第五章 合成梁於高溫下之參數研究
6.2 建議
1 目前國內鋼材於高溫下之力學性質與熱性質資料並不完備，國內 鋼材尚待完備的高溫試驗，使得分析能更符合國內鋼材高溫之行 為。
2 載重大小對於高溫環境下防火被覆開裂之影響，有待後續更進一 步之研究。
3 實際火場合成梁溫度會受熱輻射與熱對流影響，本研究並未考 慮，建議後續研究可對此部份做更進一步之研究
參考文獻
ABAQUS (2007), ABAQUS/Explicit User’s Manual. Hibbitt, Karlsson &
Sorensen, Inc., Version 6.7.
Buchanan, A., Moss, P., Seputro, J., Welsh, R. (2004), “The Effect of Stress-Strain Relationships on the Fire Performance of Steel Beams,” Engineering Structures, Vol. 26 pp. 1505-1515.
Dharma, R. B., and Tan, K. H. (2005), “A Numerical Study of Rotational Capacity of Steel Beams in Fire,” Advances in Steel Structures, Vol.
2.
Eurocode 2 (2004), Design of Steel Structures－Part 1.2：General Rules
－Structural Fire Design.
Eurocode 3 (2005), Design of Steel Structures－Part 1.2：General Rules
－Structural Fire Design.
Ghojel, J. I., and Wong, M. B. (2005), “Three-Sided Heating of I-Beams in Composite Construction Exposed to Fire,” Journal of Constructional Steel Research, Vol. 61, pp. 834-844.
Huang, Z., Platten, A., and Roberts, J. (1995), “Non-linear Finite Element Model to Predict Temperature Histories within Reinforced Concrete in Fires,” Building and Environment, Vol. 31, No. 2, pp. 109-118.
Concrete,” Journal of Structural Engineering, Vol. 120, No. 5, pp.
1489-1509.
Liu, T. C. H., Fahad, M. K., Davies J. M. (2002), “Experimental Investigation of Behavior of Axially Restrained Steel Beams in Fire,” Journal of Constructional Steel Research, Vol. 58, pp.
1211-1230.
Li, L. Y. and Purkiss, J. (2005), “Stress-Strain Constitutive Equations of Concrete Material at Elevated Temperatures,” Fire Safety Journal, Vol. 40, pp. 669-686.
Rubert, A., and Schaumann, P. (1986), “Structural Steel and Plane Frame Assemblies under Fire Action,” Fire Safety Journal, Vol. 10, pp.
173-184.
Touloukian, Y. S., Kirby, R. K., Taylor, R. E., Desai, P. D. (1977),
“Thermal Expansion Metallic Elements and Alloys,” IFI/Plenum.
New York, NY.
Vimonsatit, V., Tan K. H., and Qian Z. H. (2007), “Testing of Plate Girder Web Panel Loaded in Shear at Elevated Temperature,” Journal of Structural Engineering, Vol. 133, No. 6, pp. 815-824.
Zhao, J.C. and Shen Z.Y. (1999), “Experimental Studies of the Behavior of Unprotected Steel Frames in Fire,” Journal of Constructional Steel Research, Vol. 50, pp. 137-150.
「建築物構造部分耐火試驗法」(1997)，中華民國國家標準 CNS
12514。經濟部標準檢驗局。
林慶元、林銅柱(1993)，「鋼骨結構耐火被覆材檢驗基準研究」，內政 部建築研究所籌備處專題研究計畫成果報告。
張燕如(2005)，「鋼結構火害反應之向量式有限元素法分析」，國立成 功大學土木工程研究所碩士論文，邱耀正指導。
鄭紹材(2007)，「建築物結構耐火技術之研究(I)－建築物鋼結構防火被 覆耐火性能評估與驗證機制之研究」，內政部建築研究所委託研 究報告。
許晉瑋(2007)，「鋼結構梁柱接頭在高溫環境下行為之數值模擬」，國 立成功大學土木工程研究所碩士論文，邱耀正指導。
林振吉(2008)，「H 型梁-箱型柱彎矩接頭之火害行為研究」，國立成功 大學土木工程研究所碩士論文，邱耀正指導。
趙文成、陳誠直(2009)，「鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研 究」，內政部建築研究所委託研究報告。
表3-1 Eurocode 3 鋼材在高溫下之應力應變關係
表3-2 鋼材在高溫下之力學性質折減係數
表3-3 混凝土在高溫下之力學性質折減係數
表 3-4 ABAQUS 有限元素分析單位表
量 SI SI (mm) US Unit (ft) US Unit (inch)
長度 m mm ft in
力 N N lbf lbf
質量 kg tonne(103kg) slug lbf s2 in
時間 s s s s
應力 Pa(N m2) MPa(N mm2) lbf ft2 psi(lbf in2) 能量 J mJ(10−3J) ftlbf lbfin 密度 kg m3 tonne mm3 slug ft3 lbf s2 in4
表4-1 試體試驗資料表
試驗編號 被覆厚度 載重有無 試驗終止時間
1 11 mm 無 60 min
2 14 mm 有 120 min
3 11 mm 有 93 min
表5-1 合成梁火害參數分析列表 模型名稱模型編號說明模型敘述參數研究目的 Control 控制組模型，每個載重點施加 95.2 kN載重。
作為控制組模型。 Steelbeam 純鋼梁分析。樓板有無之影響。 Ldratio01~ Ldratio10
Lr表示Load，ratio01表示 載重比為0.1，ratio02表示 載重比為0.2以此類推。
以Control模型為基礎，改變 載重比，從0.1到1.0。
載重大小對於合成梁之影 響。 Sectemp01~ Sectemp06
Sec表示Section，temp表示 Temperature。
改變梁橫斷面溫度，縱斷面溫 度為均勻，共6種不同的橫斷 面溫度組合(如表5-2所示)。
模擬不同橫斷面溫度分佈 對合成梁之影響。 41
溫度分佈 (℃) 編號模型 上翼板腹板下翼板溫度分佈圖分析比較圖 Sectemp01 400 640 800 1 Sectemp03 400 800 800 p02 640 800 800
圖5-27 Sectem Sectemp03 400 800 800 p04 800 800 800 p02 640 800 800
2 Sectem
圖5-28 Sectem 3 Sectemp06 640 800 640 p05 400 800 640
圖5-29 Sectem 4 Sectemp06 640 800 640 圖5-30
表5-2 Sectemp系列模型分析結果比較列表 42
(Eurocode 3 2005)
圖3-1 Eurocode 3 鋼材在高溫下考慮應變硬化之應力應變關係
0 200 400 600 800 1000 1200 Temperature (oC)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Reduction factor
Effective yield stress
Slope of linear elastic range Proportional limit
0 200 400 600 800 1000 1200 Temperature (oC)
0
Thermal conductivity (W / mK)
圖3-3 Eurocode 3 鋼材熱傳導係數
0 200 400 600 800 1000 1200 Temperature (oC)
0
Specific heat (J/kgK)
圖 3-4 Eurocode 3 鋼材比熱
0 200 400 600 800 1000 Temperature (oC)
0 5E-006 1E-005 1.5E-005 2E-005
Coefficient of thermal expansion (o C)-1
圖3-5 鋼材熱膨脹係數 (Touloukian et al. 1977)
0 200 400 600 800 Temperature (oC)
0
Reduction of initial tangent modulus , E/E0
圖 3-7 混凝土在高溫下之彈性模數折減係數 (Li and Purkiss 2005)
0 200 400 600 800 1000
Temperature (oC) 0
0 200 400 600 800 1000 Temperature (oC)
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2
Thermal conductivity (W / mK)
圖 3-9 Eurocode 2 混凝土熱傳導係數
0 200 400 600 800 1000
Temperature (oC) 0
200 400 600 800 1000 1200
Specific heat (J / KgK)
圖 3-10 Eurocode 2 混凝土比熱
0 200 400 600 800 1000 Temperature (oC)
0 5E-006 1E-005 1.5E-005 2E-005
Coefficient of thermal expansion (o C)-1
圖3-11 混凝土熱膨脹係數 (Lie 1994)
繪製部件
輸入材料性質並 定義於各個部件
將部件裝配
建立熱傳分析步
建立網格並使用 熱傳分析元素
進行熱傳分析
應力分析元素
進行非線性應力分析
輸入熱傳分析結果
進行接續性耦合分析
輸出結果
設定負載及邊界條件
施加溫度歷時
改變分析元素為
圖3-12 ABAQUS 分析流程圖
圖3-13 鋼梁模型
圖3-14 樓板模型
圖 3-15 合成梁組合模型
圖 3-16 合成梁網格劃分模型
Esh
fy
σ
E
εy ε
圖 3-17 鋼材雙線性材料模式
圖4-1 試體縱向熱電偶測點配置位置 (趙文成與陳誠直 2009)
圖4-2 鋼梁橫斷面熱電偶測點配置位置 (趙文成與陳誠直 2009)
圖4-3 試體樓板混凝土施工完成 (趙文成與陳誠直 2009)
圖4-4 鋼梁熱電偶線設置 (趙文成與陳誠直 2009)
圖4-5 防火被覆施工完成 (趙文成與陳誠直 2009)
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Time (min)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
Temperature (o C)
圖4-6 標準加熱溫度－時間曲線 (CNS 12514 1997)
圖4-7 三組試體試驗後永久變形情形 (趙文成與陳誠直 2009)
0 20 40 6
0 20 40 6
0 20 40 6
0 20 40 60 80 100 120
0 20 40 60 80 100 1
Time (min) 20
0
0 20 40 60 80 1
Time (min) 00
0
Time (min) 00
0
0 20 40 60 80 1
Time (min) 00
0
Time (min) 00
0
0 20 40 60 80 1
Time (min) 00
0
Time (min) 20
0
0 10 20 30 40 50 6
Time (min) 20
-280
0 20 40 60 80 100 1
Time (min) 20
-280 -240 -200 -160 -120 -80 -40 0 40
Deflection (mm)
TEST FEA
圖 4-26 試體3－試驗與分析之中點撓度比較
圖 5-1 Control 模型縱向溫度配置
0 20 40 60 80 100 120
Time (min) 0
200 400 600 800
Temperature (o C)
Web
Bottom flange Top flange
圖5-2 Control 模型斷面 1 溫度分佈
0 20 40 60 80 100 120
0 20 40 60 80 100 1
Time (min) 20
-280
Time (min) 20
-400
0 20 40 60 80 100 1
Time (min) 20
-400
Time (min) 20
0
800℃
640℃
400℃
圖5-9 Sectemp01 橫斷面溫度分佈圖
Sectemp01
0 20 40 60 80 100 1
Time (min) 20
-450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50
Deflection (mm)
圖 5-10 Sectemp01 橫斷面溫度分佈跨距中點撓度圖
-500 -400 -300 -200 -100 0 100
Deflection (mm)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Length (mm)
圖5-11 Sectemp01 橫斷面溫度分佈跨距撓度圖
640℃
800℃
800℃
圖 5-12 Sectemp02 橫斷面溫度分佈圖
Sectemp02
0 20 40 60 80 100 1
Time (min) 20
-450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50
Deflection (mm)
圖 5-13 Sectemp02 橫斷面溫度分佈跨距中點撓度圖
-500 -400 -300 -200 -100 0 100
Deflection (mm)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Length (mm)
圖 5-14 Sectemp02 橫斷面溫度分佈跨距撓度圖
800℃
800℃
400℃
圖5-15 Sectemp03 橫斷面溫度分佈
Sectemp03
0 20 40 60 80 100 1
Time (min) 20
-450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50
Deflection (mm)
圖 5-16 Sectemp03 橫斷面溫度分佈跨距中點撓度圖
-500 -400 -300 -200 -100 0 100
Deflection (mm)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Length (mm)
圖 5-17 Sectemp03 橫斷面溫度分佈跨距撓度圖
800℃
800℃
800℃
圖5-18 Sectemp04 橫斷面溫度分佈
Sectemp04
0 20 40 60 80 100 1
Time (min) 20
-450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50
Deflection (mm)
圖 5-19 Sectemp04 橫斷面溫度分佈跨距中點撓度圖
-500 -400 -300 -200 -100 0 100
Deflection (mm)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Length (mm)
圖 5-20 Sectemp04 橫斷面溫度分佈跨距撓度圖
400℃
800℃
640℃
圖5-21 Sectemp05 橫斷面溫度分佈
Sectemp05
0 20 40 60 80 100 1
Time (min) 20
-450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50
Deflection (mm)
圖 5-22 Sectemp05 橫斷面溫度分佈跨距中點撓度圖
-500 -400 -300 -200 -100 0 100
Deflection (mm)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Length (mm)
圖 5-23 Sectemp05 橫斷面溫度分佈跨距撓度圖
640℃
800℃
640℃
圖5-24 Sectemp06 橫斷面溫度分佈
Sectemp06
0 20 40 60 80 100 1
Time (min) 20
-450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50
Deflection (mm)
圖 5-25 Sectemp06 橫斷面溫度分佈跨距中點撓度圖
-500
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Length (mm)
圖 5-26 Sectemp06 橫斷面溫度分佈跨距撓度圖
mp03 Sectemp01 Secte
0 20 40 60 80 100 1
Time (min) 20
-450
圖 5-27 Sectemp01 與 Sectemp03 時間-模型跨距中點撓度比較圖
-450
Sectemp02 Sectemp03 Sectemp04
Sectemp02 Sectemp06
圖5-28 Sectemp02~Sectemp04 時間-模型跨距中點撓度比較圖
0 20 40 60 80 100 1
Time (min) 20
-450
圖 5-29 Sectemp02 與 Sectemp06 時間-模型跨距中點撓度比較圖
-450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50
Sectemp05 Sectemp06
0 20 40 60 80 100 120
Time (min)
Deflection (mm)
Sectemp05 Sectemp06
圖 5-30 Sectemp05 與 Sectemp06 時間-模型跨距中點撓度比較圖