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研究生: 胡雅鈞
Hu, Ya-Jyun
論文名稱: 火害後耐火鋼與普通鋼梁柱銲接接頭十字試體反覆載重實驗之數值模擬
The Numerical Simulations for the Cyclic Loading Tests of Fire-Resistant Steel and Normal Structural Steel Beam-to-Column Welded Joint Specimens after Fire
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: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 191
中文關鍵詞: 火害後耐火鋼有限元素分析梁柱銲接接頭反覆載重實驗
外文關鍵詞: Post-Fire, Fire-Resistant Steel, Finite-Element Analysis, Beam-to-Column Welded Joint, Cyclic Loading Test
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  • 為了研究火害後耐火鋼與普通鋼梁柱接頭十字銲接區在受到反覆載重作用下之力學行為,本論文利用三維非線性有限元素分析軟體建立由梁柱接頭十字銲接區簡化之十字試體數值模型進行拉壓反覆載重實驗之數值模擬,並導入火害前後耐火等級與普通等級之鋼材與銲材於反覆載重作用下之材料應變硬化參數來模擬三種鋼材配置(全普通鋼十字試體、全耐火鋼十字試體、部分耐火鋼十字試體)與五種溫度處理(未受火害、加熱至800℃持溫一小時後空氣冷卻、加熱至900℃持溫一小時後空氣冷卻、加熱至800℃持溫一小時後水中冷卻、加熱至900℃持溫一小時後水中冷卻)所組合之十五組梁柱銲接接頭十字試體的反覆載重實驗結果,並將數值模擬結果與實際實驗結果相比對,以進行相關之探討,本研究發現:十字試體反覆載重數值模擬皆較實際實驗提前破壞,所能承受之最大拉力值比實際實驗值低10%至15%,顯示數值模擬之結果較為保守。

    This study used a 3D nonlinear finite-element software to develop simplified numerical models of the cross-shaped weld zones of beam-to-column welded joints, and to performed numerical simulations of the simplified cross-shaped weld zone numerical models for investigating the post-fire mechanical behaviors of the cross-shaped weld zones of fire-resistant and normal structural steel beam-column joints under tensile-compressive cyclic loadings. In addition, the strain hardening parameters of the fire-resistant grade and normal grade steel materials and weld metals under cyclic loading before and after fire were incorporated into the numerical models to simulate the cyclic loading test results of the fifteen simplified cross-shaped specimens. The fifteen specimens were composed of three types of steel allocations (i.e., fully normal structural steel allocation, partially fire-resistant steel allocation and fully fire-resistant steel allocation) and five temperature treatments (i.e., room-temperature treatment, air-cooling after reaching 800ºC for 1 hour, water-cooling after reaching 800ºC for 1 hour, air-cooling after reaching 900ºC for 1 hour, and water-cooling after reaching 900ºC for 1 hour). The numerical simulation results were compared with the realistic test results for the related investigations. This study found that compared with the test results, the numerical results damaged earlier and their maximum tensile forces were 10% to 15% lower. Therefore, the numerical results were more conservative.

    摘要 I Extended Abstract II 誌謝 VIII 目錄 IX 表目錄 XII 圖目錄 XIII 符號表 XIX 第一章 緒論 1 1.1研究背景與動機 1 1.2研究目的 2 1.3研究方法 3 1.4論文架構 4 第二章 文獻回顧 7 2.1前言 7 2.2鋼材與鋼結構受火害後之相關研究 7 2.3梁柱接頭反覆載重實驗之相關研究 11 2.4十字試體反覆載重實驗之相關研究 14 第三章 有限元素分析相關理論 16 3.1前言 16 3.2 非線性結構分析 16 3.3工程與真實應力-應變轉換 17 3.4彈塑性力學理論 19 3.4.1降伏準則 19 3.4.2硬化法則 20 3.4.3硬化參數回歸 20 3.4.4塑性流法則 22 3.5交互作用 23 3.6元素種類 25 3.7疊代收斂性 26 第四章 火害前後梁柱接頭試體之反覆載重實驗數值模擬 34 4.1前言 34 4.2基本假設 34 4.3梁柱接頭試體數值模型之尺寸及命名 35 4.4梁柱接頭試體數值模型之相關設定 37 4.4.1材料參數 37 4.4.2交互作用設定 37 4.4.3邊界條件 38 4.4.4加載型式 38 4.4.5梁腹板扇形孔設計 39 4.4.6網格設定 39 4.4.7元素種類 40 4.5梁柱接頭試體數值模型之破壞判定 41 4.5.1銲道拉力破壞判定 41 4.5.2壓力挫屈破壞判定 41 4.5.3 SMF梁柱接頭反覆載重實驗之合格判定準則 42 4.6梁柱接頭試體之反覆載重實驗數值模擬結果 43 4.6.1全普通鋼試體之數值模擬結果 43 4.6.2全耐火鋼試體之數值模擬結果 47 4.6.3部分耐火鋼試體之數值模擬結果 50 4.7小結 54 第五章 火害前後十字試體之反覆載重實驗數值模擬 89 5.1前言 89 5.2實驗規劃 89 5.3十字試體數值模型之尺寸及命名 90 5.4十字試體數值模型之相關設定 92 5.4.1材料參數 92 5.4.2交互作用設定 92 5.4.3邊界條件 93 5.4.4加載歷程 93 5.4.5網格設定 94 5.4.6元素種類 94 5.5十字試體數值模型之破壞判定 94 5.5.1頸縮破壞判定 95 5.5.2銲道破壞判定 95 5.6十字試體之反覆載重實驗數值模擬結果 96 5.6.1全普通鋼試體之數值模擬結果 96 5.6.2全耐火鋼試體之數值模擬結果 100 5.6.3部分耐火鋼試體之數值模擬結果 104 5.7小結 108 第六章 結論與建議 182 參考文獻 187 自述 191

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