TWM638935U

TWM638935U - 模組化消能機構

Info

Publication number: TWM638935U
Application number: TW111211887U
Authority: TW
Inventors: 張權; 陳昱志; 曹心瑜
Original assignee: 財團法人中興工程顧問社
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2023-03-21

Abstract

本創作係關於模組化消能機構，係安裝於建築結構物相應構件之間，包含消能組件、連接段及接合端，透過獨特力傳遞機制，將消能機構所受之軸向拉、壓外力轉換為核心板面內彎矩應力，並透過消能斷面最佳化，使消能區達全斷面彎剪降伏，追求韌性最大化。

Description

模組化消能機構

本創作係有關於模組化消能機構，特別係關於一種可吸收結構物所受外力之模組化消能機構，主要原理是透過機構設計及金屬材料特性將所吸收之建築物樓層相對位移轉換為金屬消能板之面內變形，利用金屬材料韌性達到消能減震之目的。

台灣地震頻繁，各種減震設備已廣泛應用於結構物耐震設計或評估補強，位移型消能斜撐為其中重要減震設備之一。

位移型消能斜撐可提供結構額外之勁度與阻尼比，常用於結構勁度不足或有弱層之情況，當結構受地震作用時，可將結構變形量轉化於斜撐消能段，使之產生降伏應變能進而吸收地震所產生能量，達到減震效果，該項技術已廣泛應用於結構補強及新建結構物。

習知應用於結構物耐震設計或補強之挫屈束制斜撐係利用金屬拉伸及壓縮變形之韌性消能，係斜撐受到軸向拉壓力作用，消能構件進入降伏達到消能行為。

然而，挫屈束制斜撐核心構件若無圍束受壓時易形成挫屈，因此，外部必須以鋼管外加內填混凝土圍束，此作法增加斜撐重量，並造成斜撐拉壓出力不對稱。

是以，本案新型人在觀察上述議題後，而遂有本創作之產生。

本創作提供一種模組化消能機構，安裝於建築結構物，由接合端與結構角隅處接合，當建築物產生層間位移時，透過機構設計之力傳遞機制將外力由接合端傳遞至消能板，使之降伏而將外力能量轉變為應變能吸收，利用金屬材料韌性達到消能目的。

本創作包含消能組件、連接段兩項獨立模組，各項模組可依照需求噸數、接合方式、長度等條件分別製造，藉由銲接方式互相耦接。

消能組件包含消能板及傳力板，其中，傳力板位於消能板的兩側，且消能板及傳力板相互平行堆疊。

較佳地，消能板透過金屬切削一體成形製造而成，進一步包含傳力端、固定端及消能區，當外力使核心板傳力端與固定端產生相對位移差，消能區設計使之產生全斷面彎矩應力及剪應力降伏，發揮更佳的塑性能力。

較佳地，傳力板與消能板的傳力端相互連接，作為力量傳遞路徑，將力量傳遞至核心板，並藉以固定傳力板與消能板。

較佳地，在連接段的一端設置至少兩組消能組件，兩組消能組件皆與連接段平行，其中一側消能組件的消能板固定端固定在連接段上翼板，另一側消能組件的消能板固定端固定在連接段下翼板，消能機構受拉力作用時，連接段兩側分別形成反對稱之彎矩，達彎矩平衡；消能機構承受壓力時亦同，亦達成彎矩平衡。此傳力機制巧妙將彎矩平衡後，使連接段內無彎矩，避免導致挫屈。

較佳地，連接段的另一端亦以對稱於連接段中平面方式設置相同數量之消能組件，使得模組化消能機構兩端皆可消能。

較佳地，核心板選擇低強度高韌性鋼材料，可提高模組化消能機構之韌性容量。

較佳地，連接段外側以封板圍束消能組件，在消能過程中提供核心板束制強度，避免核心板發生局部挫屈。

較佳地，連接段一端兩消能組件的傳力板可以用以與建築物接合。或者，兩片傳力板之間可以設置有接合板作為接合端，與消能板皆位於兩片傳力板之間，用以與建築物角隅接合處接合。或者，在連接段一端的兩傳力板之間可以設置十字接合端，與建築物角隅接合處接合。

較佳地，模組化消能機構受到拉壓外力時，經由接合端、傳力板等路徑將力量傳遞至核心板，藉此由核心板消能區吸收能量。

爲使熟悉該項技藝人士瞭解本創作之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體實施例，並配合所附之圖式，對本創作詳加說明如下。

現在將參照其中示出本創作概念的示例性實施例的附圖在下文中更充分地闡述本創作概念。以下藉由參照附圖更詳細地闡述的示例性實施例，本創作概念的優點及特徵以及其達成方法將顯而易見。

本文所用術語僅用於闡述特定實施例，而並非旨在限制本創作。除非上下文中清楚地另外指明，否則本文所用的單數形式的用語「一」及「該」旨在亦包括複數形式。本文所用的用語「及/或」包括相關所列項其中一或多者的任意及所有組合。應理解，當稱元件「連接」或「耦合」至另一元件時，所述元件可直接連接或耦合至所述另一元件或可存在中間元件。

本文中參照圖來闡述示例性實施例，其中所述圖是理想化示例性說明圖。因此，預期存在由例如製造技術及/或容差所造成的相對於圖示形狀的偏離。因此，圖中所示的區為示意性的，且其形狀並非旨在說明機構的區的實際形狀、亦並非旨在限制示例性實施例的範圍。

本創作模組化消能機構係由連接段兩端配置消能組件組成，消能組件之傳力板可作為接合端，透過傳力板與結構接合。各項模組可依照需求噸數、接合方式及長度等條件分別製造，藉由銲接方式互相耦接。

請參閱圖1，圖1為根據本創作之消能組件100的示意圖，包含消能板110及傳力板120，其中，傳力板120位於消能板110的兩側，且消能板110及傳力板120相互平行堆疊。

具體地，請結合參閱圖1及圖2，圖2為根據本創作模組化消能機構的消能板示意圖。如圖2所顯示，消能板110透過金屬切削一體成形製造而成，進一步包含傳力端111、消能區112及固定端113，受外力作用時使傳力端111及固定端113產生位移差，消能區112的形狀設計使之全斷面彎矩應力及剪應力降伏，發揮更佳的韌性容量。

具體地，傳力板120與消能板110的傳力端111相互連接，藉以固定傳力板120與消能板110。

如圖3所顯示，在圖3的實施例中，包含連接段200、四個消能組件100，連接段200的一端具有兩個消能組件100，且兩個消能組件100各具有一傳力板120，該傳力板120可以用來與建築物接合。

如圖4所顯示，在圖4的實施例中，連接段200的一端設置兩個消能組件100，由圖4的視角可以看見，兩個消能組件100與連接段200固定的位置不同，其中一側消能組件100的消能板110固定端113固定在連接段200上翼板，另一側消能組件100的消能板110固定端113固定在連接段200下翼板。

如圖5所顯示，在另一實施例中，消能組件100可進一步多設置一短傳力板121，與另一傳力板120各配置於消能板110兩側，短傳力板121、傳力板120與消能板110的傳力端111相互連接，短傳力板121與傳力板120之間還具有一塊材122，使傳力板120所受外力分配至短傳力板121，傳力板120及短傳力板121皆可傳遞力量至消能板110的傳力端111，使消能板110受力對稱。

具體地，消能組件外側可以設置封板210，以封板210圍束消能組件100。

請參閱圖6，圖6為根據本創作模組化消能機構的應用實例示意圖。包含連接段200、四個消能組件100及兩片封板210。

具體地，本創作的消能組件100可以依據現地實際需求，設計安裝相對應的接合端結構，在圖6的應用實例中，採用的是以兩片傳力板120接合，在連接段200的一端設置兩組消能組件100，亦即，會具有兩片傳力板120，而形成可以接合的結構，兩片傳力板120可以夾入建築物角隅接合處，要注意的是，接合方式並不限於銲接接合或各式螺栓對鎖等接合方式。

如圖7所顯示，相對於圖5，在另一實施例中，消能板110兩側各配置一相等長度的短傳力板121。

進一步而言，消能組件100中兩片短傳力板121之間可以設置有接合板300，如圖8所顯示。

具體地，接合板300與消能板110皆位於兩片短傳力板121之間，但並沒有相互接觸，且有部分接合板300是外露於短傳力板121，此外，接合板300受外力後可將力量平均分配至兩片短傳力板121，使兩短傳力板121傳遞對稱的力量。

具體地，本創作的消能組件100可以依據現地實際需求，設計安裝相對應的接合端結構，在此應用實例中，採用的是在兩片傳力板120之間設置接合板300，在連接段200的一端設置兩組消能組件100，亦即，會具有兩片接合板300，而形成可以接合的結構，兩片接合板300可以夾入建築物角隅接合處，要注意的是，接合方式並不限於銲接接合或各式螺栓對鎖等接合方式。

請參閱圖9，圖9為根據本創作模組化消能機構的另一應用實例示意圖。包含連接段200、四個消能組件100、兩片封板210以及兩十字接合端400，十字接合端400是由一片正向接合板410及兩片側向接合板420組成，正向接合板410平行設置於兩側之消能組件100之間，並與兩消能組件100的一片傳力板120互相銲接耦合，正向接合板410兩側各別銲接上另外一片側向接合板420，組成十字接合端400。

具體地，本創作的消能組件100可以依據現地實際結構的不同，設計安裝相對應的接合結構，在圖9的應用實例中，採用的是在連接段200兩端的消能組件100各設置十字接合端400，用以與建築物角隅接合處接合，其中，十字接合端400的一片正向接合板410與消能組件100的消能板110、傳力板120相互平行，而正向接合板410與另兩片側向接合板420相互垂直。與建築物角隅接合處接合方式同樣並不限於銲接接合或各式螺栓對鎖等接合方式。

具體地，連接段200的兩端所設置的消能組件100數量並不加以限定。

具體地，連接段200可以為H型鋼、C型鋼、方型鋼管或鋼板組合斷面。

本創作的技術特徵及其可達成之技術功效說明如下：

消能組件100以相同數量對稱於連接段中平面配置於連接段200兩端，於連接段200一端兩側各配置一消能組件100，兩側以反對稱方式配置，亦即上述提到的其中一消能組件100的消能板110固定在連接段200的上翼板，另一消能組件100的消能板110固定在連接段200的下翼板，此設計為連接段200在受到軸力作用下能維持彎矩平衡之關鍵，避免發生挫屈破壞。

此外，由圖6及圖9還可以進一步看到連接段200兩側具有封板210，封板的功能是用以圍束設置在連接段200的消能組件100，維持核心板面內變形之消能行為；封板的另一項功能為增加連接段200的斷面強度，防止連接段200發生局部挫屈。

進一步而言，本創作消能原理在於，消能板110金屬切割形狀之特性將所吸收之建築物樓層相對位移轉化為消能板110之面內降伏變形，利用金屬材料韌性達到消能減震之目的。

請繼續參閱圖10及圖11，為根據本創作模組化消能機構的性能測試數據圖。

具體地，是依據ANSI/AISC 341-10 (Seismic Provisions for Structural Steel Building) K3章節之準則進行性能試驗，反覆載重試驗包含兩階段，第一階段為標準加載歷程，第二階段為疲勞加載歷程，且兩階段皆是採用位移控制之拉、壓反覆加載方式。

本測試實驗之設計降伏位移量(Δy)為6 mm、樓層設計位移角對應之斜撐變形量(Δm)為30 mm，第一階段標準加載歷程之位移量分別為1.0Δy、0.5Δm、1.0Δm、1.5Δm、2.0Δm，各執行兩次拉壓反覆載重。

第二階段疲勞加載歷程之位移量為1.5Δm，疲勞加載測試執行至40迴圈或試體破壞時停止。

圖10及圖11更進一步而言分別為標準加載歷程遲滯迴圈及疲勞加載歷程遲滯迴圈，由圖中可以看見，若以雙線性非線性行為描述此次試驗的實際降伏位移量為4.0 mm；疲勞加載共40迴圈。在本次標準加載歷程與疲勞加載歷程測試後，非彈性累積變形量為試驗實際降伏位移量之1908倍，大幅優於規範要求之200倍降伏位移量。

具體地，標準加載歷程中同一迴圈拉、壓力之差異均不超過4.4%，並且沒有強度衰退，能提供具對稱性及飽滿而穩定之消能行為。

具體地，疲勞加載歷程最大出力為992.87 kN，第40圈最大出力為884.06 kN，最大出力共下降10.96%，仍未達到學術研究常用破壞判定標準15%之強度下降。經過標準及疲勞加載歷程兩階段測試，試體均未發生斷裂破壞、最大承載力明顯下降或能量吸收大幅降低等情形，耐久性良好。

最後，再將本創作的技術特徵及其可達成之技術功效彙整如下：

其一，藉由本創作之模組化消能機構，以面內彎矩降伏為消能行為基礎設計核心板形狀，核心板受反覆力作用之行為對稱，能提供穩定之消能行為。在連接段兩端設置消能組件，為對稱性配置，兩端皆可消能。

其二，本創作消能組件以反對稱方式配置於連接段兩側，當模組化消能機構受拉、壓力作用時，連接段兩端皆呈彎矩平衡，不致發生挫屈變形。

其三，藉由本創作之模組化消能機構，將消能組件模組化設計、配合現場施工需求設計接合型式、提升韌性及優化製造組裝程序。

其四，藉由本創作之模組化消能機構，模組化設計幫助建立產品規格化製程，增加產品量產製造之品質穩定性、降低材料庫存壓力，使產品具品質穩定性並能降低製造成本。

以上係藉由特定的具體實施例說明本創作之實施方式，所屬技術領域具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本創作之其他優點及功效。

以上所述僅為本創作之較佳實施例，並非用以限定本創作之範圍；凡其它未脫離本創作所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之專利範圍內。

100:消能組件 110:消能板 111:傳力端 112:消能區 113:固定端 120:傳力板 121:短傳力板 200:連接段 210:封板 300:接合板 400:十字接合端 410:正向接合板 420:側向接合板

圖1為根據本創作之模組化消能機構的消能組件示意圖；圖2為根據本創作之模組化消能機構的消能板示意圖：圖3為根據本創作之模組化消能機構的示意圖；圖4為根據本創作之模組化消能機構的剖面示意圖；圖5為根據本創作之模組化消能機構的雙傳力板消能組件示意圖；圖6為根據本創作之模組化消能機構的應用實例示意圖；圖7為根據本創作之模組化消能機構的雙傳力板消能組件另一應用實例示意圖；圖8為根據本創作之模組化消能機構的含接合板之雙傳力板消能組件應用實例示意圖；圖9為根據本創作之模組化消能機構的另一應用實例示意圖；圖10為根據本創作之模組化消能機構的標準加載歷程之遲滯迴圈圖；以及圖11為根據本創作之模組化消能機構的疲勞加載歷程之遲滯迴圈圖。

110:消能板

120:傳力板

200:連接段

Claims

一種模組化消能機構，安裝於建築結構物，其包含：一消能組件，包含至少一消能板及至少一傳力板，該消能板與該傳力板相互平行；以及一連接段，該連接段的一端設置至少二該消能組件；其中，該傳力板的一端作為接合端，與建築物之構件接合，該消能板包含一消能區、一傳力端及一固定端，該傳力板的另一端與該消能板的該傳力端相互連接，受外力作用後該傳力端與固定端產生相對位移，該消能組件以反對稱配置方式設計於連接段兩側。
如請求項1所述之模組化消能機構，其中，該消能組件進一步包含一短傳力板，與該傳力板一同配置於該消能板兩側，該傳力板、該短傳力板與該消能板的該傳力端相互連接，而該傳力板與該短傳力板間以塊材相互連接。
如請求項1所述之模組化消能機構，其中，該消能板兩側各配置等長度的該傳力板，該消能組件進一步設置一接合板，該接合板位於該等傳力板之間，且部分的該接合板外露於該傳力板，該接合板與建築物角隅接合處接合。
如請求項1所述之模組化消能機構，其中，該接合端為一十字接合端，該十字接合端由一正向接合板及二側向接合板所組成，其中，該正向接合板的兩側分別銲接上該側向接合板。
如請求項1所述之模組化消能機構，其中，該連接段兩側具有一封板，以包覆設置在該連接段的該消能組件。
如請求項1所述之模組化消能機構，其中，該連接段為H型鋼、C型鋼、方型鋼管或鋼板組合斷面。