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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李祈安
研究生(外文):Chi-AnLee
論文名稱:實尺寸箱型鋼柱高溫補強之數值模擬
論文名稱(外文):Numerical Simulations of Full-Scale Steel Box-Column Strengthenings at Elevated 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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:318
中文關鍵詞:破壞溫度非線性有限元素法耐火鋼箱型鋼柱挫屈火害鋼結構建築
外文關鍵詞:Critical TemperatureNonlinearFinite-Element MethodFire-Resistant SteelSteel Box-ColumnBucklingFireSteel Building Frame.
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本論文主要是利用三維非線性有限元素軟體來模擬並探討受固定載重作用之鋼構架於火害高溫侵襲下,其箱型鋼柱的高溫補強問題,本研究先對兩種邊界條件之H形鋼構架箱型柱,採用不同補強方式,進行定載升溫的數值模擬,以測試可能的箱型鋼柱高溫補強方式,詳細觀察鋼柱的臨界溫度與破壞模式,並探討其耐火效益,找出最佳經濟效益的補強方式,再將其套用於整體三維鋼構架的數值模型中,以ISO-834升溫曲線對結構表面升溫,來驗證其可行性與成效。研究結果顯示:H形鋼構架之箱型柱高溫補強,以耐火鋼加勁肢在箱型柱內部呈十字形狀加勁,所提升的溫度最多,但是若以經濟效益來看,且耐火鋼成本為普通鋼成本的1.5倍時,以普通鋼加勁肢在箱型柱內部呈十字形狀加勁為最佳;而經由整體三維鋼構架的數值模擬結果驗證了採用十字形排列加勁肢的可行性,並且發現整體三維鋼構架均為內梁與內柱達到破壞。
This thesis employed a three-dimensional nonlinear finite-element program to simulate and investigate the high-temperature strengthening problem for steel box columns in the constant loaded steel frame on fire. Various possible box-column strengthening strategies were utilized in two steel H-shaped frame models under the same constant-load and elevated temperatures simulation to search for the cost-effective high-temperature strengthening strategies for box-columns. Critical temperatures, failure modes, fire-resistance performances and costs of the strengthened box columns using various strategies were studied and compared. The cost-effective strategy was employed in the numerical model of a three-dimensional steel building frame which was heated by the ISO-834 time-temperature curve to verify its feasibility and performance. The numerical simulation results showed that using the cross-shaped fire-resistant steel stiffener inside each box column of the H-shaped steel frame provided the most temperature improvement at elevated temperatures. However, using the cross-shaped normal steel stiffener inside the box column provided the most cost-effective strategy if the ratio of fire-resistant steel cost to normal steel cost equaled 1.5. The numerical simulation results of the three-dimensional steel building frames at elevated temperatures verified the feasibility of the cross-shaped arranged stiffeners inside a box column, and all the steel building frames failed due to the failures of interior beams and interior column.
摘要 I
Abstract III
誌謝 V
目錄 VII
表目錄 X
圖目錄 XI
符號表 XVII
第1章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 3
1.3 研究方法 4
1.4 論文架構 6
第2章 文獻回顧 8
2.1 前言 8
2.2 鋼柱高溫下挫屈行為之相關文獻 8
2.3 鋼構架火害行為之相關文獻 10
2.4 FDS非均勻熱傳分析之相關文獻 12
第3章 有限元素分析相關理論 14
3.1 前言 14
3.2 工程與真實應力-應變轉換 14
3.3 材料破壞準則 17
3.3.1 鋼材降伏準則 17
3.3.2 混凝土破壞準則 18
3.4 非線性結構分析 22
3.5 疊代收斂性 24
3.6 元素理論 26
3.7 熱傳理論 29
3.8 潛變理論 31
3.9 後挫屈分析 34
第4章 數值模型設計與命名 42
4.1 前言 42
4.2 材料介紹 42
4.2.1 鋼材介紹 42
4.2.2 混凝土材料介紹 44
4.3 常溫驗證用簡支承箱型柱 45
4.4 高溫H形鋼構架柱補強模型 45
4.4.1 H形鋼構架種類 45
4.4.2 H形鋼構架模型柱體補強方式 47
4.4.3 H形構架柱補強模型編號 48
4.5 兩跨乘兩跨兩層樓整體構架模型 50
第5章 鋼構架之高溫數值模擬 79
5.1 前言 79
5.2 基本假設 79
5.3 材料參數 81
5.3.1 彈性模數 82
5.3.2 塑性應力-應變曲線 82
5.3.3 柏松比 83
5.3.4 熱膨脹係數 84
5.3.5 熱傳導係數 84
5.3.6 比熱 85
5.3.7 鋼材潛變參數 86
5.4 數值分析步驟 90
5.4.1 常溫驗證用箱型柱 90
5.4.2 高溫H形鋼構架柱補強模型 90
5.4.3 兩跨乘兩跨兩層樓整體構架模型 91
5.5 接觸設定 92
5.6 邊界設定 94
5.6.1 外力加載 94
5.6.2 邊界束制 99
5.6.3 溫度給定 101
5.7 網格設定 101
5.8 後處理 104
第6章 高溫H形鋼構架柱補強模擬結果 127
6.1 前言 127
6.2 常溫驗證用簡支承箱型柱 128
6.2.1 採用支承端旋轉擾動之分析結果 128
6.2.2 採用柱中點側向位移擾動之分析結果 129
6.2.3 小結 129
6.3 第I類H形鋼構架柱補強模型(導向支承) 130
6.3.1 未補強模型之模擬結果 131
6.3.2 耐火鋼補強模型之模擬結果 132
6.3.3 普通鋼加勁肢補強模型之模擬結果 136
6.3.4 耐火鋼加勁肢補強模型之模擬結果 141
6.3.5 小結 146
6.4 第II類H形鋼構架柱補強模型(固定支承) 148
6.4.1 未補強模型之模擬結果 149
6.4.2 耐火鋼補強模型之模擬結果 150
6.4.3 普通鋼加勁肢補強模型之模擬結果 154
6.4.4 耐火鋼加勁肢補強模型之模擬結果 159
6.4.5 小結 165
6.5 各模型補強後之經濟效益 167
6.5.1 第I類H形鋼構架柱補強模型之經濟效益 167
6.5.2 第II類H形鋼構架柱補強模型之經濟效益 168
6.5.3 小結 169
第7章 整體構架模型分析結果與比較 253
7.1 前言 253
7.2 單一構件破壞溫度判斷 253
7.3 整體構架模擬結果補強效果比較 255
7.3.1 整體變形圖 255
7.3.2 柱變形行為 256
7.3.3 梁變形行為 258
7.3.4 樓板變形行為 259
7.3.5 小結 260
7.4 整體構架模擬結果梁柱行為比較 262
7.4.1 柱變形行為與反力 263
7.4.2 梁變形行為 267
7.4.3 樓板變形行為 270
7.4.4 小結 270
第8章 結論與建議 310
8.1 結論 310
8.2 建議 313
參考文獻 314
自述 318
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