NCREE-2018-002
時間 2018-02-15
標題 鋼板阻尼器構架耐震設計分析與擬動態試驗研究
編輯
作者 金步遠、蔡克銓
摘要
鋼板阻尼器(Steel Panel Damper, SPD)為三段型寬翼構件,中間段為非彈性核心段(Inelastic Core, IC),上下段為彈性連接段(Elastic Joints, EJ),在地震作用下核心段腹板能以反覆剪力塑性變形消散能量,而在核心段設置適當加勁板可延緩挫屈的發生。近年來,國內外相關研究已證實在抗彎構架(moment resisting frame, MRF)中設置SPD可有效率地提供建築物側向勁度、強度與韌性。本研究探討SPD的製造工法、勁度效應及在構架中不同的配置方式與其對應之容量設計方法,並利用反覆載重及擬動態實驗比較各類SPD之行為與構架之性能。
調整IC段長度比α、翼板厚與EJ段腹板厚皆可在不改變SPD強度的情況下調整其勁度,長度比α從0.6降到0.2,隨兩段腹板厚比不同,彈性勁度約上升20%至40%,翼板及EJ段腹板厚度分別上升至1.8倍,彈性勁度約上升14%至17%與13%至32%。雖然這些方法能確實增加SPD單元的勁度,但在構架中,SPD勁度上升造成構架整體勁度上升的幅度有限,若要有效增加構架勁度,梁勁度也須調整。
本研究提出SPD在構架中的三種配置方式與其對應之邊界梁容量設計方法,每種配置各利用一單跨六層樓結構,並利用PISA3D分析程式建模,進行側推分析,以單位用鋼量之彈性勁度為比較基準,顯示中心型配置最佳。若偏心距在八分之一到六分之一總梁跨的範圍內,偏心型配置也有不錯的勁度效益。本研究另利用未使用容量設計法設計之單跨六層樓結構進行側推分析,發現在梁與SPD相交處出現彎矩塑鉸,而使用容量設計法設計之原始模型塑鉸位置皆符合預期,證實所提容量設計法之可行性。
本研究提出四種SPD製造方法,並選擇EJ段腹板貼板加勁式設計兩組SPD試體,利用NCREE的MATS試驗機進行反覆載重試驗。結果顯示兩組試體皆有穩定的遲滯迴圈,IC段剪應變至少都超過0.09弧度,累積塑性應變(Cumulative Plastic Deformation, CPD)皆為300以上,雖然有一試體因施加之面外變形過大造成上端板與翼板間的銲道先發生撕裂破壞,使得靠近上端板部分之EJ段及翼板石膏漆有剝落的現象,但在最大剪力強度下,兩座試體的EJ段仍保持彈性。本研究也建置Abaqus模型精準模擬試體之反應。
為探討抗彎構架在加入SPD之後的耐震性能,使用第三試體於MATS試驗機進行子結構擬動態試驗並配合分析模型同步更正技術,試體完整的多次SLE、9次DBE、1次MCE還未破壞,即約可承受5次MCE才發生破壞,證明SPD-MRF之耐震能力良好。
關鍵字 鋼板阻尼器、耐震間柱、容量設計、反覆載重試驗、子結構擬動態試驗、模型更新
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