槽 接 式 挫 屈 束 制 支 撐 研 發 與 耐 震 性 能 表 現 吳 安 傑 Wu An Chien 國 家 地 震 工 程 研 究 中 心 () 槽 接 式 挫 屈 束 制 支 撐 設 計 與 應 用 說 明 會 2014, 台 北 市
同 心 斜 撐 構 架 側 向 勁 度 強 度 高
面 外 挫 屈 破 壞 傳 統 鋼 骨 同 心 斜 撐 破 壞 實 例 (1995 年 阪 神 地 震 ) 面 內 挫 屈 破 壞
斜 撐 構 件 受 壓 挫 屈 後 耐 震 性 能 惡 化 W6x20 KL/r=80 P
設 計 地 震 力 (475 年 ) 樓 層 側 位 估 計 V VE E R=Rμ Ω0 R Vy VS Rμ Y Ω0 S ΔS Δy ΔD 0.003 rad. 0.02 rad. Cd Δ
斜 撐 應 變 與 側 位 移 角 之 關 係 wp 2 sin2 If 45, 0.02 rad. 0.01 wp wp 45 H H
傳 統 斜 撐 挫 屈 時 之 應 變 F y Tension 0.5F y 0.001 Compression F cr =0.5F y
斜 撐 構 件 壓 挫 屈 之 韌 性 接 合 細 節 建 議 (AISC) 層 間 位 移 達 0.003 斜 撐 即 挫 屈 斜 撐 應 變 約 0.0013
較 小 的 斜 撐 構 件 較 易 進 行 韌 性 接 合 設 計 > 2t
不 符 合 斜 撐 韌 性 變 形 要 求 之 接 合 細 節
斜 撐 構 件 受 拉 與 壓 在 接 合 斷 裂
斜 撐 構 件 受 拉 在 接 合 斷 裂
斜 撐 構 件 受 拉 在 接 合 斷 裂
對 大 型 斜 撐, 較 難 設 計 出 符 合 韌 性 變 形 需 求 之 接 合 細 節!?
挫 屈 束 制 支 撐 (BRB) 組 成 與 特 性 F 達 降 伏 No Buckling ( 不 Yielding 挫 屈 ) 核 心 元 件 砂 漿 ( 混 凝 土 ) BRB P 脫 層 材 料 + = Compression Tension δ 圍 束 鋼 管 束 制 元 件
挫 屈 束 制 支 撐 強 度 特 性 易 預 測 Axial Force (kn) R R R y h y y P P y P y h y Axial Displacement (mm) 標 稱 降 伏 強 度 P F A y y c 最 大 壓 力 強 度 P P R max y y h Ry : material overstrength factor h : strainhardening factor : compression strength adjustment factor ( 壓 力 強 度 調 整 因 子 ) Material R y Ω h β SN490B 1.2 1.3 1.1~1.2 A572 GR50 1.1 1.3 1.1~1.2 A36 1.3 1.5 1.1~1.2
BRB 尖 峰 壓 拉 比 值 上 限 (AISC 2010 ) Axial Force (kn) 標 稱 降 伏 強 度 P F A y y c 最 大 壓 力 強 度 Pmax PyRyh R R R y h y y P P y P y h y Axial Displacement (mm) R y : 材 料 超 強 因 子 應 變 硬 化 因 子 h : : 壓 力 強 度 調 整 因 子 AISC 2010 acceptance criteria: i i i PC T / P 1.3 CPD200 by ( 累 積 非 線 性 變 形 量 )
挫 屈 束 制 支 撐 外 管 強 度 容 易 預 測 Axial Force (kn) R R R y P y h y P y P y h y Axial Displacement (mm) No overall flexural buckling P P F A y y c P P R max y y h 2 EI P tube max e_ tube ( KL ) 2 tube
對 接 接 合 較 長 搭 接 較 短 接 合 常 採 對 接 或 搭 接 搭 接 對 接 搭 接 螺 栓 僅 需 一 套 不 須 使 用 多 片 對 接 板 精 準 度 要 求 較 低 搭 接 亦 可 採 焊 接 接 合
BRB 端 部 接 合 越 短 越 好 提 高 核 心 消 能 段 的 疲 勞 壽 命 與 接 合 區 段 的 穩 定 性 Lb/2 Lb/2 Lc Lc Lwp Lwp
BRB 接 合 段 挫 屈 強 度 計 算 方 式 接 合 螺 栓 用 量 減 半, 接 合 長 度 減 短, 簡 化 接 合, 大 幅 提 高 接 合 區 的 穩 定 性 P e_ trans 2 EI ( KL ) trans 2 b P max L b /2
挫 屈 束 制 支 撐 等 效 彈 性 勁 度 Effective stiffness 1 EAcA taj Keff L 2L 2Lj LAA2LAA 2LAA EA EA EA c t c t j t c j j c t c t j Area=A c Area=A t Area=A j W.P. Lj Lt Lc Lt Lj W.P.
BRB 等 效 彈 性 勁 度 係 數 Q Length ratio L L,2L L,2L L 1.0 c t j Area ratio A a A, A a t j j A c t c c c wp t t wp j j wp Effective stiffness K eff aa t j c t j aa a t j a EA L c EA Q L c j t wp wp
Q 值 應 介 於 1.2~1.5 (<1.6) K eff t j aa a a c t j aa t j EA L c EA Q L c j t wp wp
Q 值 與 構 架 降 伏 側 位 移 角 θy 2 Py / Keff 2 Fy / QE wp sin2y 2 L sin2 sin2 wp y
核 心 應 變 與 樓 層 側 位 移 成 線 性 比 例 c wp L sin2 2 L c wp, c wp c Lc Lwp θ=0.02 rad. φ=45 αc=0.5 εc=0.02 αc>0.3 is recommended
核 心 長 度 比 αc 越 小 核 心 應 變 越 大 wp 2 sin2 c c L L c wp, c wp c
核 心 應 變 越 小 疲 勞 壽 命 越 長 Nf=number of cycles before fracture f εc=1%, Nf 470 [Takeuchi et al. 2008] εc=2%, Nf 110
搭 接 式 BRB 應 用 案 例 統 計 新 建 及 補 強 工 程 包 括 : 辦 公 大 樓 企 業 總 部 醫 院 體 育 館 寺 廟 高 科 技 廠 房 變 電 所 住 宅 大 樓 酒 店 超 過 60 件 工 程 應 用 案 使 用 至 今 已 製 造 安 裝 超 過 12,000 組
面 臨 的 挑 戰 超 大 軸 力 容 量 需 求 設 計 與 施 工 同 時 進 行 要 求 降 低 總 鋼 用 量 成 本 要 求 可 靠 且 經 濟 之 脫 層 材 料 施 工 程 序 要 求 BRB 工 地 接 合 之 方 便 與 經 濟 性 確 保 BRB 與 接 合 耐 震 性 能 之 穩 定 協 助 工 程 師 進 行 BRB 細 部 與 接 合 設 計
槽 接 式 挫 屈 束 制 支 撐 (WES BRB) BRB using Welded End Slot (WES) connection 外 型 美 觀 接 合 簡 單 安 裝 方 便 疲 勞 壽 命 長 材 料 用 量 少 整 體 成 本 低
試 體 WES R 性 能 佳 易 模 擬 L BRB =2.5m P y =135ton β<1.18 CPD=640 Axial Force (kn) Axial Force (kn) 2000 1000 0-1000 -2000 2000 1000 0-1000 -2000 Core Strain (%) -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 WES-R PISA3D WES-R Core fracture at 7th cycle -80-60 -40-20 0 20 40 60 80 Axial Displacement (mm) 600 400 200 0-200 -400-600 600 400 200 0-200 -400-600 Core Stress (MPa) Core Stress (MPa) Tube 175 175 4.5
試 體 WES C 性 能 佳 易 模 擬 L BRB =3.3m P y =305ton β<1.11 CPD=834 Axial Force (kn) Axial Force (kn) 5000 4000 3000 2000 1000 0-1000 -2000-3000 -4000-5000 5000 4000 3000 2000 1000 0-1000 -2000-3000 -4000-5000 Core Strain (%) -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 WES-C PISA3D WES-C Core fracture at 16th cycle -80-60 -40-20 0 20 40 60 80 Axial Displacement (mm) 600 400 200 0-200 -400-600 600 400 200 0-200 -400-600 Core Stress (MPa) Core Stress (MPa) Pipe 267.4 6
試 體 WES J 性 能 佳 易 模 擬 L BRB =12.5m P y =1140tf β<1.16 CPD=406 Axial Force (kn) Axial Force (kn) 20000 15000 10000 5000 0-5000 -10000-15000 -20000 20000 15000 10000 5000 0-5000 -10000-15000 -20000 Core Strain (%) -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 WES-J PISA3D WES-J Core fracture at 4th cycle -500-400-300-200-100 0 100 200 300 400 500 Axial Displacement (mm) 600 400 200 0-200 -400-600 600 400 200 0-200 -400-600 Core Stress (MPa) Core Stress (MPa) t c =48mm Pipe 609.6 12
兩 層 實 尺 寸 構 架 性 能 良 好 (>3.5% 弧 度 )
三 層 實 尺 寸 構 架 擬 動 態 試 驗 6000 mm 3190 mm 3 rd story 3190 mm 2 nd story 2928 mm 1 st story
BRB 構 件 與 構 架 耐 震 性 能 良 好 穩 定 3F BRB 2F BRB 1F BRB
雙 管 型 與 槽 接 式 BRB 成 本 比 較 LBRB Lsc DC-BRB P y = 400 tf t c = 38 mm L BRB = 4.7 m L sc = 3.8 m LBRB Lsc Tube 400x200x9 WES-BRB Tube 350x350x6
雙 管 型 與 槽 接 式 BRB 成 本 比 較 搭 接 式 BRB 槽 接 式 BRB Unit price (NT$) Amount (NT$) Unit price (NT$) Amount (NT$) 甲 公 司 乙 公 司 丙 公 司 121,800 96,600 113,242 24,360,000 19,320,000 22,648,400 99,750 63,000 86,329 19,950,000 12,600,000 17,265,800 Cost saving 22% 53% 31% Quantity: 200 sets, Date: 2010/04
槽 接 接 合 與 螺 栓 對 接 成 本 比 較 採 焊 接 接 合 除 可 提 高 接 和 穩 定 性 成 本 亦 可 節 省 300% 費 用 單 端 需 192 組 P y =1140ton M24 F10T H.S.B. 雙 端 焊 接 接 合 NT$20,000 雙 端 螺 栓 接 合 NT$80,000
工 程 應 用 實 例 成 本 比 較 基 地 位 置 : 新 竹 市 東 區 ( 第 二 類 地 盤 ) 建 築 規 模 : 地 上 14 層 建 築 用 途 : 辦 公 大 樓 構 造 種 類 : 地 上 層 鋼 骨 造 結 構 系 統 : 韌 性 抗 彎 構 架 及 含 挫 屈 束 制 支 之 二 元 構 架 系 統 樓 層 高 度 : 標 準 層 每 層 4.2m 標 準 跨 距 :8.4~12m 內 外 牆 系 統 : 內 牆 採 輕 隔 間 外 牆 玻 璃 帷 幕 外 牆 樓 板 厚 度 : 地 上 層 15cm 厚 鋼 承 鈑 RC 樓 板 資 料 提 供 : 群 策 工 程 顧 問 ( 股 ) 有 限 公 司
工 程 應 用 實 例 成 本 比 較 X, Y 雙 向 BRB 構 架 Y 單 向 BRB 構 架 資 料 提 供 : 群 策 工 程 顧 問 ( 股 ) 有 限 公 司
A. 單 向 加 BRB BRB BRB 鋼 材 數 量 (ton) 單 價 (NT$/ton) 總 價 (NT$) A572 GR50 670 52,000 34,840,000 SM490 1200 53,000 63,600,000 SN490 1640 54,000 88,560,000 BRB 數 量 ( 支 ) 單 價 (NT$/ 支 ) 總 價 (NT$) 28 120,000 3,360,000 Total (NT$) 190,360,000 資 料 提 供 : 群 策 工 程 顧 問 ( 股 ) 有 限 公 司
B. 雙 向 加 BRB 顯 著 提 升 整 體 結 構 耐 震 性 能 降 低 結 構 用 鋼 量, 較 方 案 A 省 1,060 萬 (NT$ 510 / m 2 ) BRB BRB BRB 鋼 材 數 量 (ton) 單 價 (NT$/ton) 總 價 (NT$) A572 GR50 655 52,000 34,060,000 SM490 1060 53,000 56,180,000 SN490 1470 54,000 79,380,000 BRB 數 量 ( 支 ) 單 價 (NT$/ 支 ) 總 價 (NT$) 84 120,000 10,080,000 BRB Total (NT$) 179,700,000 資 料 提 供 : 群 策 工 程 顧 問 ( 股 ) 有 限 公 司
槽 接 式 挫 屈 束 制 支 撐 授 權 廠 商 感 謝 支 持 台 灣 地 區 : 正 皆 豪 實 業 ( 股 ) 有 限 公 司 正 長 榮 鋼 鐵 ( 股 ) 有 限 公 司 正 春 源 鋼 鐵 工 業 ( 股 ) 有 限 公 司 正 理 成 工 業 ( 股 ) 有 限 公 司 正 東 鋼 鋼 結 構 ( 股 ) 有 限 公 司 非 台 灣 地 區 ( 開 放 三 組 廠 商 代 理 ): 正 紐 西 蘭 Grayson Engineering Ltd. 特 別 感 謝 : 正 千 翔 膠 業 有 限 公 司
紐 西 蘭 威 靈 頓 既 有 RC 建 物 補 強
WES BRB 應 用 案 例 台 灣 電 力 公 司 萬 隆 聯 合 辦 公 室 彰 化 基 督 教 醫 院 員 林 分 院 台 灣 積 體 電 路 竹 科 十 二 廠 六 期 台 灣 積 體 電 路 竹 科 十 二 廠 七 期 台 灣 積 體 電 路 南 科 十 四 廠 五 期 宜 華 國 際 大 直 觀 光 旅 館 合 作 金 庫 商 業 銀 行 五 股 多 功 能 會 館 新 北 市 三 重 區 國 民 運 動 中 心 新 北 市 土 城 區 國 民 運 動 中 心 新 北 市 中 和 區 國 民 運 動 中 心 三 商 美 邦 人 壽 台 中 辦 公 大 樓 新 建 工 程 天 強 建 設 萬 華 直 興 段 住 宅 大 樓 台 北 捷 運 信 義 線 安 和 路 站 聯 合 開 發 大 樓 台 北 文 化 體 育 園 區 大 巨 蛋 影 城 / 辦 公 / 旅 館 / 商 場 棟
三 重 運 動 中 心
超高層住宅應用例 地上42F住辦大樓 / 地下室B5F 建築物總高度約為163.4m 地下開挖深度約為19.80m 地震分區 台北一區(新莊) 資料提供 凱巨工程顧問有限公司
彰 化 基 督 教 醫 院
中 和 運 動 中 心 WES BRB
WES BRB 高雄海洋文化 及流行音樂中心
宜 華 國 際 大 直 觀 光 旅 館
從 經 驗 中 學 習 與 改 進 挫 屈 束 制 支 撐 性 能 的 保 證 脫 層 材 料 與 製 程 的 控 管 授 權 廠 商 統 一 的 製 程 生 產 品 質 檢 覈 的 機 制 對 個 案 提 供 完 整 的 品 質 證 書 提 供 商 標 與 雲 端 設 計 輔 助 軟 體
應 用 案 中 實 體 抽 樣 測 試 Member Py(kN) LBRB(mm) Casing(mm) Strain CPD WES 01 5175 7013 449 449 8 3.0% 470 WES 02 6720 9198 465 465 8 3.0% 600 WES 03 2250 4500 250 250 6 3.0% 453 WES 04 7300 4773 Pipe 500 9 3.0% 1036 WES 05 8300 4700 390 390 8 3.0% 952 WES 06 2510 3700 Pipe 318.5 6 1.8% 965 WES 07 3200 3708 Pipe 406.4 9 2.1% 771 WES 08 3750 4250 Pipe 406.4 6 2.2% 790 WES 09 6940 4110 Pipe 500 9 2.7% 898 WES 10 8800 3285 485 485 10 1.9% 1105
實 體 抽 樣 測 試 結 果 10000 7500 5000 2500 0-2500 -5000-7500 -10000 Core Strain (%) -3-2 -1 0 1 2 3-200 -100 0 100 200 Axial Displacement (mm) Core Strain (%) -3-2 -1 0 1 2 3 Factured at 3rd cycle -200-100 0 100 200 Axial Displacement (mm) 500 250 0-250 -500 Core Stress (MPa) WES 02, A572 GR50 Py=6720kN, LBRB=9198mm CPD=600, β<1.08
實 體 抽 樣 測 試 結 果 脫 層 效 果 優 良 i i C i T P P E P C i P T i All the β values < 1.12
等 效 勁 度 可 精 準 預 測 W.P. L j,dt L j L t (K eff K exp )/K exp <10% L c L j,dt W.P. L t L j K eff 1 L 2 c 2L L t j EA EA EA c t j Replace by the sensor location L j,dt
彰 化 基 督 教 醫 院 員 林 分 院
結 論 http://bod.ncree.org.tw 分 析 與 應 用 結 果 顯 示,BRB 的 使 用 能 使 結 構 耐 震 性 能 良 好 穩 定, 且 可 顯 著 降 低 鋼 構 造 價 成 本 槽 接 式 BRB 保 有 接 合 穩 定 及 施 工 便 利 的 優 點, 更 大 幅 降 低 製 造 用 料 與 成 本 槽 接 式 BRB 有 外 型 美 觀 疲 勞 壽 命 長 安 裝 方 便 與 容 易 設 計 與 分 析 等 優 點 實 尺 寸 的 構 件 與 構 架 試 驗 顯 示, 槽 接 式 BRB 構 件 及 其 接 合 耐 震 性 能 良 好 穩 定 習 見 之 非 線 性 結 構 分 析 軟 體, 能 有 效 預 測 槽 接 式 BRB 及 BRBF 之 受 力 與 變 形 反 應 已 建 置 授 權 管 理 與 保 證 機 制, 可 確 保 品 質
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