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研究生: 蔡元凱
Tsai, Yuan-Kai
論文名稱: 火害後耐火鋼與普通鋼梁柱銲接接頭十字試體快速拉伸實驗之研究
The Fast Tensile 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: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 303
中文關鍵詞: 耐火鋼火害後熱處理梁柱銲接接頭銲道
外文關鍵詞: Fire-Resistant Steel, Post-Fire, Heat Treating, Beam-to-Column Welded Joint, Weld Pass
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  • 本研究為了探討火害後耐火鋼與普通鋼梁柱接頭銲接區承受快速拉力作用時的行為,利用SN490B普通鋼與SN490C-FR耐火鋼兩種鋼材和相匹配的銲材製成「全耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體」、「部分耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體」、「全普通鋼梁柱銲接接頭十字試體」等三種鋼材配置的梁柱銲接接頭試體,並進行五種不同溫度處理(未受火害、升溫至800°C持溫1小時後空氣冷卻、升溫至900°C持溫1小時後空氣冷卻、升溫至800°C持溫1小時後水中冷卻、升溫至900°C持溫1小時後水中冷卻),藉以模擬鋼結構梁柱接頭受到火害高溫後,其銲材與母材可能造成的材質變化,本研究分別進行巨觀腐蝕試驗、金相組織觀測試驗、硬度試驗、快速拉伸實驗,透過硬度試驗和快速拉伸實驗瞭解火害前後耐火鋼與普通鋼梁柱銲接接頭十字試體,其巨觀機械性質與破壞模式的變化,並將結果加以彙整和比較。此外,本研究也針對火害前後十字試體之鋼材與銲道的巨觀組織與微觀組織進行觀測,並配合硬度試驗與快速拉伸實驗的結果,加以交叉分析與討論。快速拉伸實驗結果顯示:受到升溫至900ºC後持溫1小時再水冷的溫度處理後,全普通鋼梁柱銲接接頭十字試體在快速拉力作用下,斷裂於ESW銲道與橫隔板相接的熱影響區,為脆性破壞,部份耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體在快速拉力作用下,則斷裂於FCAW銲道與梁翼板相接的熱影響區,亦為脆性破壞,全耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體因ESW銲道熔填不足,在受到快速拉力作用時,斷裂於ESW銲道與柱板的融熔處,為脆性破壞。其他梁柱銲接接頭十字試體,皆斷裂於翼板母材區或內隔板母材區。

    In order to investigate post-fire behaviors of the fire-resistant steel and normal steel beam-to-column welded joints under fast tensile force, this study fabricated three kinds of beam-to-column welded joint specimens by SN490B normal structural steel and SN490C-FR fire-resistant steel, which were fire-resistant steel specimens, normal steel specimens and partial fire-resistant steel specimens. Each kind of the specimens were subject to five different temperature treatments (including room-temperature treating, air-cooling after reaching 800ºC for one hour, water-cooling after reaching 800ºC for one hour, air-cooling after reaching 900ºC for one hour, and water-cooling after reaching 900ºC for one hour) to simulate the post-fire material changes of weld metal and base metal in beam-to-column welded connections. This study conducted macroscopic examination, metallographic test, hardness test and fast tensile test for the specimens. The test results showed that, under the fast tensile forces, the normal steel specimen with the temperature treatment of water-cooling after reaching 900ºC for one hour broke at the HAZ between the ESW weld pass and the diaphragm plate with the failure mode of brittle fracture. The partial fire-resistant steel specimen broke at the HAZ between the FCAW weld pass and the beam flange plate with the failure mode of brittle fracture as well. Due to lack of fusion in the ESW weld pass, the fire-resistant steel specimen fractured at the lack of fusion zone between the ESW weld pass and the diaphragm plate with the failure mode of brittle fracture. All the other specimens broke at the base metal of beam flange plate or diaphragm plate.

    摘要 I Abstract III 誌謝 XI 目錄 XIII 表目錄 XVII 圖目錄 XIX 符號表 XXV 第一章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 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 10 2.1 前言 10 2.2 火害後鋼材相關研究 10 2.3 梁柱接頭相關研究 13 第三章 梁柱接頭十字試體規劃 15 3.1 前言 15 3.2 試體鋼板材料與銲接材料介紹 16 3.2.1 SN490B結構用鋼 17 3.2.2 SN490C-FR鋼材 17 3.2.3 PS-56銲材(普通鋼ESW用銲材) 18 3.2.4 SFC-71銲材(普通鋼FCAW用銲材) 18 3.2.5 TES-60G銲材(耐火鋼ESW用銲材) 18 3.2.6 TWE-811A1銲材(耐火鋼FCAW用銲材) 19 3.3 鋼材的熱處理 19 3.3.1 鐵碳平衡圖 20 3.3.2 鋼材內各組織機械性質簡介 21 3.3.3 完全退火(Full Annealing) 22 3.3.4 正常化(Normalizing) 23 3.3.5 淬火(Quenching) 23 3.4 十字試體製作 23 3.4.1 梁柱銲接接頭簡化試體製作 24 3.4.2梁柱銲接接頭簡化試體之切割 25 3.4.3 梁柱銲接接頭十字試體之熱處理 25 3.5 十字試體編號 26 第四章 巨觀腐蝕試驗 42 4.1 前言 42 4.2 巨觀腐蝕試驗流程 42 4.3 巨觀腐蝕試驗結果 43 4.3.1 普通鋼梁柱銲接接頭十字試體 44 4.3.2 耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體 46 4.4 小結 48 第五章 硬度試驗 58 5.1 前言 58 5.2 硬度試驗儀器介紹 59 5.3 硬度試驗流程 59 5.4 硬度試驗結果 60 5.4.1普通鋼梁柱銲接接頭十字試體 60 5.4.2 耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體 62 5.4.3 部份耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體 64 5.5 硬度試驗結果比較 67 5.5.1 相同鋼材配置試驗結果比較 67 5.5.2 相同溫度處理試驗結果比較 71 5.6 小結 74 第六章 金相組織觀測試驗 92 6.1 前言 92 6.2 金相試片製作 92 6.2.1 試片製作流程 92 6.2.2 試片編號 93 6.3 金相組織觀測試驗儀器介紹 95 6.3.1 金相顯微鏡 95 6.3.2 金相研磨機 95 6.3.3 金相壓平器 95 6.4 金相組織觀測試驗流程 96 6.4.1 研磨 96 6.4.2 拋光 97 6.4.3 腐蝕 97 6.4.4 觀測及照相 98 6.5 金相組織觀測結果 98 6.5.1普通鋼梁柱銲接接頭十字試體之母材區 99 6.5.2 普通鋼梁柱銲接接頭十字試體之ESW銲道區 101 6.5.3 普通鋼梁柱銲接接頭十字試體之ESW熱影響區 103 6.5.4 普通鋼梁柱銲接接頭十字試體之FCAW銲道區 105 6.5.5 普通鋼梁柱銲接接頭十字試體之FCAW熱影響區 107 6.5.6 耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體之母材區 110 6.5.7 耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體之ESW銲道區 112 6.5.8 耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體之ESW熱影響區 114 6.5.9 耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體之FCAW銲道區 117 6.5.10 耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體之FCAW熱影響區 119 6.6 小結 121 第七章 快速拉伸實驗 183 7.1 前言 183 7.2 快速拉伸實驗儀器介紹 184 7.3 快速拉伸實驗流程 184 7.4 快速拉伸實驗結果 185 7.4.1全普通鋼梁柱銲接接頭十字試體 187 7.4.2全耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體 189 7.4.3部份耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體 191 7.5 快速拉伸實驗結果比較 193 7.5.1 相同鋼材配置試驗結果比較 194 7.5.2 相同溫度處理試驗結果比較 196 7.6 小結 198 第八章 綜合討論 255 8.1 前言 255 8.2 相同鋼材配置試驗結果比較 255 8.2.1 普通鋼梁柱銲接接頭十字試體 255 8.2.2 耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體 258 8.2.3 部份耐火鋼梁柱銲接接頭十字試體 261 8.3 相同溫度處理試驗結果比較 263 8.3.1 未受火害試體 264 8.3.2 受800°C火害後空冷試體 264 8.3.3 受900°C火害後空冷試體 265 8.3.4 受800°C火害後水冷試體 266 8.3.5 受900°C火害後水冷試體 266 8.4 快速拉伸實驗與慢速拉伸實驗之結果比較 267 第九章 結論與建議 287 9.1 結論 288 9.2 建議 299 參考文獻 300

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