第五章 斷面溫度分佈之熱傳分析模式 斷面溫度分佈之熱傳分析模式 斷面溫度分佈之熱傳分析模式 斷面溫度分佈之熱傳分析模式
第二節 鋼骨鋼筋混凝土 鋼骨鋼筋混凝土柱之熱傳分析 鋼骨鋼筋混凝土 鋼骨鋼筋混凝土 柱之熱傳分析 柱之熱傳分析 柱之熱傳分析
圖圖
圖 5-6 三面受火試體試驗值與分析值比較三面受火試體試驗值與分析值比較三面受火試體試驗值與分析值比較三面受火試體試驗值與分析值比較 (資料來源：本研究整理)
第二節 第二節 第二節
第二節 鋼骨鋼筋混凝土 鋼骨鋼筋混凝土柱之熱傳分析 鋼骨鋼筋混凝土 鋼骨鋼筋混凝土 柱之熱傳分析 柱之熱傳分析 柱之熱傳分析
由上節比對結果得知，以有限元素之熱傳分析可得到合理的分析結果，因此 本研究將進行有限元素熱傳分析。對於包覆型鋼骨鋼筋混凝土柱分析之材料性質 及分析模型相關設定，如下：
壹 壹 壹
壹、、、、材料性質材料性質材料性質材料性質
模擬方形和圓形包覆型鋼骨鋼筋混凝土之鋼骨、鋼筋和混凝土材料性質皆依 照 Eurocode 規範；對於分析模型之混凝土材料依照 Eurocode 建議考慮內部含 10%含水率，而其它材料之相關規定，如本研究第二章所示。非四面受火試體皆 於不受火面設置防火棉，而分析模型之防火層材料性質採何奇鈺(2008)研究建 議；由前節 SRC 試體於加溫 1 小時之結果得知，防火層厚度至少 100 mm 以上，
故本研究分析模型之防火層須設置足夠厚度，以阻隔升溫歷時之溫度傳入不受火 面處。
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比較十字型鋼骨測點(S1~S4)之實驗(SN4 及 SH4)與分析結果發現，試體加溫 2 小時，其試體 SN4 鋼骨測點 S4 與分析溫度相差最大為 67°C；加溫 4 小時，試
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角隅處混凝土因高溫開裂或剝落將使試體有效保護層減少，造成試體內部之主筋 溫度較分析值高；整體而言，分析模型模擬試體 SN4 及 SH4 於加溫 4 小時之溫 度結果合理，且各測點溫度-時間曲線之趨勢也雷同。
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圖圖 5-11 模擬方形模擬方形模擬方形 SRC 柱四面受火模擬方形 柱四面受火柱四面受火柱四面受火之斷面溫度分佈之斷面溫度分佈之斷面溫度分佈之斷面溫度分佈 (資料來源:本研究整理)
(a) 加溫
加溫加溫 60 分鐘加溫 分鐘分鐘分鐘(b) 加溫
加溫加溫加溫 120 分鐘分鐘分鐘分鐘(c) 加溫
加溫加溫加溫 180 分鐘分鐘分鐘分鐘(d) 加溫
加溫加溫加溫 240 分鐘分鐘分鐘分鐘114
圖圖圖
圖 5-12 實驗試體實驗試體實驗試體實驗試體 SN4 及及及及 SH4 與分析與分析與分析模擬與分析模擬模擬之斷面溫度測點結果比較模擬之斷面溫度測點結果比較之斷面溫度測點結果比較 之斷面溫度測點結果比較 (資料來源:本研究整理)
(a) 鋼骨測點溫度
鋼骨測點溫度鋼骨測點溫度 鋼骨測點溫度(b) 混凝土測點溫度
混凝土測點溫度混凝土測點溫度混凝土測點溫度(c) 鋼筋測點溫度
鋼筋測點溫度鋼筋測點溫度 鋼筋測點溫度115
2. 方形 SRC 柱於三面受火
模擬三面受火方形 SRC 柱斷面溫度分佈之分析結果如圖 5-13 所示，其顯示 加溫爐爐溫傳遞至試體內部，試體受火面處之溫度相較不受火面高，且試體之鋼 骨溫度也比鄰近混凝土溫度高；比較相同測點位置之方形 SRC 柱於三面和四面 受火分析結果發現，四面受火之試體溫度相較三面受火高。
圖 5-14 為試體 SN3 及 SH3 斷面測點溫度與分析結果之比較。圖 5-14(a)顯示 兩試體之鋼骨測點溫度皆較分析溫度為偏高，而試體 SH3 之測點溫度與分析溫 度較為接近；實驗與分析之鋼骨測點溫度由高至低，皆依序為測點 S5、S1、S4、
S3 和 S2，其中測點 S5 和 S1 皆為距試體表面相同深度之測點，但測點 S5 比 S1 溫度高之可能原因為測點 S5 之兩側皆為受火面，而測點 S1 兩側分別為受火面 和不受火面；當試體加溫 2 小時，實驗與分析之鋼骨測點最大溫差為試體 SN3 測點 S5(96°C)，在加溫 4 小時之溫差達 110°C。混凝土測點溫度經比較後發現，
分析值比實驗測點溫度偏高，其與前述四面受火方形試體之比較結果相同；測點 溫度由高至低為測點 C4、C3、C2 及 C1，其中測點 C4 溫度較 C2 高之可能原因 為測點 C4 受兩側溫度傳入之影響；試體 SN3 測點 C4 於加溫 2 小時與分析值相 差 23°C，至加溫 4 小時之溫差達 59°C，如圖 5-14(b)所示。圖 5-14(c)為比較實驗 試體 SN3 及 SH3 與分析之斷面測點溫度。結果顯示，若試體之混凝土保護層未 產生開裂行為，則試體於加溫 4 小時期間，鋼筋測點溫度由高至低，依序為 R5、
R4、R1、R2 及 R3，但試體 SN3 之測點 R1 溫度相較 R4 及 R5 高，且試體 SH3 之測點 R4 相較 R5 溫度高，其兩試體測點 R5 量測溫度較低之可能原因為施工造 成熱電偶測點異位。
由上述說明得知，試體三面受火之斷面溫度分佈與四面受火有差異；受火面 影響距試體表面相同深度不同位置之測點溫度；試體混凝土於加溫 30 至 150 分 鐘期間仍有內部含水汽化作用之現象；除鋼筋測點溫度與分析結果差異較大，分 析模型可合理模擬三面受火方形 SRC 柱之斷面溫度。
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圖 5-13 模擬方形模擬方形模擬方形模擬方形 SRC 柱柱柱柱三三三三面受火之斷面溫度分佈面受火之斷面溫度分佈面受火之斷面溫度分佈面受火之斷面溫度分佈 (資料來源:本研究整理)
(a) 加溫
加溫加溫 60 分鐘加溫 分鐘分鐘分鐘(b) 加溫
加溫加溫加溫 120 分鐘分鐘分鐘分鐘(d) 加溫
加溫加溫加溫 240 分鐘分鐘分鐘分鐘(c) 加溫
加溫加溫加溫 180 分鐘分鐘分鐘 分鐘防火層 防火層
防火層 防火層
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圖 圖圖
圖 5-14 實驗實驗實驗實驗試體試體試體試體 SN3 及及及及 SH3 與分析與分析與分析模擬與分析模擬模擬之斷面溫度測點結果比較模擬之斷面溫度測點結果比較之斷面溫度測點結果比較 之斷面溫度測點結果比較 (資料來源:本研究整理)
(a) 鋼骨測點溫度
鋼骨測點溫度鋼骨測點溫度 鋼骨測點溫度(b) 混凝土測點溫度
混凝土測點溫度混凝土測點溫度混凝土測點溫度(c) 鋼筋測點溫度
鋼筋測點溫度鋼筋測點溫度 鋼筋測點溫度118
3. 圓形 SRC 柱於四面受火
為模擬四面受火試體 CN4 與 CH4 之斷面溫度分佈情形，分析模型依火害試 驗前所量測之室內溫度，設定為分析模型之初始溫度，並輸入升溫曲線之溫度至 模型表面，進行 4 小時熱傳分析，其分析結果顯示於圖 5-15；由分析結果發現，
材料性質將影響模型斷面溫度分佈情形，如斷面中心鋼骨測點 S1 之溫度較混凝 土測點 C1 高，其原因為鋼骨材料之熱傳導較混凝土佳。
由試體 CN4 及 CH4 火害試驗結果與分析結果比較顯示，鋼骨、鋼筋和混凝 土之測點溫度皆相較分析值高，而試體 CN4 僅進行 3 小時火害試驗，如圖 5-16 所示。比較圖 5-16(a)鋼骨測點(S1~S4)溫度時間曲線，實驗與分析於加溫期間，
鋼骨測點之溫度由高至低皆依序為 S4、S3、S2 及 S1，且實驗測點溫度皆比分析 值高；當加溫 2 小時，鋼骨測點最大溫差處為試體 CH3 測點 S3，其相差 189°C。
混凝土測點之比較結果發現，實驗與分析模型於加溫 90 分鐘前，測點溫度接近，
且曲線皆持平於 100°C 之間，此持平現象可能為混凝土內部含水汽化之影響，如 圖 5-16(b)所示。圖 5-16(c)顯示試體 CN4 及 CH4 之測點 R3 溫度與分析值差異極 大，且箍筋測點 R3 之溫度較主筋測點 R1 和 R2 之溫度高，而此結果與受四面火 之方形試體不同。
綜合上述分析結果與試體實驗結果比對發現，試體 CN4 之斷面中心鋼骨溫 度較鄰近混凝土高，此與試體 SN4 之溫度結果相同，故十字型鋼骨將增加試體 斷面溫度；在試體進行 10 分鐘加溫試驗時，研究人員於加溫爐外已聽到混凝土 爆裂聲音，其爆裂行為使混凝土保護層減少，且爐內高溫將直接曝露於爆裂後所 剩之試體表面，因此實驗試體 CN4 及 CH4 之測點溫度與分析數據相差較大，並 也印證混凝土保護層對含十字型鋼骨鋼筋混凝土試體之重要性。
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圖圖 5-15 模擬圓形模擬圓形模擬圓形模擬圓形 SRC 柱四面受火柱四面受火柱四面受火柱四面受火之斷面溫度分佈之斷面溫度分佈之斷面溫度分佈之斷面溫度分佈 (資料來源:本研究整理)
(a) 加溫
加溫加溫 60 分鐘加溫 分鐘分鐘分鐘(b) 加溫
加溫加溫加溫 120 分鐘分鐘分鐘分鐘(d) 加溫
加溫加溫加溫 240 分鐘分鐘分鐘分鐘(c) 加溫
加溫加溫加溫 180 分鐘分鐘分鐘 分鐘120
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圖圖 5-16 實驗試體實驗試體實驗試體實驗試體 CN4 及及及及 CH4 與分析與分析與分析與分析模擬模擬模擬模擬之斷面溫度測點結果比較之斷面溫度測點結果比較之斷面溫度測點結果比較之斷面溫度測點結果比較 (資料來源:本研究整理)
(a) 鋼骨測點溫度
鋼骨測點溫度鋼骨測點溫度 鋼骨測點溫度(b) 混凝土測點溫度
混凝土測點溫度混凝土測點溫度混凝土測點溫度(c) 鋼筋測點溫度
鋼筋測點溫度鋼筋測點溫度 鋼筋測點溫度122
4. 圓形 SRC 柱於二面受火
依實驗試體建立分析模型，模擬二面受火試體於加溫 4 小時下，瞭解各測點 溫度與斷面溫度分佈之情形，如圖 5-17 所示。圖 5-18 為實驗試體 CN2 及 CH2 斷面測點溫度與分析結果之比較，其測點溫度皆較分析值高，乃因試體受火面之 混凝土因高溫產生爆裂，而混凝土保護層爆裂的程度將直接影響鋼筋溫度，並間 接影響試體內部鋼骨與混凝土溫度。對於圓形試體內部十字型鋼骨溫度，其測點 溫度由高至低依序為 S4、S1、S3 及 S2；溫度隨距試體表面徑向深度增加而降低，
但測點 S4 溫度比 S2 高之原因為測點 S4 位處試體受火部分，如圖 5-18(a)所示。
由圖 5-18(c)得知，混凝土保護層有助於阻擋和減緩高溫傳遞至試體內部，但本 研究圓形試體受火面皆產生混凝土爆裂行為，因此實驗量測溫度與分析結果之鋼 筋測點溫度差異極大。
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圖 圖圖
圖 5-17 模模模模擬圓擬圓擬圓擬圓形形形形 SRC 柱二面受火之斷面溫度分佈柱二面受火之斷面溫度分佈柱二面受火之斷面溫度分佈柱二面受火之斷面溫度分佈 (資料來源:本研究整理)
(a) 加溫
加溫加溫 60 分鐘加溫 分鐘分鐘分鐘(b) 加溫
加溫加溫加溫 120 分鐘分鐘分鐘分鐘(d) 加溫
加溫加溫加溫 240 分鐘分鐘分鐘分鐘(c) 加溫
加溫加溫加溫 180 分鐘分鐘分鐘 分鐘防火層 防火層
防火層 防火層
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圖圖 5-18 實驗實驗實驗實驗試體試體試體試體 CN2 及及及及 CH2 與分析與分析與分析與分析模擬模擬模擬模擬之斷面溫度測點結果比較之斷面溫度測點結果比較之斷面溫度測點結果比較之斷面溫度測點結果比較
圖圖 5-18 實驗實驗實驗實驗試體試體試體試體 CN2 及及及及 CH2 與分析與分析與分析與分析模擬模擬模擬模擬之斷面溫度測點結果比較之斷面溫度測點結果比較之斷面溫度測點結果比較之斷面溫度測點結果比較