第二章 鋼材與混凝土材料之高溫性質 鋼材與混凝土材料之高溫性質 鋼材與混凝土材料之高溫性質 鋼材與混凝土材料之高溫性質
第二節 鋼材高溫性質 鋼材高溫性質 鋼材高溫性質 鋼材高溫性質
第二節 第二節
第二節 鋼材高溫性質 鋼材高溫性質 鋼材高溫性質 鋼材高溫性質
壹壹
壹壹、、、、高溫下鋼材之力學性質高溫下鋼材之力學性質高溫下鋼材之力學性質高溫下鋼材之力學性質
鋼材之力學性質包括了降伏強度、抗拉強度、彈性模數以及應力應變曲線 等。鋼材的優點為兼具高強度與韌性，缺點是耐火性能不佳，當鋼材溫度到達 500°C 時，彈性模數降為室溫下的六成，溫度到達 600°C 時，降伏強度大幅下降 至室溫的一半以下，可見高溫對於鋼材影響相當大。
依據 Eurocode 3 之規定，受溫度影響下鋼材力學性質之彈性模數、降伏強度 與極限張力強度等，與常溫下力學性質之比值為折減係數。對於國內 SN490B 鋼 材和 Eurocode 3 規定之鋼材受溫度影響力學性質之折減係數，如表 2-1 與圖 2-2 所示。其中 SN490B 鋼材之力學性質，採用林子賓(2006)針對各溫度下 SN490B 鋼材應力-應變關係之材料試驗數據。A572 Grade 50 則是依據莊有清(2003)之試 驗數據。SM400 則是依據簡承宏(2005)之試驗數據。
由表 2-1 與圖 2-2 得知，鋼材溫度在達 500°C 之後，折減係數之折減量增加；
鋼材溫度於 800°C 後，折減係數小於 0.1，且曲線斜率減緩。
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表 表
表 表 2-1 比較 比較 比較 比較 SN 490B、 、 、SM400、 、 、 、A572 Gr.50 與 、 與 與 Eurocode 3 之鋼材受溫 與 之鋼材受溫 之鋼材受溫度 之鋼材受溫 度 度 度影響力學性質折減係數 影響力學性質折減係數 影響力學性質折減係數 影響力學性質折減係數
溫度 (°C)
EC 3 SN 490B A572
Grade 50 SM400 EC 3 SN 490B A572 Grade 50
SM400
(0.2%offset) EC 3 SN 490B A572
Grade 50 SM400
20 1.00 1.00 1.000 1.00 1.00 1.00 1.000 1.00 1.25 1.52 1.304 −
100 1.00 0.83 − − 1.00 0.92 − − 1.25 1.37 − −
200 0.90 0.80 0.916 0.94 1.00 0.84 0.956 1.00 1.25 1.46 1.482 −
300 0.80 0.71 0.824 0.89 1.00 0.72 0.772 0.71 1.25 1.48 1.477 −
400 0.70 0.72 0.853 0.72 1.00 0.67 0.696 0.65 1.00 1.32 1.211 −
500 0.60 0.54 0.675 0.57 0.78 0.58 0.631 0.56 0.78 0.92 0.948 −
600 0.31 0.33 0.575 0.37 0.47 0.39 0.389 0.33 0.47 0.48 0.567 −
700 0.13 0.26 0.400 0.24 0.23 0.17 0.201 0.16 0.23 0.20 0.281 −
800 0.09 0.12 − 0.05 0.11 0.09 − 0.08 0.11 0.15 − −
900 0.0675 − − − 0.06 − − − 0.06 − − −
1000 0.0450 − − − 0.04 − − − 0.04 − − −
1100 0.0225 − − − 0.02 − − − 0.02 − − −
註： 相對於 之切線模數折減係數。
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為相對於 之極限張力折減係數。
EC 3為 Eurocode 3 建議鋼材受溫影響之力學性質折減係數。
SN 490B為依據林子賓(2006)之試驗數據。A572 Grade 50 為依據莊有清(2003)之試驗數據。SM 400 為依據簡承宏(2005)之試驗數據。
(資料來源：本研究整理)
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圖圖
圖圖 2-2 Eurocode 3 高溫下高溫下高溫下高溫下鋼材之力學性質折減係數鋼材之力學性質折減係數鋼材之力學性質折減係數鋼材之力學性質折減係數 (資料來源：Eurocode 3)
鋼材在高溫下之應力應變關係有歐洲規範可比對，Eurocode 3 高溫下之鋼材 強度與變形性質在每分鐘 2 至 50K 加熱速率之情形下所得之應力應變關係，如 圖 2-3 所示。
圖圖
圖圖 2-3 Eurocode 3 高溫下高溫下高溫下高溫下鋼材之應力應變關係鋼材之應力應變關係鋼材之應力應變關係鋼材之應力應變關係 (資料來源：Eurocode 3)
Eurocode 2 於熱軋鋼筋在高溫下之應力應變關係如圖 2-4 所示。
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圖圖
圖圖 2-4 Eurocode 2 高溫下高溫下高溫下高溫下熱軋鋼筋之應力應變關係熱軋鋼筋之應力應變關係熱軋鋼筋之應力應變關係熱軋鋼筋之應力應變關係 (資料來源：Eurocode 2)
貳貳
貳貳、、、、熱傳導熱傳導熱傳導熱傳導
熱傳導(Thermal conductivity)為物質傳導熱能之性能，而隨溫度變化，其熱 傳導也隨之不同，如圖 2-5 所示。Eurocode 3 訂出鋼材熱傳導係數(W/m °C)，如
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比熱(Specific heat)的定義為單位物質升高 1°C 所需之熱能，隨溫度變化下鋼 材之比熱(J/kg K)如圖 2-6 所示，可知當溫度約 750°C 時鋼材比熱突然升高。
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0 200 400 600 800 1000 1200 Temperature ( C)
0
熱伸長(Thermal elongation)定義為材料溫度每上升 1°C，造成材料之伸長，
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可由熱膨脹係數乘上溫度差值求得。鋼材隨溫度變化下之熱伸長如圖 2-7 所示。
Touloukian et al. (1977)以三階多項式計算鋼熱膨脹係數，如公式(2-13)所示。
( )
T =α0+α1T+α2T2+α3T3根據 Eurocode 4 規定，熱伸長可由公式(2-15)至(2-17)計算。
C
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圖 圖圖
圖 2-7 高溫下高溫下高溫下高溫下鋼材之熱伸長比較鋼材之熱伸長比較鋼材之熱伸長比較鋼材之熱伸長比較 (資料來源：本研究整理)