第四章 試驗結果與討論
第五節 有限元素分析結果與討論
以ABAQUS 有限元素分析軟體模擬受載重和高溫下之有、無防火被覆 CFBC 試體。具防火被覆CFBC 試體之分析，以試驗量測之平均爐溫輸入至試體受熱段 之防火被覆；由熱傳分析結果與試驗量測值比對鋼骨和混凝土各測點溫度，驗證 材料熱性質之正確性，更可進一步瞭解試體斷面溫度分佈情形。對於防火被覆的 模擬，其厚度以實際量測試體各面之平均值。無防火被覆CFBC 試體之分析，以 試驗量測之平均爐溫或鋼表面溫度，輸入至受熱段鋼表面進行熱傳分析。其他相 關模擬CFBC 試體之說明，如本章第四節所示。
壹、試體 CFBC-1
試體CFBC-1 具防火被覆受高溫 2 小時，其防火被覆厚度為 15.3 mm，實際 混凝土強度為 609 kgf/cm2，試體軸向加載 1550 噸，試驗當天室溫為 30°C。表 (a)銲接箱型鋼模型 (b) 內灌混凝土模型 (c) 1/4 斷面對稱分析模型
約為 110°C 且箱型鋼角隅處溫度較高(約 136°C)；試驗之 S4 測點溫度較分析值
-50 0 50 100 150 200 250 300 Distance form column face (mm)
0 100 200 300 800 900 1000 1100
Temperature (o C)
Location of the thermocouples Furnace
Inside steel plate
76 mm depth inside concrete 152 mm depth inside concrete 228 mm depth inside concrete Heating 120 min
TEST FEM Heating 60 min
TEST FEM
圖 5-13 試體 CFBC-1 試驗值與分析值之溫度比較 (資料來源：本研究整理)
圖 5-14 分析試體 CFBC-1 加溫 30 分鐘之斷面溫度分佈情形 (資料來源：本研究整理)
46°C 115°C
圖 5-15 分析試體 CFBC-1 加溫 60 分鐘之斷面溫度分佈情形 (資料來源：本研究整理)
圖 5-16 分析試體 CFBC-1 加溫 90 分鐘之斷面溫度分佈情形 (資料來源：本研究整理)
108°C 186°C 263°C 75°C 150°C
圖 5-17 分析試體 CFBC-1 加溫 120 分鐘之斷面溫度分佈情形 (資料來源：本研究整理)
貳、試體 CFBC-2
試體CFBC-2 具防火被覆受高溫 3 小時，其防火被覆厚度為 14.3 mm，混凝 土強度約為673 kgf/cm2，而試體軸向加載1600 噸，試驗當天室溫為 30°C。熱傳 分析和試驗量測溫度之結果如表5-7 和圖 5-18 所示。在加熱 30 分鐘後，熱傳分 析與試驗量測值結果之混凝土中心溫度與室溫相同，分析之鋼外側表面溫度為 114°C 且箱型鋼角隅處溫度較高(136°C)；試驗之鋼外側表面和鋼角隅處溫度較分 析值些為偏高。加熱90 分鐘，分析之混凝土中心溫度為 36°C，鋼外側表面溫度 升至269°C 且角隅處溫度為 309°C；試驗之鋼外側表面和角隅處測點損壞而量測 到爐溫，因此與分析值差異很大；加熱180 分鐘，分析之混凝土中心溫度為 82°C，
而鋼外側表面溫度約為452°C 且角隅處溫度達 507°C；試驗之混凝土中心溫度較 分析值低8°C，而鋼外側表面和角隅處測點溫度與爐溫接近。
由分析和試驗結果比較得知，試驗之鋼外側表面和角隅處測點溫度較分析值 高，可能是因為防火被覆材龜裂或剝落所造成；試驗之鋼外側表面和角隅處熱電
111°C 192°C 274°C
5-19~5-24 所示。
表 5-7 試體 CFBC-2 試驗值與分析值之溫度比較
30 min 60 min 90 min 120 min 150 min 180 min (°C) TEST FEM TEST FEM TEST FEM TEST FEM TEST FEM TEST FEM C1 32 37 43 59 64 88 85 120 105 154 134 187 Distance from column face (mm)
0 100 200 300 400 500900 1000 1100 1200
Temperature (o C)
Location of the thermocouples Furnace
Inside steel plate
76 mm depth inside concrete 152 mm depth inside concrete 228 mm depth inside concrete Heating 120 min
TEST FEM Heating 60 min
TEST FEM
Heating 180 min TEST FEM
圖 5-18 試體 CFBC-2 試驗值與分析值之溫度比較 (資料來源：本研究整理)
圖 5-19 分析試體 CFBC-2 加溫 30 分鐘之斷面溫度分佈情形 (資料來源：本研究整理)
圖 5-20 分析試體 CFBC-2 加溫 60 分鐘之斷面溫度分佈情形 (資料來源：本研究整理)
64°C
216°C 140°C 33°C 103°C
圖 5-21 分析試體 CFBC-2 加溫 90 分鐘之斷面溫度分佈情形 (資料來源：本研究整理)
圖 5-22 分析試體 CFBC-2 加溫 120 分鐘之斷面溫度分佈情形 (資料來源：本研究整理)
357°C 275°C 194°C 111°C 260°C 180°C 100°C
圖 5-23 分析試體 CFBC-2 加溫 150 分鐘之斷面溫度分佈情形 (資料來源：本研究整理)
圖 5-24 分析試體 CFBC-2 加溫 180 分鐘之斷面溫度分佈情形 (資料來源：本研究整理)
464°C 378°C 291°C 204°C 118°C 115°C 200°C 284°C 369°C
試體軸向加載900 噸，試驗當天室溫為 30°C。由表 5-8 和圖 5-25 得知試體於加
-50 0 50 100 150 200 250 300 Distance from column face (mm)
0 100 200 700 800 900 1000
Temperature (o C)
Location of the thermocouples Furnace
Outside steel plate
76 mm depth inside concrete 152 mm depth inside concrete 228 mm depth inside concrete Heating 30 min
TEST FEM Heating 43 min
TEST FEM
圖 5-25 試體 CFBC-3 試驗值與分析值之溫度比較 (資料來源：本研究整理)
圖 5-26 分析試體 CFBC-3 加溫 10 分鐘之斷面溫度分佈情形 (資料來源：本研究整理)
222°C 174°C 126°C 78°C
圖 5-27 分析試體 CFBC-3 加溫 20 分鐘之斷面溫度分佈情形 (資料來源：本研究整理)
圖 5-28 分析試體 CFBC-3 加溫 30 分鐘之斷面溫度分佈情形 (資料來源：本研究整理)
289°C 224°C 160°C 95°C 89°C
267°C 208°C 149°C
圖 5-29 分析試體 CFBC-3 加溫 43 分鐘之斷面溫度分佈情形 (資料來源：本研究整理)
肆、防火被覆材不同厚度之分析
由上述模擬具防火被覆試體CFBC-1 和具防火被覆試體 CFBC-2 分別受高溫 2 小時與 3 小時，其分析斷面溫度與試驗量測溫度接近，故驗證本分析所採用之 防火被覆材參數是可行的。為瞭解防火被覆材厚度對試體斷面溫度傳遞之影響，
因此防火被覆厚度之改變將依據內政部核可廠商材料之最小噴覆的厚度，為美國 UL Design No. Y711 認證之防火時效之 1.25 倍，如表 5-9 所示。
表 5-9 內政部核可之防火時效與被覆厚度之關係 防火時效(hr) 最小被覆厚度(mm)
1 12 2 12 3 16 (資料來源：本研究整理)
307°C 238°C 169°C 99°C
與分析試體CFBC-2 之結果比較。防火被覆厚度分別為 12 mm (防火時效 1 小時 和2 小時)、14.3 mm(試體 CFBC-2)與 16 mm(防火時效 3 小時)。
圖5-30 與圖 5-31 為加溫 2 小時之不同厚度防火被覆試體分析結果。在加溫 120 分鐘，分析被覆厚度為 12 mm、14.3 mm 和 16 mm 之試體，其 S2 分析點溫 度分別為377°C、335°C 和 310°C；分析被覆厚度為 12 mm、14.3 mm 和 16 mm 之試體，其C5 溫度分別為 131°C、120°C 和 114°C。對於相同加溫時間下，被覆 厚度較厚則較能抵抗溫度傳遞至材料，使試體不會太快受到高溫影響而降低材料 強度。
圖5-31 (a)和(b)分別為為加溫 60 分鐘和 120 分鐘，分析比較 3 種防火被覆厚 度試體之溫度傳遞情形。由爐溫至鋼材之曲線顯示，防火被覆阻隔約700°C 傳遞 至鋼材，且被覆材厚度也影響溫度的傳遞；由鋼材至混凝土中心之曲線得知，混 凝土為低導熱材，其溫度隨距離而降低。因此高溫傳遞至試體受到防火被覆的阻 礙並也顯示防火被覆的厚度對溫度傳遞造成影響。
0 30 60 90 120
Time (min) 0
100 200 300 400
Temperature (o C)
Fire protection thickness 12 mm thick.
14.3 mm thick.
16 mm thick.
Location of the thermocouples Inside steel plate
76 mm depth inside concrete
圖 5-30 分析試體 CFBC-2 以不同被覆厚度之分析結果 (資料來源：本研究整理)
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300 Distance from column face (mm) 0
100 200 300 400900 1000 1100
Temperature (o C)
Location of the thermocouples Furnace
Outside steel plate Inside steel plate
76 mm depth inside concrete 152 mm depth inside concrete 228 mm depth inside concrete Fire protection thickness
12 mm thick.
14.3 mm thick.
16 mm thick.
60 min
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300 Distance from column face (mm) 0
100 200 300 400900 1000 1100
Temperature(o C)
Location of the thermocouples Furnace
Outside steel plate Inside steel plate
76 mm depth inside concrete 152 mm depth inside concrete 228 mm depth inside concrete Fire protection thickness
12 mm thick.
14.3 mm thick.
16 mm thick.
120 min
圖 5-31 模擬不同防火被覆厚度之斷面測點溫度關係 (資料來源：本研究整理)
伍、不同防火被覆材之分析
本研究將以具外覆材分析試體CFBC-2 為模型，以何奇鈺(2008)研究建議之 不同防火被覆熱傳係數，輸入至分析模型被覆材進行熱傳分析。何奇鈺(2008)之
表 5-11 不同掺料比例之防火被覆熱傳導係數 溫度°C Type 1 Type 2 Type 3 30 0.129 0.120 0.115 200 0.106 0.112 0.107 600 0.150 0.176 0.184 1000 0.269 0.271 0.269 (資料來源：何奇鈺(2008))
0 30 60 90 120
Time (min) 0
100 200 300 400
Temperature (o C)
Fire protection type Type 1 Type 2 Type 3
Location of the thermocouples Inside steel plate
76 mm depth inside
圖 5-32 不同防火被覆材分析模型之時間-溫度關係 (資料來源：本研究整理)