第四章 實驗結果與討論
第一節 實驗結果
試體於試驗時測得之混凝土強度為 515 kfg/cm2，依國內鋼骨鋼筋混凝土規 範計算試體強度，其標稱強度約為 1642 tf；因此試體 LR0.6 系列於試驗時施加 軸向載重約為985 tf，LR0.3 系列施加約為 492.5 tf。
壹、試體 LR0.6-A
試驗時，實驗室室溫約為 30.4°C；配置剪力釘試體 LR0.6-A 施加 985 噸軸 向載重，持壓約30 分鐘後，即進行定載加溫試驗。加溫爐內平均升溫曲線，如 圖4-1 所示；柱試體於定載加溫階段之軸向變形與時間關係，如圖 4-2 所示；試 體各斷面之鋼骨測點溫度與時間關係，如圖4-3 所示；混凝土測點溫度與時間關 係，如圖4-4 所示；剪力釘測點溫度與時間關係，如圖 4-5 所示。
爐內高溫使試體發生軸向伸長變形行為；當試驗進行12 分鐘時，爐內溫度
當加溫21 分鐘，試體再度達第二次最大伸長變形(2.01 mm)，此時爐內溫度 為787°C，外側鋼骨平均溫度為 358°C，內側鋼骨平均溫度為 254°C，距試體表 面57 mm 及 95 mm 之剪力釘平均溫度分別為 150°C 和 102°C，距試體表面 79 mm、139 mm 及試體斷面中心之混凝土平均溫度皆低於 80°C；試驗進行至 21 分鐘後，試體呈現壓縮變形直至試體破壞，且試體於試驗期間無發現加溫爐內發 出異聲。
根據CNS 12514 規定，試驗進行約 31 分鐘，試體 LR0.6-A 達性能基準上限 之規定，中止試驗，最大軸向壓縮速率大於10.08 mm/min，如圖 4-2 所示。此時，
爐內溫度為842°C，外側鋼骨平均溫度為 498°C，內側鋼骨與混凝土交界平均溫 度為409°C，距試體表面 57 mm 及 95 mm 之剪力釘平均溫度分別為 202°C 和 122
°C，距試體表面 79 mm 之混凝土平均溫度為 105°C，而距試體表面 139 mm 及 試體斷面中心之混凝土平均溫度皆低於50°C。
試驗結束待加溫爐內溫度下降至室溫，以進行試體觀察與記錄，如圖4-6 及 圖4-7 所示。試體 LR0.6-A 各面柱板不同高度位置皆產生局部挫屈變形，挫屈處 呈面外凸起；各處凸起量介於4 至 23.5 mm，最大凸起 23.5 mm 位於試體東面柱 板距底端2550 mm 處，而最小凸起為西面柱板距底端 384 mm 處；詳細試體局 部挫屈位置，如表4-1 所示。另外，試體柱板與柱板間之全滲透銲接皆無銲道開 裂現象，且柱板部分透氣孔有水漬痕跡。
0 5 10 15 20 25 30 35 Time (min)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Furnace Average Temperature CNS 12514-Standard Fire Curve
圖 4-1 試體 LR0.6-A 爐內升溫曲線
(資料來源：本研究整理)0 5 10 15 20 25 30 35 Time (min)
-8 -6 -4 -2 0 2 4
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2
LR0.6-A
圖 4-2 試體 LR0.6-A 定載加溫階段之軸向變形-時間關係
(資料來源：本研究整理)(a) A-A 斷面之鋼骨溫度 (b) D-D 斷面之鋼骨溫度
0 5 10 15 20 25 30 35
Time (min) 0 Section A
S2
Time (min) 0
Section D
(c) B-B 斷面之鋼骨溫度 (d) C-C 斷面之鋼骨溫度
0 5 10 15 20 25 30 35
Time (min) 0
Section B
S1
Time (min) 0
Section C
圖 4-3 試體 LR0.6-A 之鋼骨測點溫度與時間關係
(資料來源：本研究整理)(a) A-A 斷面之混凝土溫度 (b) D-D 斷面之混凝土溫度
0 5 10 15 20 25 30 35
Time (min) 20 Section A
C2
Time (min) 20
Section D
(c) B-B 斷面之混凝土溫度 (d) C-C 斷面之混凝土溫度
0 5 10 15 20 25 30 35
Time (min) 20
Section B
C1
Time (min) 20
Section C
圖 4-4 試體 LR0.6-A 之混凝土測點溫度與時間關係
(資料來源：本研究整理)(a) B-B 斷面之剪力釘溫度 (b) C-C 斷面之剪力釘溫度
0 5 10 15 20 25 30 35
Time (min) 0 Section B
H2H1
Time (min) 0
Section C
圖 4-5 試體 LR0.6-A 之剪力釘測點溫度與時間關係
(資料來源：本研究整理)圖 4-7 試體 LR0.6-A 局部挫屈
(資料來源：本研究整理)表 4-1 試體 LR0.6-A 柱板局部挫屈位置
局部挫屈位置(距試體底端端板)
東面凸起量 (mm)
西面凸起量 (mm)
南面凸起量 (mm)
北面凸起量 (mm)
384 － 4.0 － －
395 － － 5.0 －
1560 － － 7.0 －
1735 － 6.5 － －
2548 － － － 9.5
2550 23.5 － － －
2715 － － － 6.5
2720 － 14.0 － －
2745 － － 17.5 －
備註：
火害後，試體平均長度為3302 mm(原長為 3360 mm)。
(資料來源：本研究整理)
(a) 東和北面 (b) 西和南面
貳、試體 LR0.6-B
試體 LR0.6-B 進行試驗時，實驗室室溫約為 31.4°C，其與試體 LR0.6-A 加 載相同軸向載重並持壓約30 分鐘後，進行定載加溫試驗。加溫爐內平均升溫曲 線，如圖4-8 所示；試體於試驗期間之軸向變形與時間關係，如圖 4-9 所示；試 體各斷面之鋼骨及混凝土測點溫度與時間關係，如圖4-10 及圖 4-11 所示。
試驗初期，試體軸向變形為膨脹伸長狀態，並於加溫 11 分鐘到達第ㄧ次最 大伸長量2.46 mm，其略小於試體 LR0.6-A。在溫度方面，爐內溫度為 682°C，
外側鋼骨平均溫度為211°C，內側鋼骨平均溫度為 141°C；混凝土為距試體表面 79 mm、139 mm 及試體斷面中心之平均溫度仍為室溫。
加溫11 至 14 分鐘，試體軸向變形為壓縮狀態，由原本軸向伸長 2.46 mm 下 降至伸長剩1.65 mm，其壓縮量約為 0.81 mm；隨後試體轉變為伸長變形，至加 溫 18 分鐘到達最大。當試體加溫 18 分鐘時，試體達第二次最大軸向伸長變形 1.79 mm，隨後伸長變形轉變為壓縮變形，直至試體破壞；在加溫 18 分鐘時之爐 內溫度為771°C，外側鋼骨平均溫度為 382°C，內側鋼骨平均溫度為 274°C；混 凝土為距試體表面79 mm、139 mm 及試體斷面中心之平均溫度皆低於 45°C。試 體LR0.6-B 於試驗期間無發現任何異樣聲音，並於試驗進行 26 分鐘後到達 CNS 12514 規定之性能基準，最大軸向壓縮速率大於 10.08 mm/min，中止試驗，如圖 4-9 所示。
試體LR0.6-B 於試驗結束，待冷卻後觀察試體發現，試體各面柱板多處產生 局部挫屈，其與試體LR0.6-A 相同皆為面外凸起變形，但局部挫屈變形皆產生於 柱板透氣孔處，且柱板凸起量介於9 至 37.5 mm；試體各面柱板局部挫屈變形及 位置，如圖 4-12、圖 4-13 及表 4-2 所示。試體鋼骨銲接處皆無發生銲道開裂現 象，且各面柱板透氣孔略呈橢圓形。
0 5 10 15 20 25 30 35 Time (min)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Furnace Average Temperature CNS 12514-Standard Fire Curve
圖 4-8 試體 LR0.6-B 爐內升溫曲線
(資料來源：本研究整理)0 5 10 15 20 25 30 35
Time (min) -8
-6 -4 -2 0 2 4
Axialdeformation(mm)
LR0.6-B
圖 4-9 試體 LR0.6-B 定載加溫階段之軸向變形-時間關係
(資料來源：本研究整理)(a) A-A 斷面之鋼骨溫度 (b) D-D 斷面之鋼骨溫度
0 5 10 15 20 25 30 35
Time (min) 0 Section A
S2
Time (min) 0
Section D
(c) B-B 斷面之鋼骨溫度 (d) C-C 斷面之鋼骨溫度
0 5 10 15 20 25 30 35
Time (min) 0
B section
S1
Time (min) 0
Section C
圖 4-10 試體 LR0.6-B 之鋼骨測點溫度與時間關係
(資料來源：本研究整理)(a) A-A 斷面之混凝土溫度 (b) D-D 斷面之混凝土溫度
0 5 10 15 20 25 30 35
Time (min) 20 Section A
C2
Time (min) 20
Section D
(c) B-B 斷面之混凝土溫度 (d) C-C 斷面之混凝土溫度
0 5 10 15 20 25 30 35
Time (min) 20
Section B
C1
Time (min) 20
Section C
圖 4-11 試體 LR0.6-B 之混凝土測點溫度與時間關係
(資料來源：本研究整理)圖 4-12 試體 LR0.6-B 耐火試驗後之外觀
(資料來源：本研究整理)(a) 東和北面 (b) 西和南面
表 4-2 試體 LR0.6-B 柱板局部挫屈位置
規定之判定破壞基準，最大軸向壓縮速率大於 10.08 mm/min，中止試驗，如圖 4-15 所示；除此之外，試驗開始至結束皆無發現試體內灌混凝土因高溫爆裂產生 之聲音。當試驗進行28 分鐘時，爐內溫度為 833°C，外側鋼骨平均溫度為 477°C，內側鋼骨與混凝土交界處之鋼骨平均溫度為 361°C；剪力釘分別為距試體表 面57 mm 及 95 mm 處之平均溫度為 185°C 和 114°C；混凝土為距試體表面 79
由試體LR0.3-A 試驗後之觀察發現，試體各面柱板不同高度位置與前述試體 相同產生局部挫屈變形，但挫屈位置與試體LR0.6-A 相同發生於配置剪力釘間之 柱板；試體於透氣孔發現有水漬痕跡，且各面柱板表面皆有剝離現象產生；詳細 試體變形形狀及位置，如圖 4-19、圖 4-20 及表 4-3 所示。另外，切除面外凸起 變形較大處之柱板發現，試體內灌混凝土碎裂，但剪力釘無明顯變形，如圖4-21 所示。
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (min)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Furnace Average Temperature CNS 12514-Standard Fire Curve
圖 4-14 試體 LR0.3-A 爐內升溫曲線
(資料來源：本研究整理)0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (min)
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
LR0.3-A
圖 4-15 試體 LR0.3-A 定載加溫階段之軸向變形-時間關係
(資料來源：本研究整理)(a) A-A 斷面之鋼骨溫度 (b) D-D 斷面之鋼骨溫度
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (min)
0 Section A
S2 Time (min)
0
Section D
(c) B-B 斷面之鋼骨溫度 (d) C-C 斷面之鋼骨溫度
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (min)
0
Section B
S1 Time (min)
0
Section C
圖 4-16 試體 LR0.3-A 之鋼骨測點溫度與時間關係
(資料來源：本研究整理)(a) A-A 斷面之混凝土溫度 (b) D-D 斷面之混凝土溫度
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (min)
20 Section A
C2 Time (min)
20
Section D
(c) B-B 斷面之混凝土溫度 (d) C-C 斷面之混凝土溫度
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (min)
20
Section B
C1 Time (min)
20
Section C
圖 4-17 試體 LR0.3-A 之混凝土測點溫度與時間關係
(資料來源：本研究整理)(a) B-B 斷面之剪力釘溫度 (b) C-C 斷面之剪力釘溫度
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (min)
0 Section B
H2H1 Time (min)
0
Section C
圖 4-18 試體 LR0.3-A 之剪力釘測點溫度與時間關係
(資料來源：本研究整理)圖 4-20 試體 LR0.3-A 局部挫屈
(資料來源：本研究整理)表 4-3 試體 LR0.3-A 柱板局部挫屈位置
局部挫屈位置(距試體底端端板)
東面凸起量 (mm)
西面凸起量 (mm)
南面凸起量 (mm)
北面凸起量 (mm)
1390 － 22.5 － －
1550 － 28.5 － －
1560 29.5 － 42.0 20.5
2690 － － － 8.5
備註：
火害後，試體平均長度為3279 mm(原長為 3360 mm)。
(資料來源：本研究整理)
(a) 東和北面 (b) 西和南面
圖 4-21 試體 LR0.3-A 內部破壞情況
肆、試體 LR0.3-B
無配置剪力釘試體 LR0.3-B 於定載加溫試驗前，施加與試體 LR0.3-A 相同 之軸向載重，並持壓約30 分鐘後進行試驗，其試驗前之室內溫度約為 32.1°C；
加溫爐內平均升溫曲線，如圖 4-22 所示；試體於試驗期間之軸向變形與時間關 係，如圖4-23 所示；試體各斷面之鋼骨及混凝土測點溫度與時間關係，如圖 4-24 和圖4-25 所示。
試驗開始爐內溫度隨之增加，試體因爐內升溫產生軸向伸長變形，至加溫 24 分鐘達最大伸長變形為 15.43 mm，此時爐內平均溫度為 831°C，外側鋼骨平 均溫度為480°C，內側鋼骨平均溫度為 330°C；混凝土為距試體表面 79 mm、139
(a) 西和北面 (b) 切除西面鋼板 (c) 觀察剪力釘
試體表面19 mm 至 79 mm 間之混凝土溫度可能已高於 100°C。 Time (min)
0
Furnace Average Temperature CNS 12514-Standard Fire Curve
圖 4-22 試體 LR0.3-B 爐內升溫曲線
(a) A-A 斷面之鋼骨溫度 (b) D-D 斷面之鋼骨溫度
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (min)
0 Section A
S2 Time (min)
0
Section D
(c) B-B 斷面之鋼骨溫度 (d) C-C 斷面之鋼骨溫度
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (min)
0
Section B
S1 Time (min)
0
Section C
圖 4-24 試體 LR0.3-B 之鋼骨測點溫度與時間關係
(資料來源：本研究整理)(a) A-A 斷面之混凝土溫度 (b) D-D 斷面之混凝土溫度
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (min)
20 Section A
C2 Time (min)
20
Section D
(c) B-B 斷面之混凝土溫度 (d) C-C 斷面之混凝土溫度
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (min)
20
Section B
C1 Time (min)
20
Section C
圖 4-25 試體 LR0.3-B 之混凝土測點溫度與時間關係
(資料來源：本研究整理)圖 4-26 試體 LR0.3-B 耐火試驗後之外觀
(資料來源：本研究整理)(a) 東和北面 (b) 西和南面
表 4-4 試體 LR0.3-B 柱板局部挫屈位置
局部挫屈位置(距試體底端端板) 東面凸起量 西面凸起量 南面凸起量 北面凸起量
1600 － 14.0 － －
2400 26.5 60.0 33.0 38.5
2880 54.5 31.5 18.5 42.5
備註：
火害後，試體平均長度為3258.7 mm(原長為 3360 mm)。
(資料來源：本研究整理)
圖 4-28 試體 LR0.3B 內部破壞情況
總結本節實驗結果，試體LR0.6 系列於試驗 12 分鐘，達最大軸向伸長變形，
其約為2.5 mm，而軸向應變約為 0.0007；試體表面鋼骨溫度約為 200°C，而混 40°C；試驗進行 29 分鐘，判定試體已無承載能力。試體 LR0.3
(a) 西和南面 (b) 切除南面鋼板
之箱型鋼骨發生局部挫屈與內灌混凝土碎裂，達性能指標時之混凝土測點溫度低 於120°C。各試體之軸向變形、溫度、破壞模式及試驗後試體觀察，如表 4-5 所 示。
表 4-5 耐火試驗結果
LR0.6 系列最大軸向伸長變形約為 3 mm，試體 LR0.3 系列約為 16 mm；試驗後 期之試體鋼骨溫度超過400°C，軸向伸長變形將轉變為壓縮變形至試體破壞，鋼 骨強度約剩餘0.7 倍常溫時之強度以下。
然而，試體於試驗期間所施加之定額軸向載重大小會影響軸向伸長變形量，
並更進一步影響柱構件之有效耐火時效，如圖4-29 所示；其中，圖 4-29 (a)為有 配置剪力釘試體於不同載重比下之軸向變形，圖 4-29 (b)為無配置剪力釘之試 體。由圖4-29 發現，當試體承受 0.6 倍試體強度之軸向載重，產生之伸長變形小 於承受0.3 倍之試體；載重比為 0.6 之試體達最大伸長變形後，試體膨脹力與軸 向載重相互抵抗達8 分鐘後才轉變為壓縮變形，但 0.3 之試體達最大伸長變形，
試體隨即轉為壓縮變形；載重比 0.6 之試體有效耐火時效約為 28 分鐘，而載重 比為 0.3 之試體約為 43 分鐘，因此柱構件承受較小軸向載重會增加軸向伸長變 形及耐火時效。
(a) 試體有配置剪力釘 (b) 試體無配置剪力釘
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (min)
-10 -5 0 5 10 15 20
LR0.6-A LR0.3-A
Axialdeformation(mm)
置剪力釘試體柱板局部挫屈之凸起量較小，且挫屈發生於配置剪力釘間之柱板。
Time (mm) -4 Time (min)
-10
公式無法計算LR0.6 系列試體(負值，施加之軸向力大於混凝土提供之力量)，但 其與LR0.3 系列接近。
c 3
ck C
D N 10
t (172.7 50.8 ) ln( )
10 f A
= − × ×
× (4-1)
c'
f 20 D R f ( ) D
KL 1000 C
= × + × ×
− (4-2)
其中，t 和 R 為耐火時效(min)，Dc與D 為試體斷面之內灌混凝土寬度(mm)，
N 及 C 為軸向載重(kN)，fck及f 為混凝土 28 天抗壓強度(MPa)，Ac' c為內灌混凝 土斷面積(mm2)，L 為未支撐柱長，K 為有效長度系數，f 為矽質和碳酸質混凝土 係數(0.06 與 0.07)。
表 4-6 預估箱型鋼管混凝土柱耐火時效
耐火時效 試驗結果 Chapra (1997) Kodur (2007)
LR0.6 系列 26 － 51
LR0.3 系列 42 41 72
(資料來源：本研究整理)
第五章 填充式箱型鋼管混凝土柱火害有限元素分析
第一節 分析方法及步驟
本試驗分析方法為利用有限元素軟體 ABAQUS，模擬試體 LR0.6 系列及 LR0.3 系列於火害下之行為，並取得實驗儀器設備受限高溫無法量測之資料。材 料性質會影響試體於高溫下之行為，因此採用有限元素分析軟體分析時，須先瞭 解試體之鋼材與混凝土材料性質；材料性質分為力學性質(Mechanical property)：
材料於常溫與受溫度影響下有效降伏強度、彈性模數、極限拉力強度與抗壓強度 等折減參數，及熱性質(Thermal property)：材料於不同溫度下之比熱(Specific heat)、熱傳導性(Thermal conductivity)與熱膨脹性(Thermal expansion)等參數。有 限元素分析軟體之分析步驟為熱傳分析、非線性應力分析及接續性耦合分析。
第二節 材料之性質
壹、受溫度影響之應力及應變關係
1. 鋼骨材料依據Eurocode 4 之內容規定，鋼材受熱於 2 至 50 K/min 之加溫速率，會產 生應力與應變關係。如表5-1 和圖 5-1 所示。對於鋼材溫度小於 400°C，且應變 已進入降伏應變與極限降伏應變(εau, θ)之間時，將考慮應變硬化之影響，而應變 硬化區域介於應變為0.02 到 0.04 之間，如圖 5-2，且相關對應圖 5-2 的參數如公 式(5-1)至(5-7)所示。其中，θa為鋼材溫度(°C)，fay為常溫下之鋼材降伏強度，fay, θ
為受溫度影響下之有效降伏強度，fau, θ為受溫度影響下之鋼材極限張力強度，
為受溫度影響下之有效降伏強度，fau, θ為受溫度影響下之鋼材極限張力強度，