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研究生: 薛逸齊
Syue, Yi-Ci
論文名稱: 梁柱剪力接頭構架之高溫數值模擬
Numerical Simulations for the Beam-to-Column Shear Connections at Elevated Temperatures
指導教授: 鍾興陽
Chung, Hsin-Yang
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: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 251
中文關鍵詞: 有限元素剪力接頭構架高溫懸垂效應軸力耐火鋼
外文關鍵詞: Finite-Element Method, Shear Connection Frames, Elevated Temperatures, Catenary Effect, Axial Force, Fire-Resistant Steel
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  • 本論文主要是利用三維非線性有限元素程式,進行梁柱剪力接頭構架之高溫數值模擬,探討不同載重、梁長、初始冷卻溫度、剪力片厚度、螺栓孔數和鋼板邊界水平距離等五種參數對於整體梁柱剪力接頭構架在高溫火害下結構行為之影響,並觀察整體構架在升溫過程中剪力接頭受力變化的情形與鋼梁發生懸垂效應後構架與接頭的破壞模式,進而歸納出梁柱剪力接頭構架在高溫火害下的破壞機制,此外,藉由此破壞機制研究所獲得之結論,本論文更積極利用耐火鋼和其他接頭補強方法針對梁柱剪力接頭構架進行補強,並探討這些補強方法對於構架耐火性能提升之可行性,找出最具有經濟效益之補強方法。研究結果顯示:鋼梁在高溫下之勁度對於剪力接頭構架之耐火性能影響甚鉅,提升鋼梁在高溫下的勁度將可降低鋼梁在高溫變形下的撓度,進而提升鋼梁進入懸垂效應的破壞溫度,間接提升構架剪力接頭的耐火性能,若只增強剪力接頭處之強度,對於整體構架耐火性能的提升有限,另外若將耐火鋼補強於鋼梁中點處,將能大幅提升剪力接頭構架在高溫下之耐火性能。

    This thesis utilized three-dimensional nonlinear finite-element program to perform numerical simulations of steel beam-to-column shear connection frames at elevated temperatures. The influences of five kinds of parameters, including beam loading, beam length, initial cooling temperature, shear plate thickness, bolt number and horizontal edge distance of bolt hole, to the structural behaviors of shear connection frames at elevated temperatures were discussed. The internal force variations of shear connections at elevated temperatures and the failure modes of shear connection frames after the occurrence of catenary effect were carefully investigated to understand the failure mechanisms of shear connection frames in fire. This thesis also employed fire-resistant steel and the other methods to strengthen the shear connection frames in high temperatures using the findings from failure mechanism study. The feasibility of using these high temperature strengthening methods to improve the fire-resistant performance of shear connection frames were studied through finite element simulations. The numerical simulation results showed that the stiffness of steel beam in high temperatures significantly affected the fire-resistant performance of shear connection frame. Improving the stiffness of steel beam reduced the beam deflection in high temperatures and therefore increased the failure temperature of steel beam, which is defined by the high temperature entering catenary effect, and fire-resistant performance of shear connections. Only strengthening the shear connections had limited fire-resistant improvement for the whole steel frame. Besides, using fire-resistant steel in the middle section of a steel beam greatly enhanced the fire-resistant performance of shear connection frame in high temperatures.

    摘要 I Abstract III 誌謝 V 目錄 VII 表目錄 XI 圖目錄 XIII 符號表 XIX 第一章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 研究目的 3 1.3 研究方法 3 1.4 論文架構 4 第二章 文獻回顧 7 2.1 前言 7 2.2 鋼梁構架之火害相關研究 7 2.3 有限元素模擬分析之相關研究 9 第三章 有限元素分析之相關理論 13 3.1 前言 13 3.2 非線性結構分析 13 3.3 收斂疊代分析 15 3.4 工程與真實應力-應變轉換 17 3.5 接觸行為理論 19 3.6 彈塑性理論 23 3.7 場變量AC YIELD與PEEQ判斷準則 24 3.8 元素理論 25 第四章 剪力接頭構架之高溫數值模擬 31 4.1 前言 31 4.2 基本假設 31 4.3 模型設計 32 4.4 ABAQUS模型建立及類型 33 4.4.1 參數比較之模擬類型 33 4.4.2 耐火鋼補強之模擬類型 37 4.5 模型編號 38 4.5.1 參數比較用試體之編號 38 4.5.2 高溫補強用試體之編號 41 4.6 試體材料介紹 42 4.6.1 SN490B普通鋼 42 4.6.2 SN490C-FR耐火鋼 43 4.6.3 F10T高強度螺栓 44 4.6.4 鉻鉬合金高強度耐火螺栓 45 4.7 材料參數 45 4.8 ABAQUS模擬分析步之設定 47 4.8.1 高溫試體模擬步驟 48 4.9 接觸行為之設定 49 4.10 邊界條件之設定 51 4.10.1 力加載 51 4.10.2 邊界束制 53 4.10.3 溫度給定 54 4.11 元素及網格之設定 54 4.11.1 元素設定 54 4.11.2 網格設定 55 4.12 後處理程序 58 4.12.1 位移-溫度關係 58 4.12.2 反力-溫度關係 58 4.12.3 角度-溫度關係 59 4.12.4 梁全長變位 59 4.12.5 等效塑性應變PEEQ 59 第五章 參數比較之數值分析結果與討論 91 5.1 前言 91 5.2 不同載重試體之模擬結果 91 5.2.1 試體P-LD-0.4Mp-ISO 92 5.2.2 試體P-LD-0.6Mp-ISO 93 5.2.3 試體P-LD-0.8Mp-ISO 95 5.2.4 不同載重試體分析結果比較 96 5.3 不同梁長試體之模擬結果 99 5.3.1 試體P-BL-6100-ISO 99 5.3.2 試體P-BL-8100-ISO 100 5.3.3 試體P-BL-10100-ISO 101 5.3.4 試體P-BL-12100-ISO 102 5.3.5 不同梁長試體分析結果比較 103 5.4 不同初始冷卻溫度試體之模擬結果 106 5.4.1 試體P-IC-400-ISO 106 5.4.2 試體P-IC-500-ISO 108 5.4.3 試體P-IC-540-ISO 109 5.4.4 試體P-IC-560-ISO 110 5.4.5 不同初始冷卻溫度試體分析結果比較 112 5.5 不同剪力片厚度試體之模擬結果 113 5.5.1 試體P-ST-6.3-ISO 113 5.5.2 試體P-ST-8-ISO 114 5.5.3 試體P-ST-10-ISO 115 5.5.4 試體P-ST-12-ISO 116 5.5.5 不同剪力片厚度試體分析結果比較 117 5.6 不同螺栓孔數試體之模擬結果 118 5.6.1 試體P-HN-3-ISO 119 5.6.2 試體P-HN-4-ISO 120 5.6.3 試體P-HN-5-ISO 121 5.6.4 不同螺栓孔數試體分析結果比較 122 5.7 不同鋼板邊界水平距離試體之模擬結果 124 5.7.1 試體P-Leh-38.1-ISO 124 5.7.2 試體P-Leh-50.8-ISO 125 5.7.3 不同Leh試體分析結果比較 126 5.8 參數比較之總結 127 第六章 耐火鋼補強之數值分析結果與討論 187 6.1 前言 187 6.2 試體S-BF-SF-F10T 188 6.3 試體S-BF-SF-CrMo 189 6.4 試體S-BN-SF-F10T 190 6.5 試體S-BH-M0.2L-F10T 192 6.6 試體S-BH-M0.25L-F10T 194 6.7 試體S-BH-M0.3L-F10T 195 6.8 試體S-BH-M0.35L-F10T 196 6.9 試體S-BH-J0.25L-F10T 198 6.10 破壞溫度判斷準則 199 6.11 耐火鋼補強試體分析結果比較 201 6.12 溫度提升之效益 207 第七章 結論與建議 243 參考文獻 247 自序 251

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