西北角柱之變位量測結果

本次實驗為了量測西北角柱在強軸、弱軸彎曲方向之水平位移以及鋼柱膨脹變位，

分別在西北角柱二樓柱頭(1.419H 處)、0.9H 處、0.6H 處及 0.3H 處之南北向各架設水 平位移計共4 支，並在二樓柱頭(1.419H 處)、0.9H 處之東西向各架設水平位移計共 2 支，垂直向位移計 1 支則架設於二樓柱頭(1.419H 處)，以上 7 支位移計之架設如圖 3-43 所示。

以下將以西北角柱南北向0.9H、0.6H、0.3H 處及東西向 0.9H 處之水平位移計和 二樓柱頭垂直向位移計，所量得之變位，來描述西北角柱在火害實驗中的變形。

(a)平面圖 (b)立面圖

圖 3-43 西北角柱之位移計佈設平面圖與立面圖 (本研究整理)

圖3-44 為西北角柱於 0.9H 處之南北向水平變位歷時圖，在木堆點火後約 550 秒

第三章 實尺寸鋼構屋角柱之火害實驗

圖 3-44 西北角柱於 0.9H 處之南北向水平變位歷時圖 (本研究整理)

圖3-45 為西北角柱於 0.6H 處之南北向水平變位歷時圖，在木堆點火後約 280 秒 (平均溫度 38.9C)時開始快速產生向南(向內)變位，約從 1010 秒(平均溫度 320.7C) 至1610 秒(平均溫度 561.3C)開始變位速率稍減，其變位曲線之斜率明顯變小，並在 約 1610 秒之後再次向南(向內)快速變位，約在 2090 秒時 0.6H 處斷面達到最高平均 溫度636.6C，此時變位為 5.78 mm (向南/向內)，之後直到約 2480 秒(平均溫度 599.4C) 時，0.6H 處之水平變位達到最大值 6.18 mm (向南/向內)，並在之後隨著鋼柱溫度下 降而開始向北(向外)回彈，其回彈速率小於升溫變位速率，直至最終鋼柱冷卻至常溫 後，該處之殘餘變位為2.35 mm (向南/向內)。

圖 3-45 西北角柱於 0.6H 處之南北向水平變位歷時圖 (本研究整理)

圖3-46 西北角柱於 0.3H 處之南北向水平變位歷時圖，在木堆點火後約 270 秒 (平均溫度 30.8C)時開始快速產生向南(向內)變位，約從 860 秒(平均溫度 163.0C) 後變位產生速率再加速，之後約在1020 秒(平均溫度 227.7C)時，0.3H 處之向南(向 內)水平變位達到最大值 1.82mm，之後斷面溫度仍持續上升但 0.3H 處之水平變位開 始由南轉向北變形，接著約在1710 秒(平均溫度 501.7C)至 2030 秒(平均溫度 566.6C)之間變位速率稍減，其變位曲線之斜率明顯變小，並在約 2030 秒之後再次 向北快速變位，約在2090 秒時 0.3H 處斷面達到最高平均溫度 570.3C，此時變位為

第三章 實尺寸鋼構屋角柱之火害實驗

圖 3-46 西北角柱於 0.3H 處之南北向水平變位歷時圖 (本研究整理)

圖3-47 為西北角柱於 0.9H 處之東西向水平變位歷時圖，在木堆點火後至約 150 秒(平均溫度 24.1C)時開始微幅向東(向內)變形直至 0.9H 處之水平變位達到最大值 0.41mm (向東/向內)，之後開始隨著構件溫度上升而快速向西(向外)變位，直到約 1720 秒(平均溫度 563.2C)後 0.9H 處之水平變位達到最大值 4.79mm (向西/向外)，

之後斷面溫度持續上升但構件開始向東(向內)回彈，約在 2090 秒時 0.9H 處斷面達 到最高平均溫度606.5C，此時變位為 3.96mm (向西/向外)，之後約在 2350 秒(平均 溫度581.5C)至 2790 秒(平均溫度 535.5C)間，變位回彈速率稍減，並在此之後繼 續向西(向外)快速變位直至約 3940 秒(平均溫度 426.8C)到達波段最大變位 3.66mm (向西/向外)，並在之後隨著鋼柱溫度下降而開始向東(向內)回彈，直至最終鋼柱冷卻 至常溫後，此時殘餘變位為3.28mm (向東/向內)。

圖 3-47 西北角柱於 0.9H 處之東西向水平變位歷時圖 (本研究整理)

由圖3-44 至圖 3-46 觀察可發現西北角柱在南北向水平位移計各讀值中，0.9H 和0.6H 處之變位情形較為相似，皆在斷面最高溫抵達之後一段時間產生最大變位，

之後並隨著溫度下降而逐漸回彈，相較之下，0.3H 處在約 1020 秒時尚未抵達該斷 面最高溫便已產生最大向南(向內)變位，並在升溫過程中直接轉向北(向外)回彈，過 了斷面最高溫後依舊以相同趨勢繼續向北(向外)變位直至最終斷面冷卻。

而由圖3-47 可知東西向水平位移部分則在升溫過程中向西(向外)變位，之後隨 溫度冷卻而向東(向內)回彈。

第三章 實尺寸鋼構屋角柱之火害實驗

將西北角柱南北向水平位移計量測之各讀值依照相同時間畫圖，可得西北角柱 於升溫及降溫階段之整體側向變形歷時圖，如圖3-48 及圖 3-49 所示。

圖3-48 為西北角柱於升溫階段之整體側向變形歷時圖，在木堆點火後至約 1020 秒前整體西北角柱皆呈現凹向北之彎曲形狀，上半部之0.6H 和 0.9H 處變位向南(向 內)，同時下半部之 0.3H 產生該斷面向南(向內)最大變位，約在 1020 秒後，隨著西 北角柱之溫度快速上升和鋼材楊氏係數E 值下降，故其撓曲剛度 EI 值也下降，再加 上角柱頂受到兩個方向相接之兩支鋼梁受熱膨脹外推，而產生P-效應之二次彎 矩，使得上半部之0.6H 和 0.9H 處繼續向南(向內)變位之同時下半部之 0.3H 處轉向 北(向外)變位，使得西北角柱整體產生明顯的雙曲率彎曲變形，其反曲點約發生在 0.5H~0.55H 處，之後隨溫度繼續升高而撓曲剛度 EI 值繼續下降，反曲點以上之鋼 柱繼續向南(向內)變位而反曲點以下之鋼柱向北(向外)回彈，直至約 2090 秒時，西 北鋼柱達到最高平均溫度也同時達到在升溫階段的最大變形。

而在1H 處(大梁與柱接合中心)則因起初大梁受熱膨脹，由木堆點火後至約 550 秒先向北(向外)變位，之後開始向南(向內)變位直至最高溫。

圖 3-48 西北角柱於升溫階段之整體側向變形歷時圖

(本研究整理)

圖 3-49 為西北角柱於降溫階段之整體側向變形歷時圖，約在 2090 秒(平均最高 溫度)後，西北角柱開始降溫，但反曲點以上之鋼柱仍繼續向南(向內)變位，反曲點以 下之鋼柱則繼續向北(向外)變位，直至約 3050 秒鋼柱達到最大向南(向內)變位。過了 約 3050 秒後西北角柱整體側向變位皆隨溫度下降而向北(向外)回彈，過程中整體在 側向皆保持雙曲率彎曲形狀，其反曲點位置依舊約 在 0.5H~0.55H 處，直至最終鋼柱 冷卻。

圖 3-49 西北角柱於降溫階段之整體側向變形歷時圖

(本研究整理)

第三章 實尺寸鋼構屋角柱之火害實驗

圖3-50 為西北角柱於二樓柱頭之垂直向變位，木堆點火後至約 250 秒時開始有 明顯的向上膨脹變位產生，隨溫度上升直至約 2190 秒時達到最大向上膨脹變位 27.8mm，之後便隨鋼柱冷卻至常溫，此時之最終殘餘變位為向上 0.54mm。

圖 3-50 西北角柱於二樓柱頭之垂直向變位歷時圖 (本研究整理)

圖3-51 (a)為實驗 B 區鋼構架火害中於升溫階段之變形示意圖，在升溫階段實驗 B 區整體鋼構架受熱膨脹而向上變位，導致西北角柱於 1H 處(大梁與柱交會中心)向 南(向內)變位直至最高溫；圖 3-51 (b)為實驗 B 區鋼構架火害中於降溫階段之變形示 意圖，西北角柱於1H 處便隨溫度下降而向北回彈。

(a)升溫階段 (b)降溫階段

圖 3-51 實驗 B 區鋼構架火害中變形示意圖 (本研究整理)

圖 3-52 為火害後西北角柱 0.9H 處經過初步量測所獲得之斷面位置圖，圖中顯 示出西北角柱受到柱頂兩個方向相接之兩支大梁變形與收縮，使得柱頂有側移和扭轉 (由上俯視為逆時針扭轉)之現象，使其偏離原始設計位置。

第三章 實尺寸鋼構屋角柱之火害實驗

(a)火害前 (b)火害後

(c)南北向之整體側向殘餘變形

圖 3-53 西北角柱火害後現況照比較 I

(本研究整理)

第三章 實尺寸鋼構屋角柱之火害實驗