結構耐震評估與補強:TEASPA 4.0線上服務網頁(上)

王佳憲1、賴昱志2、李其航3、林志偉3、鍾立來1,5,6、薛強3、彭瑞龍1、邱聰智1、4

1國震中心、2土木/結構技師、3中興工程顧問社、4臺科大營建系、5臺大土木系、6成大土木系

國家地震工程研究中心(以下稱:國震中心),研發之臺灣結構耐震評估側推分析法(TEASPA),已更新為4.0版[1],國震中心除了依據最新研究更新非線性鉸參數、增加不同類型桿件之模擬(如:開口牆桿件)、新增補強工法等外,國震中心更與中興工程顧問社(以下稱:中興社)合作,開發TEASPA4.0線上服務網頁[2],透過線上服務網頁的方式,直接於雲端進行運算,使用者待運算完畢後,再前往網頁下載完成運算之檔案即可。目前經國震中心與中興社測試,線上服務網頁適用之結構分析軟體版本為ETABS 2016、2017及SAP2000
v20。透過線上服務網頁,國震中心將最新之研究,即時更新於線上服務網頁,供使用者使用,亦可即時修正使用者回報之錯誤訊息,同時經使用者同意,蒐集去識別化之結構資訊,供後續研究使用,再回饋予使用者,期能達成互利之效果。

TEASPA於V3.1版[3],柱構件改採P-M非線性鉸,並已獲得內政部營建署認證使用範圍,不再受限於6層樓以下,於V4.0版同樣採用P-M非線性鉸。本文旨在介紹線上服務網頁之操作方式,並以一兩層樓之結構案例,說明如何使用線上服務網頁輔助進行分析。TEASPA 4.0之詳細改版內容,可參考TEASPA技術手冊[1]。

一、線上服務網頁簡介

TEASPA於V4.0版導入線上服務網頁,採線上方式直接於雲端進行運算,使用者可於搜尋引擎搜尋「TEASPA」或輸入文獻[2]之網址,前往線上服務網頁(如圖1),再點選下載專區,即可於下載專區下載TEASPA 4.0之相關技術文件,包含TEASPA 4.0技術手冊、線上服務網頁使用手冊[4]、EXCEL輸入資料表樣版及示範例等。使用者可下載線上服務網頁使用手冊[4],搭配EXCEL樣版及示範例同步使用,逐步了解線上服務網頁之使用方式。

初次使用線上服務網頁,可於首頁點選註冊後,於註冊頁面進行帳號註冊,使用者僅需填寫一電子郵件、設定密碼並勾選同意系統蒐集去識別化結構資訊供後續研究使用,即可完成註冊,完成註冊後,系統會自動發出一封認證信,使用者於信箱收信並完成認證後,即可使用線上服務網頁之功能。

完成註冊並登入後,使用者可點選執行專案,並新增相關專案後,即可開始使用線上服務網頁之各模組進行分析。於V4.0版線上服務網頁,將詳細評估之流程,拆解為4個模組:SecGen、FrameInfo、HingeProp及PGA(如圖2),此4模組必須搭配EXCEL樣版一併使用。SecGen模組可協助材料及桿件斷面性質、FrameInfo模組則可協助使用者篩選需設定非線性鉸之桿件於輸入資料表中、HingeProp模組可協助設定非線性鉸及輸出構件非線性鉸計算書供檢核使用,而PGA模組則可協助進行容量震譜之轉換及計算耐震性能。

於分析過程中,使用者需搭配EXCEL檔同步輸入資料,線上服務網頁即可協助將材料性質、斷面性質等設定於模型檔,不必再分別設定於模型與文字輸入檔。使用線上服務網頁時,任一模組輔助進行設定皆可單獨執行,如:已有建置好斷面之模型,則可直接由FrameInfo或HingeProp模組開始執行,並非一定要依序執行此4個模組;檔案上傳至線上服務網頁後,使用者亦不需於網頁上等待,不論分析結果成功或失敗,系統均會寄電子郵件通知使用者(如圖3)前往該專案的模組頁面下載或修改。

二、分析流程:SecGen模組

本文以一棟簡化之兩層樓案例進行側推分析,說明如何依照流程採用TEASPA 4.0線上服務網頁進行耐震詳細評估。簡易案例(如圖4)為一兩層單跨之模型,位於花蓮縣瑞穗鄉,為非韌性抗彎構架,用途係數I=1.25,其X向跨度5 m,Y向跨度8 m,柱梁斷面尺寸與斷面細節,如圖5,兩層樓樓高均為3.6m,樓板厚度為15 cm;此構架屬既有結構,混凝土抗壓強度採用190 kfg/cm2;所有鋼筋之降伏強度皆採用3200 kfg/cm2。經計算該結構之短周期設計水平譜加速度SDS=1.136;一秒周期設計水平譜加速度SD1=0.711。本文對X向進行側推分析,為弱軸抗彎。

可先於分析軟體(本文以ETABS 2017版為例),依據結構跨度及樓高建置網格格線,由線上服務網頁專區下載EXCEL樣版,由各頁面資訊(如圖6),可大致分為建物基本資訊、材料性質、材料尺寸、斷面資訊及欲設定非線性鉸之桿件資訊。就本案例而言,使用者可先於頁面1.1填入之結構資訊後,再於頁面2.1、2.2輸入材料資訊、於頁面3.1輸入鋼筋尺寸,其中頁面3.1鋼筋尺寸性質及3.2紅磚及磚縫尺寸性質,EXCEL樣版已提供常見尺寸性質,使用者可參酌使用。完成材料性質及尺寸輸入後,可至頁面4.0.1,填寫斷面之縱向主筋配置資料(如圖7),該頁面之同一主筋配置可供多種不同斷面使用,可以斷面形心為原點輸入主筋位置,若鋼筋數量較多,則可採線性內插方式,將兩根鋼筋中間的鋼筋,由程式自行計算其位置(如圖7配置B編號3~6間之鋼筋編號,即由程式自行運算),其詳細方式詳見使用手冊。輸入完主筋配置後,可至頁面4.1.1,填寫柱桿件之斷面資料,由於本案例僅有一種柱斷面,其詳細輸入之結果,如圖8;完成柱斷面資訊填寫後,可至頁面4.2.1填寫梁斷面資訊,本案例亦僅有一種梁斷面(本範例為矩形梁),梁及其它斷面之輸入方式,可參照使用手冊[4]。

完成EXCEL輸入資料表填寫後,可將已完成格線建置之模型檔,轉換為文字檔(若為ETABS軟體則為.e2k檔,SAP2000則為.s2k檔),再連同EXCEL輸入資料表一併上傳至線上服務網頁之SecGen模組,於模型建置及EXCEL輸入時,應注意本線上服務網頁之所有力量與長度單位,均採kgf及cm,建議全程均以此單位輸入,降低錯誤機率。系統於執行完成後,會寄給使用者執行完畢之通知信,使用者可依連結至該專案,下載執行結果之壓縮檔,該壓縮檔將包含兩個資料夾,分別為使用者上傳之檔案(input)及完成材料、斷面性質設定之模型文字檔(output)。

三、分析流程:FrameInfo模組

使用者可透過完成材料性質、斷面性質設定之模型文字檔,直接建置分析模型(含剛性樓板設定、剛性區域設定、節點Panel Zone設定、靜活載重設定及質量來源設定等),詳細方式可參見技術手冊[1]附錄C。於完成模型建置及垂直載重加載後,此時可選取需設定非線性鉸之桿件,設定AUTO非線性鉸,其中垂直桿件(含柱及RC牆、開口RC牆),設定AUTO PMM非線性鉸(如圖9),梁桿件設定AUTO M3非線性鉸;磚牆斜撐之非線性鉸會由程式自動進行判斷,不需先設定AUTO非線性鉸;經完成AUTO非線性鉸設定之模型,如圖10,由於系統會依據使用者設定AUTO非線性鉸之位置,作為TEASPA非線性鉸預計設定之位置,並整理至後續工作表中,因此使用者可於此階段,先將AUTO非線性鉸設定於正確位置;當開始執行分析前,建議使用者於Analyze->Analysis Model for Nonlinear Hinges,選取Model Hinges as Separate Link Elements,後續分析結果將較為合理,其模擬方式將於一樓柱底產生2%柱長之非線性鉸偏移量,使用者可依專業判斷決定是否調整。

如同先前之版本,完成非線性鉸設定後,應先進行靜力分析,以求得工作載重(DL+0.5LL)下,垂直承載構件所承受之軸力,並於Show Tables中,匯出工作載重下桿件之內力及桿件偏移量(如圖11)之EXCEL檔(構件資訊資料表);之後再填寫EXCEL輸入資料表1.1之結構資訊,並匯出完成模型建置及AUTO非線性鉸設定之結構模型文字檔(.e2k/.s2k),連同輸入資料表(.xlsx)及構件資訊資料表(.xlsx),一併上傳至線上服務網頁之FrameInfo模組。

參考文獻

1. 邱聰智、鍾立來、涂耀賢、賴昱志、曾建創、翁樸文、莊明介、葉勇凱、李其航、林敏郎、王佳憲、沈文成、蕭輔沛、薛強、黃世建,「臺灣結構耐震評估與補強技術手冊 (TEASPA V4.0)」,國家地震工程研究中心,報告編號NCREE-20-005,台北,2020年。下載連結:https://teaspa.ncree.org.tw/Home/Download

2. TEASPA 4.0線上服務網頁:https://teaspa.ncree.org.tw/

3. 邱聰智、蕭輔沛、鍾立來、翁健煌、李其航、劉建均、薛強、何郁姍、陳幸均、楊智斌、翁樸文、沈文成、涂耀賢、楊耀昇、李翼安、葉勇凱、黃世建,「臺灣結構耐震評估側推分析法 (TEASPA
V3.1)」,國家地震工程研究中心,報告編號NCREE-18-015,台北,2018年。

4. 中興工程顧問社,「臺灣結構耐震評估側推分析法TEASPA v4.1.0 線上服務網頁使用手冊」,中興工程顧問社。下載連結:https://teaspa.ncree.org.tw/Home/Download

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圖1 TEASPA 4.0線上服務網頁首頁[2]

 

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圖2 簡易版詳細評估流程圖

 

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圖3 TEASPA 4.0執行結果通知信件

 

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圖4 兩層樓分析案例

 

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圖5 :兩層樓分析案例斷面細節

 

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圖6 EXCEL輸入資料表頁面簡介

 

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圖7 於EXCEL樣版輸入斷面主筋配置

 

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圖8 於EXCEL樣版輸入柱斷面資訊

 

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圖9 柱之AUTO PMM非線性鉸設定

 

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圖10 完成AUTO非線性鉸設定之模型

 

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圖11 匯出桿件內力與偏移量之EXCEL檔


【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 

 

 

 


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