TWI688698B - 韌性受壓斜撐裝置 - Google Patents

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黃世建
蔡仁傑
蕭輔沛
邱聰智
翁樸文
鍾立來
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財團法人國家實驗研究院
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本發明係提供一種韌性受壓斜撐裝置,用於補強一建物構體,包括:一斜撐桿件;以及至少一預力件,設置於該斜撐桿件的端部;其中,該預力件預壓後恆提供一彈性力,使該韌性受壓斜撐裝置傳遞一壓力至該建物構體上,當該建物構體受到一側力,使該預力件沿該斜撐桿件的延伸方向產生形變時,該彈性力的變化可消除該韌性受壓斜撐裝置對該建物構體產生拉力。

Description

韌性受壓斜撐裝置
本發明係關於一種韌性受壓斜撐裝置,尤指一種提升建築物之抗側力及耐震能力的韌性受壓斜撐裝置。
在近幾年的地震中,觀察到有些現有的中高樓層建物有軟弱層的問題,且有軟弱層問題的建築,在地震後觀察到有嚴重損毀或是倒塌。 而位於環太平洋地震帶的台灣,地震發生的相當頻繁,因此如何修補現有的建築物並補強建築物的耐震能力則成了預防地震災害的重要課題。
目前既有的建築物補強工法包括翼牆補強、擴柱補強、或鋼筋混凝土剪力牆補強等傳統的工法,這些傳統的補強工法雖有一定的防震效果,但上述的補強方法在建構時通常需要大量的植筋,除了容易產生粉塵及噪音汙染外,對於一些空間及環境受限的既有建築物,如商業大樓、住商混合大樓或醫院等,即較不適用,因此傳統的補強工法在實際應用上常受到限制。
此外,目前較新穎的的補強工法為利用斜撐補強結構來補強既有的建築物,其係將斜撐補強結構設置於建築物的梁柱框架中,並與梁柱接合,此種補強工法較不受空間及環境的限制,施工期較短。然而,於地震發生時,建築物的震動方向不定而可能會受到側力,雖然一般的斜撐補強結構可提昇建築物的抗側力強度,但梁柱結構卻可能會受到斜撐補強結構的拉力而破壞,導致建築物的韌性降低及結構受損。
因此,目前亟需一種可施工期短、不受空間及環境限制、能提升建築物之抗側力、且不易損壞建築物結構的補強方式,以提升既有建築物的強度及改善其整體耐震能力。
為了解決上述問題,本發明之一目的為提供一種韌性受壓斜撐裝置,係於既有建物上應用的新式補強結構,以補強鋼筋混凝土造建築之耐震能力。透過斜撐裝置提供之水平側向力,以提高既有鋼筋混凝土構架之耐震能力,另因為設有預力件可恆提供一彈性力於鋼筋混凝土造建築上,且是可以受力產生形變的,故可同時消除鋼筋混凝土構架因震動而受到一側力時,受壓斜撐裝置對鋼筋混凝土構架產生拉力破壞可能。本發明所提供的韌性受壓斜撐裝置可避免建築物空間不足的限制,且施工方便,可以較短施工時間進行補強,以減小對住戶生活之干擾,並有效率地達到提升該建物結構之耐震能力。
本發明所提供的韌性受壓斜撐裝置係用於補強一建物構體,該韌性受壓斜撐裝置主要包括:一斜撐桿件;以及至少一預力件,設置於該斜撐桿件的端部;其中,該預力件預壓後恆提供一彈性力,使該韌性受壓斜撐裝置傳遞一壓力至於該建物構體上,當該建物構體受到一側力,使該預力件沿該斜撐桿件的延伸方向產生形變時,該彈性力的變化可消除該韌性受壓斜撐裝置對該建物構體產生之拉力。
於本發明一較佳實施態樣中,該斜撐桿件為一鋼筋混凝土桿件或一挫屈束制支撐桿件(Buckling Restrained Brace;BRB);其中又以挫屈束制支撐桿件為較佳。該斜撐桿件更包含至少一接合部,設置於該斜撐桿件的兩端。
於本發明一較佳實施態樣中,該挫屈束制支撐桿件主要包含一核心單元;一圍束單元,包覆該核心單元;以及一脫層單元,披覆於該核心單元表面。然而,於其他實施態樣中,該挫屈束制支撐桿件所包含的元件並不受限於此,可為本領域中習知的各種挫屈束制支撐桿件。
於本發明一較佳實施態樣中,該預力件主要包含一芯軸、設置於該芯軸的一端之一第一抵件、可移動地套設於該芯軸上之一內套管、設置於該內套管的一端之一第二抵件、以及套設於該芯軸與該內套管上之一彈性件,其兩端分別抵接該第一抵件以及該第二抵件;其中,該第一抵件或該第二抵件抵掣該建物構體,該彈性件經預壓以恆提供該建物構體該彈性力。
於本發明一較佳實施態樣中,該預力件的數量為一,設置於該斜撐桿件的其中一端。而於另一實施態樣中,該預力件的數量可為二,分別設置於該斜撐桿件的兩端。
於本發明一較佳實施態樣中,該建物構體係由鋼筋混凝土所構成。
本發明所提供的韌性受壓斜撐裝置所包含的元件數量少,結構簡單,且組裝容易,於建物構體現場施工快速,對於空間應用的可塑性大。此外,由於本發明所提供的韌性受壓斜撐裝置中的預力件提供了一自該斜撐桿件延伸並朝建物構體方向的一彈性力,故當建物構體於地震來襲而受到一側力時,可藉由韌性受壓斜撐裝置之預力件的大量變形,來避免韌性受壓斜撐裝置對建物構體產生拉力而被破壞。
為讓上述目的、技術特徵、和優點能更明顯易懂,下文係以較佳實施例配合所附圖式進行詳細說明。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式,熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。惟需注意的是,以下圖式均為簡化之示意圖,圖式中之元件數目、形狀及尺寸可依實際實施狀況而隨意變更,且元件佈局狀態可更為複雜。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用,本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用,在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
請參見圖1,本實施例所提供的韌性受壓斜撐裝置1000主要包括一斜撐桿件1、以及一預力件2,該預力件2係設置於該斜撐桿件1的一端部。當該韌性受壓斜撐裝置1000設置於一建物構體上時,該預力件2先受預壓而恆提供一彈性力,使該韌性受壓斜撐裝置1000傳遞一壓力至該建物構體上,當因地震而使得建物構體受到一側力時,該預力件2會沿該斜撐桿件1的延伸方向產生形變,利用該彈性力的變化,來消除該韌性受壓斜撐裝置1000可能對該建物構體產生之拉力。
詳細而言,本實施例中的該斜撐桿件1為一挫屈束制支撐桿件,其主要包含一核心單元11;一圍束單元12,包覆該核心單元11;一脫層單元13,披覆於該核心單元11的表面;以及兩個接合部14,分別設置於該核心單元11的兩端。其中,該核心單元11是直徑為50 mm的鋼條,而該圍束單元12包括直徑較佳為270 mm的一鋼管121以及一無收縮水泥砂漿122,鋼管121的厚度較佳為6mm,無收縮水泥砂漿122的規格可選擇抗壓強度達8000 psi者,該脫層單元13為厚度為3 mm的層狀結構(例如泡棉、瀝青或聚氨酯(PU)等隔絕材料),而所述接合部14各自包括直徑為120 mm的一連接柱141以及一抵掣部142,而所述接合部14係藉由所述抵掣部142與該預力件2連接或抵掣該建物構體,該連接柱141與該核心單元11係以螺接的方式接合。
本實施例中的該預力件2如圖2所示,其中,圖2之預力件2係顯示尚未進行預壓的狀態。該預力件2包含一芯軸21;一第一抵件22,設置於該芯軸21的一端;一內套管23,可移動的套設於該芯軸21上;一第二抵件24,設置於該內套管23的一端;一彈性件25,套設於該芯軸21以及該內套管23上;以及一外套管26,包覆該芯軸21、該內套管23、以及該彈性件25,而該彈性件25的兩端分別抵接於該第一抵件22以及該第二抵件24,當該第一抵件22以及該第二抵件24彼此靠近,該彈性件25被壓縮而儲存彈性能。而就本實施例而言,該彈性件25被壓縮的最大值,取決於該外套管26的設計長度,如圖1所示之該預力件2,即是該彈性件25被壓縮至最大程度,此時該外套管26抵接於該第一抵件22。於本實施例中,外套管26之直徑為200mm,彈性件25的彈性係數為0.432 kN/mm。雖然本實施例是以設置有外套管26進行說明,然而於其他可行的實施態樣中,也或者不一定需要設置該外套管26。該外套管26的長度可視需求而定,而彈性件25也可依據實際需求選擇其他種類的彈性裝置以及適當的彈性係數。
此外,本實施例是以韌性受壓斜撐裝置1000僅有一端設有一預力件2作為較佳實施例進形說明,且於安裝時經預壓,故朝該建物構體恆提供一彈性力。然而於其他實施態樣中,該韌性受壓斜撐裝置也可以是包括兩個預力件,分別設置於該斜撐桿件的兩端,亦屬於可行的結構,本發明不作限制。
接著請先參閱圖3,其係對圖1之韌性受壓斜撐裝置1000進行實驗。由於該彈性件25係經預壓,可以看出,本發明之韌性受壓斜撐裝置1000在其軸向上僅提供壓力不提供拉力。請再參照圖4,其係繪示將該韌性受壓斜撐裝置1000裝設於一建物構體3的示意圖,如圖中所示,該韌性受壓斜撐裝置1000係裝設於該建物構體3梁柱間的對角處,因此該建物構體3與該韌性受壓斜撐裝置1000連接處需利用高強度無收縮砂漿41填充連接處,且高強度無收縮砂漿41較佳可於施工現場製作,舉例來說,利用鋼板42作為模板灌漿製作,搭配預先準備的韌性受壓斜撐裝置1000,以符合建物構體3的現場尺寸。而高強度無收縮砂漿41硬化後,原作為模板的鋼板42不需拆除,可隨高強度無收縮砂漿41一併裝設於建物構體3,可防止高強度無收縮砂漿41產生側向變形,以提升整體的強度,並形成一平整的表面供該韌性受壓斜撐裝置1000的該接合部14以及該第二抵件24抵靠。
此外,於本實施態樣中,當安裝該韌性受壓斜撐裝置1000裝設於該建物構體3上時,該預力件2經預壓而恆提供一彈性力,由於該彈性件25係經預壓,韌性受壓斜撐裝置1000僅對建物構體3產生壓力,而不對其產生拉力。因為韌性受壓斜撐裝置1000所提供的彈性力恆對建物構體3提供軸向壓力,當建物構體3因震動而受到一側力時,該預力件2沿該斜撐桿件1的延伸方向產生形變,該彈性力的變化會消除或避免該韌性受壓斜撐裝置1000對該建物構體3產生拉力,進而達到較佳的抗震效果。其中,該外套管26與該第二抵件24相連接,而該預力件2於預壓後,該外套管26抵接於該第一抵件22,然而於其他實施態樣中,該外套管26可具有不一樣的長度,可視該彈性件25於安裝時所需的預壓程度而定。
而若建物構體3因震動所受到的側力,是反向地壓縮該韌性受壓斜撐裝置1000時,當該外套管26已抵接於該第一抵件22,預力件2已無法再進一步壓縮時,該斜撐桿件1仍具有進一步受壓的能力,整體而言,該斜撐桿件1及該預力件2所組成的該韌性受壓斜撐裝置1000,會將該壓力傳遞至該建物構體3。
為了驗證本發明所提供的韌性受壓斜撐裝置1000具有高強度以及韌性,故以1/2 縮尺的鋼筋混凝土構架進行試驗,請參圖5至圖7。首先,如圖5所示,為了接近老舊建物的實際建造狀況,此鋼筋混凝土構架設計為:混凝土強度為17.5MPa、鋼筋強度為280MPa、梁B與梁B之間距L1為1500mm、柱P與柱P之間距L2為2500mm、梁B的截面尺寸約為200mm x 300mm、柱P的截面尺寸約為250mm x 300mm,且額外設計樓版,以期能貼近實際結構。
進一步參閱圖6,於鋼筋混凝土構架的對角位置,裝設二支預壓之韌性受壓斜撐裝置1000,各韌性受壓斜撐裝置1000由一斜撐桿件1、一預力件2及二端的高強度無收縮砂漿41所組成,使韌性受壓斜撐裝置1000與鋼筋混凝土構架成為一體,且韌性受壓斜撐裝置1000的預壓彈性力恆對鋼筋混凝土構架施予壓力,且受拉時不會對鋼筋混凝土構架施予拉力。在其他鋼筋混凝土構架中,二支預壓之韌性受壓斜撐裝置1000也可配置為V形,視實際狀況而定,在此不作限制。
對圖5及圖6進行實驗測試的結果請參圖7,其中,圖5所示之未補強的原始鋼筋混凝土構架中,最大側力強度約為287kN,而圖6所示之補強後的鋼筋混凝土構架中,最大側力強度可以提升至481kN,整體構架強度約為1.67倍。
綜上所述,本發明可藉由模組化製作,以於施作現場快速組裝,其不僅可降低製作及施工成本,且組件間的可拆式組接方式更有利於回收再使用或組件更換維修,尤其更可根據各種欲監測的現場情形以更換裝置參數,符合各種實務需求。
上述實施例僅用來例舉本發明的實施態樣,以及闡釋本發明的技術特徵,並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成的改變或均等性的安排均屬於本發明所主張的範圍,本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。
1000:韌性受壓斜撐裝置 1:斜撐桿件 11:核心單元 12:圍束單元 121:鋼管 122:無收縮水泥砂漿 13:脫層單元 14:接合部 141:連接柱 142:抵掣部 2:預力件 21:芯軸 22:第一抵件 23:內套管 24:第二抵件 25:彈性件 3:建物構體 41:高強度無收縮砂漿 42:鋼板 B:梁 P:柱 L1、L2:間距
圖1為本發明一具體實施例之韌性受壓斜撐裝置的示意圖。 圖2為本發明一具體實施例之預力件的示意圖。 圖3為本發明一具體實施例之實驗結果圖。 圖4為本發明一具體實施例中將受壓斜撐裝置裝設於建物構體的示意圖。 圖5為模擬的建物構體之示意圖。 圖6為圖5之架構裝設本發明之韌性受壓斜撐裝置之示意圖。 圖7為根據圖5及圖6之架構的實驗測試結果。
1000:韌性受壓斜撐裝置
1:斜撐桿件
11:核心單元
12:圍束單元
121:鋼管
122:無收縮水泥砂漿
13:脫層單元
14:接合部
141:連接柱
142:抵掣部
2:預力件

Claims (7)

  1. 一種韌性受壓斜撐裝置,用於補強一建物構體,包括: 一斜撐桿件;以及 至少一預力件,設置於該斜撐桿件的端部; 其中,該預力件預壓後恆提供一彈性力,使該韌性受壓斜撐裝置傳遞一壓力至該建物構體上,當該建物構體受到一側力,使該預力件沿該斜撐桿件的延伸方向產生形變時,該彈性力的變化可消除該韌性受壓斜撐裝置對該建物構體產生一拉力。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之韌性受壓斜撐裝置,其中,該斜撐桿件為一鋼筋混凝土桿件或一挫屈束制支撐桿件。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之韌性受壓斜撐裝置,其中,該斜撐桿件更包含至少一接合部,設置於該斜撐桿件的兩端。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之韌性受壓斜撐裝置,其中,該挫屈束制支撐桿件包含一核心單元、包覆該核心單元之一圍束單元、以及披覆於該核心單元表面之一脫層單元。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之韌性受壓斜撐裝置,其中,該預力件包含一芯軸、設置於該芯軸的一端之一第一抵件、可移動地套設於該芯軸上之一內套管、設置於該內套管的一端之一第二抵件、以及套設於該芯軸以及該內套管上之一彈性件,其兩端分別抵接該第一抵件以及該第二抵件;其中,該第一抵件或該第二抵件抵掣該建物構體,該彈性件經預壓以恆提供該建物構體該彈性力。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之韌性受壓斜撐裝置,其中,該預力件的數量為二,分別設置於該斜撐桿件的兩端。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之韌性受壓斜撐裝置,其中,該建物構體係由鋼筋混凝土所構成。
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