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國家地震工程研究中心 National Center for Research on Earthquake Engineering PISA3D校舍耐震能力評估 系統之研發與應用 報告人: 莊明介 (Platform of Inelastic Structural Analysis for 3D Systems)

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    PISA3D校舍耐震能力評估系統之研發與應用

    報告人: 莊明介

    (Platform of Inelastic Structural Analysis for 3D Systems)

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    簡報大綱

    • PISA3D簡介• PISA4SB功能說明• PISA4SB側推分析流程• PISA4SB側推分析案例• PISA4SB使用須知• 結論

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    (Visual Pre-processor)

    (Visual Post-processor)

    User

    結構非線性分析軟體結構非線性分析軟體 PISA3DPISA3D

    [Lin and Tsai 2003][Lin and Tsai 2003]

    [Chuang and Tsai 2005][Chuang and Tsai 2005]

    [Yu and Tsai 2006][Yu and Tsai 2006]

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    Modal analysisModal analysis Gravity analysisGravity analysis

    Load/Displacement controlLoad/Displacement control Dynamic analysisDynamic analysis

    Analysis Method Library of PISA3DAnalysis Method Library of PISA3D

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    PISA3D Element LibraryPISA3D Element Library

    Panel Element

    K

    C

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    -0.4

    0.0

    0.4

    -0.004 0.000 0.004Strain

    Stre

    ss

    -0.03

    0.00

    -0.01 0.00Strain

    Stre

    ss

    -0.4

    0.0

    0.4

    -0.004 0.000 0.004Strain

    Stre

    ss

    ElasticPISA3D Material

    BilinearBilinear02BilinearElasticConcreteDegradingFractureHardeningTensionOnlyBilinear

    OpenSees MaterialBond_SP01BoucWenMaterialConcrete01Concrete04HystereticMaterialSteel01

    BeamColumnPISA3D Element

    DamperFiberBeamColumnGapJoint

    SixDJointThreeDRotationalJointTruss

    Panel

    More thanMore than 120120 different different features of elements are features of elements are available in PISA3D.available in PISA3D.

    B C

    D E

    B'C'

    D'E'

    σ

    ε

    Nonlinear Elements of PISA3DNonlinear Elements of PISA3D

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    Posttension bars + Energy dissipating bars

    -25000

    0

    25000

    -0.15 0 0.15Displacement (m)

    Forc

    e (k

    g)

    ExperimentPISA3D

    [C.C. CHOU and S.J. JHUANG 2004]

    PISA3D PISA3D Analysis CasesAnalysis CasesA preA pre--stressed BC connection testingstressed BC connection testing

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    -110

    0

    110

    -4 0 4Average Rotate Angle (%, Radian)

    Bas

    e Sh

    ear (

    Ton)

    ExperimentPISA3D

    PISA3D PISA3D Analysis CasesAnalysis CasesCyclic Loading of a 2 Stories RC Frame with Brick WallsCyclic Loading of a 2 Stories RC Frame with Brick Walls

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    Bilinear Material-3000

    0

    3000

    -0.025 0 0.025Core Strain

    Axi

    al F

    orce

    (kN

    ) ExperimentPISA3D

    -3000

    0

    3000

    -0.025 0 0.025Core Strain

    Axi

    al F

    orce

    (kN

    ) ExperimentPISA3D

    Hardening Material

    [S.L. LIN and K.C. TSAI 2003]

    PISA3D PISA3D Analysis CasesAnalysis CasesCyclic Loading of a Buckling Restrained BraceCyclic Loading of a Buckling Restrained Brace

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    專業認證

    中華民國結構工程技師公會全國聯合會

    認證單位:

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    E-Defense Blind Analysis for a Full-Scale

    4-Story Steel Moment Resisting Frame

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    BRB FrameBRB Frame

    Frame with viscous dampers

    2009 Blind Analysis Contest

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    [K.C. TSAI et al. 2005]

    http://substructure-brbf.ncree.org/

    GISA3D Visualization

    SubstructuralSubstructural Pseudo Dynamic Tests of a 2Pseudo Dynamic Tests of a 2--story BRB Frame Subjected to Bistory BRB Frame Subjected to Bi--directional Earthquake Loadsdirectional Earthquake Loads

    Using the Application Approach of ISEE Framework

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    PISA3D PISA3D Practical ApplicationsPractical Applications

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    1616

    • ETABS 結構分析軟體 :非線性側推分析 (Pushover analysis)---因應業界使用,ETABS其版本只要在 v.8x 以上即可

    • MATLAB 程式編譯軟體:計算柱、梁非線性鉸自動化程式 (COLPH.exe) 計算磚牆等值斜撐非線性鉸自動化程式 (BWPH.exe)計算剪力牆非線性鉸自動化程式 (SWPH.exe)計算性能目標加速度程式 (PGA.exe)

    • 需先行安裝 MCRInstaller.exe 軟體

    詳評方法側推分析工具

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    Engineering 1717

    常見耐震詳評側推分析流程

    使用使用PISA4SBPISA4SB建構模型建構模型

    使用使用PISA4SBPISA4SB側推分析側推分析 使用使用PISA4SBPISA4SB計算耐震能力計算耐震能力

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    側推分析工具

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    PISA4SB PISA3D= +

    Platform of Inelastic Structural Analysis for School Buildings

    PISA4SB =

    PISA4SB介紹軟體名稱

    軟體功能 iBuildiSetiReturniRead

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    PISA3D

    iBuild

    iSet

    iReturn

    iRead

    iBuild

    iSet

    iReturn

    iRead

    提供校舍樣板模型

    設定元素非線性行為

    復原至初始狀態

    計算耐震能力

    PISA4SB介紹

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    iBuild教室數量教室數量

    教室跨數教室跨數

    單一教室長度單一教室長度

    單一教室寬度單一教室寬度

    走廊寬度走廊寬度

    樓層數量樓層數量 樓層高度樓層高度 磚造窗台高度磚造窗台高度

    走廊形式走廊形式

    Unit: cm

    提供常見校舍樣板模型

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    iBuild

    窗台高度自動分段窗台高度自動分段

    柱底固接柱底固接

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    2.s2k

    1.iBuild

    3.Edit Grid Lines

    適合熟悉ETABS或SAP2000或是已有ETABS或SAP2000專案的使用者

    適合應用於校舍專案

    如何建構PISA3D/PISA4SB模型?

    Unit: kgf-cm

    ETABSETABS SAP2000 (V7.xx)SAP2000 (V7.xx)

    PISA4SBPISA4SB

    *s2k

    *ipt適合熟悉GISA3D操作的使用者

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    iSet 計算柱計算柱、、梁非線性鉸自梁非線性鉸自動化程式動化程式COLPH.exeCOLPH.exe

    計算剪力牆非線計算剪力牆非線性鉸自動化程式性鉸自動化程式

    SWPH.exeSWPH.exe

    計算磚牆等值斜撐計算磚牆等值斜撐非線性鉸自動化程非線性鉸自動化程

    式式BWPH.exeBWPH.exe

    未勾選項目設定為線彈性構材!

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    Define Frame Sections

    RC柱梁斷面

    磚牆

    RC剪力牆

    不需要另外定義單一文字輸入檔!

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    iSetPISA4SB模擬構件非線性行為方式

    Fracture02

    BCSection03斷面型式

    材料型式

    Elastic

    J-end

    I-end B C

    D E

    B'C'

    D'E'

    σ

    ε

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    $ COLUMN PROPERTIES (單一文字輸入檔)$Name f_cp f_yl f_yt cover hoop spacing num_hoop TR EIC1S 160 2800 2800 4 3 25 2 0 0.35

    RC柱梁斷面定義

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    GUI_Section RC_RECTANGULAR_SECTION C1S C1S_Mat_Mz_i C1S_Mat_Mz_j C1S_Mat_My_i C1S_Mat_My_j C1S_Mat_Vy_iC1S_Mat_Vy_j C1S_Mat_Vz_i C1S_Mat_Vz_j C1S_Mat_P_T 0 30 50 160 2800 2800 4 3 25 2 0 GUI_PARENT_SECTION_NONEGUI_SECTION_PROPERTY_FACTOR C1S 1 0.35 0.35 1 1 1 1 1 GUI_REBAR C1S 6.1 6.1 #7 2800 3.87 2.22 1.11GUI_REBAR C1S 6.1 18.7 #6 2800 2.87 1.91 0.955GUI_REBAR C1S 6.1 31.3 #6 2800 2.87 1.91 0.955GUI_REBAR C1S 6.1 43.9 #7 2800 3.87 2.22 1.11GUI_REBAR C1S 12 6.1 #6 2800 2.87 1.91 0.955GUI_REBAR C1S 12 43.9 #6 2800 2.87 1.91 0.955GUI_REBAR C1S 18 6.1 #6 2800 2.87 1.91 0.955GUI_REBAR C1S 18 43.9 #6 2800 2.87 1.91 0.955GUI_REBAR C1S 23.9 6.1 #7 2800 3.87 2.22 1.11GUI_REBAR C1S 23.9 18.7 #6 2800 2.87 1.91 0.955GUI_REBAR C1S 23.9 31.3 #6 2800 2.87 1.91 0.955GUI_REBAR C1S 23.9 43.9 #7 2800 3.87 2.22 1.11GUI_SECTION_DISPLAY_COLOR C1S 0.152941 0.419608 0.913726

    (PISA4SB輸入檔)

    $ControlWord Name Top Left Size Fy

    GUI_REBAR C1S 23.9 6.1 #7 2800

    PISA4SB鋼筋定義方式

    Left: 6.1 cm

    Top: 23.9 cm

    矩形&圓形斷面可進行雙向塑鉸計算!

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    PISA4SB鋼筋定義方式GUI_Section RC_SW_SECTION B2S_303 B2S_303_Mat_Mz_i B2S_303_Mat_Mz_j B2S_303_Mat_My_i B2S_303_Mat_My_j B2S_303_Mat_Vy_i B2S_303_Mat_Vy_j B2S_303_Mat_Vz_i B2S_303_Mat_Vz_j B2S_303_Mat_P_T 0 60 55.25 15 30 160 2800 2800 4 3 25 2 0 0 GUI_PARENT_SECTION_NONEGUI_SECTION_PROPERTY_FACTOR B2S_303 1 0.35 0.35 1 1 1 1 1

    GUI_REBAR B2S_303 2.5 14.83 #3 2800 0.7133 0.953 0.4765GUI_REBAR B2S_303 2.5 24.83 #3 2800 0.7133 0.953 0.4765GUI_REBAR B2S_303 2.5 34.83 #3 2800 0.7133 0.953 0.4765GUI_REBAR B2S_303 2.5 44.83 #3 2800 0.7133 0.953 0.4765GUI_REBAR B2S_303 6.1 14.83 #7 2800 3.87 2.22 1.11GUI_REBAR B2S_303 6.1 24.83 #7 2800 3.87 2.22 1.11GUI_REBAR B2S_303 6.1 34.83 #7 2800 3.87 2.22 1.11GUI_REBAR B2S_303 6.1 44.83 #7 2800 3.87 2.22 1.11GUI_REBAR B2S_303 8.6 14.83 #7 2800 3.87 2.22 1.11GUI_REBAR B2S_303 8.6 44.83 #7 2800 3.87 2.22 1.11GUI_REBAR B2S_303 12.5 14.83 #3 2800 0.7133 0.953 0.4765GUI_REBAR B2S_303 12.5 24.83 #3 2800 0.7133 0.953 0.4765GUI_REBAR B2S_303 12.5 34.83 #3 2800 0.7133 0.953 0.4765GUI_REBAR B2S_303 12.5 44.83 #3 2800 0.7133 0.953 0.4765GUI_REBAR B2S_303 53.9 34.83 #7 2800 3.87 2.22 1.11GUI_REBAR B2S_303 53.9 44.83 #7 2800 3.87 2.22 1.11GUI_SECTION_DISPLAY_COLOR B2S_303 1 0.501961 0 Section BCSection03 B2S_303 B2S_303_Mat_Mz_i B2S_303_Mat_Mz_j B2S_303_Mat_My_i B2S_303_Mat_My_j B2S_303_Mat_Vy_i B2S_303_Mat_Vy_j B2S_303_Mat_Vz_i B2S_303_Mat_Vz_j B2S_303_Mat_P_T 0 2178.75 293594 324531 388662 24736.3 26157.7 1575 603.75

    T型與L型斷面僅計算單邊塑鉸,故鋼筋位置Left值不影響分析結果正確位置!

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    Shear Wall剪力牆定義

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    Brick Wall磚牆定義$ BRICK WALL PROPERTIES (單一文字輸入檔)$Name width height thick f_mc f_bc P Bond ConfinementBW 218 90 24 100 150 0 3 2

    PISA4SB定義方式

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    0

    2500

    5000

    7500

    10000

    0 5 10 15 20 25 30Disp. (cm)

    Forc

    e (k

    gf) PISA3D

    ETABS

    0

    6000

    12000

    18000

    0 5 10 15 20 25 30Disp. (cm)

    Forc

    e (k

    gf)

    PISA3DETABS

    Flexural HingeFlexural Hinge Shear HingeShear Hinge

    Hinges of columnHinges of column

    iSet

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    0 5 10 15 20 25 30Disp. (mm)

    Forc

    e (k

    N) PISA3D

    ETABS

    Hinge of beamHinge of beam

    Shear HingeShear HingeFlexural HingeFlexural Hinge

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    iSetBrick Wall

    0.00E+00

    2.00E+03

    4.00E+03

    6.00E+03

    8.00E+03

    1.00E+04

    1.20E+04

    1.40E+04

    1.60E+04

    1.80E+04

    0 0.5 1 1.5 2 2.5

    axial disp. (cm)

    axia

    l for

    ce (k

    gf)

    PISA3DETABS

    Hinge of Brick WallHinge of Brick Wall

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    Engineering

    iSet

    0

    50000

    100000

    150000

    200000

    250000

    300000

    350000

    0 2 4 6 8

    Disp. (cm)

    Forc

    e(kg

    f)

    PISA3DETABS

    Hinge of Shear WallHinge of Shear Wall

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    Section BCSection03 C1S

    C1S_Mat_Mz_i

    C1S_Mat_Mz_j

    C1S_Mat_My_i

    C1S_Mat_My_j

    C1S_Mat_Vy_i

    C1S_Mat_Vy_j

    C1S_Mat_Vz_i

    C1S_Mat_Vz_j

    C1S_Mat_P_T

    0 1500 39375 109375 281720 7500 12500 1250 1250

    PISA3D指令

    透過非線性材料來定義構件的非線性行為!

    iSet以RC柱斷面C1S為例

    X

    Y

    ZFX MX MZi

    MZj

    MYi

    MYj

    VYi

    VYj

    VZi

    VZjHinge Model

    BeamColumnBeamColumn ElementElement

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    iSet

    材料數量

    斷面數量

    以單純無斜稱空構架為例

    梁數量 柱數量= += 斷面數量 X 9

    iSet會根據使用者原指定的斷面,並匯入重力分析的軸力,複製一的新斷面進行非線性材料的設定!新斷面名稱 原斷面名稱= _構件名稱

    iReturn 自動移除iSet所新增的斷面與材料,回復至原先狀態!

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    使用PISA4SB進行側推分析

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    iRead

    計算性能目標地表加速度Ap(耐震能力)

    自動導入容量曲線

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    計算性能目標地表加速度Ap(耐震能力)

    iRead

    1

    2

    3

    建議值!

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    0

    50000

    100000

    150000

    200000

    250000

    300000

    350000

    400000

    450000

    500000

    0 2 4 6 8 10 12

    Roof Disp. (cm)

    Bas

    e Sh

    ear (

    kgf)

    PISA4SBETABS

    PISA4SB分析實例(一)(+X)長向側推

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    0.22g不控制1.42% < 2%Vmax =

    422tfETABS

    0.23g不控制1.45% < 2%Vmax =

    431tfPISA4SB

    性能目標地表加速度

    軸力破壞準則

    位移準則強度準則

    PISA4SB分析實例(一)(+X)長向側推分析結果比較

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    PISA4SB分析實例(一)(-Z)短向側推

    0

    100000

    200000

    300000

    400000

    500000

    600000

    700000

    800000

    900000

    0 2 4 6 8 10

    Roof Disp. (cm)

    Bas

    e Sh

    ear (

    kgf)

    PISA4SBETABS

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    0.42g不控制1.42% < 2%Vmax =

    832tfETABS

    0.45g不控制1.9% < 2%Vmax = 937tfPISA4SB

    性能目標地表加速度

    軸力破壞準則

    位移準則強度準則

    PISA4SB分析實例(一)(-Z)短向側推分析結果比較

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    0

    50000

    100000

    150000

    200000

    250000

    300000

    0 2 4 6 8 10 12

    Roof Disp. (cm)

    Bas

    e Sh

    ear (

    kgf)

    PISA4SBETABS

    PISA4SB分析實例(二)(+X)長向側推

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    0.28g不控制1.79% < 2%Vmax =

    262tfETABS

    0.29g不控制1.87% < 2%Vmax =

    264tfPISA4SB

    性能目標地表加速度

    軸力破壞準則

    位移準則強度準則

    PISA4SB分析實例(二)(+X)長向側推分析結果比較

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    0

    100000

    200000

    300000

    400000

    500000

    600000

    700000

    0 2 4 6 8 10

    Roof Disp. (cm)

    Bas

    e Sh

    ear (

    kgf)

    PISA4SBETABS

    PISA4SB分析實例(二)(-Z)短向側推

  • 國家地震工程研究中心National Center for Research on Earthquake

    Engineering

    0.51g不控制0.61% < 2%Vmax =

    658tfETABS

    0.52g不控制0.59% < 2%Vmax =

    635tfPISA4SB

    性能目標地表加速度

    軸力破壞準則

    位移準則強度準則

    PISA4SB分析實例(二)(-Z)短向側推分析結果比較

  • 國家地震工程研究中心National Center for Research on Earthquake

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    •開放免費使用的專案必須歸屬於「加速高中職及國中小老舊校舍補強整建計畫」•建築物總高度(含上下部結構)小於25m•模型節點總數上限為2000個節點•單位必須使用kgf-cm

    PISA4SB使用須知

  • 國家地震工程研究中心National Center for Research on Earthquake

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    使用PISA4SB進行校舍詳評的優點

    6.求取容量曲線的另一項選擇5.若柱斷面為矩形或圓形可計算雙向塑性行為

    4.可自動計算空構架構件軸力並匯入分析結果

    7.根據三項準則自動求取Ap(建議值)

    2.柱、梁、剪力牆開裂勁度折減3.自動計算柱、梁有效淨長

    1.提供常見校舍樣板模型

    結論

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    Thanks for your attention.PISA3D website:

    http://pisa.ncree.org.tw