第二章 數值分析與驗證
第一節 鋼材之高溫材料性質
本文所探討的試體材料以 SN490B 耐震級鋼及 SN490CFR 耐火級鋼為 主，文中模擬所使用的高溫材料性質係採用林子賓 [31]與陳諺輝 [34]於 2006 年針對材料實驗的需求，送請中鋼材料實驗室測試 SN490B 耐震級鋼及 SN490CFR 耐火級鋼等兩種鋼材進行高溫材料試驗，所得之各溫度下的應力-應變關係的結果（圖 2-1 與 2-2）。
在林子賓]與陳諺輝文中也提到，實驗研究所用的耐火鋼係由中鋼公司自 行研發而成的 SN490C-FR 耐火級鋼材，不僅保有 SN490C 耐震級鋼材的耐震 特性，並具有鋼材溫度達到 600°C 時，仍保有室溫強度三分之二的耐火特 性，在未來鋼結構耐火設計上有其應用之潛力；SN490C-FR 耐火級鋼材之耐 火機制主要是在其化學組成中加入了耐高溫的鉬、鈮、釩、鈦等金屬元素，
使得在高溫下這些元素與碳所化合的碳化物，特別是鉬與鈮的碳化物產物，
能鎖定差排（Dislocation），並阻止鋼材內的差排在一定高溫下因受力而移 動，進而延遲鋼材降伏時機的發生，而這些耐高溫合金的添加，也有助於增 強鋼材在一定高溫下抗潛變的能力。
然而這一系列的相關研究，對於耐火鋼在高溫時的行為，在莊有清 [35]
文中也提到，耐火鋼在常溫狀態下與一般鋼的性能差不多，在高溫時才會顯 現其耐火特性，同時在，Li [16]等人的實驗數據中也有此種現象，足以說明 耐火鋼與一般鋼的差異。
1.彈性模數
實驗所使用的 SN490B 與 SN490C-FR 的兩種鋼材，其材料性質是經由 中鋼實驗室進行高溫材料試驗所得，分別為 20℃、100℃、200℃、300℃、
400℃、500℃、600℃、700℃及 800℃等各溫度所對應之彈性模數（Elastic Modulus），同時以這些材料性質作為本文數值模擬之參數使用，其實驗後 楊氏彈性模數結果如圖 2-3 所示：
2.柏松比
常溫下鋼材柏松比之值為
v
= 0.288，一般最常當成 0.3 使用。圖 2-4 表 示鋼材在各溫度下所對應柏松比的關係圖，由圖上可以看出鋼材柏松比與3.塑性性質
鋼材的塑性為當應力超過降伏點後，能產生顯著的殘餘變形（塑性變 形）而不立即斷裂的性質。換句話說，塑性是材料能保持其永久形狀或變 形而不發生破壞的性質，為彈性的反義。因此，塑性在預測材料破壞形式 上為一重要之特性。
圖 2-5 為單軸拉伸實驗示意圖，說明一般彈塑性材料在各個應力應變階 段的行為，圖中顯示在曲線在降伏點（Yield Point）之前，材料具有線彈性 行為，過降伏點（Yield Point）後的應變硬化（Hardening）與應變緊縮
（Necking）階段，材料具有非線性與非彈性行為。這說明彈塑性材料在高 應力（和應變）下，具有非線性與非彈性行為，金屬材料的性質正是屬於 這類的彈塑性材料，而具有非線性、非彈性行為的部份，稱為塑性區段。
SN490B 與 SN490C-FR 兩種金屬材料在圖 2-1 與 2-2 可以看出，也明顯的具 有塑性性質的現象。
4.熱效應
熱傳導係數（Thermal Conductivity）- k 的計算非常繁雜，依 Eurocode-3 [11]規範所建議的計算公式如下
當
20 C T 800 C
時，k 54 3 . 33 10
2T W / m C
（2-1a）當
800 C T 1200 C
時，k 27 . 3 W / m C
（2-1b）其中
T
為鋼材的溫度 (℃)5.其他材料參數
本文是利用鋼材所做的結構實驗，故使用鋼材的材料參數，來做後續 的模擬。除了上述參數外，尚有其他一般的參數，但礙於目前國內的現有 資料不多，因此決定參考 Eurocode-3 [11]所建議的這些材料參數數值。
密度（Density-ρ）因為業界所認定的密度值不同但差異不大，而國內 工會係採用歐美公會的公認值，故使用 Eurocode-3 [11]規範建議採用鋼材密 度ρ =7850 kg/m
3
。鋼材膨脹係數（Expension Cofficient-α）則依Eurocode-3 [11]規範所建 議，熱膨脹係數採用α= 14×10
-6
。SN490B應力應變曲線圖
Strain (mm/mm)
S tr es s (M P a)
400 500 600
700 800
650
Strain (mm/mm)
S tr e ss (M P a )
SN490B&SN490C-FR彈性模數
poisson's ratio
圖 2-5 單軸拉伸實驗下彈塑性材料的工程應力與應變關係
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Temperature(℃)
S p ec if ic h ea t( J /k g K )
Specific heat
圖 2-6 各溫度所對應的比熱值
Nominal
N o m in a l S tr es s
Yield
point Hardenin g
Young’s modulus,E