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研究生:江本鈞
研究生(外文):Pen-Chun Chiang
論文名稱:槽形冷軋型鋼在螺栓接合受拉下之剪力延遲影響研究
論文名稱(外文):The Study of Shear Lag Effect on Bolted C-Shaped Cold-Formed Steel Tension Members
指導教授:潘吉齡潘吉齡引用關係
指導教授(外文):Chi-Ling Pan
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:營建工程系碩士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:剪力延遲螺栓接合拉力構材冷軋型鋼
外文關鍵詞:shear lagbolted connectiontension membercold-formed steel
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由於冷軋型鋼斷面形狀的多樣性,在接合實務上較不易將各肢材都受連接,因此當構材受拉時,將產生剪力延遲的效應,造成斷面應力分佈不均而影響構材的拉力強度。
本論文探討目前發展冷軋型鋼的先進國家之相關規範,發現在構材拉力強度的計算上,大部分沒有規定剪力延遲對受拉構材之影響。故本論文參考熱軋型鋼剪力延遲的影響公式,以國內結構用輕型鋼為研究鋼材,設計不同尺寸的槽形斷面,在螺栓接合下經由拉力試驗求得試體的極限載重能力,並與各規範所預測的標稱拉力強度作比較分析。另本研究亦以有限元素分析軟體ANSYS來進行分析,以比較斷面各部間之應力分佈情形。
經由實驗的結果及分析,發現以AISC規範(1993)中有考慮剪力延遲的影響,所預測構材的拉力強度與試驗的結果較為相近,而AISI規範(1996)、澳洲和紐西蘭標準(1996)所預測的強度則有高估的現象,其它如英國標準(1998)和由LaBoube所提出的建議公式,所預測的強度與本實驗中的結果相比較發現離散程度過大。
Due to the variety of cross sectional shape for cold-form steel members, for the practice reason it is not normally possible or convenient to connect each element to the end connection. Therefore, the shear lag effect will be occurred for the member subjected to tension. This effect reduces the strength of the member because the stresses distributed in the entire section are not uniform.
It is found that the design formulas for calculating the cold-formed steel tension members according to most specifications of several countries do not consider the shear lag effect. Therefore, this study is concentrated on the investigation of the shear lag effect on the cold-formed steel tension members. Channel specimens with different dimensions tested by using bolted connection were discussed in this study. The comparison was also made between the test results and predictions computed based on several specifications. In order to study the stress distribution in the various location of any cross section of specimen, the finite-element software ANSYS was also conducted in this research.
Base on the experimental results, it was found that the tension strengths of test specimens predicted by the AISC-Code (1993), which takes account of shear lag effect, are more closely to the test values. The predictions according to AISI-Code (1996) and AS/NZS 4600 Code (1996) seem to be overestimated as compare to the test results. It is also noted that there are quite discrepancy between the test results and the values predicted by British Standard (1998) and LaBoube recommended equation.
中文摘要 I
英文摘要 II
本文目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 IX
符號說明 XII
本 文 目 錄
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 研究內容 3
第二章 文獻回顧 4
2.1熱軋型鋼中影響淨斷面積效率的因素 4
2.1.1 金屬延展性因素 5
2.1.2 製作孔洞因素 5
2.1.3 孔洞橫向間距的幾何因素 6
2.1.4 剪力延遲因素 7
2.2 受拉冷軋型鋼構材之破壞模式 8
2.2.1 板的開裂破壞 8
2.2.2 板的承載破壞 9
2.2.3 淨斷面的斷裂破壞 10
2.2.4 螺栓的剪力破壞 11
2.3 國內外相關規範 11
2.3.1 熱軋型鋼相關規範 12
2.3.2 AISI規範規定 14
2.3.3 英國標準規範規定 15
2.3.4 澳洲、紐西蘭標準規範規定 16
2.3.5 小結 17
2.4 其它相關研究 18
2.5 冷作效應的影響 19
第三章 實驗說明及配置 22
3.1 前置作業 22
3.1.1 試體規格 22
3.1.2 試體編號定義 24
3.1.3 材料性質與材料拉伸試驗 27
3.2 試驗配置 31
3.2.1 試驗儀器及感測器校正 31
3.2.2 試體和儀器架設 34
3.3 試驗加載 35
第四章 實驗結果及分析 38
4.1 實驗結果 38
4.2 拉力強度與各規範比較 41
4.2.1 與AISI規範之比較 42
4.2.2 與英國標準規範比較 44
4.2.3 與澳紐標準規範比較 45
4.2.4 與LaBoube建議公式比較 47
4.2.5 與AISC規範之比較 48
4.2.6 其他類型的破壞 51
4.3 冷作效應的影響 51
4.4 構材應力和應變特性 52
4.4.1 載重-應變圖 52
4.4.2 應力分佈圖 55
4.4.3 構材變位圖 62
第五章 數值模擬 65
5.1 概述 65
5.2 分析模型之建立 65
5.2.1 分析元素和材料性質 65
5.2.2 模型網格化 67
5.2.3 邊界條件及加載 68
5.3 分析結果與討論 72
第六章 結論與建議 84
6.1 結論 84
6.2 建議及後續研究 85
參考文獻……………………………………………………………………87
表 目 錄
表2.1 載重修正係數kt 17
表3.1 斷面強度檢核 24
表3.2 各試體斷面尺寸 25
表3.2 (續) 各試體斷面尺寸及材料機械性質 26
表3.3 拉伸試驗所得之材料機械性質 29
表4.1 試體極限承載力(Pult)及破壞型式 38
表4.1 (續) 試體極限承載力(Pult)及破壞型式 39
表4.2 AISI規範對構材拉力強度的計算 43
表4.3 試體極限載重與AISI規範預測值的比較 43
表4.4 英國標準規範對構材拉力強度的計算 44
表4.5 試體極限載重與英國標準規範預測值的比較 45
表4.6 AS/NZS規範對構材拉力強度的計算 46
表4.7 試體極限載重與澳紐標準規範預測值的比較 46
表4.8 以LaBoube建議公式所計算的拉力強度 47
表4.9 套用LaBoube建議公式與試驗值之比較 48
表4.10 AISC規範對構材拉力強度的計算 49
表4.11 試體極限載重與AISC規範預測值的比較 50
表4.12 強度折減與剪力延遲係數的比較 50
表4.13 螺栓孔最小邊距規定 51
表4.14 考慮冷作效應後的材料機械性質 52
表4.15 應力分佈圖所選取的載重 57
表5.1 網格化後的節點數和元素數 68
表5.2 每一螺栓孔所施加的外力 69
表5.3 試體C-BA-2試驗與分析在1-1斷面處之應力值 75
表5.4 試體C-BA-2試驗與分析在2-2斷面處之應力值 76
表5.5 試體C-BA-2試驗與分析在3-3斷面處之應力值 77
表5.6 試體C-BB-2試驗與分析在1-1斷面處之應力值 78
表5.7 試體C-BB-2試驗與分析在2-2斷面處之應力值 79
圖 目 錄
圖2.1 板的開裂破壞 (引用自【10】) 9
圖2.2 板的承載破壞 (引用自【10】) 10
圖2.3 淨斷面的斷裂破壞 (引用自【10】) 10
圖2.4 螺栓的剪力破壞 (引用自【10】) 11
圖2.5 受拉槽形鋼螺栓接合的偏心距離 之求法 13
圖2.6 冷作效應下槽形斷面的機械性質 (引用自【19】) 21
圖3.1 螺栓排列方式 23
圖3.2 試體編號定義 25
圖3.3 (a) 尖銳型降伏應力-應變曲線 (引用自【3】) 28
圖3.3 (b) 平緩型降伏應力-應變曲線 (引用自【3】) 28
圖3.4 (a) 偏距法 (引用自【3】) 27
圖3.4 (b) 全伸長法 (引用自【3】) 27
圖3.5 (a) 拉伸試驗之應力應變圖(試片編號A1,厚度3.2mm) 30
圖3.5 (b) 拉伸試驗之應力應變圖(試片編號A3,厚度2.3mm) 30
圖3.6 50噸抗拉試驗機 32
圖3.7 LVDT 1之校正係數圖 32
圖3.8 LVDT 2之校正係數圖 33
圖3.9 Load Cell 之校正係數圖 33
圖3.10 (a) 應變片黏貼位置(試體C-BA-2) 36
圖3.10 (b) 應變片黏貼位置(試體C-BB-2) 36
圖3.11 LVDT架設圖 37
圖3.12 應變片黏貼圖(試體編號C-BA-2) 37
圖4.1 淨斷面斷裂破壞(試體編號C-CA-2) 40
圖4.2 承壓破壞(試體編號C-BB-2) 40
圖4.3 開裂破壞(試體編號C-DC-2) 41
圖4.4 (a) 試體C-BA-2 斷面1-1載重-應變圖 53
圖4.4 (b) 試體C-BA-2 斷面2-2載重-應變圖 53
圖4.4 (c) 試體C-BA-2 斷面3-3載重-應變圖 54
圖4.5 (a) 試體C-BB-2 斷面1-1載重-應變圖 54
圖4.5 (b) 試體C-BB-2 斷面2-2載重-應變圖 55
圖4.6 構材的方位示意圖 57
圖4.7 (a) 載重為0.25AgFy時試體C-BA-2應力分佈圖 58
圖4.7 (b) 載重為0.5AgFy時試體C-BA-2應力分佈圖 58
圖4.7 (c) 極限載重時試體C-BA-2應力分佈圖 59
圖4.8 (a) 載重為0.25AgFy時試體C-BB-2應力分佈圖 59
圖4.8 (b) 載重為0.5AgFy時試體C-BB-2應力分佈圖 60
圖4.8 (c) 極限載重時試體C-BB-2應力分佈圖 60
圖4.9 構材受彎曲應力所呈現的變形 62
圖4.10 (a) 載重-變位圖(斷面尺寸100×50×50×3.2) 63
圖4.10 (b) 載重-變位圖(斷面尺寸100×50×50×2.3) 63
圖4.10 (c) 載重-變位圖(斷面尺寸80×40×40×3.2) 65
圖4.10 (d) 載重-變位圖(斷面尺寸80×40×40×2.3) 65
圖5.1 (a) 試體C-BA-2實體模型示意圖 66
圖5.1 (b) 試體C-BB-2實體模型示意圖 67
圖5.2 (a) 試體C-BA-2網格示意圖 69
圖5.2 (b) 試體C-BB-2網格示意圖 70
圖5.3 構材自由體圖 70
圖5.4 (a) 端點束制及集中載重加載示意圖(試體編號C-BA-2) 71
圖5.4 (b) 端點束制及均佈載重加載示意圖(試體編號C-BA-2) 71
圖5.5 (a) 試體C-BA-2分析與試驗的應力分佈(載重0.25AgFy) 80
圖5.5 (b) 試體C-BA-2分析與試驗應力的分佈(載重0.5AgFy) 80
圖5.5 (c) 試體C-BA-2分析與試驗的應力分佈(載重Pult) 81
圖5.6 (a) 試體C-BB-2分析與試驗的應力分佈(載重0.25AgFy) 81
圖5.6 (b) 試體C-BB-2分析與試驗的應力分佈(載重0.5AgFy) 82
圖5.6 (c) 試體C-BB-2分析與試驗的應力分佈(載重Pult) 82
圖5.7 ANSYS應力分佈圖 83
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