火害下構件行為之數值分析

壹、場模式火災模擬軟體比較表

如前所述，混凝土構件之防火安全性能可藉由穩態溫度試驗來評估。因此，需在 設備良好的防火測試實驗室進行（如常見的樑、柱、版、牆體耐火構造實驗）。但由於 構件防火安全性能試驗之費用較高，為節省研究成本，近年來已發展出一些經驗公式，

可提供設計者使用（Lie（1972）；CSA Standard CAN3-A23.3（1984））。目前國際上常 用的火害模擬程式種類繁多，但大致可分為場模擬（field model）及區域模擬（zone

model），常見的場模擬軟體如 CFAST、FIVE、FDS、KAMELEON-3D、SMARTFIRE、

Star-CD 等，其理論法則、主要用途、特色等詳表 2-4 之場模式火災模擬軟體比較表。

若依處方式法規（prescriptive rule）及功能法規（performance based rule）來分類，則 可表示如圖 2-24。在選用軟體與執行模擬時，應考慮軟體的可應用範圍、輸入參數的 條件限制、火場的區域模式、輸出結果的內容與可靠度等，選擇一套適合本研究的火 災電腦模擬程式。

圖 2-24 火害溫度模擬之模式

（資料來源：本研究整理）

表 2-4 場模式火災模擬軟體比較表

英國 GREENWICH 大學消防 工程小組(FSEG)開發 (subgrid scale,SGS)兩部分。

利用時間平均 Navier-Stokes 方程式加上流預測模式來預

在火災方面，例如 Sprinkler 與火原條件皆有 database 可 質，且 Star-CD 無 Sprinkler 這項功能。

目前國內外相關分析研究大部分應用於火害梁與柱構件、CFT（ConcreteFilled Tube）構件等。Ding 與 Wang（2008）採用 ANSYS 有限元素分析軟體模擬無防火被 覆 CFT 柱受高溫之結構和熱行為；鋼和混凝土接觸介面間以空氣間隙的方法模擬，因 而得知兩材料之間的滑動對構件位移影響較大。

Espinós 等（2009）採 ABAQUS 分析軟體，並參考 Ding 等（2008）空氣間隙模擬 之概念；此由研究得知考慮材料熱膨脹之分析結果與實驗結果接近，但不考慮材料熱 膨脹之分析結果與 Eurocode 4 之分析結果接近。

Hong 與 Varma（2009）利用 ABAQUS 分析軟體模擬受高溫和載重 CFT 柱之行為，

結果得知柱斷面之熱反應、加溫歷程各時間點之軸向與側向變位等均與實驗結果接近。

Lu 等人(2009)採自充填混凝土灌入鋼管柱，進行實驗並以 ABAQUS 軟體分析，

瞭解混凝土破裂能量和兩材料介面間之接觸行為。對於高強度自充填混凝土之力學性 質，作者採用 Kodur（1998）研究建議。對於高強度自充填混凝土之熱性質，作者依 據 Kodur（2007）與 Lie（1994）研究建議。由結果得知，試體試驗之時間-撓度關係 和熱電偶測點量測結果皆與分析結果接近。

Schaumann 等（2009）以 BoFIRE 有限元素分析軟體，研究 CFT 柱在火害下之行 為，其破壞模式為局部挫屈。探討不同溫度鋼及混凝土材質變化；考慮混凝土含水率、

斷面形狀、細長比對構件強度的影響。對於試體溫度分佈與傳遞，方形柱其溫度傳遞 集中於四角處，因此造成鋼材強度降低，進而提早破壞；圓形柱之溫度分佈均勻，且 呈放射狀傳遞溫度。

Song 等（2010）研究承重 CFT 柱歷經昇溫至冷卻過程，並瞭解應力-應變和變形-時間之行為；由結果得知，採用限元素分析可準確預測結果。

李鎮宏和蔡銘儒（2008）分析鋼結構梁柱接頭受火害之行為，其參數應用、接觸 問題和分析步驟等，皆有詳細探討；且分析預測與實驗結果接近。

王奕程（2008）以 ANSYS 軟體分析實尺寸鋼筋混凝土梁柱複合構件於高溫中、

冷卻過程和高溫後試體之行為。對於混凝土材料使用一般混凝土和自充填混凝土，其 兩者之分析皆與試驗結果接近，並也印證混凝土熱參數的可用性。

葉治銘（2009）以 ANSYS 軟體分析，研究一般混凝土與自充填混凝土之鋼筋混 凝土梁柱複合構件受高溫下試體變形行為；高溫後試體殘餘強度。由結果得知，分析 模擬之試體溫度分佈與實驗接近。

內政部建築研究所之相關研究成果，包括陳建忠等人（2007）、李鎮宏和蔡銘儒

（2008）與李鎮宏（2009）等研究顯示，以 ABAQUS 有限元素分析火害鋼結構是可 行的；或先以 FDS 進行溫度場分析，再將溫度結果輸入至 ABAQUS 依序進行熱傳、

結構應力與耦合分析，其分析結果與實驗結果接近。

陳誠直等（2010）以實驗方式與有限元素分析探討內灌混凝土箱型鋼柱受軸壓力 於火害下之行為。實驗規畫三組 CFBC 試體，內灌自充填混凝土。依據國內「鋼骨鋼 筋混凝土構造設計規範與解說」，並考量防火實驗設備容量設計製作試體。二組試體 噴附二小時防火時效之被覆。實驗時三組試體分別施加試體 100%、100%、56%之工 作載重，進行加熱試驗，以探討 CFBC 試體的耐火性能與破壞行為。有限元素分析採 熱傳分析與非線性應力分析，再以接續性耦合分析將溫度及載重效應結合，以模擬試 驗結果，並用以進行參數分析。其研究結果顯示，內灌混凝土箱型鋼柱噴附二小時防 火被覆之試體可達二小時的防火時效。高溫後冷卻再進行軸向加載試驗，則發現試體 能恢復軸向勁度並於工作載重範圍內呈現線彈性行為。此外，試體的高溫破壞試驗時 持續有混凝土爆裂的聲音，因鋼板的圍束未導致立即的破壞，最終破壞模式為鋼板局 部的鼓起與內部混凝土的碎裂。此實驗顯示，內灌混凝土箱型鋼柱有可接受的防火性 能。另方面，有限元素分析可合理的預測試體斷面於各時間歷時的溫度分布，且可用 以探討防火被覆材參數的影響。