【S024】 Analysis of Engineering Structures and Material Behavior

Thursday, 18 November, 16:30 ~ 18:00, Conference Room ROOM 10
Organizer: Jung-San Chen, Chi-Hua Yu
Chair: Chi-Hua Yu


16:30 ~ 16:45 (15')
0225  具深寬翼鋼柱之鋼結構抗彎矩構架於三向地震下之倒塌風險分析
Hsuan-Chieh Wang and Tung-Yu Wu
深寬翼鋼柱因其具較佳之勁度及強度重量比,而被廣泛的應用於美國之高樓設計中,而對於深寬翼鋼柱較差之抗扭矩及抗挫曲之能力,近年之研究也已針對腹板寬厚比之規範提出修正以符合耐震設計下之延性要求。然而,前述之研究皆基於構件層級之模擬及實驗結果,而深寬翼鋼柱於立面構架中將承受弱軸之側向位移及垂直地震力等,其非線性行為卻仍無系統層級之探討。因此,本研究以高擬真有限元素模型模擬具深寬翼鋼柱之平面及立面構架,並進行不同地震歷時方向組合下之倒塌易損性分析及倒塌風險評估,以量化重力構架、複合樓版、雙水平向地震力、以及垂直向地震力等之影響。模擬結果顯示,與單水平向地震力相比,雙水平向地震力之施加皆會大幅減少構架之倒塌性能,而垂直地震力則需視倒塌模式是否被改變,而有大幅減少或無明顯增減之影響。此外,複合樓版可大幅提升構架之倒塌性能,重力構架則有可能因重力柱之挫曲而引致垂直漸進式崩塌。最後,本研究依據模擬結果評估現有及近年提出針對深寬翼鋼柱腹板寬厚比之規範,並提出可更確保其高延性之耐震設計建議。

16:45 ~ 17:00 (15')
0233  薄膜-開口環超穎結構之帶隙探討
德威 高, 蓉珊 陳 and 裕翔 黃
局部共振機制被視為是低頻減振可行方案之一,目前已被廣泛地應用到控制聲波與彈性波的傳遞,常見的局部共振系統為:圓柱系統、彈簧質量系統、力與力矩型系統、圓形環系統、懸臂梁-質量系統等,最近,薄膜-質量結構系統開啟另一個可能性,主要單元是在彈性薄膜上附加質量塊,藉由改變附著質量的重量、薄膜的厚度和薄膜張力可改變帶隙位置,且波衰減機制可由負質量的發生來做說明。本研究接著提出另一種質量結構模型(開口環型質量),探討開口環位置、寬度、厚度、數量對帶隙影響,並提出理論解準確預測帶隙發生位置,藉由有限元素軟體(COMSOL)獲得頻散曲線、模態以及頻率響應函數,理論結果與模擬結果相吻合,證明理論模型的正確性,若將兩種不同開口環放置在兩個單元上,可形成另一種週期排列,達成多頻帶或寬頻減振。

17:00 ~ 17:15 (15')
0270  多層孔彈材料平面壓痕問題分析
Yu-Yun Lin and Deng-Yi Wang
壓痕試驗(indentation test)因其試驗方法簡單而被廣泛運用於測量彈性材料或是彈塑性材料的機械性質,然而若欲預測如孔彈材料性質這種相對複雜的材料在壓痕試驗下的行為是非常困難的,孔彈材料本身以及所含之孔隙液體的流動狀況皆會影響材料的行為,且若材料本身是由多層材料組成的話,在分析上則更有挑戰。本研究利用位移函數法和漢克-拉普拉斯轉換建立均質及多層孔彈材料的平面壓痕問題分析,求解在拉普拉斯轉換域下由混和邊界條件如接觸條件所形成的對偶積分方程,再經由數值反轉換得到時域下的固定下壓量之壓痕機反力。位移函數法所得之結果與有限元素分析進行比對。壓痕機反力鬆弛預期受層厚、材料係數及邊界條件影響,本研究選定三種不同的表面以及兩種不同的底面進行分析,而在多層材料問題中則探討滲透係數差異對於鬆弛行為的影響。由研究結果得知,孔彈性材料無摩擦平面壓痕問題之穩態反力與瞬時反力的比值只與材料的厚度以及底部邊界條件有關而與材料的滲透係數無關,而材料的滲透係數會影響壓痕機反力鬆弛行為達到穩態的時間。

17:15 ~ 17:30 (15')
0349  應用韋爾奇法於環境振動之模態參數識別
Chang-Sheng Lin and Dar-Yun Chiang
在頻率域中的模態參數識別,量測訊號大部分透過快速傅立葉轉換,將時間訊號轉至頻率域做進一步的分析,可能會遇到頻譜洩漏效應(Leakage phenomenon),造成後續識別模態參數的誤差。本文利用計算功率頻譜密度函數的方法-韋爾奇法(Welch s method),得到抑制洩漏現象後之功率頻譜密度函數,並引入多參考點最小二乘複頻域法進行研究;藉由提高多項階數來增加模態參數的識別準確性,並搭配盒形圖有效選定多項式的提升階數,以作為實際系統識別時,選擇適當多項式階數進行參數估測之參考。

17:30 ~ 17:45 (15')
0314  剪力型耐震間柱之耐震性能
Chang-Jui Wu, Ker-Chun Lin and Chui-Hsin Chen
耐震間柱通常作為抵抗側向力系統(seismic force-resisting system, SFRS)中消釋地震能量的主要構件。剪力降伏型耐震間柱通常為H型鋼斷面且由兩端連接段與中間的腹板剪力降伏核心段組合而成(如圖1所示),與彎矩降伏型耐震間柱,由上下兩端產生彎矩降伏相較,其消能段集中於中央單一區域亦容易能順利完全發展,且無需提供發展端部彎矩塑鉸所需的側向支撐問題。過去相關試驗結果顯示,剪力型耐震間柱在不受軸力作用下,配置適當加勁板與使用講究的銲接細節,其腹板剪力降伏段能穩定提供消能行為。對於剪力消能段相對短的耐震間柱,可容易符合此間柱在抗彎構架中的設計要求,但在相當小的層間相對變形下即驅動剪力塑性行為。根據「建築技術規則」建築構造編第42條第一款規定,「耐震設計之基本原則,係使建築物結構體在中小度地震時須保持在彈性限度內,設計地震時得容許產生塑性變形…」,因此,在過去實際工程中,工程師往往利用忽略其彈性勁度與強度的設計想法,僅作為建築結構的消能元件,忽略耐震間柱在法規設計地震力作用下的勁度與強度貢獻。本研究主要目標在研發,於法定0.005弧度的層間位移角限制內維持彈性,超過此限制能發揮塑性變形能力的混合型耐震間柱,以提供建築工程中,同時提供強度與消能性能之耐震間柱(seismic stud column)的設計方法與建議。
過去相關研究(許宸唯,2020)透過有限元素模型分析探討剪力型耐震間柱的受力行為,並提出相關設計建議。本研究目的在驗證該研究提出之耐震間柱降伏強度為Vy=0.48Fytwd(其中Fy與tw為剪力消能核心段之腹板降伏強度與厚度,d 為耐震間柱深度)精確性;核心段與間柱全長比δ介於0.2至0.6間限制的有效性。本研究也探討控制該核心段受剪腹板挫屈的主要寬厚比參數,提出符合強度與消能性能之剪力型耐震間柱設計建議。
研究方法
本研究利用試驗方式進行四組實尺寸耐震間柱反覆載重試驗,以了解其耐震性能。此四組試體採用H 600x300型鋼加工而成,分別為H588x300x12x20與H608x306x18x30兩種斷面尺寸。四組間柱試體高度均為2.5m,以模擬配置於樓高3.3m梁深為0.8m的耐震間柱長度。設計時,H型鋼試體採用降伏強度為345 MPa之A572 Gr.50鋼材,核心段腹板採用降伏強度250 MPa之A36材質。研究參數包括核心段高度與耐震間柱淨高比值、核心段受剪降伏腹板寬厚比(b/t)、加勁板配置方向(平行與垂直受剪方向)、與上下兩段之銲接接合,其中核心段受剪降伏腹板的寬厚比是由配置於接合段與核心段相接且分佈於間柱全寬度的端部加勁版,及配置於核心段腹板單側的加勁板控制,且端部加勁版與核心段腹板加勁板均採用A572 Gr.50材質,厚度分別為18與12 mm。核心段腹板採用三種厚度,分別為6, 10, 12 mm,並以H型鋼斷面之腹板加勁肢材的高韌性長細比限制hd,做為核心段腹板短邊寬厚比的設計依據。四組試體分別命名為B1C06D20、B1C06D60、B2C10D35及B2C12D35,其中,前兩文字B1與B2分別代表H型鋼斷面H588x300x12x20與H608x306x18x30;中間由C開頭的三個文字分別代表核心段的腹板厚度,為C06、C10與C12的6, 10與12 mm;由D開頭的後兩個文字分別代表核心段高度與耐震間柱淨高比值,以百分比表示。此四組耐震間柱的標稱塑性剪力強度Vp(=0.6Fytwd)分別約為50、90與110噸。所有試體之上、下端模擬與梁構件相接的抗彎接合,其翼板與腹板均採用單側開槽之全滲透銲接合,設計的銲接細節是根據AWS建議,開槽角度與根寬分別為30度與10 mm。試體B2C12D35於設計時將其端部的接合彎矩需求與容量比控制在約為1.0,以驗證其單側開槽全滲透銲接合的適用性。另外核心段腹板與翼板及端部加勁板間的銲接,及腹板的單側加勁板與腹板、翼板或端部加勁板間的銲接均採用雙側填角銲銲接。
本試驗於國震中心多軸項試驗系統(MATS)進行(如圖2所示),在零軸力載重下對試體施加水平位移的反復載重實驗,其水平位移是根據AISC 341-16中抗彎構架試驗的層間位移角加載歷時為基礎並乘以柱長而得。試驗中,除採用NDI影像量測系統及應變計量測特定點的位移與應變外,亦透過側向位移計量測核心段上、下端點的水平位移差,並將此位移差除以核心段長度以求得核心段的剪力變形角。在試驗過程中,也觀察試體各部發生降伏的時機與過程,並量測與記錄核心段腹板在受剪力下拉力場發生的角度與過程。
試驗結果與結論
試驗結果顯示,本研究四組試體的破壞模式,均於核心段腹板發生拉力場後經受拉與受壓挫屈反復作用下的凹摺破裂,破裂位置分別發生於腹板子框格的腹板中央或邊緣銲道邊。本研究的試驗變形容量,是定義在AISC341-16各試驗層間位移角歷時中,其試驗強度維持耐震間柱最大試驗剪力強度的80%以上且至少經歷一圈,則認定最大的層間位移角為該試體的最大變形容量。另由於此類型耐震間柱的主要變形由核心段的塑性剪力變形貢獻,然而核心段腹板發展至拉力場強度後,在反向加載過程中會因該壓力場受壓挫屈,可能引致顯著的強度衰減現象,為考量核心段腹板的拉力場發生後,其強度性能可能不易掌控,故忽略該核心段腹板發展拉力場後的剪力變形貢獻。試驗結果顯示,試體B1C06D20、B1C06D60、B2C10D35及B2C12D35的層間位移容量分別為3%、5%、5%及7%弧度;間柱核心段發展至拉力場(或發生挫屈)發生前的最大剪力變形角分別為12.8%、4.8%、10.5%及14.7%弧度。由各組試體之試驗強度結果顯示,核心段腹板降伏剪力強度以Vy=0.48Fytwd尚能準確估計其試驗降伏強。另以試驗最大剪力反應除以該試體核心段實際塑性剪力強度,可得核心段腹板剪力應變硬化因子分別為1.61、1.30、1.62與1.41,此與拉力場角度(與水平軸的夾角)的比較發現,拉力場角度越大其應變硬化因子有越小的趨勢。由試體試驗本研究的四組試體試驗結果也顯示,核心段腹板的受剪塑性變形行為,主要由加勁板與翼板所構成之子框格的短邊寬厚比控制。另由試體B2C12D35結果顯示,其試體的上、下端部的試驗最大彎矩與實際塑性彎舉比值的撓曲應變硬化超強因子達1.10,且未在此端部發生任何破壞,此證實本研究所採用之端部銲接接合細節適用於此剪力型耐震間柱構入梁構件的彎矩接合。
另收集其他文獻6組剪力型耐震間柱試體之試驗資料,統計此十組試體之結果發現,核心段腹板在發展拉力場前的剪力變形容量與短邊寬厚比關係約呈線性關係,核心段腹板的短邊寬厚比越小,其剪力變形容量越大。此核心段的寬厚比與剪力變形係關有助於準確地設計剪力型耐震間柱的核心段加勁板,以提供有效的剪力變形能力。而核心段剪力變形需求可由層間變形需求與核心段長度佔耐震間柱淨長的比例間的關係 估計求得。使得耐震間柱能在結構物的層間位移角於0.005內維持彈性,超過0.005後能準確地提供塑性消能,成為強度與消能混合型耐震間柱。

17:45 ~ 18:00 (15')
0331  卵礫石層力學行為探討-以大型三軸試驗模擬為例
珮筠 許, 紫彤 李, 仲孝 洪 and 泰典 王
本研究以卵礫石層為對象,利用顆粒流數值程式PFC來進行大型三軸試驗模擬。利用實驗設計法(design of experiments, DOE)搭配直交表(table of orthogonal array)進行因子配置,用以突顯個別微觀參數變化對模擬所得試體介觀力學特性的影響,作為後續選擇微觀參數的依循。之後為瞭解粗顆粒互鎖作用的影響,將粒徑較大之圓球顆粒以長軸與短軸比為2:1之橢圓形clump進行置換,並同時生成不同比例的clump試體來進行探討。研究結果顯示,鍵結張力強度(σ ̅_c)及鍵結凝聚力(c ̅)等微觀參數對模擬所得的摩擦角及凝聚力有顯著影響;而相同微觀參數下,clump試體凝聚力大於純圓球顆粒所組成的試體,摩擦角則無顯著差異;隨著clump比例增加,試體摩擦角的上限也會隨之上升。