第二章 規範與文獻回顧
第四節 歐洲規範 E UROCODE 3
歐洲規範Eurocode 3 分別制定常溫下與火災下之鋼構造規範，Eurocode 3 Part 1-1 (2005a)為提供常溫下構件於極限狀態與使用狀態下之計算規定等，而 Eurocode 3 Part 1-2 (2005b)則規定受火構件設計流程、計算與評估方法，其設計 流程如圖2-4 所示。Eurocode 3 Part 1-2 (2005)之架構可分為：(1)設計基本規定；
(2)受火構造設計；(3)材料性質。
圖 2-4 歐洲規範 Eurocode 3 設計流程圖
(資料來源：Eurocode 3 2005b)
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壹、 設計基本規定
Eurocode 3 (2005b)規定，鋼結構或構件須於受火時保持其承載力並符合變形 破壞判定標準，其受 火形式可分為 Nominal fire exposure 或 Parametric fire exposure。Nominal fire exposure 形式之構造或構件承載力僅需考慮材料本身的抗 火能力，於曝火後之所需時間內仍維持承載能力。Parametric fire exposure 形式之 構造或構件若包含受火期間之衰減階段或於受火後一段時間內能防止坍塌，則表 示其具足夠承載能力。
於規範中設計採用之結構模型應反映火災時的預期性能，但規範之計算驗證 方法僅適用於標準火災暴露情形，而驗證於標準火災下之防火需求僅須做構件分 析即足夠。除以計算設計外，防火設計可以基於防火試驗的結果，或亦可以基於 防火試驗與計算結合的結果驗證。分析方式可分為構件分析(Member analysis)、
子 結 構 分 析(Analysis of part of structure) 及 整 體 結 構 分 析 (Global structural analysis)。
構件分析(Member analysis)僅考慮構件橫斷面之熱變形，可忽略軸向或平面 膨脹之變形，並假設曝火期間構件支承處及末端的邊界條件不變之方式分析。子 結構分析(Analysis of part of structure)須考慮其可能的破壞模式、溫度變化下之材 料性質及構件剛度變化、熱膨脹及熱變形，並應考慮受火期間子結構潛在的熱膨 脹及變形行為；受火期間支承處之受力、構件之內力及子結構邊界處之力矩皆可 視為固定大小，而此受力情形則為常溫下結構分析之結果。整體結構分析(Global structural analysis)應考慮受火時可能的破壞模式，溫度變化下之材料性質及構件 剛度變化、熱膨脹及熱變形量，並考慮受火期間結構潛在的熱膨脹及變形行為。
貳、 受火構造設計
Eurocode 3 (2005b)設計須考慮鋼構造受防火材料保護或受熱屏障遮蔽之有 無，而其設計方法有：(1)簡易計算法(simple calculation models)；(2)進階計算法 (advanced calculation models)；(3)實驗方式(testing)。而於規範中之說明僅針對簡 易計算法及進階計算法。
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簡易計算法(simple calculation models)
簡易計算法(simple calculation models)是保守假設單一構件之簡化設計方法，
鋼構件須於受火之所需時間內維持承載能力。構件之溫度可假設為均勻分佈，以 均溫情形下之溫度變化的材料性質進行驗證；若接頭處較任一構件有更佳之耐火 性能，則可將栓接或銲接接頭視為具足夠之耐火性能，接頭處之耐火性能可依 Eurocode 3 Part 1-2 (2005b)附錄 D 確認。
構件斷面依Eurocode 3 Part 1-1 (2005a)規定分為 Class 1～Class 4 四種等級，
依不同斷面等級給予受拉構件、受壓構件、梁構件、同時承受彎矩與軸壓力構件 之計算式，用以評估構件之耐火性能。而構件耐火性能之判定除須符合變形破壞 標準及維持穩定性外，亦可將鋼材之臨界溫度視為性能失效之標準。鋼材之溫度 變化可依構件防火材料保護或受熱屏障遮蔽的有無，亦或為間接受熱之外部鋼構 件等情形分為四種受熱情形，並依不同情形分別給予相對應之計算式。
進階計算法(advanced calculation models)
進階計算法(advanced calculation models)是將工程原理以實際方式用於特定 應用的設計方法，可提供對受火構造的真實分析。為有效的預期相關結構部件受 火行為，其行為應基於物理原則，且應採用適當的方法消除進階計算法未涵蓋的 任何潛在破壞模式，如局部挫屈和剪力破壞等。規範表示，此計算法可應用於任 何斷面形式之模型，且若材料性質於特定溫度範圍內為已知前提下，可使用任何 升溫曲線做為加溫方式。而計算法之模型須包含構件內溫度發展及分佈的熱反應 模型(thermal response model)，與構造或構件性能的力學性質反應模型(mechanical response model)。
熱反應模型之計算法須基於公認的原理及熱傳導理論的假設，模型須考慮於 Eurocode 1 Part 1-2 (2002)規定的相關熱作用及溫度變化下之材料性質，傳熱方式 可能包含非均勻熱輻射及與相鄰構造或構件間熱對流的影響。而模型若含防火材 料，其中之水分含量及水分變動影響可被保守的忽略。
力學性質反應模型須基於公認的結構力學原理及溫度變化下材料性質的假 設，並考慮構件受溫差產生之應力應變的影響，模型尚須考慮：(1)材料行為、幾 何缺陷和熱作用的綜合作用下的影響；(2) 溫度變化下之材料性質；(3)幾何非線
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性效應；(4)含加載和卸載對結構剛度不利之非線性材料特性的影響。為確保結構 所有部分間具有相容性，因此極限狀態下之變形須受到限制，故應考慮最終極限 狀態，若超過該極限狀態，將會以構造的計算變形量認為該構件因承載力不足而 判定達破壞標準。
計算設計法之驗證須考慮：(1)計算模型的準確性須根據相關試驗結果；(2) 計算結果可能涉及溫度、變形和耐火時間；(3)為確保模型符合的工程原理，任何 參數皆須經過嚴謹的檢查並確認；(4)臨界參數可意旨如挫屈長度、元件的尺寸及 承載能力。
參、 材料性質
Eurocode 3 (2005b)高溫下的鋼材強度與變形性質為每分鐘 2 至 50K 加熱速 率的情形下所得之應力應變關係，如圖2-5 所示。由應力應變曲線所得之鋼材性 能指標，包括有效降伏強度 (effective yield strength)、極限強度與彈性模數，於 Eurocode 3 (2005b)規範所建議之折減係數列於表 2-4。
圖 2-5 溫度變化下鋼材之應力應變關係
(資料來源：Eurocode 3 2005b）
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表 2-4 溫度變化下鋼材之力學性質與折減係數
(資料來源：Eurocode 3 2005b）
熱傳導(Thermal conductivity)為物質傳導熱能之性能，而隨溫度變化，其熱 傳導也隨之不同，由 Eurocode 3 (2005b)規定之簡易計算鋼材熱傳導係數為 45 W/mK；各溫度階段之熱傳導係數可由公式 (1)與公式(2)計算，結果如圖 2-6 所示。
54 3.33 10 2
a a
for 20 C a 800 C (2-1)
a 27.3
for 800 C a 1200 C (2-2)
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圖 2-6 受溫度影響之鋼材熱傳導係數
（資料來源：Eurocode 3 2005b）
比熱(Specific heat)的定義為單位物質升高 1°C 所需之熱能，隨溫度變化下 鋼材之比熱(J/kgK)如圖 2-7 所示，可知當溫度約 750°C 時鋼材比熱突然升高。
依據 Eurocode 3 (2005b)規定，鋼材之比熱可由公式(2-3)至(2-6)計算。
-1 -3 2
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圖 2-7 受溫度影響之鋼材比熱
（資料來源：Eurocode 3 2005b）
熱膨脹係數為單位溫度變化所導致的體積變化，而 Eurocode 3 (2005b)規定 之鋼材熱伸長率為溫度變化時，其長度的變化與鋼材於20°C 溫度下長度之比值。
熱膨脹係數可由熱伸長率求得，計算方式如公式(2-7)至公式(2-10)所示，熱伸長 率與溫度之關係如圖2-8 所示。
4 5 8 2
/ 2.416 10 1.2 10 a 0.4 10 a
l l
for 20Ca 750C (2-7) / 11 10-3
l l for 750 C a 860 C (2-8)
3 5
/ 6.2 10 2 10 a
l l
for 860 C a 1200 C (2-9)
a
a
l
l
(2-10)
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圖 2-8 受溫度影響之鋼材熱伸長量
（資料來源：Eurocode 3 2005b）
防火材料於溫度變化下之材料性質，則可參考 ENV 13381-1 (2001)、ENV 13381-2 (2002)或 ENV 13381-4 (2002)規定。
肆、 Eurocode 3 Part 1-2 目錄
1 General 1.1 Scope
1.2 Normative references 1.3 Assumptions
1.4 Distinction between principles and application rules 1.5 Terms and definitions
1.6 Symbols 2 Basis of design
2.1 Requirements
2.1.1 Basic requirements 2.1.2 Nominal fire exposure
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2.1.3 Parametric fire exposure 2.2 Actions
2.3 Design values of material properties 2.4 Verification methods
2.4.1 General
2.4.2 Member analysis
2.4.3 Analysis of part of the structure 2.4.4 Global structural analysis 3 Material properties
3.1 General
3.2 Mechanical properties of carbon steels 3.2.1 Strength and deformation properties 3.2.2 Unit mass
3.3 Mechanical properties of stainless steels 3.4 Thermal properties
3.4.1 Carbon steels 3.4.2 Stainless steels
3.4.3 Fire protection materials 4 Structural fire design
4.1 General
4.2 Simple calculation models 4.2.1 General
4.2.2 Classification of cross-sections 4.2.3 Resistance
4.2.4 Critical temperature
4.2.5 Steel temperature development
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4.3 Advanced calculation models 4.3.1 General
4.3.2 Thermal response 4.3.3 Mechanical response
4.3.4 Validation of advanced calculation models