有讀者向筆者表示,讀者所提之強度折減係數0.9,在提出之案例中雖然可以涵蓋其結構計算誤差,但是該種情況乃是以標稱數據進行計算,缺乏結構可靠度之失效概率評估,因而希望筆者能夠以結構可靠度理論,來提出一個符合容許結構失效概率下之強度折減係數。筆者猜想,讀者乃是結構可靠度之先進人士,筆者去年在中國北京期間,主要乃是以學習結構可靠度理論為主,因而有能力向讀者展示筆者在去年所學之理論,以供鋼板剪力牆結構設計之用途。
筆者乃是採用蒙特卡洛法進行計算,以美國AISC360 2010和中國大陸《建築結構可靠度設計統一標準》GB50068-2001為範本,並以ASCE7荷載組合為依據,來評估鋼板剪力牆標稱強度所應使用之強度折減係數。根據ASCE7荷載組合之規定,其地震力荷載係數乃是1.0,亦即地震力並未被放大或折減,因而在荷載方面無需進行額外之評估,僅以原荷載剪力為依據即可。在美國鋼結構構件和接合之規定上,其結構可靠度指標乃要求在3.719以上,而中國大陸在一級延性破壞(鋼結構)之規定上,其結構可靠度指標乃要求在3.7以上,綜合美國和中國大陸結構可靠度指標之要求,筆者乃是以3.7以上作為強度折減係數評估之依據。
在以蒙特卡洛法作評估,於信心區間達95%以上(α=5%),所需達成β=3.7之最少樣本數量為890,813個樣本,參見公式1。然而,筆者為求結構可靠度計算之精確性,乃提高樣本數量為1億個樣本。筆者以《鋼板剪力牆II》之案例一,來進行強度折減係數之結構可靠度計算。在案例一中,其標稱降伏強度為215MPa,考慮10%變異係數,並且呈現正態分布,其變動區間為193.5~236.5MPa;其標稱寬度為2,500mm,根據鋼鐵廠製造誤差不可能逾越5mm,筆者乃是以10mm作評估,並且呈現正態分布,其變動區間為2,490~2,510mm;其厚度為50mm,根據鋼鐵廠製造誤差不可能逾越1mm,筆者乃以此數據作評估,並且呈現正態分布,期變動區間為49~51mm。在剪力荷載方面,以標稱剪力在考慮20%變異係數下,一般應呈現I型分布,筆者乃是以相對較為簡易之正態分布來評估,其變動區間為4,137,676.8~6,206,515.2N。鋼板剪力牆結構功能函數之表示,參見公式2。
在強度折減係數為0.742、0.743、0.744帶入結構功能函數下,根據筆者自行撰寫之電腦程式以迴圈反覆計算結果顯示,符合結構失效概率之樣本數量為5506、7983及11062個,亦即其結構失效概率乃是5.506E-5、7.983E-5及1.1062E-4,經以Rosenblatt求逆後,得獲得其結構可靠度指標為3.867、3.776及3.693,其中強度折減係數為0.743所對應之結構可靠度指標為大於3.7之最小數值。因此,筆者一改先前建議之強度折減係數0.9,而是改以0.743作為設計剪力之建議值。
鋼板剪力牆之強度折減係數,不宜採用先前筆者採用之0.9,而是應該以不大於0.743之數值,作為鋼板剪力牆之強度折減係數。筆者建議鋼板剪力牆之強度折減係數採用0.7,則可在滿足需求結構失效概率下,同時符合美國和中國大陸之結構設計規範之要求。筆者採用100億個樣本,在以強度折減係數為0﹒7重新帶入結構功能函數下,符合結構失效概率之樣本數量為0個,其結構失效概率低於1E-10,亦即其結構可靠度指標在6.361以上,該數值遠高於結構設計規範之要求。由於該數值過度趨於保守,筆者乃採用1億個樣本,在以強度折減係數為0.74重新帶入結構功能函數下,符合結構失效概率之樣本數量為2,323個,亦即其結構失效概率低於2.323E-5,亦即其結構可靠度指標為4.073,該數值已達4.0以上,是筆者認為最恰當之強度折減係數。筆者重新計算《鋼板剪力牆II》案例一和二之設計剪力,參見下列計算。筆者學淺,若有謬誤之處,尚祈讀者能夠給予指正。
案例一
案例二
筆者乃是採用蒙特卡洛法進行計算,以美國AISC360 2010和中國大陸《建築結構可靠度設計統一標準》GB50068-2001為範本,並以ASCE7荷載組合為依據,來評估鋼板剪力牆標稱強度所應使用之強度折減係數。根據ASCE7荷載組合之規定,其地震力荷載係數乃是1.0,亦即地震力並未被放大或折減,因而在荷載方面無需進行額外之評估,僅以原荷載剪力為依據即可。在美國鋼結構構件和接合之規定上,其結構可靠度指標乃要求在3.719以上,而中國大陸在一級延性破壞(鋼結構)之規定上,其結構可靠度指標乃要求在3.7以上,綜合美國和中國大陸結構可靠度指標之要求,筆者乃是以3.7以上作為強度折減係數評估之依據。
在以蒙特卡洛法作評估,於信心區間達95%以上(α=5%),所需達成β=3.7之最少樣本數量為890,813個樣本,參見公式1。然而,筆者為求結構可靠度計算之精確性,乃提高樣本數量為1億個樣本。筆者以《鋼板剪力牆II》之案例一,來進行強度折減係數之結構可靠度計算。在案例一中,其標稱降伏強度為215MPa,考慮10%變異係數,並且呈現正態分布,其變動區間為193.5~236.5MPa;其標稱寬度為2,500mm,根據鋼鐵廠製造誤差不可能逾越5mm,筆者乃是以10mm作評估,並且呈現正態分布,其變動區間為2,490~2,510mm;其厚度為50mm,根據鋼鐵廠製造誤差不可能逾越1mm,筆者乃以此數據作評估,並且呈現正態分布,期變動區間為49~51mm。在剪力荷載方面,以標稱剪力在考慮20%變異係數下,一般應呈現I型分布,筆者乃是以相對較為簡易之正態分布來評估,其變動區間為4,137,676.8~6,206,515.2N。鋼板剪力牆結構功能函數之表示,參見公式2。
在強度折減係數為0.742、0.743、0.744帶入結構功能函數下,根據筆者自行撰寫之電腦程式以迴圈反覆計算結果顯示,符合結構失效概率之樣本數量為5506、7983及11062個,亦即其結構失效概率乃是5.506E-5、7.983E-5及1.1062E-4,經以Rosenblatt求逆後,得獲得其結構可靠度指標為3.867、3.776及3.693,其中強度折減係數為0.743所對應之結構可靠度指標為大於3.7之最小數值。因此,筆者一改先前建議之強度折減係數0.9,而是改以0.743作為設計剪力之建議值。
鋼板剪力牆之強度折減係數,不宜採用先前筆者採用之0.9,而是應該以不大於0.743之數值,作為鋼板剪力牆之強度折減係數。筆者建議鋼板剪力牆之強度折減係數採用0.7,則可在滿足需求結構失效概率下,同時符合美國和中國大陸之結構設計規範之要求。筆者採用100億個樣本,在以強度折減係數為0﹒7重新帶入結構功能函數下,符合結構失效概率之樣本數量為0個,其結構失效概率低於1E-10,亦即其結構可靠度指標在6.361以上,該數值遠高於結構設計規範之要求。由於該數值過度趨於保守,筆者乃採用1億個樣本,在以強度折減係數為0.74重新帶入結構功能函數下,符合結構失效概率之樣本數量為2,323個,亦即其結構失效概率低於2.323E-5,亦即其結構可靠度指標為4.073,該數值已達4.0以上,是筆者認為最恰當之強度折減係數。筆者重新計算《鋼板剪力牆II》案例一和二之設計剪力,參見下列計算。筆者學淺,若有謬誤之處,尚祈讀者能夠給予指正。
案例一
案例二