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研究生: 阮秋慎
RUAN, QIU-SHEN
論文名稱: 鋼結構抗彎接頭高溫下結構行為之數值模擬
Numerical Modeling of High Temperature Structural Behavior of Moment Resistant Connection in Steel Structures
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: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 110
中文關鍵詞: 鋼結構梁柱接頭高溫試驗火害有限元素分析
外文關鍵詞: steel structure, beam-column connection, fire test, fire response, finite element analysis
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  • 本文依實際結構尺寸,使用ABAQUS軟體,進行有限元素數值模擬,探討鋼結構抗彎梁柱接頭在高溫環境中的行為;在高溫環境下材料之組成率,採用SN490B 鋼材與A572 Gr.50 鋼材等兩種鋼材之材料性質,進行結構數值模擬,進而透過程式分析建立一整套有關國內抗彎矩梁柱接頭之高溫受熱行為,(如各種溫度下之梁柱接頭彎矩及轉角等關係),並與內政部建築研究所火害試驗 I 型柱-I 型梁高溫載重實驗結果比較,進行驗證本文數值模式之可行性。
    論文架構主要敘述鋼材的高溫材料行為、數值模擬分析、數值分析模式驗證、定溫加載分析結果,分析主體為採用SN490B 鋼材的箱型柱-I 型梁與採用A572 Gr.50 鋼材的I 型柱-I 型梁,搭配集中載重形式,並依數值分析模式探討抗彎矩梁柱接頭在高溫環境下之行為,且歸納整理而得抗彎矩梁柱接頭高溫行為估算式,可快速求得定溫加載情形下之接頭行為,供整體鋼結構承受火害有限元素分析時接頭部份模擬之用。

    This text presents the results of a numerical study, using ABAQUS, to investigate the structural behavior of steel beam-column moment connection in fire environment in which two materials, SN490B and A572 Gr.50 are consider. The material properties of steel in high temperature proposed by material test and relevant documents are used in this study. The feasibility of ABAQUS numerical simulation model have been proven by ABRI’s I column-I beam moment connection fire experiment. This research describes a series of elevated temperature test numerical analysis on beam-column connections.

    摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 表目錄 VI 圖目錄 VII 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 高溫環境下鋼結構之材料性質 8 2.1 前言 8 2.2 彈性模數(Elastic Modulus) 8 2.3 柏松比 (Poisson’s ratio) 9 2.4 塑性性質 10 2.5 其他材料參數 12 第三章 鋼結構數值分析方法與步驟 20 3.1 前言 20 3.2 非線性結構分析 20 3.3 真實應力-應變轉換 22 3.4 接觸分析 25 3.5 熱分析 28 3.6 網格設定 29 3.7 元素理論 31 3.8 疊代與收斂性 32 3.9 數值分析步驟 34 3.9.1 試驗之數值模擬 35 3.10 分析模式之驗證 37 3.10.1 建研所梁柱接頭高溫實驗概敘 37 3.10.2 定溫加載之結構分析驗證 38 第四章 H型鋼構架之數值模擬 49 4.1 前言 49 4.2 模型構件之建立 49 4.2.1 箱型柱-I型梁接頭案例說明 50 4.2.2 I型柱-I型梁接頭案例說明 51 4.3 材料參數之給定 52 4.4 定溫加載分析流程 53 4.5 接觸設定 54 4.6 邊界條件設定 55 4.6.1 力的加載 55 4.6.2 邊界的束制 56 4.7 網格設定 56 4.7.1 元素選擇 56 4.7.2 網格劃分 57 4.8 分析結果與討論 59 4.8.1 箱型柱-I型梁接頭數值分析結果 60 4.8.2 I型柱-I型梁接頭數值分析結果 61 4.9 鋼結構梁柱接頭簡易估算式 62 4.10 小結 63 4.11 ABAQUS之有無螺栓分析結果比較 64 4.11.1 小結 65 第五章 建議與結論 104 參考文獻 106   表目錄 表2-1 中鋼SN490B鋼材在各溫度下之楊氏模數折減 14 表2-2 A572 Gr.50鋼材在各溫度下之楊氏模數折減 14 表2-3 中鋼SN490B和A572 Gr.50鋼材在各溫度降伏強度折減係數 14 表3-1 ABAQUS/Standard常用單位系統簡介 41 表4-1 火害中螺栓滑動係數與預力損失試驗結果與折減係數 66 表4-2 箱型柱-I型梁之梁端加載值 66 表4-3 I型柱-I型梁之梁端加載值 66 表4-4 文獻Al-Jabri等人(2005)之溫度相關參數 67 表4-5 本文估算式之溫度相關參數 67 圖目錄 圖2.1 SN490B和A572 Gr.50在各溫度下的彈性模數 15 圖2.2 SN490B與A572 Gr.50之鋼材彈性係數折減趨勢圖 15 圖2.3 鋼材在各溫度下柏松比 16 圖2.4 單軸拉伸實驗下彈塑性材料的工程應力與應變關係 16 圖2.5 SN490B鋼材之工程應力-應變關係曲線 17 圖2.6 A572 Gr.50鋼材之工程應力-應變關係曲線 17 圖2.7 SN490B與A572 Gr.50之鋼材降伏強度折減趨勢圖 18 圖2.8 各溫度下鋼材的膨脹係數值 18 圖2.9 各溫度所對應的比熱值 19 圖3.1 彈塑性材料應力–應變曲線 41 圖3.2 即將碰觸障礙物之懸臂梁 42 圖3.3 懸臂梁之大撓度 42 圖3.4 彈塑性材料之單軸拉伸實驗示意圖 42 圖3.5 總應變分解成彈性與塑性應變分量 43 圖3.6 硬接觸中壓力和間隙之關係 43 圖3.7 軟接觸中壓力和間隙之關係 44 圖3.8 接觸面情形(Contact in Abacus/Standard, 2008) 44 圖3.9 一階線性三維六面體八節點實體元素介紹 45 圖3.10 在增量步中的首次疊代 45 圖3.11 ABAQUS分析流程圖 46 圖3.12 建研所梁柱接頭高溫實驗尺寸設計圖 46 圖3.13 實驗規劃示意圖 47 圖3.14 熱電耦埋設位置設計圖 47 圖3.15 定溫加載550℃的梁載重與梁端變位關係圖 48 圖4-1 ABAQUS軟體鋼結構高溫分析模型建立流程圖 68 圖4.2 箱型柱-I型梁彎矩接頭試體設計圖 69 圖4.3 梁柱接頭試體規劃示意圖 70 圖4.4 I型柱-I型梁彎矩接頭試體設計圖 71 圖4.5 試體安置示意圖 72 圖4.6 定溫加載實驗各步驟試體預測的變形示意圖 73 圖4.7 定溫加載實驗步驟流程圖 74 圖4.8 螺栓(bolt)的接觸行為 74 圖4.9 邊界條件示意圖 75 圖4.10(a)(b) 箱型柱-I型梁構件網格數 76 圖4.11(a)(b) I型柱-I型梁構件網格數 77 圖4.12 量測位移、轉角示意說明圖 78 圖4.13 文獻Al-Jabri(2005) 轉角分析示意圖 78 圖4.14 箱型柱-I型梁接頭 溫度與轉角關係圖 79 圖4.15 箱型柱-I型梁接頭0.2Mp彎矩與轉角關係圖 79 圖4.16 箱型柱-I型梁接頭0.4Mp彎矩與轉角關係圖 80 圖4.17 箱型柱-I型梁接頭0.6Mp彎矩與轉角關係圖 80 圖4.18 I型柱-I型梁接頭 溫度與轉角關係圖 81 圖4.19 I型柱-I型梁接頭0.2Mp彎矩與轉角關係圖 81 圖4.20 I型柱-I型梁接頭0.4Mp彎矩與轉角關係圖 82 圖4.21 I型柱-I型梁接頭0.6Mp彎矩與轉角關係圖 82 圖4.22 箱型柱-I型梁接頭0.6Mp-600度轉角-彎矩關係圖 83 圖4.23 箱型柱-I型梁接頭0.6Mp-500度轉角-彎矩關係圖 83 圖4.24 箱型柱-I型梁接頭0.6Mp-400度轉角-彎矩關係圖 84 圖4.25 箱型柱-I型梁接頭0.6Mp-300度轉角-彎矩關係圖 84 圖4.26 箱型柱-I型梁接頭0.6Mp-200度轉角-彎矩關係圖 85 圖4.27 箱型柱-I型梁接頭0.6Mp-100度轉角-彎矩關係圖 85 圖4.28 箱型柱-I型梁接頭0.4Mp-600度轉角-彎矩關係圖 86 圖4.29 箱型柱-I型梁接頭0.4Mp-500度轉角-彎矩關係圖 86 圖4.30 箱型柱-I型梁接頭0.4Mp-400度轉角-彎矩關係圖 87 圖4.31 箱型柱-I型梁接頭0.4Mp-300度轉角-彎矩關係圖 87 圖4.32 箱型柱-I型梁接頭0.4Mp-200度轉角-彎矩關係圖 88 圖4.33 箱型柱-I型梁接頭0.4Mp-100度轉角-彎矩關係圖 88 圖4.34 箱型柱-I型梁接頭0.2Mp-600度轉角-彎矩關係圖 89 圖4.35 箱型柱-I型梁接頭0.2Mp-500度轉角-彎矩關係圖 89 圖4.36 箱型柱-I型梁接頭0.2Mp-400度轉角-彎矩關係圖 90 圖4.37 箱型柱-I型梁接頭0.2Mp-300度轉角-彎矩關係圖 90 圖4.38 箱型柱-I型梁接頭0.2Mp-200度轉角-彎矩關係圖 91 圖4.39 箱型柱-I型梁接頭0.2Mp-100度轉角-彎矩關係圖 91 圖4.40 I型柱-I型梁接頭0.6Mp-600度轉角-彎矩關係圖 92 圖4.41 I型柱-I型梁接頭0.6Mp-500度轉角-彎矩關係圖 92 圖4.42 I型柱-I型梁接頭0.6Mp-400度轉角-彎矩關係圖 93 圖4.43 I型柱-I型梁接頭0.6Mp-300度轉角-彎矩關係圖 93 圖4.44 I型柱-I型梁接頭0.6Mp-200度轉角-彎矩關係圖 94 圖4.45 I型柱-I型梁接頭0.6Mp-100度轉角-彎矩關係圖 94 圖4.46 I型柱-I型梁接頭0.4Mp-600度轉角-彎矩關係圖 95 圖4.47 I型柱-I型梁接頭0.4Mp-500度轉角-彎矩關係圖 95 圖4.48 I型柱-I型梁接頭0.4Mp-400度轉角-彎矩關係圖 96 圖4.49 I型柱-I型梁接頭0.4Mp-300度轉角-彎矩關係圖 96 圖4.50 I型柱-I型梁接頭0.4Mp-200度轉角-彎矩關係圖 97 圖4.51 I型柱-I型梁接頭0.4Mp-100度轉角-彎矩關係圖 97 圖4.52 I型柱-I型梁接頭0.2Mp-600度轉角-彎矩關係圖 98 圖4.53 I型柱-I型梁接頭0.2Mp-500度轉角-彎矩關係圖 98 圖4.54 I型柱-I型梁接頭0.2Mp-400度轉角-彎矩關係圖 99 圖4.55 I型柱-I型梁接頭0.2Mp-300度轉角-彎矩關係圖 99 圖4.56 I型柱-I型梁接頭0.2Mp-200度轉角-彎矩關係圖 100 圖4.57 I型柱-I型梁接頭0.2Mp-100度轉角-彎矩關係圖 100 圖4.58 箱型柱-I型梁接頭細部圖 101 圖4.59 I型柱-I型梁接頭細部圖 101 圖4.60 箱型柱-I型梁-600度 有無螺栓分析比較圖 102 圖4.61 I型柱-I型梁-600度 有無螺栓分析比較圖 102 圖4.62 箱型柱-I型梁-500度 有無螺栓分析比較圖 103 圖4.63 I型柱-I型梁-500度 有無螺栓分析比較圖 103

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    下載圖示 校內:2011-08-25公開
    校外:2013-08-25公開
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