第五章 案例分析
5.3 管線受平移斷層案例分析(壓力與撓曲破壞)
本節所探討之案例為管線與平移斷層夾角大於 90 度之情形如圖 5.1(b)，
本節共探討了六個案例，這六個案例之斷層角分別為 105、120、135、150、
165 與 180 度，分析結果如圖 5.32、圖 5.36、圖 5.40、圖 5.44、圖 5.48、
部分彎矩非線性鉸在斷層附近發生。
分析之斷層處力與位移關係則如圖5.34、圖 5.38、圖 5.42、圖 5.46、圖 5.50、圖 5.53，從此節六個案例之斷層處力與位移關係可看出，當管線與平 移斷層夾角變大時，管線於斷層處之軸力便隨之增大而剪力則是隨之減小，
比較之下有下降趨勢，斷層夾角為 150、165、180 度時，管線破壞模式為 壓力破壞，下降比率依序為 4.23%、4.19%、4.16%。
表5.1 案例分析數值模擬之參數整理[28][29][30][31]
Newmark and Hall(1975)
0 0.3689 0.3689 0.3508
表5.3 斷層容許錯動量比較(壓力與撓曲控制)
管線與平移斷層夾角 本文之研究 國家地震中心報告[19]
105 0.3411 0.3412 120 0.3532 0.3533 135 0.4053 0.4055 150 0.4150 0.4333 165 0.3676 0.3837 180 0.3535 0.3689
Unit: m
圖5.1 管線受斷層錯動示意圖
圖5.2 ASCE(1984)所定義之非線性土彈簧示意圖
圖5.3 自由端修正後之數值模型[19]
圖5.4 管線與平移斷層夾角為 0 度之破壞示意圖(拉力破壞)
0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2
half fault displacement (m) 0
500 1000 1500 2000 2500 3000
pushoverforce(kN)
fault angle deg.0 axial force
圖5.5 管線於斷層處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 0 度)
0 100 200 300 400 position (m)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
P/Py
fault angle deg.0 axial force
圖5.6 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 0 度)
圖5.7 管線與平移斷層夾角為 15 度之破壞示意圖(拉力破壞)
0 10 position (m) 20 30
fault angle deg.15 pipe deflection
圖5.8 線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 15 度)
0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2
half fault displacement (m) 0
fault angle deg.15 resultant force axial force lateral force
圖5.9 管線於斷層處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 15 度)
0 100 200 300 400 position (m)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
P/Py&M/Mcr
fault angle deg.15 axial force moment
圖5.10 管線破壞時之軸力與彎矩圖(管線與平移斷層夾角為 15 度)
圖5.11 管線與平移斷層夾角為 30 度之破壞示意圖(拉力破壞)
0 10 20 30 position (m)
-0.12
fault angle deg.30 pipe deflection
圖5.12 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 30 度)
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
half fault displacement (m) 0
fault angle deg.30 resultant force axial force lateral force
圖5.13 管線於斷層處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 30 度)
0 100 200 300 400 position (m)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
P/Py&M/Mcr
fault angle deg.30 axial force moment
圖5.14 管線破壞時之軸力與彎矩圖(管線與平移斷層夾角為 30 度)
圖5.15 管線與平移斷層夾角為 45 度之破壞示意圖(拉力破壞)
0 10 20 30 position (m)
-0.2
fault angle deg.45 pipe deflection
圖5.16 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 45 度)
0 0.1 0 .2 0.3
half fault displacement (m) 0
fault angle deg.45 resultant force axial force lateral force
圖5.17 管線於斷層處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 45 度)
0 100 200 300 400 position (m)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
P/Py&M/Mcr
fault angle deg.45 axial force moment
圖5.18 管線破壞時之軸力與彎矩圖(管線與平移斷層夾角為 45 度)
圖5.19 管線與平移斷層夾角為 60 度之破壞示意圖(拉力破壞)
0 10 20 30 position (m)
-0.3
fault angle deg.60 pipe deflection
圖5.20 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 60 度)
0 0.1 0.2 0.3 0.4
half fault displacement (m) 0
fault angle deg.60 resultant force axial force lateral force
圖5.21 管線於斷層處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 60 度)
0 100 200 300 400 position (m)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
P/Py&M/Mcr
fault angle deg.60 axial force moment
圖5.22 管線破壞時之軸力與彎矩圖(管線與平移斷層夾角為 60 度)
圖5.23 管線與平移斷層夾角為 75 度之破壞示意圖(撓曲破壞)
0 10 20 30 position (m)
-0.3
fault angle deg.75 pipe deflection
圖5.24 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 75 度)
0 0.1 0 .2 0.3
half fault displacement (m) 0
fault angle deg.75 resultant force axial force lateral force
圖5.25 管線於斷層處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 75 度)
0 100 200 300 400 position (m)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
P/Py&M/Mcr
fault angle deg.75 axial force moment
圖5.26 管線破壞時之軸力與彎矩圖(管線與平移斷層夾角為 75 度)
圖5.27 管線與平移斷層夾角為 90 度之破壞示意圖(撓曲破壞)
0 10 20 30 position (m)
-0.25
fault angle deg.90 pipe deflection
圖5.28 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 90 度)
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
half fault displacement (m) 0
fault angle deg.90 lateral force
圖5.29 管線於斷層處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 90 度)
0 100 200 300 400 position (m)
0
fault angle deg.90 moment
圖5.30 管線破壞時之彎矩圖(管線與平移斷層夾角為 90 度)
0 15 30 45 60 75 90
fault angle(deg.) 0
this study Chen[19]
Newmark and Hall(1975)
圖5.31 斷層容許錯動量比較(0 至 90 度)
圖5.32 管線與平移斷層夾角為 105 度之破壞示意圖(撓曲破壞)
0 10 20 30
position (m)
-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05
pipedeflection(m)
fault angle deg.105 pipe deflection
圖5.33 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 105 度)
0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2 half fault displacement (m)
0
fault angle deg.105 resultant force axial force lateral force
圖5.34 管線於斷層處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 105 度)
0 100 200 300 400
position (m) -0.4
0 0.4 0.8
P/Py&M/Mcr
fault angle deg.105 axial force moment
圖5.35 管線破壞時之軸力與彎矩圖(管線與平移斷層夾角為 105 度)
圖5.36 管線與平移斷層夾角為 120 度之破壞示意圖(撓曲破壞)
0 10 20 30
position (m)
-0.16 -0.14 -0.12 -0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02
pipedeflection(m)
fault angle deg.120 pipe deflection
圖5.37 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 120 度)
0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2 half fault displacement (m)
0
fault angle deg.120 resultant force axial force lateral force
圖5.38 管線於斷層處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 120 度)
0 100 200 300 400
position (m)
-0.8
P/Py&M/Mcr
fault angle deg.120 axial force moment
圖5.39 管線破壞時之軸力與彎矩圖(管線與平移斷層夾角為 120 度)
圖5.40 管線與平移斷層夾角為 135 度之破壞示意圖(撓曲破壞)
0 10 20 30
position (m)
-0.16 -0.14 -0.12 -0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02
pipedeflection(m)
fault angle deg.135 pipe deflection
圖5.41 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 135 度)
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 half fault displacement (m)
0
fault angle deg.135 resultant force axial force lateral force
圖5.42 管線於斷層處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 135 度)
0 100 200 300 400
position (m)
-1
P/Py&M/Mcr
fault angle deg.135 axial force moment
圖5.43 管線破壞時之軸力與彎矩圖(管線與平移斷層夾角為 135 度)
圖5.44 管線與平移斷層夾角為 150 度之破壞示意圖(軸力破壞)
0 10 20 30
position (m)
-0.12 -0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02
pipedeflection(m)
fault angle deg.150 pipe deflection
圖5.45 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 150 度)
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 half fault displacement (m)
0
fault angle deg.150 resultant force axial force lateral force
圖5.46 管線於斷層處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 150 度)
0 100 200 300 400
position (m)
-1
P/Py&M/Mcr
fault angle deg.150 axial force moment
圖5.47 管線破壞時之軸力與彎矩圖(管線與平移斷層夾角為 150 度)
圖5.48 管線與平移斷層夾角為 165 度之破壞示意圖(軸力破壞)
0 10 20 30
position (m)
-0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01
pipedeflection(m)
fault angle deg.165 pipe deflection
圖5.49 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 165 度)
0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2 half fault displacement (m)
0
fault angle deg.165 resultant force axial force lateral force
圖5.50 管線於斷層處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 165 度)
0 100 200 300 400
position (m)
-1
P/Py&M/Mcr
fault angle deg.165 axial force moment
圖5.51 管線破壞時之軸力與彎矩圖(管線與平移斷層夾角為 165 度)
圖5.52 管線與平移斷層夾角為 180 度之破壞示意圖(軸力破壞)
0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2
half fault displacement (m) 0
500 1000 1500 2000 2500 3000
pushoverforce(kN)
fault angle deg.180 axial force
圖5.53 管線於斷層處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 180 度)
0 100 200 300 400 position (m)
-1
P/Py&M/Mcr
fault angle deg.180 axial force
圖5.54 管線破壞時之軸力與彎矩圖(管線與平移斷層夾角為 180 度)
0 15 30 45 60 75 90 105 1 20 135 150 165 180 fault angle(deg.)
0.3
this study Chen[19]
35 150 165 180
圖5.55 斷層容許錯動量在不同斷層角下比較(0 至 180 度)
第六章 結論與建議
6.1 結論
本研究利用台灣常用延性鑄鐵管與K 型接頭，進行一系列管體與接頭 力學試驗，其中包括軸向抗拉、軸向抗壓以及四點式彎矩測試，其中對於 試驗規畫、設計以及試驗結果在本文第二、三章有詳細的介紹。
本文亦利用商用有限元素軟體ABAQUS，對於軸向抗壓試驗作一數值 模擬，針對 DN100、200、400、600 四種標稱管徑進行分析，並且對數值 模型進行合理的假設以及適當的修正，接著與第三章試驗結果比較，利用 上述四種標稱管徑的試驗與數值分析之比較結果，對於試驗之壓力與位移 曲線進行迴歸，藉此取得台灣常用延性鑄鐵管全部管徑的簡化後三線性壓 力與位移曲線關係。
本研究的另一個重點則是利用非線性側推分析來探討地下自來水受地 層錯動之行為，進行管線非線性側推之前，必須先對管線力與位移曲線進 行正規化，修正為商用有限軟體 SAP2000 的塑鉸參數，利用上述取得之簡 化三線性壓力與位移曲線作正規化後，進行管線非線性側推分析，對於拉 力、撓曲、壓力控制三種案例，共 13 種管線於平移斷層夾角作詳細探討。
對於管線與接頭的力學試驗之討論整理如下：
軸向抗拉試驗：
1. 理論上管體之位移為管體變形加接頭位移。由致動器位移與接頭位移計，
量測結果之關係可看出，兩者值幾乎相同(迴歸曲線斜率幾乎為 1) ，由此 可判斷試驗時，管體相對於接頭幾乎為剛體。
2. 因為抗拉強度來源為橡膠圈與管體間的磨擦力，徑厚比對於抗拉強度的 大小並無明顯的相關，反而是管徑越大的管體，因為橡膠圈與管體間的接 觸面積越大，抗拉強度越大。
軸向抗壓試驗：
發生在接頭上，故推論 K 型接頭對於軸向抗壓能力並無法提供太多抗壓強
DN400、600 試體破壞為插口端與承口端的管體破壞，可以推論大管徑的管 體，在底部 T 型螺栓尚未提供抗拉強度時，已經發生破壞。
量會大於管線與平移斷層夾角是大於 90 度下的錯動量，且由分析結果與 Newmark 及 Hall 的研究之比較發現，當管線之破壞是拉伸破壞時，則本文 分析所得之斷層容許錯動量相當接近由 Newmark 及 Hall 的理論所得之 值。
參考文獻
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