建議

1. 本次試驗之梁腹板開孔試體均採參數之最小值設計之，於未來之 研究建議可加大開孔深度及參數 b 中之

α

值為 0.5 以上，並搭 配不同斷面之梁構件和H 型柱，以探討此種設計是否仍可發揮良 好韌性行為。

2. 另外除了本研究之開孔幾何形狀和單一開孔型式之外，也可再將 之改良，如開多個圓孔、長條形開孔或者互相搭配，深入研究各 種不同形狀和型式之開孔其韌性行為是否良好。

符號索引

C ：應變硬化放大因子（依據

pr

FEMA-350 對切削式接頭及未補強式 接頭設計之建議，分別採為1.15 和 1.20）

E ：鋼材之楊氏係數

F ：鋼材之標稱降伏強度

y

F u

：鋼材之標稱拉力強度

L b

：梁長

capacity

M ：梁柱接面處之設計彎矩容量

M ：梁柱接面之彎矩需求

f

M ：拉力試驗所求得梁之塑性彎矩強度

p

,

M

p f

：拉力試驗所求得梁於柱面之塑性彎矩強度

,

M

p op

：考慮材料變異係數，梁腹板開孔斷面之塑性彎矩強度

' ,

M

p op

：拉力試驗所求得梁腹板開孔斷面之塑性彎矩強度

, test f

M ：實驗所得柱面之最大彎矩強度

, test op

M ：試驗所得梁腹板開孔處（預期塑鉸產生處）之最大彎矩強度

R ：結構系統韌性容量

R ：材料變異係數

y

R ：梁腹板開孔兩側圓弧之半徑

op

,

V

n op

：未考慮材料變異係數，梁腹板開孔斷面之剪力標稱強度

,

V

p op

：當外力彎矩達梁腹板開孔斷面之彎矩容量時所需之剪力強度

Z ：梁斷面之塑性斷面模數

b

,

Z

b op

：梁腹板開孔斷面之塑性斷面模數 a

c

：預期塑性鉸產生位置離柱面之距離

b ：開孔總長度

b ：梁翼板寬度

bf

：開孔深度

d ：梁深

b

t ：梁翼板厚度

bf

t ：梁腹板厚度

bw

α

：參數b 中之係數，藉此計算開孔之總長，建議採0.5~0.75 之間

θ

：韌性抗彎矩構架受側向力作用時之層間變位角

θ E

：設計地震力E 作用下之最大層間變位角

θ p

：韌性抗彎矩構架之總塑性轉角

θ op

：梁腹板開孔區所造成之梁端總轉角

,

θ op f

：梁腹板開孔區受撓曲作用所造成之梁端轉角

,

θ op s

：梁腹板開孔區受剪力作用所造成之梁端轉角

φ

：安全係數，採 0.9 (AISC-LRFD code 2005)

參考文獻

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表3.1 有限元素分析模型編號 UN1-CFA

UN1-MFA UN1-MCA UN2-MFA UN2-MCA OP1b05-MFA OP1b075-MFA OP1b10-MFA OP2b05-MFA OP2b075-MFA OP2b10-MFA

UN 代表扇形銲接開孔改良型式之梁柱接頭 OP 代表梁腹板開孔型式之梁柱接頭

A 代表有限元素分析模型

1：柱斷面為 □750×750×45×45 mm 梁斷面為H700×400×20×45 mm 2：柱斷面為 □750×750×35×35 mm 梁斷面為H700×300×18×35 mm C 代表反覆加載

M 代表單向加載

C 代表採用四分之ㄧ圓弧型式之扇型銲接開孔 F 代表採用 FEMA-350 建議之扇型銲接開孔

b 代表開孔之總長度：b05：

α

=0.5 b075：

α

=0.75 b10：

α

=1.0

表4.1 試體規格

試體編號 梁柱尺寸 材料性質 接合螺栓

UN1 H700×400×20×45 (mm)

□750×750×45×45 (mm)

SN490B 4-S10t M24 bolts

UN2 H700×300×18×35 (mm)

□750×750×35×35 (mm)

SN490B 4-S10t M24 bolts

OP1 H700×400×20×45 (mm)

□750×750×45×45 (mm)

SN490B 6-S10t M24 bolts

OP2 H700×300×18×35 (mm)

□750×750×35×35 (mm)

SN490B 6-S10t M24 bolts

表4.2 梁腹板開孔試體設計參數

試體編號 塑性鉸位置 (mm) a

開孔總長 (mm) b

α

^開孔深度

(mm) c

OP1 427.5 700 0.5 350

OP2 377.5 700 0.5 350

表4.3 試體鋼板拉力試驗強度

試體編號 位置名稱 F

y

(MPa)

F _u

(MPa)

Column flange 341 516 Beam flange 341 516 UN1

OP1

Beam web 385 549 Column flange 387 571 Beam flange 387 571 UN2

OP2

Beam web 382 532

表4.4 試驗結果

表 4.5 梁腹板開孔所造成之梁端轉角

表4.7 試體 OP1 之梁腹剪應變比較

應變計位置 0.5% drift 1% drift 2% drift 3% drift W1 0.000399 0.000833 0.001496 0.002005 W2 0.000945 0.001912 0.009683 0.007088 W3 0.000433 0.000752 0.000971 0.001133 W4 0.000252 0.000433 0.000535 0.000811 W5 0.000432 0.000855 0.001211 0.001352 W6 0.000967 0.003761 0.015616 0.011421

表4.8 試體 OP2 之梁腹剪應變比較

應變計位置 0.5% drift 1% drift 2% drift 3% drift W1 0.000209 0.000584 0.001277 0.001843 W2 0.000600 0.001258 0.003491 0.008840 W3 0.000242 0.000647 0.000843 0.001054 W4 0.000136 0.000388 0.000511 0.000414 W5 0.000251 0.000851 0.001787 0.002237 W6 0.000570 0.002186 0.011302 0.011097

表 5.1 試體 OP2 分析與實驗之梁腹剪應變比較

TEST FEA

應變計位置 0.5% drift 2% drift 3% drift 0.5% drift 2% drift 3% drift

W1 0.000209 0.001277 0.001843 0.000363 0.001381 0.002394

W2 0.000600 0.003491 0.008840 0.000839 0.003821 0.009432

W3 0.000242 0.000843 0.001054 0.000480 0.001242 0.001419

W4 0.000136 0.000511 0.000414 0.000394 0.001145 0.001324

W5 0.000251 0.001787 0.002237 0.000385 0.001363 0.001620

W6 0.000570 0.011302 0.011097 0.000612 0.005641 0.009299

（a）cover plate （b）upstanding ribs

（c）side plate （d）haunch

圖2.1 補強式梁柱接頭型式 (Engelhardt and Sabol 1998)

圖2.2 擴翼式梁柱接頭（林潔祥 2005）

圖 2.3 梁翼板內側加勁式梁柱接頭（饒智凱 2007）

圖2.4 蓋板式梁柱接頭 (Engelhardt and Sabol 1998)

圖2.5 蓋板式梁柱接頭 (Whittaker and Kim 2002)

圖2.6 延長肋板式梁柱接頭 (Chen and Lin 2004)

圖2.7 延長肋板加翅板式梁柱接頭 (Chen and Lin 2004)

圖2.8 切削及鑽孔式梁柱接頭 (SAC 1997)

圖2.9 梁腹板開孔式梁柱接頭 (FEMA-350, 2000)

圖2.10 等斷面切削式梁柱接頭 (Engelhardt et al. 1998)

圖2.11 圓弧切削式梁柱接頭 (Engelhardt et al. 1998)

a b c d

圖2.12 漸變斷面式梁柱接頭 (Chen et al. 1996)

圖2.13 剪力板補強之梁腹板開孔式梁柱接頭（陳紀勛 2008）

圖2.14 加勁板補強之梁腹板開孔式梁柱接頭（陳紀勛 2008）

圖2.15 圓弧切削式梁柱接頭示意圖 (FEMA-350, 2000)

Beam flange CJP weld

r

(a) (b)

r 2

r 1

Column flange

圖3.1 銲接開孔幾何形狀示意圖：(a) FEMA-350 建議之扇形開孔型 式；(b) 四分之ㄧ圓開孔型式

圖3.2 梁腹板開孔式梁柱接頭示意圖

圖3.3 梁腹板開孔式梁柱接頭之彎矩梯度圖

b bf

t bw

t bf c d b

圖3.4 梁腹板開孔斷面圖

圖 3.5 分析模型選取之分割元素 Solid 45 (ANSYS 2007)

圖3.6 UN 試體之三維有限元素分析模型

圖3.7 OP 試體之三維有限元素分析模型

圖3.8 梁柱接頭子結構之層間變位角定義圖 (FEMA-350, 2000)

(1)

(2)

(1) 梁翼全滲透銲銲道 (2) 扇形開孔根部處

圖 3.9 應力及應變之比較位置圖

圖3.10 模型 UN1-MFA 之有限元素網格圖

圖 3.11 模型 UN1-MCA 之有限元素網格圖

圖3.12 模型 OP1b05-MFA 之有限元素網格圖

-4 -2 0 2 4

Interstory drift angle (% rad)

-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500

B eam tip ap plied load ( k N)

UN1-CFA UN1-MFA

圖 3.13 單向加載與反覆加載之載重與層間變位角比較圖

0 1 2 3 4

Interstory drift angle (% rad)

0 500 1000 1500

Beam tip applied load (k N)

UN1-MFA UN1-MCA UN2-MFA UN2-MCA

圖 3.14 UN 分析模型之梁端載重與層間變位角關係圖

0 1 2 3 4

Interstory drift angle (% rad)

0 2000 4000 6000 8000

Beam moment (kN-m) ^UN1-MFA

OP1b05-MFA OP1b075-MFA OP1b10-MFA

Mp 0.8 Mp

圖 3.15 UN1 與 OP1 分析模型之彎矩與層間變位角關係圖

0 1 2 3 4

Interstory drift angle (% rad)

0 1500 3000 4500 6000

Beam moment (kN-m) ^UN2-MFA

OP2b05-MFA OP2b075-MFA OP2b10-MFA

Mp 0.8 Mp

圖 3.16 UN2 與 OP2 分析模型之彎矩與層間變位角關係圖

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) 0.5% drift (b) 1% drift

(a) (b)

0 40 80 120 160 200

Distance from beam flange centerline (mm)

0

von Mises st re ss (MPa)

UN1-MFA 0.5% drift UN1-MFA 1.0% drift UN1-MFA 2.0% drift UN1-MCA 0.5% drift UN1-MCA 1.0% drift UN1-MCA 2.0% drift

Distance from beam flange centerline (mm) ^{0 40 80 120 160 200}

0

von Mises st re ss (MPa)

UN1-MFA 0.5% drift UN1-MFA 1.0% drift UN1-MFA 2.0% drift UN1-MCA 0.5% drift UN1-MCA 1.0% drift UN1-MCA 2.0% drift

圖3.37 UN1-MFA 與 UN1-MCA 之 von Mises 應力比較圖

(a) (b)

0 30 60 90 120 150

Distance from beam flange centerline (mm)

0

von Mises st re ss (MPa)

UN2-MFA 0.5% drift UN2-MFA 1.0% drift UN2-MFA 2.0% drift UN2-MCA 0.5% drift UN2-MCA 1.0% drift UN2-MCA 2.0% drift

0 30 60 90 120 150

Distance from beam flange centerline (mm)

0

von Mises st re ss (MPa)

UN2-MFA 0.5% drift UN2-MFA 1.0% drift UN2-MFA 2.0% drift UN2-MCA 0.5% drift UN2-MCA 1.0% drift UN2-MCA 2.0% drift

圖3.38 UN2-MFA 與 UN2-MCA 之 von Mises 應力比較圖

(a) (b)

0 40 80 120 160 200

Distance from beam flange centerline (mm)

0

von Mises st re ss (MPa)

UN1-MFA 0.5% drift UN1-MFA 1.0% drift UN1-MFA 2.0% drift OP1b05-MFA 0.5% drift OP1b05-MFA 1.0% drift OP1b05-MFA 2.0% drift

Distance from beam flange centerline (mm) ^{0 40 80 120 160 200}

0

von Mises st re ss (MPa)

UN1-MFA 0.5% drift UN1-MFA 1.0% drift UN1-MFA 2.0% drift OP1b05-MFA 0.5% drift OP1b05-MFA 1.0% drift OP1b05-MFA 2.0% drift

(c) (d)

0 40 80 120 160 200

Distance from beam flange centerline (mm)

0

von Mises st re ss (MPa)

UN1-MFA 0.5% drift UN1-MFA 1.0% drift UN1-MFA 2.0% drift OP1b075-MFA 0.5% drift OP1b075-MFA 1.0% drift OP1b075-MFA 2.0% drift

Distance from beam flange centerline (mm) ^{0 40 80 120 160 200}

0

von Mises st re ss (MPa)

UN1-MFA 0.5% drift UN1-MFA 1.0% drift UN1-MFA 2.0% drift OP1b075-MFA 0.5% drift OP1b075-MFA 1.0% drift OP1b075-MFA 2.0% drift

(e) (f)

0 40 80 120 160 200

Distance from beam flange centerline (mm)

0

von Mises st re ss (MPa)

UN1-MFA 0.5% drift UN1-MFA 1.0% drift UN1-MFA 2.0% drift OP1b10-MFA 0.5% drift OP1b10-MFA 1.0% drift OP1b10-MFA 2.0% drift

Distance from beam flange centerline (mm) ^{0 40 80 120 160 200}

0

von Mises st re ss (MPa)

UN1-MFA 0.5% drift UN1-MFA 1.0% drift UN1-MFA 2.0% drift OP1b10-MFA 0.5% drift OP1b10-MFA 1.0% drift OP1b10-MFA 2.0% drift

圖3.39 UN1-MFA 與 OP1b05-MFA、OP1b075-MFA、OP1b10-MFA 之von Mises 應力比較圖

(a) (b)

0 30 60 90 120 150

Distance from beam flange centerline (mm)

0

von Mises st re ss (MPa)

UN2-MFA 0.5% drift UN2-MFA 1.0% drift UN2-MFA 2.0% drift OP2b05-MFA 0.5% drift OP2b05-MFA 1.0% drift OP2b05-MFA 2.0% drift

Distance from beam flange centerline (mm) ^{0 30 60 90 120 150}

von Mises st re ss (MPa)

UN2-MFA 0.5% drift UN2-MFA 1.0% drift UN2-MFA 2.0% drift OP2b05-MFA 0.5% drift OP2b05-MFA 1.0% drift OP2b05-MFA 2.0% drift

(c) (d)

0 30 60 90 120 150

Distance from beam flange centerline (mm)

0

von Mises st re ss (MPa)

UN2-MFA 0.5% drift UN2-MFA 1.0% drift UN2-MFA 2.0% drift OP2b075-MFA 0.5% drift OP2b075-MFA 1.0% drift OP2b075-MFA 2.0% drift

Distance from beam flange centerline (mm) ^{0 30 60 90 120 150}

von Mises st re ss (MPa)

UN2-MFA 0.5% drift UN2-MFA 1.0% drift UN2-MFA 2.0% drift OP2b075-MFA 0.5% drift OP2b075-MFA 1.0% drift OP2b075-MFA 2.0% drift

(e) (f)

0 30 60 90 120 150

Distance from beam flange centerline (mm)

0

von Mises st re ss (MPa)

UN2-MFA 0.5% drift UN2-MFA 1.0% drift UN2-MFA 2.0% drift OP2b10-MFA 0.5% drift OP2b10-MFA 1.0% drift OP2b10-MFA 2.0% drift

Distance from beam flange centerline (mm) ^{0 30 60 90 120 150}

von Mises st re ss (MPa)

UN2-MFA 0.5% drift UN2-MFA 1.0% drift UN2-MFA 2.0% drift OP2b10-MFA 0.5% drift OP2b10-MFA 1.0% drift OP2b10-MFA 2.0% drift

圖3.40 UN2-MFA 與 OP2b05-MFA、OP2b075-MFA、OP2b10-MFA 之von Mises 應力比較圖

(a) (b)

0 40 80 120 160 200

Distance from beam flange centerline (mm)

0

Distance from beam flange centerline (mm) ^{0 40 80 120 160 200}

0

圖 3.41 UN1-MFA 與 UN1-MCA、OP1b05-MFA、OP1b075-MFA、

OP1b10-MFA 之 PEEQ index 比較圖 (4% drift)

(a) (b)

0 30 60 90 120 150

Distance from beam flange centerline (mm)

0

圖 3.42 UN2-MFA 與 UN2-MCA、OP2b05-MFA、OP2b075-MFA、

OP2b10-MFA 之 PEEQ index 比較圖 (4% drift)

(a) (b)

0 40 80 120 160 200

Distance from beam flange centerline (mm)

0

Distance from beam flange centerline (mm) ^{0 40 80 120 160 200}

0

圖 3.43 UN1-MFA 與 UN1-MCA、OP1b05-MFA、OP1b075-MFA、

OP1b10-MFA 之 Rupture index 比較圖 (4% drift)

(a) (b)

0 30 60 90 120 150

Distance from beam flange centerline (mm)

0

圖 3.44 UN2-MFA 與 UN2-MCA、OP2b05-MFA、OP2b075-MFA、

OP2b10-MFA 之 Rupture index 比較圖(4% drift)

Column

Diaphragm

詳圖 A

Beam

詳圖 B

圖 4.1 試體 UN1、OP1 梁柱試體圖

Column

Diaphragm

詳圖 A

Beam

詳圖 B

圖 4.2 試體 UN2、OP2 梁柱試體圖

Section A-A Section B-B

詳圖 A (tb f =45 mm) 詳圖 B (tb f =45 mm)

圖4.3 試體 UN1、OP1 之接合細節

Section A-A Section B-B

詳圖 A (tb f =35 mm) 詳圖 B (tb f =35 mm)

圖 4.4 試體 UN2、OP2 之接合細節

圖4.5 試體 UN1 接頭接合細節

圖4.6 試體 UN2 接頭接合細節

圖4.7 試體 OP1 接頭接合細節

圖4.8 試體 OP2 接頭接合細節

圖 4.9 試體 UN1、OP1 試驗裝置圖

圖4.10 試體 UN2、OP2 試驗裝置圖

圖4.11 試驗設置

1,2：(π-Gage)，量測交會區剪力變形

3,4：(Tiltmeter)，量測柱轉角

圖 4.12 試體 UN1、UN2 量測儀器配置圖

1,2：(π-Gage)，量測交會區剪力變形

3,4：(Dial-Gage)，量測柱變形

5,6：(Sensor)，量測梁腹板開孔區段之剪力變形

7,8：(Tiltmeter)，量測梁腹板開孔區段之撓曲變形角

圖4.13 試體 OP1、OP2 量測儀器配置圖

圖4.14 試體 UN1、UN2 梁柱交會區之量測儀器配置

圖4.15 試體 OP1、OP2 梁柱交會區和梁腹板開孔區之量測儀器配置

W230-1

W230-2

W230-3

W230-4

W230-5

F60-1 F60-2

F100-1

F60-3

F60-4

F60-5

F100-2

F100-3

F100-4

F100-5

F230-1 F230-2

F230-3

F230-4

F230-5 230

25 25 4@14 0

230

60 100

10 1 0 4@ 95

Unit: mm

離柱面 100 mm 處之應變計位於下翼板上側

圖4.16 試體 UN1 應變計位置圖

W230-1

W230-2

W230-3

W230-4

W230-5

F60-1 F60-2

F80-1

F60-3

F60-4

F60-5

F80-2

F80-3

F80-4

F80-5

F230-1 F230-2

F230-3

F230-4

F230-5 230

25 25 4@14 5

230

60 80

10 1 0 4@ 70

Unit: mm

離柱面 80 mm 處之應變計位於下翼板上側

圖4.17 試體 UN2 應變計位置圖

圖 4.18 試體 OP1 應變計位置圖

圖 4.19 試體 OP2 應變計位置圖

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Intersto ry dri ft ang le (% ra d)

Loading step

6 cycles 6 cycles 6 cycles

4 cycles 2 cycles

2 cycles 2 cycles 2 cycles

2 cycles

圖4.20 位移控制歷程圖

圖 4.21 試體 UN1 表面未發現明顯變化 (0.75% drift)

圖 4.22 試體 UN1 下翼板兩側接柱面之全滲透銲道附近呈現微量石 灰脫落 (1% drift)

圖 4.23 試體 UN1 梁腹板兩側近翼板銲接接合處發現兩處極少量石 灰脫落 (1% drift)

圖4.24 試體 UN1 梁上翼板開始出現平行於梁寬方向之石灰剝落紋

圖4.24 試體 UN1 梁上翼板開始出現平行於梁寬方向之石灰剝落紋

在文檔中 實尺寸鋼結構梁柱彎矩接頭試驗與分析 (頁 96-200)