第四章 梁柱接頭火害分析與驗證
第二節 火災-結構部份耦合數值分析
目前利用電腦數值模擬來研究火災的模式有兩種，一為區域模式(Zone model)，另一個為場模式(Field model)。區域模式是將模擬區域劃分為若 干區域，在同一區域內在劃分成流場及物理、化學性質均勻的高溫煙層 及低溫空氣層，不同區域有不同性質，並利用數值方法求解守恆方程式，
預測每個區域內之溫度、濃度分佈情形，此模式在計算上較簡單、快速，
耐震補強式接頭火害行為研究
但缺點是需要大量假設，這些假設需仰賴實際實驗結果。
場模式也就是CFD (Computational Fluid Dynamics)模式，將模擬區域分 成眾多細小的格點，利用數值方法求解控制方程式，由於火場行為複雜，
使用場模式需要其它物理及化學模式(如紊流模式、燃燒模式、熱輻射模 式等)以預測火災發生過程中，每個格點的氣流速度、溫度、壓力以及濃 度值，此模式所需假設較少，因此能較仔細正確地描述火場結果，但計 算所耗時間較多。隨著電腦科技的發展而提升電腦的計算速度，對於模 擬效率而言，也較以前快速省時，因此場模式已逐漸成為火災模擬的主 要趨勢。
此兩種模式的比較上，區域模式雖可得到合理的結果，但需要仰賴 眾多實際實驗結果以作為參數假設，且只能得到各區域的平均值，無法 考量因火源位置或延燒特性的不同所產生之非均勻溫度分佈的火場行 為，而場模式計算出的非均勻溫度火場則可提供更具體之細部結果，可 以較清楚看出火場內任一點的溫度、速度、壓力等變化，本文研究使用 之火災模擬軟體FDS 即為場模式之分析軟體。
本文應用數值模擬分析建築結構在火場溫度下之行為，其建築材料 會受火場溫度影響而產生結構變形行為，所以試體實際上所受的載重型 態有結構載重與熱載重，且這兩種載重型態是同時進行，隨溫度升高，
結構之熱膨脹受束制條件的不同，產生相應的溫度應力，造成結構應力 的重新分配。其中結構載重包括模型自重與外力載重，而熱載重的施加 過程實際上為建築結構在受熱時材料性質變化之歷時，而模型中所有材 料性質變化歷時則可由結構受熱時之溫度分佈歷時配合各溫度下之材料 性質求得。本文採用熱傳分析來模擬建築結構在火災過程中，結構體受 熱時每個元素節點之溫度歷時之變化，因火場與結構間之熱傳效應，包
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（Sequentially coupled thermal-stress analysis），其耦合分析流程圖如圖 4-1 所示。 因材料性質受溫度影響極大，熱傳分析結果將嚴重影響結構
2. 將結構實體進行網格分割，輸出ABAQUS之inp檔，截取結構體曝 火面之節點資料。
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5. 將受熱面之節點溫度歷時，利用自行撰寫之程式轉換成 ABAQUS 之輸入格式，當作熱傳分析之溫度邊界條件，置入inp 檔。
6. 執行 ABAQUS 之熱傳分析，可得到結構體每一個節點之動態溫度 變化，把此結果當作結構分析之溫度邊界條件。
7. 進行 ABAQUS 非線性結構分析，模擬結構在火場中之行為。
第三節 梁柱次構架之建立
首先將基本的梁柱接頭構件(Part)繪出，在本模型中構件包含了：梁、
托梁、柱、螺栓以及梁與托梁間之連接鈑，將以上基本構件繪製完畢後，
於梁上開始分別針對不同接頭形式進行補強或切割。
3.1 材料參數之給定
此節將對本文中數值模擬所需參數作介紹，包含彈性模數、柏松比、
塑性性質、熱膨脹係數、熱傳導係數、比熱及密度。
3.1.1 彈性模數
本文數值模型分析中所採用之鋼材有 SN490B 鋼材以及 SN490C-FR 耐火鋼材兩種，其彈性模數則採用各溫度所對應之彈性模數則如圖 2-5 所示。
3.1.2 柏松比
針對於柏松比，由於目前國內對於高溫下之柏松比資料有限，因此 本文採用0.3(與溫度無關)。
3.1.3 塑性性質
本文中數值模型分析所需之SN490B 鋼材及 SN490C-FR 耐火鋼材於 高溫下之應力應變關係，乃以於中鋼實驗室所進行的高溫鋼材試驗得到 的應力-應變曲線之數值作為參考依據。
圖 4- 2 為 SN490B 鋼材於各溫度下所對應的工程應力應變曲線，由
91 此引用Eurocode-3（1995）規範所建議，熱膨脹係數採用 α=14×10-6（℃
-1），來作為分析時熱膨脹細數之參考根據。
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Step3：梁之力加載給定。於距柱面 1700mm 之梁端處施加向下之力，
其力之效果為造成接頭處承受0.6 倍塑性彎矩（Mp）。
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Step4：定載加溫分析。將已完成之熱傳分析結果套入結構模型中，
設定成結構模型中之負載，開始進行高溫結構行為分析，直 到非線性結構分析停止。
3.3 接觸設定
由於組裝（Assembly）之功能只是將所有構件在整體座標系中作為 定位並組合，其構件間之接觸性質並無給定，在此將對熱傳模型以及結 構模型中構件所設定之接觸性質作說明。
3.3.1 熱傳模型之接觸設定：
熱傳模型接觸設定之目的，主要是希望熱傳所帶來之效應能在構件 中順利表現出來，因此，在此各構件間之接觸面使用束縛（Tie）來約束，
藉由此約束設定，讓接觸面間之熱傳能夠順利進行，讓整體構件之熱傳 導效應能夠準確呈現。於熱傳模型中構件所設定約束之接觸面對，主要 包括：梁與柱之交界面、連接板與梁腹板之接觸面、螺栓與梁腹板以及 螺栓與連接板之接觸面。
3.3.2 結構模型之接觸設定：
結構模型在ABAQUS/Standard 中要設定構件與構件所發生的接觸行 為作定義，首先應將可能會產生接觸行為之面，設定成ABAQUS 中的表 面（Surfaces），接著將所設定好之可能發生接觸交會作用的兩個表面建 立成接觸面對（Contact Pair），其中一個是主控表面（Master Surfaces），
另一個則是從屬表面（Slave Surfaces）。為了得到良好的接觸模擬效果，
其接觸面對中的主、從面選擇應該小心謹慎，其簡單的規則為：選擇主 面時，通常是取材料較硬之表面來當主面；從面之選擇，則是取材料較 軟或者是網格劃分較精細之表面來當從面。於ABAQUS/Standard 中，主、
從面之間則採用主–從接觸演算法，其內容大致上為：接觸面對中的從 屬表面上之節點不能穿過主控表面，而主–從接觸演算法對於主控表面
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並無上述之限制，即主控表面上之節點可以穿過從屬表面，。在本文的 結構模型中所設定的接觸面對，包括：螺栓柄（Shank）與螺栓孔（Hole）、
螺栓頭（Head）與剪力片（Shear Plate）、螺栓帽（Nut）與梁腹鈑以及 剪力片（Shear Plate）與梁腹鈑（Beam Web）。螺栓柄、螺栓孔、螺栓 頭在接觸面對中屬材料較硬之表面，因此都將被選擇為主控表面，梁腹 板則都選擇為從屬表面。至於梁柱交界面之銲接則是用束縛（tie）來模 擬其行為，此種約束將梁柱交界面的梁、柱兩個面束縛在一起，從屬表 面上每一節點被距離主控表面上最近之節點所約束，也就是從屬表面之 節點與其對應距離最近之主控面節點有這相同的運動。接觸面對之間的 摩擦係數則會隨著溫度不同而有所變化，在此則參照方朝俊[35]，其摩擦 係數與溫度之間的關係如表4- 24-2 所示。本文中各構件之間的相對滑動 量小，所以滑動面全都設定為小滑動，增加分析效率。
3.4 負載及邊界條件設定 3.4.1 力加載
高溫模擬中，柱載重之施加方式為由柱底端給予向上之負載，首先 將柱底端之表面圈選成加載之表面，然後再於所圈選之表面上施加壓 力，其壓力大小為 85.2174 N/mm2，此值等同於柱承受500 噸之載重。
將柱承受 500 噸之載重及柱底端之面積 57500 mm2代入上式並作換 算，即可得柱底端表面所施加壓力之大小。至於梁端之加載，也是採上 述之方式，將梁加載處之表面圈選，再給予其壓力。在此所圈選之加載 表面，其長為梁翼板之寬 300mm，寬度則為加勁版之寬 12mm，故面積 為3600 mm2，其施加的壓力等同加載36.8 噸於梁距柱面 1700mm 處所造 成之效果，其效果為使梁端承受 0.6 倍塑性彎矩（Mp）之載重，可得所 給予之壓力值為 100.178 N/mm2。於梁距柱面 1700mm 處加載 36.8 噸，
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其載重值之決定乃根據鋼結構規範–容許應力法中所規定，在給予梁充 分有效側撐之情況下，梁最大彎矩值為塑性彎矩，此時規範要求之安全 係數為1.67，即梁的容許彎矩值為 0.6 倍塑性彎矩（Mp）。
3.4.2 邊界條件給定
梁柱接頭於試驗時，所用的大型複合爐中是以球座將柱試體之上下 兩端給束制住，其束制條件為無法抵抗彎矩但是可以限制其位移，所造 成之拘束效果類似鉸支承。柱加載是由柱下端的油壓千斤頂給予向上500 公噸外力，而油壓千斤頂與下球座是一體，所以給柱軸力時，下球座也 跟著往上移動，此外，梁於加載處則有側撐給予束制。柱之邊界條件設 定部份則使用參考點（Reference Point）來給予柱上下端之邊界條件約 束，即先將柱的上下端中空矩形斷面中心各設一參考點，再把柱上下端 之表面與其參考點利用連結（Coupling），讓兩者的邊界條件作結合，如 此參考點的邊界條件便代表整個柱端中空矩行表面的邊界條件，以達到 利用參考點來達到給予柱上下端邊界條件之效果。根據試驗中所提到球 座給予柱端約束條件，在此將柱上端參考點的X、Y、Z 三方向作束制，
柱下端參考點則是 X、Y 方向束制，而 Z 方向自由。至於梁加載處之側 撐所給予之約束效果，在此則設定梁加載處在 Y 方向給予束制。螺栓在 第一個分析步需給予全束制，預防剛體位移的發生，當接觸已經順利建 立，在下ㄧ個分析步以後解除所有束制，以免影響分析結果。
柱下端參考點則是 X、Y 方向束制，而 Z 方向自由。至於梁加載處之側 撐所給予之約束效果，在此則設定梁加載處在 Y 方向給予束制。螺栓在 第一個分析步需給予全束制，預防剛體位移的發生，當接觸已經順利建 立，在下ㄧ個分析步以後解除所有束制，以免影響分析結果。