3.1 試驗規劃
本研究規劃三組內灌混凝土箱型鋼柱，於承受軸壓力下的耐火試驗進行研 究。試體的參數包括不同混凝土強度及防火被覆的有無，如表3-1 所示。其中兩 組試體在相同的防火被覆下，針對不同混凝土的強度，探討在不同混凝土強度對 於CFBC 試體耐火時效的影響；另外一組試體可以與有防火被覆試體比較。藉由 三組試體除了可探討 CFBC 試體高溫軸向變形狀況，亦可以了解 CFBC 試體有 無防火被覆的情況下對試體防火時效的影響，以作為未來耐火設計之參考。
3.2 試體設計
3.2.1 箱型鋼柱
中 高 層 建 築 普 遍 採 用 箱 型 鋼 柱(Box column) 或 內 灌 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 (CFBC)。在 CFBC 方面，近年來設計者常採用高強度混凝土填充箱型鋼柱。本 計劃規劃3 組含混凝土箱型鋼柱，試體斷面如圖 3-1 所示。以 4 片厚度為 22 mm 之鋼板以全滲透開槽銲接(Complete Joint Penetration Weld, CJP Weld)方式組合成 長寬為500 mm，高為 4350 mm 的箱型鋼柱，並採用 SN490B 規格之鋼材。其開 槽銲接形式採用單斜槽銲接，開槽角度為35 度，根部間隙為 7 mm，並於試體上 下端分別組立基座底板及加勁板，如圖3-2 所示。柱鋼板上預設直徑 20 mm 的 小孔，其目的為使內部混凝土於養護時更容易使水分自試體內蒸發，避免未來試 體於高溫加熱期間產生爆裂的危險。另外，於試體上再設計兩處孔位，以方便 CFBC 試體內部溫度測點之熱電偶線能順利接上爐外的溫度資料擷取器上。
3.2.2 混凝土
在內灌混凝土方面，設計兩種不同強度之混凝土，並採用流動性高的自充填
混凝土(Self-Compacting Concrete, SCC)。使用自充填混凝土的優點在於灌漿時不 需搗實，施工較為簡便，其材料的特性在高溫時與一般混凝土的性質相近；缺點 則是在高溫時，自充填混凝土較一般混凝土容易發生爆裂的情形。
3.2.3 防火被覆
防火被覆是屬於一種耐熱性良好的特殊材質，能減緩溫度在鋼材傳遞的速 度，依其不同之厚度可以達到不同防火時效的要求。本計畫將採用國內鋼構造建 築廣泛應用之噴覆式防火被覆材料。施工方式是以隔熱性佳且質量甚輕的防火材 料直接噴覆於CFBC 試體上，於試體表面產生一絕熱層。其優點為成本低廉、施 工快速、設計彈性大及效果佳，是本試驗優先考量的原因。在被覆厚度方面，本 試驗所採用廠商之材料 2 小時防火時效要求依據內政部核可之最小噴覆的厚度 為12 mm，為美國 UL Design No. Y711 認證 2 小時防火時效之 1.25 倍。噴覆式 防火被覆簡介如附錄一。
3.3 試體製作
試體製作程序如下：
1. 於鋼鐵廠製作箱型鋼柱。
2. 箱型鋼柱組合成 U 字型時，安裝試體內部熱電偶測點。
3. 確定試體內部熱電偶測點能正常傳輸訊號。
4. 完成箱型鋼柱後進行混凝土灌漿。
5. 混凝土養護。
6. 安裝 CFBC 試體鋼板上之熱電偶測點。
7. 防火被覆施工。
8. 防火被覆養護。
當鋼板組立成 U 字型的試體及基座底板後，將熱電偶測點安裝於柱體欲進 行量測的點位，如圖3-3 所示。安裝完成後並進行檢測，以確定能正常傳輸訊號，
之後組立柱側面鋼板於 U 字型上形成一箱型鋼柱，並於試體之全滲透處進行超 音波檢測(Ultrasonic Testing, UT)，檢測後銲道狀況一切良好，箱型鋼柱施工圖如 圖3-4 所示。
箱型鋼柱完成後，進行混凝土的澆置，並且皆採用流動性高的自充填混凝 土，配比詳細資料如表3-2、3-3 所示。因本研究採用自充填混凝土，需於灌漿 前進行坍流度的試驗，如圖3-5 所示。兩種不同強度之混凝土之坍流度分別為 63.5 公分及67 公分，皆符合標準。在灌漿時應避免速度過快，以防熱電偶線脫落。
灌漿完成後，則進行混凝土的養護，同時安裝CFBC 試體鋼板上之熱電偶測點，
如圖3-6 所示。同時製作直徑 10 公分，高度 20 公分之混凝土圓柱試體，除了於 混凝土養護28 天時進行抗壓強度試驗外，並於 CFBC 試體在高溫試驗前進行抗 壓強度試驗，以作為施加載重的依據。
防火被覆於施工前，先在CFBC 試體之鋼板上鋪設一層單位重為 0.92 kgf/m2 菱形鋼網，如圖3-7 與 3-8 所示，藉以增加附著力及避免防火被覆脫落與分離，
隨後進行防火被覆施工，如圖3-9、3-10 所示，施工完成後進行養護。本次試驗 依 CNS 12514 規定，試體放置於室內並使其含水率達到一定平衡，始進行高溫 試驗。
3.4 材料性質試驗
本研究進行材料性質試驗，即鋼材之拉力試片試驗和混凝土圓柱試體抗壓強 度 試 驗 。 在 鋼 材 之 拉 力 試 驗 方 面 ， 兩 組 試 片 編 號 分 別 為 SN490-22-1 及 SN490-22-2，其應力應變曲線圖為如圖 3-11 及 3-12 所示。SN490-22-1 測得的降 伏強度為366.0 MPa；SN490-22-2 測得的降伏強度為 377.5 MPa。因此，柱鋼板 的平均降伏強度為371.8 MPa。
本研究採用自充填混凝土標稱強度分別為41.2 MPa 及 68.6 MPa 之混凝土經 圓柱試體抗壓試驗測得28 天平均強度分別為 45.1 MPa 和 51.0 MPa；於試驗前所 測得的平均強度分別為59.7 MPa 和 66.0 MPa，齡期分別為 72 天及 77 天。
3.5 試驗設置與量測儀器設置
3.5.1 試驗設備與試體設置
本研究於內政部建築研究所防火實驗中心之梁柱樓板複合實驗爐進行試 驗，以模擬內灌混凝土箱型鋼柱高溫下的行為，試驗設備外觀如圖3-13 所示。
本試驗僅使用梁柱樓板複合實驗爐之柱爐部分，其尺寸為長約4.5 公尺，寬 約4 公尺，加熱方式由加溫爐內部之噴火孔進行加溫，並於爐內之測溫棒量測其 平均溫度，加溫爐內溫度可由控制室進行調整與數值修正。
柱之加載設備則使用容量為2000 噸之油壓千斤頂。該設備設於複合實驗爐 之下方，載重施加方式為由下往上加壓。設定試驗所需之施加載重噸數、加載時 間與流程等可藉調整油壓設備內油的進出量來控制。
經養護後的CFBC 試體，吊裝到加溫爐內後並安置於加載設備中，將熱電偶 線包覆防火棉之後則連結到資料擷取器，並測試訊號是否正常。若量測儀器安裝 完成則設置中隔板及加溫爐蓋板，再以防火棉確實將空隙填實，防止實驗過程中 高溫氣體自加溫爐內散出而造成人員危險，並開啟抽風設備檢查是否有漏氣，之 後再插入測溫棒，待高溫試驗時監控爐內溫度。最後進行加載與加溫設備測試，
若一切正常即可開始試驗。試驗設置如圖 3-14 所示，爐內噴火孔與試體的相關 位置如圖3-15 所示，現場試體設置如圖 3-16 所示。
3.5.2 熱電偶測點設置
依照CNS 12514 規定，試體需設置熱電偶監測溫度，並使用 0.75 級性能以 上及直徑0.65 mm 之 K 型熱電偶線，以確保良好的熱接觸。受制於實驗設備之
限制，試體上、下端距離底板各保留657 mm 未受熱，試體熱電偶測點分別位於 4 個高度，其中兩處熱電偶測點斷面高度分別位於試體受熱段上、下端部算起 600 mm 處；另兩處高度則平均等分上述測點高度。在每處高度上，箱型鋼柱共有 6 個熱電偶測點；而內部混凝土則規劃5 個熱電偶測點，故單一斷面的熱電偶測點 共有11 處，整支 CFBC 試體則共有 44 處熱電偶測點。試體熱電偶之配置位置如 圖3-17 所示。
3.5.3 位移計設置
根據 CNS 12514 規定，對於垂直承重試體，應量測軸向變形量或中心點水 平方向變形量。在軸向變形量方面，由加載設備直接量測CFBC 試體軸向變形量。
3.6 試驗步驟
3.6.1 試驗開始前
依照CNS 12514 規定，對於 CFBC 試體試驗載重必須在加溫試驗開始前 15 分鐘施加，待試體變形不再變化後記錄軸向變形量。於加溫試驗開始前 5 分鐘 內，記錄熱電偶之初始值並檢查一致性，且加溫爐內溫度需小於50°C 及室內氣 溫須在10°C ~40°C 範圍之內。
3.6.2 試驗過程
當溫度依照標準加熱曲線函數開始之際即視為加溫試驗開始，進行加熱試驗 時加溫爐內之溫度變化應根據CNS 12514 規定進行控制，其標準加熱溫度-時間 曲線如圖3-18 所示。加熱函數如式(3-1)所示：
T=345log10(8t+1)+20 (3-1) 其中
T =平均爐內溫度(°C)
t =加溫試驗經過時間(min)
加熱試驗過程中維持固定的載重，所施加之工作載重則依據「鋼骨鋼筋混凝 土構造設計規範與解說」計算，如附錄二所示。
試體CFBC-1 於試驗開始前施加的工作載重為 15,190 kN，並進行 2 小時的 加溫試驗。加溫試驗結束後若試體尚未達到破壞基準，則在未開爐蓋板的條件下 試體於爐內進行冷卻12 小時，此時資料讀取系統仍持續記錄數據，且試驗結束 前皆維持此工作載重。當試體冷卻至常溫後進行殘餘強度之加載測試，以觀察高 溫試驗前後試體勁度變化
試體CFBC-2 於試驗開始前施加的工作載重為 15,680 kN，並進行 2 小時的 加溫試驗。加溫試驗達2 小時後若試體尚未達到破壞基準，則持續進行加溫，直 到試體破壞，並記錄此試體之耐火時效。
試體CFBC-3 則施加 8,820 kN 的工作載重，試驗步驟如同試體 CFBC-2。
3.6.3 量測與觀察
當試驗開始時，即開始記錄試驗經過時間。在熱電偶量測方面，每隔10 秒 量測一次；垂直變形量每隔不超過一分鐘量測一次，垂直變形速率則依垂直變形 量推算而得。試驗過程中需記錄試體行為，如爆裂聲等。最後應注意試體是否能 於試驗2 小時後持續支承試驗載重，若否須記錄其試體破壞的時間。
試驗結束後，須觀察CFBC 試體之軸向變形，防火被覆之開裂與變色、軟化、
挫屈行為等現象並詳實記錄之。
3.6.4 試驗終止條件
本研究根據CNS 12514，試驗終止之條件如下列所示：
1. 試驗中試體已達到性能基準。
2. 試驗時間已達預定時間。
3. 若人員安全或設備可能遭受破壞，試驗須立即停止。
3.7 性能基準與判定
依據CNS 12514「建築物構造部分耐火試驗法」有以下兩種方法進行性能基 準與判定：
1. 若垂直承重構造主要由鋼材部分所支承，則得以無載重方式進行破壞溫度判
1. 若垂直承重構造主要由鋼材部分所支承，則得以無載重方式進行破壞溫度判