數值結果與討論

本計畫於建築研究所防火實驗中心所作的三支試體實驗分別為：(1) 一般鋼於常溫下極限強度試驗(試體 A)、(2)一般鋼於升溫下定載加溫試驗 (試體 B)及(3)托梁式部分耐火鋼於升溫下定載加溫試驗(試體 C) 。在熱傳 部分皆以熱傳模式分析，而結構分析加以考慮螺栓接合的模式。

由於本分析有常溫與升溫模式兩種，常溫以試體A 為代表，從圖 3.11 與圖 3.12 可以看出常溫下試體在試驗前後的比較，並與分析作對照；而 升溫則以試體 B 為代表，除了試體前後比較及對照(圖 3.16 與圖 3.17)外，

也考量到局部破壞的相符性，亦將梁產生側向扭轉挫屈(L.T.B)再次驗證。

(1) 一般鋼於常溫下極限強度試驗(試體 A)

(1) 在常溫狀態下，由試體 A 的彎矩-相對轉角的關係圖(圖 3.13)看 出，經ABAQUS 程式分析與實驗比對，兩者的趨勢相符合。當接 頭區的相對轉角為4×10⁻³時，其梁端的彎矩之分析與實驗結果的誤 差為5%。

(2) 就梁端的外力載重與變位的關係圖(圖 3.14)而言，常溫下試體 A 透過螺栓接合的方式(圖 3.15)產生試體的局部破壞，所得到的分析 結果與實驗數據的趨勢一致。當梁端受力大小達70 噸時，其變位 (DB4)的分析與試驗誤差為 1.6%。

(2) 一般鋼於升溫下定載加溫試驗(試體 B)

(1) 一般鋼梁柱接頭於升溫狀況下，以接頭區的溫度-相對轉角的關係 (圖 3.19)而言，分析模式所得的破壞溫度約為 500℃，而試驗所測 得的破壞溫度為500℃，兩者比較相符。

(2) 以本試驗的溫度-梁端變位關係曲線(圖 3.20)而言，梁端變位(DB4) 之分析得破壞溫度約至500℃，而升溫下的一般鋼梁柱接頭試驗溫 度達500℃開始破壞，兩者比較亦相符。

(3) 部分耐火鋼(托梁)於升溫下定載加溫(試體 C)試驗

(1) 部分耐火鋼梁柱(托梁)接頭在加溫狀下，以接頭區的溫度-相對 轉角的關係(圖 3.22)而言，由圖 3.21 之模式分析所得破壞溫度數 值結果約為600℃，而試驗所測得的破壞溫度為 610℃，其誤差 為1.6%，兩者趨勢相符。

(2) 在本試驗裡，就溫度-梁端變位關係曲線(圖 3.23)來說，梁端變 位(DB4)之分析得破壞溫度約至 600℃，而部份耐火鋼梁柱(托梁) 接頭試驗加熱溫度達610℃開始破壞，其誤差為 1.6%，兩者趨勢 亦相符。

圖 3.11 試體 A 實驗前試體示意圖

圖 3.12 試體 A 實驗後試體變形圖

圖 3.13 試體 A 接頭區之彎矩-相對轉角比較圖

圖 3.14 試體 A 溫度-梁端位移比較圖

圖 3.15 試體 A 實驗後試體局部破壞與螺栓接合比較圖

圖 3.16 試體 B 實驗前試體示意圖

圖 3.17 試體 B 實驗後試體變形圖

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

Te m pe ra ture [C]

Rotation(Millirads)

Test Data ABAQUS-Model

圖 3.18 試體 B 實驗後試體發生 L.T.B 正視圖

圖 3.19 試體 B 接頭區溫度-相對轉角比較圖

-75 -65 -55 -45 -35 -25 -15 -5

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

Te m pe ra ture [c]

Beam-end deflection(mm)

Test Data ABAQUS-Model

圖 3.20 試體 B 溫度-梁端位移(DB4)比較圖

圖 3.21 試體 C 分析示意圖

0

Temperature(℃)

Rotation(Millirads)

TESTING DATA ABAQUS ANALYSIS

0

Temperature(℃)

Beam-end deflection(㎜)

TESTING DATA ABAQUS ANALYSIS

圖 3.22 試體 C 接頭區溫度-相對轉角比較圖

圖 3.23 試體 C 溫度-梁端位移(DB4)比較圖

第四章 結論與建議

本文針對國內鋼構造建築常見之 H 型梁-箱型柱接合的抗彎矩接頭 進行實尺寸梁柱構件之常溫/高溫結構實驗，並應用 ABAQUS 軟體建立 有限元素數值分析模型。文中數值結果顯示 ABAQUS 程式分析所得的梁 端變位與接頭區相對轉角趨勢與實驗結果相符。本文實驗結果驗證文中 所建立之 ABAQUS 軟體的有限元素分析模型可運用於梁柱接頭在常溫/

高溫下的各種參數分析之用。本文所得之實驗/數值結果總結如下：

1. 常溫實驗結果顯示梁柱接頭的結構破壞產生於梁柱接面之焊接 面附近，造成梁撕裂破壞，且其破壞模式為脆性破壞。ABAQUS 程式分析之預測位置與實驗結果相同。

2. 高溫試驗結果顯示普通彎矩接頭與部分耐火鋼托梁式彎矩接頭 的結構破壞皆為接近梁柱接面之梁下翼板挫屈以及腹板挫屈；普 通彎矩接頭與部分耐火鋼托梁式彎矩接頭之破壞溫度分別約為 510℃與 610℃左右。

3. 經熱傳數值分析結果發現，試體在四面受熱的狀況下，在低溫時 較不受熱輻射與熱對流的影響，試體表面溫度與爐溫接近；但在 高溫時，受到爐內的強制對流影響，導致試體的表面溫度與爐溫 差距越來越大，且梁與柱的升溫曲線亦有越來越大的溫差現象；

而梁的升溫較柱快，使得柱的強度折減較慢，梁的強度折減較快。

立即可行之建議

主辦機關：內政部營建署 協辦機關：內政部建築研究所

目前國內對於鋼結構建築物之設計乃依據「鋼構造建築物鋼結構 設計技術規範」，其主要設計精神係沿用美國AISC-LRFD 設計規範 進行結構物常溫下設計。唯火災發生時，其火場溫度驟升，尤其火 場到達閃燃以後之火災全盛期，建築構造承受高達600℃以上之高 溫，鋼構承載能力尚待評估。經由本研究初步針對鋼結構H 型梁-箱 型柱接頭之火害升溫實驗與數值模擬分析，所得之ㄧ般鋼接頭之破 壞溫度約為500℃(部份耐火鋼達 600℃)，與 CNS 12514 第 5.3.3 節所 述未進行加載試驗但測定構造中鋼材溫度之試體，其鋼材溫度平均 值超過500℃，即表示試體構造已達破壞溫度，視為承重能力失敗，

兩者結果相同。

長期性之建議

主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署

因國內目前採用之「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」其接頭 分析設計內容，依不同結構行為分門別類，本研究接頭行為僅為其 中一項，為能整體通盤性考量火害下之接頭設計，建議針對不同接 頭受力行為延伸研究之觸角，持續進行各項耐火試驗，促使未來能 建立各種接頭火害行為之資料庫，進而對現行規範有相當的幫助。

內 政 部 建 築 研 究 所

3、本計畫以套裝軟體（ABAQUS），作為 鋼結構火害行為的數值模擬工具，而 SN490B 之鋼材，未 考慮其他材質之鋼

4、本計畫擬以 ISO 834 作為其升溫曲線，

分析困難，故本案將

中華民國結構技師公會全國聯合會代表 用者，如柱為 SN490C，梁為 SN490B 或 SM570M 系列等規格，當然也可先 內常用之 SN490C，

耐火鋼現階段暫不考

選用國內常用型態進

4、請把研究成果具體比對修正本所結構 ABAQUS 還是 ANSYS？兩者所得結 果有何差異，另本所已有 ANSYS 軟

內 政 部 建 築 研 究 所

近，則可在數值模型上變更「參數」

(b)圖中之對半受力情形一致？

2、模擬中之 p.27(a)、(b)圖之梁柱接頭應 有”L”型之補強接合方式，可與說明。

構行為影響很大。 ANSYS，但實際上應用 ABAQUS，請 重新修正。

內 政 部 建 築 研 究 所

為試驗進行中所無法避免；建議在試

台灣省建築材料商業同業公會代表：

業務單位意見：

1、目前高溫實驗已對梁加載桿造成破 壞，對此有無因應對策

2、高溫實驗梁端扭轉破壞模式與實際結 構物含有樓板所產生的破壞是否一 致？若不同，其研究成果可用性受限。

3、本研究數值分析所採用熱對流係數與 複合爐的熱對流係數差異性有無考 量。

4、數值分析基本假設與實驗的條件並不 一致，建議以實驗條件重新代入分析 所得結果較合適。

1 、 將 商 請 相 關 廠 商 維 修。

2、實驗與分析會在詳細 評估，盡可能做到跟 實際狀況ㄧ致。

3、數值分析所採用熱對 流係數，由於沒有複 合爐的熱對流係數，

先以規範的熱對流係 數代入分析。

4、遵照審查意見辦理。

內 政 部 建 築 研 究 所

(2)消防噴水冷卻後，若無變形，其接 體為 SN490B，是否有此種現象尚待觀 察，並建議與其他種類鋼材比較。

3、目前鋼構皆有被覆，應說明本實驗並

尺寸為 PL18*500*550，…」，尺寸是 否應為PL18*550*550。

2、建議量測加熱試驗前及試驗後之 H.S.B

傷。另於載重下受熱作用後，SN 柱之 獻，可參考Fire Safety Journal。

2、本研究試體實驗條件與所採用實例不

陳組長建忠：

1、有關防火被覆、接頭高張力螺栓及特 殊鋼料等火害行為研究，可納入後續 研究規劃參考。

2、本研究後續應朝向相關法規修訂參考。

3、數值分析部分建議比較與實際建築物 受火害行為之差異。

1、遵照審查意見辦理。

2、本試體採裸鋼型式依 照CNS 12514 第 5.3.3 節規範試驗所得結果 可供相關單位參照。

3、值分析著重於與實際 試體相同條件之加熱 與受載狀況，並由此 建立一套標準之分析 流程。且以此為基礎 供後續研究，進行如 真實建築物狀況之研 究。

五、結論：

1.有關試體製作與放置位置，請研究團隊與實驗中心協調。

2.試體製作數量，兩根為美式接頭，另兩根為日式接頭。

3.下次工作會議，請邱耀正老師簡報電腦數值模擬初步結果。

五、結論：

1.有關試體製作，請於 8/10 前完成。

2.有關實驗日期預定於 9 月中旬開始。

3.有關數值模擬顯示：常溫加載試驗梁端破壞載重為 96ton；定載加熱試 驗梁端預定施力 38ton 載重，柱端施力 500ton 載重。

五、結論：

1.有關試體製作已如期完成，並於 8/9 運至實驗中心。

2.試體完成後可考慮放置於實驗中心戶外實驗場。

五、結論：

1.實驗時，請注意人員與儀器設備的安全。

2.目前爐內量測設備是否造成試體受熱不均勻?宜重新檢討。

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[20] 林岳^山華，「鋼結構梁柱接頭高溫反應之數值模擬」，碩士論文，國

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在文檔中 鋼結構H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究 (頁 78-115)