第三章 非均勻火場熱傳與結構行為
第三節 結構火害行為分析比較
本文除了按照實驗位移計所佈設之量測點如圖 3-19 所示，其中 DB1～
4 用於量測鋼梁變形，DC1～4 用於量測鋼柱變形，可以直接獲得結構試體 表面位置的垂直/水平位移量值。除了比較 DB3 與 DB4 為梁位移變化量之 外，另外也考量到整體梁柱接頭的轉角變化量，依公式
tan1 u / L
計算梁 柱接頭轉角，其值為梁端量測到的轉角值扣除柱端量測到的轉角值之淨 值，並繪製成時間/溫度與轉角關係圖，可利用來決定極限載重，試體載重 及邊界條件模擬如圖 3-7。以下就以各實驗與分析的溫度/時間下位移及轉角 的關係來說明：一般鋼托梁式接頭於升溫下定載加溫試驗[Type C]
（1）ㄧ般鋼托梁式梁柱接頭在加溫狀態下，梁柱接頭的溫度-梁端變 形（DB4）關係（圖 3-21）而言，升溫時間與變形來看，實驗 在 24 分鐘多發生破壞，分析則在 25 分鐘左右產生，誤差約 1 分鐘左右。
（2）以梁柱接頭的相對轉角而言，由時間與其關係圖（圖 3-22）來 看，產生大變形的溫度大致上皆在 500℃左右，而破壞時間都 在 22 分鐘左右，都符合預期性破壞結果。
（3）圖 3-20 為試體分析所得的試體變形結果與實驗破壞模式相比 對，顯示出接頭結構並沒有產生扭轉，唯梁下翼鈑發生挫屈變 形，實驗與分析兩者比較相符。
部分耐火鋼托梁式接頭於升溫下定載加溫試驗[Type D]
（1）部分耐火鋼托梁式接頭在加溫狀態下，梁柱接頭的時間-梁端位
移（DB4）曲線（圖 3-24）對照，其分析與實驗曲線幾乎重合，
兩者皆在升溫時間為為 29 分鐘時發生破壞。
（2）由分析與實驗的相對轉角探討，不論在溫度或是時間上，分析 出的相對轉角比較，都能跟實驗數據相吻合，其趨勢符合預期 性結果。
（3）圖 3-23 為試體分析所得的變形結果，顯示出接頭結構並無產 生扭轉，只有在梁之下翼鈑處發生挫屈變形，並且比試驗
（Type-D）之變形較遠離梁柱接合面，實驗與分析兩者相符，
表示耐火鋼確實比一般鋼更能提升在高溫下的抗彎性能。
表 3- 1 Type-C 實尺寸實驗值與分析值 25.5 分最後溫度及相差值 TC1 353.73 395.78 42.04
TC2 344.62 368.60 23.99 TC3 414.03 354.66 -59.36 TC4 458.81 412.82 -45.99 TC5 401.14 363.70 -37.44 TB1 509.01 557.72 48.71 TB2 610.15 604.31 -5.84 TB3 618.91 618.38 -0.53 TB4 514.83 552.28 37.45 TB5 505.58 527.57 21.99 TB6 410.18 504.91 94.73 TB7 382.45 617.33 234.88 TB8 513.45 623.17 109.72 TB9 696.03 663.91 -32.12
表 3- 2 Type-D 實尺寸實驗值與分析值 29 分最後溫度及相差值 TC1 494.74 449.47 -45.27 TC2 383.66 419.63 35.96 TC3 467.87 405.68 -62.19 TC4 428.79 465.91 37.12 TC5 475.13 418.62 -56.51 TB1 636.96 606.89 -30.07 TB2 696.75 652.84 -43.91 TB3 689.88 664.98 -24.90 TB4 585.63 603.68 18.05 TB5 641.53 578.39 -63.14 TB6 577.08 557.07 -20.01 TB7 586.73 666.56 79.83 TB8 632.50 673.30 40.80 TB9 740.58 707.65 -32.93
圖 3-1 非耦合分析法流程圖
火場邊界 條件設定 (Input data)
動態顯影處理器
構件組裝 (Assembly)
給定分析模式及步驟 (Step) (Database data)
利用結構分析軟體
圖 3- 2 Type-C 托梁式彎矩接頭試體設計圖
圖 3- 3 Type-C 托梁式彎矩接頭試體細部設計圖
488 452
300
130
TYP.
TYP.
14.5 130 14.5
PL-18×500×55 0
吊耳
Unit：mm
圖 3- 4 Type-C 托梁式彎矩接頭試體細部設計圖
PL25×700×1300
10
TYP.
TYP.
1300
200
30 320
PL12×320×500
500
R35 100
25
BOX-600×25t
130
76
200100100200 20
5050 20
30 32 30 300 320 30
DET. G
76
Unit：mm
圖 3- 5 Type-D 托梁式彎矩接頭試體設計圖
1900 500
950 20
圖 3- 6 Type-D 托梁式彎矩接頭試體細部設計圖
488 452
300
14.5 130 14.5
PL-18×500×55 0
吊耳
Unit：mm
圖 3- 7 模擬試體載重及邊界條件示意圖 360.64kN
1700mm
4900kN
200mm
4 3 5 0 m m
TC4
TC2
TC1
TC3
TC5
TB2
TB1 TB3 TB4 TB5 TB6 TB7 TB8 TB9
244 244
965.5
965.5 965.5
965.5
280 280 170 110 280 280 250 60
C C
D D
A A B
B
= CNS12514規範訂定
= 試驗自行增加
Unit:mm N
250
圖 3-8 擷取斷面編號位置
圖 3-9 Type-C 實尺寸 ABAQUS 熱傳結果
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0 5 10 15 20 25
Time(min)
Temperature(℃)
Testing- TC1 Testing- TC2 Testing- TC3 Testing- TC4 Testing- TC5 FDS- TC1 FDS- TC2 FDS- TC3 FDS- TC4 FDS- TC5
圖 3-10Type-C 實尺寸柱斷面溫度 TC1~5 實驗值與分析值比較 側稱位置
0
Testing- TB1 Testing- TB2 Testing- TB3 Testing- TB4 Testing- TB5 FDS- TB1 FDS- TB2 FDS- TB3 FDS- TB4 FDS- TB5
圖 3-11Type-C 實尺寸梁斷面溫度 TB1~5 實驗值與分析值比較
Testing- TB6 Testing- TB7 Testing- TB8 Testing- TB9 FDS- TB6 FDS- TB7 FDS- TB8 FDS- TB9
圖 3-12Type-C 實尺寸梁斷面溫度 TB6~9 實驗值與分析值比較
圖 3-13Type-D 實尺寸 ABAQUS 熱傳結果
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
0 5 10 15 20 25 30
Time(min)
Temperature(℃)
Testing-TC1 Testing-TC2 Testing-TC3 Testing-TC4 Testing-TC5 FDS-TC1 FDS-TC2 FDS-TC3 FDS-TC4 FDS-TC5
圖 3-14Type-D 實尺寸柱斷面溫度 TC1~5 實驗值與分析值比較 側稱位置
0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750
0 5 10 15 20 25
Time(min)
Temperature(℃)
Type-C-TB9 Type-D-TB9
圖 3-17Type-C 與 Type-D 斷面 TB9 溫度實驗值比較
圖 3-18 FDS 模擬試驗爐內空間分布 TB9
熱對流良好 (無物體阻隔)
圖 3-19 變形量測位置
圖 3-20 Type-C 實驗與分析破壞模式比對
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Time(min)
DB4-deflection(mm)
Testing data ABAQUS
0 20 40 60 80 100 120
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Time(min)
Rotation(Millirads)
Testing data ABAQUS
圖 3-21 Type-C 變形(DB4)-時間歷時曲線圖
圖 3-22Type-C 變形(轉角)-時間歷時曲線圖
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Time(min)
DB4-deflection(mm)
Testing data ABAQUS
圖 3-23 Type-D 實驗與分析破壞模式比對
圖 3-24 Type-D 變形(DB4)-時間歷時曲線圖
0 20 40 60 80 100 120
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Time(min)
Rotation(Millirads)
Testing data ABAQUS
圖 3- 25Type-D 變形(轉角)-時間歷時曲線圖