國內外耐火試驗規範

對於受軸向載重之柱構件，國外已制定耐火試驗規範，包括 ISO 834 (International Organization for Standardization)、英國標準 BS 476 (British Standards Institution) 及美國 UL 263 (Underwriters Laboratories Inc.)。我國耐火試驗須符合 CNS 12514「建築物構造部分耐火試驗法」之相關規定。

壹、ISO 834 與 CNS 12514 規範

國際標準組織ISO 834 規範之標準升溫曲線為T=345log (8t+1)+20 ，其中 T₁₀ 為平均爐內溫度(°C)、t 為試驗經過時間(min)；柱試體受熱長度，並無要求。對 於柱之性能基準評定以構件承重能力判別，其規定承重構造破壞條件為超過最大 軸向壓縮量(C)，C=h/100 (mm)，與超過最大軸向壓縮速率(dC/dt)，dC/dt=3h/1000 (mm/min)。

我國CNS 12514 規範主要參考 ISO 834 規範修訂。對於上述各項規定，除柱 試體受熱長度至少3 公尺之規定與 ISO 834 規範不同，其餘皆相同。

貳、BS 476 規範

BS 476 規範之標準升溫曲線為T=345log (8t+1)+20 ；柱試體受熱長度要求₁₀ 至少3 公尺；以承重能力規定破壞條件為最大軸向壓縮量超過 120 mm 與最大軸 向壓縮速率超過25 mm/min。

參、UL 263 規範

UL 263 規範之加熱條件要求 5 分鐘須達到 538°C，10 分鐘須達到 704°C，

30 分鐘須達 843°C，1 小時須達到 927°C，2 小時須達到 1010°C，4 小時須達到 1093°C。對於試體受熱長度要求柱長至少 2.7 公尺，而具防火被覆之柱長至少 2.4 公尺。關於性能基準評定，其柱試體乃根據不同試驗分類來要求；但具防火被覆 之柱試體則要求熱電偶測點溫度超過649°C 或平均溫度超過 538°C，即判定試體 破壞。

相關耐火規定與評定之比較如表2-1 所示；CNS 與 UL 加溫曲線如圖 2-1 所 示。由表2-1 得知試體受熱長度，僅 ISO 834 規範無要求；載重試驗破壞基準，

僅UL 263 規範以有、無防火被覆之試體分別規定。由圖 2-1 得知，加溫 1 小時 後CNS 標準升溫曲線之溫度明顯高於 UL 規定。

表 2-1 承重柱耐火規定與評定 3h/1000 (mm/min) 3h/1000 (mm/min) Time (min)

0

Temperature (o C)

CNS 12514 UL 263

圖 2-1 CNS 與 UL 加溫曲線示意圖 (資料來源：本研究整理)

鋼筋混凝土為主所建造的一般建築物，而本計劃所採用銲接組合箱型鋼柱內灌混 凝土亦適用。

對於CFBC 鋼骨比規定，若試體斷面鋼骨比大於全斷面積之 2%，則參照 SRC 規範設計；反之，小於2%，則依據我國「混凝土工程設計規範與解說」設計試 體。對於填充型鋼管混凝土柱之鋼骨斷面肢材寬厚比(b/t)規定，塑性設計斷面須 小於λ = 3E /F ，結實斷面須小於_{pd s ys} λ =61。對於柱試體設計受壓強度_p



P

「強度疊加法」， _{c n}P = P +_{cs ns} _{crc nrc}P ；其中cs為鋼骨部分強度折減係數(0.85)；

Pns 為鋼骨部份標稱受壓強度；crc 為鋼筋混凝土部份之強度折減係數(填充型鋼 管混凝土柱為0.75)；Pnrc為鋼筋混凝土部份標稱受壓強度。

第四節 不同性質混凝土及鋼管混凝土柱於火害下之行為

壹、 自充填混凝土於高溫下之行為

Fares 等人(2009)以實驗之方式探討自充填混凝土在高溫時的機械性質。研究 發現殘餘抗壓強度於 20°C~150°C 會略為降低，於 150°C~300°C 反而會增加，

300°C 時增加為原來之 25%，之後逐漸降低，至 600°C 殘餘抗壓強度僅剩原來之 20%。殘餘彎曲強度於加溫至 300°C 時約還有 80%之強度，隨後則快速折減，至 600°C 僅剩原來之 10%。體積彈性模數折減狀況約略呈線性，300°C 時約為原來 之50%，於 600°C 試體幾乎達破壞。質量損失於 20°C~300°C 時速率為最快，於 300°C 時體積損失約為原來之 6.5%，隨後體積損失速率趨緩，於 600°C 時損失 約為原來之8%。滲透率會因溫度的提高而以指數的方式成長。

Sideris (2007)分別將 4 組不同強度等級的傳統混凝土及自充填混凝土進行高 溫試驗。這二種混凝土在相同的強度等級下，有相同之爆裂趨勢，強度較低的二 組試體(SCC 與 CC 之抗壓強度分別為 33.7、43.4 Mpa 及 29.5、39.6 MPa)於試驗 超過700°C 時皆未發生爆裂現象；強度較高的試體(SCC 與 CC 之抗壓強度分別 為53.5 Mpa 及 45.2 MPa)約於 500°C ~580°C 發生爆裂；強度最高的試體(SCC 與 CC 之抗壓強度分別為 73.2 Mpa 及 67.0 MPa)約於 380°C ~458°C 發生爆裂，試驗

貳、 高強度混凝土於高溫下之行為

)

Chung 等人(2008)以四種不同之分析模型進行熱傳分析及非線性熱應力分 析，並與實驗結果比對，藉以探討鋼管混凝土柱受軸力下之機械性質，如材料性

耐火時效有較顯著的影響，並合理預測實際狀況鋼管混凝土柱受軸力下之耐火時 效。

Han 等人(2003)以 11 支矩形鋼管混凝土柱試體，依據不同之斷面尺寸、防火 被覆厚度、偏心位置、加載強度…等參數在軸壓下進行耐火試驗，並建立數值模 型做比對。結果顯示較厚之防火被覆以及較小加載力能延長耐火時效，且使用矩 形鋼管混凝土柱較鋼柱減少約 25%~70% 的防火被覆厚度，並保守推導相關公 式，且成為中國高樓建築規範之參考。同年，亦依照相同方法將13 支圓形鋼管 混凝土柱試體進行耐火試驗。結果顯示使用圓形鋼管混凝土柱較鋼柱可減少50%

的防火被覆厚度，同時也依據實驗與分析結果發展相關公式。

Han 等人(2003)分別以 6 支方形及圓形鋼管混凝土柱試體，依照 ISO 834 耐 火試驗規範，進行一系列受軸心及偏心載重試驗，並建構模型進行分析。結果顯 示除了增加試體的韌性行為外，並發現材料強度、延燒時間、鋼骨比、偏心位置 與試體之寬度或半徑之比、斷面尺寸等參數對試體的殘餘強度有一定程度的影 響；並依據實驗結果合理推導相關公式。

Han 等人(2005)以實驗和理論推導公式計算比較方型、圓型鋼管內灌自充填 混凝土受軸向載重之變形破壞行為。依據 ACI、AISC-LRFD、AIJ、BS5400 和 EC4 等 5 種規範計算預測，並與實驗、理論公式相互比較。由結果得知，以方型 鋼管內灌混凝土之設計規範，計算方型鋼管內灌混凝土的強度是可行的。

Kim 等人(2005)進行 20 組未施作防火被覆的方形與圓形鋼管混凝土柱於軸 向受力之耐火試驗。探討載重力之大小、斷面積的尺寸、混凝土的強度、加熱長 度…等因素對耐火時效的影響；在分析結果顯示，歐洲 EC4 規範及日本 AIJ 規 範在耐火時效之預測值與實驗值相當接近，能有效預測試體之耐火時效。

Kodur (1998)為了解鋼管柱灌入不同性質混凝土對耐火時效的影響，以普通 混凝土、高強度混凝土、含鋼纖維高強度混凝土，3 種不同混凝土分別進行耐火 試驗。經實驗發現，鋼管柱內灌高強度混凝土的耐火時效較普通混凝土還短，含 鋼纖維混凝土鋼管柱的耐火時效為這三種試體最長者。因此建議以含鋼纖維混凝

間、冷卻狀況及箱型鋼柱之厚度對於火害後殘餘強度之影響。試驗結果顯示防火 被覆越薄，其強度的折減率越高；鋼管厚度越薄時，其熱傳速率越快，且強度及 韌性均會明顯下降；高溫下之鋼管混凝土柱經噴水試驗冷卻後，其降伏強度亦會 隨之下降。

第五節 火害下構件之有限元素分析

本節回顧構件受載重及高溫環境下，利用有限元素分析軟體之相關研究成 果。

目前國內外相關分析研究大部份應用於火害梁與柱構件、CFT (Concrete Filled Tube)構件等。Ding 與 Wang (2008)採用 ANSYS 有限元素分析軟體模擬無 防火被覆CFT 柱受高溫之結構和熱行為；鋼和混凝土接觸介面間以空氣間隙(air gap)的方法模擬，因而得知兩材料之間的滑動對構件位移影響較大。

Espinós 等人(2009)採 ABAQUS 分析軟體，並參考 Ding 等人(2008)空氣間隙 模擬之概念；此由研究得知考慮材料熱膨脹之分析結果與實驗結果接近，但不考 慮材料熱膨脹之分析結果與Eurocode 4 之分析結果接近。

Hong 與 Varma (2009)利用 ABAQUS 分析軟體模擬受高溫和載重 CFT 柱之 行為，結果得知柱斷面之熱反應、加溫歷程各時間點之軸向與側向變位等均與實 驗結果接近。

Lu 等人(2009)採自充填混凝土灌入鋼管柱，進行實驗並以 ABAQUS 軟體分 析，瞭解混凝土破裂能量和兩材料介面間之接觸行為。對於高強度自充填混凝土 之力學性質，作者採用Kodur (1998)研究建議。對於高強度自充填混凝土之熱性 質，作者依據Kodur (2007)和 Lie (1994)研究建議。由結果得知，試體試驗之時 間-撓度關係和熱電偶測點量測結果皆與分析結果接近。

Schaumann 等人(2009)以 BoFIRE 有限元素分析軟體，研究 CFT 柱在火害下 之行為，其破壞模式為局部挫屈。探討不同溫度鋼及混凝土材質變化；考慮混凝 土含水率、斷面形狀、細長比對構件強度的影響。對於試體溫度分佈與傳遞，方

Song 等人(2010)研究承重 CFT 柱歷經昇溫至冷卻過程，並瞭解應力-應變和 變形-時間之行為；由結果得知，採用限元素分析可準確預測結果。

李鎮宏和蔡銘儒(2008)分析鋼結構梁柱接頭受火害之行為，其參數應用、接 觸問題和分析步驟等，皆有詳細探討；且分析預測與實驗結果接近。

王奕程(2008)以 ANSYS 軟體分析實尺寸鋼筋混凝土梁柱複合構件於高溫 中、冷卻過程和高溫後試體之行為。對於混凝土材料使用一般混凝土和自充填混 凝土，其兩者之分析皆與試驗結果接近，並也印證混凝土熱參數的可用性。

葉治銘(2009)以 ANSYS 軟體分析，研究一般混凝土與自充填混凝土之鋼筋 混凝土梁柱複合構件受高溫下試體變形行為；高溫後試體殘餘強度。由結果得 知，分析模擬之試體溫度分佈與實驗接近。

內政部建築研究所之相關研究成果，包括陳建忠等人(2007)、李鎮宏和蔡銘 儒(2008)與李鎮宏(2009)等研究顯示，以 ABAQUS 有限元素分析火害鋼結構是可 行的；或先以FDS 進行溫度場分析，再將溫度結果輸入至 ABAQUS 依序進行熱 傳、結構應力與耦合分析，其分析結果與實驗結果接近。

第三章 含混凝土箱型鋼柱火害下軸向受力之試驗

第一節 試驗規劃

本計劃規劃三組含混凝土箱型鋼柱在承受軸力進行耐火試驗，根據「鋼骨鋼 筋混凝土構造設計規範與解說」設計CFBC 試體；對於模擬火災高溫情況，將依 據CNS 12514「建築物構造部分耐火試驗法」之相關規定，規劃 2 小時的耐火試 驗以進行研究，試體的參數包括不同混凝土強度及防火被覆的有無，如表3-1 所 示。其中兩組試體在相同的防火被覆下，針對不同混凝土的強度，探討在不同混 凝土強度對於CFBC 試體耐火時效的影響；另外一組試體可以與有防火被覆試體

本計劃規劃三組含混凝土箱型鋼柱在承受軸力進行耐火試驗，根據「鋼骨鋼 筋混凝土構造設計規範與解說」設計CFBC 試體；對於模擬火災高溫情況，將依 據CNS 12514「建築物構造部分耐火試驗法」之相關規定，規劃 2 小時的耐火試 驗以進行研究，試體的參數包括不同混凝土強度及防火被覆的有無，如表3-1 所 示。其中兩組試體在相同的防火被覆下，針對不同混凝土的強度，探討在不同混 凝土強度對於CFBC 試體耐火時效的影響；另外一組試體可以與有防火被覆試體