5.2 具梯形接合板斜撐構材之分析評估
5.2.2 整體反應
Interstory Drift Angle (% rad.) -1500
Story Shear Force (kN)
FEA TEST
-6 -4 -2 0 2
Interstory Drift Angle (% rad.) -1500
Story Shear Force (kN)
FEA TEST
圖 5.4 試體 TGP1與試體TGP2 實驗與分析之層間剪力-層間位移關係圖比 較
-6 -4 -2 0 2 Interstory Drift Angle (% rad.) 0
Out-of-Plane Displacement (mm)
Bot. TGP at Brace End FEA
TEST
-6 -4 -2 0 2
Interstory Drift Angle (% rad.) 0
40 80 120 160
Out-of-Plane Displacement (mm)
Bot. TGP FEA TEST
-6 -4 -2 0 2
Interstory Drift Angle (% rad.) 0
200 400 600 800
Out-of-Plane Displacement (mm)
Brace Mid.
FEA TEST
圖5.5 試體TGP1實驗與分析之各測點面外變形量-層間位移關係圖比較
-6 -4 -2 0 2
Interstory Drift Angle (% rad.) 0
Out-of-Plane Displacement (mm)
Bot. TGP at Brace End FEA
TEST
-6 -4 -2 0 2
Interstory Drift Angle (% rad.) 0
40 80 120 160
Out-of-Plane Displacement (mm) Bot. TGP
FEA TEST
-6 -4 -2 0 2
Interstory Drift Angle (% rad.) 0
200 400 600 800
Out-of-Plane Displacement (mm)
Brace Mid.
FEA TEST
圖5.6 試體TGP2實驗與分析之各測點面外變形量-層間位移關係圖比較 5.2.3 局部行為
斜撐構材
上節已藉由實驗結果驗證分析模型準確性，本節將利用以 von-Mises 降伏準則下的等值應力與等值塑性應變來探討斜撐構材與接合板之局部行
值應力已超過 414 MPa (60 ksi)，於 IDA=3.00% 弧度時最大等值應力已達
601 MPa，此時斜撐中央翼板已有些微局部挫屈產生。再由圖5.8斜撐構材
PEEQ分佈中可看出產生初始整體挫屈時之斜撐中央處翼板PEEQ為0.0147 已大於翼板降伏應變 (yf 0.002)亦表示其狀態已由降伏進入塑性，此處有 極大的塑性變形需求；3.00% 弧度IDA時斜撐中央處翼板之PEEQ已達1.45 (725yf)，但未達H-型斷面斜撐構材產生斷裂或撕裂行為之門檻值 2.83 (陳 誠直等人，2009)，故不會有斷裂之行為產生，試驗結果亦是如此。
圖 5.9為試體 TGP2之斜撐構材實驗行為與分析結果比較，分析結果與
試體 TGP1 類似，IDA=0.25%~0.50%時斜撐構材中央處即產生降伏後整體
挫屈，當於5.00% 弧度 IDA時，此時斜撐構材中央處翼板之等值應力達631 MPa。由試體 TGP2 斜撐構材分析模型之 PEEQ 分佈，如圖 5.10 所示，斜 撐構材中央處翼板初始挫屈產生時之PEEQ為0.0158，是yf之7.9倍；5.00%
弧度 IDA下，此處之PEEQ 已達2.319 (1159.5yf) ，亦未達構材破裂之門 檻值，亦如實驗後只產生些許翼板局部挫屈之結果相符。
梯形接合板
圖5.11為試體TGP1之梯形接合板於3.00% 弧度IDA受壓下之石膏剝 落紋路與分析模型之等值應力與 PEEQ 分佈比較，由圖顯示實驗中接合板 偏移區域有著大量剝落紋路產生，代表此處有著降伏現象產生，經等值應 力分佈中亦顯示此區域之等值應力已超過 401 MPa，等值應力已介於 414 MPa~483 MPa (70 ksi)；PEEQ 分佈中顯示著偏移區域亦有塑性之需求，梯 形接合板則隨著斜撐構材挫屈產生之面外變形於斜撐端部提供凹折，3個塑 鉸機制則分別於上、下接合板凹折區域與斜撐構材中央區域。圖 5.12 為試 體TGP2之梯形接合板於5.00% 弧度IDA受壓下之石膏剝落紋路與分析模 型分別於 0.50% 弧度 IDA 與5.00% 弧度 IDA 之等值應力與 PEEQ 分佈比 較，由圖可發現於0.50% 弧度IDA 之等值應力分佈中可看出梯形接合板之 偏移區域於斜撐一產生整體挫屈後即有降伏行為產生，而梯形接合板與梁 之接合銲道端部則有較大應力集中於此，這些行為與實驗過程相吻合；
IDA=5.00% 弧度時，由等值應力分佈圖可看來2t 偏移區域中等值應力雖已
大於 414 MPa但尚未有破壞產生，其耐震性能已超過4% 弧度的最大層間
位移角。由 PEEQ分佈亦顯示出梯形接合板凹折區域具有塑性需求。
縱觀以上之結果，採 ABAQUS 分析軟體所建立之有限分析模型對於 H-型斜撐構材與梯形接合板接合之試驗整體反應與局部行為模擬皆具相當 準確性，採等值應力探討降伏行為及以 PEEQ 判斷各部位塑性需求與斜撐 破裂行為由實驗結果驗證下具有相當之可信度。
0.25% rad. IDA
(Compression)
0.50% rad. IDA
(Compression)
圖5.7 試體TGP1之斜撐構材試驗行為與分析結果比較
1.00% rad. IDA
(Compression)
2.00% rad. IDA
(Compression)
3.00% rad. IDA
(Compression)
圖5.7 試體TGP1 之斜撐構材試驗行為與分析結果比較 (續)
0.50% rad. IDA
(Compression)
1.00% rad. IDA
(Compression)
2.00% rad. IDA
(Compression)
3.00% rad. IDA
(Compression)
圖5.8 試體TGP1斜撐構材分析模型之PEEQ 分佈
0.50% rad. IDA
(Compression)
1.00% rad. IDA
(Compression)
2.00% rad. IDA
(Compression)
圖5.9 試體TGP2之斜撐構材試驗行為與分析結果比較
3.00% rad. IDA
(Compression)
4.00% rad. IDA
(Compression)
5.00% rad. IDA
(Compression)
圖5.9 試體TGP2 之斜撐構材試驗行為與分析結果比較 (續)
0.50% rad. IDA
(Compression)
1.00% rad. IDA
(Compression)
2.00% rad. IDA
(Compression)
3.00% rad. IDA
(Compression)
4.00% rad. IDA
(Compression)
5.00% rad. IDA
(Compression)
圖 5.10 試體TGP2 斜撐構材分析模型之PEEQ分佈
3% rad. IDA
(Compression)
TEST
Mises PEEQ
圖5.11 試體TGP1之梯形接合板實驗與分析之行為比較
5% rad. IDA
(Compression)
TEST
Mises
0.5% rad. IDA 5.00% rad. IDA
0.5% rad. IDA PEEQ 5.00% rad. IDA
圖 5.12 試體TGP2 之梯形接合板實驗與分析之行為比較
5.3 梯形接合板與斜撐之應力與應變分佈
經上節針對實驗結果驗證分析結果所得之準確性，於此節將藉由試體 TGP1與試體TGP2之數值模型加以探討斜撐構材之力量傳遞行為與接合板 受力機制，並藉由黏貼於斜撐構材上之應變計加以探討斜撐受力之應變分 佈情形。
5.3.1 等值應力分佈
斜撐構材
根據 2 組試體之數值模型分析結果，於斜撐構材受壓力作用之行為，
如圖 5.13與圖 5.14 所示。可發現於 0.25% 弧度 IDA 下，斜撐中央處翼板 外緣等值應力已達斜撐翼板之降伏應力值，隨著層間變位增加下中央處翼 板之等值應力分佈在試體 TGP1 是呈現左側受拉右側受壓之現象，於試體 TGP2 則是呈現左側受壓右側受拉，而此現象由擷取斜撐構材中央處翼板之 縱向應變分佈中可發現之，本實驗於此區域亦有黏貼單軸向應變計，並將 分析結果與實驗所量測得之軸向應變做一比較，如圖 5.15與圖 5.16所示。
圖中縱軸為採正規化之應變表示，定義壓應變為正值，受拉之應變則以負 值表示，橫軸為以斜撐構材一半寬度為中心線之量測距離，由圖之分析曲 線可發現此區域兩側之縱向應變於 0.50% 弧度 IDA (即斜撐產生整體挫屈) 後隨之大量增長，中心線處之縱向應變則上受壓方向偏移；由軸向應變計 所測得之值亦有與分析結果相似之趨勢，亦說明所建立之數值模型有著較 佳可靠度。圖 5.17 為於斜撐 1/4 長度下之縱向應變分佈圖，其趨勢亦如中 央區域之分佈情形，但於應變計之分佈則不像分析結果於 3.00% 弧度IDA 後有著持續增長之現象。
梯形接合板
圖 5.18與圖 5.19各為試體 TGP1與試體 TGP2 梯形接合板數值分析之 等值應力分佈，由圖顯示出於0.25% 弧度IDA 時，斜撐構材受力後由其接
合端部傳入梯形接合板內，其力量擴散角度大約為 30°；於斜撐構材產生初 始挫屈時 (即 0.50% 弧度 IDA) ，梯形接合板於與梁桿件之接合處於此階 段有著最大等值應力產生，亦指出於斜撐構材產生初始挫屈時會造成此處 應力集中現象，而此現象亦可由實驗過程中發現之，於所設定偏移長度為 2t 之偏移區域內則有降伏現象產生。隨層間變位增加，偏移區域內之等值 應力趨於穩定並均勻分佈其中，並跟隨斜撐構材巨大面外變形而提供斜撐 端部之面外凹折。圖 5.18之試體TGP1 在3.00% 弧度IDA 時梯形接合板於 斜撐端部則出現較大之應力集中現象，於 4.00% 弧度IDA時此處應力集中 現象則向梁、柱桿件之接合銲道方向延伸；圖 5.19 之試體 TGP2 為接合板
寬度為 1.25倍Whitmore有效寬度，在寬度擴展下接合板於斜撐構材端部並
無較大應力產生，偏移區域內之等值應力分佈至 5.00% 弧度IDA 時皆呈穩 定與均勻分佈現象，可說明梯形接合板於寬度增大則有助於斜撐端部之接 合板不會有較大應力集中於此，可均勻且穩定提供凹折變形行為。
Compression
0.25% 0.50% 0.75% 1.00%
1.50% 2.00% 3.00% 4.00%
圖5.13 試體 TGP1之數值模型斜撐構材等值應力分佈
Compression
0.25% 0.50% 0.75% 1.00% 1.50%
2.00% 3.00% 4.00% 5.00%
圖5.14 試體 TGP2之數值模型斜撐構材等值應力分佈
-120 -80 -40 0 40 80 120 Distance from Brace Flange Centerline (mm)
-40
Normalized Strain (y)
TEST
Bottom Brace Flange
-120 -80 -40 0 40 80 120 Distance from Brace Flange Centerline (mm)
-40
Normalized Strain (y)
TEST
Up Brace Flange
圖5.15 試體 TGP1斜撐中央處翼板實驗與分析之軸向應變分佈
-120 -80 -40 0 40 80 120 Distance from Brace Flange Centerline (mm)
-40
Normalized Strain (y)
TEST
Bottom Brace Flange
-120 -80 -40 0 40 80 120 Distance from Brace Flange Centerline (mm)
-40
Normalized Strain (y)
TEST
Up Brace Flange
圖5.16 試體 TGP2斜撐中央處翼板實驗與分析之軸向應變分佈
-120 -80 -40 0 40 80 120 Distance from Brace Flange Centerline (mm)
-2
Normalized Strain (y)
TEST
Up Brace Flange-Quarter
-120 -80 -40 0 40 80 120 Distance from Brace Flange Centerline (mm)
-2
Normalized Strain (y)
TEST
Up Brace Flange-Quarter
圖5.17 2 組試體斜撐1/4長度下翼板實驗與分析之軸向應變分佈
TGP1 TGP2
Compression
0.25% 0.50%
0.75% 1.00%
1.50% 2.00%
3.00% 4.00%
圖5.18 試體 TGP1之數值模型於梯形接合板等值應力分佈
Compression
0.25% 0.50%
0.75% 1.00%
1.50% 2.00%
3.00% 4.00%
5.00%
圖5.19 試體 TGP2之數值模型於梯形接合板等值應力分佈
5.3.2 等值塑性應變分佈 斜撐構材
根據 2 組試體之實驗結果，其斜撐構材皆無擠壓皺摺開裂進而受拉斷 裂行為產生，由圖 5.20至圖 5.23之試體 TGP1與試體 TGP2 斜撐於受壓、
受拉狀態下之 PEEQ分佈情形，由圖顯示出2組試體在0.25% 弧度IDA 時 於斜撐中央處翼板受壓側即有塑性變形需求，隨層間變位增加下，塑性應 變需求持續增長。試體 TGP1於達4.00% 弧度IDA 時，斜撐中央處翼板於 受壓時之最大 PEEQ值達 1.81，受拉力作用則達1.91；試體 TGP2在5.00%
弧度 IDA 受壓力作用下斜撐中央處翼板最大 PEEQ 值等於 2.32，於受拉時 達 2.43，若依據先前研究報告 (陳誠直等人，2009) 2層樓X-型斜撐構架之 分析結果中所擷取採 H-型斷面斜撐構材於產生斷裂前之 PEEQ 值則為 2.83，即若此區域之 PEEQ值大於此值即有可能產生斜撐斷裂行為，而 2組 試體皆無此行為產生；由圖亦可發現斜撐塑性變形需求區域長度大約為 1/4 斜撐構材長度。
梯形接合板
圖 5.24與圖5.25為2組試體之梯形接合板PEEQ 分佈，當斜撐構材產 生體整挫屈時，梯形接合板於線性偏移區域內即出現大量的塑性變形需 求，並有塑性變形需求集中於與梁桿件之接合銲道端部，隨層間位移增大 下，較多塑性變形則集中於斜撐構材中央區域，梯形接合板之線性偏移區 域內的與梁翼接合銲道及斜撐端部因接合板受凹折則出現較多塑性需求於 這些地方。依據學者Yoo 等人 (2008) 所提出接合板與梁、柱桿件接合銲道 產生初始開裂之門檻值來檢驗，其中與梁接合銲道產生初始開裂之 PEEQ
值介於 0.033~0.055 之間，梯形接合板與梁之接合銲道端部之 PEEQ 值於
0.50% 弧度IDA 試體TGP1達0.0131，試驗TGP2 為0.0125，於達0.75% 弧 度 IDA時試體 TGP1此處PEEQ=0.0949，試體 TGP2則為0.0857 皆已超過 學者所提出產生接合銲道初始開裂之門檻值，但於試驗中 2 組試體於此處
皆無有開裂行為產生，故學者所提出之門檻值應用於本試驗則有待更進一
皆無有開裂行為產生，故學者所提出之門檻值應用於本試驗則有待更進一