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研究生: 王永毅
Yung-Yi Wang
論文名稱: 高性能鋼材應用在損害控制系統之效益評估
Seismic Performance Assessment of Damage-Controlled Moment Frame Using High Performance Steel
指導教授: 廖國偉
Kuo-Wei Laio
口試委員: 陳正誠
none
宋裕祺
none
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 174
中文關鍵詞: 關鍵字高性能鋼材挫屈束制斜撐UMAT粒子群優化演算法
外文關鍵詞: Keyword, High-Performance steel, BRB, UMAT, Particle Swarm Optimization
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  • 高性能鋼材具有強度高、焊接性好與工作性佳等性質,應用在建築結構上可降低建築成本,然而台灣位處環太平洋地震帶,建築物耐震需求高,特別是都會區建築房屋漸漸往高樓層發展,高性能鋼材的適用性需要進一步的探討。因此,本文以損害控制的理念設計二十層樓BRB斜撐鋼構架,確保地震能量主要由高韌性的挫屈束制消能鋼支撐(Buckling restrained brace, BRB)吸收。設計時以傳統鋼材(SN490B or SN490C)及高性能鋼材(HT690)作為梁柱鋼材,高性能鋼材因縮減結構斷面具有較小的勁度,為尋求不亞於使用傳統鋼材的性能表現,在規範容許的條件下,運用最佳化方法-粒子群優化演算法來搜尋桿件斷面,並進行地震動力分析暨建立易損性曲線檢驗各項結構性能,進一步探討對應於傳統鋼材,運用高性能鋼於結構系統的經濟效益,最後根據分析結果建議初步設計準則。本文利用ABAQUS所提供的自訂材料(User defined material, UMAT)建立非線性材料模擬BRB的遲滯行為並計算斜撐構材損傷指標估計結構的平均壽命,高性能鋼材與高韌性構材結構系統在地震下之性能表現為觀察重點,例如樓層間相對位移角(Drift ratio)、最大樓頂層加速度(Maximum roof acceleration)、BRB遲滯迴圈、主結構桿件與BRB應力比、疲勞累計損傷與剩餘壽命等均為動力分析時評估結構系統性能的依據。


    It is well known that using high-performance steel can reduce the construction cost due to its properties of high strength, good weldability and workability. Because Taiwan is located on a high seismic hazard area, seismic demand often plays a very important role in designing a building, especially for buildings located in the metropolitan area.. Thus, the performance of using high-performance steel in building structure has drawn many attentions in recent years. This study desinged two twenty-story steel moment frames in which the concept of damaged controlled design was adopted. To ensure the the seismic enengy can be absorbed by the designed structural member, buckling restrained brace, BRB is used as the major energy dissipation element. For comparison, traditional steel (SN490B or SN490C) and High-performance steel (HT690) are used for two buildings. To maintain the identical structural performance of two buildings, an optimization algorithm, which is based on Particle Swarm Optimization, is used to search the member section for the high-performance steel building. Time history dynamic analyses and fragility curves were built to verify the building performance. In the end, the economic benefition of using high performance steel is discussed. A practical design guildeline is suggested based on the optimization results. This study will use ABAQUS user defined material to simulate the BRB nonlinear hysteretic behavior. A damage index for BRB is proposed to estimate the average life of building. The structural performance is evaluated under several earthquake excitationsusing floor drift, roof maximum acceleration, BRB hysteresis loop, stress ratio in structural members, cumulative fatigue damage and remaining life of a structure.

    目錄 誌謝 I 摘要 II ABSTRACT III 目錄 IV 圖目錄VII 表目錄XIII 第一章 緒論 1 1.1研究背景 1 1.2研究動機與目的2 1.3研究方法 2 1.4論文架構 3 第二章 文獻回顧 5 2.1 挫屈束制斜撐試驗與模型 5 2.2 高性能鋼之應用 10 2.3粒子群演算法(Particle Swarm Optimization, PSO)12 第三章 分析方法15 3.1 BRB遲滯行為之研究與數值模擬建立 15 3.1.1 BRB遲滯模式建立 15 3.1.2 損傷指標建立 28 3.2 數值分析軟體介紹 32 3.2.1 SAP2000簡介 32 3.2.2 ABAQUS簡介33 3.3 結構設計 33 3.3.1結構規劃 33 3.3.2載重計算 36 3.3.3設計地震力計算 36 3.3.4 案例設計38 3.3.4.1 構架設計38 3.3.4.2 模型建置與設定 40 3.3.4.3 設計控制41 3.3.5 斷面選擇 44 3.4 動力分析 44 3.5 地震加速度歷時紀錄 47 3.6 分析流程 48 3.7 最佳化分析51 第四章 案例分析與結果54 4.1 靜力分析54 4.1.1 設計結果54 4.1.2 靜力分析層間位移角55 4.1.3 經濟性評估63 4.2 非線性動力分析 64 4.2.1 地震資料 64 4.3 耐震性能分析與比較 65 4.3.1 動力分析層間位移角65 4.3.2 BRB消能行為 69 4.3.3 BRB損傷指標 69 4.3.4 頂層加速度放大係數73 4.3.5 初步應力比設計結論75 4.4 最佳化設計76 4.4.1 限制函式76 4.4.2 設計變數79 4.4.3 最佳化構架設計結果81 4.4.4 O_SNHT構架耐震性能分析與比較 85 4.4.5 第二次最佳化構架設計 91 4.4.5.1 第二次最佳化構架設計結果92 4.4.5.2 第二次最佳化構架耐震性能分析與比較96 4.4.6 最佳化構架結論 101 4.4.7 易損性分析107 4.4.8 鋼側撐BRB壽命評估 114 第五章 結論與建議117 5.1結論117 5.2建議120 參考文獻121 附圖 A125 附圖 B137

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    Chicago, IL: Author.

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