TW201817941A

TW201817941A - 鋼板阻尼器

Info

Publication number: TW201817941A
Application number: TW105135621A
Authority: TW
Inventors: 蔡克銓; 許仲翔; 李昭賢; 吳安傑
Original assignee: 財團法人國家實驗研究院
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2018-05-16
Also published as: TWI600819B; CN108005245A

Abstract

本發明提供了一種鋼板阻尼器，係用於補強一建物構體。該鋼板阻尼器係設置於該建物構體之一第一構件及相對該第一構件之一第二構件之間，且包括一第一連接件、一第二連接件、以及一消能件，其中，於該消能件之上端係設置一第一端板，於該消能件之下端係設置一第二端板，以及於消能件上設置至少一加勁板，其中，所述加勁板與該第一端板、及該第二端板係於該消能件之上定義出複數個區塊，所述區塊中，其一最大長邊與一短邊的比值係大於1.5。

Description

鋼板阻尼器

本發明有關於一種鋼板阻尼器，尤指一種設置於建築的構件之間的鋼板阻尼器。

地震災害總是帶給人們巨大的生命財產的損失，因此提高建築物制震特性一直是結構工程發展重要的課題之一，尤其是位於地震帶，由於地震頻傳，造成許多建築物損害，危及人類生命財產安全，故不僅須補強既有建築的強度，強化新建結構的耐震能力更是極為重要的減災方法。

近年來，各種建物的隔震、制震、以及耐震技術不斷發展，一般而言，為了確保建築結構體的強度以抵抗地震或風力的水平外力，通常需要有制震消能裝置，其原理主要是藉著這些制震消能裝置參與消能，以期在強大外力之下可減低結構變形而避免結構破壞。

目前常見的制震系統主要可分為金屬降伏制震系統以及黏彈性制震系統。其中，金屬降伏制震系統多以鋼板材料構成，並藉由鋼板降伏後的非彈性變形來消散地震能量；而黏彈性制震系統係藉由特殊的高分子材料的變形特性以吸收結構因地震引起的振動能量。

而含鋼板阻尼器的構架(SPD-MRF)為金屬降伏制震構架的一種，其係利用額外配置的鋼板阻尼器於傳統抗彎構架之中，以增加勁度、強度、韌性與消能能力的系統，此外，鋼板阻尼器也是一種剪力降伏型耐震間柱。然而，習知的鋼板阻尼器通常包括彈性段以及消能段，其中彈性段一般係使用一般鋼材、而消能段係使用低降伏強度鋼材(LYP steel)，然而，低降伏強度鋼材的價格昂貴，且施工不易。因此，目前亟需一種可快速施工、成本低、並能大幅提升建築物耐震能力的制震系統。

為了上述之目的，本發明提供了一種鋼板阻尼器，係用於補強一建物構體，且該鋼板阻尼器係設置於該建物構體之第一構件及相對於該第一構件之第二構件之間，該鋼板阻尼器係包括：一第一連接件，係連接該建物構體之一第一構件；一第二連接件，係連接該建物構體之一第二構件；一消能件，設置於該第一連接件以及該第二連接件之間；一第一端板，設置於該消能件之一端，並垂直於該消能件，且該第一端板係連接於該第一連接件與該消能件之間；一第二端板，設置於該消能件之另一端，並垂直於該消能件，且該第二端板係連接於該第二連接件與該消能件之間；以及至少一加勁板，連接於該消能件之至少一表面上並垂直該消能件，其中，所述加勁板與該第一端板、及該第二端板係於該消能件上定義出複數個區塊。

於一較佳實施態樣中，於所述區塊中，一最大長邊與一短邊的比值係大於1.5。

於一較佳實施態樣中，該第一連接件以及該第二連接件之勁度(stiffness)及強度係大於該消能件之勁度及強度。因此，於本發明所提供之鋼板阻尼器中，該第一連接件以及該第二連接件係作為整體阻尼結構中的彈性段，而位於中間之該消能件係作為非彈性段，故於地震作用下消能件能以反覆剪力降伏變形消釋能量，消能件設置適當加勁板可延緩挫屈的發生。

於本發明之一較佳實施態樣中，該第一連接件、該第二連接件、以及該消能件各自具有一腹板以及至少一翼板，其位於所述腹板之至少一側並垂直於該腹板，而該第一連接件、該第二連接件、及該消能件之翼板係分別為其邊界構材，該第一連接件、該第二連接件、該消能件、所述翼板、以及所述加勁板皆是由鋼材所構成。因此，該第一連接件、該第二連接件、以及該消能件可各自選自H型鋼、箱型鋼、L型鋼、I型鋼、或U型鋼，其中又以H型鋼為較佳。

於一實施態樣中，所述加勁板的設置方式並無特別的限制，只要其與第一端板、及第二端板所定義出的複數個區塊中，其一最大長邊與一短邊的比值係大於1.5即可。其中，所述區塊中的該最大長邊係指該消能件上所有被定義出的區塊中具有最大邊長的區塊之長邊，而其短邊係指該區域中平行的兩個長邊之間的最小直線距離。

所述加勁板可設置於該消能件之同一表面上，或者可於該消能件之兩相反表面上設置，而所述加勁板的數量亦無特別的限制。舉例而言，可於該消能件之一表面上設置一至多個彼此平行排列之第一加勁板，以及一至多個與前述縱向加勁板垂直之第二加勁板；或者可於該消能件之一表面上設置多個彼此平行排列之第一加勁板，並於該消能件之另一表面上設置一或多個與前述第一加勁板垂直之第二加勁板。或者，加勁板可以斜向設置於該消能件之上，或交叉設置於該消能件上，可依需求而設計，並無特別的限制。

所述第一加勁板係垂直連接於該第一端板以及該第二端板，而所述第二加勁板係垂直於上述之第一加勁板。

承上，於一較佳實施態樣中，所述第一加勁板與所述第二加勁板係彼此垂直，且分別形成於該消能件之同一表面或相反表面。

於一較佳實施態樣中，該區塊實質上為一矩形，且該矩形的長寬比係大於1.5。

於一較佳實施態樣中，該第一連接件以及該第二連接件係以焊接方法分別連接至該第一構件以及該第二構件。而該消能件係亦焊接方法接合至該第一連接件以及該第二連接件，該第一端板及該第二端板同樣係以焊接方法連接至該消能件之上下兩側。此外，所述加勁板亦以焊接方法接合於該消能件上。

於本發明之鋼板阻尼器中，各個元件間以及與該建物構體之一第一構件及第二構件的接合方法並無特別的限制，可利用習知之栓接方法或焊接方法以接合各個元件，然其中係以焊接方法為較佳，其操作簡單快速，且可降低製備成本。

於另一較佳實施態樣中，本發明之鋼板阻尼器更包括一第一加強板，其係設置於該第一連接件之兩側，並連接該第一構件；以及，該鋼板阻尼器更包括一第二加強板，其設置於該第二連接件之兩側，並連接該第二構件。該第一加強板以及該第二加強板係增加該第一連接件及該第二連接件與該第一構件及該第二構件之間的連接強度，使得該建物構體受地震作用下，可穩固地將地震能量傳遞至該消能件區域以進行消能，並確保該第一連接件及第二連接件不發生彎曲或剪力降伏。

於一較佳實施態樣中，本發明之鋼板阻尼器之該第一連接件及該第二連接件可具有相同之深度，而該消能件之深度可與該第一連接件及該第二連接件之深度不同，可為較長或較短，並無特別的限制，只要該第一連接件及該第二連接件之勁度及強度係大於該消能件之勁度及強度即可。

此外，本發明所提供之鋼板阻尼器係設置於該建物構體之該第一構件以及相對於該第一構件之該第二構件之間，而相對之該第一構件與該第二構件可為該建物構體之上梁及下梁，在此情況下，該鋼板阻尼器為直立設置。然而，相對之該第一構件與該第二構件亦可為該建物構體之柱與柱之間，在此情況下，該鋼板阻尼器為橫向設置於兩柱之間。

本發明所提供之鋼板阻尼器，可使用一般常用之鋼材即可製備該鋼板阻尼器，不須使用低降伏強度之特殊鋼材，可大幅降低製備成本，此外，本發明所提供之鋼板阻尼器與結構體之上樑及下樑較佳係藉由焊接方法互相接合，且該鋼板阻尼器結構之第一連接件、消能件、第二連接件之間，以及邊界板及加勁板較佳亦藉由焊接方法接合至消能件上，故本發明之鋼板阻尼器之組裝方法簡單，可減少製備的時間成本。

在下文中，將提供實施例以詳細說明本發明之實施態樣。本發明之優點以及功效將藉由本發明所揭露之內容而更為顯著。在此說明所附之圖式係簡化過且做為例示用。圖式中所示之元件數量、形狀及尺寸可依據實際情況而進行修改，且每一構件的配置可能更為複雜。本發明中也可進行其他方面之實踐或應用，且不偏離本發明所定義之精神及範疇之條件下，可進行各種變化以及調整。

[實施例1]

本實施例所提供之鋼板阻尼器1000係如圖1及圖2所示，其中，圖1係該鋼板阻尼器1000之正面示意圖，而圖2係該鋼板阻尼器1000之側面示意圖。如圖所示，該鋼板阻尼器1000包括一第一連接件1；一第二連接件2；一消能件3；兩個加勁板5；一第一端板6；以及一第二端板7。其中，該第一連接件1、該第二連接件2、以及該消能件3係依序各自具有一腹板11、21、31以及於該腹板兩側之兩翼板12、22、32之H形鋼所構成。且該第一連接件1係藉由焊接方法與一建物構體之第一構件(上樑)91連接，該第二連接件2係藉由焊接方法與該建物構體之第二構件(下樑)92連接，而該消能件3係藉由焊接方法接合於該第一連接件1與該第二連接件2之間。或者，該第一連接件1及該第二連接件2也可以藉由栓鎖的方式分別與建物構體之第一構件(上樑)91及第二構件(下樑)92連接，在此不作限制。

以及，所述加勁板5為縱向之第一加勁板51，其形成於該消能件3之腹板31的同一表面，且所述加勁板5之上端係連接至該第一端板6，其下端則連接至該第二端板7，而如圖所示，所述加勁板5、第一端板6、第二端板7、以及該消能件3之翼板32係於該消能件3上定義出三個呈矩形的區塊4，而其中，所述三個區塊4中，其最大長邊D1(矩形區塊4之長邊)與一短邊D2(矩形區塊4之短邊)的比值係大於1.5。

另外，該鋼板阻尼器1000更包括兩個第一加強板81，其係設置於該第一連接件1之兩側，並連接該第一構件91；以及兩個第二加強板82，其係設置於該第二連接件2之兩側，並連接該第二構件92。第一加強板81以及第二加強板82可強化第一連接件1與第一構件91之間以及第二連接件2與第二構件92之間的連接強度。

另外，於本實施例之鋼板阻尼器中，除了其該消能件3係由SN400B鋼材所構成，其餘元件皆係使用SN490B鋼材所構成，而其尺寸設計係如表1所示。

[實施例2]

本實施例所提供之鋼板阻尼器2000係如圖3及圖4所示，其中，圖3係該鋼板阻尼器2000之正面示意圖，而圖4係該鋼板阻尼器2000之側面示意圖。如圖所示，本實施例之鋼板阻尼器2000大致上與實施例1所提供之鋼板阻尼器1000相同，其不同在於所述加勁板5的數量為3，包括兩個縱向的第一加勁板51、以及一個橫向的第二加勁板52，且兩個第一加勁板51係與第二加勁板52形成於該消能件3之不同表面上。也因此，如圖所示，所述加勁板5與第一端板6、第二端板7、以及消能件3之翼板32係於該消能件3上定義出六個呈矩形的區塊4，而其中，所述六個區塊4中，其最大長邊D1(矩形區塊4之長邊)與一短邊D2(矩形區塊4之短邊)的比值係大於1.5。

表1

[實施例3]

本實施例所提供之鋼板阻尼器3000係如圖5所示，該鋼板阻尼器3000大致上係與實施例1所提供之鋼板阻尼器1000相同，其不同在於加勁板的排列方式以及數量。如圖5所示，所述加勁板5的數量為八，且為為斜向排列，而所述斜向加勁板53係彼此平行，並設置於該消能件3之腹板31的同一表面上。因此，如圖所示，所述斜向加勁板5係於該消能件3上定義出九個區塊，而所述九個區塊中，具有最大長邊之區塊為區塊4’，而其最大長邊D1’與其短邊D2’的比值係大於1.5。

[實施例4]

本實施例所提供之鋼板阻尼器4000係如圖6所示，其包括一第一連接件1、一第二連接件2、一消能件3、一加勁板5、一第一端板6、以及一第二端板7。於本實施例中，消能件3之深度L2小於第一連接件1及第二連接件2之深度L1，而該第一連接件1及該第二連接件2之勁度及強度係大於該消能件3之勁度及強度。其中，該第一連接件1、該第二連接件2、以及該消能件3係依序各自具有一腹板11、21、31以及於該腹板兩側之兩翼板12、22、32之H形鋼所構成。且該第一連接件1係藉由焊接方法或栓鎖方式與一建物構體之第一構件(上樑)91連接，該第二連接件2係藉由焊接方法或栓鎖方式與該建物構體之第二構件(下樑)92連接，而該消能件3係藉由焊接方法接合於該第一連接件1與該第二連接件2之間。此外，設置於消能件上之加勁板的數量為3，包括兩個第一加勁板(縱向)51以及一個第二加勁板(橫向)52，且第一加勁板51與第二加勁板52係形成於該消能件3上之不同表面上。而如圖所示，所述加勁板5、第一端板6、第二端板7、及消能件3之翼板32係於消能件3上定義出六個呈矩形的區塊4，且其最大長邊與一短邊的比值係大於1.5。

[實施例5]

本實施例所提供之鋼板阻尼器5000係如圖7所示，如圖所示，該鋼板阻尼器5000包括一第一連接件1、一第二連接件2、一消能件3、三個加勁板5、一第一端板6、以及一第二端板7。而其中，該鋼板阻尼器5000之第一連接件1、第二連接件2、及消能件3係由同一個寬翼H型鋼板所構成，並依序各自具有一腹板11、21、31以及於該腹板兩側之兩翼板12、22、32。然第一連接件1以及第二連接件2更各自包括兩個貼板13、23，設置於該H型鋼板之腹板11、21正反表面處使得第一連接件1及第二連接件2的勁度及強度大於該消能件3的勁度及強度。

詳細而言，請參照圖8所示之第一連接件1之截面圖，所述貼板13可貼合至該H型鋼板之腹板11的正反表面上，以提升該第一連接件1之強度及勁度，或者也可如圖9所示，所述貼板13平行於該H型鋼板之腹板而設置，亦可提升第一連接件1之強度及勁度。其中，第二連接件2之截面與第一連接件1之截面相同，所述貼板亦提供第二連接件2之強度及勁度，使得第一連接件1及第二連接件2之勁度及強度接大於消能件3之勁度及強度。

此外，消能件3上之加勁板5的數量為3，包括兩個縱向的第一加勁板51以及一個橫向的第二加勁板52，且第一加勁板51與第二加勁板52係形成於該消能件3上之不同表面上，所述加勁板5、第一端板6、及第二端板7係於消能件3上定義出六個呈矩形的區塊4，且其最大長邊D1(矩形區塊之長邊)與一短邊D2(矩形區塊之短邊)的比值係大於1.5。

[實施例6]

本實施例所提供之鋼板阻尼器6000係如圖10所示，該鋼板阻尼器6000大致上係與實施例5所提供之鋼板阻尼器5000相同，其不同在於該第一連接件1以及該第二連接件2係各自包括彼此交叉之兩個加強板14、24，設置於該H型鋼板之腹板11、21之一表面上、或各自設置於腹板11、21之正反兩表面上。舉例而言，如圖10所示之兩個加強版14可設置於腹板11之同一表面上，或者兩個加強版24可設置於腹板21之不同表面上，可依需求而設置，以提供第一連接件1及第二連接件2之勁度及強度，使得第一連接件1及第二連接件2之勁度及強度大於消能件3之勁度及強度。

[測試例1]-鋼板阻尼器反覆載重試驗

本測試例係以實施例1及實施例2所提供之鋼板阻尼器1000、2000做為試體，使用多自由度多功能構件試驗系統(Multi-Axial Testing System, MATS)以進行反復載重試驗，MATS可施加垂直力、側向力、與傾倒彎矩共，六個自由度。本試驗之加載歷時係根據[AISC341-10 2010]關於樑購件之反覆載重試驗規範，面內方向位移角依序為：0.125%、0.375%、0.50%、0.75%、1.0%、1.5%、2%、3%、4%、及5%。假設樓高為3.6公尺，每個位移角依序進行6、6、6、6、4、2、2、2、2、2次循環，加載歷時係如圖6所示，其餘邊界條件為MATS上下端無旋轉，試體在試驗過程中處於無軸力狀態，且試體上下端在面外方向無相對位移。

實施例1及實施例2所提供之鋼板阻尼器1000、2000兩組試驗結果係如圖7所示，其消能件最大剪力變形可達0.11。而經計算，可得知實施例1之鋼板阻尼器1000之累積塑性變形(Cumulative Plastic Deformation, CPD)為127，而實施例2之鋼板阻尼器2000之CPD為143。證實本發明所提供之加勁板可延緩挫屈，且具備相近的韌性容量。

由本測試例之結果可發現，實施例1及實施例2所提供之鋼板阻尼器之消能件區域的剪力變形皆可達0.11弧度，且累積塑性變形可達127以上，代表本發明所設計之鋼板阻尼器具有高韌性與高消能容量。故於地震作用下，於鋼板阻尼器核心段之消能件能以反覆剪力降伏變形消釋能量，而設置於消能件上之加勁板可延緩挫曲的發生。

1000、2000、3000、4000、5000、6000‧‧‧鋼板阻尼器

1‧‧‧第一連接件

2‧‧‧第二連接件

3‧‧‧消能件

11、21、31‧‧‧腹板

12、22、32‧‧‧翼板

13、23‧‧‧貼板

14、24‧‧‧加強板

4、4’‧‧‧區塊

5‧‧‧加勁板

51‧‧‧第一加勁板

52‧‧‧第二加勁板

53‧‧‧斜向加勁板

6‧‧‧第一端板

7‧‧‧第二端板

81‧‧‧第一加強板

82‧‧‧第二加強板

91‧‧‧第一構件

92‧‧‧第二構件

D1、D1’‧‧‧最大長邊

D2、D2’‧‧‧短邊

L1、L2‧‧‧深度

圖1係本發明實施例1中鋼板阻尼器之正面示意圖。圖2係本發明實施例1中鋼板阻尼器之側面示意圖。圖3係本發明實施例2中鋼板阻尼器之正面示意圖。圖4係本發明實施例2中鋼板阻尼器之側面示意圖。圖5係本發明實施例3中鋼板阻尼器之正面示意圖。圖6係本發明實施例4中鋼板阻尼器之正面示意圖。圖7係本發明實施例5中鋼板阻尼器之正面示意圖。圖8係本發明實施例5中第一連接件之剖面圖。圖9係本發明實施例5中另一實施態樣之第一連接件之剖面圖。圖10係本發明實施例6中鋼板阻尼器之正面示意圖。圖11係本發明測試例1中加載歷時之示意圖。圖12係本發明測試例1中測試結果之示意圖。

Claims

一種鋼板阻尼器，用於補強一建物構體，該鋼板阻尼器係設置於該建物構體之一第一構件以及相對於該第一構件之一第二構件之間，且包括：一第一連接件，係連接該建物構體之該第一構件；一第二連接件，係連接該建物構體之該第二構件；一消能件，設置於該第一連接件以及該第二連接件之間；一第一端板，設置於該消能件之一端並垂直於該消能件，且該第一端板係連接於該第一連接件與該消能件之間；一第二端板，設置於該消能件之另一端並垂直於該消能件，且該第二端板係連接於該第二連接件與該消能件之間；以及至少一加勁板，連接於該消能件之至少一表面上並垂直於該消能件；其中，所述加勁板與該第一端板、及該第二端板係於該消能件上定義出複數個區塊。
如申請專利範圍第1項所述之鋼板阻尼器，其中，所述區塊中，其一最大長邊與一短邊的比值係大於1.5。
如申請專利範圍第1項所述之鋼板阻尼器，其中，該第一連接件以及該第二連接件之勁度及強度係大於該消能件之勁度及強度。
如申請專利範圍第1項所述之鋼板阻尼器，其中，該第一連接件、該第二連接件、以及該消能件各自具有一腹板、以及至少一翼板，所述翼板位於所述腹板之至少一側並垂直於該腹板。
如申請專利範圍第1項所述之鋼板阻尼器，其中，該第一連接件、該第二連接件、以及該消能件之係分別選自H型鋼、箱型鋼、L型鋼、I型鋼、或U型鋼。
如申請專利範圍第4項所述之鋼板阻尼器，其中，該第一連接件、該第二連接件、以及該消能件為H型鋼。
如申請專利範圍第1項所述之鋼板阻尼器，其中，所述加勁板包括至少一第一加勁板，所述第一加勁板係垂直連接於該第一端板以及該第二端板。
如申請專利範圍第6項所述之鋼板阻尼器，其中，所述加勁板更包括至少一第二加勁板，所述第二加勁板係垂直於所述第一加勁板。
如申請專利範圍第7項所述之鋼板阻尼器，其中，所述第一加勁板與所述第二加勁板係分別形成於該消能件之同一表面或相反表面。
如申請專利範圍第1項所述之鋼板阻尼器，其中，該區塊實質上為一矩形，且該矩形的長寬比係大於1.5。
如申請專利範圍第1項所述之鋼板阻尼器，其中，所述加勁板係以焊接方法連接至該消能件上。