竹節鋼筋受軸拉力及溫差下之應力集中分析與討論

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研究生：	陳泰宏 CHEN,TAI-HONG
論文名稱：	竹節鋼筋受軸拉力及溫差下之應力集中分析與討論
指導教授：	張瑞宏 Chang, Jui-Hung
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 土木工程學系 Department of Civil Engineering
論文出版年：	2022
畢業學年度：	110
語文別：	中文
論文頁數：	85
中文關鍵詞：	有限元素法、竹節鋼筋、應力集中
外文關鍵詞：	finite element method, deformed steel bar, stress concentration factor
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本研究主要為探討三維竹節鋼筋受軸拉力及溫差載重下的應力集中係數與二維軸對稱鋼筋應力集中係數的關聯性，以二維軸對稱模型為基礎以數值經驗公式去推算三維竹節鋼筋應力集中係數。利用三維竹節鋼筋模型建置過程較為繁瑣且分析時間相當耗時，且三維模型也較二維模型難得到精確解，其數值易受到網格大小和網格品質的影響，因此將討論兩者的關聯性，提出三維模型的轉換經驗公式，使得將二維軸對稱模型分析數值代入轉換式即可得出三維竹節鋼筋之應力集中係數，並針對此經驗式不適用的夾角角度範圍提出修正因子，使得修正後的經驗解其數值的準確性能夠提高。
為了能夠提高鋼筋的疲勞強度，鋼筋可以透過適當的熱處理，但鋼筋在高溫條件下，鋼筋若受到膨脹和收縮若受到約束時，會因此在鋼筋表面產生熱應力從而使鋼筋受到疲勞損傷，就是為了避免熱疲勞的發生，如何能夠快速得知鋼筋高應力集中發生的地方是個值得探討的議題。

The purpose of this study is to investigate the relationship between the stress concentration factor of the three-dimensional (3D) deformed steel bar caused by the axial tension and temperature difference and the one of the two-dimensional (2D) axisymmetric reinforced steel. The stress concentration factor of the 3D deformed steel bar is calculated according to the numerical empirical formula based on the 2D axisymmetric model. The process of building a 3D deformed steel bar model is time-consuming. In addition, the 3D model is more difficult to obtain the numerical solution than the 2D one, and its numerical value is easily affected by the mesh size and quality; therefore, this study proposes a transformation empirical formula of a 3D model, so the stress concentration factor of the 3D deformed steel bar can be obtained by applying the results of the 2D axisymmetric model to the transformation formula. Moreover, the correction factor obtained by the inapplicable range of the included angle using this empirical formula can improve the numerical accuracy of the corrected analytical solution.
Undergoing proper heat treatment for the reinforced steel can increase its fatigue strength. However, high temperature causes thermal stress on the surface of the reinforced steel, and therefore causes fatigue damage. This study aims to avoid the occurrence of thermal fatigue and quickly obtain where the stress concentration of the reinforced steel occurs.

摘要    i
ABSTRACT    ii
致謝    iii
目錄    iv
表目錄    viii
圖目錄    x
第一章 緒論    1
1 前言    1
2 研究動機與目的    2
3 研究方法    3
4 論文架構    4
第二章 文獻回顧    5
1 鋼筋應力集中    5
2 鋼筋熱分析    6
3 有限元素分析    7
4 有限分析軟體ABAQUS    8
第三章 竹節鋼筋軸拉力之應力集中分析討論    9
1 前言    9
2 三維竹節鋼筋模型建置    9
2.1 幾何形狀    10
2.2 材料性質    13
2.3 作用力    13
2.4 邊界條件    14
2.5 元素類型及網格劃分    14
2.6 網格收斂分析    15
3 三維水平竹節鋼筋與二維軸對稱模型分析與討論    25
3.1 三維水平竹節鋼筋模型建置    25
3.2 網格收斂分析結果    26
3.3 二維軸對稱模型    28
3.3.1 作用力    28
3.3.2 邊界條件    29
3.3.3 有限元素類型與網格劃分    29
3.3.4 網格收斂分析結果    29
3.3.5 三維與二維分析結果比較    31
4 小結    33
第四章 經驗公式修正與適用範圍和應力集中現象討論    34
1 前言    34
2 修正因子    34
3 回歸修正公式可適用範圍    37
3.1 鋼筋直徑    37
3.2 螺紋幾何    40
3.2.1 節高    40
3.2.2 節寬    41
3.2.3 竹節根部夾角    43
3.2.4 竹節根部曲率半徑對節高比值    45
3.3 節距    47
第五章 溫差載重下熱應力集中分析與討論    49
1 前言    49
2 三維竹節鋼筋熱應力模型建置    49
2.1 熱傳分析    49
2.1.1 材料性質    50
2.1.2 交互作用    51
2.1.3 初始條件    52
2.1.4 元素類型及網格劃分    53
2.1.5 熱傳分析結果    53
2.2 應力分析    55
2.2.1 邊界條件    55
2.2.2 網格收斂分析結果    56
3 三維圓柱熱應力分析    59
3.1 三維圓柱熱應力模型建置    59
3.2 網格收斂分析結果    59
3.3 三維竹節鋼筋受溫差下熱應力集中    61
4 二維軸對稱熱模型分析    62
4.1 二維熱傳元素類型    62
4.2 網格收斂與分析結果    62
4.3 三維與二維熱應力集中係數轉換    64
第六章 結論    66
1 結論    66
2 建議    68
參考文獻    69

                                

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