第四章 試驗結果與討論
第二節 試驗結果討論
壹、不同混凝土強度之影響
試體CFBC-1 及試體 CFBC-2 皆噴塗相近厚度防火被覆，不同的試體條件在 於箱型鋼柱內灌混凝土之強度，試體CFBC-1 混凝土強度為 609 kgf/cm2，CFBC-2 試體混凝土強度為673 kgf/cm2。在柱軸向變形比較，如圖4-48 所示，試體 CFBC-2 在伸長時變形趨勢約略大於試體CFBC-1。在鋼板溫度方面，試體 CFBC-2 在加 熱後30 分鐘後的平均溫度高於試體 CFBC-1，如圖 4-49 所示，原因是混凝土強 度差異不大的情況下，試體CFBC-1 所量測的平均防火被覆厚度為 15.3 mm 大於 試體CFBC-2 所量測的平均防火被覆厚度為 14.3 mm 所致；試體混凝土測點溫度 除了於深度152 mm 試體 CFBC-1 較試體 CFBC-2 些微高外，其他兩者之平均溫 度相差甚為微小，如圖4-50 所示，兩組試體加溫 2 小時後溫度數據整理於表 4-2。
0 30 60 90 120 150 180 210
Time (min)
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
Axial deformation (mm)
CFBC-1 CFBC-2
圖 4-48 試體 CFBC-1 與 CFBC-2 高溫試驗時柱軸向變形比較圖 (資料來源：本研究整理)
0 30 60 90 120 150 180 210
Time (min)
0
Temperature (
C)
CFBC-1 steel average temperature CBFC-2 steel average temperature
圖 4-49 試體 CFBC-1 與試體 CFBC-2 鋼板內側平均溫度比較圖 (資料來源：本研究整理)
0 30 60 90 120 150 180 210
Time (min)
25
Temperature (
C)
Spec.
表 4-2 試體各斷面加溫 2 小時後之溫度
貳、防火被覆有無之影響
試體CFBC-2 及試體 CFBC-3 之內灌混凝土的強度皆相同，不同的試體條件 在於防火被覆的有無與軸向加載之不同。在溫度的比較方面，不論是鋼材或是混 凝土的溫度，無防火被覆的試體CFBC-3 因鋼材熱傳導較優，其升溫速率皆較有 防火被覆的試體CFBC-2 為快，同一時間下之溫度也較高，如圖 4-51 及圖 4-52 所示。
参、高溫試驗前後試體 CFBC-1 軸向勁度之變化
於高溫試驗前進行加載，可得到加載與軸向變形的關係如圖 4-53 所示，可 發現在相同的軸力下，試體CFBC-2 及試體 CFBC-3 會有較大的軸向勁度，其關 鍵在於較高混凝土強度有較大的彈性模數。試驗結束後由於試體CFBC-1 尚未破 壞，待試體冷卻後進行再次加載，以探討其高溫前後試體軸向勁度的變化。加載 方式先緩慢加至1550 噸後，再持續加載至 1900 噸。由圖 4-54 所示，可發現高 溫試驗後柱試體的軸向勁度大於高溫試驗前，由此可推測鋼或混凝土於火害後其 強度有變強的現象。由Wu 等人(2002)實驗中可知高強度混凝土受軸壓下且有到 良好的圍束，若火害後混凝土本身的溫度僅略為提高，其勁度也會隨之提高，因 此可以合理解釋本試體於火害後勁度增加的原因。除此之外，發現試體柱於加載 過程中對軸向壓縮變形的關係皆為線性。
0 30 60 90 120 150 180 210
Time (min)
0
Temperature ( C)
CFBC-2 steel average temperature CFBC-3 steel average temperature
圖 4-51 試體 CFBC-2 與試體 CFBC-3 鋼板內側平均溫度比較圖 (資料來源：本研究整理)
0 30 60 90 120 150 180 210
Time (min)
0
Temperature ( C)
Spec.
0 5 10 15 20 25 30
Axial compressed deformation (mm)
0 400 800 1200 1600
Axial Compressive load (tf)
CFBC-1(before heating) CFBC-2 (before heating) CFBC-3 (before heating)
圖 4-53 三組試體加熱前柱軸向加載與軸向變形關係 (資料來源：本研究整理)
0 10 20 30 40
Axial compressed deformation (mm)
0 400 800 1200 1600 2000
Axial Compressive load (tf)
Before heating After heating
圖 4-54 試體 CFBC-1 加熱前後柱軸向加載與軸向變形關係 (資料來源：本研究整理)
肆、高溫試驗過程試體施加載重於耐火能力之影響
試體CFBC-1 與試體 CFBC-2 之施加載重皆為工作載重，其施加載重與柱試 體受壓計算強度之比值分別為 0.640 和 0.636；為進一步探討試體 CFBC-3 內部 混凝土於高溫試驗中，鋼柱損壞後內部混凝土的承重能力與行為，施加載重約為 0.9 倍之混凝土柱抗壓計算強度，而施加載重與柱試體受壓計算強度之比值為 0.358。由圖 4-55 所示，由於試體 CFBC-3 之施加載重為最小，故最大軸向伸長 量為三者之冠。試體CFBC-2 自最大軸向伸長量至試體破壞尚約需 39 分鐘；而 試體CFBC-3 僅需 16 分鐘，原因為試體 CFBC-2 有防火被覆存在，鋼板溫度較 試體CFBC-3 無防火被覆為低，其鋼材勁度及承重能力皆較佳，因此至試體膨脹 伸長到軸向變形最大值至試體破壞的時間較長。由此可知，柱試體的耐火能力受 到施加載重的大小與柱體溫度分布狀況的影響。
0 30 60 90 120 150 180
Time (min)
-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18
Ax ial deformat ion (mm)
CFBC-1 CFBC-2 CFBC-3
圖 4-55 三組試體軸向變形與加熱時間之關係 (資料來源：本研究整理)
第五章 有限元素分析與結果討論
本計畫除了以實驗研究火害承重CFBC 試體行為外，並利用 ABAQUS 有限 元素分析軟體模擬火害承重CFBC 試體力學行為與熱傳行為，將分析結果與實驗 結果比對，以調整與修改分析模型，建立可供後續研究使用之分析模型。。
採用有限元素分析軟體分析時，需瞭解鋼骨與混凝土材料之性質。一為力學 性質(Mechanical property)：常溫與受溫度影響下，材料之有效降伏強度、彈性模 數、極限拉力強度與抗壓強度等折減參數；另一為熱性質(Thermal property)：材 料於不同溫度下之比熱(Specific heat)、熱傳導性(Thermal conductivity)與熱膨脹 性(Thermal expansion)等參數。國內規範無明確規定鋼骨與混凝土材料受熱影響 之參數資料，因此分析研究之材料性質將根據歐洲規範 Eurocode 4 (composite structures)相關規定與文獻資料。以下兩節說明 Eurocode 有關鋼材和混凝土受熱 性質。
第一節 鋼材之性質
壹、受溫度影響之力學性質
根據歐洲規範Eurocode 4 之規定，鋼材受每分鐘 2 至 50 K 加溫速率之溫度 影響，而應力應變關係可分成四個區域，如表5-1 和圖 5-1 所示。第一區為應變 小於等於受溫度影響之比例限度應變(εap,θ)；第二區為應變介於受溫度影響之比 例限度應變與降伏應變(εay,θ)之間；第三區為應變介於受溫度影響下之降伏應變 與極限降伏應變(εau,θ)之間；第四區為應變介於受溫度影響下之極限降伏應變與 極限應變(εae,θ)之間。
對於鋼材溫度小於400°C，且應變已進入第三區域時，將考慮應變硬化之影 響，而應變硬化區域介於應變為 0.02 到 0.04 之間，如圖 5-2 所示；對應圖 5-2 的參數如公式(5-1)至(5-7)所示。其中θ 為鋼材溫度(°C)，a f 為常溫下之鋼材降伏ay 強度，f 為受溫度影響下之有效降伏強度，f 為受溫度影響下之鋼材極限張
1. 張力強度
圖 5-1 高溫下鋼材應力應變關係 (資料來源：Eurocode 4)
圖 5-2 溫度變化下鋼材考慮應變硬化之應力應變關係 (資料來源：Eurocode 4)
力學性質之比值為折減係數，其折減係數如表5-2 與圖 5-3 所示。可得知鋼材溫
0 200 400 600 800 1000 1200 Temperature(oC)
0 0.5 1 1.5
0.25 0.75 1.25
Reduction factor
kE,
kp,
ky,
ku,
圖 5-3 受溫度影響之鋼材力學性質折減係數 (資料來源：本研究整理)
貳、熱伸長
熱伸長(Thermal elongation)為材料溫度每上升 1 度造成材料之伸長。依據 Eurocode 4 規定，簡易計算鋼材伸長率為14 10 6
θa20
；各階段溫度變化，造 成不同伸長率可由公式(5-8)至(5-10)計算。當20θa 750°C； 2.416 10 41.2 10 θ 5 a
8 2a
0.4 10 θ
(5-8)
當750θa 860°C； 11 103 (5-9) 當860θa 1200°C； Δ 6.2 10 3 2 10 θ5 a (5-10)
參、熱傳導
熱傳導(Thermal conductivity)為物質傳導熱能之性能。由 Eurocode 4 規定，
所示。
當20θa 800°C； λa 54 3.33 10 θ 2 a (5-11)
當800θa 1200°C； λa 27.3 (5-12)
0 200 400 600 800 1000 1200
Temperature (oC) 0
20 40 60
10 30 50
Thermal conductivity (W/mK)
圖 5-4 受溫度影響之鋼材熱傳導 (資料來源：本研究整理)
肆、比熱
比熱(Specific heat)為單位物質升溫 1°C 所需之熱能。Eurocode 4 規定鋼材平 均比熱為600 J/kgK；鋼材之比熱隨溫度變化，可由公式(5-13)至(5-16)計算；溫 度由20°C 至 1200°C 之鋼材比熱(c )，亦如圖 5-5 所示。 a
當20θa 600°C； ca 425 7.73 10 θ 1 a1.69 10 θ 3 2a
6 3
2.22 10 θ a
(5-13)
當600θa 735°C； a
a
13002 c 666
738
(5-14)
當735θa 900°C； a
0 200 400 600 800 1000 1200
Temperature (oC) 0
Specific heat (J/kg K)
圖 5-5 受溫度影響之鋼材比熱 (資料來源：本研究整理)
伍、密度
密度(Density)為單位體積之質量。依 Eurocode 4 規定，鋼材密度為 7850 kg/m3。