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系統識別號 U0026-2608201321572500
論文名稱(中文) 火害後耐火鋼與普通鋼梁柱接頭反覆載重行為之數值模擬
論文名稱(英文) The Numerical Simulations for the Cyclic Behaviors of Fire-Resistant Steel and Normal Structural Steel Beam-to-Column Connections after 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 101
學期 2
出版年 102
研究生(中文) 李旋瑋
研究生(英文) Hsuan-Wei Li
電子信箱 v0928657509@gmail.com
學號 N66004399
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 221頁
口試委員 指導教授-鍾興陽
口試委員-蔡武松
口試委員-黃慶淵
口試委員-黃武龍
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 本研究建立三維非線性有限元素數值模型來模擬與分析火害後耐火鋼與普通鋼(SN490B)梁柱接頭受到反覆載重作用下之結構行為,耐火鋼梁柱接頭與普通鋼梁柱接頭所採用的型式相同,皆為國內常見的三種梁柱接頭(即:標準型梁柱接頭、側板補強型梁柱接頭、梯形切削減弱型梁柱接頭),為求數值模擬與分析的準確性,本研究導入火害後耐火鋼與普通鋼圓棒試體於反覆載重試驗所得之材料參數來正確模擬耐火鋼與普通鋼的等向硬化與走動硬化行為。數值模擬梁柱接頭反覆載重實驗之遲滯迴圈結果顯示:火害前,由於耐火鋼的降伏強度略高於普通鋼,因此在相同層間位移角的情況下,耐火鋼梁柱接頭所能提供的柱面彎矩強度亦略大於同型之普通鋼梁柱接頭,然而,在受到800ºC以上高溫火害空氣冷卻後,耐火鋼與普通鋼梁柱接頭的柱面彎矩強度皆較火害前有明顯的下降,且耐火鋼梁柱接頭的下降幅度較大,其柱面彎矩強度也較同型之普通鋼梁柱接頭略低,但仍能符合2010年AISC耐震規範的規定;在受到800ºC高溫以上的火害水冷後,耐火鋼與普通鋼梁柱接頭的柱面彎矩強度皆較火害前有非常顯著的提升,但由於梁翼板與柱板接合處所受之應力過高,可能造成銲道斷裂,故降低了耐火鋼與普通鋼各型梁柱接頭於反覆載重作用下所能承受的層間位移角,因此,除了受到800ºC高溫水冷的耐火鋼梯形切削減弱型接頭外,其餘受到800ºC和900ºC高溫水冷的梁柱接頭皆無法符合4%層間位移角的規定。
英文摘要 This study developed the three-dimensional nonlinear finite-element numerical models to simulate and to analyze the post-fire structural behaviors of beam-to-column connections made of fire-resistant (FR) steel and normal structural (SN490B) steel under the cyclic loading. Both of the FR steel and the SN490B steel beam-to-column connections utilized the same three types of connections, including standard connection, side-plate connection and tapered flange profile connection, frequently used in Taiwan. For better accuracy of numerical simulations and analyses, this study employed the hardening parameters of post-fire FR steel and SN490B steel acquired from the round-bar cyclic loading tests to simulate the isotropic hardening and kinematic hardening behaviors of the two steels after fire. The simulated hysteresis loop results of the considered connections under the cyclic loading showed that, before fire, the FR steel connections could provide the slightly higher column face flexural strengths than those of the SN490B steel connections under the same story drift angle because the yield strength of FR steel is slightly higher than that of SN490B steel. After subjected to the fire of or above 800ºC and then air-cooled to room temperature, the column face flexural strengths of FR steel and SN490B steel connections decreased significantly. In addition, the column face flexural strengths of the FR steel connections decreased more and were a little lower than the SN490B steel connections. However, the air-cooled FR steel and SN490B steel connections still could meet the 2010 AISC seismic requirements. After subjected to the fire of or above 800ºC and then water-cooled to room temperature, the column face flexural strengths of FR steel and SN490B steel connections increased drastically. The extremely high stress occurred in the joint between beam flange and column plate might result in the fracture of weld pass. This reduced the story drift angle of each water-cooled FR steel and SN490B steel connection. Except for the tapered flange profile connection made of FR steel subjected to the fire of 800ºC and then water-cooled to room temperature, all the other connections subjected to the fire of 800ºC or 900ºC and then water-cooled to room temperature could not meet the 4% story drift angle requirement
論文目次 摘要 I
Abstract III
誌謝 V
目錄 VII
表目錄 XI
圖目錄 XII
符號表 XVII
第1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 3
1.4 論文架構 5
第2章 文獻回顧 7
2.1 前言 7
2.2 鋼構件火害後之相關研究 7
2.3 耐火鋼之相關研究 8
2.4 鋼結構火害時數值模擬之研究 9
2.5 鋼結構梁柱接頭反覆載重試驗之相關研究 12
2.6 鋼結構耐震接頭之相關研究 15
第3章 有限元素分析相關理論 19
3.1 前言 19
3.2 非線性結構分析 19
3.3 工程與真實應力-應變轉換 20
3.4 彈塑性力學理論 22
3.4.1降伏準則 22
3.4.2硬化法則 23
3.4.3硬化參數迴歸 24
3.4.4塑性流法則 26
3.4.5接觸理論 26
3.4.6 疊代收斂性 28
3.4.7元素理論 29
第4章 火害後梁柱接頭反覆載重行為數值模擬 37
4.1 前言 37
4.2 基本假設 37
4.3 普通鋼與耐火鋼火害前後之材料參數 38
4.3.1 試體製作流程 38
4.3.2 普通鋼與耐火鋼之介紹 39
4.3.3 鋼材熱處理後材料機械性質 40
4.3.4 降伏強度和極限強度 42
4.3.5 硬化參數 43
4.4 梁柱接頭數值模型之尺寸及命名 44
4.4.1 標準型梁柱接頭模型 46
4.4.2 側板補強型梁柱接頭模型 47
4.4.3梯形切削減弱型梁柱接頭模型 48
4.5 接觸設定 50
4.6 邊界條件 51
4.7 加載型式 51
4.8 網格設定 52
4.8.1 元素選擇 52
4.8.2 網格劃分 52
4.9 後處理 54
第5章 數值模擬之結果與討論 79
5.1 前言 79
5.2 梁柱接頭數值模型之破壞準則 79
5.2.1 拉力斷裂控制準則 80
5.2.2 壓力挫屈判斷準則 80
5.2.3 試驗終止時機 81
5.2.3 SMF梁柱接頭反覆載重試驗之合格判定準則 82
5.3梁柱接頭於不同火害溫度後之反覆載重行為比較 83
5.3.1 標準型梁柱接頭 83
5.3.2 側板補強型梁柱接頭 94
5.3.3 梯形切削減弱型梁柱接頭 106
5.3.4 小結 120
5.4 耐火鋼與普通鋼梁柱接頭火害後之反覆載重行為比較 121
5.4.1 標準型梁柱接頭火害後之比較 122
5.4.2 側板補強型梁柱接頭火害前後之比較 126
5.4.3 梯形漸變斷面式切削接頭火害前後之比較 132
5.4.4 小結 137
第6章 結論與建議 206
6.1 結論 207
6.2 建議 211
參考文獻 212
附錄A 219
標準型梁柱接頭柱面標稱塑性彎矩強度計算過程 219
側板補強型梁柱接頭柱面標稱塑性彎矩強度計算過程 220
梯形切削減弱型梁柱接頭柱面標稱塑性彎矩強度計算過程 221

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