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研究生: 廖浩仁
Liao, Hao-Ren
論文名稱: 火害後耐火鋼圓弧切削減弱式梁柱彎矩接頭耐震行為之研究
The Post-Fire Seismic Behaviors of the Fire-Resistant Steel Radius-Cut RBS Beam-to-Column Moment Connections
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: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 259
中文關鍵詞: 火害後圓弧切削減弱式梁柱接頭反覆載重試驗有限元素分析
外文關鍵詞: Post-Fire, Radius-Cut RBS, Beam-to-Column Connection, Cyclic Loading Test, Finite-Element Analysis
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  • 本研究為瞭解耐火鋼圓弧切削減弱式梁柱接頭於火害前後耐震性能之差異,製作三組尺寸完全相同之實尺寸H型梁-箱型柱彎矩接頭試體,其梁柱接頭處之托梁採用耐火鋼材,並進行減弱式的圓弧切削,再分別將三組試體給予三種不同的溫度處理方式,用以模擬梁柱接頭受到高溫火害前後材質的變化(未受火害的FR-RBS-R2-EXP試體為對照組,FR-RBS-A9-EXP試體和FR-RBS-W9-EXP試體分別為受到高溫火害後空冷和水冷的實驗組試體),最後進行三組試體的梁柱接頭反覆載重試驗。試驗結果顯示:FR-RBS-R2-EXP試體及FR-RBS-A9-EXP試體能夠通過2010年AISC的SMF梁柱接頭耐震規範之規定,兩組試體都是在層間位移角5%到達最大柱面彎矩強度,但火害後空冷之FR-RBS-A9-EXP試體在相同層間位移角之柱面彎矩強度皆低於FR-RBS-R2-EXP試體;FR-RBS-W9-EXP試體在反覆載重試驗進行至層間位移角1.5%時,托梁與連接梁連接的南翼板銲道處發生斷裂破壞,因而中止試驗,經由詳細的計算與分析,可合理推測FR-RBS-W9-EXP試體應能通過AISC耐震規範(2010)的SMF梁柱接頭規定;另外,本研究亦建立三維非線性有限元素模型來模擬三組試體,雖然數值模擬結果較保守,但模擬的破壞模式與試驗結果相近。

    This research made three full-scale H-beam to box-column moment connection specimens of the same dimensions in order to understand the differences of the seismic-resistant performances before and after fire. The stub-beam in the beam-to-column connection of each specimen was made of fire-resistant steel and utilized the radius-cut type of RBS. The three specimens were treated with three different temperature treatments respectively to simulate the material changes of the beam-to-column connections before and after high-temperature fire. Finally, the three specimens named as FR-RBS-R2-EXP, FR-RBS-A9-EXP and FR-RBS-W9-EXP were tested by the same beam-to-column cyclic loading protocol. The test results show that the FR-RBS-R2-EXP specimen and the FR-RBS-A9-EXP specimen were able to meet the requirements for SMF beam-to-column connections in 2010 AISC Seismic Provisions, and reached the maximum moment strengths at the 5% inter-story drift angle. However, the moment strengths of the FR-RBS-A9-EXP specimen were lower than those of the FR-RBS-R2-EXP specimen at the same inter-story drift angles. The FR-RBS-W9-EXP specimen failed at the 1.5% inter-story drift angle due to an unexpected fracture failure occurring at the south flange weld pass connecting stub-beam and link-beam. After detailed calculation and analysis, we could reasonably infer that the FR-RBS-W9-EXP specimen might be able to meet the 2010 AISC Seismic Provisions. In addition, this research also developed a three-dimensional nonlinear finite-element models to simulate the three specimens. Though the numerical simulation results are more conservative, the simulated failure modes were similar to the test results.

    摘要 I Extended Abstract II 誌謝 IX 目錄 X 表目錄 XIV 圖目錄 XVI 符號表 XXII 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與背景 1 1.2 研究目的 4 1.3 研究方法 5 1.4 論文架構 7 第二章 文獻回顧 9 2.1 減弱式梁柱彎矩接頭反覆載重行為之相關文獻 9 2.2 梁柱接頭反覆載重與數值模擬之相關文獻 11 2.3 火害對鋼材影響之相關文獻 12 第三章 反覆載重試驗規劃 15 3.1 試體命名 15 3.2 材料介紹 16 3.2.1 母材 17 3.2.2 銲材 17 3.3 試體設計及製作 19 3.3.1 試體設計 19 3.3.2 試體製作 20 3.4 溫度處理 21 3.4.1 溫度處理目的 21 3.4.2 溫度處理流程 22 3.4.3 降溫曲線 23 3.5 梁斷面硬度試驗結果 23 3.6 反覆載重試驗配置 24 3.7 試驗感測器 25 3.7.1 資料擷取器 25 3.7.2 感測器 26 3.8 反覆載重試驗程序 27 3.8.1 反覆載重試驗歷程 27 3.8.2 反覆載重試驗步驟 29 3.8.3 試驗終止條件 29 第四章 耐火鋼圓弧切削梁柱接頭反覆載重試驗結果 56 4.1 未受火害試體之試驗結果 57 4.1.1 層間位移角遲滯迴圈 57 4.1.2 橫向應變 57 4.1.3 軸向應變 60 4.1.4 破壞情形 61 4.2 受900℃火害後空冷之試驗結果 62 4.2.1 層間位移角遲滯迴圈 62 4.2.2 橫向應變 63 4.2.3 軸向應變 65 4.2.4 破壞情形 66 4.3 受900℃火害後水冷之試驗結果 66 4.3.1 層間位移角遲滯迴圈 66 4.3.2 橫向應變 67 4.3.3 軸向應變 67 4.3.4 破壞情形 68 第五章 試驗結果之比較與討論 136 5.1 火害前後圓弧切削試體之比較 136 5.1.1 骨幹曲線 136 5.1.2 塑性變形能力 138 5.1.3 消散能量 139 5.1.4 梁柱接頭各部位應變分佈 140 5.1.5 硬度 141 5.1.6 破壞事件 141 5.1.7 受900℃火害後水冷試體破壞模式討論 142 5.1.8 小結 147 5.2 耐火鋼與普通鋼圓弧切削試體之比較 148 5.2.1 骨幹曲線 148 5.2.2 塑性變形能力 150 5.2.3 消散能量 151 5.2.4 耐震性能 151 5.2.5 破壞事件 153 5.2.6 小結 155 第六章 反覆載重試驗之數值模擬 196 6.1 基本假設 196 6.2 非線性結構分析 197 6.3 構件尺寸 198 6.4 材料參數 198 6.5 交互作用設定 200 6.6 邊界條件 200 6.7 網格劃分 201 6.8 元素之選擇 202 6.9 數值模擬結果之後處理 202 第七章 試驗結果與模擬結果之比較與討論 210 7.1 未受火害圓弧切削梁柱接頭試體之數值模擬 210 7.1.1 層間位移角遲滯迴圈 210 7.1.2 骨幹曲線 210 7.1.3 破壞模式 211 7.2 受900℃火害後空冷圓弧切削梁柱接頭試體之數值模擬 211 7.2.1層間位移角遲滯迴圈 211 7.2.2骨幹曲線 212 7.2.3破壞模式 212 7.3 受900℃火害後水冷圓弧切削梁柱接頭試體之數值模擬 213 7.3.1層間位移角遲滯迴圈 213 7.3.2骨幹曲線 213 7.3.3破壞模式 214 7.4 小結 214 第八章 結論與建議 230 8.1 結論 230 8.2 建議 239 附錄A、FR-RBS-R2-EXP試體應變計反覆載重遲滯迴圈圖 241 附錄B、FR-RBS-A9-EXP試體應變計反覆載重遲滯迴圈圖 246 附錄C、FR-RBS-W9-EXP試體應變計反覆載重遲滯迴圈圖 251 參考文獻 256

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