臺灣博碩士論文加值系統

本研究採用LS-DYNA有限元素分析軟體對碳纖維複合材料貼附鋼筋混凝土版在衝擊載重作用下之力學行為進行數值模擬。首先進行混凝土圓柱試體之抗壓模擬，以驗證混凝土材料參數的可靠性，接著並考慮混凝土之侵蝕效應，以探討碳纖維複合材料貼附鋼筋混凝土版之版體抵抗力、混凝土疤落面積及破壞型態等現象。
結果顯示所提出之混凝土材料參數能有效預測混凝土之靜態軸向應力-應變曲線；同時根據混凝土材料參數及元素侵蝕效應所建立之數值模型發現，碳纖維複合材料能有效提升鋼筋混凝土版之版體抵抗力；純鋼筋混凝土版及貼附複合材料之鋼筋混凝土版其版體抵抗力皆隨加載速度之增加而有增加的趨勢，然隨加載速度的提升，混凝土疤落面積有減少的趨勢，顯示貼附複合材料對於混凝土結構承受衝擊載重所造成混凝土疤落之防護具有相當的貢獻。

The objective of this study is to numerical simulate the dynamic behavior of carbon fiber plastering on reinforced concrete (RC) slabs by using the LS-DYNA software. To verify the validity of concrete parameters, a numerical simulation of uniaxial test of concrete is performed. By additionally considering the erosion effects of concrete, the penetration resistance, scabbing areas of concrete and failure modes of RC slab strengthened with CFRP are investigated.
Results show that the proposed concrete parameters fairly predict the stress-strain relationship of concrete. A numerical model is thus proposed based on the concrete parameters and erosion effects of concrete. Numerical results based on the proposed model indicate that CFRP materials effectively improve the penetration resistance of RC slabs. For both pure RC slabs and RC slabs with CFRP, the penetration resistance of the slabs increases as the loading rate increases. The scabbing areas of concrete, however, decrease as the loading rate increases. It indicates that CFRP materials have positive effects on the protection of concrete scabbing.

誌謝 ii
摘要 iii
ABSTRACT iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 x
符號說明 xiii
1. 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 3
1.2.1混凝土材料承受衝擊載重試驗 3
1.2.2混凝土材料承受衝擊載重數值模分析 5
1.2.3 CFRP貼附於混凝土受衝擊載重試驗 8
2. LS-DYNA程式系統介紹 9
2.1微分方程之數值解法 9
2.1.1 Lagrangian描述法 9
2.1.2 Eulerian 描述法 11
2.1.3 ALE描述法 12
2.1.4 SPH 描述法 12
2.2 時間積分求解與沙漏控制 13
2.2.1顯性時間積分 13
2.2.2隱性時間積分 15
2.2.3沙漏控制 15
2.3材料模型介紹 16
2.3.1 混凝土材料模型 16
2.3.1.1 等效強度模式 16
2.3.1.2 狀態方程式 19
2.3.2 鋼筋材料模型 22
2.3.3碳纖維複合材料模型 24
2.4元素類型選擇及特性 24
2.5接觸定義 25
3. 研究步驟及模型建立 29
3.1研究步驟 29
3.2材料性質 30
3.2.1混凝土材料 31
3.2.2鋼筋材料 34
3.2.3碳纖維複合材料(CFRP) 34
3.3混凝土圓柱試體抗壓試驗與模型建立 35
3.3.1混凝土圓柱試體抗壓試驗 35
3.3.2混凝土圓柱試體抗壓模型建立 37
3.4 鋼筋混凝土版試體承受衝擊載重之試驗與模型建立 40
3.4.1 純鋼筋混凝土版承受衝擊載重試驗 40
3.4.2 貼附CFRP鋼筋混凝土版承受衝擊載重試驗 43
3.4.3 純鋼筋混凝土版與貼附CFRP鋼筋混凝土版承受衝擊載重之模型建立 46
4. 分析結果與討論 51
4.1混凝土圓柱試體抗壓模擬分析 51
4.1.1 1/4標準模型與全模型的差異探討 51
4.1.2 網格元素收斂性分析 53
4.1.3材料參數PL（壓實壓力係數）之影響 55
4.1.4損傷參數D1與D2之影響 56
4.1.5小結 57
4.2混凝土版元素侵蝕效應探討 59
4.2.1 混凝土版試體網格元素收斂性分析 59
4.2.2 鋼筋混凝土版元素侵蝕效應(Erosion)探討 62
4.3純鋼筋混凝土版與貼附CFRP鋼筋混凝土版衝擊模擬分析 73
4.3.1 版試體破壞型態探討 73
4.3.2 版試體抵抗力探討 78
4.3.3 混凝土版體疤落現象探討 82
5. 結論與建議 86
5.1結論 86
5.2建議 87
參考文獻 88
自傳 92

[1]LS-DYNA Version 970 User’s Manual, Livermore Software Technology Corporation, pp. 1.1-1.2,2003.
[2]US Department of the Army, “Design and Analysis of Hardened Structures to Conventional Weapons Effects,” TM 5-855-1, 1998.
[3]Watstein, D., “Effect of Straining Rate on the Compressive Strength and Elastic Properties of Concrete,” Journal of the American Concrete Institute, Vol. 24, No.8, Apr. pp. 729-744, 1953.
[4]Bischoff, P. H., and Perry, S. H., “Compressive Behavior of Concrete at High Strain Rate,” Materials and Structures, Vol. 24, pp. 425-450, 1991.
[5]Thomson, William T., “An Approximate Theory of Armor Penetration,” Journal of Applied Physics, Vol. 26, No. 1, pp. 80-82, 1955.
[6]Chang, Wen S., “Impact of Solid Missile on Concrete Barriers,” Journal of the Structure Division, Proceeding of the American Society of Civil Engineers. ASCE,Vol. 107, pp. 257-271, 1981.
[7]Yankelevsky, D. Z., “Local Response of Concrete Slabs to Low Velocity Missile Impact,” International Journal of Impact Engineering, Vol. 19, No. 4, pp. 331-343, 1997.
[8]Tetsuo, S., Atsushi, K., Tomonori, O., Hajime, T., Masatoshi, U.,and Nobutaka, I., “Experiment and Numerical Simulation of Double-layered RC Plates under Impact Loadings,” Nuclear Engineering and Design, Vol. 176, pp. 195-205, 1997.
[9]Dancygier, A. N., and Yankelevsky, D. Z., “ High Strength Concrete Response to Hard Projectile Impact, ”International Journal of Impact Engineering, Vol. 18, No. 6, pp. 583-599, 1996.
[10]Wen, He. Ming., “ Empirical Equations for the Impact Response of Concrete Targets, ”Explosion and Shock Waves, Vol. 23, No. 3, pp. 267-274, 2003.
[11]石志勇，湯文輝，趙國民，張若棋，“長桿射彈對剛纖維混凝土靶開坑特性的實驗研究”，國防科技大學學報，第二十六卷，第五期，第26-29頁，湖南，2004年5月。
[12]Holmquist,T.J., Johnson,G.R., and Cook,W.H., “ A Computational Constitutive Modei for Concrete Subjected to Large Strain, High Strain Rates, and High Pressures ”, 14th International Symposium on Ballistics, pp. 591-600,1993
[13]Hanchak, S. J., Forrestal, M. J., Young, E. R., and Ehrgott, J. Q., “Perforation of Concrete Slabs with 48Mpa and 140Mpa Unconfined Compressive Strengths,” International Journal of Impact Engineering, Vol. 12, pp. 1-7, 1992.
[14]曹菊珍，周淑榮，李恩征，“材料的本構關係在數值計算中的作用”，兵工學報，第十九卷，第一期，第69-72頁，北京，1998年2月。
[15]Agardh, L., and Laine, L., “3D FE-Simulation of High-Velocity Fragment Perforation of Reinforced Concrete Slabs,” International Journal of Impact Engineering, Vol.22, pp. 911-922, 1999.
[16]張鳳國，李恩征，“混凝土撞擊損傷模型參數的確定方法”，彈道學報，第十三卷，第四期，第12-16頁，北京，2001年12月。
[17]張鳳國，李恩征，“大應變、高應變率及高壓強條件下混凝土的計算模型”，爆炸與衝擊，第二十二卷，第三期，第198-202頁，北京，2002年7月。
[18]Karma, Y., Manzari, M.T., Azim, E., and Dhafer, M., “An Evaluation of Constitutive Models of Concrete in LS-DYNA Finite Element Code,” 15th ASCE Engineering Mechanics Conference, Vol.2-5, 2002.
[19]皮盛榮，“鋼筋混凝土板貫穿之材料參數探討”，碩士論文，中正理工學院軍事工程研究所，桃園，2004。
[20]時黨勇，李裕春，張勝民，“高速彈丸侵徹混凝土靶板”， 基於ANSYS/LS-DYNA 8.1進行顯示動力分析，第三章，第二節，第151-165頁，北京，2004年12月。
[21]崔偉峰，“動能彈丸侵徹混凝土的數值模擬研究”，碩士論文，國防科學技術大學，2003。
[22]尹平，石少卿，張湘冀，劉雲，“TAC-TOM式巡航導彈侵徹混凝土數值分析”，計算機仿真，第二十一卷，第五期，第25-27頁，重慶，2004年5月。
[23]武海軍，黃風雷，金乾坤，張慶明，“彈體貫穿鋼筋混凝土數值模擬”，爆炸與衝擊，第二十三卷，第六期，第545-550頁，北京，2003年10月。
[24]魏志明，“碳纖維複合材料應用於樓版之維修補強研究”，碩士論文，國立台灣科技大學營建工程系，台北市，台灣省，八十七年六月。
[25]陳順隆，“版柱接頭以碳纖維貼片補強之貫穿剪力行為”，碩士論文，國立交通大學土木工程系，台北市，台灣省，八十九年六月。
[26]趙彤，羅振彪，謝劍，“碳纖維布加固鋼筋混凝土板受彎性能研究”，建築技術，第三十二卷，第六期，第368-370頁，2001年。
[27]盧冠勛，“碳纖維複合材料貼附鋼筋混凝土版在不同載重速率下之行為研究”，碩士論文，中正理工學院軍事工程研究所，桃園，2005。
[28]趙海鷗，“LS-DYNA動力分析指南”，兵器工業出版社，北京，2003。
[29]Schwer, L.E.,“Preliminary Assessment of Non-Lagrangian Methods for Penetration Simulation,” 8th International LS-DYNA User Conference, pp. 8.1-8.12, 2004.
[30]Buyuk, M., Kan, C. S., and Bedewi, N.E., “Moving Beyond the Finite Elements, a Comparison Between the Finite Element Methods and Meshless Methods for a Ballistic Impact Simulation,” 8th International LS-DYNA User Conference, pp. 8.81-8.96, 2004.
[31]Fung, Y. C., “Foundations of Solid Mechanics,” Prentice-Hall, New Jersey, 1965.
[32]LS-DYNA Version 970 Theoretical Manual, Livermore Software Technology Corporation, pp. 19.1-19.6, 1998.
[33]白金澤，“LS-DYNA3D理論基礎與實例分析”，科學出版社，第50-51頁，北京，2005。
[34]Wang, P. T., Shah, S. P., and Naama, A. E. “Stress-Strain Curves of Normal and Lightweight Concrete in Compression,”ACI Journal, No. 72, pp. 603-611, 1978.
[35]James, G.M.,“Mechanical Properties of Concrete,”Reinforced Concrete, pp. 55-56, 2004.