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研究生:李秉勲
研究生(外文):Li, Bing-Syun
論文名稱:輕型鋼木複合梁靜態加載試驗研究
論文名稱(外文):Static Loading Test for Cold-Formed Steel-Timber Composite Beams
指導教授:杜怡萱杜怡萱引用關係
指導教授(外文):Tu, Yi-Hsuan
口試委員:鍾育霖葉玉祥
口試委員(外文):Chung, Yu-LinYeh, Yu-Hsiang
口試日期:2023-07-10
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:建築學系
學門:建築及都市規劃學門
學類:建築學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2023
畢業學年度:111
語文別:中文
論文頁數:300
中文關鍵詞:鋼木複合輕量結構抗彎試驗撓度剛度
外文關鍵詞:Steel-Timber Compositelightweight structuresbending testsdeflectionstiffness
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為解決輕型鋼構造撓度過大及桿件易發生局部或整體挫曲之問題,並兼顧其防火披覆的需求,實務設計者針對用於較大跨距之輕型鋼桁架梁,提出將柳杉集成木板包覆於外周,組合成鋼木複合(Steel-Timber Composite, STC)斷面之構想。本研究針對此一輕量化、施工簡易的創新低碳建築工法進行結構性能之探討,先透過小型構件剪力試驗測試各種輕型鋼與木材複合介面接合方式之有效性,再藉由足尺結構抗彎試驗了解輕量鋼木複合梁構件在垂直載重下之行為,並提出可適切評估輕量鋼木複合梁構件剛度之結構分析方法,以提供此工法應用於建築實務設計時之參考。
構件剪力試驗依照複合梁所使用材料斷面尺寸及接合情境設計三類雙剪試體,包括:木-木接合,及垂直纖維與平行纖維之鋼-木接合,搭配由自攻螺絲、螺桿及結構膠組合而成的五種介面接合形式。試驗結果顯示,垂直纖維試體破壞由邊材壓縮主控,載重-位移曲線及強度差異甚微;而平行纖維試體破壞由接合面主控,接合介面使用膠合劑時,可提高強度及剛度,並減少木材劈裂、連接件破壞及抑制鋼木介面發生滑移。
結構抗彎試驗以定速度位移控制的反覆加載進行,比較前述五種不同接合形式的鋼木複合梁與單純輕型鋼桁架梁的結構行為差異。試驗結果顯示,相較單純輕型鋼桁架梁,鋼木複合梁之抗彎強度及剛度明顯提升,在強度-自重比、剛度-自重比及性價比方面皆優於單純桁架梁。與木材複合可有效抑制輕型鋼桿件局部變形並減少銲道斷裂;接合介面使用膠合或以膠合與連接件併用時,應力可均勻傳遞,大幅減少桁架部分之破壞行為,並抑制木材劈裂、連接件破壞及鋼木介面產生滑移;連接件的使用,也可有效抑制膠合面破裂的擴張。
本研究根據試驗結果,提出以搭配不同接合形式之剛度折減係數修正柳杉集成材彈性與剪切模數的結構分析模式,能簡便並合理地評估輕型鋼木複合梁在使用載重下剛度提升之效果。
To address the issues of the fire-protection requirements, excessive deflection and buckling in cold-formed steel (CFS) structures, Steel-Timber Composite (STC) for larger span was proposed by practitioners. This research explores the structural performance of STC by conducting shear tests on small-scale composite specimens and bending tests on full-scale STC beam, and proposes a structural analysis method to evaluate the stiffness.
The shear tests include three types of specimens: wood-to-wood bonding and vertical and parallel fiber steel-to-wood bonding. These specimens are assembled using five different interface bonding methods, combining self-tapping screws, bolts, and structural adhesives. The results indicate that failure is controlled by the compression of the side members in the vertical fiber specimens, resulting in similar load-displacement curves and strength. In the parallel fiber specimens, failure is primarily controlled by the bonding interface. The use of adhesives in the bonding interface enhances strength and stiffness.
The bending tests compares the structural behavior of the five different configurations of STC beams with that of CFS truss beams. STC beams significantly improved bending strength and stiffness, and outperform the latter in terms of strength-to-weight ratio, stiffness-to-weight ratio, and cost-performance ratio. Additionally, STC mitigates deformation in CFS members and reduces weld fractures. The application of adhesive ensures even stress distribution, minimizing damage to the truss and preventing wood splitting, connector failure, and the interface sliding.
Based on the test results, this study proposes a structural analysis model that incorporates stiffness reduction coefficients corresponding to different configurations to evaluate the stiffness of the STC beam.
第一章 緒論1
1.1 研究動機與目的 1
1.1.1 研究動機 1
1.1.2 研究目的 3
1.2 文獻回顧 4
1.2.1 鋼木複合構造相關文獻 4
1.2.2 輕型鋼構相關文獻 6
1.2.3 鋼木複合構件防火相關文獻 8
1.2.4 國產材相關文獻 9
1.2.5 相關規範 10
1.3 研究方法與流程 11
1.4 章節概述 12
第二章 材料基本性質及試驗 13
2.1 國產柳杉 13
2.1.1 柳杉基本性質 13
2.1.2 柳杉集成材製程 15
2.2 輕型鋼 22
2.2.1 輕型鋼種類 22
2.2.2 輕型鋼抗拉試驗 24
2.3 剪力連接件 25
2.3.1 連接件種類 25
2.3.2 連接件抗拉試驗 26
2.3.3 連接件抗剪試驗 27
2.4 膠合劑 28
第三章 構件剪力試驗 30
3.1 試體設計 30
3.2 試驗配置及規劃 39
3.3 試體強度估算 40
3.4 試驗結果 44
3.4.1 破壞模式概述 44
3.4.2 試體受力與變形關係 57
3.4.3 試體殘餘變形 64
3.5 比較與討論 67
3.5.1 破壞模式歸納 67
3.5.2 剛度比較 71
3.5.3 強度比較 72
3.6 小結 74
第四章 鋼木複合梁抗彎試驗 75
4.1 試體設計 75
4.2 試體施作過程 79
4.3 試驗方法 82
4.3.1 試驗裝置 82
4.3.2 量測設備 85
4.3.3 加載歷程 87
4.4試驗結果 89
4.4.1 試體破壞歷程概述 89
4.4.2 試體受力與變形關係 116
4.4.3 其他量測儀器數值 121
4.5 比較與討論 137
4.5.1 破壞模式 137
4.5.2 強度比較 142
4.5.3 剛度比較 146
4.5.4 施工可行性及性價比 148
4.6 小結 152
第五章 鋼木複合梁結構分析模型建置 153
5.1 桁架模型設定 153
5.1.1 輕型鋼斷面及材質設定 153
5.1.2 支承及加載設定 155
5.1.3 桁架節點設定 156
5.2 鋼木複合梁模型設定 157
5.2.1 板元件設定 157
5.2.2 剛度折減係數推導 158
5.3 分析結果與比較 160
5.4 小結 161
第六章 結論與建議 162
6.1 結論 162
6.2 建議 165
參考文獻 166
附錄A 材料基本試驗報告 170
附錄B 構件剪力試驗試體前後對照表 174
附錄C 鋼木複合梁抗彎試驗試體前後對照表 226
[1]United Nations (2015) “Paris Agreement” Treaty Series, 3156. Paris
[2]IPCC, (2018) “Summary for policymakers.” Global Warming of 1.5°C. An IPCC Special Report on the impacts of global warming of 1.5°C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, H.-O. Pörtner, D. Roberts, J. Skea, P.R. Shukla, A. Pirani, W. Moufouma-Okia, C. Péan, R. Pidcock, S. Connors, J.B.R. Matthews, Y. Chen, X. Zhou, M.I. Gomis, E. Lonnoy, T. Maycock, M. Tignor, and T. Waterfield (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA, pp. 3-24, doi:10.1017/9781009157940.001.
[3]United Nations (2023) “For a livable climate: Net-zero commitments must be backed by credible action” Retrieved from https://www.un.org/en/climatechange/net-zero-coalition (Jun. 09, 2023)
[4]國家發展委員會、行政院環境保護署、經濟部、科技部、交通部、內政部、行政院農業委員會、金融監督管理委員會(2022)。臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明。
[5]邱志明(2012)。“台灣人工林經營面臨之挑戰與對策”。林業研究專訊,38(3),16-26。
[6]李桃生、邱立文、楊駿憲、黃群修(2014)。“台灣人工林產業發展之芻議”。林業研究專訊,40(3),3-14。
[7]邱志明(2006)。“台灣人工林何去何從”。林業研究專訊,32(3),54-63。
[8]王松永、張豐丞、李怡真、楊賜霖、林法勤(2005)。“柳杉疏伐木有效利用之探討”。國立臺灣大學生物資源暨農學院實驗林研究報告,19(4),293-300。doi: 10.6542/EFNTU.200512_19(4).0005
[9]王怡穩(2022)。“持續造林,木材自給”。農政與農情,357,16-19。
[10]李志璇(2023)。“「國產ㄟ材好」提升木材自給率第一步”。行政院農業委員會林業試驗所新聞稿。
[11]內政部營建署(2016)。冷軋型鋼構造建築物結構設計規範及解說。
[12]中華民國國家標準(2000)。一般結構用輕型鋼。CNS6183 G3122。
[13]Awaludin, A., Rachmawati, K., Aryati, M. & Danastri, A.D. (2015) “Development of cold formed steel-timber composite for roof structures: compression nembers.” Procedia Engineering, 125, 850-856. doi:10.1016/j.proeng.2015.11.052
[14]Irawati, S.I., Awaludin, A. & Sebastian, N.P. (2017) “The performance of cold-formed steel long-span roof structure combined with laminated timber: cold-formed steel-laminated timber composite.” Procedia Engineering, 171, 1242-1249. doi:10.1016/j.proeng.2017.01.417
[15]內政部營建署(2021)。木構造建築物設計及施工技術規範。
[16]遠藤俊貴、高木次郎、鈴木淳一、大宮喜文、野秋政希、見波進、荒木慶一、下錦田聡志(2011)。“高力ボルトで一体化した鋼木複 合断面部材の準耐火性能評価実験”。日本建築学会技術報告集,17(36),543-547。doi: 10.3130/aijt.17.543
[17]Le, T.D.H & Tsai, M.T. (2019) “Experimental assessment of the fire resistance mechanisms of timber-steel composites.” Materials, 12(23), 4003. doi:10.3390/ma12234003
[18]Le, T.D.H & Tsai, M.T. (2019) “Behavior of timber-steel composite with dowel connection under fire.” Key Engineering Materials, 803, 195-199. doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.803.195
[19]Hassanieh, A., Valipour, H.R. & Bradford, M.A. (2016) “Load-slip behaviour of steel-cross laminated timber (CLT) composite connections.” Journal of Constructional Steel Research, 122, 110-121. doi:10.1016/j.jcsr.2016.03.008
[20]Tsai, M.T. & Le, T.D.H (2018) “Determination of initial stiffness of timber–steel composite (TSC) beams based on experiment and simulation modeling.” Sustainability 2018, 10, 1220. doi:10.3390/su10041220
[21]Peterman, K.D., Nakata, N. & Schafer, B.W. (2014) “Hysteretic characterization of cold-formed steel stud-to-sheathing connections.” Journal of Constructional Steel Research, 101, 254–264. doi: 10.1016/j.jcsr.2014.05.019
[22]Serrette, R. & Nolan, D. (2017) “Wood structural panel to cold-formed steel shear connections with pneumatically driven knurled steel pins.” Practice Periodical on Structural Design and Construction, 22(3): 04017002. doi: 10.1061/(ASCE)SC.1943-5576.0000321.
[23]Derveni, F., Gerasimidis, S., Schafer, B.W. & Peterman, K.D. (2020) “High-fidelity finite element modeling of wood-sheathed cold-formed steel shear walls.” Journal of Structural Engineering, 174(2): 04020316. doi:10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0002879.
[24]林振榮、王松永、王亞男、蔡明哲、邱志明(2011)。柳杉造林木物理性材質的變異性。林業研究專訊,18(5),67-70。
[25]The American Iron and Steel Institute (2016) North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members. AISI S100-16.
[26]內政部營建署(2010)。鋼結構極限設計法規範及解說。
[27]中華民國國家標準(2019)。結構用集成材。CNS11031 O1033.。
[28]日本産業規格(2018)。軟鋼,高張力鋼及び低温用鋼用被覆アーク溶接棒。JIS Z3211 E4303。
[29]天泰焊材(2006)。“F-03”。產品手冊。
[30]天泰焊材(2006)。“R-26”。產品手冊。
[31]中華民國國家標準(1996)。金屬材料拉伸試驗法。CNS2111 G2013。
[32]中華民國國家標準(1987)。螺栓螺釘螺樁之機械性質檢驗法。CNS3935 B7076。
[33]American Society for Testing and Materials International (2021) Standard Test Methods for Determining the Mechanical Properties of Externally and Internally Threaded Fasteners, Washers, Direct Tension Indicators, and Rivets. ASTM F606/F606M-21
[34]Bostik (2006) Simson ISR 70‐05. 特殊工業系列。
[35]中華民國結構工程學會(1999)。鋼結構設計手冊-極限設計法。臺北市:科技圖書。
[36]The American Iron and Steel Institute, (2020) Test Standard for Determining the Effective Flexural Stiffness of Composite Members. AISI S924-20.
[37]內政部營建署(2021)。建築技術規則建築設計施工編。
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