第四章 試驗結果分析與討論
第二節 試體 TA1 之試驗結果
由於複合實驗爐之使用相當頻繁，須事先排定期程。本研究實際火害試驗進行時 混凝土齡期為 98 天，其抗壓強度為 495 kgf/cm²。準此，填充型箱型鋼柱內所灌注混 凝土之抗壓強度可視為 495 kgf/cm²。經計算後（詳如第三章第九節），填充型箱型鋼 柱極限軸向載重之 0.28 倍為 281 tf。因此，在試驗進行時，試體須先加載 281 tf，並持 壓 15 分鐘後，才開始進行火害升溫試驗。
如圖 4-7 所示，複合實驗爐於點火初期未能將全部噴嘴（噴火孔）同時點燃，以 致前 10 分鐘之爐內升溫曲線明顯較低於 CNS 12514 規定之標準升溫曲線；但未點燃 噴嘴經重新點燃後，爐內升溫曲線與標準升溫曲線之差距逐漸縮小；至第 10 分鐘時，
爐內升溫曲線（674℃）與標準升溫曲線（678℃）幾乎一致，此顯示爐溫之控制已相 當準確。
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Time (min)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
T em p er a tu re (
oC )
Furnace Average Temepature CNS 12514 Fire Standard Curve CNS 12514 Fire Standard Curve + 100oC CNS 12514 Fire Standard Curve - 100oC
圖 4-7 試體 TA1 之加溫爐升溫曲線
（資料來源：本研究整理）
火害升溫試驗時，試體 TA1 之軸向變形與升溫時間關係如圖 4-8所示。基本上，
由於鋼材的導熱性較高且其直接暴露於火中，使其加熱更為迅速，因而其膨脹速率比 核心混凝土更快。整體而言，隨著火害時間之增長，試體軸向伸長變形量亦隨之增加。
當火害升溫試驗進行至第 18 分之際，鋼材溫度最高溫度超過 550℃。當火害升溫試驗 進行至第 25 分之際，鋼材平均溫度超過 500℃。試驗加熱時間 26 分，此時試體軸向 伸長達到最大值（13.6 mm），推算其平均伸長速率為 0.52 mm/min。第 26 分鐘之後，
試體軸向伸長變形量開始減少，於第 38 分鐘時進入壓縮階段，直到試驗終止。於第 38 分鐘之後，原先由鋼材承受的載重漸漸轉移至混凝土。隨著爐內的升高，混凝土材 料逐漸爆裂，整體柱構件之軸向壓縮量亦漸增。第 41 分鐘時，試體軸向壓縮變形率為 21.4 mm/min，已達試驗終止條件（9.18 mm/min），故隨即停止試驗。
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
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 )
TA1
Allowable maximum deformation
圖 4-8 試體 TA1 軸向變形與升溫時間之關係
（資料來源：本研究整理）
另方面，試體 TA1 之軸向變形與爐內平均溫度關係如圖 4-9所示。由圖 4-9可知，
當爐內平均溫度約達 390℃時，試體開始有膨脹伸長的現象；爐內平均溫度低於 539
℃時，試體 TA1 之軸向伸長變形量均小於 1 mm；爐內平均溫度介於 539~752℃時，試 體軸向伸長變形量逐漸增加，但其值均小於 10 mm；爐內平均溫度介於 752~831℃時，
試體軸向伸長變形量急遽增加；爐內平均溫度約為 816℃時，試體軸向伸長變形量達 到最大值（13.6 mm）；爐內平均溫度介於 816~831℃時，試體停止軸向伸長，開始迅 速縮短；爐內平均溫度約 876℃時，試體軸向變形量為趨近零；爐內平均溫度介於 876~886℃時，試體軸向壓縮變形量逐漸增加；爐內平均溫度介於 886~891℃時，試體 軸向壓縮變形量急遽增加；爐內平均溫度約為 891℃時，試體軸向壓縮變形量已達 28.4 mm。試體 TA1 之溫度分布方面，各斷面之鋼板內外側表面測點溫度與時間關係如圖
4-10~圖 4-13
所示；各斷面之混凝土測點溫度與時間關係如圖 4-14~圖 4-17所示。0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperature (oC)
-30
Axial deformation (mm)
圖 4-9 試體 TA1 軸向變形量與爐內平均溫度之關係
（資料來源：本研究整理）
0 10 20 30 40 50
Time (min) 0
T em p er a tu re (
oC )
Furnace Average Temepature Thermocouple AS1 Thermocouple AS2 Thermocouple AS3 Thermocouple AS4 Thermocouple AS5 Thermocouple AS6
圖 4-10 試體 TA1 斷面 A 之鋼板溫度與時間關係圖
（資料來源：本研究整理）
0 10 20 30 40 50 Time (min)
0
T em p er a tu re (
oC )
Furnace Average Temepature Thermocouple BS1 Thermocouple BS2 Thermocouple BS3 Thermocouple BS4 Thermocouple BS5 Thermocouple BS6
圖 4-11 試體 TA1 斷面 B 之鋼板溫度與時間關係圖
（資料來源：本研究整理）
0 10 20 30 40 50
Time (min) 0
T em p er a tu re (
oC )
Furnace Average Temepature Thermocouple CS1 Thermocouple CS2 Thermocouple CS3 Thermocouple CS4 Thermocouple CS5 Thermocouple CS6
圖 4-12 試體 TA1 斷面之 C 鋼板溫度與時間關係圖
（資料來源：本研究整理）
0 10 20 30 40 50 Time (min)
0
T em p er a tu re (
oC )
Furnace Average Temepature Thermocouple DS1 Thermocouple DS2 Thermocouple DS3 Thermocouple DS4 Thermocouple DS6
圖 4-13 試體 TA1 斷面 D 之鋼板溫度與時間關係圖
（資料來源：本研究整理）
0 10 20 30 40 50
Time (min) 0
T em p er a tu re (
oC )
Furnace Average Temepature Thermocouple AC1 Thermocouple AC2 Thermocouple AC3 Thermocouple AC4 Thermocouple AC5
圖 4-14 試體 TA1 斷面 A 之混凝土溫度與時間關係圖
（資料來源：本研究整理）
0 10 20 30 40 50 Time (min)
0
T em p er a tu re (
oC )
Furnace Average Temepature Thermocouple BC1 Thermocouple BC2 Thermocouple BC3 Thermocouple BC4 Thermocouple BC5
圖 4-15 試體 TA1 斷面 B 之混凝土溫度與時間關係圖
（資料來源：本研究整理）
0 10 20 30 40 50
Time (min) 0
T em p er a tu re (
oC )
Furnace Average Temepature Thermocouple CC1 Thermocouple CC2 Thermocouple CC3 Thermocouple CC4 Thermocouple CC5
圖 4-16 試體 TA1 斷面 C 之混凝土溫度與時間關係圖
（資料來源：本研究整理）
0 10 20 30 40 50 Time (min)
0 200 400 600 800 1000
T em p er a tu re (
oC )
Furnace Average Temepature Thermocouple DC1 Thermocouple DC2 Thermocouple DC3 Thermocouple DC4 Thermocouple DC5
圖 4-17 試體 TA1 斷面 D 之混凝土溫度與時間關係圖
（資料來源：本研究整理）
就試體鋼材溫度分布而言，於 41 分鐘時柱鋼板外側表面之平均溫度最高，約為 719.8℃，而最高溫度位於 DS4 測點，其溫度為 822.1℃；於 40 分鐘時柱鋼板內側表面 之平均溫度最高，約為 561.6℃，而最高溫度位於 AS6 測點，其溫度為 611.9℃。
在整個試驗過程中，試體內部混凝土 20 個熱電偶測點所測得之最高溫度如圖 4-18 所示。由圖 4-18可知，四個斷面於 C5 測點之最高溫度大致相近。但四個斷面於其餘 測點之最高溫度則變化較大。至於鋼柱內部混凝土之溫度分布，距柱鋼板內側表面 61 mm 處的最高溫度測點於 CC5 處，其溫度為 152.8℃；而距柱鋼板內側表面 126 mm 處 混凝土的最高溫度發生在 BC2 位置處，其溫度為 137.2℃；試體混凝土中心的最高溫 度 152.4℃，發生在 BC3 位置處。試驗過程中，試體內混凝土因高溫爆裂，導致斷面 溫度分布不均，且部分測溫點於加熱試驗 20 分後已失效。
0 20 40 60 80 100 120 140 160
測點C1 測點C2 測點C3 測點C4 測點C5
最高溫度℃
測溫線位置
斷面A 斷面B 斷面C 斷面D
圖 4-18 試體 TA1 內部混凝土熱電偶之最高溫度
（資料來源：本研究整理）
從試驗開始至結束，混凝土出現數起清楚的爆裂聲響。柱試體於加熱至第 21 分鐘 時，爐內試體傳出爆裂聲；加熱至第 40 分鐘時，爐內試體持續傳出爆裂聲。軸向壓縮 量於加熱時間 40 分內，未超過容許最大軸向壓縮量 30.6 mm。惟柱試體於加熱至第 41 分鐘時，瞬間達容許最大軸向壓縮量 30.6 mm，且軸向壓縮速率亦達容許最大軸向壓 縮速率（9.18 mm/min），故停止試驗。試驗結束且試體冷卻後，隨即觀察試體 TA1 火 害後的情況，如圖 4-19所示。有關試體 TA1 局部挫屈之情形，如圖 4-20~圖 4-22所示。
圖 4-19 試體 TA1 試驗後之外觀
（資料來源：本研究整理）
圖 4-20 試體 TA1 之局部挫屈情形 1
（資料來源：本研究整理）
圖 4-21 試體 TA1 之局部挫屈情形 2
（資料來源：本研究整理）
圖 4-22 試體 TA1 之局部挫屈情形 3
（資料來源：本研究整理）
依據 CNS 12514 規範規定，以承重能力為破壞基準。本次高溫試驗進行至第 41 分鐘時，柱試體軸向變形量與軸向變形壓縮速率皆超過容許值，已達到規範所定義之 破壞基準。據此，試體 TA1 之防火時效為 40 分鐘。