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研究生： 邱柏昇
Chiu, Po-sheng
論文名稱： 鋼筋混凝土房屋構架在高溫中、後之行為研究─普通混凝土梁之行為
Behavior of Reinforced Concrete Building Frames Subjected to Elevated Temperature- 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： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 172
中文關鍵詞： 溫度 、混凝土 、鋼筋混凝土梁 、火害
外文關鍵詞： temperature, fire damage, concrete, reinforced concrete beam
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    • 現今房屋結構物材料乃以鋼筋混凝土為主體，實尺寸梁柱複合構件之耐火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。
    本期研究共測試3座實尺寸試體，本文主要針對普通混凝土NC5試體進行研究，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.使用ANSYS套裝軟體，代入Eurocode2建議的混凝土熱性質，所
    預測出來的溫度分佈與實測值大致都非常合理。
    3.NC5梁進行高溫測試150分鐘後，在服務載重下，於升溫及冷卻
    過程中Δ1、Δm 及Δ2的最大撓度值分別為47.4 mm、58.62
    mm及65.43 mm。
    4.當梁的總載重約在465 kN時，P2點附近之梁頂部出現明顯的混
    凝土壓碎現象，此時Δ1、Δm及Δ2分別為63.41 mm、117.21
    mm及121.24 mm，P2點斷面曲率韌性比(∅_u/∅_y)為7.83。

    At present, reinforced concrete is the main building construction material. The research on the beam-column subassemblages subjected to fire is still very limited.
    This experimental study aims at the behavior of beam-column subassemblages during the preheating, heating, and residual srength tests.
    Three full scale beam-column sub-assemblages specimens were tested. This study is focused on the behavior of NC5 specimen made of nornal concrete. The analytical study is carried out using the ANSYS software to predict the temperature distribution in beam section and deformation of beam-column sub-assemblage under elevated temperature. The predicted and measured results were compared. The primary results are summarized as follows:
    1.The temperature will be sluggish increasing as the inner temperature of the specimen reached about 100℃, which is due to the phase change of inner pore water of concrete.
    2.The comparisons of predicted and measured temperature show that using ANSYS software and thermal properties of concrete suggested by EC2 can give reasonably good results.
    3.Under the service load and ISO 834 thermal action for 150 minutes, the variation of maximum deflections at △1, △m and △2 for NC5 beam are 47.4 mm, 58.62 mm and 65.43 mm, respectively, during the heating and cooling stage.
    4.When the total beam load reached approximately 465 kN during the residual strength test, the concrete crushed at the edge of loading plate of P2. The corresponding maximum deflections atΔ1, Δm and Δ2 were 63.41 mm, 117.21 mm and 121.24 mm, respectively. The curvature ductility of the section at P2 is 7.83 according to the measured average strains at top and bottom of the section.

    目錄 摘要......................................................I Abstract.................................................II 誌謝.....................................................IV 目錄......................................................V 表目錄.................................................VIII 圖目錄....................................................X 符號表..................................................XIX 第一章 緒論...............................................1 1-1研究動機及目的.......................................1 1-2 研究方法........................................... 1 第二章 文獻回顧...........................................2 2-1混凝土之熱性質.......................................2 2-2 混凝土與鋼筋受高溫作用下之力學質....................6 2-3鋼筋混凝土在高溫作用下承力行為......................16 2-4在高溫作用下混凝土表面之顏色變化....................18 2-5混凝土在高溫作用下之爆裂行為........................21 2-6利用數值模擬預測鋼筋混凝土之殘餘強度................25 第三章 試驗規劃及試驗方法................................29 3-1 梁柱複合構件試體之規劃與製作.......................29 3-2 加載與加溫試驗設備.................................31 3-3 量測儀器及量測方法.................................32 3-3-1 量測儀器.......................................32 3-3-2 量測方法.......................................32 3-4 試驗程序及方法.....................................34 3-5 材料試驗...........................................37 3-5-1 混凝土圓柱試體實驗規劃及實驗程序...............37 3-5-2 竹節鋼筋之試體規劃及實驗程序...................39 第四章 數值模擬..........................................40 4-1 數值模擬之簡介.....................................40 4-2 熱學參數...........................................42 4-3梁柱複合構件之溫度場電腦模擬........................43 4-4 電腦模擬之印證.....................................45 4-5 預測梁之殘餘強度...................................47 第五章 結果與討論........................................55 5-1 高溫試驗中後梁表面混凝土的觀察.....................55 5-2 高溫試驗中梁內部溫度之變化.........................56 5-2-1梁內部之溫度變化探討............................56 5-2-2梁內部溫度變化的預測值與實測值之比較............59 5-3 梁試體在服務載重下受高溫作用之行為.................61 5-3-1梁在高溫作用前之載重與變形關係..................61 5-3-2梁在高溫作用中之載重與變形關係..................62 5-3-3梁在高溫作用中破壞準則之探討....................64 5-4 梁試體在高溫後加載行為與殘餘強度...................65 5-4-1 梁的載重與撓度之關係...........................65 5-4-2 梁的載重與梁末端水平位移與轉動角之關係.........66 5-4-3梁的彎矩與曲率之關係............................67 5-4-4梁在高溫後的破壞模式............................68 5-5 NC梁與SCC梁高溫中、後之比較........................69 第六章 結論與建議........................................71 參考文獻.................................................73 表目錄 表3-1-1 自充填混凝土(SCC)之配比...................76 表3-1-2 普通混凝土(NC)之配比.............................76 表3-5-1-1常溫之自充填混凝土SCC抗壓強度發展...............77 表3-5-1-2 常溫之普通混凝土NC抗壓強度發展.................77 表3-5-1-3 高溫後之自充填混凝土SCC抗壓強度................78 表3-5-1-4 高溫後之普通混凝土NC抗壓強度...................78 表3-5-2-1常溫之鋼筋抗拉強度..............................79 表3-5-2-2 高溫之鋼筋抗拉強度.............................79 表4-2-1 由Eurocode2【2】建議之矽質骨材混凝土的熱傳導係數 k值......... ............ .......................80 表4-2-2 由Eurocode2【2】建議混凝土熱容比ρc值............80 表4-4-1 ANSYS模擬梁在高溫中之變形........................81 表5-3-1-1 試體於高溫作用前服務載重作用下之彎矩比較.......82 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. .............. ........................83 表5-3-2-2在服務載重作用下梁尾端水平位移與轉角隨加熱及冷 卻時間變化之關係.... ...........................84 表5-4-1-1梁在殘餘強度測試中總載重與撓度之關係............85 表5-4-1-2 梁在高溫前後服務載重作用下之撓度...............86 表5-4-2-1 梁在殘餘強度測試中總載重與曲率之關係...........87 表5-4-4-1 NC5與SCC4試體於撓曲破壞時預測值與實驗值之比較..88 表5-5-1 NC5與SCC4殘餘強度之曲率韌性比較..................88 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】..............................89 圖2-1-2 ACI216混凝土熱傳導係數與溫度之關係【4】..........89 圖2-1-3 Eurocode2與T.T.Lie建議的熱容比與溫度之比較【2,5】 .................................................90 圖2-2-1 Eurocode2高溫中混凝土抗壓強度折減遞減之關係【2】.90 圖2-2-2 Eurocode2高溫中矽質骨材混凝應力應變曲線之關係 【2】.............................................91 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】.............................................91 圖2-2-4 ACI216高溫中混凝土彈性模數遞減之關係【4】........92 圖2-2-5 Eurocode2高溫中鋼筋降伏強度遞減之關係【2】.......92 圖2-2-6 ACI216高溫中鋼筋抗拉強度遞減之關係【4】..........93 圖3-1-1 七層樓建築物之構架尺寸圖.........................94 圖3-1-2 數值模擬分析之結果...............................95 圖3-1-3 梁柱複合構件與加載點之配置.......................96 圖3-1-4 試體之鋼筋與熱耦線配置圖.........................97 圖3-1-5 邊梁之熱耦線配置圖...............................98 圖3-1-6 柱熱耦線配置.....................................99 圖3-2-1 複合構件實驗爐外觀..............................100 圖3-3-2-1 高溫測試中梁端加載設備及量測儀器示意圖........101 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........................................102 圖3-3-2-3 梁末端量測儀器示意圖..........................103 圖3-3-2-4 P1點之量力計..................................104 圖3-3-2-5 P2點之量力計..................................104 圖3-3-2-6 梁末端之量力計................................105 圖3-3-2-7 m點陶瓷棒延伸至爐外設置位移計之情形...........105 圖3-3-2-8 m點陶瓷棒於爐內之設置(已包覆防火棉)...........106 圖3-3-2-9 梁底部P1、Pm及P2點之位移計(殘餘強度試驗)......106 圖3-3-2-10 梁末端量測儀器之設置.........................107 圖3-3-2-11(a)殘餘強度測試中量測曲率之鋁框及位移計示意圖.108 圖3-3-2-11(b)殘餘強度測試中量測曲率之鋁框及位移計示意圖.109 圖3-3-2-12 殘餘強度測試中量測曲率所設置之鋁框及位移計...109 圖3-3-2-14 靠近梁柱接頭處梁底鋁框及位移計架設之情形.....110 圖3-4-1 安裝上下柱承壓鋼版之情形........................111 圖3-4-2 溫度記錄器......................................111 圖3-4-3 防火棉披覆之位置................................112 圖3-4-4 實際防火棉包覆之情形............................113 圖3-4-5 實際防護網架設之情形............................113 圖3-4-6(a) SCC4與NC5加載流程............................114 圖3-4-6(b) 試體的加載歷程中梁與柱之載重值...............115 圖3-5-5-1 混凝土抗壓強度與時間之關係....................116 圖3-5-5-2 混凝土抗壓強度與溫度之關係....................116 圖4-3-1 Solid70元素示意圖...............................117 圖4-3-2 模擬梁柱複合構件NC5試體之有限元素模型...........117 圖4-4-1 Solid45元素示意圖...............................118 圖4-4-2 梁柱複合構件試體之分析模型......................118 圖4-4-3 梁柱複合構件試體模型邊界設定與受力情形情形......119 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119 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..............................................119 圖4-4-6 NC5接頭頂部之撓曲裂縫...........................120 圖4-4-7 SCC4接頭頂部之撓曲裂縫..........................120 圖4-5-1梁在高溫中殘餘強度隨時間遞減圖...................121 圖4-5-2 Eurocode2高溫中鋼筋應力應變曲線之關係【2】......121 圖5-1-1 ISO834標準升溫曲線與平均爐溫升溫之比較..........122 圖5-1-2 梁試體於高溫中發生角隅剝落與出水現象(X=0~1.0 m).122 圖5-1-3 NC5試體梁在高溫測試中之現象觀察.................123 圖5-1-4 NC5梁試體西側在高溫測試中之現象觀察.............124 圖5-1-5 梁側面及底面之龜裂與剝落現象(X=0~1.2 m).........125 圖5-1-6 梁側面及底面之龜裂與剝落現象(X=0~2.8 m).........125 圖5-1-7 梁側面及底面之龜裂與剝落現象(X=1.75~4.1m).......126 圖5-1-8 梁側面及底面之龜裂與剝落現象(X=5.2~2.7m)........126 圖5-1-9 靠近P1點附近出現剪力裂縫........................127 圖5-1-10 靠近接頭處附近梁頂部出現撓曲裂縫...............127 圖5-1-11 試驗中梁柱接頭內部水排出位置...................128 圖5-1-12 試驗中梁前端內部水排出位置 ....................128 圖5-1-13 斷面表面至斷面中心溫度與Eurocode2預測值之比較 (BC3) .........................................129 圖5-1-14 斷面表面至斷面中心溫度與Eurocode2預測值之比較 (BC2) .........................................129 圖5-1-15 斷面底部至斷面中心溫度與Eurocode2預測值之比較 (BC1) .........................................130 圖5-1-16 斷面底部至斷面中心溫度與Eurocode2預測值之比較 (BC3) .........................................130 圖5-1-17 斷面角隅處至斷面中心溫度與Eurocode2預測值之比 (BC1) .........................................131 圖5-1-18 斷面角隅處至斷面中心溫度與Eurocode2預測值之比 (BC3) .........................................131 圖5-2-1-1(a) 梁試體頂部鋼筋溫度之變化...................132 圖5-2-1-1(b) 梁試體頂部鋼筋溫度之變化...................132 圖5-2-1-2(a) 梁試體底部保護層內混凝土溫度之變化.........133 圖5-2-1-2(b) 梁試體底部保護層內混凝土溫度之變化.........133 圖5-2-1-3(a) 梁試體頂部混凝土溫度之變化.................134 圖5-2-1-3(b) 梁試體頂部混凝土溫度之變化.................134 圖5-2-1-4(a) 梁試體P2點底部鋼筋溫度之變化...............135 圖5-2-1-4(b) 梁試體P2點底部鋼筋溫度之變化...............135 圖5-2-1-5(a) 梁試體正彎矩區底部鋼筋溫度之變化...........136 圖5-2-1-5(b) 梁試體正彎矩區底部鋼筋溫度之變化...........136 圖5-2-1-6(a) 梁試體內部剪力筋溫度之變化.................137 圖5-2-1-6(b) 梁試體內部剪力筋溫度之變化.................137 圖5-2-1-7(a) 梁試體內部混凝土溫度之變化.................138 圖5-2-1-7(b) 梁試體內部混凝土溫度之變化.................138 圖5-2-1-8(a) 梁試體內部混凝土溫度之變化.................139 圖5-2-1-8(b) 梁試體內部混凝土溫度之變化.................139 圖5-2-1-9(a) 梁試體混凝土中心溫度之變化.................140 圖5-2-1-9(b) 梁試體混凝土中心溫度之變化.................140 圖5-2-1-10(a) 梁試體內部混凝土溫度之變化................141 圖5-2-1-10(b) 梁試體內部混凝土溫度之變化................141 圖5-2-1-11梁試體側邊表面混凝土溫度之變化................142 圖5-2-1-12 梁試體底部表面混凝土溫度之變化...............142 圖5-2-2-1 試體內部混凝土溫度與預測溫度之比較(BC3-2) ....143 圖5-2-2-2 試體內部混凝土溫度與預測溫度之比較(BC3-10) ...143 圖5-2-2-3 試體內部混凝土溫度與預測溫度之比較(BC1-4).....144 圖5-2-2-4 試體內部混凝土溫度與預測溫度之比較(BC3-6).....144 圖5-2-2-5 試體中心混凝土溫度與預測溫度之比較(BC1-5).....145 圖5-2-2-6 試體頂部混凝土溫度與預測溫度之比較(BC3-1).....145 圖5-2-2-7 試體內部混凝土溫度與預測溫度之比較(BC1-3).....146 圖5-2-2-8 試體內部混凝土溫度與預測溫度之比較(BC7-8).....146 圖5-3-1-1 梁在高溫作用前服務載重作用下梁整體之變形......147 圖5-3-1-2 梁在高溫作用前載重比值與撓度之關係............147 圖5-3-1-3 梁在高溫作用前載重比值與梁末端水平位移之關係..148 圖5-3-1-4 梁在高溫作用前載重比值與梁末端轉角之關係......148 圖5-3-2-1(a) P1點加熱過程撓度與時間之關係...............149 圖5-3-2-1(b) P1點加熱及冷卻過程撓度與時間之關係.........149 圖5-3-2-2(a) Δm在加熱過程撓度與時間之關係..............150 圖5-3-2-2(b) Δm在加熱及冷卻過程撓度與時間之關係........150 圖5-3-2-3(a) P2點加熱過程撓度與時間之關係...............151 圖5-3-2-3(b) P2點加熱及冷卻過程撓度與時間之關係.........151 圖5-3-2-4(a) 梁末端水平位移在加熱過程之關係.............152 圖5-3-2-4(b) 梁末端水平位移在加熱及冷卻過程之關係.......152 圖5-3-2-5(a) 梁末端轉角在加熱過程之關係.................153 圖5-3-2-5(b) 梁末端轉角在加熱及冷卻過程之關係...........153 圖5-3-2-6 梁在服務載重下的撓度隨加熱時間及冷卻變化之關係154 圖5-3-2-7 高溫中P1點之平均變位速率圖 (NC5 vs.SCC4) .....155 圖5-3-2-8 高溫中P2點之平均變位速率圖 (NC5 vs.SCC4) .....155 圖5-3-2-9 高溫中P1點鋼筋溫度與變形的關係................156 圖5-3-2-10高溫中P2點鋼筋溫度與變形的關係................156 圖5-3-3-1 高溫中P1點之最大變位速率圖 (NC5 vs.SCC4) .....157 圖5-3-3-2 高溫中P2點之最大變位速率圖 (NC5 vs.SCC4) .....157 圖5-4-1-1高溫後P1點的撓度與梁總載重之關係...............158 圖5-4-1-2高溫後Δm與梁總載重之關係......................158 圖5-4-1-3高溫後P2點的撓度與梁總載重之關係...............159 圖5-4-1-4高溫後梁加載與整體變形之關係...................159 圖5-4-1-5 P1點在服務載重下於高溫測試前後之撓度..........160 圖5-4-1-6 P2點在服務載重下於高溫測試前後之撓度..........160 圖5-4-2-1高溫後梁總載重與梁末端水平位移之關係...........161 圖5-4-2-2 高溫後梁總載重比值與梁末端轉角之關係..........161 圖5-4-3-1梁在殘餘強度測試中各點之曲率變化...............162 圖5-4-3-2梁在殘餘強度測試中各點之鋼筋應變量.............162 圖5-4-4-1 梁在殘餘強度測試中梁柱接頭與P2點混凝土應變量..163 圖5-4-4-2 NC5梁在P2點上方產生壓碎破壞...................163 圖5-4-4-3 NC5梁在P2點上方產生壓碎破壞...................164 圖5-4-4-4高溫後各點的撓度與梁總載重之關係...............164 圖5-4-4-5 NC5梁試體各點撓度之真實情況...................165 圖5-4-4-6 NC5梁在梁柱接頭上方出現撓剪裂縫...............165 圖5-5-1 NC與SCC試體負彎矩區底部混凝土溫度之變化(BC1-8)..166 圖5-5-2 NC與SCC試體負彎矩區頂部鋼筋溫度之變化(BS1-1) ...166 圖5-5-3 NC與SCC試體正彎矩區頂部混凝土溫度之變化(BC3-1) .167 圖5-5-4 NC與SCC試體正彎矩區底部鋼筋溫度之變化(BS3-4) ...167 圖5-5-5 NC與SCC試體剪力鋼筋溫度之變化(BS2-3) ...........168 圖5-5-6 NC與SCC試體中心混凝土溫度之變化(BC3-5) .........168 圖5-5-7 NC5與SCC4試體P1點加熱過程撓度與時間之關係.......169 圖5-5-8 NC5與SCC4試體P1點加熱過程撓度與時間之關係.......169 圖5-5-9 NC5與SCC4試體梁末端水平位移在加熱過程之關係.....170 圖5-5-10 NC5與SCC4試體梁末端轉角在加熱過程之關係........170 圖5-5-11 NC5與SCC4試體殘餘強度P1點之比較................171 圖5-5-12 NC5與SCC4試體殘餘強度P2點之比較................171

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    下載圖示 校內：2012-07-29公開
    校外：2012-07-29公開
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