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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一○六年十一月十八日

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總  編 輯:賴建宏

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總  主 筆:周子劍
本期主筆:鄧勝軒
執行編撰:李惠華
文字記者:許素梅

結構耐震評估:窗台等值斜撐非線性鉸之設定(上)

賴昱志1、鍾立來1,2,3、林聖學1、楊耀昇4、黃國倫5、曾建創2、蕭輔沛2、邱聰智2

1臺大土研所、2國震中心、3成大土木系、4土木技師、5內政部建研所

既有結構物於詳細評估階段,須執行側推分析 (pushover analysis),亦即對結構物建立結構模型,並使用分析軟體,進行非線性靜力側推分析,藉此得其容量曲線,再轉換為耐震性能曲線,以得知於性能點時,結構物之耐震能力是否足夠。

針對國內校舍之耐震評估,國家地震工程研究中心,陸續提出校舍耐震評估與補強技術手冊,一~三版,作為校舍結構補強之參考依據。由於磚牆與窗台受側向力時,部分構件因其配置之方式,而產生壓力斜撐機制,故「校舍耐震評估與補強技術手冊」[1]建議可使用等值斜撐,以模擬受壓之磚牆及窗台,並對斜撐設定軸力非線性鉸,其相關模擬方式,可見手冊[1]之第4.2.5節。

手冊[1]附錄B亦建議工程師於完成模型建置時,可使用國震中心所開發之TEASPA軟體,進行非線性鉸之設定,及側推分析完成之後處理;工程師可透過TEASPAColph.exe,對梁、柱構件設定非線性鉸、Bwph.exe對磚牆設定非線性鉸、Swph.exeRC牆設定非線性鉸,於側推分析完成後,使用PGA.exe,將側推分析結果轉換為性能地表加速度。

TEASPA軟體,對於磚牆等值斜撐非線性鉸設定時,考量磚牆及窗台受側推時為一受壓之斜撐,且磚牆之抗拉能力極弱,故斜撐非線性鉸參數於桿件受拉部分,強度均設定為0 (1);進行側推分析時,首先施加鉛直之靜載重,再施以水平之地震力。惟,於靜載重施加階段,斜撐可能受壓,亦可能受拉,根據TEASPA軟體所設定之斜撐非線性鉸,一旦桿件受微小拉力,將立即產生非線性鉸,可能導致於加載靜載重階段,產生不必要之拉力非線性鉸,非線性鉸一旦產生,即便斜撐於側推過程轉為受壓,非線性鉸於模型中依舊不會消失,可能導致靜載重產生之拉力非線性鉸,被誤判為側推產生之壓力非線性鉸。

依實際之施工程序,於柱、梁及樓板完工後,再築磚牆,磚牆僅承受本身之自重,而無其他靜載重,故磚牆不應在靜載重施加之階段,即產生非線性鉸。有鑑於此,本文將針對窗台等值斜撐之非線性鉸設定進行探討,並提出建議之可行應對方式。

一、磚牆之拉力非線性鉸

本文以文獻[1]提供之示範例,對既有校舍之弱向(X),進行案例分析,該校為一位於台南市東區之三層樓典型校舍,長向由於開窗開門等因素,為結構物之弱向,考量窗台束制所造成之短柱效應,故應於校舍窗台處設定窗台之等值斜撐,以模擬其效應,校舍之結構模型可見2~4。由34可知,結構物之走廊側與背面,均設定窗台之等值斜撐,於水平地震力側推分析進行之前,先對校舍進行靜載重之靜力分析,透過ETABS之分析結果,得知共有RFL-D13FL-D12FL-D1RFL-D43FL-D4RFL-D73FL-D7RFL-D103FL-D10RFL-D13RFL-D14RFL-D15RFL-D1613支斜撐構件,於靜載重下受拉(1),故可預測該13支斜撐,將於側推分析過程中,靜載重階段產生軸向拉力之非線性鉸。

於完成水平地震力非線性側推分析之後,取出靜載重施加階段之非線性鉸發展如56,確認於前一階段 (靜載重) 所敘述之13支斜撐構件,確實均產生非線性鉸,取出該13支斜撐構件,於側推分析之靜力施載階段軸力值如2,可確認由於非線性鉸束制,構件軸力值均為0,確實進入拉力側非線性(2Load CasePUSH1,於此分析案例表示,側推分析階段之靜載重加載)

由於ETABS側推分析過程中,一旦非線性鉸產生,即便側向力加載階段,該斜撐由受拉轉變為受壓,非線性鉸依然保持於模型當中,不會消失;故該構件於整個側推分析過程,將無法由非線性鉸發展過程,直接看出是否於受壓階段達強度點進入非線性,必須判讀該桿件於側推階段之數據方可得知。此外,於詳細評估階段,若疏於注意非線性鉸發展情況,僅觀察強度點之非線性鉸發展,將有可能導致於施加靜載重階段,因斜撐受拉所產生之非線性鉸,即便受壓並未產生非線性鉸,仍被誤判為側推過程受壓所產生之非線性鉸。

13支於靜載重施加即因受拉產生非線性鉸之斜撐,於側推過程之最大受力情形如3,與該斜撐之最大強度進行比較,其受力均遠小於斜撐之壓力強度21037 kgf (1)。此外,亦可由Show table->Frame Output->Brace Hinge State中,即可確認雖然桿件之Hinge State,顯示該13支斜撐曾進入非線性之階段,然由其所對應之U1Plastic (桿件進入非線性後之軸向變形量) 均為正值,及各側推階段斜撐所受軸力之發展,可知其未曾於受壓側進入非線性,足確認該13支構件於側力階段均受壓,且直至破壞點均保持線彈性狀態,由所設定之非線性鉸參數,若未仔細進行確認,將導致該13支構件被誤認為達到壓力強度點。(待續)

參考文獻

[1] 蕭輔沛、鍾立來、葉勇凱、簡文郁、沈文成、邱聰智、周德光、趙宜峰、翁樸文、楊耀昇、涂耀賢、柴駿甫、黃世建,「校舍結構耐震評估與補強技術手冊(第三版)」,國家地震工程研究中心,報告編號:NCREE-13-023,台北,2013

1  斜撐於靜載重下受力情形

Story Brace Load P (kgf)
RFL D1 DEAD 172.93
3FL D1 DEAD 108.89
2FL D1 DEAD 15.18
RFL D4 DEAD 62.02
3FL D4 DEAD 20.29
RFL D7 DEAD 56.78
3FL D7 DEAD 17.11
RFL D10 DEAD 55.4
3FL D10 DEAD 17.24
RFL D13 DEAD 22.3
RFL D14 DEAD 9.58
RFL D15 DEAD 8.7
RFL D16 DEAD 7.03

 

2  受拉斜撐於側推分析之靜載重施加階段的受力情形

Story Brace Load Hinge P
RFL D1 PUSH1 BW2 0
3FL D1 PUSH1 BW2 0
2FL D1 PUSH1 BW2 0
RFL D4 PUSH1 BW2 0
3FL D4 PUSH1 BW2 0
RFL D7 PUSH1 BW2 0
3FL D7 PUSH1 BW2 0
RFL D10 PUSH1 BW2 0
3FL D10 PUSH1 BW2 0
RFL D13 PUSH1 BW2 0
RFL D14 PUSH1 BW2 0
RFL D15 PUSH1 BW2 0
RFL D16 PUSH1 BW2 0

 

3  斜撐於側推過程所受之最大軸壓力

Story Brace Load Hinge P (kgf)
RFL D1 PUSHX-9 BW2 -4675.91
3FL D1 PUSHX-10 BW2 -9433.63
2FL D1 PUSHX-10 BW2 -10099.9
RFL D4 PUSHX-10 BW2 -4735.54
3FL D4 PUSHX-10 BW2 -9391.08
RFL D7 PUSHX-10 BW2 -4736.16
3FL D7 PUSHX-10 BW2 -9416.73
RFL D10 PUSHX-10 BW2 -4732.46
3FL D10 PUSHX-10 BW2 -9420.02
RFL D13 PUSHX-10 BW2 -5617.09
RFL D14 PUSHX-10 BW2 -5605.57
RFL D15 PUSHX-10 BW2 -5605.65
RFL D16 PUSHX-10 BW2 -5606.15

 

 
1  TEASPA對斜撐設定之非線性鉸參數   2  示範例之結構模型
     
 
3  示範例之Y2構架   4  示範例之Y6構架
     
 

5  示範例之Y2構架於施加靜載重的非線性

鉸發展

 

6  示範例之Y6構架於施加靜載重的非線性

鉸發展

 

 

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