Development of A Building Design Program Using Displacement-Based Design Method

目前國內建築物之耐震設計方法(強度設計法)係將彈性設計力藉由十分具爭議性之強度折減因子降低為設計力，然後再以此設計力去設計結構，但設計出來之結構是否能具有當初預期之耐震能力，除非經過非線性歷時分析否則很難確定。但位移設計法卻可解決此問題，位移設計法是在設計過程中以位移為基礎的設計方法。在設計的過程中，工程師對於一特定的目標位移來完成設計，強度及勁度在設計的過程中不再是變數，而是設計的結果。在最近幾年，地震設計的目光都集中在整體性或區域性的位移變形上，而位移設計即是比強度設計更為清楚的洞察到結構損害和極限破壞的情況。 本文之重點在於如何以現有的位移設計法研究文獻搭配三維非線性結構分析平台PISA3D撰寫出一套全自動之建築物設計程式，利用電腦快速且強大之運算能力處理設計過程中繁雜之迭代過程。此程式具備『新建結構設計模式』、『新建結構加裝消能器設計模式』、『既有結構加裝消能器補強設計模式』三大設計模式並能支援『線性黏性阻尼器』、『非線性黏性阻尼器』、『黏彈性阻尼器』、『降服型阻尼器』等消能器之設計。並撰寫搭配設計程式之圖形化使用者操作介面來執行前、後處理之工作以加強軟體之使用性。為了驗證程式之正確性，使用數個虛擬案例與震動台實驗實例並以程式設計結果、非線性動力分析結果與實驗結果做比較。目錄 摘要 目錄 表目錄 圖目錄 照片目錄 第一章 緒論..............................................1 1.1 研究動機與目的.......................................1 1.2 研究方法.............................................2 1.3 研究內容.............................................2 第二章 常見之結構分析軟體簡介與比較......................3 2.1 SAP..................................................3 2.2 OpenSEES.............................................3 2.3 PISA3D...............................................4 2.4 比較與結論...........................................5 第三章 建築物位移設計原理................................6 3.1 替代結構法...........................................6 3.2 多自由度轉換單自由度系統.............................6 3.3 Takeda勁度遞減遲滯模型...............................7 3.4 鋼結構位移設計原理...................................8 3.4.1 鋼結構純構架位移設計理.............................8 3.4.2 鋼結構含消能裝置位移設計原理.......................9 3.5 鋼筋混凝土結構位移設計原理...........................11 3.5.1 鋼筋混凝土結構純構架位移設計原理...................12 3.5.2 鋼筋混凝土結構含消能裝置位移設計原理...............12 3.6 小結.................................................15 第四章 程式開發過程......................................17 4.1 程式開發流程.........................................17 4.2 需求分析與架構設計...................................20 4.3 程式之實做...........................................24 4.3.1 程式實做...........................................24 4.3.2 開發平台與輔助套件.................................24 4.3.2.1 Borland C++ 6.0..................................24 4.3.2.2 Standard Template Library........................25 第五章 原理與功能介紹....................................26 5.1 核心程式.............................................26 5.1.1 新建結構設計模式...................................26 5.1.2 新建結構加裝消能器設計模式.........................27 5.1.3 既有結構加裝消能器補強設計模式.....................29 5.1.4 消能器性質迭代原則.................................30 5.1.5 反應譜計算.........................................31 5.2 使用者圖形操作介面...................................33 5.2.1 主操作介面.........................................33 5.2.2 設計地震與反應譜輸入與瀏覽功能圖形操作介面.........34 5.2.3 新建結構設計模式圖形操作介面.......................34 5.2.4 新建結構加裝消能器設計模式圖形操作介面.............35 5.2.5 既有結構加裝消能器補強設計模式圖形操作介面.........35 5.2.6 設計結果檢視功能圖形操作介面.......................35 第六章 程式應用與案例設計實例............................37 6.1 實尺寸8層樓設計實例..................................37 6.1.1 構架與設計需求簡介.................................37 6.1.2 新建結構模式斷面設計...............................38 6.1.3 新建結構加裝消能器模式斷面與阻尼器設計.............40 6.1.4 既有結構加裝消能器模式阻尼器設計...................45 6.1.5 設計與分析結果比較.................................50 6.2 單層單跨鋼結構加裝黏彈性阻尼器震動台試驗.............51 6.2.1 實驗構架簡介.....................................51 6.2.2 最大反應推估 .......................................52 6.3 三層樓鋼結構加裝非線性黏性阻尼器震動台試驗...........52 6.3.1 實驗構架簡介.......................................53 6.3.2 最大反應推估.......................................53 第七章 結論與未來展望....................................55 7.1 研究結論.............................................55 7.2 未來展望.............................................56 參考文獻 表目錄 表5.1 短週期與長週期結構之阻尼比修正係數Bs與B1...........61 表5.2 法規一般工址設計水平譜加速度反應譜係數.............61 表5.3 法規台北盆地設計水平譜加速度反應譜係數.............61 表6.1 八層樓實尺寸構架測試範例類型表.....................62 表6.2 八層樓實尺寸鋼構架梁柱斷面列表.....................63 表6.3 八層樓實尺寸鋼筋混凝土構架梁柱斷面列表.............64 表6.4 8FSS斷面設計細節...................................66 表6.5 8FRC結構斷面設計細節...............................67 表6.6 8FSSEDS-VL設計細節.................................68 表6.7 8FSSEDS-VN設計細節.................................69 表6.8 8FSSEDS-VE設計細節.................................70 表6.9 8FSSEDS-BRB設計細節................................71 表6.10 8FRCEDS-VL設計細節................................72 表6.11 8FRCEDS-VN設計細節................................73 表6.12 8FRCEDS-VE設計細節................................74 表6.13 8FRCEDS-BRB設計細節...............................75 表6.14 8FSS-VL設計細節...................................76 表6.15 8FSS-VN設計細節...................................77 表6.16 8FSS-VE設計細節...................................78 表6.17 8FSS-BRB設計細節..................................79 表6.18 8FRC-VL設計細節...................................80 表6.19 8FRC-VN設計細節...................................81 表6.20 8FRC-VE設計細節...................................82 表6.21 8FRC-BRB設計細節..................................83 表6.22 新建結構設計結果與非線性動力分析結果比較..........84 表6.23 新建結構加裝消能器設計結果與非線性動力分析結果比較 .........................................................84 表6.24 既有結構加裝消能器補強設計結果與非線性動力分析結果比較.......................................................85 表6.25 單層單跨鋼結構裝消能器補強設計、分析、實驗結果比較 .........................................................85 表6.26 單跨三層鋼結構型鋼之斷面尺寸......................86 表6.27 三層單跨鋼結構裝消能器補強設計、分析、實驗結果比較 .........................................................87 圖目錄 圖3.1 替代結構示意圖.....................................88 圖3.2 多自由度轉換單自由度系統關係圖.....................88 圖3.3 結構側力(基底剪力)－頂層位移理想化雙線性關係.......89 圖3.4 等效線性系統(等效勁度與等效阻尼係數)...............89 圖3.5 鋼筋混凝土遲滯行為示意圖...........................90 圖3.6 鋼筋混凝土勁度衰減現象.............................90 圖3.7 鋼筋混凝土強度劣化現象.............................90 圖3.8 鋼筋混凝土握裹滑落現象.............................90 圖3.9 Takeda模型雙線性系統之力—位移關係.................91 圖3.10 勁度遞減因子n與結構遲滯行為關聯性.................91 圖4.1 方案a-關係示意圖...................................92 圖4.2 方案b-關係示意圖...................................92 圖4.3 方案c-關係示意圖...................................93 圖4.4 程式架構簡易示意圖.................................93 圖5.1 模態分佈側力之非線性靜力側推分析...................94 圖5.2 非線性靜力側推雙線性化原則.........................94 圖5.3 新建結構位移設計流程圖.............................95 圖5.4 新建結構加裝消能器位移設計流程圖...................97 圖5.5 既有結構加裝消能器補強位移設計流程圖...............98 圖5.6 阻尼器性質迭代分配原則.............................99 圖5.7 挫屈束制支撐組成示意圖.............................99 圖5.8 主要操作介面一....................................100 圖5.9 主要操作介面二....................................100 圖5.10 加速度歷時輸入與檢視介面.........................101 圖5.11 設計加速度反應譜輸入與檢視介面...................101 圖5.12 設計位移反應譜輸入與檢視介面.....................102 圖5.13 新建結構設計模式圖形操作介面.....................102 圖5.14 新建結構加裝消能器設計模式圖形操作介面...........103 圖5.15 既存結構加裝消能器補強設計模式圖形操作介面.......104 圖5.16 設計結果檢視功能圖形操作介面.....................104 圖5.17 8FRCBRB-純構架側推曲線...........................105 圖5.18 8FRCBRB-BRB側推曲線..............................105 圖5.19 最後迭代之加速度反應譜曲線.......................106 圖5.20 最後迭代之位移反應譜曲線.........................106 圖5.21 最後迭代之模態分佈曲線...........................107 圖6.1 空構架 3D 視景....................................108 圖6.2 平面柱位及柱線....................................108 圖6.3 構架節點編號......................................109 圖6.4 梁桿件編號........................................109 圖6.5 加裝消能器構架 3D 視景............................110 圖6.6 8FSS測推曲線雙線性化..............................111 圖6.7 8FSS設計位移反應譜................................111 圖6.8 8FSS設計加速度位移反應譜..........................111 圖6.9 8FRC測推曲線雙線性化..............................112 圖6.10 8FRC設計位移反應譜...............................112 圖6.11 8FRC設計加速度位移反應譜.........................112 圖6.12 8FSSEDS-VL測推曲線雙線性化.......................113 圖6.13 8FSSEDS-VL設計位移反應譜.........................113 圖6.14 8FSSEDS-VL設計加速度位移反應譜...................113 圖6.15 8FSSEDS-VN測推曲線雙線性化.......................114 圖6.16 8FSSEDS-VN設計位移反應譜.........................114 圖6.17 8FSSEDS-VN設計加速度位移反應譜...................114 圖6.18 8FSSEDS-VE測推曲線雙線性化.......................115 圖6.19 8FSSEDS-VE設計位移反應譜.........................115 圖6.20 8FSSEDS-VE設計加速度位移反應譜...................115 圖6.21 8FSSEDS-BRB測推曲線雙線性化......................116 圖6.22 8FSSEDS-BRB設計位移反應譜........................116 圖6.23 8FSSEDS-BRB設計加速度位移反應譜..................116 圖6.24 8FRCEDS-VL測推曲線雙線性化.......................117 圖6.25 8FRCEDS-VL設計位移反應譜.........................117 圖6.26 8FRCEDS-VL設計加速度位移反應譜...................117 圖6.27 8FRCEDS-VN測推曲線雙線性化.......................118 圖6.28 8FRCEDS-VN設計位移反應譜.........................118 圖6.29 8FRCEDS-VN設計加速度位移反應譜...................118 圖6.30 8FRCEDS-VE測推曲線雙線性化.......................119 圖6.31 8FRCEDS-VE VE測推曲線............................119 圖6.32 8FRCEDS-VE設計位移反應譜.........................119 圖6.33 8FRCEDS-VE設計加速度位移反應譜...................119 圖6.34 8FRCEDS-BRB測推曲線雙線性化......................120 圖6.35 8FRCEDS-BRB BRB測推曲線..........................120 圖6.36 8FRCEDS-BRB設計位移反應譜........................120 圖6.37 8FRCEDS-BRB設計加速度位移反應譜..................120 圖6.38 8FSS-VL測推曲線雙線性化..........................121 圖6.39 8FSS-VL設計位移反應譜............................121 圖6.40 8FSS-VL設計加速度位移反應譜......................121 圖6.41 8FSS-VN測推曲線雙線性化..........................122 圖6.42 8FSS-VN設計位移反應譜............................122 圖6.43 8FSS-VN設計加速度位移反應譜......................122 圖6.44 8FSS-VE測推曲線雙線性化..........................123 圖6.45 8FSS-VE設計位移反應譜............................123 圖6.46 8FSS-VE設計加速度位移反應譜......................123 圖6.47 8FSS-BRB測推曲線雙線性化.........................124 圖6.48 8FSS-BRB設計位移反應譜...........................124 圖6.49 8FSS-BRB設計加速度位移反應譜.....................124 圖6.50 8FRC-VL測推曲線雙線性化..........................125 圖6.51 8FRC-VL設計位移反應譜............................125 圖6.52 8FRC-VL設計加速度位移反應譜......................125 圖6.53 8FRC-VN測推曲線雙線性化..........................126 圖6.54 8FRC-VN設計位移反應譜............................126 圖6.55 8FRC-VN設計加速度位移反應譜......................126 圖6.56 8FRC-VE測推曲線雙線性化..........................127 圖6.57 8FRC-VE VE測推曲線...............................127 圖6.58 8FRC-VE設計位移反應譜............................127 圖6.59 8FRC-VE設計加速度位移反應譜......................127 圖6.60 8FRC-BRB測推曲線雙線性化.........................128 圖6.61 8FRC-BRB BRB測推曲線雙線性化.....................128 圖6.62 8FRC-BRB設計位移反應譜...........................128 圖6.63 8FRC-BRB設計加速度位移反應譜.....................128 圖6.64 鋼結構全案例位移差距比較.........................129 圖6.65 鋼結構全案例加速度差距比較.......................129 圖6.66 RC結構全案例位移差距比較.........................130 圖6.67 RC結構全案例加速度差距比較.......................130 圖6.68 8FSS塑角分佈圖...................................131 圖6.69 8FRC塑角分佈圖...................................131 圖6.70 8FSS-VL塑角分佈圖................................131 圖6.71 8FSS-VN塑角分佈圖................................132 圖6.72 8FSS-VE塑角分佈圖................................132 圖6.73 8FSS-BRB塑角分佈圖...............................132 圖6.74 8FRC-VL塑角分佈圖................................133 圖6.75 8FRC-VN塑角分佈圖................................133 圖6.76 8FRC-VE塑角分佈圖................................133 圖6.77 8FRC-BRB塑角分佈圖...............................134 圖6.78 單層單跨鋼結構平面尺寸...........................134 圖6.79 加裝黏彈性型消能裝置.............................135 圖6.80 加裝黏彈性型消能裝置側推曲線.....................135 圖6.81單層單跨加裝黏彈性型消能裝置設計位移反應譜........136 圖6.82單層單跨加裝黏彈性型消能裝置設計加速度反應譜......136 圖6.83單層單跨加裝黏彈性型消能裝置絕對加速度歷時........137 圖6.84單層單跨加裝黏彈性型消能裝置位移歷時..............137 圖6.85 實驗構架三視圖...................................138 圖6.86 三層單跨加裝非線性黏性消能裝置側推曲線...........139 圖6.87 三層單跨加裝非線性黏性消能裝置設計位移反應譜.....139 圖6.88 三層單跨加裝非線性黏性消能裝置設計加速度反應譜...140 圖6.89 三層單跨加裝非線性黏性消能裝置絕對加速度歷時.....140 圖6.90 三層單跨加裝非線性黏性消能裝置相對位移歷時.......141 圖7.1 量勁度衰減、強度衰減及pinching共同的效應之混凝土遲滯模型....................................................141 照片目錄 照片6.1 VE Damper-1.....................................142 照片6.2 VE Damper-2.....................................142 照片6.3角鋼斜撐.........................................143 照片6.4實驗整體架構.....................................143 照片6.5未含阻尼器之三層樓空構架.........................144 照片6.6含非線性黏性阻尼器之三層樓鋼構架.................14