簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 陳坤樟
Chen, Kurn-jang
論文名稱： 鋼筋混凝土梁柱複合構件於高溫中、後之行為研究─ 普通混凝土梁之承力行為
Behavior of Reinforced Concrete Beam-Column Sub-assemblage under Elevated Temperature Test ─ Behavior of Ordinary Concrete Beam
指導教授： 方一匡
Fang, I-kuang
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： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 141
中文關鍵詞： 溫度 、火害 、混凝土 、梁
外文關鍵詞： fire damage, reinforced concrete beam, concrete, temperature
相關次數： 點閱：105  下載：1 
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

    • 現有的鋼筋混凝土結構耐火性之測試研究文獻，大部分都利用較小尺寸之試體或單一構件進行高溫中、後之測試，實尺寸梁柱複合構件之測試研究資料較為少見。本研究之目的在於探討鋼筋混凝土梁柱複合構件在高溫中、後之變形與強度變化。
    本研究以實尺寸鋼筋混凝土梁柱複合構件探討梁在高溫中、後之變形與強度，同時利用ANSYS套裝軟體來預測梁柱複合構件內部溫度之分佈及高溫中結構之變形，並與實驗值對照。主要研究結果如下：
    1. 在高溫測試中試體內部溫度升到100℃左右會出現升溫遲滯之現象，此乃混凝土內部游離水吸熱發生相變化所造成。
    2. 梁柱複合構件在進行高溫測試30分鐘時，梁之撓度有明顯之增加量，Δ1、Δm及Δ2之變形分別為高溫測試前的345 %、249 %及
    297 %。
    3. 在服務載重作用下，梁在受高溫104分鐘後的Δ1、Δm及Δ2變形分別為高溫測試前的1.77倍、1.59倍及1.59倍。
    4. 殘餘強度測試中，梁在受高溫104分鐘後的破壞載重為其在常溫時的77 %。

    The available literature of the fire resistance test of reinforced concrete structure is mostly based on the tests performed by the smaller scale specimens or single component. As for the tests of full scale beam-column sub-assemblage under elevated temperature, it is very rare. This research aims at the deformation and strength of reinforced concrete beam-column sub-assemblage during and after the elevated temperature test. In the experiment all study, tests with full scale beam-column sub-assemblage were conducted. In the analytical study, the ANSYS software was used to predict the inner temperature distribution and deformation of beam-column sub-assemblage under elevated temperature. The results of prediction were compared with those from the experiments. The primary results are summarized as follows:
    1. The temperature increase was delayed as the inner temperature of specimen increased up to about 100℃. This is because of the heating of inner free water of reinforced concrete, which induced the phase change of water.
    2. The deflection of beam increased significantly when the beam-column sub-assemblage was subjected to the elevated temperature test for 30 minutes. The deflections of △1, △m, and △2 are 345 %, 249 %, and 297 % , respectively of those before the elevated temperature test.
    3. Under the service load, the deflection of △1, △m, and △2 of beam subjected to elevated temperature test for 104 minutes are almost 1.77, 1.59, and 1.59 times of those before the elevated temperature test, respectively.
    4. On the test of residual strength, the failure load of NC3 specimen after being subjected to elevated temperature test for 104 minutes is 77% of that in the room temperature.

    目錄 摘要................................................................I Abstract...........................................................II 誌謝................................................................IV 目錄.................................................................V 表目錄...........................................................VIII 圖目錄..............................................................X 符號表...........................................................XVII 第一章 緒論........................................................1 1-1研究動機及目的............................................1 1-2 研究方法..................................................2 第二章 文獻回顧..................................................3 2-1混凝土之熱學參數..........................................3 2-2 混凝土在高溫作用下的力學性質...........................7 2-3鋼筋在高溫作用下的力學性質.............................10 2-4鋼筋混凝土在高溫作用下承力行為.........................11 第三章 試驗規劃及試驗方法....................................19 3-1 試體規劃.................................................19 3-2 試驗設備.................................................21 3-3 量測儀器及量測方法......................................22 3-3-1 量測儀器..........................................22 3-3-2 量測方法..........................................23 3-4 試驗程序.................................................25 第四章 數值模擬....................................................28 4-1 數值模擬之簡介..........................................28 4-2 熱學參數.................................................30 4-3 梁柱複合構件之電腦模型.................................32 4-4 電腦模型之印證..........................................33 第五章 結果與討論...............................................37 5-1 高溫試驗中後梁表面混凝土的觀察........................37 5-2 高溫試驗中梁內部溫度之變化............................38 5-2-1梁內部之溫度變化探討.............................38 5-2-2梁內部溫度變化的預測值與實測值之比較..........41 5-3 梁試體在服務載重下受高溫作用之行為...................42 5-3-1梁在高溫作用前之載重與變形關係.................42 5-3-2梁在高溫作用中之載重與變形關係.................43 5-4 梁試體在高溫後加載行為與殘餘強度.....................45 5-4-1 梁的載重與撓度之關係............................45 5-4-2 梁的載重與梁末端水平位移與轉動角之關係.......47 5-4-3梁在殘餘強度測試過程中總載重與曲率之關係.....47 5-4-4 梁的殘餘強度......................................48 第六章 結論與建議...............................................56 參考文獻...........................................................58 表目錄 表3-1-1 普通混凝土(NC)之配比....................................60 表3-1-2 普通混凝土(NC)抗壓強度之發展...........................60 表3-4-1 NC3試體的加載歷程中梁與柱之載重值.....................61 表4-2-1 Ellingwood等人【3】建議混凝土的熱傳導係數k值..........62 表4-2-2 T.T.Lie等人【5】建議混凝土熱容比ρc值..................62 表4-2-3 由Eurocode2【2】建議之矽質骨材混凝土的熱傳導係數k值........................................................63 表4-2-4 由Eurocode2 【2】建議混凝土熱容比ρc值................63 表4-4-1 ANSYS模擬梁在高溫中之變形..............................64 表5-1-1 NC3試體的梁在高溫測試中之現象觀察.....................65 表5-3-2-1 在服務載重作用下Δ1、Δm及Δ2在升溫及冷卻過程之變化.....................................................66 表5-3-2-2 在服務載重作用下梁末端水平位移與轉角隨加熱及冷卻時間變化之關係..........................................67 表5-3-2-3 NC3與SCC3在服務載重作用下於常溫及高溫變形之比較.....................................................68 表5-4-1-1 梁在殘餘強度測試中總載重比值與撓度之關係(Pcol.= 3920 kN)..............................................69 表5-4-1-2 梁在高溫前後服務載重作用下之撓度 (Pcol.= 1725 kN)...................................................70 表5-4-3-1 梁在殘餘強度測試中的總載重比值與曲率之關係(Pcol.= 3920 kN) ..............................................71 表5-4-4-1 梁斷面在常溫與受高溫後殘餘撓曲強度之比較..........72 表5-4-4-2 常溫與高溫破壞時Δ1、Δ2與梁總載重比值之關係.......72 圖目錄 圖2-1-1 Eurocode2及Ellingwood等人所提出的混凝土熱傳導係數k與溫度之關係【2,3】.......................................73 圖2-1-2 ACI216混凝土熱傳導係數與溫度之關係【4】................73 圖2-1-3 Eurocode2與T.T.Lie建議的熱容比與溫度之比較【2,5】....74 圖2-2-1 Eurocode2高溫中混凝土抗壓強度折減遞減之關係【2】......74 圖2-2-2 Eurocode2高溫中矽質骨材混凝應力應變曲線之關係【2】....75 圖2-2-3 ACI216高溫中、後矽質骨材混凝土抗壓強度遞減之關係【4】.75 圖2-2-4 ACI216高溫中混凝土彈性模數遞減之關係【4】..............76 圖2-3-1 Eurocode2高溫中鋼筋降伏強度遞減之關係【2】.............76 圖2-3-2 ACI216高溫中鋼筋抗拉強度遞減之關係【4】................77 圖2-4-1 在高溫中撓曲構件的分析步驟【10】........................77 圖3-1-1 七層樓建築物之構架尺寸圖...............................78 圖3-1-2 數值模擬分析之結果......................................79 圖3-1-3 梁柱複合構件與加載點之配置圖...........................80 圖3-1-4 鋼筋及鋼棒配置圖.........................................81 圖3-1-5 梁熱耦線配置圖...........................................82 圖3-1-6 邊梁熱耦線配置圖.........................................83 圖3-1-7 柱熱耦線配置.............................................84 圖3-1-8 普通混凝土抗壓強度之發展...............................85 圖3-2-1 複合構件實驗爐外觀......................................85 圖3-3-2-1 高溫測試中梁端加載設備及量測儀器示意圖.............86 圖3-3-2-2 高溫測試前與殘餘強度測試中梁端加載設備及量測儀器示意圖...................................................87 圖3-3-2-3 梁末端量測儀器示意圖..................................88 圖3-3-2-4 P1點之量力計...........................................89 圖3-3-2-5 P2點之量力計...........................................89 圖3-3-2-6 梁末端之量力計.........................................90 圖3-3-2-7 m點陶瓷棒延伸至爐外設置位移計之情形................90 圖3-3-2-8 m點陶瓷棒於爐內之設置 (尚未包覆訪火棉) ............91 圖3-3-2-9 梁底部P1點之位移計...................................91 圖3-3-2-10 梁底部P2點之位移計..................................92 圖3-3-2-11 梁末端量測儀器之設置................................92 圖3-3-2-12 量測曲率所設置之鋁框及位移計示意圖................93 圖3-3-2-13 量測曲率所設置之鋁框及位移計.......................94 圖3-3-2-14 靠近梁柱接頭處梁頂鋁框及位移計架設之情形.........95 圖3-3-2-15 靠近梁柱接頭處梁底鋁框及位移計架設之情形.........95 圖3-4-1 安裝上下柱承壓鋼版之情形...............................96 圖3-4-2 溫度記錄器................................................96 圖3-4-3 防火棉披覆與防護網架設之位置...........................97 圖3-4-4 實際防火棉包覆之情形....................................98 圖3-4-5 實際防護網架設之情形....................................98 圖3-4-6 NC3加載流程圖............................................99 圖4-3-1 Solid70元素示意圖.......................................100 圖4-3-2 模擬梁柱複合構件NC3試體之有限元素模型...............100 圖4-4-1 Solid45元素示意圖.......................................101 圖4-4-2 梁柱複合構件試體之分析模型............................101 圖4-4-3 梁柱複合構件試體模型邊界設定與受力情形..............102 圖4-4-4 將梁柱接頭端改成鉸接試體模型之邊界設定與受力情形..102 圖4-4-5 將梁柱接頭端改成固定端試體模型之邊界設定與受力情形.102 圖4-4-6 ISO834標準升溫曲線......................................103 圖4-4-7 NC3試體斷面底部中心溫度與Eurocode2預測值之比較....103 圖4-4-8 SCC3試體斷面底部中心溫度與Eurocode2預測值之比較...104 圖4-4-9 NC3靠近接頭附近在梁頂部出現撓曲裂縫..................104 圖4-4-10 SCC3靠近接頭附近在梁頂部出現撓曲裂縫...............105 圖5-1-1 ISO834標準升溫曲線與平均爐溫升溫之比較..............105 圖5-1-2 NC3梁試體西側在高溫測試中之現象觀察..................106 圖5-1-3 NC3梁試體東側在高溫測試中之現象觀察..................106 圖5-1-4 梁試體於高溫中發生角隅剝落之現象 (X=2.0-2.8 m)......107 圖5-1-5 梁側面及底面之龜裂與剝落現象 (X=0.0-0.8 m)...........107 圖5-1-6 梁側面及底面之龜裂與剝落現象 (X=0.6-1.8 m)...........108 圖5-1-7 梁側面及底面之龜裂與剝落現象 (X=2.0-2.9 m)...........108 圖5-1-8 梁側面及底面之龜裂與剝落現象 (X=4.0-4.7 m)...........109 圖5-1-9 梁側面及底面之龜裂與剝落現象 (X=5.2-5.7 m)...........109 圖5-1-10 梁在P2點附近產生水平裂縫.............................110 圖5-1-11 靠近接頭附近在梁頂部出現撓曲裂縫....................111 圖5-1-12 試驗中試體內部水排出之主要途徑......................111 圖5-2-1-1 試體內部混凝土之溫度變化 (BC3-1與BC7-1) .........112 圖5-2-1-2 試體內部混凝土之溫度變化 (BC3-4、BC3-5)............112 圖5-2-1-3 試體表面溫度之變化 (BC2-2、BC3-2、BC7-2、及爐溫) ...113 圖5-2-1-4 試體內部混凝土之溫度變化 (BC7-5、BC7-6、BC7-8) ....113 圖5-2-1-5 試體內部鋼筋之溫度變化 (BS4-4、BS4-6) .............114 圖5-2-1-6 試體內部斷面之溫度變化 (BC2-8、BS2-6) .............114 圖5-2-1-7 試體內部剪力筋之溫度變化 (BS2-3、BS3-3) ...........115 圖5-2-2-1 試體內部混凝土溫度與預測溫度之比較 (BC7-1) ......115 圖5-2-2-2 試體內部混凝土溫度與預測溫度之比較 (BC2-4) ......116 圖5-2-2-3 試體內部混凝土溫度與預測溫度之比較 (BC1-5) ......116 圖5-2-2-4 試體內部混凝土溫度與預測溫度之比較 (BC7-5) ......117 圖5-2-2-5 試體內部混凝土溫度與預測溫度之比較 (BC1-6) ......117 圖5-2-2-6 試體內部混凝土溫度與預測溫度之比較 (BC2-6) ......118 圖5-2-2-7 試體內部混凝土溫度與預測溫度之比較 (BC7-6) ......118 圖5-2-2-8 試體內部混凝土溫度與預測溫度之比較 (BC2-8) ......119 圖5-2-2-9 試體內部混凝土溫度與預測溫度之比較 (BC7-8) ......119 圖5-2-2-10 試體表面溫度與預測溫度之比較 (BC7-2) ............120 圖5-2-2-11 試體內部溫度與預測溫度之比較 (BC3-4).............120 圖5-2-2-12 試體內部溫度與預測溫度之比較 (BC7-4).............121 圖5-2-2-13 試體內部溫度與預測溫度之比較 (BC7-4).............121 圖5-2-2-14(a) 在升溫過程中不同試體內部混凝土之溫度比較.....122 圖5-2-2-14(b) 在升溫與冷卻過程中不同試體內部混凝土之溫度比較................................................122 圖5-2-2-15 斷面底部至斷面中心溫度與T.T.Lie預測值之比較....123 圖5-2-2-16 斷面底部至斷面中心溫度與Eurocode2預測值之比較..123 圖5-2-2-17 斷面表面至斷面中心溫度與T.T.Lie預測值之比較...124 圖5-2-2-18 斷面表面至斷面中心溫度與Eurocode2預測值之比較..124 圖5-2-2-19 試體NC3與SCC3在高溫104分鐘之比較................125 圖5-3-1-1 梁在高溫作用前載重比值與撓度之關係................125 圖5-3-1-2 高溫前服務載重作用下梁整體之變形...................126 圖5-3-1-3 梁在高溫作用前載重比值與梁末端轉角之關係.........126 圖5-3-1-4 梁在高溫作用前載重比值與梁末端水平位移之關係.....127 圖5-3-2-1 P1點加熱及冷卻過程撓度與時間之關係.................127 圖5-3-2-2 Δm在加熱及冷卻過程撓度與時間之關係...............128 圖5-3-2-3 P2點加熱及冷卻過程撓度與時間之關係.................128 圖5-3-2-4 P1點在服務載重下的撓度隨加熱時間變化之關係.......129 圖5-3-2-5 在服務載重下Δm隨加熱及冷卻時間變化之關係........129 圖5-3-2-6 P2點在服務載重下的撓度隨加熱及冷卻時間變化之關係.130 圖5-3-2-7 梁在服務載重下的撓度隨加熱時間及冷卻變化之關係..130 圖5-3-2-8 梁末端水平位移在加熱及冷卻過程之關係..............131 圖5-3-2-9 梁末端轉角在加熱及冷卻過程之關係...................131 圖5-4-1-1 高溫後P1點的撓度與梁總載重比值之關係.............132 圖5-4-1-2 高溫後Δm與梁總載重比值之關係......................132 圖5-4-1-3 高溫後P2點的撓度與梁總載重比值之關係.............133 圖5-4-1-4 高溫後梁載重加載整體變形之關係.....................133 圖5-4-1-5 NC3梁在P2點附近產生壓碎破壞........................134 圖5-4-1-6 P1點在服務載重下於高溫測試前後之撓度..............134 圖5-4-1-7 在服務載重下Δm於高溫測試前後之變化...............135 圖5-4-1-8 P2點在服務載重下於高溫測試前後之撓度..............135 圖5-4-2-1 高溫後梁總載重比值與梁末端轉角之關係..............136 圖5-4-2-2高溫後梁總載重比值與梁末端水平位移之關係..........136 圖5-4-3-1 梁在殘餘強度測試中之曲率變化.......................137 圖5-4-4-1 Eurocode2高溫中鋼筋應力應變曲線之關係【2】........138 圖5-4-4-2 NC1、NC3 P1點的撓度與梁總載重比值之關係.............138 圖5-4-4-3 NC1、NC3 P2點的撓度與梁總載重比值之關係.............139 圖5-4-4-4 NC1靠近接頭附近在梁出現撓剪裂縫....................139 圖5-4-4-5 NC1靠近接頭附近在梁頂部出現撓曲裂縫...............140 圖5-4-4-6 NC3靠近接頭附近在梁出現撓剪裂縫....................140 圖5-4-4-7 NC3靠近接頭附近在梁頂部出現撓曲裂縫...............141

    參考文獻

    1. Kodur, V. K. R., and Sultan, M. A.,“Effect of Temperature on Thermal Properties of High-Strength Concrete,”Journal of Materials in Civil Engineering, ASCE, Vol. 15, No. 2, April 2003, pp. 101-107
    2. European Committee,“ Eurocode2 : Design of concrete structures - Part 1-2 : General rules - Structural fire design,”ENV 1992-1-2:1995
    3. Ellingwood, B., and Shaver, J. R.,“ Effects of Fire Reinforced Concrete Members, ” Journal of the Structural Division, ASCE, Vol. 106, No. ST11, November 1980, pp. 2151-2166

    4. ACI Committee 216,“ Guide for Determining the Fire Endurance of Concrete Elements, ”American Concrete Institute, 1994

    5. Lie, T. T., and Barbaros, C.,“ Method to Calculate the Fire Resistance of Circular Reinforced Concrete Columns, ”ACI Materials Journal, Vol. 88, No. 1, January-February 1991, pp. 84-91

    6. Husem, M.,“The effects of high temperature on compressive and flexural strengths,”Fire Safety Journal, Vol. 41, No. 2, March 2006, pp. 155-163

    7. Kodur, V. K. R., and Dwaikat, M.,“A numerical model for predicting the fire resistance of reinforced concrete beams,” Cement and Concrete Composites, Vol. 30, No. 5, May 2008, pp. 431-443

    8. Saje, M.; Bratina, S.; and Planinc, I.,“The effects of different strain contributions on the response of RC beams in fire,”Engineering Structures, Vol. 29, No. 3, March 2007, pp. 418-430

    9. Shi, X.; Tan, T. H.; Tan, K. H.; and Guo, Z.,“Effect of Force-Temperature Paths on Behaviors of Reinforced Concrete Flexural Members,”Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 128, No. 3, March 2002, pp.365-373

    10. Kang, S. W.; and Hong, S. G.,“Analytical method for the behaviour of a reinforced concrete flexural member at elevated temperatures,”Fire and Materials, Fire Mater, 2004, pp. 227-235

    11. El-Hawary, M. M.; Ragab, A. M.; El-Azim, A. A.; and Elibiari, S.,“ Effect of fire on flexural behaviour of RC beams,”Construction and Building Materials, Vol. 10, No. 2, March 1996, pp. 147-150

    12. Nilson, A. H.“ Design of prestressed concrete 2/E,” Wiley, New York, 1987

    13. 張朝輝，ANSYS熱分析教程與實例解析，中國鐵道出版社，北京 (2007)

    14. 博嘉科技，有限元分析軟件-ANSYS融會與貫通，中國水利水電出版社，北京 (2002)

    15. CEB-FIP,“ Design of Concrete Structure for Fire Resistance, ”Bulletin D’Information, N。 145, 1982

    16. 高金盛、陳舜田，「火害後鋼筋混凝土梁強度與勁度之衰減」，中國土木水利工程學刊，第八卷，第三期，第371-386頁 (1996)

    17. 張雲妃、陳義宏、許茂雄、葉孟東，「火害後鋼筋混凝土柱之雙向撓曲試驗研究」，中國土木水利工程學刊，第十八卷，第二期，第209-217頁 (2006)

    18. 葉宗益 ， 「鋼筋混凝土梁柱複合構件承受高溫之行為研究 ─ 普通混凝土梁之承力行為」 ，碩士論文，國立成功大學土木工程研究所，台南 (2007)

    19. 方怡中 ， 「鋼筋混凝土梁柱複合構件承受高溫之行為研究 ─ 自充填混凝土梁之承力行為」 ，碩士論文，國立成功大學土木工程研究所，台南 (2007)

    下載圖示 校內：2011-07-31公開
    校外：2011-07-31公開
    QR CODE