建議

1. 本次研究以「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」規劃試體，箱型鋼柱之 設計採全滲透銲接而且無設置剪力釘，而實務上箱型鋼柱於非圍束區常採半 滲透銲，內部亦有剪力釘之設計，故前揭二項差異對於耐火時效之影響程度 尚待進行後續研究予以釐清。

2. 建議後續研究可增加其他試驗參數，如不同種類防火被覆、被覆厚度、鋼材 寬厚比、不同受熱面、施加載重比例、軸力與彎矩共同作用等，以探討實尺 寸內灌混凝土箱型鋼柱進一步之行為。

3. 本研究無防火被覆試體的軸向變形分析結果與試驗結果相差稍大，建議可以 其他分析方法(如：有限元素法)以模擬更正確之試體行為。

4. 本研究之分析模型並未考慮熱對流及熱輻射之影響，建議後續研究可針對此 方面做更進一步之討論。

參考文獻

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表 2-1 防火構造建築物其主要構造規定之防火時效 3h/1000 (mm/min) 3h/1000 (mm/min)

表 3-2 實際強度 59.7 MPa 混凝土配比

水灰比 水膠比

各成分用量(kg/m³) 水 水泥 爐石 飛灰 附加

劑

粗中 骨材

細骨 材 77.8% 0.364 175 225 235 40 7 770 883

配比(%) 18 7 8 2 1 29 34

備註

1. 設計強度為 41.2 MPa 2. 設計坍度為 250 mm 3. 坍流度為 635 mm

4. 粗骨材最大粒徑為 19 mm 5. 含氣量為 1.5%

表 3-3 實際強度 66.0 MPa 混凝土配比

水灰比 水膠比

各成分用量(kg/m³) 水 水泥 爐石 飛灰 附加

劑

粗中 骨材

細骨 材 61.3% 0.293 160 261 294 25 9.86 820 801

配比(%) 16 8 10 1 1 31 31

備註

1. 設計強度為 68.6 MPa 2. 設計坍度為 250 mm 3. 坍流度為 670 mm

4. 粗骨材最大粒徑為 19 mm 5. 含氣量為 1.5%

表 4-1 試驗結果簡表

試體編號 CFBC-1 CFBC-2 CFBC-3

鋼材實際拉力強度(MPa) 371.8 371.8 371.8

混凝土實際強度(MPa) 59.7 66.0 66.0

防火被覆實際厚度(mm) 15.3 14.3 --

施加載重(MPa) 15190 15680 8820

試驗時間(min) 120 179 43

最大伸長量(mm) 3.8 4.0 17.3

最大軸向應變(10^-4 mm/mm) 8.74 9.20 39.77

試體達最大伸長量之時間(min) 114 125 27

試驗終止時鋼之平均溫度(°C) 256.0 390.9 758.2 試驗終止時鋼之最高溫度(°C) 286.7 512.0 847.4 試驗終止時混凝土深度76 mm 之平均溫度(°C) 84.6 129.1 266.8 試驗終止時混凝土深度76 mm 之最高溫度(°C) 93.4 145.5 470.2 試驗終止時混凝土深度152 mm 之平均溫度(°C) 52.7 80.7 201.9 試驗終止時混凝土深度152 mm 之最高溫度(°C) 58.2 92.5 484.1 試驗終止時混凝土中心處之平均溫度(°C) 38.6 73.6 112.5 試驗終止時混凝土中心處之最高溫度(°C) 41.7 76.5 249.4

破壞模式 防火被

覆開裂

一處局 部挫屈

多處局 部挫屈 是否滿足CNS12514 判定 2 小時之防火時效 通過 通過 不通過

表 4-2 試體各斷面加溫 2 小時後之溫度 試體各斷面加溫2 小時後之溫度(°C)

熱電偶線編號

CFBC-1 CFBC-2 CFBC-3 (2 小時) (2 小時) (43 分鐘)

AS1 -- 236.3 469.3

AS2 205.2 229.5 439.1

AC1 68.4 95.9 149.5

AC2 49.7 48.5 39.9

AC3 40.0 40.6 45.8

AC4 53.7 45.4 39.2

AC5 88.6 80.2 68.7

BS1 244.3 275.9 274.7

BS2 280.8 358.8 482.0

BC1 90.3 76.1 229.5

BC2 48.6 47.8 199.3

BC3 -- 40.2 --

BC4 53.7 41.6 219.4

BC5 82.2 80.8 265.3

CS1 214.4 327.0 312.5

CS2 274.4 303.8 254.2

CC1 -- 70.2 263.1

CC2 53.4 47.8 484.1

CC3 39.9 -- 42.2

CC4 58.2 46.9 32.0

CC5 -- 209.3 --

DS1 286.0 311.8 460.5

DS2 286.7 286.0 323.9

DC1 93.4 96.1 470.2

DC2 51.9 50.2 277.1

DC3 41.7 43.2 249.4

DC4 -- 45.5 324.5

DC5 84.6 71.0 421.3

表 5-1 高溫下混凝土材料性質之折減

表 5-4 試體 CFBC-1 鋼材與混凝土所分擔軸向載重比較

表 5-7 試體 CFBC-3 軸向變位實驗值與分析值之比較 時間

(min)

鋼材 平均溫度(°C)

混凝土 平均溫度(°C)

實驗值 (mm)

分析值 (mm)

0.00 32.4 31.1 0.00 0.00

10.00 238.2 30.2 4.40 5.23

20.00 379.0 37.6 13.90 9.58

30.00 511.8 50.5 16.30 14.04

40.00 614.2 192.2 -1.90 1.16

43.17 656.3 248.1 -26.20 -3.95

表 5-8 試體 CFBC-3 鋼材與混凝土所分擔軸向載重比較 時間

(min)

鋼材載重 (kN)

混凝土載重

(kN) 鋼材載重比值 混凝土載重比 值

0.00 4774 4046 0.541 0.459

10.00 8820 0 1.000 0.000

20.00 8820 0 1.000 0.000

30.00 8820 0 1.000 0.000

40.00 1140 7680 0.129 0.871

43.17 0 8820 0.000 1.000

※ 鋼材載重比值=鋼材所承擔之載重/原始施加載重

※ 混凝土載重比值=混凝土所承擔之載重/原始施加載重

500

500

22

500

500

Concrete Steel

22

Steel Concrete

Spray

無防火被覆 含防火被覆

單位：mm

圖 3-1 內灌混凝土箱型鋼柱試體斷面示意圖

單位：mm 500

斷面施工圖

7 35°

TYP.

500

22

圖 3-2 箱型鋼柱設計圖

40 4@725

4350

熱電偶線孔位 φ=30

透氣孔(四面) φ=20

1200 500

350 350

40 4@725 4350

灌漿孔 φ=150

1200 500

350 350

箱型鋼柱正視圖 箱型鋼柱側視圖

單位：mm 圖 3-2 箱型鋼柱設計圖(續)

15

40 300

150

1200 R30

11

TYP.

□ 500×500×22×22

TYP.

15

12 12 12

單位：mm

20 420

1200

ψ=33

60

單位：mm

1200

圖 3-2 箱型鋼柱設計圖(續)

100

1200

475

3@300 150

ψ=33

60

ψ=150 灌漿孔

上部底板設計圖 單位：mm

100

1200

3@300 150

60

螺栓孔

下部底板設計圖

單位：mm ψ=33

圖 3-2 箱型鋼柱設計圖(續)

圖 3-3 CFBC 試體內部熱電偶測點安裝圖

圖 3-4 箱型鋼柱施工圖

圖 3-5 自充填凝土於灌漿前進行坍流度之量測

圖 3-6 CFBC 試體表面熱電偶測點安裝圖

圖 3-7 鋼網施工

圖 3-8 鋼網鋪設完成圖

圖 3-9 CFBC 試體防火被覆施工(一)

圖 3-10 CFBC 試體防火被覆施工(二)

0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2

Strain

0 100 200 300 400 500 600

St re ss (MPa)

圖 3-11 柱鋼板 SN490-22-1 應力應變曲線

0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2

Strain

0 100 200 300 400 500 600

St re ss (MPa)

圖 3-12 柱鋼板 SN490-22-2 應力應變曲線

圖 3-13 梁柱樓板複合實驗爐外觀

試體

液壓千斤頂 加熱爐

圖 3-14 試驗設置示意圖

柱受熱段(3036)

4550

CFBC 試體 爐蓋板

爐壁

625 1250 675

3800

975

噴火口

1300

Unit：mm 圖 3-15 爐內噴火孔與試體相關位置圖

圖 3-16 現場試體設置圖

76 76 76

76 76 76

S5

A A

B B

C C

D D

600 612 612 600 657

=鋼板之測點

=混凝土內之測點

S6

S4 S3

C5

S2 C4

C3 C2 C1

S1 柱受熱端長度 657 612

斷面 A-A 熱電偶位置圖 其餘斷面亦同熱電偶之編號 前加上斷面編號 A, B, C 與 D

Unit: mm 圖 3-17 柱斷面熱電偶配置圖

0 30 60 90 120 150 180 210 240

Time (min)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

T emperature (

ο

C)

圖 3-18 標準加熱溫度-時間曲線

0 30 60 90 120 150

Time (min)

0 200 400 600 800 1000 1200

T em p erature (

ο

C)

Furnace Average Temperature CNS12514 Fire Standard Curve

圖 4-1 試體 CFBC-1 加溫爐升溫曲線示意圖

0 30 60 90 120 150

Time (min)

20 40 60 80 100

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section A Furnace

Time (min)

20 40 60 80 100

Temperature (

ο

C)

Section B Furnace

Furnace temperature (

ο

C)

C3

0 30 60 90 120 150

Time (min)

20 40 60 80 100

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section C Furnace

Time (min)

20 40 60 80 100

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section D Furnace

0 30 60 90 120 150

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section A

S2

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section B

S1

0 30 60 90 120 150

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section C

S1

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section D

S1

0 30 60 90 120 150 180

Time (min)

0

T em p erature (

ο

C)

Furnace Average Temperature CNS12514 Fire Standard Curve

圖 4-10 試體 CFBC-2 加溫爐升溫曲線示意圖

0 30 60 90 120 150 180 210

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section A

C1

0 30 60 90 120 150 180 210

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section B

C1

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section C Furnace

0 30 60 90 120 150 180 210

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section D

C1

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section A

S1

0 30 60 90 120 150 180 210

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section B

S1

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section C

S1

0 30 60 90 120 150 180 210

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C) Section D

Furnace

Time (min)

0

T emp erature (

ο

C)

Furnace Average Temperature CNS12514 Fire Standard Curve

圖 4-19 試體 CFBC-3 加溫爐升溫曲線示意圖

0 10 20 30 40 50

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section A Furnace

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section B Furnace

0 10 20 30 40 50

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section C Furnace

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

0

Furna ce temperature (

ο

C)

Section D Furnace

0 10 20 30 40 50

Time (min)

0

Temperature (

ο

C)

0

Furnace temperature (

ο

C)

Section A

Furnace

Time (min)

0

Temperature (

ο

C)

0

Furnace temp erature (

ο

C)

Section B Furnace

0 10 20 30 40 50

Time (min)

0

Temperature (

ο

C)

0

Furnace temperature (

ο

C)

Section C Furnace

Time (min)

0

Temperature (

ο

C)

0

Furnace temperature (

ο

C)

Section D Furnace

0 30 60 90 120 150

Time (min)

-1

Axia l deforma tion (mm)

0

Furn ace temperature (

ο

C)

CFBC-1 axial deformation Furnace temperature

圖 4-28 試體 CFBC-1 高溫試驗時柱加載對軸向變形的影響

0 30 60 90 120 150 180 210

Time (min)

-8

Axia l deforma tion (mm)

0

Furn ace temperature (

ο

C)

CFBC-2 axial deformation Furnace temperature

圖 4-29 試體 CFBC-2 高溫試驗時柱加載對軸向變形的影響

0 10 20 30 40 50

Time (min)

-30 -20 -10 0 10 20

Axial deform ation (m m)

0 200 400 600 800 1000 1200

Furnace temperature (

ο

C)

CFBC-3 axial deformation Furnace temperature

圖 4-30 試體 CFBC-3 高溫試驗時柱加載對軸向變形的影響

圖 4-31 試體 CFBC-1 試驗後整體圖

圖 4-32 試體 CFBC-1 上段試驗後防火被覆裂縫

圖 4-33 試體 CFBC-1 中段試驗後防火被覆裂縫

圖 4-34 試體 CFBC-1 下段試驗後防火被覆裂縫

圖 4-35 試體 CFBC-2 試驗後整體圖

圖 4-36 試體 CFBC-2 上段試驗後防火被覆開裂

圖 4-37 試體 CFBC-2 中段試驗後防火被覆開裂

圖 4-38 試體 CFBC-2 下段試驗後防火被覆開裂

圖 4-39 試體 CFBC-2 中段試驗後局部挫屈之ㄧ(已剝除防火被覆及鋼網)

圖 4-40 試體 CFBC-2 中段試驗後局部挫屈之二(已剝除防火被覆及鋼網)

圖 4-41 試體 CFBC-3 試驗後整體圖

圖 4-42 試體 CFBC-3 局部挫屈情形

圖 4-43 試體 CFBC-3 上段局部挫屈情形

圖 4-44 試體 CFBC-3 中段局部挫屈情形

0 30 60 90 120 150 180 210

Time (min)

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Axial deformation (mm)

CFBC-1 CFBC-2

圖 4-45 試體 CFBC-1 與 CFBC-2 高溫試驗時軸向變形比較圖

0 30 60 90 120 150 180 210

Time (min)

0 100 200 300 400 500

Temperature (

ο

C)

CFBC-1 steel average temperature CBFC-2 steel average temperature

圖 4-46 試體 CFBC-1 與試體 CFBC-2 鋼板內側平均溫度比較圖

0 30 60 90 120 150 180 210

Time (min)

25 50 75 100 125 150

Temperature (

ο

C)

Spec.

CFBC-1 CFBC-2

Depth

(CFBC-2) 76 mm 152 mm 228 mm

Depth

(CFBC-1) 76 mm 152 mm 228 mm

圖 4-47 試體 CFBC-1 與 CFBC-2 不同混凝土深度平均溫度比較圖

0 30 60 90 120 150 180 210

Time (min)

0 100 200 300 400 500 600 700

Temperature (

ο

C)

CFBC-2 steel average temperature CFBC-3 steel average temperature

圖 4-48 試體 CFBC-2 與試體 CFBC-3 鋼板內側平均溫度比較圖

0 30 60 90 120 150 180 210

Time (min)

0 50 100 150 200 250 300

Temperature (

ο

C)

Spec.

CFBC-2 CFBC-3

Depth

76 mm 152 mm 228 mm

圖 4-49 試體 CFBC-2 與 CFBC-3 不同混凝土深度平均溫度比較圖

0 5 10 15 20 25 30

Axial compressive deformation (mm)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

Axial compressive loa d ( k N)

CFBC-1 (before heating) CFBC-2 (before heating) CFBC-3 (before heating)

圖 4-50 三組試體加熱前軸向加載與軸向變形關係

0 10 20 30 4

Axial compressive deformation (mm)

0 0

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Ax ial compressive lo ad ( k N)

Before heating

After heating

圖 4-51 試體 CFBC-1 加熱前後軸向加載與軸向變形關係

0 200 400 600 800 1000 1200

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

Section A S2

0 200 400 600 800 1000 1200

Time (min)

0

Temperature (

ο

C)

Section B S1

0 200 400 600 800 1000 1200

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

Section C S1 S2 C2 C3

圖 4-54 CFBC-1 加溫試驗後溫度變化關係(斷面 C)

0 200 400 600 800 1000 1200

Time (min)

0

T emperature (

ο

C)

Section D S1

0 30 60 90 120 150 180

Time (min)

-27

Axial deformation (mm)

CFBC-1

S4 &S6

&S6

鋼材區域斷面

0 30 60 90 120 150

Time (min)

0

Steel tem p erat ure (

ο C)

Furnace temperature (

ο

C)

Outer steel temperature Inner steel temperature Average steel temperature Furnace temperature

圖 5-2 試體 CFBC-1 鋼材平均溫度輸入值

0 30 60 90 120 150 180

Time (min)

0

St eel t emperature (

ο C)

Furnace tempera tu re (

ο

C)

Outer steel temperature Inner steel temperature Average steel temperature Furnace temperature

圖 5-3 試體 CFBC-2 鋼材平均溫度輸入值

0 10 20 30 40 50

Time (min)

0 200 400 600 800

Steel tempera ture (

ο C)

Furnace temperature (

ο

C)

Outer steel temperature Inner steel temperature Average steel temperature Furnace temperature

圖 5-4 試體 CFBC-3 鋼材平均溫度輸入值

0 30 60 90 120 150 180

Time (min)

0

CFBC-1 thermal strain CFBC-2 thermal strain CFBC-3 thermal strain

圖 5-5 三組試體之鋼材熱應變示意圖

0 30 60 90 120 150

Time (min)

20

Concrete t emperature (

ο C)

Furnace temperature (

ο

C)

Outer concrete temperature Middle concrete temperature Inner concrete temperature Average concrete temperature Furnace temperature

圖 5-6 試體 CFBC-1 混凝土平均溫度輸入值

0 30 60 90 120 150 180

Time (min)

20

Concrete t emperature (

ο C)

Furnace temperature (

ο

C)

Outer concrete temperature Middle concrete temperature Inner concrete temperature Average concrete temperature Furnace temperature

圖 5-7 試體 CFBC-2 混凝土平均溫度輸入值

0 10 20 30 40 50

Time (min)

0

Concrete t emperature (

ο C)

Furnace temperature (

ο

C)

Outer concrete temperature Middle concrete temperature Inner concrete temperature Average concrete temperature Furnace temperature

圖 5-8 試體 CFBC-3 混凝土平均溫度輸入值

0 30 60 90 120 150 180

Time (min)

0

CFBC-1 thermal strain CFBC-2 thermal strain CFBC-3 thermal strain

圖 5-9 三組試體之混凝土熱應變示意圖

圖 5-10 CFBC 軸向變形與試驗時間之關係圖(Lie and Chabot, 1992)

0 30 60 90

Time (min)

120 -12

-8 -4 0 4 8

Axial deformation (mm)

Test Analysis

圖 5-11 試體 CFBC-1 軸向變形分析值與實驗值之比較

0 30 60 90 120 1

Time (min)

50 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1

Axial Load ratio

Steel Concrete

圖 5-12 試體 CFBC-1 鋼材與混凝土承受軸向載重比例之歷時

0 30 60 90 120 150 180

Time (min)

-20 -15 -10 -5 0 5 10

Axial deformation (mm)

Test Analysis

圖 5-13 試體 CFBC-2 軸向變形分析值與實驗值之比較

0 30 60 90 120 150 180

Time (min)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Load ratio

Steel Concrete

圖 5-14 試體 CFBC-2 鋼材與混凝土承受軸向載重比例之歷時

0 10 20 30 40 5

Time (min)

0 -30

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Axial deformation (mm)

Analysis Test

圖 5-15 試體 CFBC-3 軸向變形分析值與實驗值之比較

0 10 20 30 40 5

Time (min)

0 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1

Load ratio

Steel Concrete

圖 5-16 試體 CFBC-3 鋼材與混凝土承受軸向載重比例之歷時

附錄一 噴附式防火被覆簡介

顏色 (施工乾燥後) ：灰白色

成分 ：水泥、蛭石及抗裂纖維 水灰比 ：1.13~1.40 L/kg

乾密度 (ASTM E 605) ：26 PCF/28 PCF(Min. Ind./Avg.) 燃燒測試 (560°C/ 30 mins) ：無 CO、CO2 氣體產生

抗壓強度 (ASTM E 761) ：Min. Avg. 5,000 PSF 附著強度 (ASTM E 736) ：Min. Avg. 500 PSF 抗撓曲 (ASTM E 759) ：Pass

抗衝擊 (ASTM E 760) ：Pass

抗銹蝕 (ASTM E 937) ：0.00 gm/mm² 落塵量 (ASTM E 859) ：0.000 gm/ft²

火焰擴散率 (ASTM E 84) ：0 (上塗 1 道透明漆仍為零) 煙發展量 (ASTM E 84) ：0 (上塗 1 道透明漆仍為零) 不燃性 (ASTM E 136) ：不燃

熱傳導係數 (JIS A 1412) ：0.079 kcal/mh°C at Avg.30°C 吸音係數 (ASTM C 423) ：NRC = 0.60 at 25 mm

不垂流厚度 (噴覆一道) ：每道 15mm 以上 PH 值(加水攪拌) ：12 左右

施工方法 ：噴塗、手工鏝塗 適用底材 ：鋼材或混凝土 硬化時間 (20°C/50% RH) ：粗凝：2~6 小時 達50%強度 ：5~7 天

達70%強度 ：10~12 天 達98%強度 ：28 天以上

附錄二 內灌混凝土箱型鋼柱工作載重計算

500 209 12 205800 0

8

(2) 內灌混凝土柱(59.7 MPa)抗壓計算強度(Pnrc) 設計載重=靜載重+活載重=12675+2535=15,210 kN 實際加載之軸向力為15,190 kN

2. 試體 CFBC-2

(1) 箱型鋼柱抗壓計算強度(Pns)

□ 500×500×22×22 長度 L=4350 mm 鋼柱面積 As=42064 mm²

實際鋼降伏強度Fys=371.8 MPa 實際鋼彈性模數 Es=205800 MPa

500 209 12 205800 0

8

(3) 內灌混凝土箱型鋼柱抗壓設計強度(φcPn) 設計載重=靜載重+活載重=13140+2628=15,768 kN

(3) 內灌混凝土箱型鋼柱抗壓設計強度(φcPn) 設計載重=靜載重+活載重=13140+2628=15,768 kN

在文檔中 火害下內灌混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為 (頁 52-118)