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系統識別號 U0002-2007201814030500
中文論文名稱 黏滯性阻尼器於鋼建築結構之最佳化配置
英文論文名稱 Optimal Configuration of Viscous Dampers in Steel Building Structures
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 曾韋霖
研究生英文姓名 Wei-Lin Tseng
學號 605380269
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-06-23
論文頁數 141頁
口試委員 指導教授-高金盛
委員-苟昌煥
委員-葉怡成
中文關鍵字 黏滯性阻尼器  鋼結構  最佳化 
英文關鍵字 Viscous damper  Steel building structure  Optimization 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究針對了線性黏滯性阻尼器於鋼建築結構內的最佳化配置方法進行研究。由於阻尼器的應用於國外已屬於非常常見與成熟的抗震設計方法,但於國內仍處於剛萌芽的階段,加上目前阻尼器分布方法的探討大多針對某特定地震歷時下未加設阻尼器的結構的反應表現作為分配的依據,步驟較為繁瑣,故本研究希望能以透過結構模態特性作為分配函數的依據,使得建築結構在不經過多複雜運算分析下,也能有一套良好有效的阻尼器布置方法。
本研究利用了FEMA273、FEMA274中所提到的第一模態等效阻尼比計算公式推導出阻尼器在結構物不同樓層中對於第一模態等效阻尼比的敏感度,並利用此敏感度提出了依據等效阻尼比敏感度比例分配以及等效阻尼比最大化分配法兩種分配方法,並與過往文獻中曾提出的利用結構層剪力比例、層間位移轉角比例,以及業界較常使用的平均分配法進行比較,比較此五種方法在總阻尼係數相同的情況下,對三樓單跨構架、二十層三跨構架、以及二十層X、Y向皆三跨的結構進行分配後,在樓層位移、速度、加速度、層間位移轉角、最大梁彎矩、和最大柱彎矩的折減效果。
研究結果顯示,本研究新提出的兩種分配方法同樣能在不同地震力作用下都有良好折減效果,其中將等效阻尼比最大化的方案對於樓層位移、層間位移、最大梁彎矩的折減效果最好,最大柱彎矩、速度、以及加速度的折減效果則是以層間力比例分配效果較好。而本文的貢獻主要在於能夠將以往使用特定地震力進行比例分配的複雜過程,轉使用模態分析的結果作為分配依據,可以減少分析時間,卻能達成相近或更好的折減效果。
英文摘要 This study is aims to discuss the optimization of linear viscous dampers in steel building structures. Because the damper is applied to foreign countries, it is a very common and mature seismic design method, but it is still in the nascent stage in Taiwan. In addition, the discussion of the current damper configuration method is mostly based on the structural response of the structure without a damper in a specific seismic duration. Therefore, this study hopes to establish a distribution function based on structural modal characteristics, which makes the building structure have a good and effective damper configuration method without complicated computational analysis.
This study uses the formula to calculate the first mode equivalent damping ratio mentioned in FEMA 273 and FEMA 274, and derive the sensitivity of the damper to the first modal equivalent damping ratio in different floors of the structure. By using this sensitivity, two configuration methods are proposed-- configuration method due to the ratio of the equivalent damping ratio and equivalent damping ratio maximization configuration method. Compared with the configuration method due to story shear ratio, the configuration method due to the ratio of inter-story drift ratio mentioned by previous studies, and the average configuration method commonly used in the industry. Comparing the effects of these five methods on structural internal forces and structural responses, and then find out which ones are more economical to use under different considerations.
The research results shows that the two new methods proposed in this study can also have good reduction effects under different seismic forces. Among them, the equivalent damping ratio maximization configuration method has the best effect on the story displacement, the inter-story drift ratio, and the maximum beam bending moment. The reduction effect of the maximum column bending moment, story velocity, and story acceleration are better by using configuration method due to story shear ratio. The main contribution of this paper is to take advantage of the results of modal analysis as a reference for configuration, which used to be a complex processes that the proportional configuration of specific seismic forces was used, which requires less time on analyzing, but achieve similar or better reduction effects.
論文目次 目錄
目錄 I
圖目錄 V
表目錄 VIII
第一章 緒論 1
1-1 研究背景與動機 1
1-2 研究目的 2
1-3 研究流程 3
1-4 研究內容 4
第二章 文獻回顧 6
2-1 前言 6
2-2 阻尼器以循環迭代的布置優化 6
2-3 阻尼器以一次性布置進行的布置優化 7
2-4 阻尼器應用於減震效果的驗證 8
2-5 其他被動隔減震元件的相關研究 9
2-5-1 質量調諧阻尼器 9
2-5-2 黏彈性阻尼器 10
2-5-3 隔震器 11
第三章 基礎理論與方法 13
3-1 SAP2000黏滯性阻尼器的力學性質 13
3-2 黏滯性阻尼器提供之阻尼比 14
3-3 黏滯性阻尼器最佳化布置方法 17
3-4 黏滯性阻尼器新布置方案流程 19
第四章 黏滯性阻尼器對鋼構架力學行為之影響 21
4-1 前言 21
4-2 分析基本資料 21
4-2-1 初始鋼構架之基本資料 21
4-2-2 阻尼比設定 22
4-2-3 地震加速度歷時與設計反應譜 23
4-3 分析結果 24
4-3-1 短週期構架不同阻尼比對構架反應之效果 24
4-3-2 長週期構架不同阻尼比對構架反應之效果 29
4-3-3 短週期構架不同阻尼比對構架內力之效果 36
4-3-4 長週期構架不同阻尼比對構架內力之效果 38
4-3-5 阻尼比修正係數 41
4-4 小結 44
第五章 黏滯性阻尼器設置於鋼構架之最佳化設計 45
5-1 前言 45
5-2 阻尼器布置方法 45
5-2-1 方案1:平均分配 46
5-2-2 方案2:按層剪力比例分配 46
5-2-3 方案3:按層間轉角比例分配 47
5-2-4 方案4:按阻尼係數對阻尼比之敏感度比例分配 47
5-2-5 方案5:按阻尼係數對阻尼比之敏感度大小優先度分配 48
5-3 三層構架基本資料 48
5-3-1 初始構架基本資料 48
5-3-2 阻尼器之阻尼係數設定 49
5-3-3 各方案於各層樓布置之阻尼器阻尼係數 50
5-4 三層構架分析結果與比較 51
5-4-1 各方案之頂層反應歷時比較 51
5-4-2 各方案之各樓層最大反應與最大梁柱彎矩比較 53
5-5 二十層構架基本資料 62
5-5-1 初始構架基本資料 62
5-5-2 阻尼器之阻尼係數設定 64
5-5-3 各方案於各層樓布置之阻尼器數量 64
5-6 二十層構架分析結果與比較 66
5-6-1 各方案之頂層反應歷時比較 66
5-6-2 各方案之各樓層最大反應與最大梁柱彎矩比較 69
5-7 小結 97
第六章 黏滯性阻尼器設置於鋼結構之最佳化配置 98
6-1 前言 98
6-2 結構之基本資料 98
6-3 阻尼器之參數與分配 101
6-3-1 阻尼係數 101
6-3-2 阻尼器配置 101
6-4 分析結果與比較 102
6-4-1 各方案之頂層反應歷時比較 102
6-4-2 各方案之各樓層最大反應與最大梁柱彎矩比較 105
6-5 小結 134
第七章 結論與建議 135
7-1 結論 135
7-2 建議 136
參考文獻 138

圖目錄
圖3- 1 MAXWELL 恢復力模型 13
圖3- 2新方案最佳化布置流程圖 20
圖4- 1基本構架立面圖 21
圖4- 2添加阻尼器之構架立面圖 22
圖4- 3 EL CENTRO地震歷時 23
圖4- 4 TCU096測站人造地震歷時 23
圖4- 5短週期構架有無提升阻尼比之加速度比較圖(EL CENTRO) 24
圖4- 6短週期構架有無加設阻尼器之加速度比較圖(EL CENTRO) 24
圖4- 7短週期構架有無提升阻尼比之加速度比較圖(人造地震) 25
圖4- 8短週期構架有無加設阻尼器之加速度比較圖(人造地震) 25
圖4- 9兩阻尼比提升方法於短週期構架Ξ=0.1時之加速度歷時比較圖 28
圖4- 10兩阻尼比提升方法於短週期構架Ξ=0.1時之加速度歷時比較圖 29
圖4- 11長週期構架有無提升阻尼比之加速度比較圖(EL CENTRO) 30
圖4- 12短週期構架有無加設阻尼器之加速度比較圖(EL CENTRO) 30
圖4- 13長週期構架有無提升阻尼比之加速度比較圖(人造地震) 31
圖4- 14短週期構架有無加設阻尼器之加速度比較圖(人造地震) 31
圖4- 15兩阻尼比提升方法於長週期構架Ξ=0.1時之加速度歷時比較圖 34
圖4- 16兩阻尼比提升方法於長週期構架Ξ=0.1時之加速度歷時比較圖 35
圖5- 1三層基本構架立面圖 49
圖5- 2加設阻尼器之構架立面圖 50
圖5- 3三層構架頂層位移歷時(EL CENTRO) 51
圖5- 4三層構架頂層速度歷時(EL CENTRO) 51
圖5- 5三層構架頂層加速度歷時(EL CENTRO) 52
圖5- 6三層構架頂層位移歷時(人造地震) 52
圖5- 7三層構架頂層位移歷時(人造地震) 52
圖5- 8三層構架頂層加速度歷時(人造地震) 53
圖5- 9三層構架各樓層最大位移比較圖(EL CENTRO) 56
圖5- 10三層構架各樓層最大層間位移比較圖(EL CENTRO) 56
圖5- 11三層構架各樓層最大速度比較圖(EL CENTRO) 57
圖5- 12三層構架各樓層最大加速度比較圖(EL CENTRO) 57
圖5- 13三層構架各樓層最大位移比較圖(人造地震) 60
圖5- 14三層構架各樓層最大層間位移比較圖(人造地震) 60
圖5- 15三層構架各樓層最大速度比較圖(人造地震) 61
圖5- 16三層構架各樓層最大加速度比較圖(人造地震) 61
圖5- 17二十層三跨構架初始方案立面圖 63
圖5- 18二十層三跨構架加設阻尼器後之立面圖 66
圖5- 19二十層構架頂層位移歷時(EL CENTRO) 67
圖5- 20二十層構架頂層速度歷時(EL CENTRO) 67
圖5- 21二十層構架頂層加速度歷時(EL CENTRO) 67
圖5- 22二十層構架頂層位移歷時(人造地震) 68
圖5- 23二十層構架頂層速度歷時(人造地震) 68
圖5- 24二十層構架頂層加速度歷時(人造地震) 68
圖5- 25二十層構架各樓層最大位移比較圖(EL CENTRO) 81
圖5- 26二十層構架各樓層最大層間位移轉角比較圖(EL CENTRO) 81
圖5- 27二十層構架各樓層最大加速度比較圖(EL CENTRO) 82
圖5- 28二十層構架各樓層最大速度比較圖(EL CENTRO) 82
圖5- 29二十層構架各樓層最大位移比較圖(人造地震) 95
圖5- 30二十層構架各樓層最大層間位移比較圖(人造地震) 95
圖5- 31二十層構架各樓層最大加速度比較圖(人造地震) 96
圖5- 32二十層構架各樓層最大速度比較圖(人造地震) 96
圖6- 1二十層初始結構 99
圖6- 2二十層初始結構之平面圖 99
圖6- 3二十層初始結構之立面圖 100
圖6- 4二十層結構頂層位移歷時(EL CENTRO) 103
圖6- 5二十層結構頂層速度歷時(EL CENTRO) 103
圖6- 6二十層結構頂層加速度歷時(EL CENTRO) 104
圖6- 7二十層結構頂層位移歷時(人造地震) 104
圖6- 8二十層結構頂層速度歷時(人造地震) 104
圖6- 9二十層結構頂層加速度歷時(人造地震) 105
圖6- 10二十層結構各樓層最大位移比比較圖(EL CENTRO) 118
圖6- 11二十層結構各樓層最大層間位移轉角比比較圖(EL CENTRO) 118
圖6- 12二十層結構各樓層最大加速度比比較圖(EL CENTRO) 119
圖6- 13二十層結構各樓層最大速度比比較圖(EL CENTRO) 119
圖6- 14二十層結構各樓層最大位移比比較圖(人造地震) 132
圖6- 15二十層結構各樓層最大層間位移比比較圖(人造地震) 132
圖6- 16二十層結構各樓層最大加速度比比較圖(人造地震) 133
圖6- 17二十層結構各樓層最大速度比比較圖(人造地震) 133

表目錄
表4- 1構架之斷面尺寸 22
表4- 2阻尼器模擬不同阻尼比採用之阻尼係數(單位:N-S/M) 23
表4- 3短週期構架直接設定阻尼比之最大位移、速度、加速度表(EL CENTRO) 26
表4- 4短週期構架加設阻尼器之最大位移、速度、加速度表(EL CENTRO) 26
表4- 5短週期構架直接設定阻尼比之最大位移、速度、加速度表(人造地震) 27
表4- 6短週期構架加設阻尼器之最大位移、速度、加速度表(人造地震) 27
表4- 7長週期構架直接設定阻尼比之最大位移、速度、加速度表(EL CENTRO) 32
表4- 8長週期構架加設阻尼器之最大位移、速度、加速度表(EL CENTRO) 32
表4- 9長週期構架直接設定阻尼比之最大位移、速度、加速度表(人造地震) 33
表4- 10長週期構架加設阻尼器之最大位移、速度、加速度表(人造地震) 33
表4- 11短週期構架直接設定阻尼比之內力表(EL CENTRO)(單位:KG-M) 36
表4- 12短週期構架加設阻尼器之內力表(EL CENTRO)(單位:KG-M) 37
表4- 13短週期構架直接設定阻尼比之內力表(人造地震)(單位:KG-M) 37
表4- 14短週期構架加設阻尼器之內力表(人造地震)(單位:KG-M) 38
表4- 15長週期構架直接設定阻尼比之內力表(EL CENTRO)(單位:KG-M) 39
表4- 16長週期構架加設阻尼器之內力表(EL CENTRO)(單位:KG-M) 39
表4- 17長週期構架直接設定阻尼比之最大內力表(人造地震)(單位:KG-M) 40
表4- 18長週期構架加設阻尼器之內力表(人造地震)(單位:KG-M) 40
表4- 19短週期構架不同阻尼比之加速度比(EL CENTRO) 41
表4- 20短週期構架不同阻尼比之加速度比(人造地震) 42
表4- 21長週期構架不同阻尼比之加速度比(EL CENTRO) 42
表4- 22長週期構架不同阻尼比之加速度比(人造地震) 43
表5- 1三層構架梁柱尺寸表 49
表5- 2各階模態週期與所占質量百分比 49
表5- 3各方案之各樓層阻尼係數 50
表5- 4三層構架各方案的構架最大反應 (EL CENTRO) 54
表5- 5三層構架各方案與初始構架的最大反應比(EL CENTRO) 54
表5- 6三層構架各方案的最大梁柱彎矩 (EL CENTRO) 55
表5- 7三層構架各方案與初始構架的最大梁柱彎矩比(EL CENTRO) 55
表5- 8三層構架各方案的構架最大反應(人造地震) 58
表5- 9三層構架各方案與初始構架的最大反應比(人造地震) 58
表5- 10三層構架各方案的最大梁柱彎矩(人造地震) 59
表5- 11三層構架各方案與初始構架的最大梁柱彎矩比(人造地震) 59
表5- 12二十層三跨構架初始方案之箱型柱尺寸 63
表5- 13二十層三跨構架初始方案之梁尺寸 64
表5- 14二十層構架前12階模態週期與週期相對的質量參與百分比 64
表5- 15各方案阻尼器於各層的布置數量與等效阻尼比 65
表5- 16二十層構架各方案的各樓最大位移(EL CENTRO) 69
表5- 17二十層構架各方案與初始方案的各樓最大位移比(EL CENTRO) 70
表5- 18二十層構架各方案的各樓最大層間位移轉角(EL CENTRO) 71
表5- 19二十層構架各方案與初始方案的各樓最大層間位移轉角比(EL CENTRO) 72
表5- 20二十層構架各方案的最大梁彎矩(EL CENTRO) 73
表5- 21二十層構架各方案的最大梁彎矩比(EL CENTRO) 74
表5- 22二十層構架各方案的最大柱彎矩(EL CENTRO) 75
表5- 23二十層構架各方案的最大柱彎矩(EL CENTRO) 76
表5- 24二十層構架在各方案的各樓最大加速度(EL CENTRO) 77
表5- 25二十層構架各方與初始方案的各樓最大加速度比(EL CENTRO) 78
表5- 26二十層構架各方案的各樓最大速度(EL CENTRO) 79
表5- 27二十層構架各方案與初始方案的各樓最大速度比(EL CENTRO) 80
表5- 28二十層構架各方案的各樓最大位移(人造地震) 83
表5- 29二十層構架各方案與初始方案的各樓最大位移比(人造地震) 84
表5- 30二十層構架各方案的各樓最大層間位移轉角(人造地震) 85
表5- 31二十層構架各方案與初始方案的各樓最大層間位移轉角比(人造地震) 86
表5- 32二十層構架各方案的構架最大梁彎矩(人造地震) 87
表5- 33二十層構架各方案與初始方案的最大梁彎矩比(人造地震) 88
表5- 34二十層構架各方案的構架最大柱彎矩(人造地震) 89
表5- 35二十層構架各方案與初始方案的最大柱彎矩比(人造地震) 90
表5- 36二十層構架各方案的各樓最大加速度(人造地震) 91
表5- 37二十層構架各方案與初始方案各樓最大加速度比(人造地震) 92
表5- 38二十層構架各方案的各樓最大速度(人造地震) 93
表5- 39二十層構架各方案與初始方案的各樓最大速度比(人造地震) 94
表6- 1二十層初始結構之梁柱尺寸 100
表6- 2二十層初始結構之樓層重量 101
表6- 3各方案之各層阻尼器布置數量與等效阻尼比 102
表6- 4二十層結構各方案的各樓最大位移(EL CENTRO) 106
表6- 5二十層結構各方案與初始方案的各樓最大位移比(EL CENTRO) 107
表6- 6二十層結構各方案的各樓最大層間位移轉角(EL CENTRO) 108
表6- 7二十層結構各方案與初始方案的各樓最大層間位移轉角比(EL CENTRO ) 109
表6- 8二十層結構各方案的最大梁彎矩(EL CENTRO) 110
表6- 9二十層結構各方案的最大梁彎矩比(EL CENTRO) 111
表6- 10二十層結構各方案的最大柱彎矩(EL CENTRO) 112
表6- 11二十層結構各方案的最大柱彎矩比(EL CENTRO) 113
表6- 12二十層結構在各方案的各樓最大加速度(EL CENTRO) 114
表6- 13二十層結構各方案與初始方案的各樓最大加速度比(EL CENTRO) 115
表6- 14二十層結構各方案的各樓最大速度(EL CENTRO) 116
表6- 15二十層結構各方案與初始方案的各樓最大速度比(EL CENTRO) 117
表6- 16二十層結構各方案的各樓最大位移(人造地震) 120
表6- 17二十層結構各方案與初始方案的各樓最大位移比(人造地震) 121
表6- 18二十層結構各方案的各樓最大層間位移轉角(人造地震) 122
表6- 19二十層結構各方案與初始方案的各樓最大層間位移轉角比(人造地震) 123
表6- 20二十層結構各方案的結構最大梁彎矩(人造地震) 124
表6- 21二十層結構各方案與初始方案的最大梁彎矩比(人造地震) 125
表6- 22二十層結構各方案的結構最大柱彎矩(人造地震) 126
表6- 23二十層結構各方案與初始方案的最大柱彎矩比(人造地震) 127
表6- 24二十層結構各方案的各樓最大加速度(人造地震) 128
表6- 25二十層結構各方案與初始方案各樓最大加速度比(人造地震) 129
表6- 26二十層結構各方案的各樓最大速度(人造地震) 130
表6- 27二十層結構各方案與初始方案的各樓最大速度比(人造地震) 131

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