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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳景智
研究生(外文):Jing-Ching Chen
論文名稱:實尺寸H型鋼構架高溫火害行為之數值模擬
論文名稱(外文):The Numerical Simulations for the Full Scale H-Shaped Steel Frame in Fire
指導教授:鍾興陽
指導教授(外文):Hsin-Yang Chung
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:土木工程學系專班
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:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:198
中文關鍵詞:H型構架懸垂效應火害高溫軸向束制耐火鋼有限元素法
外文關鍵詞:Finite-Element AnalysisCatenary EffectH-Shaped FrameElevated TemperaturesAxial RestraintFire-Resistant Steel
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本研究利用三維非線性有限元素程式ABAQUS,配合「區塊溫度給定分析法」與「FDS-ABAQUS非耦合分析法」模擬一實尺寸H型鋼構架試體在高溫爐中受定載加溫的高溫火害行為,探討鋼梁構件在高溫火害時軸向受到束制的結構變形行為與破壞機制;此外,本論文亦再透過FDS動態火場模擬程式與ABAQUS有限元素程式模擬火場中有無遮蔽物對試體所造成的影響,並針對耐火鋼鋼梁在H型鋼構架試體中的高溫火害行為,探討其耐火能力,藉以提出耐火鋼用於鋼梁構件之可行性。結果顯示:H型鋼構架中的鋼梁構件在高溫火害下因受到軸向束制的影響,在火場升溫初期鋼梁會受到軸向壓力而產生P-�堔釋部A使得撓度增加,在火場升溫後期,鋼梁因勁度折減產生大變形而形成懸垂效應,變形加劇,使得鋼梁受到軸向拉力; FDS-ABAQUS非耦合分析法模擬,不論在破壞溫度、挫屈位置以及試體結構變形上,皆有不錯的結果,且可更真實的模擬試體受火害高溫之行為;此外,全梁構件皆為耐火鋼材確實能有效提升耐火性能。
This study employed finite-element program ABAQUS to simulate the structural behaviors of the constant loaded full-scale H-shaped steel frames tested at elevated temperatures by Block Temperature Assigned Method and FDS-ABAQUS Uncoupled Thermal-Stress Analysis Method, and discussed the structural deformations and failure mechanisms of the axially restrained steel beams at high temperatures. In addition, this study also simulate the effect with or without the fire barrier (i.e. the lateral bracing frame) on the specimens at elevated temperatures by using FDS and ABAQUS. The feasibility of using fire-resistant steel to improve the structural performance of steel beams at elevated temperatures was also studied. The numerical simulation results show that, at the initial stage of elevated temperatures, the deflection of the axially compressed steel beam increases due to P-�� effect. At the final stage of elevated temperatures, the steel beam results in large large deformation due to catenary effect. Compared to the numerical results from Block Temperature Assigned Method, FDS-ABAQUS Uncoupled Thermal-Stress Analysis can provide better results on the simulations of critical temperature, buckling location and structural deformation, and therefore can simulate more realistic structural behaviors of steel specimens at elevated temperatures. Besides, the whole beam made of fire-resistant steel can effectively improve the fire-resistant performance.
摘要 I
ABASTRACT II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
表符號 XIII
第一章 緒論 1
1.1. 研究動機與背景 1
1.2. 研究目的 4
1.3. 研究方法 4
1.4. 論文架構 6
第二章 文獻回顧 10
2.1. 前言 10
2.2. 鋼結構梁柱接頭高溫行為相關研究 10
2.3. ABAQUS有限元素數值分析相關研究 13
2.4. FDS非均勻熱傳分析相關研究 14
第三章 H型鋼構架試體設計 16
3.1. 前言 16
3.2. 試體材料介紹 16
3.2.1. 普通鋼SN490B 16
3.2.2. 耐火鋼SN490C-FR 17
3.3. 試體設計流程 18
第四章 ABAQUS分析相關理論 28
4.1. 前言 28
4.2. 接觸分析 28
4.3. 應力-應變轉換 31
4.4. 非線性結構分析 34
4.5. 疊代收斂性 35
4.6. 元素理論 37
4.7. 熱傳理論 39
第五章 H型鋼構架之數值模擬 49
5.1. 基本假設 49
5.1.1. 常溫試驗模擬 49
5.1.2. 高溫試驗模擬 50
5.2. 溫度場模擬 50
5.2.1. 區塊溫度模擬法 50
5.2.2. FDS動態火場模擬 51
5.3. 模擬方法 53
5.3.1. 區塊溫度給定分析法 53
5.3.2. FDS-ABAQUS非耦合分析法 53
5.4. 模型建立 54
5.5. 材料參數 56
5.6. 分析步驟 59
5.6.1. 常溫試驗分析步驟 59
5.6.2. 高溫試驗分析步驟 59
5.7. 接觸給定 61
5.8. 邊界條件設定 62
5.8.1. 力的加載 62
5.8.2. 邊界的束制 63
5.8.3. 溫度給定 64
5.9. 網格設定 65
5.9.1. 元素選定 65
5.9.2. 網格劃分 65
5.10. 後處理程序 68
第六章 分析結果與比較 100
6.1. 前言 100
6.2. 常溫力控制試驗模擬結果(第Ⅰ組試體) 100
6.3. 高溫試驗模擬結果 101
6.3.1. 第Ⅱ組試體高溫試驗分析結果 101
6.3.2. 第Ⅲ組試體高溫試驗分析結果 106
6.3.3. 第Ⅳ組試體高溫試驗分析結果 110
6.4. 破壞溫度判斷準則 115
6.5. Type C試體各分析結果之比較 116
6.6. Type D試體各分析結果之比較 118
6.7. Type E試體各分析結果之比較 120
6.8. 不同鋼材試體分析結果之比較 122
6.8.1. FDS1火場各試體分析結果比較 122
6.8.2. FDS2火場各試體分析結果比較 124
第七章 結論與建議 190
參考文獻 194
自述 198
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