Microsoft PowerPoint - 8-耦合剪力牆耐震設計

COUPLED SHEAR WALL 耦合剪力牆系統 鄭敏元 MIN-YUAN CHENG ASSOCIATE PROFESSOR DEPARTMENT OF CIVIL AND CONSTRUCTION ENGINEERING NATIONAL TAIWAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Introduction Shear wall Coupled Shear Wall Coupling Beam Tests Conducted in 2012 RC Coupled Shear Wall Hybrid Coupled Shear Wall Finite Element Analysis Design Recommendations Conclusion OUTLINE 1

INTRODUCTION: SHEAR WALL 鋼筋混凝土剪力牆經常被當作建築物主要的側向力抵抗系統 提供建築物良好側向勁度 對低或中高樓層, 使用鋼筋混凝土剪力牆較為經濟且有效 (Moele et al., 2012) INTRODUCTION: SHEAR WALL Past Earthquake Experience: The 1985 Chile Earthquake Building : Acapulco Number of Stories : 15 Wall Area/Floor Area : ~ 6% Acapulco M w = 7.8 Santiago Before Earthquake After Earthquake Wood et al., 1987, The 1985 Chile Earthquake Observations on Earthquake-Resistant Construction in Vina Del Mar, Report to the National Science Foundation, University of Illinois. 2

INTRODUCTION INTRODUCTION: SHEAR WALL Past Earthquake Experience: The 2016 Kaohsiung Earthquake M w = 6.6 INTRODUCTION: SHEAR WALL M w = 6.6 3

INTRODUCTION: SHEAR WALL M w = 6.6 INTRODUCTION: SHEAR WALL M w = 6.6 4

INTRODUCTION: COUPLED SHEAR WALL 耦合剪力牆系統 : 因建築或使用需求, 在剪力牆上作規則開孔 o P Coupling Beam Shear Wall Mot M 1 M 2 C or T l 耦合效應比 (CR) = C or T l M ot M 1 M 2 T C 耦合剪力牆系統 M ot INTRODUCTION: COUPLING BEAM 剪力連接梁需要具有足夠韌性以維持耐震機制 System drift = h 1 Wall deformation Beam deformation 5

INTRODUCTION: COUPLING BEAM 剪力連接梁需要具有足夠韌性以維持耐震機制 Conventional Reinforcement (Paulay and Binney, 1971) Diagonal Reinforcement INTRODUCTION: COUPLING BEAM 剪力連接梁實際施作情形 (www.sukamta.com/service/view/10) (http://sitemaker.umich.edu/nees.hpfr c.project/the_motivation, July 2012) (..) 6

INTRODUCTION: COUPLING BEAM 利用鋼梁取代鋼筋混凝土剪力連接梁 鋼梁於現場定位困難 預埋鋼梁細部現場施作困難 設計建議大多根據構件實驗與有限元素分析 Park and Yun, 2005 Lehmkuhl, 2002 TEST CONDUCTED IN 2012 兩組四層樓高試體於建研所實驗室測試 試體總高 4 @ 1.50 m = 6.00 m 試體總寬約 3.05 m 牆寬 1.30 m 剪力連接梁淨垮 0.45 m 剪力連接梁垮深比 1.5 600 150 150 150 150 130 45 130 Unit in cm 7

2016/8/4 150 150 30 5 150 鋼筋混凝土耦合剪力牆系統 CW-RC 30 TEST CONDUCTED IN 2012 End Section 150 Stirrup #3 @ 75mm Hor. Reinforcement #3 82.5 5 30 Diagonal Reinforcement 8#5 Unit in cm Unless Specified Middle Section 20 18 TEST CONDUCTED IN 2012 鋼筋混凝土耦合剪力牆系統 CW-RC 8

TEST CONDUCTED IN 2012 CW-S 8 20 82.5 150 150 150 150 30 Unit in cm Unless Specified 20 TEST CONDUCTED IN 2012 CW-S 9

2016/8/4 TEST CONDUCTED IN 2012 測試佈置 South North Hydraulic Jacks Actuator 200 tf Specimen Actuator 200 tf Prestress Strand 0.6 in. 675 Reaction wall 375 Concrete Bottom Block Laboratory Strong Floor TEST CONDUCTED IN 2012 CW-RC測試結果 2nd Floor Reinforcement Buckled 4th Floor Reinforcement Buckled 3rd Floor Roof Floor At the end of the test (walls) 鋼筋混凝土耦合剪力牆系統 10

TEST CONDUCTED IN 2012 CW-RC 測試結果 0.8Mpeak 總傾覆彎矩 (kn-m) du=2.80 鋼筋混凝土耦合剪力牆 CW-RC CW-S 測試結果 TEST CONDUCTED IN 2012 鋼梁無發生挫曲與斷裂 2 nd Floor 混凝土嚴重剝落 At the end of the test (walls) 3 rd Floor 11

TEST CONDUCTED IN 2012 CW-S 測試結果 0.8Mpeak 總傾覆彎矩 (kn-m) du=1.94 複合型耦合剪力牆 CW-S 模型建構 CW-RC-5 忽略底部混擬土塊 改變梁厚與牆同厚 鋼筋混凝土耦合剪力牆系統 12

模型建構 CW-S-12 忽略底部混擬土塊 鋼梁元素劃分 元素與材料卡設定 實體元素殼元素桿元素 MAT159 非線性模型 MAT3 雙線性模型 MAT24 多線性模型 混凝土鋼板鋼筋 13

低降伏鋼板試片拉伸試驗模擬 (MAT24 材料模型 ) 材料參數設置 鋼板低降伏鋼板 低降伏鋼板材料模型參數設置 材料 密度 彈性模數 浦松比 模型 RO(ton/mm 3 ) E (MPa) PR 材料失效應變 有效應力 - 塑性應變曲線 FAIL LCSS MAT24 7.644E-09 200000 0.3 0.45 材料曲線 低降伏鋼板試片拉伸試驗模擬 (MAT24 材料模型 ) 模型元素劃分 施加軸力固定支承 模擬結果 應力 (MPa) 14

分析結果驗證 8000 8000 6000 0.8M peak 6000 0.8M peak 0.8M peak 4000 0.8M peak 4000 2000 2000 0 2.66 2.80 0 1.93 1.94-2000 d u -2000 d u -4000-4000 -6000-8000 d u - 系統極限層間位移角 CW-RC LS-DYNA CW-RC-5-6000 -8000 d u - 系統極限層間位移角 CW-S LS-DYNA CW-S-12-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 系統層間位移角 (%) -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 系統層間位移角 (%) CW-RC 與 CW-RC-5 CW-S 與 CW-S-12 分析結果驗證 剪力連接梁混凝土損壞 剪力牆底部混凝土損壞 鋼筋混凝土耦合剪力牆系統 15

耦合剪力牆系統 剪力牆基底剪力 耦合效應比作用下 - 壓力牆軸力 0.3 0.3 0.25 0.25 三倍兩倍 四倍 兩倍 0.2 0.15 0.1 0.2 0.15 0.1 0.05 0.05 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 系統層間位移角 (%) 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 系統層間位移角 (%) 鋼筋混凝土耦合剪力牆系統 鋼筋混凝土耦合剪力牆系統 改變剪力連接梁設計參數 鋼筋混凝土剪力連接梁 改變對角線鋼筋號數 四號 (CW-RC-4) 五號 (CW-RC-5) 六號 (CW-RC-6) 七號 (CW-RC-7) 八號 (CW-RC-8) 低降伏鋼板剪力連接梁 改變低降伏鋼板厚度 6mm(CW-S-6) 9mm(CW-S-9) 12mm(CW-S-12) 15mm(CW-S-15) 18mm(CW-S-18) 16

分析結果 改變對角線鋼筋號數 改變低降伏鋼板厚度 鋼筋混凝土耦合剪力牆系統 分析結果 耦合剪力牆系統 - 耦合效應比 鋼筋混凝土耦合剪力牆系統 17

分析結果 剪力連接梁之剪力容量預測 標稱撓曲強度 V n,mn = 2M n l n 標稱剪力強度 800 700 600 500 400 300 200 CW-RC-4 第一層樓梁第二層樓梁第三層樓梁第四層樓梁標稱撓曲強度標稱剪力強度 梁剪力 (kn) 800 700 600 500 400 300 200 CW-RC-5 第一層樓梁第二層樓梁第三層樓梁第四層樓梁標稱撓曲強度標稱剪力強度 2 100 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 系統層間位移角 (%) CW-RC-4 100 鋼筋混凝土耦合剪力牆系統 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 系統層間位移角 (%) CW-RC-5 DESIGN RECOMMENDATIONS RC 耦合剪力牆系統 V n,mn = 2M n l n m ot = m 1 m 2 4V n,mn l 設計耦合效應比 = 4V n,mn l m ot 剪力牆軸力彎矩互制圖 18

DESIGN RECOMMENDATIONS RC 耦合剪力牆系統 剪力連接梁強度 - 斷面撓曲強度評估 V n,mn = 2M n l n 斷面分析 (LS-DYNA 數值分析 ) 模型編號 CW-RC-4 CW-RC-5 CW-RC-6 CW-RC-7 CW-RC-8 剪力梁連接梁撓曲強度 V n,mn (kn) 312 401 501 619 756 剪力牆軸力比 4V n,mn / 0.13 (0.10-0.20) 0.17 (0.14-0.23) 0.21 (0.20-0.26) 0.26 (0.27-0.28) 0.32 (0.28-0.29) 耦合效應比 0.40 (0.32-0.47) 0.46 (0.39-0.51) 0.53 (0.55-0.57) 0.59 (0.58-0.61) 0.66 (0.60-0.62) 極限層間位移角 d u (%) (3.07%) (2.66%) (1.45%) (1.26%) (1.21%) 建議軸壓大小控制在 0.15 以下 DESIGN RECOMMENDATIONS 剪力連接梁之剪力容量預測 標稱極限強度 0.6 800 700 600 500 CW-S-6 第一層樓梁第二層樓梁第三層樓梁第四層樓梁標稱極限強度標稱降伏強度 800 700 600 500 CW-S-9 第一層樓梁第二層樓梁第三層樓梁第四層樓梁標稱極限強度標稱降伏強度 400 400 標稱降伏強度 300 200 300 200 0.6 / 3.5 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 系統層間位移角 (%) CW-S-6 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 系統層間位移角 (%) CW-S-9 100 100 19

DESIGN FINITE CONCLUSION RECOMMENDATIONS ELEMENT ANALYSIS V n,p =3V n = 3 0.6 m ot = m1 m2 4Vn,p l 設計耦合效應比 = 4V n,p l m ot 剪力牆軸力彎矩互制圖 DESIGN RECOMMENDATIONS 剪力連接梁強度 - 三倍標稱降伏強度評估剪力 V n,p =3V n = 3 0.6 斷面分析 (LS-DYNA 數值分析 ) 模型編號 CW-S-6 CW-S-9 CW-S-12 CW-S-15 CW-S-18 剪力梁連接梁撓曲強度 V n,p (kn) 241 361 482 602 723 剪力牆軸力比 4 V n,p / 0.10 (0.07-0.14) 0.15 (0.13-0.15) 0.20 (0.21-0.21) 0.25 (0.18-0.23) 0.30 (0.25-0.25) 耦合效應比 0.30 (0.35-0.37) 0.40 (0.36-0.39) 0.48 (0.47-0.47) 0.55 (0.51-0.53) 0.61 (0.53-0.54) 極限層間位移角 d u (%) (2.91%) (2.80%) (1.93%) (1.72%) (1.58%) 建議軸壓大小控制在 0.15 以下 20

DESIGN RECOMMENDATIONS 剪力分佈 剪力牆基底剪力 1400 1200 1000 CW-RC-4 左側剪力牆 ( 張力牆 ) 右側剪力牆 ( 壓力牆 ) 1400 1200 1000 CW-S-6 左側剪力牆右側剪力牆 800 800 600 三倍兩倍 600 兩倍 400 400 200 200 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 系統層間位移角 (%) CW-RC-4 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 系統層間位移角 (%) CW-S-6 假設壓力牆底剪力佔總基底剪力 70% DESIGN RECOMMENDATIONS 剪力分佈 m ot = h 1 0.5 h 2 總基底剪力 1.5 = V 1 V 2 70% 總基底剪力 0.7(1.5 ) = V 2 ( 壓力牆底剪力 ) 21

DESIGN RECOMMENDATIONS 剪力分佈 壓力牆底剪力 斷面分析 (LS-DYNA 數值分析 ) 模型編號 CW-RC-4 CW-RC-5 CW-RC-6 CW-RC-7 CW-RC-8 壓力牆正規化剪力 ( 分配到 70% 總基底剪力 ) V 2, / 0.49 (0.48-0.69) 0.54 (0.57-0.73) 0.60 (0.67-0.76) 0.66 (0.67-0.76) 0.72 (0.70-0.78) 耦合效應比 0.40 (0.32-0.47) 0.46 (0.39-0.51) 0.53 (0.55-0.57) 0.59 (0.58-0.61) 0.66 (0.60-0.62) 極限層間位移角 d u (%) (3.07%) (2.66%) (1.45%) (1.26%) (1.21%) 鋼筋混凝土耦合剪力牆系統 DESIGN RECOMMENDATIONS 剪力分佈 壓力牆底剪力 建議壓力牆剪應力 斷面分析 (LS-DYNA 數值分析 ) 模型編號 CW-S-6 CW-S-9 CW-S-12 CW-S-15 CW-S-18 壓力牆正規化剪力 ( 分配到 70% 總基底剪力 ) V 2 / 0.43 (0.48-0.51) 0.49 (0.52-0.53) 0.54 (0.56-0.60) 0.59 (0.58-0.63) 0.64 (0.59-0.66) 耦合效應比 0.30 (0.35-0.37) 0.40 (0.36-0.39) 0.48 (0.47-0.47) 0.55 (0.51-0.53) 0.61 (0.53-0.54) 極限層間位移角 d u (%) (2.91%) (2.80%) (1.93%) (1.72%) (1.58%) 0.50 MPa 以下 22

CONCLUSION 耦合剪力牆系統耦合效應比可由構件標稱強度合理評估, 在該耦合效應作用下, 受壓牆面假設可佔總基底剪力 70%, 並控制受壓剪牆面之軸力低於 0.15, 且限制牆內剪力需求控制在 0.50 MPa 以下以得到理想的系統極限層間位移變形能力 系統在極限層間位移量下之耦合效應比可由桿件標稱強度保守的評估, 其中使用對角線鋼筋之鋼筋混凝土剪力連接梁標稱剪力強度建議由斷面撓曲強度決定, 低降伏鋼剪力連接梁標稱剪力強度則建議使用三倍標稱降伏強度去評估 23