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論文中文名稱:利用有限元素法分析碳纖維棒於混凝土中之握裹實驗 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:Finite Element Analysis on Bonding Test of CFRP Bars inside Concrete [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:土木與防災研究所
畢業學年度:98
出版年度:99
中文姓名:程如君
英文姓名:Ru-Jyun Cheng
研究生學號:96428003
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2010-01-27
論文頁數:84
指導教授中文名:李有豐
口試委員中文名:陳清泉;林至聰
中文關鍵詞:握裹分析FRP棒有限元素法
英文關鍵詞:Bonding analysisFRP barFinite Element Method (FEM)
論文中文摘要:本論文將FRP棒替代傳統鋼筋應用於土木構件中,對於FRP棒與混凝土間界面之握裹機制及破壞模式加以討論。本論文提出一握裹界面模型,該模型之控制參數為剪切模數與臨界剪應力,由變位諧和配合材料等向性之條件可推算得剪切模數;利用握裹試驗之極限強度以握裹界面均佈受力之假設推算,可得臨界剪應力。本論文藉由有限元素分析軟體ANSYS,模擬CFRP棒與混凝土,並於其交界區加入界面元素(Interface Element),以探討FRP棒與混凝土間之力量傳遞與握裹機制。依據本論文之數值模型分析結果顯示,剪應力主要由握裹界面前端均勻承受,然後漸為消散,至握裹界面之後端力量影響已極小,整體握裹剪應力為非均勻分布,故本論文以均佈假設所推算得的臨界剪應力較小,使得本分析能承受之荷載較實際情形少,且較為保守。未來可利用本研究之界面模型,應用於CFRP棒於混凝土之不同構件間(如CFRP梁),以模擬構件之力學行為。
論文英文摘要:In this paper, the interface model was proposed and the finite element analysis was applied to numerical simulation the bonding test of CFRP bars inside concrete. Two parameters were used in this interface model. Interface shear modulus was obtained from the deformation compatibility between CFRP bars and inner concrete and the isotropic condition. Critical shear stress of interface was calculated with the assumption of the uniform stress distribution condition by the critical tensile strength of CFRP bonding test. Analytical results shows that the distribution of interface shear stress is uniform at the region near by loading location and the shear stress decreased gradually along the bar member. The shear stress was less impacted on the bar end. Comparison of the analytic and test results indicated that the analytical critical strength was conservative cause of the analytical variable stress distribution.
The interface model can not only simulate the transmission of strength between CFRP bars and concrete but also the deboning mechanism. The proposed CFRP bonding interface model in this study is referable for components member behaviors analysis.
論文目次:目錄
中文摘要 iv
英文摘要 v
致 謝 vi
目錄 viii
表目錄 xi
圖目錄 xii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 3
1.3 研究目的與內容 6
1.4 文獻回顧 8
1.4.1 國外研究文獻 8
1.4.2 國內研究文獻 11
第二章 纖維強化高分子複合材料FRP之介紹 13
2.1纖維強化高分子複合材料FRP之簡介 13
2.1.1 纖維材料 14
2.1.2 基材 14
2.1.3 界面 15
2.2 纖維強化高分子複合材料FRP之力學理論 16
2.2.1 纖維強化高分子複合材料FRP之彈性模數 16
2.2.2 纖維強化高分子複合材料FRP之泊松比 20
2.2.3 纖維強化高分子複合材料FRP之剪切模數 20
第三章 有限元素分析之握裹模型 22
3.1 握裹基本原理與破壞機制 22
3.1.1 握裹力基本原理 22
3.1.2 握裹力破壞模式 24
3.1.2.1 劈裂式破壞 24
3.1.2.2 拉拔式破壞 26
3.1.3 CFRP棒埋置長度 26
3.2 有限元素法分析理論 28
3.2.1 有限元素法概述 28
3.2.2 ANSYS介紹 29
3.3 ANSYS座標系 31
3.3.1 整體座標系 32
3.3.2 局部座標系 33
3.3.3 顯示座標系 33
3.3.4 節點座標系 33
3.3.5 元素座標系 34
3.3.6 結果座標系 34
3.4 鋼筋混凝土有限元素模型 34
3.5 分析元素介紹 36
3.5.1 Solid 45元素 36
3.5.2 Solid 65元素 37
3.6 非線性分析 43
3.7 收歛性控制 44
3.8 界面模型 47
3.9 小結 51
第四章 CFRP棒握裹試驗之有限元素分析與討論 52
4.1 CFRP棒握裹分析規劃 52
4.2 CFRP棒握裹試驗結果與編碼說明 53
4.3 試驗方法與邊界條件 54
4.4 分析假設 56
4.5 CFRP握裹分析之建模方式與收斂測試介紹 56
4.6 材料參數設定 59
4.6.1 CFRP棒之材料參數設定 59
4.6.2 混凝土之材料參數設定 63
4.6.3 握裹界面之材料參數設定 64
4.7 CFRP握裹分析 65
4.7.1 握裹長度3 cm有限元素分析 65
4.7.2 握裹長度5 cm有限元素分析 70
4.7.3 握裹長度20 cm有限元素分析 74
4.8 握裹分析小結 78
第五章 結論與建議 79
5.1 結論 79
參考文獻 81


表目錄
表1.1 材料耐蝕性比較 2
表1.2 材料輕量性之比較 3
表3.1 CFRP拉拔試體之材料性質 27
表3.2 ANSYS提供之參考座標系 31
表3.3 ANSYS整體座標系 32
表4.1 羅國軒(2007) CFRP棒握裹試驗結果 53
表4.2 材料參數表 61
表4.3 CFRP材料異向性設定 62
表4.4 握裹長度3 cm握裹分析結果 67
表4.5 握裹長度5 cm握裹分析結果 71
表4.6 握裹長度20 cm握裹分析結果 75


圖目錄
圖1.1 FRP於各產業使用比例圖(美國,2002) 3
圖1.2 研究規劃流程圖 7
圖1.3 Moon (2007)試驗裝置示意圖 10
圖2.1 FRP基本成分示意圖 14
圖2.2 正交異向性纖維複合材料示意圖 16
圖2.3 單向複合材料之簡化並聯模型(Harris,1999) 17
圖2.4 單向複合材料之簡化串聯模型(Harris, 1999) 18
圖2.5 複合材料受剪示意圖(Harris, 1999) 20
圖3.1 竹節承壓示意圖 24
圖3.2 劈裂破壞示意圖 25
圖3.3 拉拔破壞示意圖 26
圖3.4 ANSYS 分析處理作業3.3 ANSYS座標系 30
圖3.5 局部座標系 33
圖3.6 Solid 45元素幾何模型圖(ANSYS, 2007) 36
圖3.7 Solid 65元素幾何模型圖(ANSYS, 2007) 37
圖3.8 Solid65元素特性(Real Constant)定義 39
圖3.9 元素座標下之加固方向 39
圖3.10 混凝土破壞準則設定 41
圖3.11 混凝土受力之應力應變關係圖 41
圖3.12 應力釋放啟動設定 42
圖3.13 牛頓法(Newton-Raphson Method) 44
圖3.14 非線性分析求解發散 45
圖3.15 負荷增量之分割 45
圖3.16 傾斜式施加負荷增量 46
圖3.17 階梯式施加負荷增量 46
圖3.18握裹試體示意圖 47
圖3.19 握裹試體剖面圖 48
圖3.20 握裹試體受力示意圖 48
圖3.21 握裹試體受力破壞示意圖 49
圖3.22 界面握裹模型示意圖 49
圖4.1 CFRP棒握裹試體 52
圖4.2 握裹試驗使用之夾具 54
圖4.3 握裹試驗示意圖 55
圖4.4 CFRP棒握裹模型邊界條件設定 55
圖4.5 模型簡化建立示意圖 57
圖4.6 握裹試體有限元素模型上視圖 58
圖4.7 握裹試體有限元素模型東南視角(以20 cm為例) 59
圖4.8 混凝土材料設定 63
圖4.9 握裹界面模型 64
圖4.10 握裹長度3 cm之握裹分析收斂測試 68
圖4.11 握裹長度3 cm之非線性握裹分析加載歷程 68
圖4.12 握裹長度3 cm之握裹界面剪應力分布圖 69
圖4.13 握裹長度3 cm之握裹界面應力應變關係圖 69
圖4.14 握裹長度5 cm之握裹分析收斂測試 72
圖4.15 握裹長度5 cm之非線性握裹分析加載歷程 72
圖4.16 握裹長度5 cm之握裹界面剪應力分布圖 73
圖4.17 握裹長度5 cm之握裹界面應力應變關係圖 73
圖4.18 握裹長度20 cm之握裹分析收斂測試 76
圖4.19 握裹長度20 cm之握裹分析非線性加載歷程 76
圖4.20 握裹長度20 cm之握裹界面應力應變關係圖 77
圖4.21 握裹界面元素等分示意圖 78
圖5.1 握裹應力分布歷程 79
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