我的學士論文,就是用AISC-LRFD1993的合成構材求取SRC的精確解。我做的是美國工程規範的路線,我看世界各國都嘗試看看不是美國工程規範的路線,不是重做我的不定向找軸法(塑性分析 / Plastic Analysis),其英文名稱為「of Searching Axis, Uncertain Direction Method」而是朝向我提出並未考慮採用的方向,包括:
一、以塑性模數Z和斷面模數S,得發展一元三次方程式,要用牛頓法(Newton-Raphson Method)來求解;
二、以彈塑性力學的應力分析模式(Elastic-Plastic Mechanics),得採用彈性分析或塑性分析。
C. M. Huang ( 2002 ) "Computer-Aided Design System for the SRC Beam and Column," Bachelor Essay in Construction Engineering, Registered Number: A8905041, Department of Construction Engineering, National Taiwan University of Science and Technology, Taipei 10607, Taiwan, R.O.C., Supervisor: S. J. Chen, Ph.D. Civil, Jun. 8, 2002 /Chinese Manuscript/
不管世界各國的SRC是什麼計算方法,SRC就是鋼筋混凝土的中央擺上鋼骨,通常是使用彈塑性力學的應力分析模式,此類計算公式一大堆,應該要花不少時間閱讀世界各國的相關文獻。我以AISC-LRFD1993來說,至少涵蓋16個結構計算公式,那麼就一定要先清楚這16個結構計算公式的意義、使用方法及使用條件,其次才是拆解為樑和柱的結構計算程序,而樑的結構計算程序是柱的一部分,之後才是「思考求解的演算法」。我提供這二條路線,應該可以算是「後續研究」,就是我提供的研究方向,讓大家去做後續研究,因而都要引用我的學士論文,想出來的構想歸屬於研究生及其指導教授。
我以AISC-LRFD1993來說,其實這個精確解的求解結果,都是可以做驗證的,也就是使用近似公式做驗證。國內的鋼結構設計規範(LRFD)第九章第17頁C9﹒4-1式,文獻Galambos&Chapius(1980),同時適用於SRC和鋼管混凝土。
T. V. Galambos & J. Chapuis ( 1980 ) "LRFD Criteria for CompositeColumns and Beam Columns," Revised Draft, December. Washington University, Department of Civil Engineering, St. Louis, Mo.
在美國工程規範裡,SRC和鋼管混凝土是相同的結構行為。在剪力釘符合需求數量下,SRC和鋼管混凝土的結構行為,具有彈塑性力學相同的估算結果。剪力釘不涉及結構強度,不過「剪力釘影響結構行為」,詳見國內的鋼結構設計規範(LRFD)第九章第5頁9﹒3﹒3節、第6頁9﹒4﹒2節、第11頁9﹒4﹒3節、第17頁9﹒6節,參見Ollgaard et al﹒(1971)。在清華大學第251期博士生學術論壇上,我有向一位女博士生提問鋼管混凝土的2個問題,此提問的2個議題都是鋼管混凝土的「剪力釘」。Ollgaard et al. (1971)
J. G. Ollgaard, R. G. Slutter and J. W. Fisher ( 1971 ) "Shear Strength of Stud Connectors in Light Weigth and Normal Weight Concrete," AISC Engineering Journal, April.
臺灣的鋼結構設計規範(LRFD)的合成構材,也就是美國工程規範「AISC-LRFD1993」,第九章第9﹒4﹒3節的解說第二段,就有提到「混凝土包覆梁之撓曲強度可依塑性應力分布計算」,這種做法必須使用剪力釘。混凝土包覆梁的強度,要是沒有使用剪力釘,就會產生接觸面滑動破壞,這樣就不可能達到塑性強度,也就是上、下翼板應該會產生彈性挫曲或側向扭轉挫曲。照理說,不使用剪力釘的結構實驗,一定是彈性分析的結構強度。
在美國工程規範裡,SRC可以做彈性分析或塑性分析,我的學士論文是採用塑性分析,也就是SRC樑和柱可以達到完全塑性強度,這是使用剪力釘的基本假設。大陸的組合結構,不是這樣的基本假設,也就是美國工程規範跟大陸工程規範不一樣。
此近似公式是美國工程規範的近似公式,世界各國是不是也有近式公式,這個不一定是如此,不過要是世界各國沒有近似公式,那麼世界各國應該都要有一套可驗證的方法,以表示世界各國的學者確定這樣的程式碼跑出來的結果是正確的。我是想世界各國研究的結果,應該不是程式可以跑出數據,就表示這樣是正確的,而是有某種驗證程序可以確保這樣是正確的。版是RC版,這是採用鋼浪板型式的免拆模板,其上方綁鋼筋,這是鋼筋混凝土的結構計算,這不是SRC。鋼板剪力牆是我後來發展出來的公式,這個是純鋼板的結構計算,這不是SRC。
SRC結構計算,只有樑和柱。臺灣的SRC,單一H型鋼有2種擺法,十字型鋼有1種擺法,而4個角落的鋼筋,有1支鋼筋和3支鋼筋的差異。世界各國的標準型鋼,當然有世界各國的標準型鋼列表。世界各國學者要求的正確,一定都有驗證數據或近似公式的審定條件,就是符合世界各國在學理上的正確即可。SRC提供2個範例,就是符合世界各國通常結構設計的一般條件,就是合理就可以了。我的學士論文,真的有符合我自己訂的這些條件,這樣不是很苛刻的要求,應該說是基本要求。臺灣的標準H型鋼,參見CNS1490:2020,表15,其頁碼第18-19頁。
1999年12月27日,AISC-LRFD1999,也就是LRFD3,這個版本的PDF第259頁,還是有在引用Galambos&Chapius(1980),也就是1999年底,還是沒有人做出精確解。2005年03月09日,ANSI/AISC360-2005,這個版本的PDF第147頁,同樣是I4這一個章節,已經此版本沒有引用近似公式。
在2000-2005年間,應該是美國有人研究出來,我是2002年06月08日從臺灣科大畢業,只是不知道誰比較早做出精確解。我提供的方向,已經沒有研究價值。在ANSI/AISC360-2005的I4章節,已經提供2種精確解的求解方法,就是「Plastic Stress Distribution Method」和「Strain-compatibility Method」,而我的不定向找軸法的基本假設,跟Plastic Stress Distribution Method的定義相同。
這個縮寫叫「PSDM」的定義,應該是在2000~2005年之間才出現的名詞,只是實際的演算法似乎不能對應ANSI/AISC360-2005的參考文獻。我懷疑這個名詞,應該是沒有標準演算法的一種基本假設而已。
AISC-LRFD1986定義1種近似公式(第6-175頁)
AISC-LRFD 1986: Approximate Formula, C-I4-1
The nominal axial strength of a beam-column is obtained from Sect. I2.2, while the nominal flexural strength is determined from the plastic stress distribution on the composite section. An approximate formula for this plastic moment resistance of a composite column is given in Ref. 34, Galambos and Chapuis (1980).
AISC-LRFD1993定義1種近似公式(第6-213頁)/中華民國鋼結構極限設計法規範及解說
AISC-LRFD 1993: Approximate Formula, C-I4-1
The nominal axial strength of a beam-column is obtained from Section I2.2, while the nominal flexural strength is determined from the plastic stress distribution on the composite section. An approximate formula for this plastic moment resistance of a composite column is given in Galambos and Chapuis (1980).
AISC-LRFD1999定義1種近似公式(第226頁)
AISC-LRFD 1999: Approximate Formula, C-I4-1
The nominal axial strength of a beam-column is obtained from Section I2.2, while the nominal flexural strength is determined from the plastic stress distribution on the composite section. An approximate formula for this plastic moment resistance of a composite column is given in Galambos and Chapuis (1980).
ANSI/AISC360-2005定義2種方法(第77、78頁)
ANSI/AISC 360-2005: Plastic Stress Distribution Method, I1.1.1a
For the plastic stress distribution method, the nominal strength shall be computed assuming that steel components have reached a stress of Fy in either tension or compression and concrete components in compression have reached a stress of 0.85f'c.
ANSI/AISC 360-2005: Strain-Compatibility Method, I1.1.1b
For the strain compatibility method, a linear distribution of strains across the section shall be assumed, with the maximum concrete compressive strain equal to 0.003 in./in. (mm/mm). The stress-strain relationships for steel and concrete shall be obtained from tests or from published results for similar materials.
ANSI/AISC360-2010定義2種方法(第16-82頁)
ANSI/AISC 360-2010: Plastic Stress Distribution Method, I1.2.2a
For the plastic stress distribution method, the nominal strength shall be computed assuming that steel components have reached a stress of Fy in either tension or compression and concrete components in compression due to axial force and / or flexure have reached a stress of 0.85f'c.
ANSI/AISC 360-2010: Strain-Compatibility Method, I1.2.2b
For the strain compatibility method, a linear distribution of strains across the section shall be assumed, with the maximum concrete compressive strain equal to 0.003 in./in. (mm/mm). The stress-strain relationships for steel and concrete shall be obtained from tests or from published results for similar materials.
ANSI/AISC360-2016定義4種方法(第16﹒1-87、16﹒1-88頁)
ANSI/AISC 360-2016: Plastic Stress Distribution Method, I1.1.2.2a
For the plastic stress distribution method, the nominal strength shall be computed assuming that steel components have reached a stress of Fy in either tension or compression, and concrete components in compression due to axial force and / or flexure have reached a stress of 0.85f'c, where f'c is the specified compressive strength of concrete, ksi (MPa).
ANSI/AISC 360-2016: Strain Compatibility Method, I1.1.2.2b
For the strain compatibility method, a linear distribution of strains across the section shall be assumed, with the maximum concrete compressive strain equal to 0.003 in./in. (mm/mm). The stress-strain relationships for steel and concrete shall be obtained from tests or from published results.
ANSI/AISC 360-2016: Elastic Stress Distribution Method, I1.1.2.2c
For the elastic stress distribution method, the nominal strength shall be determined from the superposition of elastic stresses for the limit state of yielding or concrete crushing.
ANSI/AISC 360-2016: Effective Stress-Strain Method, I1.1.2.2d
For the effective stress-strain method, the nominal strength shall be computed assuming strain compatibility, and effective stress-strain relationships for steel and concrete components accounting for the effects of local buckling, yielding, interaction and concrete confinement.
一、以塑性模數Z和斷面模數S,得發展一元三次方程式,要用牛頓法(Newton-Raphson Method)來求解;
二、以彈塑性力學的應力分析模式(Elastic-Plastic Mechanics),得採用彈性分析或塑性分析。
C. M. Huang ( 2002 ) "Computer-Aided Design System for the SRC Beam and Column," Bachelor Essay in Construction Engineering, Registered Number: A8905041, Department of Construction Engineering, National Taiwan University of Science and Technology, Taipei 10607, Taiwan, R.O.C., Supervisor: S. J. Chen, Ph.D. Civil, Jun. 8, 2002 /Chinese Manuscript/
不管世界各國的SRC是什麼計算方法,SRC就是鋼筋混凝土的中央擺上鋼骨,通常是使用彈塑性力學的應力分析模式,此類計算公式一大堆,應該要花不少時間閱讀世界各國的相關文獻。我以AISC-LRFD1993來說,至少涵蓋16個結構計算公式,那麼就一定要先清楚這16個結構計算公式的意義、使用方法及使用條件,其次才是拆解為樑和柱的結構計算程序,而樑的結構計算程序是柱的一部分,之後才是「思考求解的演算法」。我提供這二條路線,應該可以算是「後續研究」,就是我提供的研究方向,讓大家去做後續研究,因而都要引用我的學士論文,想出來的構想歸屬於研究生及其指導教授。
我以AISC-LRFD1993來說,其實這個精確解的求解結果,都是可以做驗證的,也就是使用近似公式做驗證。國內的鋼結構設計規範(LRFD)第九章第17頁C9﹒4-1式,文獻Galambos&Chapius(1980),同時適用於SRC和鋼管混凝土。
T. V. Galambos & J. Chapuis ( 1980 ) "LRFD Criteria for CompositeColumns and Beam Columns," Revised Draft, December. Washington University, Department of Civil Engineering, St. Louis, Mo.
在美國工程規範裡,SRC和鋼管混凝土是相同的結構行為。在剪力釘符合需求數量下,SRC和鋼管混凝土的結構行為,具有彈塑性力學相同的估算結果。剪力釘不涉及結構強度,不過「剪力釘影響結構行為」,詳見國內的鋼結構設計規範(LRFD)第九章第5頁9﹒3﹒3節、第6頁9﹒4﹒2節、第11頁9﹒4﹒3節、第17頁9﹒6節,參見Ollgaard et al﹒(1971)。在清華大學第251期博士生學術論壇上,我有向一位女博士生提問鋼管混凝土的2個問題,此提問的2個議題都是鋼管混凝土的「剪力釘」。Ollgaard et al. (1971)
J. G. Ollgaard, R. G. Slutter and J. W. Fisher ( 1971 ) "Shear Strength of Stud Connectors in Light Weigth and Normal Weight Concrete," AISC Engineering Journal, April.
臺灣的鋼結構設計規範(LRFD)的合成構材,也就是美國工程規範「AISC-LRFD1993」,第九章第9﹒4﹒3節的解說第二段,就有提到「混凝土包覆梁之撓曲強度可依塑性應力分布計算」,這種做法必須使用剪力釘。混凝土包覆梁的強度,要是沒有使用剪力釘,就會產生接觸面滑動破壞,這樣就不可能達到塑性強度,也就是上、下翼板應該會產生彈性挫曲或側向扭轉挫曲。照理說,不使用剪力釘的結構實驗,一定是彈性分析的結構強度。
在美國工程規範裡,SRC可以做彈性分析或塑性分析,我的學士論文是採用塑性分析,也就是SRC樑和柱可以達到完全塑性強度,這是使用剪力釘的基本假設。大陸的組合結構,不是這樣的基本假設,也就是美國工程規範跟大陸工程規範不一樣。
此近似公式是美國工程規範的近似公式,世界各國是不是也有近式公式,這個不一定是如此,不過要是世界各國沒有近似公式,那麼世界各國應該都要有一套可驗證的方法,以表示世界各國的學者確定這樣的程式碼跑出來的結果是正確的。我是想世界各國研究的結果,應該不是程式可以跑出數據,就表示這樣是正確的,而是有某種驗證程序可以確保這樣是正確的。版是RC版,這是採用鋼浪板型式的免拆模板,其上方綁鋼筋,這是鋼筋混凝土的結構計算,這不是SRC。鋼板剪力牆是我後來發展出來的公式,這個是純鋼板的結構計算,這不是SRC。
SRC結構計算,只有樑和柱。臺灣的SRC,單一H型鋼有2種擺法,十字型鋼有1種擺法,而4個角落的鋼筋,有1支鋼筋和3支鋼筋的差異。世界各國的標準型鋼,當然有世界各國的標準型鋼列表。世界各國學者要求的正確,一定都有驗證數據或近似公式的審定條件,就是符合世界各國在學理上的正確即可。SRC提供2個範例,就是符合世界各國通常結構設計的一般條件,就是合理就可以了。我的學士論文,真的有符合我自己訂的這些條件,這樣不是很苛刻的要求,應該說是基本要求。臺灣的標準H型鋼,參見CNS1490:2020,表15,其頁碼第18-19頁。
1999年12月27日,AISC-LRFD1999,也就是LRFD3,這個版本的PDF第259頁,還是有在引用Galambos&Chapius(1980),也就是1999年底,還是沒有人做出精確解。2005年03月09日,ANSI/AISC360-2005,這個版本的PDF第147頁,同樣是I4這一個章節,已經此版本沒有引用近似公式。
在2000-2005年間,應該是美國有人研究出來,我是2002年06月08日從臺灣科大畢業,只是不知道誰比較早做出精確解。我提供的方向,已經沒有研究價值。在ANSI/AISC360-2005的I4章節,已經提供2種精確解的求解方法,就是「Plastic Stress Distribution Method」和「Strain-compatibility Method」,而我的不定向找軸法的基本假設,跟Plastic Stress Distribution Method的定義相同。
這個縮寫叫「PSDM」的定義,應該是在2000~2005年之間才出現的名詞,只是實際的演算法似乎不能對應ANSI/AISC360-2005的參考文獻。我懷疑這個名詞,應該是沒有標準演算法的一種基本假設而已。
AISC-LRFD1986定義1種近似公式(第6-175頁)
AISC-LRFD 1986: Approximate Formula, C-I4-1
The nominal axial strength of a beam-column is obtained from Sect. I2.2, while the nominal flexural strength is determined from the plastic stress distribution on the composite section. An approximate formula for this plastic moment resistance of a composite column is given in Ref. 34, Galambos and Chapuis (1980).
AISC-LRFD1993定義1種近似公式(第6-213頁)/中華民國鋼結構極限設計法規範及解說
AISC-LRFD 1993: Approximate Formula, C-I4-1
The nominal axial strength of a beam-column is obtained from Section I2.2, while the nominal flexural strength is determined from the plastic stress distribution on the composite section. An approximate formula for this plastic moment resistance of a composite column is given in Galambos and Chapuis (1980).
AISC-LRFD1999定義1種近似公式(第226頁)
AISC-LRFD 1999: Approximate Formula, C-I4-1
The nominal axial strength of a beam-column is obtained from Section I2.2, while the nominal flexural strength is determined from the plastic stress distribution on the composite section. An approximate formula for this plastic moment resistance of a composite column is given in Galambos and Chapuis (1980).
ANSI/AISC360-2005定義2種方法(第77、78頁)
ANSI/AISC 360-2005: Plastic Stress Distribution Method, I1.1.1a
For the plastic stress distribution method, the nominal strength shall be computed assuming that steel components have reached a stress of Fy in either tension or compression and concrete components in compression have reached a stress of 0.85f'c.
ANSI/AISC 360-2005: Strain-Compatibility Method, I1.1.1b
For the strain compatibility method, a linear distribution of strains across the section shall be assumed, with the maximum concrete compressive strain equal to 0.003 in./in. (mm/mm). The stress-strain relationships for steel and concrete shall be obtained from tests or from published results for similar materials.
ANSI/AISC360-2010定義2種方法(第16-82頁)
ANSI/AISC 360-2010: Plastic Stress Distribution Method, I1.2.2a
For the plastic stress distribution method, the nominal strength shall be computed assuming that steel components have reached a stress of Fy in either tension or compression and concrete components in compression due to axial force and / or flexure have reached a stress of 0.85f'c.
ANSI/AISC 360-2010: Strain-Compatibility Method, I1.2.2b
For the strain compatibility method, a linear distribution of strains across the section shall be assumed, with the maximum concrete compressive strain equal to 0.003 in./in. (mm/mm). The stress-strain relationships for steel and concrete shall be obtained from tests or from published results for similar materials.
ANSI/AISC360-2016定義4種方法(第16﹒1-87、16﹒1-88頁)
ANSI/AISC 360-2016: Plastic Stress Distribution Method, I1.1.2.2a
For the plastic stress distribution method, the nominal strength shall be computed assuming that steel components have reached a stress of Fy in either tension or compression, and concrete components in compression due to axial force and / or flexure have reached a stress of 0.85f'c, where f'c is the specified compressive strength of concrete, ksi (MPa).
ANSI/AISC 360-2016: Strain Compatibility Method, I1.1.2.2b
For the strain compatibility method, a linear distribution of strains across the section shall be assumed, with the maximum concrete compressive strain equal to 0.003 in./in. (mm/mm). The stress-strain relationships for steel and concrete shall be obtained from tests or from published results.
ANSI/AISC 360-2016: Elastic Stress Distribution Method, I1.1.2.2c
For the elastic stress distribution method, the nominal strength shall be determined from the superposition of elastic stresses for the limit state of yielding or concrete crushing.
ANSI/AISC 360-2016: Effective Stress-Strain Method, I1.1.2.2d
For the effective stress-strain method, the nominal strength shall be computed assuming strain compatibility, and effective stress-strain relationships for steel and concrete components accounting for the effects of local buckling, yielding, interaction and concrete confinement.