第五章 結論與建議 …
5.1 結論 …
(1) 當柱基板配置斜率低於 1 之加勁板時，因配置加勁板而使柱基板 接頭行為發生變化之效果較不明顯，而加勁板之斜率超過 1.5 時，其與未配置加勁板之模型相比，差異度隨著斜率增加而升高。
(2) 當柱基板設置加勁板時，皆能使鋼柱之塑鉸外移，而拉力側錨定 螺栓之受力與柱端側力亦因設置加勁板而被提高。
(3) 當柱基板配置位置為柱翼板端點之加勁板時，其柱基板之應力分 布與拉力側焊道應力集中之現象皆有相當程度之降低；而當柱基 板配置位置為柱翼板 1/4 點與中心點之加勁板時，將加劇柱基板 底受拉側之應力，且對於拉力側焊道應力集中之現象亦皆高於未 設置加勁板之分析模型。
(4) 當柱基板之厚度降低至 0.9 倍之 AISC 設計厚度時，若配置斜率 2.5 且位置為柱翼板端點之加勁板，柱基板產生之應力將未因其 厚度降低而增加，甚至降低至 0.8 倍時，其柱基板產生之應力僅 略高於厚度為原始厚度且未加勁之模型。
(5) 當柱基板之厚度降低至 0.9 倍與 0.8 倍之 AISC 設計厚度時，若 配置斜率 2.5 且位置為柱翼板端點之加勁板，其鋼柱受拉側翼板 焊道之最大應變將皆可低於厚度為原始厚度且未加勁之模型。
(6) 當 H 型鋼柱受軸壓與強軸彎矩作用並使用 4 顆螺栓固定時，其 利用 AISC 柱基板設計法所得之柱基板厚度，若經由配置厚度 為翼板厚度且斜率為 2.5 以上之加勁板後，將可使其柱基板厚度 折減至 0.9 倍之設計板厚。
5.1 建議
(1) 本研究為利用有限元素軟體之分析結果進行比較與討論，於未來 之研究可建議利用實尺寸之試驗以針對柱基板之加勁板進行更 進一步之探討與驗證本研究之結果。
(2) 本研究僅針對 H 型鋼柱受軸力與強軸彎矩作用下，使用四顆螺 栓固定之柱基板進行探討，建議未來可針對其他鋼柱斷面與其他 螺栓顆數之柱基板研究加勁板對其行為之影響。
參考文獻
American Institute of Steel Construction (2005), Specification for Structural Steel Buildings, AISC, Chicago, Illinois.
American Concrete Institute (2008), Building Code Requirements for structural concrete (ACI 318-08) and Commentary (ACI 318R-08).
ANSYS (2007), ANSYS Contact Technology Guide, SAS, Inc.
DeWolf, J. T. and Sarisley, E. F. (1980), “Column Base Plates with Axial Loads and Moments.” Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.
106, No. ST11, pp. 2167-2184.
DeWolf, J. T. (1982), “Column Base Plates.” Structural Engineering Practice, Vol. 1, No. 1, pp. 39-51.
DeWolf, J. T. and Ricker, D. T. (1990), Column Base Plates, Steel Design Guide Series No. 1, AISC, Chicago, Illinois.
Drake, R. M. and Elkin, S. J. (1999), “Beam-Column Base Plate Design - LRFD Method.” Engineering Journal, AISC, Vol. 36, No. 1 (First Quarter), pp. 29-38.
Ermopoulos, J. C., Stamatopoulos, G. N. (1996), “Mathematical Modelling of Column Base Plate Connections.” J. Construct. Steel Res., Vol. 36, No. 2, pp. 79-100.
Fahmy, M. (1999), “Seismic Behavior of Moment-resisting Steel Column Bases.” Doctoral Dissertation, Dept. of Civil and Environmental Engineering, Univ. of Michigan, Ann Arbor, Michigan.
Fisher, J. M., Kloiber, L. A. (2006), Base Plate and Anchor Rod Design, Steel Design Guide 1, Second Edition, AISC, Chicago, Illinois.
Jaspart, J. P., Vandegans, D. (1998), “Application of the Component Method to Column Bases.” Journal of Constructional Steel Research, Vol. 48, pp. 89-106.
Kontoleon, M. J., Mistakidis, E. S., Baniotopoulos, C. C., and Panagiotopoulos, P. D. (1999), “Parametric Analysis of the Structural Response of Steel Base Plate Connections.” Computers and Structures, Vol. 71, pp. 87-103.
Lee, D., Goel, S. C., and Stojadinovic, B. (2008), “Exposed Column-Base Plate Connections Bending about Weak Axis: I. Numerical Parametric Study.” Steel Structures, Vol. 8, pp.11-27.
Lee, D., Goel, S. C., and Stojadinovic, B. (2008), “Exposed Column-Base Plate Connections Bending about Weak Axis: II. Experimental Study.” Steel Structures, Vol. 8, pp.29-41.
Maitra, N. (1978), “Graphical Aid for Design of Base Plate Subjected to Moment.” Engineering Journal, AISC, Vol. 15, No. 2 (Second Quarter), pp. 50-53.
Soifer, H. (1966), “Design of Base Plates and Anchor Bolts with Simple Assumptions.” Civil Engineering, ASCE, Vol. 36, No. 4, pp. 63.
Thambiratnam, D. P., Paramasivam, P. (1986), “Base Plates under Axial Loads and Moments.” Journal of Structural Engineering, Vol. 112, No.
5, pp. 1166-1181.
表 3.1 分析模型編號表 加勁板斜率 加勁板位置
0.5 1 1.5 2.5 3.5
無加勁板
42-2.5-T 38-2.5-T 柱翼板端點 42-0.5-T 42-1-T 42-1.5-T
34-2.5-T
42-3.5-T
柱翼板 1/4 點 42-0.5-Q 42-1-Q 42-1.5-Q 42-2.5-Q 42-3.5-Q 柱翼板中心點 42-0.5-C 42-1-C 42-1.5-C 42-2.5-C 42-3.5-C
42-0 38-0 34-0
表 3.2 分析模型規格表
表 3.3 分析模型網格數量表
表 4.1 各分析模型之柱端側力於各層間變位角時增減之百分比 柱端側力增加或減少之百分比 (%)
模型編號
1% drift 2% drift 3% drift 4% drift
42-0 0 0 0 0
42-0.5-T 1.54 0.85 0.64 0.40 42-0.5-Q 0.73 0.46 0.36 0.20 42-0.5-C 1.59 1.15 0.91 0.55 42-1-T 3.25 1.87 1.48 1.00 42-1-Q 2.47 1.75 1.28 0.74 42-1-C 3.44 2.91 2.11 1.42 42-1.5-T 4.96 2.86 2.29 1.59 42-1.5-Q 4.46 3.07 2.29 1.36 42-1.5-C 5.02 4.51 3.30 2.19 42-2.5-T 8.71 5.26 4.22 2.38 42-2.5-Q 8.53 6.28 4.76 2.66 42-2.5-C 7.40 6.88 5.28 2.66 42-3.5-T 13.29 7.88 6.37 2.01 42-3.5-Q 11.50 8.49 6.96 2.33 42-3.5-C 9.71 8.18 6.65 2.32 38-0 -3.43 -2.00 -2.02 -2.15 34-0 -8.52 -5.07 -5.87 -6.76 38-2.5-T 6.16 3.83 2.79 1.58 34-2.5-T 3.50 2.13 0.92 -0.39
表 4.2 各分析模型之螺栓拉力於各層間變位角時增減之百分比 38-0 -4.26 -0.77 -0.57 -0.58
34-0 -12.60 -3.21 -2.80 -3.37 38-2.5-T 9.89 2.79 3.06 2.11 34-2.5-T 5.70 2.17 2.43 1.81
表 4.3 各模型於 2% 之拉力側銲道最大應變與增減百分比 模型編號 銲道最大應變處應變 最大應變增減百分比 (%)
42-0 0.01113 0
42-0.5-T 0.01029 -7.55 42-0.5-Q 0.01691 51.93 42-0.5-C 0.01761 58.22 42-1-T 0.00856 -23.09
42-1-Q 0.01633 46.72
42-1-C 0.01732 55.62
42-1.5-T 0.00826 -25.79 42-1.5-Q 0.01685 51.39 42-1.5-C 0.01812 62.80 42-2.5-T 0.00663 -40.43 42-2.5-Q 0.01550 39.26 42-2.5-C 0.01721 54.63 42-3.5-T 0.00594 -46.63 42-3.5-Q 0.01523 36.84 42-3.5-C 0.01734 55.80
38-0 0.01388 24.69
34-0 0.02768 148.59
38-2.5-T 0.00803 -27.90
34-2.5-T 0.00962 -13.63
表 4.4 各模型於 2% 之柱基板底部最大應變與增減百分比
表 4.5 加勁板斜率 2.5 層間變位角 2% 時各加勁板位置間行為比較
x
f e
Tu
N
Pu
qmax
Y
圖2.1 柱基板受力示意圖
圖 3.1 分析模型受軸力彎矩之模擬示意圖
圖3.2 柱基板尺寸圖
圖 3.3 分析模型尺寸圖
0 0.01 0.02 0.03
Strain
0 200 400 600
Stress (MPa)
圖3.4 鋼骨、柱基板與加勁板之鋼材料應力-應變曲線
圖3.5 SOLID45元素外觀 (ANSYS 2007)
圖3.6 柱基板網格圖
0 0.01 0.02 0.03
Strain
0 200 400 600 800 1000
Stress (MPa)
圖3.7 螺栓應力-應變圖
圖3.8 螺栓網格圖
0 0.001 0.002 0.003 0.004
Strain
0 10 20 30
Stress (MPa)
圖3.9 混凝土應力-應變曲線
圖3.10 混凝土網格圖
(a)變形前 (b)變形後 圖 3.11 柱基板-混凝土接觸面示意圖
(a)變形前 (b)變形後 圖3.12 柱基板螺栓孔-錨定螺栓接觸面示意圖
(a)變形前 (b)變形後 圖 3.13 錨定螺栓-混凝土接觸面示意圖
圖3.14 有限元素分析模型網格圖
圖3.15 加勁板位置為端點之配置示意圖
圖3.16 加勁板位置為 1/4 點之配置示意圖
圖 3.17 加勁板位置為中心點之配置示意圖
圖3.18 加勁板位置為端點之分析模型網格示意圖
圖3.19 加勁板位置為 1/4 點之分析模型網格示意圖
圖 3.20 加勁板位置為中心點之分析模型網格示意圖
圖 3.21 斜率為 0.5 之加勁板示意圖
圖3.22 斜率為 1 之加勁板示意圖
圖 3.23 斜率為 1.5 之加勁板示意圖
圖 3.24 斜率為 2.5 之加勁板示意圖
圖 3.25 斜率為 3.5 之加勁板示意圖
圖3.26 SP 4-1 試體之柱基板配置圖 (Lee et al. 2008)
圖 3.27 SP 4-1 試體配置圖 (Lee et al. 2008)
圖3.28 SP 4-1 之有限元素分析模型網格圖
SP 4-1 FEA
圖3.29 分析模型與 SP 4-1 試體之彎矩-層間變位角比較圖
FEA
圖3.30 分析模型與 SP 4-1 試體之柱端側力-層間變位角比較圖
FEA
圖3.31 分析模型與 SP 4-1 試體之螺栓拉力-層間變位角比較圖
A
圖3.32 柱基板應變值之位置示意圖
FEA-0.55%
FEA-1.15%
FEA-2.60%
FEA-5.00%
圖3.33 分析模型與 SP 4-1 試體之柱基板應變-位置比較圖
圖3.34 梁柱接頭層間變位角之定義圖 (FEMA-350 2000)
total ΔCL
θ = L
圖3.35 柱基板試體層間變位角之定義圖
θcolumn
圖 3.36 鋼柱變形造成之旋轉角分量示意圖
圖 3.37 螺栓變形造成之旋轉角分量示意圖
圖3.38 柱基板變形造成之旋轉角分量示意圖
圖3.39 整體之旋轉角示意圖
圖3.40 柱基板底部參考點示意圖
0 1 2 3 4
Interstory drift angle (% rad) 0
0.4 0.8 1.2 1.6 2
Rotation (% rad)
column (42-0) bolt (42-0) baseplate (42-0)
圖 4.1 42-0 之旋轉角分量圖
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad)
0 100 200 300
Total lateral force (kN)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
100 200 300
Total lateral force (kN)
42-0 42-1-T 42-1-Q 42-1-C
圖4.8 加勁板斜率 1 之各模型柱端側力-層間變位角比較圖
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad)
0 100 200 300
Total lateral force (kN)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
100 200 300
Total lateral force (kN)
42-0 42-2.5-T 42-2.5-Q 42-2.5-C
圖 4.10 加勁板斜率 2.5 之各模型柱端側力-層間變位角比較圖
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad)
0 100 200 300
Total lateral force (kN)
42-0 42-3.5-T 42-3.5-Q 42-3.5-C
圖4.11 加勁板斜率 3.5 之各模型柱端側力-層間變位角比較圖
(a) 42-0 (b) 42-0.5-T
(c) 42-0.5-Q (d) 42-0.5-C
圖4.12 加勁板斜率 0.5 之各模型於 2% 時之 von Mises 應力分布圖
(a) 42-0 (b) 42-1-T
(c) 42-1-Q (d) 42-1-C
圖4.13 加勁板斜率 1 之各模型於 2% 時之 von Mises 應力分布圖
(a) 42-0 (b) 42-1.5-T
(c) 42-1.5-Q (d) 42-1.5-C
圖4.14 加勁板斜率 1.5 之各模型於 2% 時之 von Mises 應力分布圖
(a) 42-0 (b) 42-2.5-T
(c) 42-2.5-Q (d) 42-2.5-C
圖4.15 加勁板斜率 2.5 之各模型於 2% 時之 von Mises 應力分布圖
(a) 42-0 (b) 42-3.5-T
(c) 42-3.5-Q (d) 42-3.5-C
圖4.16 加勁板斜率 3.5 之各模型於 2% 時之 von Mises 應力分布圖
(a) 42-0 (b) 42-0.5-T
(c) 42-0.5-Q (d) 42-0.5-C
圖4.17 斜率 0.5 之模型於 2% 時柱基板底部之 von Mises 應力圖
(a) 42-0 (b) 42-1-T
(c) 42-1-Q (d) 42-1-C
圖 4.18 斜率 1 之模型於 2% 時柱基板底部之 von Mises 應力圖
(a) 42-0 (b) 42-1.5-T
(c) 42-1.5-Q (d) 42-1.5-C
圖4.19 斜率 1.5 之模型於 2% 時柱基板底部之 von Mises 應力圖
(a) 42-0 (b) 42-2.5-T
(c) 42-2.5-Q (d) 42-2.5-C
圖4.20 斜率 2.5 之模型於 2% 時柱基板底部之 von Mises 應力圖
(a) 42-0 (b) 42-3.5-T
(c) 42-3.5-Q (d) 42-3.5-C
圖4.21 斜率 3.5 之模型於 2% 時柱基板底部之 von Mises 應力圖
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad)
0 100 200 300 400
Bolt tensile force (kN)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
100 200 300 400
Bolt tensile force (kN)
42-0 42-1-T 42-1-Q 42-1-C
圖 4.23 加勁板斜率 1 之各模型螺栓拉力-層間變位角比較圖
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad)
0 100 200 300 400
Bolt tensile force (kN)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
100 200 300 400
Bolt tensile force (kN)
42-0 42-2.5-T 42-2.5-Q 42-2.5-C
圖 4.25 加勁板斜率 2.5 之各模型螺栓拉力-層間變位角比較圖
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad)
0 100 200 300 400
Bolt tensile force (kN)
42-0
Distance from column flange centerline (mm) 0
0 25 50 75 100 125 Distance from column flange centerline (mm)
0
Distance from column flange centerline (mm) 0
0 25 50 75 100 125 Distance from column flange centerline (mm)
0
Distance from column flange centerline (mm) 0
圖 4.32 柱基板底應變最大值發生處示意圖
0 50 100 150 200
Distance from base plate centerline (mm) 0
0.0004 0.0008 0.0012 0.0016 0.002
Strain
42-0 42-0.5-T 42-0.5-Q 42-0.5-C
圖4.33 加勁板斜率 0.5 於 2% 時柱基板底部 von Mises 應變比較圖
0 50 100 150 200 Distance from base plate centerline (mm) 0
Distance from base plate centerline (mm) 0
0 50 100 150 200 Distance from base plate centerline (mm) 0
Distance from base plate centerline (mm) 0
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
0.2 0.4 0.6 0.8
Rotation (% rad)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad)
0 100 200 300
Total lateral force (kN)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
100 200 300 400
Bolt tensile force (kN)
42-0
0 25 50 75 100 125 Distance from column flange centerline (mm)
0
Distance from column flange centerline (mm) 0
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
0.4 0.8 1.2 1.6
Rotation (% rad)
42-0
Interstory drift angle (% rad) 0
Rotation (% rad)
42-0
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad)
0 100 200 300
Total lateral force (kN)
42-0 38-0 34-0 42-2.5-T 38-2.5-T 34-2.5-T
圖4.44 不同柱基板厚度之各模型柱端側力-層間變位角比較圖
(a) 42-0 (b) 42-2.5-T
(c) 38-0 (d) 38-2.5-T
(e) 34-0 (f) 34-2.5-T
圖4.45 不同柱基板厚度之各模型於 2%時之 von Mises 應力分布圖
(a) 42-0 (b) 42-2.5-T
(c) 38-0 (d) 38-2.5-T
(e) 34-0 (f) 34-2.5-T
圖4.46 不同柱基板厚度於 2% 之柱基板底部 von Mises 應力分布圖
0 1 2 3 4 Interstory drift angle (% rad)
0 100 200 300 400
Bolt tensile force (kN)
42-0
Distance from column flange centerline (mm) 0
0 50 100 150 200 Distance from base plate centerline (mm) 0
0.001 0.002 0.003
Strain
42-0 38-0 34-0 42-2.5-T 38-2.5-T 34-2.5-T
圖4.49 不同柱基板厚度於 2% 時柱基板底部 von Mises 應變比較圖
圖4.50 AISC 設計手冊建議之 H 型鋼柱基板降伏線位置
圖4.51 本研究建議之 H 型鋼柱基板降伏線位置