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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:塗竣博
研究生(外文):Tu, Chun-Po
論文名稱:版式結構設計優化與超高性能混凝土材料優化實驗研究
論文名稱(外文):Optimization of Shell Member Design and Ultra-High Performance Concrete Material Experiment
指導教授:劉光晏劉光晏引用關係
指導教授(外文):Liu, Kung-Yen
口試委員:劉光晏施宣光洪崇展陳彥睿
口試日期:2022-07-27
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
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:2022
畢業學年度:110
語文別:中文
論文頁數:119
中文關鍵詞:Kiwi!3DUHPCAbaqus CDP結構優化
外文關鍵詞:Kiwi!3DUHPCAbaqus CDPstructural optimization
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本研究針對版片構件在設計和施作兩方面進行優化,設計端方面驗證建築設計常用設計軟體 Rhino3D 中外掛軟體 Kiwi!3D與一般結構分析軟體所計算結果 。 本研究利用 Sap2000 software verification Example2-005 shell-rectangular plate with static load以及 Example 2-006 shell-scordelis-lo roof with static load進行驗證,並與有限元素軟體 Abaqus和 Kiwi!3D進行比較,發現 Kiwi!3D與 Abaqus軟體分析結果相近 。 分析須注意因為不連續的邊界條件和力量加載造成的誤差,並透過網格細化減少誤差發生 。 針對版式構件參考國內現有論文,在建築設計軟體 Rhino3D中使用 Kiwi!3D軟體中簡述結構優化設計流程。在施作方面針對其材料進行改良,選用超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,,簡稱 UHPC 進行試體製作,其高強度且緻密特性,在預鑄構件上有良好的發揮,但相較於一般混凝土成本相對較高 。 本研究使用水泥和砂 漿 一半 UHPC粉末取代製成半取代配比,並與純 UHPC比較,測試材料性質,包括流度、收縮率、抗壓強度、抗拉強度以及抗彎強度,對其材料性質進行比較和統整 。 另外製作兩種不同配比的大型試體進行試驗,分別為長 2公尺、寬 1公尺、厚度為 2.5公分版構件,並利用現有模具製作波浪形椅子試體 。 比較兩種配比在大型試驗的力學行為,並利用 Abaqus中 Concrete Damaged Plasticity(CDP)材料參數 來模擬 UHPC材料性質行為,驗證實驗中所求得數據,並從實驗及軟體分析的角度比較兩種配比的差異性 。半取代配比在材料性 質 上雖然力學強度下降,但其材料 仍 滿足裝飾類 UHPC標準,在大型試驗則從實驗和分析得知半取代配比相較純 UHPC配比力學性質下降 10%以內。
In this research, the shell members are optimized from the aspects of design and construction. In the design side verifies whether the analysis results of the plug-in software Kiwi!3D in Rhino3D, a commonly used design software for architectural design, are consistent with the results of general structural analysis software. Using the shell members example in Sap2000 compare to finite element software Abaqus and Kiwi!3D results. For the design of shell members, referring to the existing domestic papers, the structural optimization design is carried out in the Kiwi!3D software.
In terms of construction, the materials are improved. To pursue a thinner thickness, high-strength materials are used for construction. A new material, Ultra-High Performance Concrete (UHPC) is a good choice. It provides dense and high-strength material properties and is highly imaginative in maintenance and design. However, compared with general concrete, the cost is high. How to achieve a balance has become a major issue. In this research, two type UHPC mixing are tested. Pure UHPC and a half-substituted mix of cement and sand with half of the UHPC powder are tested their material properties, including fluidity, shrinkage, compressive strength, tensile strength, and flexural strength.
Using two type UHPC mixing ratio is made of 2 meters long, 1 meter wide, and 2.5 cm thick shell members for loading experiments, and make wavy chairs with different ratios to observe whether their mechanical behavior satisfies design requirements and use the Concrete Damaged Plasticity (CDP) material parameters in Abaqus to simulate the behavior of UHPC material properties to verify the data obtained in the experiment.
摘要I
誌謝V
目錄VI
圖目錄XI
表目錄XVII
符號表XXI
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 1
1.3 研究目的 2
第2章 文獻回顧 3
2.1 軟體介紹 3
2.1.1 Rhino 3D 3
2.1.2 Grasshopper 3
2.1.3 Kiwi!3D 4
2.2 UHPC 4
2.3 軟體分析 5
第3章 軟體優化 7
3.1 前言 7
3.2 軟體驗證 9
3.2.1 2英吋2英吋版片驗證 9
3.2.1.1 Sap2000 9
3.2.1.2 Kiwi!3D 10
3.2.1.3 Abaqus 15
3.2.2 2英吋10英吋版片驗證 17
3.2.2.1 Sap2000 17
3.2.2.2 Kiwi!3D 18
3.2.2.3 Abaqus 19
3.3 曲面版片驗證 20
3.4 Kiwi!3D結構優化 21
3.4.1 懸鏈線椅子案列 22
3.4.2 曲面椅子案例 24
3.5 軟體優化統整 26
3.5.1 軟體驗證 26
3.5.2 結構優化 26
第4章 UHPC材料試驗 27
4.1 前言 27
4.2 UHPC(純配比) 28
4.2.1 流度試驗 29
4.2.2 收縮率試驗 30
4.2.3 方塊抗壓試驗 32
4.2.4 抗拉試驗 33
4.2.5 抗彎試驗 35
4.2.5.1 三點抗彎試驗 35
4.2.5.2 版片抗彎試驗 37
4.3 UHPC(半取代配比) 39
4.3.1 流度試驗 40
4.3.2 收縮率試驗 41
4.3.3 方塊抗壓試驗 42
4.3.4 抗拉試驗 43
4.3.5 抗彎試驗 44
4.3.5.1 三點抗彎試驗 44
4.3.5.2 版片抗彎試驗 46
4.4 材料性質統整 48
第5章 UHPC實驗 49
5.1 實驗配置 49
5.1.1 版構件風力計算 51
5.1.2 版構件地震力計算 53
5.2 試體施作 55
5.3 試體配置 59
5.4 試驗儀器 60
5.4.1 五百噸萬能試驗機 60
5.4.2 HBM資料擷取系統 60
5.5 感測器配置 61
5.5.1 位移計 61
5.5.2 混凝土應變計 63
5.6 實驗結果 67
5.6.1 波浪椅(純UHPC配比) 67
5.6.2 波浪椅(半取代UHPC配比) 73
5.6.3 平版試體(純UHPC配比) 79
5.6.4 平版試體(半取代UHPC配比) 84
5.7 實驗結果統整 89
第6章 軟體分析 90
6.1 CDP模型參數設定 92
6.1.1 基本參數設定 92
6.1.2 受壓應力-應變曲線建立 92
6.1.2.1 純UHPC配比 95
6.1.2.2 半取代配比 96
6.1.3 拉伸應力-應變曲線建立 97
6.1.3.1 純UHPC配比 98
6.1.3.2 半取代配比 99
6.2 CDP軟體驗證 100
6.3 CDP分析結果 102
6.3.1 波浪椅(純UHPC配比) 102
6.3.2 波浪椅(半取代配比) 105
6.3.3 平版試體(純UHPC配比) 108
6.3.4 平版試體(半取代配比) 111
6.4 軟體分析統整 114
第7章 結論與建議 116
7.1 結論 116
7.2 建議 117
參考文獻 118
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