第二章 文獻回顧
第四節 火害對於建築結構中鋼骨材料之影響
火災可能導致建築結構損壞或倒塌，嚴重危害人員生命安全。柱構件為主 要支撐建築物之結構構件，因此柱構件在建築防火設計有其重要性。近年來，
國內高樓建築普遍採用鋼骨鋼筋混凝土構造，在工程實務上常見內灌混凝土箱 型鋼柱。此種填充式箱型鋼管混凝土柱承受軸向載重與高溫時，因不同材料性 質導致強度損失及熱膨脹能力有所差異，此差異現象可能會影響填充式箱型鋼 管混凝土柱構件耐火能力。
一、耐火規範對建築結構中鋼骨材料之規定
火場中鋼結構高樓建築的受力行為非常複雜，主要原因之一在於火場中的 溫度的高低與延時因環境因素而有甚大的差異，如火場中可燃物的多寡、空氣 是否流通等等均會影響火焰燃燒時間與溫度，而爲使各國進行火害研究有統一 比較的標準，因此國際間通用之標準 ISO、美國 ASTM、英國 BS]規範及日本
JIS 等均訂定標準升溫曲線，各國規範所訂定的標準升溫曲線差異不大，且 BS476 所訂定之標準升溫曲線與 ISO 之標準升溫曲線相同，而國內規範 CNS 12514 亦參照其訂定國內之標準升溫曲線，如圖 2-12。值得注意的是標準升溫 曲線無法代表任何單一火場的溫度與火災延時狀況，其目的在於提供不同研究 者在不同地區進行試驗時一個相同比較的標準，如圖 2-13 所示裸鋼鋼柱表面 溫度分佈曲線，因試驗爐、試體尺寸及加載大小等之影響，使得依據標準升溫 曲線所得之結果彼此間差異甚大【17】。
圖 2-12 CNS 12514 與 ASTM E119 之標準升溫曲線【14，15】
(資料來源：CNS 12514，「建築物構造部分耐火試驗法」、ASTM E119,
“Standard Tests Methods for Fire Tests of Buildings Construction and Materials,”)
圖 2-13 裸鋼鋼柱溫度分佈圖【17】
(資料來源：阮秋慎★，「鋼結構抗彎接頭高溫下結構行為之數值模擬」)
下列為常見的耐火規範：
1. ISO 834
ISO 834 耐火試驗規範之標準升溫曲線為 T=345 log10 (8t+1)+20，其中 T 為平均爐內 溫度 (°C) 、t 為試驗經 過時間 (min)；試驗之 室內溫 度須介於 10°C~30°C，初始平均爐溫小於 50°C；柱試體受熱長度，並無要求；性能基準 評定以構件承重能力判別。規定承重柱構造破壞條件為超過最大軸向壓縮量 (C) ， C=h/100(mm) ， 與 超 過 最 大 軸 向 壓 縮 速 率 (dC/dt) ， dC/dt=3h/1000 (mm/min)，其中 h 為柱試體高度。
2. BS 476
BS 476 耐火試驗規範之標準升溫曲線為 T=345 log10 (8t+1)+20；試驗開 始之室內溫度與爐內溫度須介於 5°C ~35°C；柱試體受熱長度要求 3 公尺以 上；以承重能力規定試體破壞條件為最大軸向壓縮量超過 120 mm 與最大軸 向壓縮速率超過 25 mm/min。
3. CNS 12514
我國 CNS 12514 規範主要參考 ISO 834 規範修訂。標準升溫曲線為 T=345 log10 (8t+1)+20，其中 T 為平均爐內溫度(°C)、t 為試驗經過時間(min)；開始 試驗前之室內溫度須介於 10~40°C，初始平均爐內溫度小於 50°C；柱試體受 熱長度須大於 3 公尺以上；柱試體耐火性能以承重能力判定，其破壞條件為最 大 軸 向 壓 縮 量 (C) ， C=h/100 (mm) ， 與 超 過 最 大 軸 向 壓 縮 速 率 (dC/dt) ， dC/dt=3h/1000 (mm/min)，其中 h 為柱試體高度；柱構件主要承力部分為鋼構 造者，耐火性能之破壞條件為鋼材最高溫度超過 550°C 或平均溫度超過 704°C，30 分鐘須達 843°C，1 小時須達到 927°C，2 小時須達到 1010°C，4 小時須達到 1093°C；開始試驗之室溫規定為 10°C ~32°C；承重柱試體受熱長
二、鋼材彈性模數在火害後之折減
本文所探討的試體材料主要為建研所實驗所使用的 SN490B 與 A572 Gr.50 的鋼材，其中 SN490B 為本實驗所用，其材料性質是經由中鋼實驗室進行高溫 材料試驗所得，分別為 SN490B 之 20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500
℃、600℃、700℃及 800℃和 A572 Gr.50 的 20℃、350℃、550℃、650℃等 各溫度所對應之楊氏彈性模數，其實驗後楊氏彈性模數結果如圖 2-14 所示，
而其彈性模數折減係數結果如圖 2-15 並整理如表 2-5 和表 2-6【17】。
圖 2-14 SN490B 和 A572 Gr.50 在各溫度下的彈性模數【17】
(資料來源：阮秋慎★，「鋼結構抗彎接頭高溫下結構行為之數值模擬」)
圖 2-15 SN490B 與 A572 Gr.50 之鋼材彈性係數折減趨勢圖【17】
(資料來源：阮秋慎★，「鋼結構抗彎接頭高溫下結構行為之數值模擬」)
表 2-5 中鋼 SN490B 鋼材在各溫度下之楊氏模數折減【17】
(資料來源：阮秋慎★，「鋼結構抗彎接頭高溫下結構行為之數值模擬」)
表 2-6 A572 Gr.50 鋼材在各溫度下之楊氏模數折減【17】
(資料來源：阮秋慎★，「鋼結構抗彎接頭高溫下結構行為之數值模擬」)
由圖可以觀察出 SN490B 鋼材在室溫至 300℃之間，其楊氏彈性模數之數 值隨著溫度升高而遞減，300℃至 400℃之間，溫度與鋼材楊氏彈性模數之間 的關係曲線則變得較為平緩，超過 400℃之後，其關係則又呈現隨著溫度而遞 減的趨勢；而 A572 Gr. 50 鋼材其在 350℃之前，其楊氏彈性模數均隨著溫度 上升而下降，350℃至 550℃之間，溫度與鋼材楊氏彈性模數之間的關係曲線 則微上升，但在超過 550℃之後，其關係則又呈現隨著溫度快速遞減的趨勢。
三、鋼材降伏強度(Fy)與極限強度(Fu)在火害後之折減
鋼材之降伏強度(Fy)、極限強度(Fu)、彈性模數(E)等機械性質受溫度影響 甚鉅，一般而言，鋼材之強度及勁度隨溫度之上升而下降，而鋼材之機械性質 又為鋼結構構件結構行為之主要影響因素，如拉力構材採用鋼材之降伏強度與 極限強度進行設計，受壓構材強度受彈性模數之影響。傳統結構用鋼之降伏強 度與極限強度受溫度上升而下降，溫度愈高強度愈低(如圖 2-16 及圖 2-17)
【17，18】。由高溫拉力試驗結果可知，當傳統結構用鋼溫度受熱上昇至 400
℃以上時，降伏強度即開始大幅下降，600℃時其降伏強度已下降至原有強度 的 2/3 以下，而鋼材之極限抗拉強度亦隨著溫度上升至 400℃後開始大幅下降。
圖 2-16 結構用鋼(SN490) 高溫下之降伏強度 Fy 及極限強度 Fu【18】
(資料來源：楊國珍、葉禎輝★，「鋼結構火害安全檢測與評估補強」)
圖 2-17 SN490B 與 A572 Gr.50 之鋼材降伏強度折減趨勢圖【17】
(資料來源：阮秋慎★，「鋼結構抗彎接頭高溫下結構行為之數值模擬」)
溫度高低對於鋼材強度之影響遠大於火害延燒時間的長短，由於鋼筋在火 害高溫下將喪失抗拉強度，因此在 RC 耐火設計中，須具有較一般 RC 設計標 準為大之保護層厚度，目的係藉由熱傳距離之增加以降低鋼筋遭受火害之溫 度，減少抗拉強度之損失。
雖然火害作用中之鋼筋，幾近喪失抗拉強度，但經退溫後卻能恢復相當之 抗拉強度性能【19】，火害高溫 800℃之鋼筋，火害後經退溫降服抗拉強度可 恢復至 83%原有降服抗拉強度，極限強度可恢復 90%極限抗拉強度，這項特 性與混凝土強度幾乎無法回復之性能大大不同。
鋼筋火害後之降服強度，劉靖國【20】依其折減趨勢建議折減方程式供計 算使用，以下列公式表示如下式：
f
yrf
yT 500℃ （1.a）
f
yr(-0.108T+154.217)10
-2f
y 500℃T 750℃ （1.b）f
yr(0.196T-73.863)10
-2f
y 750℃T800℃ （1.c）f
yr0.83f
y 800℃T （1.d）式中：
f
yr：火害後鋼筋殘餘降伏強度（kgf/cm2）f
y：常溫鋼筋降伏強度（kgf/cm2）T：火害最高溫度（℃）
至於鋼筋火害後之極限強度與溫度之關係，如下式：
f
yrf
yT 500℃ （2.a）
f
yr(-0.09T+145)10
-2f
y 500℃T 750℃ （2.b）f
yr(0.08T+26)10
-2f
y 750℃T 800℃ （2.c）f
yr0.9f
y 800℃T （2.d）式中：