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系統識別號 U0026-0602201416123300
論文名稱(中文) H型梁與箱型柱彎矩接頭於火害後反覆載重行為之精確數值模擬
論文名稱(英文) The Refined Numerical Simulations for the Post-Fire Cyclic Behaviors of H-Beam to Box-Column Moment Connections
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 土木工程學系
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 102
學期 1
出版年 103
研究生(中文) 潘韻瑋
研究生(英文) YUN-WEI PAN
學號 N66984400
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 315頁
口試委員 指導教授-鍾興陽
口試委員-陳純森
口試委員-陳誠直
口試委員-朱聖浩
中文關鍵字 耐火鋼  有限元素分析  火害後  梁柱接頭  反覆載重實驗 
英文關鍵字 Fire-Resistant Steel  Finite-Element Analysis  Post Fire  Beam-to-Column Connection  Cyclic Loading Test 
學科別分類
中文摘要 本研究利用三維非線性有限元素程式建立標準型、蓋板補強型、側板補強型、圓弧切削減弱型、梯形切削減弱型等五種梁柱接頭試體的精確數值模型,藉以模擬五種梁柱接頭試體於火害高溫火害前後分別受到反覆載重作用下之結構行為。五種梁柱接頭試體的精確數值模型中皆加入銲道、扇形孔及背墊板後,再將普通等級的鋼材與銲材、耐火等級的鋼材與銲材受到五種溫度處理(即:未受火害、受800℃火害後空氣冷卻、受900℃火害後空氣冷卻、受800℃火害後水中冷卻、受900℃火害後水中冷卻)後於反覆載重作用下之材料參數導入各模型中,用以模擬火害前後全普通鋼、全耐火鋼及部分耐火鋼之各式梁柱接頭試體於反覆載重作用下之耐震行為。本研究的數值模擬結果顯示:精確數值模型中銲道與扇形孔的模擬較簡化數值模型更能反映出火害後梁柱接頭在反覆作用下的真實行為;假設所研究之各式梁柱接頭在原服務載重下受到800°C以上的高溫火害後均未發生大變形破壞,精確數值模型對於火害後這些梁柱接頭試體再受到反覆載重試驗之模擬的結果亦顯示:本研究所分析的所有全普通鋼、全耐火鋼及部分耐火鋼之各式梁柱接頭試體在受到800°C以上的高溫火害後水冷,再接受反覆載重試驗,皆無法通過2010年AISC耐震規範的要求,然而,前述所有梁柱接頭試體在受到800°C以上的高溫火害後氣冷,雖然所有梁柱接頭的柱面彎矩強度皆較其火害前的柱面彎矩強度為低,但皆仍能符合耐震規範的要求。
英文摘要 This study developed the refined three-dimensional nonlinear finite-element numerical models for five types of H-beam to box-column moment connections, including standard type connection, cover-plated connection, side-plated connection, radius-cut flange profile connection and tapered flange profile connection, to simulate the pre-fire and post-fire structural behaviors of these beam-to-column moment connections under cyclic loadings. After adding the weld passes, weld access holes and weld backings in the refined numerical models of the five types of beam-to-column moment connections, the strain hardening parameters used in cycling loadings for the normal grade steel and weld materials and fire-resistant grade steel and weld materials subjected to five temperature treatments (i.e., no heat 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) were utilized in the numerical models to simulate the pre-fire and post-fire seismic-resistant behaviors of the normal steel, fire-resistant steel and partial fire-resistant steel beam-to-column moment connections under cyclic loadings. The numerical simulation results showed that adding the weld passes and weld access holes in the refined numerical models reflected more realistic post-fire structural behaviors of beam-to-column moment connections under cyclic loadings than those of the simplified numerical models. Assume that all types of beam-to-column moment connections, originally subjected to service loads, considered in this thesis did not fail due to large deflection after the fire with high temperature above 800ºC. The results from the refined numerical models of simulating these post-fire beam-to-column moment connection specimens to be tested by cyclic loadings showed that, after subjected to the fire of or above 800ºC and then water-cooled to room temperature, all the normal steel, fire-resistant steel and partial fire-resistant steel beam-to-column moment connection specimens analyzed in this thesis could not meet the 2010 AISC seismic-resistant requirements. However, after subjected to the fire of or above 800ºC and then air-cooled to room temperature, all the previously mentioned beam-to-column specimens could still meet the seismic -resistant requirements with the decreased column face flexural strengths.
論文目次 摘要 I
Abstract III
誌謝 V
目錄 VII
表目錄 XI
圖目錄 XV
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 3
1.3 研究方法 4
1.4 論文架構 5
第二章 文獻回顧 8
2.1 前言 8
2.2 梁柱接頭反覆載重實驗數值模擬之相關研究 8
2.3 鋼構件火害後之相關研究 10
2.4 鋼結構耐震接頭之相關研究 12
第三章 有限元素分析相關理論 15
3.1 前言 15
3.2 非線性結構分析 15
3.3 工程與真實應力-應變轉換 16
3.4 彈塑性力學理論 17
3.4.1 降伏準則 17
3.4.2 硬化法則 18
3.4.3 硬化參數迴歸 18
3.4.4 塑性流法則 20
3.5 交互作用 20
3.6 元素種類 22
3.7 疊代收斂性 23
第四章 梁柱接頭精確數值模型之建立 31
4.1 前言 31
4.2 基本假設 31
4.3 火害前後梁柱接頭數值模型之命名 32
4.4 普通鋼與耐火鋼火害前後材料參數設定 34
4.4.1 鋼材介紹 34
4.4.2 鋼材熱處理介紹 35
4.5 交互作用設定 36
4.6 邊界條件 36
4.7 加載型式 36
4.8 H梁扇形孔設計 37
4.9 網格設定 37
4.9.1 網格劃分 37
4.9.2 網格密度 38
4.10 元素種類 39
4.11 後處理 39
第五章 精確數值模型與簡化數值模型之比較 68
5.1 前言 68
5.2 梁柱接頭數值模型之破壞準則 68
5.2.1 拉力斷裂控制準則 68
5.2.2 壓力挫屈判斷準則 69
5.2.3 SMF梁柱接頭反覆載重試驗之合格判定準則 69
5.3 標準型梁柱接頭試體精確模型與簡化模型之比較 70
5.3.1 全普通鋼試體火害前後反覆載重行為之比較 70
5.3.2 全耐火鋼試體火害前後反覆載重行為之比較 77
5.3.3 部分耐火鋼試體火害前後反覆載重行為之比較 84
5.4 梯形切削減弱型梁柱接頭試體精確模型與簡化模型之比較 91
5.4.1 全普通鋼試體火害前後反覆載重行為之比較 91
5.4.2 全耐火鋼試體火害前後反覆載重行為之比較 98
5.4.3 部分耐火鋼試體火害前後反覆載重行為之比較 105
5.5 側板補強型梁柱接頭試體精確模型與簡化模型之比較 112
5.5.1 全普通鋼試體火害前後反覆載重行為之比較 112
5.5.2 全耐火鋼試體火害前後反覆載重行為之比較 119
5.5.3 部分耐火鋼試體火害前後反覆載重行為之比較 126
5.6 蓋板補強型梁柱接頭試體精確模型與簡化模型之比較 133
5.6.1 全普通鋼試體火害前後反覆載重行為之比較 133
5.6.2 全耐火鋼試體火害前後反覆載重行為之比較 140
5.6.3 部分耐火鋼試體火害前後反覆載重行為之比較 146
5.7 圓弧切削減弱型梁柱接頭試體精確模型與簡化模型之比較 153
5.7.1 全普通鋼試體火害前後反覆載重行為之比較 153
5.7.2 全耐火鋼試體火害前後反覆載重行為之比較 160
5.7.3 部分耐火鋼試體火害前後反覆載重行為之比較 166
5.8 小結 173
第六章 精確數值模型模擬結果之分析與討論 243
6.1 前言 243
6.2 梁柱接頭於火害前後之反覆載重行為比較 244
6.2.1 標準型梁柱接頭之比較 244
6.2.2 蓋板補強型梁柱接頭之比較 246
6.2.3 側板補強型梁柱接頭之比較 248
6.2.4 圓弧切削減弱型梁柱接頭之比較 250
6.2.5 梯形切削減弱型梁柱接頭之比較 252
6.2.6 小結 254
6.3 全普通鋼、全耐火鋼及部分耐火鋼接頭之比較 255
6.3.1 標準型梁柱接頭火害前後反覆載重行為之比較 255
6.3.2 蓋板補強型接頭火害前後反覆載重行為之比較 257
6.3.3 側板補強型接頭火害前後反覆載重行為之比較 259
6.3.4 圓弧切削減弱型接頭火害前後反覆載重行為之比較 261
6.3.5 梯形切削減弱型接頭火害前後反覆載重行為之比較 264
6.3.6 小結 266
6.4 不同接頭型式於火害前後之反覆載重行為比較 267
第七章 結論與建議 303
7.1 結論 304
7.2 建議 307
參考文獻 309
自述 315
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