以有限元素分析五螺箍筋混凝土柱之力學行為及優化配置探討

FEM Analysis and Optimization Design of 5-Spiral Stirrup Concrete Column

陳柏佑(Po-Yu Chan)

指導教授 ： 陳振川

國立臺灣大學/工學院/土木工程學研究所/碩士(2010年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2010.01602

摘要

摘要
現今土木建築設施中，主要多為鋼筋混凝土結構物，其中柱子為整體結構物十分重要之一環。傳統的鋼筋混凝土柱施作方法主要是以工地現場施工為主，包括鋼筋的綁紮、箍筋彎鉤的施作等等，既費時又耗費人力，而且施工品質及其效率難以準確控制。
因此，尹衍樑與其集團對於各種特殊的圍束形式，進行包含一系列矩形箍筋與螺旋箍筋等不同的外觀箍筋型式實尺寸柱體軸壓，偏心載重，反覆載重等試驗，且經由其強度、韌性與經濟方面的總合研究結果顯示五螺箍柱不論在各方面均有優良的表現，具有較一般傳統圍束混凝土柱更好的潛力。然而，五螺箍混凝土柱的發展與研究並不如傳統圍束型式混凝土來的多，尚有許多待探討之空間。本文藉由潤泰集團提供之針對鋼筋混凝土結構物新型有限元素軟體ATENA，進行五螺箍混凝土柱於軸向載重，偏心載重下之力學行為作分析研究，且以既有文獻之試驗以ATENA進行分析並與其結果作比對，期盼獲得良好之預測結果以提供往後分析之可信度，並希望藉由進一步之設計模型進行分析討論而得到五螺箍筋柱較優良之配置模式。
本研究結果顯示，ATENA分析結果於軸壓方面與試驗結果比較其力學行為趨勢相近，且經由分析結果之數據可觀察出各組配置在軸壓情形下內外圈螺箍受力關係，進而判斷在其配置情形下大小螺箍之破壞情形，而在偏心載重方面，ATENA分析在力位移曲線與實驗比較結果，於軸力的部份無明顯差異而位移有不小差異，經由理論反算結果以及量測儀器資訊方面的觀察，判斷差異來自於試驗量測系統誤差所致。在優化配置方面，本研究結果判斷在斷面扣除保護層之核心區域配置大小螺箍筋斷面積約等於大小螺箍直徑比值時為佳。軸壓分析結果，判斷配置大小螺箍直徑d1/d2比約為3.0時較佳，而接著在偏心載重分析結果，判斷配置大小螺箍直徑比d1/d2比約為3.5時為佳。

關鍵字

五螺箍 ； 圍束 ； ATENA ； 軸壓 ； 偏心載重 ； 優化配置

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Abstract
In modern civil engineering structures, which most of them are RC structures, column elements are the important part of these structures. Traditional RC columns are composed of cross ties and rectangular hoops. It takes not only time and human resources to form the cages, but there are also some difficulties in quality control.
Therefore, Dr. Samuel Ying and his company design a series of new patterns of confinements for rectangular concrete columns. The result of tests including axial compressive and excentrical loading tests of full-scale rectangular specimens and lateral cyclic loading test of full scaled columns shows that the five-spiral stirrup type is much more excellent and effective compared to others. Therefore, it is important to have more understanding about the behavior of five-spiral stirrup concrete column. In this research, non-linear FEM analysis by the product of Č ervenka consulting：ATENA is used to simulate the axial compressive and excentrical loading tests, and the analysis results are quite fit with the test results.
In this research, from the result of axial compressive and excentrical loading analysis of a series of design models, we can conclude an optimized design for the disposition of inner spiral and outer spiral of the cross section in five-spiral stirrup concrete column under axial compressive and excentrical loading.

並列關鍵字

five-spiral stirrup ； confinement ； ATENA ； axial compressive ； excentrical loading ； optimization design

參考文獻

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