第四章 試驗結果分析與討論
第六節 試驗結果分析與比較
所規劃 CFBC 試體分為控制組與實驗組，兩組柱試體均採用 SN 490B 等級鋼材組 銲為箱型柱。控制組柱試體一支（TA1）填充純混凝土，實驗組柱試體共三支（TB1、
TB2 及 TB3）填充纖維混凝土，所填充混凝土之設計強度為 420 kgf/cm2。實驗組柱試 體中，試體 TB1 僅填充纖維混凝，試體 TB2 及 TB3 除填充纖維混凝土外，亦配置縱 向竹節鋼筋（其號數為#6）及橫向箍筋（其號數為#3，間距有兩種：15 公分及 30 公 分）。四支 CFBC 試體且均未噴塗防火被覆，即進行定載火害升溫試驗，直至試驗達 到終止條件。試驗過程中，複合式試驗爐係依 CNS 12514 標準升溫曲線控制爐溫。兩 組柱試體擁有相同的鋼板材料特性，但實驗組柱試體填充纖維混凝土或配置縱向竹節 鋼筋及橫向箍筋，其所造成的試驗結果差異，謹分析比較如後。
壹、高溫試驗之軸向變形行為比較
在柱軸向變形方面，隨著火害時間之增長，兩組試體軸向變形先隨之增加，待達 到最大伸長量後，即開始呈現出壓縮的現象。在四支 CFBC 試體中，試體 TA1 填充純 混凝土，試體 TB1 則填充纖維混凝土，但兩者均無配置縱向竹節鋼筋及橫向箍筋，其 目的在於比較混凝土種類對 CFBC 試體火害行為之影響。準此，乃比較控制組柱試體 TA1 與實驗組試體 TB1 之軸向變形行為。由表 4-2可看出，在火害試驗前 20 分鐘內，
試體 TA1 之軸向伸長量均較試體 TB1 者來得大。由此可知，承受載重比為 0.28 之試 體 TB1，其軸向伸長量較小。
表 4-2 試體 TA1 與試體 TB1 於高溫試驗之柱軸向變形量比較
Time (min) -35
Axial deformation (mm)
TA1 TB1
Allowable maximum deformation
圖 4-70 試體 TA1 與試體 TB1 於高溫試驗之柱軸向變形行為比較
（資料來源：本研究整理）
表 4-3 試體 TB1 與試體 TB2 於高溫試驗之柱軸向變形量比較
火害時間（Min.） 軸向變形量（mm）
試體 TB1 試體 TB2
5 0.8 1.1
10 4.2 4.6
15 7.9 8.2
20 11.3 11.3
25 13.6 12.7
30 12.5 9.2
35 4 5.2
40 -1 3.1
45 -9.5 1.5
50 - 0.4
55 - -0.4
60 - -1.1
65 - -1.6
70 - -1.9
75 - -2.3
80 - -2.8
85 - -3.3
90 - -4.0
95 - -4.9
100 - -6.2
105 - -10.3
（資料來源：本研究整理）
由試體軸向變形與升溫時間之關係圖（圖 4-72）亦可看出，試體 TB1 達到最大軸 向伸長量之後，其軸向伸長量即快速縮減，大約於 39 分鐘時軸向伸長量變成零，隨即 進入壓縮階段，且其壓縮量明顯較試體 TB2 者來得大。此外，圖 4-72 亦顯示，試體 TB1 之軸向變形率亦較試體 TB2 者大。綜觀上述可知，承受相同載重條件下，試體 TB2 之耐火性能明顯優於試體 TB1 者。易言之，配置竹節鋼筋的 CFBC 中，竹節鋼筋 的存在不僅降低裂紋的傳佈與強度的突然損失，也有助於提升核心混凝土的承載力。
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Time (min)
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15
A x ia l d ef o rm a ti o n ( m m )
TB1 TB2
Allowable maximum deformation
圖 4-72 試體 TB1 與試體 TB2 於高溫試驗之柱軸向變形行為比較
（資料來源：本研究整理）
在實驗組試體中，試體 TB2 與試體 TB3 皆填充纖維混凝土，亦均配置縱向竹節鋼 筋及橫向箍筋，但兩者的橫向箍筋間距有所不同，其目的在於探討橫向箍筋間距對 CFBC 試體火害行為之影響。準此，乃比較試體 TB2 與試體 TB3 於高溫試驗時之軸向 變形行為。
由表 4-4 可清楚看出，在火害試驗前 10 分鐘內，試體 TB2 之軸向變形量較試體 TB3 者來得小。但在火害試驗前 10~25 分鐘內，試體 TB2 之軸向變形量則略大於試體 TB3 者。整體而言，在火害試驗前 25 分鐘內，試體 TB2 與試體 TB3 之軸向變形量相 近，彼此間並無太大差異。惟火害時間達 25 分鐘後，試體 TB3 之軸向伸長量即迅速 減少，並隨即快速進入壓縮階段，且壓縮變形量迅速增加。相較之下，配置較緊密橫 向箍筋之試體 TB2 其壓縮變形量則緩慢增加。由此觀之，在承受相同載重條件下，試 體 TB3 耐火性能遠遜於試體 TB2 者。
表 4-4 試體 TB2 與試體 TB3 於高溫試驗之柱軸向變形量比較
火害時間（Min.） 軸向變形量（mm）
試體 TB2 試體 TB3
5 1.1 1.2
10 4.6 4.9
15 8.2 8.1
20 11.3 11.0
25 12.7 11.6
30 9.2 7.1
35 5.2 3.7
40 3.1 1.
45 1.5 -0.6
50 0.4 -2.2
55 -0.4 -4.2
60 -1.1 -7.7
65 -1.6 -12.5
70 -1.9 -
75 -2.3 -
80 -2.8 -
85 -3.3 -
90 -4.0 -
95 -4.9 -
100 -6.2 -
105 -10.3 -
（資料來源：本研究整理）
由試體軸向變形與升溫時間之關係圖（圖 4-73）可看出，試體 TB3 達到最大軸向 伸長量之後，其軸向伸長量即快速縮減，大約於 43 分鐘時軸向伸長量變成零，隨即進 入壓縮階段，且其壓縮量明顯較試體 TB2 者來得大。此外，圖 4-73亦顯示，試體 TB3 之軸向變形率亦較試體 TB2 者大。綜觀上述可知，承受相同載重條件下，試體 TB2 之耐火性能明顯優於試體 TB3 者。易言之，配置較緊密橫向箍筋可大幅改善 CFBC 之 耐火性能。另方面，綜合比較控制組與實驗組試體之軸向變形與升溫時間關係圖（圖
4-74）可看出，實驗組試體之耐火性能均優於控制組者；而實驗組中，以試體 TB2 之
耐火性能為最優，試體 TB3 次之，試體 TB1 居末。0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Time (min)
-35
Axial deformation (mm)
TB2 TB3
Allowable maximum deformation
圖 4-73 試體 TB2 與試體 B3 於高溫試驗之柱軸向變形行為比較
（資料來源：本研究整理）
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Time (min) -35
Axial deformation (mm)
TA1 TB1 TB2 TB3
Allowable maximum deformation
圖 4-74 兩組試體於高溫試驗之柱軸向變形行為比較
（資料來源：本研究整理）
貳、高溫試驗之試體溫度變化比較
凝土最高溫度為最大。由此觀之，高溫作用時間愈長，CFBC 內部混凝土溫度亦愈高。
參、高溫試驗之防火時效比較
高溫試驗進行至試驗終止時，CFBC 試體之耐火性及防火時效須依性能基準加以 判定。基本上，CFBC 試體耐火性及防火時效之判定基準可分為兩種，如表 4-6所示。
判定基準(I)係以 CFBC 試體承重能力為考量，主要的性能基準分為最大軸向壓縮量及 最大軸向壓縮速率；判定基準(Ⅱ)則以 CFBC 試體鋼材溫度為考量，主要的性能基準 分為鋼材溫度最高溫度及鋼材平均溫度。
表 4-6 防火時效判定基準
判定基準種類 內容敘述
判定基準(I)
(1) 最大軸向壓縮量(mm)不超過C=h/100 式中：h為試體初始高度(mm)
(2)
最大軸向壓縮速率(mm/min)不超過
1000 h 3 dt dC
式中：h 為試體初始高度(mm)
判定基準(Ⅱ)
(1) 鋼材溫度最高溫度超過550C
(2) 鋼材平均溫度超過 500C
（資料來源：內政部建築研究所）
根據控制組與實驗組試體之試驗結果，彙整兩組試體達到容許最大軸向壓縮量、
達到容許最大軸向壓縮速率、鋼材最高溫度達到 550℃、鋼材平均溫度達到 500℃之時 間，以及試體防火時效，如表 4-7所示。
以控制組試體為例，承受載重比為 0.28 之試體 TA1，達到容許最大軸向壓縮量 30.6mm 之時間為 40 分 50 秒，達到容許最大軸向壓縮速率 9.18 mm/min 之時間為 41 分 00 秒，鋼材最高溫度達到 550℃之時間為 18 分 00 秒，鋼材平均溫度達到 500℃之 時間為 25 分 00 秒。因試體內灌混凝土，即使鋼材最高溫度達到 550℃或鋼材平均溫 度達到 500℃之時間，試體尚不至於迅速壓垮。鑑此，其防火時效可依據表 4-5 之判定
基準(I)來評定為 40 分鐘，即其防火時效等級分為 30 分鐘。準此，承受載重比為 0.28 之試體 TB1，其防火時效為 46 分鐘，而其防火時效等級分亦為 30 分鐘；試體 TB2 之 防火時效為 105 分鐘，而其防火時效等級分為 60 分鐘；試體 TB3 之防火時效為 68 分 鐘，而其防火時效等級分亦為 60 分鐘。
表 4-7 控制組與實驗組試體防火時效之比較
試體編號 項目
控制組 實驗組
TA1 TB1 TB2 TB3
載重比 0.28 0.28 0.27 0.27
施加載重（tf） 281 271 271 271
達到容許最大軸向壓縮量 30.6mm 之時間 40 分 50 秒 47 分 20 秒 105 分 30 秒 69 分 20 秒 達到容許最大軸向壓縮速率 9.18 mm/min 之時間 41 分 00 秒 47 分 00 秒 105 分 40 秒 69 分 10 秒 鋼材最高溫度達到 550℃之時間 18 分 00 秒 12 分 00 秒 11 分 00 秒 14 分 00 秒 鋼材平均溫度達到 500℃之時間 25 分 00 秒 23 分 00 秒 23 分 00 秒 22 分 00 秒
試體防火時效（min） 40 46 105 68
防火時效等級（min） 30 30 60 60
（資料來源：本研究整理）
控制組與實驗組試體所採用之鋼材、焊接材料及構件型式均相同，兩者之差異僅 在於實驗組試體內灌纖維混凝土，或配置縱向竹節鋼筋及橫向箍筋。由表 4-7 可知，
在相同載重比條件下，試體 TB1 之防火時效為 46 分鐘，而試體 TA1 之防火時效為 40 分鐘。由此觀之，內灌纖維混凝土可改善 CFBC 之耐火性能。
相較於防火時效為 46 分鐘之試體 TB1，縱向竹節鋼筋及橫向箍筋使得試體 TB2 之防火時效提升為 105 分鐘。換言之，配置縱向竹節鋼筋及橫向箍筋可大幅提升 CFBC 之防火時效。此外，試體 TB2 之橫向箍筋間距為 15 cm，其防火時效為 105 分鐘；而 試體 TB3 之橫向箍筋間距增大 30 cm，其防火時效則降為 68 分鐘。由此看來，橫向箍 筋間距與 CFBC 之防火時效有著密切關係。另方面，對位處地震頻仍的我國而言，縱 向竹節鋼筋及橫向箍筋亦可增強 CFBC 之勁度，進而改善其耐震性能。
綜上所述，填充型箱型鋼柱之設計應當配置縱向竹節鋼筋及橫向箍筋，以獲致較 佳的耐火性能與耐震能力。