混凝土與鋼筋於高溫下之熱學性質與熱參數

ACI 216【5】所建議的有關矽質混凝土受火害之力學性質的相關 規定，如圖2.1 所示，從矽質骨材混凝土之抗壓強度與溫度關係中，可 發現加溫至400 ℃後混凝土的抗壓強度會有比較明顯衰減之現象，由 圖中可觀察到加溫至500 ℃時，抗拉強度遞減約 40 %，高溫中加載至 0.4 fc’與高溫無加載之混凝土抗壓強度相差約 30%。由圖 2.2 中發現，

矽質骨材混凝土之彈性模數在加溫至400 ℃時，約為常溫之 55 %，加 溫至480 ℃後會有明顯衰減之現象。

圖2.1 ACI 216 高溫中、後矽質骨材混凝土抗壓強度遞減之關係【5】

圖 2.2 ACI216 高溫中混凝土彈性模數遞減之關係【5】

Eurocode 2【6】將混凝土抗壓強度隨溫度衰減關係建議如下：

( ) ( ) (20 )

圖2.3 為Eurocode 2【6】在高溫中混凝土抗壓強度遞減之關係，溫 度升到100 ℃時，混凝土抗壓強度才有遞減之現象，加溫到 400 ℃抗 壓強度會約為常溫抗壓強度80 %，加溫到 800 ℃抗壓強度約為常溫抗 壓強度16 %，當溫度升到 900 ℃以上時，混凝土完全無抗壓強度。圖 2.4 為Eurocode 2【6】所建議有關矽質骨材混凝土在高溫中之應力應變

曲線關係，由圖中可發現混凝土之彈性模數會隨著溫度上升而遞減，

曲線中應力的最高點所對應之應變會隨著溫度上升而增加。

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperature (

^o

c)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

k

c

(θ )

圖2.3 Eurocode2 高溫中混凝土抗壓強度折減遞減之關係【6】

圖2.4 Eurocode2 高溫中矽質骨材混凝應力應變曲線之關係【6】

熱的傳遞有三種方式，分別為傳導、對流與輻射，本試驗混凝土

：熱擴散係數 (heat diffusivity)

：熱傳導係數 (thermal conductivity) (W/m℃)

：密度 (density) (kg/m³)

：比熱 (specific heat) (J/kg℃)

：熱容比 (specific heat capacity) (J/m³℃)

Eurocode 2【6】所建議矽質骨材混凝土的熱傳導係數的公式如下：

( )

2 0.24 /120 0.012( /120) , 20² 1200

k θ

= −

θ

+

θ

^o

C

< ≤

θ

^o

C

(2-4) Ellingwood 等人【7】所提出建議混凝土的熱傳導係數的公式如下：

( )

1.81 0.62 300 , 0 300 出的熱傳導係數k如圖 2.5 所示，另外ACI216【5】所提供的混凝土熱 傳導係數如圖2.6 所示。

圖2.5 Eurocode2 及Ellingwood等人所提出的混凝土熱傳導係數k與溫度 之關係【6】【7】

圖2.6 ACI216 混凝土熱傳導係數與溫度之關係【5】

Eurocode 2【6】建議混凝土熱容比之公式如下：

( ) ^{2300 900 80} /120 4( /120) , 20

²

100

平台，在500 ℃左右有一突峰，但Eurocode 2【6】所建議的熱容比呈 現微幅上升的趨勢，在100 ℃-200 ℃時比熱c會有一尖峰值 2750 J/kg℃，在 600 ℃以後兩者建議的熱容比趨近相同。

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperature (⁰C) 1

圖2.7 Eurocode2 與T.T.Lie建議的熱容比與溫度之比較【6】【8】

ACI 216【5】所建議之鋼材在高溫中強度折減情形如圖 2.8 所示，

由圖可知鋼筋在常溫到100 ℃之間鋼筋強度會隨溫度上升而降低，

100℃到 250 ℃之間時降伏強度會微幅上揚，當溫度上升到 250 ℃後隨 著溫度上升鋼筋強度遞減，在400 ℃時會遞減至常溫的 90 %，在 500 ℃ 時會遞減至常溫的60 %，在 700 ℃時會遞減至常溫的 20 %。

圖2.8 ACI216 高溫中鋼筋抗拉強度遞減之關係【5】

Eurocode 2【6】將鋼筋降伏強度隨溫度之衰減關係用公式表示如 下：

( ) ( ) (20 )

sk s sk

f θ

=

k θ

×

f ^oC (2-8) 其中又區分以下兩種情形：

若鋼筋用於梁或版之拉力筋，鋼筋之應變ε_{s fi,}

≥ 0.2%

( ) 1.0 , 20 350

ks θ

=

^oC

≤

θ

≤

^oC

C C

( ) (6650 9 ) / 3500 , 350 700

ks θ

= −

θ ^oC

≤ ≤

θ ^o

( ) (1200 )/5000 , 700 1200

ks θ

= −

θ ^oC

≤ ≤

θ ^o

(2-9a) (2-9b) (2-9c)

若鋼筋用於梁、版和柱之壓力筋或拉力鋼筋之應變ε_{s fi,}

< 0.2%

時

( ) 1.0 , 20 100

ks θ

=

^oC

≤

θ

≤

^oC

C C C

( ) (1100 )/1000 , 100 400

ks θ

= −

θ ^oC

≤ ≤

θ ^o

( ) (8300 12 )/5000 , 400 650

ks θ

= −

θ ^oC

≤ ≤

θ ^o

( ) (1200 )/5500 , 650 1200

ks θ

= −

θ ^oC

≤ ≤

θ ^o

(2-10a) (2-10b) (2-10c) (2-10d)

以上公式亦可表示為圖 2.9，當鋼筋用於梁或版之拉力筋，鋼筋 之應變 之曲線，拉力鋼筋在 500 ℃時會衰減至常溫降伏強度 的60 %，而在 700 ℃時會衰減至常溫降伏強度的 10 %。

,

0.2%

εs fi

≥

圖2.9 Eurocode2 高溫中鋼筋降伏強度遞減之關係【6】

在文檔中 鋼筋混凝土複合構件火害安全模擬評估研究 (頁 17-24)