現在位置首頁 > 博碩士論文 > 詳目
  • 同意授權
論文中文名稱:鋼筋混凝土建築物耐震能力評估系統之補強模組與視覺化展示功能開發 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:Establishment of Seismic Retrofitting Module and Visualization Operation in Seismic Evaluation System of Reinforced Concrete Buildings [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:工程科技研究所
畢業學年度:101
出版年度:102
中文姓名:賴明俊
英文姓名:Min-Chun Lai
研究生學號:96679042
學位類別:博士
語文別:中文
口試日期:2013-01-10
論文頁數:307
指導教授中文名:宋裕祺
口試委員中文名:蔡益超;張國鎮;黃震興;謝尚賢;吳傳威;廖文義
中文關鍵詞:鋼板補強鋼筋混凝土補強翼牆鋼斜撐構架補強
英文關鍵詞:Pushover analysisSteel jacketingRC jacketingSteel frameWing wall
論文中文摘要:自921集集大地震後,結構耐震能力評估與結構補強一直是土木工程師的重要研究課題。近幾年國內學者積極參與相關研究,已開發出可靠的耐震能力評估輔助分析軟體,使業界有可依循的方法與工具,執行耐震能力詳細評估。在耐震補強方面,目前國內校舍常用的補強工法如:擴柱補強、翼牆補強及增設鋼筋混凝土牆等,主要以強度補強為主。對於校舍以外之其他既有建築物,亦可依照結構系統特性,採用韌性剪力補強的方式,提昇其耐震能力以達到耐震需求。另外,對於特殊用途的建築物,如醫院建築,因其使用空間的限制較為嚴苛,既有運作功能甚難因補強作業而暫停或中止,所以校舍常用的補強工法可能就比較不適用,國外常用的外加構架或鋼斜撐構架補強工法等可能較為合宜。本文彙整國內外常用的各種耐震補強工法,建立結構非線性分析方法,以求取補強構材塑性鉸之特性,作為側推分析或非線性動力歷時分析之依據,並以物件導向程式語言C#,將各種耐震補強工法之分析方法,建構於鋼筋混凝土建築物耐震能力評估系統(SERCBWin2012)。
本研究將於SERCBWin2012中建構的補強分析模組有:鋼筋混凝土柱包覆強度補強、鋼筋混凝土柱包覆圍束補強、鋼板包覆圍束補強、柱增設翼牆補強及鋼斜撐構架補強工法的補強分析模組。其中在柱構件的部份又可分為矩型及圓形斷面的分析模組;翼牆的部份則也可分單側翼牆、雙側翼牆。並進一步將分析模組之分析結果與相關實驗結果進行比對,以確保本文所提之方法能有效掌握補強後構件的非線性行為。
另外,為讓使用者方便檢視補強分析結果,本文利用Tao OpenGL的程式庫於SERCBWin2012系統上增建視覺化展示功能視窗。視覺化展示功能視窗主要是協助使用者能直接於SERCBWin2012視窗操作平台上點選並檢視分析模型中各構件的塑性鉸發展狀態、基本資料、軸力彎矩關係圖等,而不必再以結構分析軟體與分析系統間切換的方式來檢視結果,可提昇工程師分析的效率。
最後,以一實際案例,介紹耐震能力評估補強的分析作業程序,透過此案例的介紹,能讓使用者更了解各補強方法對於整體耐震能力提昇的差異,同時也作為使用者進行耐震能力補強分析作業的參考。
本研究從補強分析方法的研究、驗證比對,最後將各補強分析方法整合於SERCBWin2012系統上,且提供便利的檢核功能視窗,相信此研究成果能作為國內工程師在未來補強分析作業中的輔助工具,並提昇耐震補強評估的分析效率及準確性。
論文英文摘要:The SERCB (Seismic Evaluation of Reinforced Concrete Building) is a popular software of seismic evaluation for existing RC buildings in Taiwan. It provides a powerful visualization function of plastic hinge setting for RC members as preprocessor of pushover analysis as well as nonlinear time history analysis, preventing the manmade mistakes and enhancing the work efficiency. In addition, It also gives an automatic connection to the commercial software such as ETABS, MIDAS, etc. to perform nonlinear structural analysis, and a postprocessor in justifying if the seismic capacity of RC building is qualified or not. As a result, the SERCB is well used by the structural engineers herein.
This dissertation intends to extend SERCB to deal with seismic retrofitting. Some available retrofitting works including (1) improving the RC columns by RC covering, CFRP wrapping or steel jacketing to increase ductility or strength, (2) installing wing wall to enhance strength, (3) inserting or attaching steel frame to increase stiffness were studied and discussed. The plastic hinge property of the RC member retrofitted was able to be determined and its precision was assured by investigation of practical experimental results. Some case studies were conducted by the software updated.
In addition, this dissertation also created the visualization operation for various seismic retrofitting works and functionality of observation at pushover result on SERCB. The detailed information including cross section, reinforcement as well as steel arrangement and plastic hinge property, etc. are able to be displayed visually to provide an easier effort on input debugging for engineers. The library of Tao OpenGL was employed to illustrate the status development of plastic hinge property for the structural member clicked. The switch between SERCB and ETABS or MIDAS is able to be neglected and therefore increase the efficiency of check on analysis results.
The results obtained from this dissertation can benefit the structural engineers performing seismic retrofitting on existing buildings.
論文目次:摘 要 i
英文摘要 iii
誌謝 v
目錄 vii
表目錄 xv
圖目錄 xvii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的與內容 3
1.3 研究方法 4
1.4 論文組織與架構 5
第二章 鋼筋混凝土建築物耐震補強研究與工法回顧 9
2.1 前言 9
2.2 鋼筋混凝土建築物耐震補強研究 9
2.3 國內鋼筋混凝土建築物補強工法之發展 13
2.4 鋼筋混凝土結構物耐震補強概念與目標 16
2.5 國內外補強案例資料蒐集與比較 20
2.6 小結 25
第三章 鋼筋混凝土構件非線性行為 27
3.1 前言 27
3.2 鋼與鋼筋混凝土材料組成律 27
3.2.1 鋼筋混凝土組成律 27
3.2.1.1 Kawashima組成律 28
3.2.1.2 Mander組成律 31
3.2.2 鋼筋組成律 38
3.2.2.1完全彈塑性模式 38
3.2.2.2應變硬化模式 40
3.3 柱構件非線性行為探討 42
3.3.1撓曲行為 42
3.3.1.1 鋼筋混凝土柱構材之彎矩─曲率關係 42
3.3.1.2 柱構材彎矩-轉角關係之建立 44
3.3.2剪力行為 45
3.3.2.1 柱剪力強度-韌性比關係之建立 45
3.3.2.2 柱剪力強度-轉角與彎矩-轉角間關係之轉換 47
3.3.3鋼筋混凝土柱破壞模式之判別 48
3.4 鋼筋混凝土矮牆非線性行為探討 49
3.4.1 RC牆基本力學原理 49
3.4.1.1 平衡方程式(Equilibrium) 49
3.4.1.2 諧合方程式(Compatibility) 51
3.4.1.3混凝土軟化模式之組成律(Constitute Law) 52
3.4.2鋼筋混凝土矮牆非線性容量曲線之分析流程 54
3.4.3 低矮型鋼筋混凝土牆分析驗證 60
3.5 小結 69
第四章 鋼筋混凝土構件補強理論探討與分析驗證 71
4.1 前言 71
4.2 鋼筋混凝土柱包覆補強之非線性行為探討 71
4.2.1 鋼板包覆圍束補強 71
4.2.2 RC包覆圍束補強 73
4.2.3 RC包覆強度補強 75
4.3 鋼筋混凝土柱包覆補強之分析驗證 76
4.3.1 鋼筋混凝土柱-鋼板包覆圍束補強 76
4.3.2 鋼筋混凝土構架-柱鋼板包覆圍束補強(SBFS) 80
4.3.3 鋼筋混凝柱-RC包覆強度補強 84
4.3.4 鋼筋混凝土構架-RC包覆強度補強(SBFU-C) 87
4.4 翼牆補強之非線性行為探討 92
4.5 翼牆補強之分析驗證 94
4.5.1 鋼筋混凝土柱-翼牆補強 94
4.5.2 鋼筋混凝土構架-翼牆補強 98
4.6 小結 103
第五章 鋼斜撐框架補強理論探討與分析驗證 105
5.1 前言 105
5.2 內嵌式鋼斜撐框架之分析方法 105
5.2.1環氧樹脂接合之內嵌式鋼斜撐框架分析方法 107
5.2.2錨碇接合之內嵌式鋼斜撐框架分析方法 107
5.3 外附式鋼斜撐框架之分析方法 109
5.4 複合構材之非線性行為分析 109
5.5 建立鋼斜撐構件之軸力與位移關係 111
5.6 鋼斜撐框架之分析驗證 112
5.6.1 外附式鋼框架補強分析驗證 112
5.6.2 內嵌式鋼斜撐框架補強分析驗證 115
5.7 錨碇接合設計程序與設計強度 117
5.7.1 國內規範相關規定 117
5.7.2 設計程序 118
5.8 小結 119
第六章 SERCB耐震能力評估系統之補強分析模組與視覺化展示功能開發 121
6.1 前言 121
6.2 鋼筋混凝土建築物耐震能力評估流程 122
6.3 SERCBWin2012耐震能力評估系統分析與設計 122
6.3.1 SERCBWin2012耐震能力評估系統架構 122
6.3.2 SERCB之分析與設計 124
6.3.2.1 功能需求分析 124
6.3.2.2 SERCB設計細節 125
6.3.3 SERCBC文字命令列操作模式之分析與設計 130
6.3.4 SERCBWin 視窗操作模式之分析與設計 135
6.3.4.1 功能需求分析 135
6.3.4.2 SERCBWin的設計細節 137
6.4 補強模組與視覺化展示功能開發之分析與設計 142
6.4.1 功能需求分析 142
6.4.2 設計細節 145
6.5 補強模組與視覺化展示功能之實作 151
6.5.1 補強斷面分析核心實作要點 151
6.5.2 斷面與材料編輯視窗之實作 154
6.5.2.1 實作重點說明 154
6.5.2.2開發成果 157
6.5.3 視覺化展示功能視窗之實作 164
6.5.3.1 實作重點說明 164
6.5.3.2 開發成果 167
6.6 小結 169
第七章 耐震補強案例分析 171
7.1 補強案例簡介 171
7.1.1 基本資料 171
7.1.2 材料參數 171
7.2 補強前耐震能力評估 175
7.3 補強前建築物結構系統之探討 180
7.3.1 移除窗台改善短柱效應 180
7.3.2 耐震能力評估結果 181
7.4 鋼板包覆圍束補強耐震能力評估 183
7.4.1 補強斷面分析 183
7.4.2 補強配置 185
7.4.3 補強結果 187
7.5 RC包覆強度補強耐震能力評估 189
7.5.1 補強斷面分析 189
7.5.2 補強配置 191
7.5.3 補強後耐震能力評估結果 192
7.6 翼牆補強耐震能力評估 195
7.6.1 補強斷面分析 195
7.6.2 補強配置 197
7.6.3 補強後耐震能力評估結果 198
7.7外附式鋼斜撐構架補強耐震能力評估 200
7.7.1 補強斷面分析 200
7.7.2 補強配置 205
7.7.3 補強後耐震能力評估結果 206
7.8 增設鋼筋混凝土牆補強之耐震能力評估 208
7.8.1 補強配置 208
7.8.2 補強後耐震能力評估結果 209
7.9 小結 211
第八章 結論與建議 213
8.1 結論 213
8.2 建議 217
參考文獻 219
附錄A 補強斷面及材料參數檔的定義與視窗操作說明 225
附錄B 視窗化展示功能視窗操作與內容 245
附錄C 鋼斜撐框架接合處設計例 249
附錄D SERCB物件類別程式庫 253
作者簡歷 305
論文參考文獻:[1] 中央氣象局網站:http://www.cwb.gov.tw/V7/earthquake/rtd_eq.htm
[2] 維基百科:http://zh.wikipedia.org/wiki/921大地震
[3] 宋裕祺、蘇進國,「鋼筋混凝土構材非線性行為分析程式(Nonlinear Analysis of Reinforced Concrete Member, NARC-2004)」,國立台北科技大學土木與防災所,台北,2004。
[4] 宋裕祺,蔡益超,「鋼筋混凝土建築物耐震能力評估手冊-視窗化輔助分析系統SERCBWin2008」,內政部建築研究所,台北,2009。
[5] Lai, M. C., Sung Y. C., “A study on pushover analysis offrame structure infilled with low-rise reinforced concrete wall,” Journal of Mechanics, Vol. 24, No. 4, pp.437-449, 2008.
[6] 林勝益,「既有鋼筋混凝土剛框架耐震補強之探討」,碩士論文,國立台灣工業技術學院,臺北 (1989)。
[7] 小倉弘一郞,「即存RC建物の耐震補強と診斷」,技術書院,1988。
[8] 陳慧慈,周健捷,洪思閩,鄧崇任,「現有鋼筋混凝土建築物補強之初步研究」,國家地震工程研究中心,1992。
[9] Aicocer, S. M.,”RC frame connections rehabilitated by jacketing,” Journal of Structural Engineering, Vol. 119, No. 5, pp. 1413-1431, 1993.
[10] Pincheira, J. A. and Jirsa, J. O., “Seismic response of RC frames retrofitted with steel braces or walls,” Journal of structural engineering New York, N.Y., Vol. 121, No. 8, pp. 1225-1235, 1995.
[11] 林草英,「鋼筋混凝土結構物修復與補強」,國立台灣工業技術學院營建系,臺北,1995。
[12] 劉文欽,「鋼筋混凝土斜撐構架震後之補強試驗及其效果分析—重塑支柱、增設斜撐與增設RC 牆等工法」,碩士論文,國立成功大學建築研究所,臺南,1996。
[13] 康繼仁,「鋼筋混凝土構架震後之補強試驗及其效果分析— 包覆工法」,碩士論文,成功大學建築研究所,臺南,1996。
[14] Balendra, T., Lim, E. L., Liaw, C. Y., “Large-Scale Seismic Testing of Knee-Brace-Frame,” Journal of Structure Engineering, Vol. 123, No. 1, pp.11-18, 1997.
[15] 何明錦、吳傳威等,「鋼筋混凝土建築物之修復與補強技術彙編」,內政部建築研究所,台北,1998。
[16] 許茂雄、劉文欽、康繼仁,「RC 構架震後補強試驗與分析」,中國土木水利工程學刊,第十一卷,第四期,第701-709頁,1999。
[17] Miyauchi, Y., Fukuyama, K., Higashibata, Y., “Studies on repair and strengthening methods of damaged reinforced concrete columns,” Cement &Concrete Composites, Vol. 22, No. 1, pp.81-88, 2000。
[18] 日本建築防災協会,「既存鉄筋コンクリート造建築物の耐震改修設計指針同解說」,2001。
[19] 劉國強,「鋼筋混凝土翼牆柱之耐震行為與分析模式研究」,博士論文,國立成功大學,台南,2002。
[20] 李濠吉,「鋼筋混凝土構架耐震補強研究— 增設斜撐及鋼剪力牆」,碩士論文,國立台灣科技大學營建工程研究所,臺北,2002。
[21] Abdullah, Takiguchi, K., “An investigation into the behavior and strength ofreinforced concrete columns strengthened with ferrocement jackets,” Cement& Concrete Composites, Vol. 25, No. 2, pp.233-242, 2003.
[22] Ong, K. C. G., Kog, Y. C., Yu, C. H., Sreekanth, A. P. V., “Jacketing of reinforced concrete columns subjected to axial load,” Magazine of Concrete Research, Vol. 56, No. 2, pp.89-98, 2004.
[23] 蔡昇芳,「翼牆用於RC構架補強之研究」,碩士論文,國立成功大學,台南,2005。
[24] Morshed, R., and Kazemi, M. T., “Seismic shear strengthening of RC beams and columns with expanded steel meshed,” Structural Engineering and Mechanics, Vol. 21, No. 3, pp.333–350, 2005.
[25] Santhi, H. M., Samuel Knight, G. M., Muthumani, K., “Evaluation of seismic performance of gravity load designed reinforced concrete frames,” Journal of Performance of Constructed Facilities, Vol. 19, No. 4, pp.277-282, 2005.
[26] Tsonos, A. G., “Effectiveness of CFRP-jackets and RC-jackets inpost -earthquake and pre-earthquake retrofitting of beam-column subassemblages,” Engineering Structures, Vol. 30, No. 3, pp.777-793, 2008.
[27] Dritsos, S. E., Vandoros, K. G., “Concrete jacket construction detail effectiveness when strengthening RC columns,” Construction and Building Materials, Vol. 22, No. 3, pp.264-276, 2008.
[28] 邱耀正,施健泰等,「校舍建築rc擴柱補強現地試驗與分析」,國家地震工程硏究中心,台北,2008。
[29] 邱聰智, 邱建國等,「典型校舍耐震補強設計與驗證」,國家地震工程硏究中心,台北,2008。
[30] Su, R. K. L., Cheng, B., et al., “Use of bolted steel plates for strengthening of reinforced concrete beams and columns,” IES Journal Part A: Civil and Structural Engineering, Vol. 4, No. 2, pp.55-68, 2011.
[31] Nakamura, A., Teshigawara, M., et al., “Shear strength estimation of seismic retrofitted RC column by extended wing walls,” Journal of Structural and Construction Engineering, Vol. 76, No. 661, pp.619-627,2011.
[32] 徐茂雄,張嘉祥,「新建學校建築耐震規劃設計與既有學校建築耐震補強指針研擬」,內政部建築研究所,台北,1996。
[33] 陳建忠,許茂雄,「建築物耐震評估及補強實施制度研擬」,內政部建築研究所,台北,1998。
[34] 葉祥海,劉玉文,「鋼筋混凝土建築結構桿件補強準則之研擬」,內政部建築研究所,台北,2004。
[35] 廖文義,羅俊雄等,「低層含磚牆建築物耐震補強手冊研究」,內政部建築研究所,台北,2006。
[36] 張順益,廖文義等,「既有RC 建築物修復補強工法之性能試驗研究」,內政部建築研究所,台北,2010。
[37] 葉勇凱,趙宜峰,「全國中小學校舍結構耐震評估與補強資料庫建置(二)」,國家地震工程研究中心,台北,2009。
[38] 蔡東和,「鋼筋混凝土校舍耐震補強工程」,結構工程,第27-1期,p137-146,2012。
[39] 日経ア一キテクチユア編,“耐震改修実例50,工期、コストの実態から、診断、設計、施工のノウ八ウまで”,,日経BP社,2007。
[40] Hoshikuma, J., Kawashima, K., Nagaya, K. and Taylor, A. W., “Stress-strainModel for Confined Concrete in Bridge Piers,” Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 123, No. 5,1997.
[41] Mander, J.B., Priestley, M.J.N., and Park, R., “Theoretical Stress-Strain Model of Confined Concrete,” Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 114, No. 8, pp.1804-1826, 1988.
[42] 交通部公路總局,「公路橋梁耐震評估及補強準則之研究成果報告」,2009。
[43] Mirza, S. A. and MacGregor, J. G., “Variability of Mechanical Properties of Reinforcing Bars,” Journal of the Structural Division, Vol. 105, no. 5, 1979.
[44] Hsu, T. C., and Zhang, L. X., “Nonlinear Analysis of Membrane Elements by Fixed-Angle Softened-Truss Model,” ACI Structural Journal, Vol. 94, No. 5, pp.483-492, 1997.
[45] Belarbi, A. and Hsu, T. C., “Constitutive Laws of Softened Concrete in Biaxial Tension-Compression,” ACI Structural Journal, Vol. 92, No. 5, pp.562-573, 1995.
[46] Benjamin, J. R. and Williams, H. A., “The behavior of one-story reinforced concrete shear walls,” Journal of Structure Division, Vol. 83, No. 3, pp.1-49, 1957.
[47] Hirosawa, M., Past experimental results on reinforced concrete shear walls and analysis on them, Kenchiku Kenkyu Shiryo, Building Research Institute, Ministry of Construction, Tokyo, Japanese, 1975.
[48] Yamada, M., Kawamura, H. and Katagihara, K., “Reinforced concrete shear wall without openings: test and analysis - shear in reinforced concrete,” Report No.SP-42, American Concrete Institute, Farmington Hills, Mich, 1974.
[49] 黃震興,謝有明等,「RC橋柱之鋼板包覆耐震補強」,國家地震工程硏究中心,台北,1999。
[50] FEMA 356, Prestandard and Commentary for The Seismic Rehabilitation of Buildings, Federal Emergency Management Agency, 2000.
[51] 植木理枝子,今井克彥,都祭弘幸,「外付け鉄骨フレーム工法による耐震補強効果に及ぼす間接接合部の影響」,日本建築学会構造系論文集,第75卷,第654號,1501-1508,2010。
[52] 大塚真祐,毛井崇博,「鉄骨フレーム工法による耐震補強されたRC構架の力学性状」,日本建築学会大会学術講演梗概集,中國,1999。
[53] 陳正平,「鋼框架斜撐應用於校舍結構耐震補強可行性探討」,結構工程,第27-1期,p147-156,2012。
[54] 內政部營建署,「鋼結構極限設計法規範及解說」,2007。
[55] 盧明德、謝尚賢、宋裕祺、蔡益超,「鋼筋混凝土建築物耐震能力評估輔助分析系統之發展研究」,結構工程,第22-1期,p21-43,2007。
[56] 盧明德,「應用知識本體技術於工程應用程式整合之研究」,博士論文,國立臺灣大學土木工程學研究所,台北,2006。
[57] Freman, E., Freeman, E., Sierra, K., and Bates, B., Head First Design Pattern, O’Reilly Media Inc., Sebastopol, CA, 2004.
[58] http://zedgraph.sourceforge.net/index.html.
[59] http://www.mono-project.com/Tao
[60] http://www.codeproject.com/Articles/9517/PropertyGrid-and-Drop-Down-properties.
[61] http://msdn.microsoft.com/zh-tw
[62] 蔡克銓,黃世建,鍾立來,「校舍耐震評估與補強講習會」,國家地震工程研究中心,2005。
論文全文使用權限:同意授權於2018-02-04起公開