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研究生:周俊融
研究生(外文):Chun-rong Chou
論文名稱:剪力片接頭於高溫下之破壞分析
論文名稱(外文):The Failure Analyses of Shear Tab Connections at High Temperatures
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:土木工程學系碩博士班
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:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:190
中文關鍵詞:剪力片接頭有限元素法高溫懸垂效應受力角度破壞模式
外文關鍵詞:Shear Tab ConnectionFinite-Element MethodHigh TemperatureCatenary EffectForce AngleFailure Mode
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本論文利用三維非線性有限元素程式來研究鋼結構接合經常使用的剪力片接頭於高溫下之破壞模式與強度變化。由於鋼梁構件在火害升溫過程中的懸垂效應與降溫過程中的收縮效應,使得剪力片接頭在高溫下受到不同於常溫時垂直向角度的施力,因而發生不同於常溫時的破壞模式。本研究將探討剪力片接頭在不同高溫下受到不同角度的拉力作用下剪力片接頭的強度與破壞模式變化;此外,本研究亦將比較耐火鋼與普通鋼剪力片在高溫行為的差異。透過三維非線性有限元素分析所得之剪力片接頭在不同高溫與不同施力角度的強度結果將與AISC-LRFD之公式解做比較,以檢驗AISC-LRFD公式對於剪力片接頭在高溫下受到不同角度施力作用時的適用性,而由角度與強度關係圖發現,當受力角度改變時,剪力片的強度以及破壞模式會有所不同,而且發生極值(極大值或極小值)的角度通常也是破壞模式轉換之角度。
This thesis utilized a three-dimensional nonlinear finite-element program to study the failure modes and strength variations of the commonly used shear tab connections in steel framing at high temperatures. Due to the catenary effect of steel beam members in the temperature rising process and the shrinkage effect of steel beam members in the temperature decreasing process, the shear tab connections are subjected to the forces different from the vertical shear forces at ambient temperature and having the failure modes different from those at ambient temperature. This research studied the strength and failure mode variations of the shear tab connections at various high temperatures and various force angles of tensile loads, and also compared the high temperature structural behaviors of shear tab connections using fire-resistant steel and normal structural steel. The three-dimensional nonlinear finite-element results will be compared with the results computed from AISC-LRFD formulas to examine the feasibility of using AISC-LRFD formulas to evaluate the strengths of shear tab connections subjected to the tensile loads of various force angles at high temperatures. The force angle-strength diagrams show that the strengths and failure modes of shear tab connections change with the force angles, and the force angle corresponding to the maximum or minimum strength in the force angle-strength diagrams is usually the angle of failure mode transition.
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
符號表 XIV
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 4
1.3 研究方法 5
1.4 論文架構 6
第二章 文獻回顧 10
2.1 前言 10
2.2 螺栓接合之有限元素數值分析 10
2.3 剪力片接頭之有限元素數值分析 12
第三章 剪力片之破壞模式與計算 14
3.1 前言 14
3.2 剪力片試體設計與檢核 16
3.3 常溫下剪力片之破壞模式 17
3.4 剪力片試體之強度計算 20
3.4.1 鋼材機械性質 20
3.4.2 常溫下三孔剪力片之強度 21
3.4.3 常溫下五孔剪力片之強度 22
3.5 高溫下與不同受力角度之剪力片強度 22
3.5.1 高溫下三孔剪力片之強度 26
3.5.2 高溫下五孔剪力片之強度 27
3.6 小結 27
第四章 ABAQUS分析之相關理論 50
4.1 前言 50
4.2 有限元素理論 50
4.3 真實應力、應變轉換 51
4.4 塑性行為 53
4.5 Von Mises破壞降伏準則 55
4.6 Newton-Raphson演算法 56
4.7 收斂性之依據 57
4.8 非線性結構分析 59
4.9 接觸性質之理論 60
第五章 高溫下剪力片受力行為之數值模擬 66
5.1 ABAQUS模型之建立 66
5.2 模型之假設條件 66
5.3 幾何形狀 67
5.4 材料參數 67
5.4.1 彈性模數 67
5.4.2 塑性性質 67
5.4.3 柏松比 68
5.4.4 熱膨脹係數 69
5.5 分析步之設定 70
5.6 邊界之設定 70
5.7 接觸條件之設定 71
5.8 網格劃分 72
5.9 元素種類之選擇 73
5.10 收斂性分析 74
5.10.1 厚度方向網格層數之分析 75
5.10.2 平面網格密度之分析 75
5.11 破壞模式定義 77
第六章 剪力片之數值分析結果 89
6.1 前言 89
6.2 三孔剪力片之分析結果 89
6.2.1 SN490B普通鋼 89
6.2.2 SN490C-FR耐火鋼 90
6.3 五孔剪力片之分析結果 91
6.3.1 SN490B普通鋼 91
6.3.2 SN490C-FR耐火鋼 91
6.4 三孔與五孔剪力片比較與討論 92
6.4.1 剪力片受力角度與強度以及破壞模式之關係 92
6.4.1.1 三孔剪力片 93
6.4.1.2 五孔剪力片 95
6.4.2 剪力片公式解與分析解之比較 98
6.4.2.1 三孔剪力片 98
6.4.2.2 五孔剪力片 99
6.4.3 剪力片分析解與F10T高強度螺栓以及耐火螺栓之比較 100
6.4.3.1 三孔剪力片 100
6.4.3.2 五孔剪力片 102
第七章 結論與建議 157
參考文獻 160
附錄 A 常溫下剪力片受力角度為0°時之強度 163
附錄 B 剪力片有限元素分析之力與位移關係圖 171
自序 190
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陳生金,“鋼結構設計”,科技圖書,(2003)

陳諺輝,“螺栓孔於高溫下承壓行為之量測與數值分析”,國立成功大學土木工程系,台南(2006)

林子賓,“高溫下螺栓孔承壓能力之研究”,國立成功大學土木工程系,台南(2006)

愛發股份有限公司編著,「ABAQUS實務入門引導」,全華科技圖書股份有限公司印行,台北(2007)

洪健晉,“高強度螺栓於高溫下之抗剪行為量測與數值模擬”,國立成功大學土木工程系,台南(2008)
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