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研究生： 嚴寬
Yen Kuan
論文名稱： 配置消能接合板之斜撐鋼構架耐震性能研究
指導教授： 許協隆
口試委員:
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： 2020
畢業學年度： 109
語文別： 中文
論文頁數： 177
中文關鍵詞： 消能接合板 、能量消散耐震性能
外文關鍵詞： : Energy dissipating gusset plate, Energy dissipation seismic performance
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    • 本研究針對消能接合板於斜撐構架耐震性能進行探討，利用建築物受地震力時之層間變位移，使斜撐產生軸向拉壓位移變化，消能接合板可讓斜撐受地震力變形集中，進而利用其應變能消散地震能量，其中消能變形集中於接合處，而非一般斜撐本身之主受力元件，斜撐本身能保持彈性不面外挫屈在外力加載時，消能接合板能提供一定強度的韌性進行消能，並在位移控制的初期進入塑性，此外消能器配置於半剛性抗彎構架，主要結構梁柱桿件不易降伏、破壞。
    為驗證此設計之可行性，研究中針對不同尺寸之消能接合板進行構件試驗，後經由適當配置不同尺寸之消能接合板應用於斜撐構架分別進行試驗以確認其應用性，研究結果顯示，此設計可以有效提升結構之承載性能，對於耐震性能提升具有相當可行性。

    This study focuses on the seismic performance of the energy dissipating gusset plate in the brace frame. When the building is subjected to earthquake force cause the axial tension and compression displacement of the brace. The energy dissipating gusset plate can allow the deformation of the brace by the earthquake force. Then use its strain energy to dissipate the seismic energy. Among them, the energy dissipating deformation is concentrated at the gusset plate, rather than the main element of the structure itself. The brace can maintain elasticity without frustration. When external force is loaded, the energy dissipating gusset plate can provide a certain strength and toughness to dissipate energy, and enter plasticity at the initial stage of displacement control. In addition, the energy dissipater is arranged in a semi-rigid moment frame, and the main structural beams and columns are not easy to buckle or break.
    In order to verify the feasibility of this design, the research conducted component tests on energy dissipating gusset plates of different sizes, and then applied the energy dissipating gusset plates of different sizes to the brace frame to test their applicability. Experimental research results show that this design can effectively improve the load performance of the structure and is quite feasible for improving the moment frame performance.

    摘要 I ABSTRACT II 目錄 III 表目錄 VIII 圖目錄 IX 照片目錄 XVI 第1章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機與目的 1 1.3 研究內容與方法 2 1.4 論文構架 2 第2章 文獻回顧 4 2.1 抗彎構架相關研究 4 2.2 梁柱接頭相關研究 5 2.2.1剛性接頭 5 2.2.2半剛性接頭 5 2.3 偏心斜撐構架 6 2.4 接合板行為 7 2.5 接合板力學行為與設計方法 7 2.6 金屬消能器 8 2.7 變斷面消能器 8 2.8 材料試驗相關研究 9 2.9 鋼結構設計相關規定[19] 9 2.9.1 強柱弱梁設計要求 9 2.9.2 梁斷面要求 11 2.9.3 柱強度要求 11 2.9.4 梁柱腹板交會區設計 12 第3章 理論分析 14 3.1 前言 14 3.2 消能接合板應力與強度 14 3.2.1 消能接合板受力 14 3.2.2 消能接合板之應力 16 3.3 曲率評估 18 3.4 斜撐構架勁度與強度分析 19 3.5 ANSYS有限元素模型建構 21 第4章 實驗規劃與流程 24 4.1前言 24 4.2實驗規劃 25 4.2.1主要研究參數 25 4.2.2試體標號 25 4.3試體製作與實驗設備 27 4.3.1消能接合板 27 4.3.2構架系統 27 4.3.3實驗設備 27 4.4試驗方法 29 4.4.1消能接合板構件試驗 29 4.4.2構架試驗 30 4.5加載歷時 31 第5章 實驗結果觀察 32 5.1 前言 32 5.2 消能接合板承載行為 33 5.2.1 G12-100-25 33 5.2.2 G12-100-30 33 5.2.3 G15-100-25 34 5.2.4 G15-100-30 35 5.2.5 G15-120-20 35 5.2.6 G15-120-25 36 5.2.7 G18-100-30 36 5.2.8 G18-120-25 37 5.3 消能接合板構件試驗小節 37 5.4 構架試驗 39 5.4.1 抗彎構架(MF-9) 39 5.4.2 抗彎構架(MF-12) 39 5.4.3 斜撐鋼構架FG12-100-30-9 40 5.4.4 斜撐鋼構架FG15-100-30-9 41 5.4.5 斜撐鋼構架FG15-100-25-9 42 5.4.6 斜撐鋼構架FG15-100-25-12 43 5.5 構架試驗小結 45 第6章 結果分析與比較 46 6.1 前言 46 6.2 強度比較 46 6.2.1 消能接合板構件試驗 46 6.2.2 構架試驗 48 6.3 勁度比較 49 6.3.1 消能接合板構件試 49 6.3.2 構架試驗 51 6.4 能量消散比較 52 6.4.1 構件試驗 52 6.4.2 構架試驗 53 6.5 承載性能比較 54 6.5.1 消能接合板構件試驗 55 6.5.2 構架試驗 56 6.6 等效阻尼比 58 6.7 有限元素分析與比較 58 第7章 結果與建議 60 7.1 結論 60 7.2 建議 61 參考文獻 62   表目錄 表 1接合板所受之總應力關係 65 表 7構件試驗結果整理 68 表8構架試驗結果整理 69 表 9材料試驗 70 表 10構架性能目標[21] 70 表 11消能接合版正向位移勁度 71 表 12 構件試驗等效阻尼比 72 表 13構架試驗等效阻尼比 73 表 14消能接合版與有線分析結果比較 74 表 15構架試驗與有線分析結果比較 75 表 16黏貼於消能接合板之應變計量測數值 76   圖目錄 圖 1 角鋼接合於上、下翼板與腹板 76 圖 2 偏心斜撐構架 76 圖 3各式加勁阻尼鋼板抗彎勁度、斷面彎矩、曲率圖[17] 77 圖 4 消能接合板 78 圖 5懸臂梁力學行為 78 圖 6全斷面降伏懸臂梁 79 圖 7理想線性懸臂梁 79 圖 8接合板應力分析 80 圖 9曲率定義 80 圖 10接合板變形與應變關係 81 圖 11梁與斜撐桿件連接 81 圖 12斜撐構件勁度分析 82 圖 13 Coupon test 應力應變曲線 82 圖 14 Chaboche 材料性質 83 圖 15有限元素接觸模組 83 圖 16構架有限元素模型 84 圖 17 消能接合板尺寸說明 85 圖 18構架試驗尺寸說明 85 圖 19構件試驗設置架構 86 圖 20構架試驗設置架構 86 圖 21消能接合板應變計配置 87 圖 22構件試驗應變計&位移計配置 87 圖 23構架試驗應變計&位移計配置 88 圖 24構件試驗位移加載歷時 88 圖 25構架試驗位移加載歷時 89 圖 26 30mm鋼板材料試驗斷面 89 圖 27 G12-100-25 遲滯迴圈 90 圖 28 G12-100-25 強度包絡線 90 圖 29 圖 G12-100-25 彎矩曲率圖 91 圖 30 G12-100-30 遲滯迴圈 91 圖 31 G12-100-30 強度包絡線 92 圖 32 G12-100-30 彎矩曲率圖 92 圖 33 G15-100-25 遲滯迴圈 93 圖 34 G15-100-25 強度包絡線 93 圖 35 G15-100-25 彎矩曲率圖 94 圖 36 G15-100-30 遲滯迴圈 94 圖 37 G15-100-30 強度包絡線 95 圖 38 G15-100-30 彎矩曲率圖 95 圖 39 G15-120-20 遲滯迴圈 96 圖 40 G15-120-20 強度包絡線 96 圖 41 G15-120-20 彎矩曲率圖 97 圖 42 G15-120-25 遲滯迴圈 97 圖 43 G15-120-25 強度包絡線 98 圖 44 G15-120-25 彎矩曲率圖 98 圖 45 G18-100-30 遲滯迴圈 99 圖 46 G18-100-30 強度包絡線 99 圖 47 G18-100-30 彎矩曲率圖 100 圖 48 G18-120-25 遲滯迴圈 100 圖 49 G18-120-25 強度包絡線 101 圖 50 G18-120-25 彎矩曲率圖 101 圖 51 MF-9 遲滯迴圈 102 圖 52 MF-9 強度包絡線 102 圖 53 MF-9 北側上梁應變計 103 圖 54 MF-9 北側下梁應變計 103 圖 55 MF-9 南側上梁應變計 104 圖 56 MF-9 南側下梁應變計 104 圖 57 MF-12 遲滯迴圈 105 圖 58 MF-12 強度包絡線 105 圖 59 FG12-100-30-9 遲滯迴圈 106 圖 60 FG12-100-30-9 強度包絡線 106 圖 61 FG12-100-30-9 北側上梁應變計 107 圖 62 FG12-100-30-9 北側下梁應變計 107 圖 63 FG12-100-30-9 南側上梁應變計 108 圖 64 FG12-100-30-9 北側下梁應變計 108 圖 65 FG15-100-30-9 遲滯迴圈 109 圖 66 FG15-100-30-9 強度包絡線 109 圖 67 FG15-100-30-9 北側上梁應變計 110 圖 68 FG15-100-30-9 北側下梁應變計 110 圖 69 FG15-100-30-9 南側上梁應變計 111 圖 70 FG15-100-30-9 南側下梁應變計 111 圖 71 FG15-100-25-9 遲滯迴圈 112 圖 72 FG15-100-25-9 強度包絡線 112 圖 73 FG15-100-25-9 北側上梁應變計 113 圖 74 FG15-100-25-9 北側下梁應變計 113 圖 75 FG15-100-25-9 南側上梁應變計 114 圖 76 FG15-100-25-9 南側下梁應變計 114 圖 77 F15-100-25-12 遲滯迴圈 115 圖 78 FG15-100-25-12 強度包絡線 115 圖 79 FG15-100-25-12 北側上梁應變計 116 圖 80 FG15-100-25-12 北側下梁應變計 116 圖 81 FG15-100-25-12 南側上梁應變計 117 圖 82 FG15-100-25-12 南側下梁應變計 117 圖 83 斷面角度12度、底邊寬度100mm 試體強度包絡線 118 圖 84 斷面角度15度、底邊寬度100mm 試體強度包絡線 118 圖 85斷面角度15度、底邊寬度120mm 試體強度包絡線 119 圖 86 底邊寬度100mm、厚度30mm試體強度包絡線 119 圖 87底邊寬度100mm、厚度25mm試體強度包絡線 120 圖 88底邊寬度120mm、厚度25mm試體強度包絡線 120 圖 89 斷面角度15度、厚度25mm 試體強度包絡線 121 圖 90 配置角鋼厚度9mm 構架強度包絡線 121 圖 91配置角鋼厚度12mm 構架強度包絡線 122 圖 92 消能接合板配置不同角鋼厚度構架強度包絡線 122 圖 93 斷面角度12度、底邊寬度100mm 試體勁度比較 123 圖 94斷面角度15度、底邊寬度100mm 試體勁度比較 123 圖 95斷面角度15度、底邊寬度120mm 試體勁度比較 124 圖 96 底邊寬度100mm、厚度30mm 試體勁度比較 124 圖 97底邊寬度100mm、厚度25mm 試體勁度比較 125 圖 98底邊寬度120mm、厚度25mm 試體勁度比較 125 圖 99 斷面角度15度、厚度25mm 試體勁度比較 126 圖 100 配置角鋼厚度9mm 構架勁度比較 126 圖 101配置角鋼厚度12mm 構架勁度比較 127 圖 102 消能接合板配置不同角鋼厚度構架勁度比較 127 圖 103 斷面角度12度、底邊寬度100mm 試體累積能量與強度 128 圖 104斷面角度15度、底邊寬度100mm 試體累積能量與強度 128 圖 105斷面角度15度、底邊寬度120mm 試體累積能量與強度 129 圖 106 底邊寬度100、厚度30mm 試體累積能量與強度 129 圖 107底邊寬度100、厚度25mm 試體累積能量與強度 130 圖 108底邊寬度120、厚度25mm 試體累積能量與強度 130 圖 109 段面角度15度、厚度25mm 試體累積能量與強度 131 圖 110配置角鋼厚度9mm 構架累積能量與強度 131 圖 111配置角鋼厚度12mm 構架累積能量與強度 132 圖 112消能接合板配置不同角鋼厚度構架累積能量與強度 132 圖 113 構件等效阻尼比 133 圖 114 構架等效阻尼比 133 圖 115 斷面角度12度、底邊寬度100mm 試體累積消能 134 圖 116斷面角度15度、底邊寬度100mm 試體累積消能 134 圖 117斷面角度15度、底邊寬度120mm 試體累積消能 135 圖 118底邊寬度100mm、厚度30mm 試體累積消能 135 圖 119底邊寬度100mm、厚度25mm 試體累積消能 136 圖 120底邊寬度120mm、厚度25mm 試體累積消能 136 圖 121 斷面角度15度、厚度25mm 試體累積消能 137 圖 122配置角鋼厚度9mm 構架累積消能 137 圖 123配置角鋼厚度12mm 構架累積消能 138 圖 124消能接合板配置不同角鋼厚度構架累積消能 138 圖 125有限元素分析與構件試驗比較 (a)G12-100-25 (b)G12-100-30 (c)G15-100-25 (d)G15-100-30 139 圖 126有限元素分析與構件試驗比較 (a)G15-120-20 (b)G15-120-25 (c)G18-100-30 (d)G18-120-25 140 圖 127有限元素分析與構架試驗比較 (a)FG12-100-30-9 (b)FG15-100-30-9 (c)FG15-100-25-9 (d)FG15-100-25-12 141   照片目錄 照片 1 Coupon test 136 照片 2 影像梁側系統 NDI 136 照片 3 構件試驗設置 137 照片 4 G12-100-25試體結束外觀 137 照片 5 G12-100-30試體結束外觀 138 照片 6 G15-100-25 試體結束外觀 138 照片 7 G15-100-30 試體結束外觀 139 照片 8 G15-120-20 試體面外挫屈現象 139 照片 9 G15-120-20 試體結束外觀 140 照片 10 G15-120-25 試體面外挫屈現象 140 照片 11 G15-120-25 試體結束外觀 141 照片 12 G18-100-30 試體斷裂現象 141 照片 13 G18-100-30 試體結束外觀 142 照片 14 G18-120-25 試體面外挫屈現象 142 照片 15 G18-120-25 試體結束外觀 143 照片 16 配置厚度9mm角鋼抗彎構架 143 照片 17 角鋼石灰漆 144 照片 18配置消能接合板斜撐構架設置 144 照片 19 FG12-100-30-9 消能接合板石灰漆剝落情形 145 照片 20角鋼斷裂 145 照片 21 FG15-100-30-9 消能接合板石灰漆剝落情形 146 照片 22 FG15-100-25-9 消能接合板石灰漆剝落情形 146 照片 23 FG15-100-25-12 消能接合板石灰漆剝落情形 147 照片 24 FG15-10-25-12消能接合板斷裂現象 147

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