臺灣博碩士論文加值系統

在本論文中，利用數值方法來模擬鋼梁柱結構受高溫受熱後冷卻反應，分析其力學特性及結構行為與溫度邊件條件之相互影響。本文採用有限元素分析軟體ANSYS為數值模擬工具，其數值方法選用Newton-Raphson法來求解非線性結構方程式。
在程式驗証方面，以簡支梁架構及國外小尺寸鋼結構梁柱接頭高溫受熱試驗二個範例分析其結構行為並驗證其可行性。
本文研究之物理模型以二柱一梁做為鋼組合結構，梁上受均佈載重影響下，環境溫度以線性升溫或CNS火場升溫曲線高溫受熱後，再以線性降溫方式冷卻其鋼結構，討論其鋼材高溫材料性質及結構內力行為。
比較計算結果之不同升溫及降溫速度設計對數值分析結果的影響，結果皆能得到合理之物理特性。

This study used to prove the feasibility that it analyses the structural behavior of simple support steel structure and the test of full-scale joints of steel sub-structure at elevated temperature by ANSYS software.
It simulates effects of steel beam-column with heating and cooling phase. This paper studies the effect on the behavior of steel structure in the event of fire. The software, ANSYS, with Newton-Raphson scheme is used to simulate the behavior of steel structure. This research describes a series of heating and cooling temperature tests conducted on steel beam-column connections. This studies indicate that, since the slope of cooling phase is steeper, the axial stress force at the cooling phased is higher than it at the heating phase.

目錄

中文摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
符號說明 XI
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究背景與目的 2
1-3 文獻回顧 3
1-4 內容大綱 6
第二章 非線性有限元素程式的數值模擬 8
2-1 前言 8
2-2 數值方法 8
2-2-1 熱分析 8
2-2-1 非線性結構分析 11
2-2-2 耦合分析 12
2-3 鋼材在高溫下之材料性質 12
2-4 非線性有限元素分析 16
2-4-1 定載加溫冷卻試驗之基本假設 16
2-4-2 基本參數設定 17
2-4-3 模擬分析操作過程步驟 19
第三章 程式驗證 26
3-1 前言 26
3-2 簡支梁結構 26
3-2-1 結構設計 26
3-2-2 簡支梁之物理解 27
3-2-3 模擬之分析與步驟 31
3-2-4 模擬之結果與討論 33
3-3 鋼梁柱定載加溫實驗 34
3-3-1 實驗設計 34
3-3-2 實驗結果 35
3-3-3 Ansys軟體模擬分析 36
3-3-4 模擬之分析與步驟 37
3-3-5 模擬之結果與討論 38
第四章 結果與討論 42
4.1 前言 42
4.2 範例一：火爐內鋼結構之線性加溫及降溫 44
4.3 範例二：火爐內鋼結構之CNS火場曲線升溫及線性降溫 48
第五章 結論 52
參考文獻 54






表目錄

表(2.1) EUROCODE3 在高溫下鋼材之應力應變關係折減係數 56
表(2.2) 鋼梁與鋼柱斷面基本資料 57
表(2.3) 各部位之溫度比例 58
表(3.1) 公制W203×60規格截面性質 59
表(3.3) 各位之溫度比例 60
表(3.4) ANSYS 熱分析各部位的歷時溫度分佈 61
表(3.5) ANSYS非線性結構分析結果 (CASE A) 62
表(3.6) ANSYS非線性結構分析結果 (CASE B ) 63
表(3.7) ANSYS非線性結構分析結果 (CASE C ) 64
表(4.1) 範例一：結構各部位位移與梁底部溫度、時間關係 65
表(4.2) 範例一：軸向應力、平均剪應力和時間、溫度之關係 66
表(4.3) 範例二：結構各部位位移與梁底部溫度、時間關係 67
表(4.4) 範例二：軸向應力、平均剪應力和時間、溫度之關係 68




圖目錄

圖(2.1) Newton-Raphson法 69
圖(2.2) 熱和結構兩元素相容關係圖 69
圖(2.3) 耦合分析流程圖 70
圖(2.4) 熱傳導係數與溫度關係圖 70
圖(2.5) 比熱係數與溫度關係圖 71
圖(2.6) H鋼形狀示意圖 71
圖(2.7) 線性加溫圖 72
圖(2.8) CNS火場溫度上升曲線圖 72
圖(2.9) SOLID87 & SOLID92 十節點四面體元素二階元素 73
圖(2.10) ANSYS 3-D模型 73
圖(2.11) 元素大小設定操作視窗 74
圖(2.12) 自由劃分元素網格操作視窗 74
圖(2.13) 有限元素網格模型 75
圖(2.14) 梁底部翼鈑線性升溫曲線公式之操作視窗 75
圖(2.15) 施加溫度條件操作視窗 76
圖(2.16) 分析類型操作視窗 76
圖(2.17) 參數設定操作視窗 77
圖(2.18) 參數設定操作視窗 77
圖(2.19) 參數設定操作視窗 78
圖(2.20) LOAD STEP設定操作視窗 78
圖(2.21) 施加溫度條件操作視窗 79
圖(2.22) L.S求解操作視窗 79
圖(2.23) 轉換元素指令操作視窗 80
圖(2.24) 線性加溫LOAD STEP 3時間之操作視窗 80
圖(2.25) CNS加溫LOAD STEP 3時間之操作視窗 80
圖(2.26) 參數設定操作視窗 81
圖(3.1) 簡支梁結構配置圖 82
圖(3.2) 梁之撓度 82
圖(3.3) 結構微變自由體圖 83
圖(3.4) 均佈載重w自由體圖 83
圖(3.5) 梁上各位置之剪力分佈圖 84
圖(3.6) 梁上各位置之彎矩分佈圖 84
圖(3.7) ANSYS 3-D模型 85
圖(3.8) 操作視窗圖 85
圖(3.9) 3D有限元素模型圖。 86
圖(3.10) 操作流程圖 86
圖(3.11) 結構變形圖 87
圖(3.12) 試體與火爐安置圖 87
圖(3.13) 梁柱接頭細部構造圖 88
圖(3.14) 線性升溫圖 88
圖(3.15) 接頭轉角定義之示意圖 89
圖(3.16) 四個試體轉角與梁底溫關係圖 89
圖(3.17) 3D有限元素模型 90
圖(3.18) 試體A梁底溫700℃之結構變形圖 90
圖(3.19) CASE A 梁端轉角與梁底溫度關係圖 91
圖(3.20) CASE B梁端轉角與梁底溫度關係圖 91
圖(3.21) 升溫冷卻降溫之時間-溫度關係圖 92
圖(3.22) 時間-溫度-梁端轉角曲線圖 92
圖(4.1) H型鋼結構配置圖 93
圖(4.2) 試體各部位位移示意圖 93
圖(4.3) 梁柱接頭之軸向應力及平均剪應力位置 94
圖(4.4) 梁截面之軸向應力及平均剪應力位置 94
圖(4.5) 上柱側向位移與梁底部溫度、時間關係圖 95
圖(4.6) 下柱側向位移與梁底部溫度、時間關係圖 95
圖(4.7) 梁中點垂直位移與梁底溫度、時間關係圖 96
圖(4.8) 梁左端軸向應力 與梁底溫度、時間關係 96
圖(4.9) 梁左端平均剪應力 與梁底溫度、時間關係 97
圖(4.10) 上柱側向位移與梁底部溫度、時間關係圖 97
圖(4.11) 下柱側向位移與梁底部溫度、時間關係圖 98
圖(4.12) 梁中點垂直位移與梁底溫度、時間關係圖 98
圖(4.13) 梁左端軸向應力 與梁底溫度、時間關係 99
圖(4.14) 梁左端剪應力 與梁底溫度、時間關係 99

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