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系統識別號 U0026-1402201120571000
論文名稱(中文) 利用耐火鋼增進鋼構建築耐火能力之實例研究
論文名稱(英文) A Case Study of Using Fire Resistant Steel to Improve the Structural Performance of a Steel Building in Fire
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 99
學期 1
出版年 99
研究生(中文) 陳柏均
研究生(英文) Po-Chun Chen
學號 n6697437
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 260頁
口試委員 指導教授-鍾興陽
口試委員-邱耀正
口試委員-朱聖浩
口試委員-陳純森
口試委員-賴啟銘
中文關鍵字 鋼構架建築  耐火性能  耐火鋼  有限元素法  挫屈分析 
英文關鍵字 Steel Building Frame  Fire-Resistant Performance  Fire-Resistant Steel  Finite-Element Method  Buckling Analysis 
學科別分類
中文摘要 本研究使用一棟七層樓的鋼構架建築為範例,以三維非線性有限元素程式來模擬該構架在一樓受高溫火害下之結構行為,並對該鋼構架建築以耐火鋼的梁、柱構件進行不同的結構配置,藉以探討不同的耐火鋼構件配置對提升構架耐火性能之效益。本研究採用兩種構架模型來做測試與分析,一種是單層構架模型,另一種是七層樓的整體構架模型,單層構架模型則是取自於原七層樓整體構架模型之一樓,而兩種構架模型皆以CNS 12514(ISO-834)升溫曲線對一樓之梁、柱和樓板進行統一升溫,先以單層構架模型分別測試耐火鋼柱構件和耐火鋼梁構件各種不同配置之效益,在單層構架模型取得耐火鋼柱構件和耐火鋼梁構件的最佳配置後,再複合應用於整體構架模型中,並分析比較各種耐火鋼梁柱構件最佳配置在整體構架模型中的結構行為和耐火效益。數值模擬結果顯示:單層構架模型中的耐火鋼柱構件配置方式,以對內柱採用耐火鋼具有較佳之耐火能力和經濟效益,在耐火鋼梁構件的配置方法中,以內梁與外梁採用耐火鋼具有最佳之耐火能力,而僅內梁採用耐火鋼可得最佳之經濟效益。相較於單層構架,整體構架因為力的重分配可以大幅提升構架耐火能力,且能避免如單層構架中內柱崩潰式的破壞,整體構架模型中所測試之兩種耐火鋼構件配置方法均能有效提升整體構架破壞溫度,其中,以「內柱內梁採用耐火鋼」具有最佳的經濟效益。
英文摘要 This study employed a seven-story steel building frame as an example, and utilized a three-dimensional nonlinear finite-element program to simulate the structural behaviors of this steel building frame in first-floor fire. Furthermore, this study also utlized different strategies to distribute fire-resistant steel columns and beams in this steel building frame and discussed the fire-resistant performance of each strategy. Two types of frame models were employed in this study for test and analysis. One is the single-story frame model and the other one is the seven-story frame model. The single-story frame model was directly taken from the first-floor portion of the original seven-story frame model. Both frame models used CNS 12514 (ISO-834) temperature-time heating curve to heat the first-floor structural members including beams, columns and deck. First, the single-floor frame model was utilized to test the fire-resistant performance of different distribution strategies of fire-resistant steel columns and beams respectively. After the optimal fire-resistant steel column distributions and beam distributions in the single-floor frame model were obtained, these strategies were then applied to the seven-story frame model for the following detailed analysis and comparison. The numerical simulation results show that using fire-resistant steel interior columns and interior beams in the single-story frame model was the most effective and economic strategy in fire. Compared to the single-story frame model, the seven-story frame model had the better fire-resistant performance and could prevent the collapse of interior columns in fire due to force redistribution. The two fire-resistant steel distribution strategies tested in the seven-story frame model could effectively improve the failure temperature of the frame in which using fire-resistant steel interior columns and interior beams was more economic.
論文目次 摘要 I
Abstract II
誌謝 IV
目錄 VI
表目錄 IX
圖目錄 XI
符號表 XVI
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 3
1.3 研究方法 3
1.4 論文架構 5
第二章 文獻回顧 7
2.1 鋼構架火害行為相關文獻 7
2.2 鋼構架數值模擬相關文獻 9
第三章 有限元素分析相關理論 11
3.1 前言 11
3.2 應力應變轉換 11
3.3 非線性結構分析(ABAQUS,2008) 13
3.4 後挫屈分析(ABAQUS,2008) 16
3.4.1 修正弧長法(Modified Riks Method) 16
3.4.2 能量消散比率(Dissipated Energy Fraction) 18
3.5 元素理論 19
第四章 鋼構架尺寸介紹 23
4.1 前言 23
4.2 模型尺寸介紹 23
4.3 材料介紹 24
4.3.1 鋼材介紹 24
4.3.2 混凝土材料介紹 27
第五章 鋼構架數值模擬 40
5.1 前言 40
5.2 基本假設 40
5.3 模擬種類及命名 41
5.3.1 單層構架模型 41
5.3.2 整體構架模型 44
5.3.3 模擬命名 44
5.4 材料參數 46
5.5 分析步設定 48
5.6 邊界設定 49
5.6.1 加載設定 49
5.6.2 邊界束制設定 50
5.7 網格與元素選擇 51
5.8 後處理 52
5.9 梁元素和殼元素模型比較 53
5.9.1 梁元素模型與實體模型比較 54
5.9.2 能量消散比率法與修正弧長法比較 55
第六章 分析結果及討論 74
6.1 前言 74
6.2 構件與構架破壞溫度判斷 74
6.2.1 單一構件破壞溫度判斷 74
6.2.2 單層構架破壞溫度判斷 77
6.2.3 整體構架破壞溫度判斷 79
6.3 單層構架基本組模擬結果 79
6.3.1 全普通鋼原載重構架(1F-CAN-GAN-BAN-L1) 79
6.3.2 全耐火鋼構架(1F-CAF-GAF-BAF-L1) 81
6.4 單層構架柱構件耐火鋼配置之模擬結果 82
6.4.1 全部柱耐火鋼構架(1F-CAF-GAN-BAN-L1) 83
6.4.2 內柱耐火鋼構架(1F-CIF-GAN-BAN-L1) 84
6.4.3 外柱耐火鋼構架(1F-CEF-GAN-BAN-L1) 84
6.4.4 角柱耐火鋼構架(1F-CCF-GAN-BAN-L1) 85
6.5 單層構架梁構件耐火鋼配置之模擬結果 86
6.5.1 全普通鋼修改載重構架(1F-CAN-GAN-BAN-L2) 86
6.5.2 全部梁耐火鋼構架(1F-CAN-GAF-BAF-L2) 88
6.5.3 內梁與外梁耐火鋼構架(1F-CAN-GAF-BAN-L2) 89
6.5.4 內梁與小梁耐火鋼構架(1F-CAN-GIF-BAF-L2) 91
6.5.5 外梁與小梁耐火鋼構架(1F-CAN-GEF-BAF-L2) 92
6.5.6 內梁耐火鋼構架(1F-CAN-GIF-BAN-L2) 93
6.5.7 外梁耐火鋼構架(1F-CAN-GEF-BAN-L2) 94
6.6 單層構架模型討論 96
6.6.1 各種柱構件耐火鋼配置之比較 96
6.6.2 各種梁構件耐火鋼配置之比較 98
6.7 整體構架模型之模擬結果 102
6.7.1 全普通鋼構架(7F-CAN-GAN-BAN-L1) 102
6.7.2 全耐火鋼構架(7F-CAF-GAF-BAF-L1) 104
6.7.3 內柱內梁外梁耐火鋼構架(7F-CIF-GAF-BAN-L1) 105
6.7.4 內柱內梁耐火鋼構架(7F-CIF-GIF-BAN-L1) 107
6.8 整體構架模型討論 108
6.8.1 整體構架與單層構架比較 108
6.8.2 整體構架比較 113
第七章 結論與建議 251
參考文獻 257
自述 260
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