簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 蔡宗翰
Tsai, Chung-han
論文名稱: 鋼結構彎矩接頭受火害之行為研究
A Study on Fire Response of Steel Beam-Column Moment Connection
指導教授: 邱耀正
Chiou, Yaw-Jeng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 130
中文關鍵詞: 勁度-溫度關係有限元素法
外文關鍵詞: beam-column moment connections, finite element method, stiffness -temperature relation
相關次數: 點閱:81下載:2
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 鋼結構一向被視為是耐震性能最為優越的建築結構系統,因而廣泛使用於高樓結構中。然而鋼材本身對溫度的敏感性卻成為鋼結構致命的弱點,本文依實際試體尺寸進行的鋼結構梁柱接頭高溫受熱反應,以有限元素數值模擬模式來分析其高溫受熱中結構行為,並選用ANSYS為數值模擬工具;在材料組成律方面,因實際試驗用鋼材之高溫材料性質目前尚未測試,且國內相關資料亦不甚完備,本文先以歐洲規範EUROCODE 3高溫受熱環境下之鋼材性質資料以及CNS升溫曲線,並參考文獻量測之爐溫與鋼材表面溫度關係,以作為數值模擬分析之用,進而透過程式分析建立一整套有關國內鋼結構梁柱接頭之高溫受熱行為,藉以探討半剛接梁柱接頭之勁度-溫度關係,並以國內實尺寸鋼結構梁柱接頭試驗驗證本文分析模型之可行性。
    本文主要敘述有鋼材高溫材料行為、數值模擬分析之建立與驗證以及兩種鋼結構梁柱接頭高溫受熱試驗之模擬,包含有定溫加載試驗與定載加溫試驗,主要以了解鋼結構接頭在高溫中其力學特性之影響參數以及非線性局部結構行為和熱膨脹所帶來之影響,以供後續研究整體鋼結構高溫受熱行為時之模擬分析使用。

    The stiffness-temperature relation of semi-rigid beam-column moment connections in high temperature environment is studied. Degradation of steel properties with increasing temperature and the standard temperature-time relation in fire exposure were assumed in accordance with EC3 recommendations. The composed beam-column frame is analyzed by the general purpose finite element software ANSYS, and the stiffness-temperature relation of semi-rigid beam-column joint is established. The stiffness-temperature relation of steel beam-column joint has constructed in the current work.

    摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 表目錄 VII 圖目錄 IX 符號 XIII 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究背景與目的 2 1.3 文獻回顧 4 第二章 高溫環境下鋼結構梁柱接頭 之數值模擬 6 2.1 前言 6 2.2 鋼材在高溫下之材料性質 7 2.3 數值分析方法與步驟 13 2.3.1 熱分析 13 2.3.2 非線性結構分析 17 2.3.3 耦合分析 19 2.3.4 轉角分析 20 2.3.5 數值分析步驟 22 2.4 非線性有限元素分析模式 25 2.4.1 元素種類 25 2.4.2 定溫加載試驗之數值模擬 26 2.4.3 定載加溫試驗之數值模擬 27 第三章 分析模式之驗證 (國內陳誠直教授之實尺寸實驗) 34 3.1 前言 34 3.2 試體規劃 34 3.3 試驗規劃 35 3.4 試驗結果 36 3.5 非線性有限元素模擬分析結果與討論 36 第四章 定溫加載試驗之數值範例與討論 42 4.1 前言 42 4.2 範例一:梁受集中載重與梁端為自由端 46 4.2.1 範例說明 46 4.2.2 分析結果 46 4.3 範例二:梁受集中載重與梁端為定向接續端 57 4.3.1 範例說明 57 4.3.2 分析結果 57 4.4 範例三:範例一之柱變更為BOX 68 4.4.1 範例說明 68 4.4.2 分析結果 68 4.5 範例四:範例二之柱變更為BOX 79 4.5.1 範例說明 79 4.5.2 分析結果 79 4.6 分析總結與討論 90 第五章 定載加溫試驗之數值範例與討論 91 5.1 前言 91 5.2 範例五:下柱與梁加溫(柱為I型鋼) (梁受集中載重與梁端為自由端) 95 5.2.1 範例說明 95 5.2.2 分析結果 95 5.3 範例六:下柱與梁加溫(柱為I型鋼) (梁受集中載重與梁端為定向端) 103 5.3.1 範例說明 103 5.3.2 分析結果 103 5.4 範例七:下柱與梁加溫(柱為BOX型鋼) (梁受集中載重與梁端為自由端) 109 5.4.1 範例說明 109 5.4.2 分析結果 109 5.5 範例八:下柱與梁加溫(柱為BOX型鋼) (梁受集中載重與梁端為定向端) 115 5.5.1 範例說明 115 5.5.2 分析結果 115 5.6 分析總結與討論 121 第六章 結論與建議 125 參考文獻 127

    【1】 ANSYS, “ANSYS User’s Manual Revision 8.0”, ANSYS, Inc., Canonsburg, Pennsylvania (2004).
    【2】 Andy Buchanan, Peter Moss, Jenny Seputro,Richard Welsh,“The effect of stress-strain relationships on the fire performance of steel beams,” Engineering Structures, Vol.26, p.1505-1515 (2004).
    【3】 B.A. Izzuddin, L Song, A.S. Elnashi, P.J. Dowling, “An integrated adaptive environment for fire and explosion analysis of steel frames—Part II: Verification and application,” Journal of Constructional Steel Research, p.87-111 (2000).
    【4】 BS5950:The Structural Use of Steelwork in Buildings, Part 8: Code of Practice for Fire Resistant Design,London:BSI (1990).
    【5】 C.C. Chen, S.W. Chen, M.D. Chung, M.C. Lin, “Cyclic behaviour of unreinforced and rib-reinforced moment connections,” Journal of Constructional Steel Research, Vol.61, p.1-21 (2005)
    【6】 C.G. Bailey, I.W. Burgess, R.J. Plank, ”The Lateral-Torsional Buckling of Unrestrained Steel Beams in Fire,”Journal of Constructional Steel Research,Vol. 36, p.101-119 (1996).
    【7】 EUROCODE 3,”Design of steel structures-Part 1﹒2:General rules -Structural fire design”,(DD ENV 1993-1-2:2001 Corrected and reprinted September 2001).
    【8】 Federal Emergency Management Agency,”World Trade Center Building Performance Study:Data Collection,Preliminary Observations,and Recommendations,”FEMA 403,May 2002.
    【9】 G. Ginda,W. Skowronski,”Elasto-Plastic Creep Behavior and Load Capacity of Steel Columns During Fire, ”Journal of Constructional Steel Research,Vol. 46,pp.312-313 (1998).
    【10】 H.Chen, J.Y.R.Liew, M. ASCE, “Explosion and Fire Analysis of Steel Frames Using Mixed Element Approach,” Journal of Engineering Mechanics, Vol.131, p.606-616 (2005)
    【11】 J.A. El-Rimawi,I.W. Burgess,R.J. Plank,”The Influence of Connection Stiffness on the Behaviour of Steel Beams on Fire,”Journal of Constructional Steel Research,Vol. 43,pp.1-15 (1997).
    【12】 J.A. El-Rimawi,I.W. Burgess,R.J. Plank,”Studies of the Behavior of Steel Subframes with Semi-Rigid Connections in Fire,”Journal of Constructional Steel Research, Vol. 49, pp. 83-98 (1999).
    【13】 J.C. Zhao, “Application of the direct iteration method for non-linear analysis of steel frames in fire,” Fire Safety Journal, Vol.35, p.241-255 (2000).
    【14】 J.Y.R. Liew, L.K. Tang, Tore Holmaas, Y.S. Choo, “Advanced analysis for the assessment of steel frames in Fire,” Journal of Constructional Steel Research, Vol.47, p.19-45 (1998).
    【15】 J.Y.R. Liew, K.Y. Ma, “Advanced analysis of 3D steel framework exposed to compartment fire,” Fire and Materials, Vol.28, p.253-267 (2004).
    【16】 J.Y.R. Liew., M. ASCE, H. Chen, “Explosion and fire analysis of steel frames using fiber element approach,” Journal of Structural Engineering, Vol.130, p.991-1000 (2004).
    【17】 K.S. Al-Jabri,I.W. Burgess,R.J. Plank, “Prediction of the degradation of connection characteristics at elevated temperature,” Journal of Constructional Steel Research, Vol.60, p.771-781 (2004)
    【18】 K.S. Al-Jabri,I.W. Burgess,T.Lennon,R.J.Plank,
    ”Moment-rotation-temperature curve for semi-rigid joints,”Journal of Constructional Steel Research,Vol.61,pp281-303 (2005).
    【19】 K.S. Al-Jabri, I.W. Burgess, R.J. Plank, “Spring-stiffness model for flexible end-plate bare-steel joints in fire,” Journal of Constructional Steel Research, Vol.61, p.1672-1691 (2005).
    【20】 M.B. Wong, “Elastic and plastic methods for numerical modeling of steel structures subject to fire,” Journal of Constructional Steel Research, Vol.57, p.1-14 (2001).
    【21】 T.C.H. Liu, “Fire Resistance of Unprotected Steel Beams with Moment Connections,” Journal of Constructional Steel Research, Vol. 51, pp. 61-77 (1999).
    【22】 T.C.H. Liu, M.K. Fahad, J.M. Davies,“Experimental Investigation of Behavior of Axially Restrained Steel Beams in Fire,” Journal of Constructional Steel Research, Vol. 58, pp. 1211-1230 (2002).
    【23】 W.S. Toh, K.H. Tan, T.C. Fung, “Strength and stability of steel frames in fire: Rankine approach,” Journal of Structural Engineering, Vol.127, p.461-469 (2001).
    【24】 Z.H. Huang, I.W Burgess, R.J. Plank,“Three-dimensional analysis of composite steel-framed buildings in fire,” Journal of Structural Engineering, Vol.126, p.389-397 (2000).
    【25】 張學誠,巨型銲接箱型鋼柱之結構行為,國立台灣工業技術學院營建工程研究所 (1994)
    【26】 中國國家標準CNS 總號5336,鋼鐵及耐熱合金之高溫拉伸試驗法,經濟部中央標準局,台灣 (1998)
    【27】 蕭江碧、雷明遠,從火災案例探討高層建築防火技術問題,高層建築防火研究防火研討會 (2001)
    【28】 邱耀正、楊國珍,鋼構造耐火行為與相關防火法規檢討研究,內政部建築研究所研究計畫成果報告 (2002)
    【29】 許獻鍾,高溫中鋼結構行為之研究,朝陽科技大學營建工程研究所 (2003)
    【30】 莊有清,鋼材在高溫環境下之行為探討,國立成功大學土木工程研究所碩士論文 (2004)
    【31】 林岳山華,鋼結構梁柱接頭高溫反應之數值模擬,國立成功大學土木工程研究所碩士論文 (2005)
    【32】 鍾明達,鋼骨梁柱接頭耐震行為研究,國立交通大學土木工程研究所碩士論文 (1999)
    【33】 林聰悟,林佳慧,數值方法與程式,國家圖書館出版品預行編目資料(1997)

    下載圖示 校內:立即公開
    校外:2006-08-29公開
    QR CODE