動過大而損壞、撒水頭撞擊天花板而漏水,使原先重要建築物無法維持原本機能,如醫院,頓時醫療機能降低、增加急救負擔;或地震時,若同時發生火災及消防撒水系統破壞的情況,則無法有效將火勢撲滅,造成更嚴重的人員傷亡。
    鑒於層出不窮之管線系統損壞情形,本研究先進行局部空載消防管線系統的振動台實驗,設計兩組台灣習用工法之配置,一組依照NFPA 13設計補強之配置,了解消防撒水系統於補強前後之振動特性。系統識別分析結果中,Hanger組頻率為2 Hz、Angle組約為4 Hz,若於實際管線滿水的強況下,勢必系統頻率降低,極有機會與建築物發生共振,而NFPA 13組,在使用耐震斜撐補強之下,系統剛度大幅提升,可有效降低管線系統與建築物共振及損壞機率。
    為建立與振動台實驗配置相同之數值模型,分別將懸吊消防管線之構件-垂直吊桿、束制支管用角鋼及抵抗水平地震力之剛性斜撐進行力學試驗,將試驗結果建立至模型中,並根據振動台實驗之系統識別及位移量來驗證空載管線系統數值模型的準確性。
    最後,用以驗證與振動台實驗動態反應相同之空載管線系統數值模型,將管線系統調整為滿水狀態下質量,探討管線系統於滿水狀態之振動特性,並進行動態歷時模擬,分析管線系統最大相對位移與NFPA 13規範中要求淨空範圍之差異,結果顯示NFPA 13若以台灣習用工法-角鋼作為支管束制構件,剛度稍不足,而從斜撐需抵抗之水平地震力檢討中,發現NFPA 13影響區計算方式可能低估實際地震時斜撐承受之水平地震力。

    The purpose of this research is to build a numerical model consistent with actual behavior, hoping to provide the future development of Taiwan's fire sprinkler piping system seismic design code. First, this study designs two sets of configurations using Taiwanese construction methods and a set of configurations designed to be reinforced in accordance with NFPA 13. The shaking table experiment of the no-load fire sprinkler piping system is carried out to understand the vibration characteristics of the fire sprinkler piping system before and after bracing. Then, in order to build a numerical model, mechanical tests were carried out on the components of the suspension fire sprinkler piping system -hanger, angle, and rigid bracing, and verify the accuracy of the numerical model of the no-load piping system based on the experimental results of the shaking table. Finally, the water the mass of the piping system are added and use the numerical model to simulate the vibration characteristics of the full-water piping system. The analysis results show that NFPA 13 can effectively improve the stiffness of the system after the assembly of rigid bracing, but the stiffness of the angle for restraint branch lines is slightly insufficient.

    目錄 摘要 I Extend Abstract II 誌謝 VII 目錄 VIII 表目錄 XI 圖目錄 XIII 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 1 第二章 文獻回顧 3 ________________________________________ 2.1 消防撒水系統文獻回顧 3 2.1.1 國內外震損經驗 3 2.1.2 耐震相關研究發展 4 2.1.3 國外消防撒水系統耐震設計標準比較 5 2.1.4 NFPA 13 自動撒水系統安裝標準 7 2.2 力學測試標準回顧 16 2.2.1 斜撐構件力學性能測試標準 16 2.2.2 FEMA 461[12] 24 第三章 消防管線系統振動台實驗與分析 25 ________________________________________ 3.1. 實驗目的 25 3.2. 實驗規劃 25 3.2.1. 振動台性能與實驗框架介紹 25 3.2.2. 實驗配置 26 3.2.3. 實驗量測設備介紹 33 3.3. 實驗輸入震波介紹 35 3.4. 實驗結果與分析 40 3.4.1. 系統識別 40 3.4.2. 地震歷時下動態反應 47 3.4.3. 系統阻尼比 50 3.5. 小結 52 第四章 構件試驗及數值模擬 53 ________________________________________ 4.1. 懸吊構件力學實驗 53 4.1.1. 牙桿彎矩塑鉸試驗 55 4.1.2. 角鋼彎矩塑鉸試驗 59 4.1.3. 耐震斜撐軸向剛度試驗 67 4.2. 構件數值模型設定及驗證 72 4.2.1. 配管設定 72 4.2.2. 垂直吊桿設定及模擬驗證 73 4.2.3. 角鋼設定及模擬驗證 79 4.2.4. 斜撐設定及模擬驗證 83 4.3. 管線系統數值模擬與驗證 86 4.3.1. 數值模態分析與實驗系統識別比較 86 4.3.2. 地震歷時下之動態反應 94 4.4. 滿水管線系統數值模擬 107 4.4.1. 模態分析 107 4.4.2. NFPA 13組動態反應 113 4.5. 小結 117 第五章 結論與建議 119 ________________________________________ 5.1. 結論 119 5.2. 建議與後續研究 120 參考文獻 122 ________________________________________ 附錄A NFPA 13組斜撐設計流程 124 附錄B 振動台實驗加速規讀取損壞資料 128 附錄C 地震歷時下管線系統之位移歷時 131

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    下載圖示 校內:2022-08-31公開
    校外:2022-08-31公開
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