臺灣博碩士論文加值系統

本文依實際試體尺寸進行鋼結構梁柱接頭高溫受熱反應，以有限元素數值模擬模式來分析其高溫受熱中的行為，並選用ANSYS為數值模擬工具；材料組成率方面選用國外歐洲規範EUROCODE3以及國內生產鋼材高溫受熱下之材料性質，以作為數值模擬分析之用，進而透過程式分析比較國內外鋼材的差異性和建立一套有關國內鋼結構梁柱接頭之高溫受熱行為，並且藉由國內鋼結構梁柱接頭高溫試驗驗證本文分析模式之可行性。
本文主要敘述鋼材高溫材料行為、應用不同應力應變曲線數值模擬分析與驗證以及兩種鋼結構梁柱高溫試驗之模擬，包含有定載加溫試驗與定溫加載試驗，主要以了解鋼結構接頭在高溫中其力學特性之影響，以供後續研究整體鋼結構高溫受熱行為之模擬分析使用。

According to the test of the full-scale joints of the steel beam-column in fire environment, the composed beam-column frame is analyzed by the general purpose finite element software ANSYS. The material properties of steel in high temperature proposed by EUROCODE3 was use in this study. The numerical modeling of steel beam-column joints in fire environment has been proven by simulating the ABRI fire experiment. This thesis used different stress-strain curve in high temperature environment, and compared the result of analysis with experiment.

摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅷ
圖目錄 Ⅹ
符號 ⅩⅢ
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究背景與目的 2
1.3 研究方法 4
1.4 文獻回顧 5
第二章 高溫環境下鋼結構梁柱接頭之數值模擬 7
2.1 前言 7
2.2 鋼材在高溫下的性質 8
2.2.1 歐洲規範EUROCODE3 8
2.2.1.1 強度及變形性質 8
2.2.1.2 熱傳導性 10
2.2.1.3 比熱 10
2.2.1.4 熱對流傳遞係數 11
2.2.2 中鋼鋼材材料性質 15
2.2.3 雙線性材料性質 18
2.3 數值分析方法與步驟 19
2.3.1 熱分析 19
2.3.2 非線性結構分析 24
2.3.3 耦合分析 26
2.3.4 轉角分析 27
2.3.5 數值分析步驟 29
2.4 非線性有限元素分析模式 32
2.4.1 元素種類 32
2.4.2 應力應變曲線轉換 33
2.4.3 定溫加載試驗之數值模擬 34
2.4.4 定載加溫試驗之數值模擬 35
第三章 分析模式的驗證 41
3.1 前言 41
3.2 試體規劃 42
3.3 試驗規劃 43
3.4 試驗結果 45
3.5 非線性有限元素模擬分析 48
3.5.1 模擬的材料性質 48
3.5.2 模擬的分析與步驟 48
3.6 模擬分析結果與討論 51
第四章 定溫加載試驗之數值範例與討論 53
4.1 前言 53
4.2 範例一：工程應力應變曲線(S355) 57
4.2.1 範例說明 57
4.2.2 分析結果 57
4.3 範例二：真實應力應變曲線(S355) 67
4.3.1 範例說明 67
4.3.2 分析結果 67
4.4 範例三：工程應力應變曲線(Gr50W) 77
4.4.1 範例說明 77
4.4.2 分析結果 77
4.5 範例四：真實應力應變曲線(Gr50W) 87
4.5.1 範例說明 87
4.5.2 分析結果 87
4.6 分析結果比較與討論 97
4.6.1 不同鋼材性質比較 97
4.6.2 應力應變的轉換比較 97
4.6.3 總結與討論 98
第五章 定載加溫試驗之數值範例與討論 100
5.1 前言 100
5.2 範例五：工程應力應變曲線(S355) 105
5.2.1 範例說明 105
5.2.2 分析結果 105
5.3 範例六：真實應力應變曲線(S355) 113
5.3.1 範例說明 113
5.3.2 分析結果 113
5.4 範例七：工程應力應變曲線(Gr50W) 121
5.4.1 範例說明 121
5.4.2 分析結果 121
5.5 範例八：真實應力應變曲線(Gr50W) 129
5.5.1 範例說明 129
5.5.2 分析結果 129
5.6 分析結果比較與討論 137
5.6.1 不同鋼材的比較 137
5.6.2 應力應變的轉換 137
5.6.3 總結與討論 138
第六章 結論與建議 139
參考文獻 141

【1】ANSYS, “ANSYS User’s Manual Revision 8.0”,
ANSYS, Inc., Canonsburg, Pennsylvania (2004).
【2】Al-Jabri, K.S., Burgess, I.W., Plank, R.J.,
“Prediction of the Degradation of Connection
Characteristics at Elevated Temperature,” Journal of
Constructional Steel Research, Vol.60, p.771-781
(2004)
【3】A1-Jabri, K.S., Burgess, I.W., Lennon, T., Plank,
R.J., ” Moment-rotation-temperature curve for semi-
rigid joints,” Journal of Constructional Steel
Research, Vol.61, p.281-303(2005).
【4】Al-Jabri, K.S., Burgess, I.W., Plank, R.J., “Spring-
stiffness Model for Flexible End-plate Bare-steel
Joints in Fire,” Journal of Constructional Steel
Research, Vol.61, p.1672-1691 (2005).
【5】BS5950：The Structural Use of Steelwork in Buildings,
Part 8: Code of Practice for Fire Resistant Design，
London：BSI (1990).
【6】Bailey, C.G., Burgess, I.W., Plank, R.J., ”The
Lateral-Torsional Buckling of Unrestrained Steel
Beams in Fire,” Journal of Constructional Steel
Research, Vol. 36, p.101-119 (1996)
【7】Buchanan, Andy, Moss, Peter, Seputro, Jenny Seputro,
Welsh, Richard, “The Effect of Stress-strain
Relationships on the Fire Performance of Steel
Beams,”Engineering Structures, Vol.26, p.1505-1515
(2004).
【8】Chen, H., Liew, J.Y.R., ASCE, M., “Explosion and
Fire Analysis of Steel Frames Using Mixed Element
Approach,” Journal of Engineering Mechanics,
Vol.131, p.606-616 (2005).
【9】El-Rimawi, J.A., Burgess, I.W., Plank, R.J., “The
Influence of Connection Stiffness on the Behaviour of
Steel Beams on Fire,” Journal of Constructional
Steel Research, Vol. 43,p.1-15 (1997).
【10】El-Rimawi, J.A., Burgess, I.W., Plank, R.J.,
“Studies of the Behavior of Steel Subframes with
Semi-Rigid Connections in Fire,” Journal of
Constructional Steel Research, Vol. 49, p.83-98
(1999).
【11】EUROCODE 1.，”Actions on structures－Part 1﹒2：
General actions －actions on structures exposed to
fire ”，(EN 1991-1-2)
【12】EUROCODE 3，”Design of steel structures－Part 1﹒2：
General rules －Structural fire design”，（DD ENV
1993-1-2：2001 Corrected and reprinted September
2001）.
【13】Federal Emergency Management Agency, ”World Trade
Center Building Performance Study：Data Collection,
Preliminary Observations, and Recommendations,”
FEMA 403,May 2002.
【14】Ginda, G., Skowronski, W., ”Elasto-Plastic Creep
Behavior and Load Capacity of Steel Columns During
Fire,” Journal of Constructional Steel Research ,
Vol. 46,p.312-313 (1998)
【15】Huang, Z.H., Burgess, I.W, Plank, R.J., “Three-
dimensional Analysis of Composite Steel-framed
Buildings in Fire,” Journal of Structural
Engineering, Vol.126, p.389-397 (2000).
【16】Izzuddin, B.A., Song, L., Elnashi, A.S., Dowling,
P.J., “An Integrated Adaptive Environment for Fire
and Explosion Analysis of Steel Frames—Part II:
Verification and Application,” Journal of
Constructional Steel Research, p.87-111 (2000).
【17】Liew, J.Y.R., Tang, L.K., Holmaas, Tore, Choo, Y.S.,
“Advanced Analysis For the Assessment of Steel
Frames in Fire,” Journal of Constructional Steel
Research, Vol.47, p.19-45 (1998).
【18】Liu, T.C.H., “Fire Resistance of Unprotected Steel
Beams with Moment Connections,” Journal of
Constructional Steel Research, Vol. 51, p.61-77
(1999)
【19】Liu, T.C.H., Fahad, M.K., Davies, J.M.,
“Experimental Investigation of Behavior of Axially
Restrained Steel Beams in Fire,” Journal of
Constructional Steel Research, Vol. 58, p.1211-1230
(2002)
【20】Li, Guo-Qiang, Jiang, Shou-Chao, Yin, Ying-Zhi,
Chen, Kai.,and Li, Ming-Fei, “ Experimental
Studies on the Properties of Constructional Steel at
Elevated Temperatures,” Jonural of Structural
Engineering, ASCE, Vol.129 ,No.12,
p.1717-1721,December 1(2003)
【21】Liew, J.Y.R., ASCE, M., Chen, H., “Explosion and
Fire Analysis of Steel Frames Using Fiber Element
Approach,” Journal of Structural Engineering,
Vol.130, p.991-1000 (2004).
【22】Liew, J.Y.R., Ma, K.Y., “Advanced Analysis of 3D
Steel Framework Exposed to Compartment Fire,” Fire
and Materials, Vol.28, p.253-267 (2004).
【23】Poh, K.W., “Stress-Strain-Temperature Relationship
for Structural Steel,” Journal of Materials in
Civil Engineering, ASCE, Sep/Oct, p.371-379(2001).
【24】Toh, W.S., Tan, K.H., Fung, T.C., “Strength and
Stability of Steel Frames in Fire: Rankine
approach,” Journal of Structural Engineering,
Vol.127, p.461-469 (2001).
【25】Wong, M.B., “Elastic and Plastic Methods for
Numerical Modeling of Steel Structures Subject to
Fire,” Journal of Constructional Steel Research,
Vol.57, p.1-14 (2001).
【26】中國國家標準CNS 總號5336，鋼鐵及耐熱合金之高溫拉伸試
驗法，經濟部中央標準局，台灣 (1998)
【27】邱耀正、楊國珍，鋼構造耐火行為與相關防火法規檢討研
究，內政部建築研究所研究計畫成果報告 (2002)
【28】張學誠，巨型銲接箱型鋼柱之結構行為，國立台灣工業技術
學院營建工程研究所 (1994)
【29】莊有清，鋼材在高溫環境下之行為探討，國立成功大學土木
工程研究所碩士論文，邱耀正指導教授 (2004)
【30】許獻鍾，高溫中鋼結構行為之研究，朝陽科技大學營建工程
研究所 (2003)
【31】陳生金、楊國珍，鋼結構梁柱接頭高溫再重行為研究之篇
二：鋼結構梁柱接頭火害試驗研究，內政部建築研究所研究
報告 (2007)
【32】蔡宗翰，鋼結構彎矩接頭受火害之行為研究，國立成功大學
土木工程研究所碩士論文，邱耀正指導教授 (2006)