第三章 研究方法及試驗工作
第一節 研究方法
本研究案之工作項目包括：資料蒐集與整理、相關規範條文檢討、研究規劃、數 值分析、試體設計、材料機械性質試驗、定載升溫之火害實驗、實驗數據整理與分析、
成果報告與期刊論文撰寫等。有關本研究所採用方法，謹敘述如下。
壹、文獻之蒐集與整理
蒐集國內外有關高溫下鋼材與混凝土基本性質之資料，以及有關高溫下混凝土柱、
裸鋼鋼柱及 SRC 柱火害行為之研究成果，尤其是填充型箱型柱之相關研究。再將文獻 予以歸納整理，從中挑選出重要因子，以供試驗規劃之用。
貳、Eurocode 4 規範之 SRC 柱防火設計
現行 Eurocode 4（BS EN 1994-1-2:2005）規定，評估設計火災條件下之結構行為 須遵循下列任一允許的設計程序：
特定型態結構桿件之表列數據方法（Tabulated data method）
特定型態結構桿件之簡化計算方法（Simple calculation model）
整體結構、部分結構、單一桿件之高等計算方法（Advanced calculation model）
表列數據方法與簡化計算方法僅適用於單一桿件，且桿件全長須曝露於標準火災 的環境。相較於相關試驗與高等計算方法，表列數據方法與簡化計算方法所得結果顯 得較為保守。
依據 Eurocode 4 規範，荷重等級（η）及火害設計荷重等級（ηfi,t）之定義分別如 下：
0 . R 1 E
d d
≤
=
η
(3-1)d
即達到承載破壞（Load bearing failure，R）。
(A) 表列數據方法（Tabulated data method）
針對不同型式 SRC 柱，Eurocode 4 提供不同的表列數據，分別如表 3-1~表 3-3所 示。其中，包覆型 SRC 柱依混凝土包覆情況分為兩種表列數據，表 3-1為完全包覆型 SRC 柱之斷面尺寸要求及其耐火時效，而表 3-2為部分包覆型 SRC 柱之斷面尺寸要求 及其耐火時效；表 3-3為填充型 SRC 柱之斷面尺寸要求及其耐火時效。
表 3-1 EC 4 規範建議完全包覆型 SRC 柱之斷面尺寸要求及其耐火時效
Standard Fire Resistance
R30 R60 R90 R120 R180 R240
Note: *These values have to be checked according to 4.4.1.2 of EN 1992-1-1
（資料來源：Eurocode 4）
表 3-2 EC 4 規範建議部分包覆型 SRC 柱之斷面尺寸要求及其耐火時效
Standard Fire Resistance
R30 R60 R90 R120
Minimum ratio of web to flange thickness ew/er 0.5 0.5 0.5 0.5
1 Minimum cross-sectional dimensions for load level ηfi,t ≤ 0.28
1.1 Minimum dimensions h and b [mm] 160 200 300 400
1.2 Minimum axis distance of reinforcing bars us [mm] - 50 50 70
1.3 Minimum ratio of reinforcement AS/(AS+AC) in (%) - 4 3 4
2 Minimum cross-sectional dimensions for load level ηfi,t ≤ 0.47
2.1 Minimum dimensions h and b [mm] 160 300 400 -
2.2 Minimum axis distance of reinforcing bars us [mm] - 50 70 -
2.3 Minimum ratio of reinforcement AS/(AS+AC) in (%) - 4 4 -
3 Minimum cross-sectional dimensions for load level ηfi,t ≤ 0.66
3.1 Minimum dimensions h and b [mm] 160 400 -
3.2 Minimum axis distance of reinforcing bars us [mm] 40 70 -
3.3 Minimum ratio of reinforcement AS/(AS+AC) in (%) 1 4 -
Note: The values of the load level ηfi,t have been adapted to the design rules for composite columns in EN 1994-1-1
（資料來源：Eurocode 4）
表 3-3 EC 4 規範建議填充型 SRC 柱之斷面尺寸要求及其耐火時效
Steel section: (b/e) ≥ 25 or (d/e) ≥ 25
Standard Fire Resistance
R30 R60 R90 R120 R180
1 Minimum cross-sectional dimensions for load level ηfi,t ≤ 0.28
1.1 Minimum dimensions h and b or minimum diameter d [mm] 160 200 220 260 400 1.2 Minimum ratio of reinforcement AS/(AS+AC) in (%) 0 1.5 3.0 6.0 6.0
1.3 Minimum axis distance of reinforcing bars us [mm] - 30 40 50 60
2 Minimum cross-sectional dimensions for load level ηfi,t ≤ 0.47
2.1 Minimum dimensions h and b or minimum diameter d [mm] 260 260 400 450 500 2.2 Minimum ratio of reinforcement AS/(AS+AC) in (%) 0 3.0 6.0 6.0 6.0
2.3 Minimum axis distance of reinforcing bars us [mm] - 30 40 50 60
3 Minimum cross-sectional dimensions for load level ηfi,t ≤ 0.66
3.1 Minimum dimensions h and b or minimum diameter d [mm] 260 450 550 - - 3.2 Minimum ratio of reinforcement AS/(AS+AC) in (%) 3.0 6.0 6.0 - -
3.3 Minimum axis distance of reinforcing bars us [mm] 25 30 40 - -
Note: The values of the load level ηfi,t have been adapted to the design rules for composite columns in EN 1994-1-1
（資料來源：Eurocode 4）
基本上，應用表列數據（表 3-1~表 3-3）評估複合柱的耐火時效時須符合下列條 件（BS EN 1994-1-2 之 4.2.3 節）：
處於標準火災環境的 SRC 柱。
表列數值間允許線性內插。
計算 Rd時柱端須為銷接，且在火災情況之兩個柱端轉動均受限制。
不論同心或偏心荷重，表列數據都有效；計算常溫下的設計強度 Rd時應考慮荷重 的偏心。
須根據柱的兩倍挫屈長度計算 Rd。
柱的最大長度≤橫截面外部最小尺寸的 30 倍。
由表 3-1~表 3-3可知，隨著火害設計荷重等級（ηfi,t）之不同，SRC 柱耐火時效之 表列數據亦有所不同。以填充型 SRC 柱為例，其耐火時效為下列因素之函數：
火害設計荷重等級（ηfi,t）
最小斷面尺寸 b 及 h（或最小直徑 d）
最小鋼筋比（AS/(AS+AC)，AS=鋼筋面積；AC=混凝土面積）
最小鋼筋軸距（us，鋼筋中心至鋼板內側之距離）
另方面，使用表 3-3時，須符合以下規定事項：
不論中空剖面所使用鋼材的等級為何，其標稱降伏強度均視為 235 N/mm2。
中空剖面的最大壁部厚度 ≤ b/25 或 d/25。
最小鋼筋比（AS/(AS+AC) ≥ 3%。
混凝土強度為常溫下的強度。
前述最小鋼筋軸距（us，鋼筋中心至鋼板內側之距離）之定義為竹節鋼筋中心至 鋼板內側表面之距離，如圖 3-1所示：
圖 3-1 最小鋼筋軸距之定義
（資料來源：本研究整理）
(B) 簡化計算方法（Simple calculation model）
（資料來源：Eurocode 3）
複合柱斷面可區分為三個部分：a 表示鋼骨；s 表示鋼筋；c 表示混凝土。火災時，
複合柱之有效撓曲勁度可利用下式計算之：
( ) = ∑ ϕ (
θ θ θ) ( + ∑ ϕ
θ θ θ) ( + ∑ ϕ
θ θ θ)
m c, c,sec, c, k s, s, s,
j a, a, a, eff
,
fi
E I E I E I
EI
(3-5)式中，Ii,θ =複合柱各組成之面積二次矩；ϕi,θ =複合柱各組成之折減係數（其值視熱應 力而定）；Ea,θ =火災時鋼骨應力應變曲線線性段之斜率；Es,θ =火災時鋼筋應力應變曲 線線性段之斜率；Ec,sec,θ =火災時混凝土之割線彈性模數。
火災時，複合柱之尤拉挫屈載重（Euler bucking load）或彈性臨界載重（Elastic critical load）（Nfi,cr）可利用下式計算之：
( )
fi,eff 22 cr ,
fi
EI l
N = π
θ (3-6)式中，lθ =火災時複合柱之挫屈長度，其值可參考圖 3-3及圖 3-4。
圖 3-3 支撐框架複合柱之結構行為
（資料來源：Eurocode 4）
圖 3-4 火災時支撐框架複合柱之挫屈長度
（資料來源：Eurocode 4）
圖 3-2 Eurocode 3 之挫屈曲線中，複合柱之相對細長比（Relative slenderness）可 依下式計算：
cr , fi R , pl ,
fi
N
= N
l
θ (3-7)式中，Nfi,pl,Rd=複合柱總斷面塑性抗壓強度，係假設γM,fi,a、γM,fi,s、γM,fi,c均為 1，再依式
(3-2)計算之；Nfi,cr=複合柱之尤拉挫屈載重（Euler bucking load）或彈性臨界載重（Elastic critical load）。