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研究生: 徐浩倫
Hao-Lun Hsu
論文名稱: 高樓層房屋結構受近斷層地震 之反應研究(Ⅳ)
Responses of High-Rise Buildings to Near-Fault Ground Motions (Ⅳ)
指導教授: 黃震興
Jenn-Shin Hwang
口試委員: 汪向榮
Shiang-Jung Wang
黃尹男
Yin-Nan Huang
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: 2022
畢業學年度: 110
語文別: 中文
論文頁數: 140
中文關鍵詞: 近斷層地震高樓結構反應非線性黏性阻尼器反應譜分析PISA 3D非線性動力歷時分析阻尼常數分配
外文關鍵詞: Near-Fault Ground Motions, Responses of High-Rise Buildings, Response Spectrum Analysis, Nonlinear Viscous Damper, PISA 3D, Nonlinear Time History Analysis, Distribution of Damping Coefficient
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由於台灣地狹人稠的特性,對建物高度的要求不斷往上提升,然而位處環太平洋地震帶,在無法避免近斷層地震(Near-Fault Ground Motions)的情況下,高樓結構在面對其所產生持續時間長且巨大的速度脈衝時,更容易遭受嚴重破壞;楊【6】之研究成果中,將上述特性於結構中所形成之特殊變形,稱為鞭狀反應,其最大特點在於產生之剪力破壞會高度集中於中低樓層,且同時會帶來極大的永久變形。
由於減震系統對於位移有較佳的控制能力,恰好適用於高樓結構因近斷層地震作用而造成的巨大位移反應,因此李【7】所做之研究嘗試於結構中裝設非線性黏性阻尼器來提升對近斷層地震之抵抗能力,然所達到之效益卻不如預期;接著黃【8】透過改善阻尼常數之分配方式,在需同時兼顧經濟性與耐震效益的前提下,成功改變結構的破壞模式,使變形均勻分散於各樓層。
本研究以黃【8】所建議之阻尼常數分配方法及平均分配法,使用於抗彎矩構架及斜撐構架不同側向力抵抗分配百分比之二元結構系統進行比較,並藉由反應譜分析對靜力分析所得之結構行為加以驗證。根據研究結果發現高樓結構之行為尚需輔以動力分析才能模擬出更加有效且合理之結果;而在近斷層地震作用下,不同阻尼常數分配方式使用於同一種結構配置和同一種阻尼常數分配方式使用於不同結構配置,所產生之結果皆不相同,其中仍有許多不確定因素需做探討,不可一概而論。二元結構系統之抗彎矩構架及斜撐構架不同側向力抵抗分配百分比所引至的互制可能不同,因此所衍生對相同阻尼係數分配方法,卻造成不同的結構反應,亦值得更深入的探討。


The damage potential of near-fault ground motions to high-rise buildings has attracted intensive research interests recently. The velocity pulse contained in the near-fault motion has caused a so-called whip-like behavior in the high-rise buildings. This is particularly important to Taiwan where the fault lines are wide spreading in the relatively small island. A good example is that a great amount of near-fault motions were recorded during the 1999 Chi-Chi earthquake. In order to resist near-fault ground motions, the distribution methods of viscous dampers along the height of the buildings have been investigated in previous studies【6】where different results from various damper placement methods have been discussed in detail.
In this study, dual systems with different percentage of base shear distributions respectively to braced frames and moment-resisting frames are studied for their inelastic responses to near-fault ground motions. In addition, the damper distribution method based on the effective story shear strain energy suggested in previous study【6】is investigated for its effectiveness in minimizing the damage potential of near-fault motions. The interactions between the braced frames and moment-resisting frames are different due to the different base shear distribution percentage respectively to the braced frames and moment frames, and thus the effectiveness of the same damper distribution method may not be the same.

目錄 摘要 I Abstract III 致謝 IV 目錄 V 表目錄 VIII 圖目錄 X 第一章 緒論 1 1.1 研究背景與目的 1 1.2 研究重點與內容 2 第二章 近斷層地震 3 2.1 近斷層地震特性 3 2.1.1 Maximum Incremental Velocity 3 2.1.2 Forward Directivity 3 2.1.3 Fling Step 4 2.2 近斷層地震下結構反應及破壞特徵 4 第三章 結構模型建立與模擬設定 7 3.1 模型設計與檢核 7 3.1.1 結構基本資訊 7 3.1.2 耐震設計 7 3.1.3 桿件細部檢核 12 3.2 程式模擬設定 15 3.2.1 EEZ Model梁柱剛性區設定 15 3.2.2 剛性樓板和質量設定 18 3.3 非線性動力分析設定 19 3.3.1 梁柱塑鉸設定 19 3.3.2 同心斜撐塑性行為模擬 20 3.3.3 雷利阻尼(Rayleigh Damping)設定 25 3.4 地震資料選取 26 第四章 黏性阻尼器設計 27 4.1 含黏性阻尼器結構之等效阻尼比設計公式 27 4.1.1 以對角斜撐型式安裝黏性阻尼器之等效阻尼比 29 4.2 修正含黏性阻尼器結構之等效阻尼比設計公式 34 4.2.1 修正以對角型式安裝黏性阻尼器之等效阻尼比 34 4.3 阻尼常數分配方法 37 4.3.1 平均分配法 (Uniform Distribution, UD) 37 4.3.2 修正基於樓層剪力應變能分配於有效樓層之方法 (Modified Distribution Based on Story Shear Strain Energy to Efficient Stories, M_SSSEES) 38 4.4 阻尼常數設計理論與結果 42 4.4.1 模態有效質量與頂層最大位移之計算 43 4.4.2 阻尼常數以平均分配法設計 – FEMA UD 45 4.4.3 阻尼常數以修正基於樓層剪力應變能分配於有效樓層法設計 – M_FEMA SSSEES 45 第五章 分析結果與比較 47 5.1 線性分析結果與比較 47 5.1.1 等效側向力分析 47 5.1.2 反應譜分析 48 5.1.3 綜合比較 49 5.2 非線性動力分析結果與比較 50 5.2.1 結構於HWA019及TCU052地震歷時之反應比較 50 5.3 不同阻尼常數分配法效果比較─以HWA019為例 55 第六章 結論與建議 58 6.1 結論 58 6.2 建議 59 參考文獻 61 附表 65 附圖 88 表目錄 表3-1 鋼材性質 65 表3-2 桿件斷面尺寸 65 表3-3 X向、Y向台灣規範下各樓層側向力分配 68 表3-4 X向、Y向ATC規範下各樓層側向力分配 69 表3-5 X向層間變位角檢核 70 表3-6 Y向層間變位角檢核 71 表3-7 X向構架抵抗側向力百分比 73 表3-8 Y向構架抵抗側向力百分比 73 表3-9 X向斜撐桿件遲滯模型參數 73 表3-10 Y向斜撐桿件遲滯模型參數 75 表3-11 結構模態週期 76 表3-12 地震資訊 76 表4-1 X向FEMA UD之設計參數及結果 77 表4-2 Y向FEMA UD之設計參數及結果 78 表4-3 X向純剪力行為造成的結構模態反應 79 表4-4 Y向純剪力行為造成的結構模態反應 80 表4-5 X向有效樓層判別結果 81 表4-6 Y向有效樓層判別結果 82 表4-7 X向M_FEMA SSEES之設計參數及結果 83 表4-8 Y向M_FEMA SSEES之設計參數及結果 84 表5-1 X向模態參數 85 表5-2 Y向模態參數 85 表5-3 不同分析模式下最大層間變位角相關資訊 86 表5-4 X向不同阻尼常數分配下最大層間變位角相關資訊 86 表5-5 Y向不同阻尼常數分配下最大層間變位角相關資訊 86 表5-6 X向不同阻尼常數分配下構件相關資訊 87 表5-7 Y向不同阻尼常數分配下構件相關資訊 87   圖目錄 圖2-1 近斷層地震加速度與速度歷時【12】 88 圖2-2 方向性效應產生之脈衝疊加現象【14】 88 圖2-3 方向性效應實際案例【13】 89 圖2-4 彈性應變理論示意圖【15】 89 圖2-5 (a)靜態脈衝 (b)剪力位移脈衝【17】 90 圖2-6 結構於不同地表振動下之反應【17】 90 圖2-7 近斷層地震下結構各階段反應【17】 91 圖3-1 X-Y結構平面圖 91 圖3-2 X-Z結構立面圖 92 圖3-3 Y-Z結構平面圖 92 圖3-4 梁柱剛性區等效桿端模型 (EEZ Model)【22】 93 圖3-5 梁柱剛性區剪式模型 (Scissors Model)【22】 93 圖3-6 FEMA 356常見鋼結構梁柱塑鉸設定【24】 94 圖3-7 修正後塑鉸設定【6】 94 圖3-8 PISA 3D梁柱雙線性材料設定【6】【11】 95 圖3-9 同心斜撐遲滯行為模型【25】 95 圖3-10 斜撐軸向與側向變形之關係【25】 96 圖3-11 同心斜撐各階段遲滯行為【25】 96 圖3-12 PISA 3D同心斜撐挫屈材料模型【11】 97 圖3-13 PISA 3D非線性動力歷時分析設定【11】 97 圖3-14 集集地震TCU052測站歷時資料 98 圖3-15 花蓮地震HWA019測站歷時資料 98 圖4-1 單自由度系統受正弦函數擾動【26】 99 圖4-2 不同阻尼器裝設形式對應水平及垂直放大因子【9】 100 圖4-3 樓層相對位移與阻尼器軸向變形之幾何關係【9】 101 圖4-4 高樓結構各樓層模態變位示意圖【31】 101 圖4-5 (a)純剪力構架變形 (b)考慮高樓層之撓曲行為變形【9】 102 圖4-6 阻尼器軸向變形與樓層間變位之幾何關係【9】 103 圖4-7 門形構架變形示意圖【8】 103 圖4-8 (a) X向UD阻尼器配置 (b) Y向UD阻尼器配置 104 圖4-9 (a) X向SSSEES阻尼器配置 (b) Y向SSSEES阻尼器配置 104 圖5-1 (a) X向 (b) Y向 第一模態與側向力形狀比較 105 圖5-2 折減後反應譜 105 圖5-3 (a) X向 (b) Y向 CQC與靜力分析樓層側向力比較 106 圖5-4 剪力牆與構架間之互制作用【32】 106 圖5-5 T-Code、RRSC、RSC層間變位角比較 107 圖5-6 T-Code、RRSC、RSC樓層側向力分佈 108 圖5-7 T-Code、RRSC、RSC結構整體側向變形比較 109 圖5-8 (a) X向 (b) Y向 RSC最大變位梁之遲滯迴圈 110 圖5-9 (a) X向 (b) Y向 RSC最大變位斜撐之遲滯迴圈 111 圖5-10 HWA019、TCU052層間變位角比較 112 圖5-11 HWA019、TCU052樓層側向力分佈 113 圖5-12 HWA019、TCU052結構整體側向變形比較 114 圖5-13 (a) X向 (b) Y向 HWA019最大變位梁之遲滯迴圈 115 圖5-14 (a) X向 (b) Y向 HWA019最大變位斜撐之遲滯迴圈 116 圖5-15 (a) X向 (b) Y向 TCU052最大變位梁之遲滯迴圈 117 圖5-16 (a) X向 (b) Y向 TCU052最大變位斜撐之遲滯迴圈 118 圖5-17 HWA019-X向構架不同阻尼常數分配下層間變位角分佈 119 圖5-18 HWA019-Y向構架不同阻尼常數分配下層間變位角分佈 120 圖5-19 HWA019-X向構架梁於不同阻尼常數分配之遲滯迴圈 121 圖5-20 HWA019-X向構架斜撐於不同阻尼常數分配之遲滯迴圈 121 圖5-21 HWA019-X向構架VD於不同阻尼常數分配之遲滯迴圈 122 圖5-22 HWA019-Y向構架梁於不同阻尼常數分配之遲滯迴圈 122 圖5-23 HWA019-Y向構架斜撐於不同阻尼常數分配之遲滯迴圈 123 圖5-24 HWA019-Y向構架VD於不同阻尼常數分配之遲滯迴圈 123 圖5-25 RSC-Y向構架不同阻尼常數分配下層間變位角分佈 124 圖5-26 TCU052-Y向構架不同阻尼常數分配下層間變位角分佈 125

參考文獻
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無法下載圖示 全文公開日期 2024/08/01 (校內網路)
全文公開日期 2024/08/01 (校外網路)
全文公開日期 2024/08/01 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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