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研究生: 劉品瑄
Liu, Pin-Hsuan
論文名稱: 火害後圓弧切削減弱式梁柱接頭反覆載重試驗之數值模擬
The Numerical Simulations for the Cyclic Loading Tests of the Post-Fire Radius-Cut RBS Beam-to-Column Connections
指導教授: 鍾興陽
Chung, Hsing-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: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 373
中文關鍵詞: 火害後減弱式梁柱接頭圓弧切削有限元素數值模擬反覆載重試驗
外文關鍵詞: Post-Fire, RBS Beam-to-Column Connection, Radius-Cut, Finite Element Numerical Simulation, Cyclic Loading Test
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  • 本論文主要在建立三維非線性有限元素數值模型,用來模擬三組火害前與火害後實尺寸圓弧切削減弱式H型梁-箱型柱梁柱彎矩接頭試體於梁柱接頭反覆載重試驗下的結構行為,並將數值模擬結果與實際試驗結果進行比較,藉以驗證數值模型之正確性。本研究團隊製作三組完全相同的圓弧切削減弱式梁柱接頭試體,為了模擬火害前後梁柱接頭的材質變化,將此三組試體分別進行「未受火害」、「受900°C火害後空冷」、「受900°C火害後水冷」三種不同的溫度處理。本論文之數值模擬結果顯示:「未受火害」與「受900°C火害後空冷」之梁柱接頭試體數值模型,皆能模擬兩組真實試體在實際試驗中符合AISC耐震規範(2010)規定之結果,且兩組試體數值模型所模擬之破壞時機皆比真實試體在實際試驗的破壞時機提早半個層間位移角的歷程;用來模擬「受900°C火害後水冷」梁柱接頭試體的四組數值模型,在使用相同的破壞準則判定下,皆能模擬真實試體在實際試驗中未能符合AISC耐震規範(2010)規定之結果,然而,四組數值模型的梁翼板與柱板接合之FCAW銲道被判定斷裂的時機各不相同,但是皆較為保守。

    This thesis mainly builds three-dimensional nonlinear finite-element numerical models to simulate the structural behaviors of the three pre-fire and post-fire full-scale radius-cut RBS H-beam-to-box-column moment connection specimens under cyclic beam-to-column loading tests. In addition, the numerical simulation results compares with the actual test results to verify the correctness of the built numerical models. Our research team fabricated three identical radius-cut RBS H-beam-to-box-column moment connection specimens, but performed three different temperature treatments, including no fire exposure, air-cooling after 900°C fire exposure and water-cooling after 900°C fire exposure, to simulate the pre-fire and post-fire material variations. The numerical simulation results show that the numerical models with no fire exposure and air-cooling after 900°C fire exposure temperature treatments are able to simulate the actual test results meeting the requirements of 2010 AISC seismic provisions, and the both simulated failure timings of the two numerical models are earlier than the actual failure timings by half an inter-story drift respectively. The four numerical models employed to simulate the test specimen with water-cooling after 900°C fire exposure are able to simulate the actual test result that could not meet the requirements of 2010 AISC seismic provisions. However, the judged broken timings of the beam flange-to-column plate FCAW weld of the four numerical models are different but are more conservative than the actual FCAW weld broken timing.

    摘要 I 目錄 I 表目錄 IV 圖目錄 I 符號表 XI 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與背景 1 1.2 研究目的 6 1.3 研究方法 8 1.4 論文架構 10 第二章 文獻回顧 14 2.1 前言 14 2.2 梁柱接頭反覆載重與數值模擬之相關文獻 14 2.3 火害後鋼材與銲道之相關文獻 24 第三章 反覆載重試驗介紹 29 3.1 前言 29 3.2 試體命名 29 3.3 材料 31 3.3.1 鋼材 31 3.3.2 銲材 31 3.4 試體製作 33 3.5 反覆載重試驗之配置 35 3.6 試驗之感測器 37 3.6.1 感測器介紹 37 3.6.2 感測器配置 39 3.7 反覆載重試驗流程 41 3.7.1 反覆載重歷程命名 41 3.7.2 反覆載重試驗步驟 42 3.7.3 試驗終止條件 43 第四章 圓弧切削梁柱接頭反覆載重試驗結果 70 4.1 前言 70 4.2 各物理量之定義 70 4.2.1 柱面彎矩強度之定義 70 4.2.2 骨幹曲線之定義 71 4.2.3 柱轉角之定義 71 4.2.4 梁柱交會區剪力變形之定義 72 4.2.5 塑性轉角之定義 74 4.2.6 消散能量之定義 74 4.3 AISC耐震規範(2010)之規定與破壞定義 76 4.4 圓弧切削未受火害梁柱接頭試體 77 4.4.1 試驗之整體結果 77 4.4.2 歷程試驗結果 82 4.4.3 小結 83 4.5 受900°C火害後空冷梁柱接頭試體 83 4.5.1 試驗之整體結果 83 4.5.2 試驗之歷程結果 87 4.5.3 小結 89 4.6 受900°C火害後水冷梁柱接頭試體 89 4.6.1 試驗之整體結果 89 4.6.2 試驗之歷程結果 93 4.6.3 小結 94 第五章 試驗結果之比較與討論 147 5.1 前言 147 5.2 圓弧切削火害前後試體 147 5.2.1 試驗結果比較 147 5.2.2 小結 149 5.3 標準式與圓弧切削梁柱接頭試體 150 5.3.1 標準式與圓弧切削未受火害梁柱接頭試體 150 5.3.2 標準式與圓弧切削火害後空冷梁柱接頭試體 151 5.3.3 標準式與圓弧切削火害後水冷梁柱接頭試體 153 5.3.4 小結 156 第六章 圓弧切削梁柱接頭之數值模擬 189 6.1 前言 189 6.2 有限元素分析之相關理論 189 6.2.1 非線性結構分析 189 6.2.2 彈塑性力學理論 191 6.2.3 接觸理論 196 6.2.4 疊代收斂性 198 6.3 數值模型建立 201 6.3.1 構件尺寸 201 6.3.2 基本假設 202 6.3.3 材料參數 203 6.3.4 交互作用設定 203 6.3.5 邊界條件 205 6.3.6 網格收斂性 205 6.3.7 網格劃分 206 6.3.8 元素選擇與特色 208 6.3.9 數值模擬結果之後處理 210 第七章 試驗與模擬結果之比較與討論 234 7.1 前言 234 7.2 未受火害圓弧切削梁柱接頭試體之數值模擬 234 7.2.1 數值模擬之整體結果 234 7.2.2 彎矩-底面柱轉角遲滯迴圈逆轉現象 238 7.3 受900°C火害後空冷圓弧切削梁柱接頭試體之數值模擬 240 7.4 受900°C火害後水冷圓弧切削梁柱接頭試體之數值模擬 244 7.4.1 前言 244 7.4.2 火害後水冷圓弧切削試體之破壞討論 244 7.4.3 火害後水冷試體數值模擬之破壞判定 246 7.5 小結 255 第八章 結論與建議 347 8.1 結論 348 8.2 建議 365 參考文獻 368

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