鋼結構H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究
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(2) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 研究主持人：陳建忠 協同主持人：邱耀正 研. 究. 員：鍾興陽 李其忠. 研究助理. ：林振吉 蘇文傑. 內政部建築研究所研究報告 中華民國 96 年 12 月.
(3) ARCHITECTURE&BUILDING. RESEARCH INSTITUTE. MINISTRY OF INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. Structural Behaviors of Steel H-Beam to Box-Column Moment Connection at Elevated Temperatures. BY Chen Chien Jung Chiou Yaw Jeng Chung Hsin Yang Lee Chi Chung Lin Chen Chi Su Wen Jie. December,2007.
(4) 目次. 目次 表次................................................................................................................ Ⅲ 圖次................................................................................................................ Ⅴ 摘要................................................................................................................ I. 第一章. 緒論.................................................................................................. 1 第一節 前言 ................................................................................... 1 第二節 研究背景與目的 ............................................................... 2 第三節 文獻回顧 ........................................................................... 3 第四節 鋼材之高溫材料性質 ....................................................... 5. 第二章. 實尺寸高溫結構實驗 ..................................................................... 7 第一節 前言 ................................................................................... 7 第二節 試體規劃 ........................................................................... 9 第三節 實驗規劃 ...........................................................................15 第四節 實驗結果與討論................................................................ 21. I.
(5) 目次 第三章. 數值分析與驗證 ............................................................................. 47 第一節 ABAQUS 熱傳分析模式 .................................................. 47 3.1.1 熱傳分析 ........................................................................ 47 3.1.2 接觸分析 ........................................................................ 48 3.1.3 非線性結構分析 ............................................................48 3.1.4 部分耦合分析 ................................................................ 49 第二節 ABAQUS 結構分析模式 .................................................. 51 3.2.1. ABAQUS 材料參數輸入 ............................................ 51. 3.2.2. 元素選擇...................................................................... 52. 第三節 數值結果與討論................................................................ 59. 第四章. 結論與建議 ......................................................................................67. 附錄一(審查會議紀錄)................................................................................... 69 附錄二(專家學者座談)................................................................................... 83 附錄三(工作會議紀錄)....................................................................................89 參考書目...........................................................................................................93. II.
(6) 表次. 表次 表 2.1. 試體 B 各斷面點位受損情況圖.................................................... 24. 表 3.1. 火害中預力損失試驗結果與正規化 ............................................. 49. 表 3.2 ABAQUS 單位係統一覽表............................................................ 54. III.
(7) 表次. IV.
(8) 圖次. 圖次 圖 1.1. SN490B 之應力應變曲線圖.......................................................... 5. 圖 1.2. SN490C-FR 之應力應變曲線圖 ................................................... 5. 圖 1.3. SN490B 與 SN490C-FR 高溫下極限強度折減趨勢圖 ............... 6. 圖 1.4. SN490B 與 SN490C-FR 在各溫度下的彈性模數 ....................... 6. 圖 2.1. 大型複合爐圖 ................................................................................ 8. 圖 2.2. 梁柱接頭試體規劃示意圖 .......................................................... 10. 圖 2.3. 普通彎矩接頭試體設計圖 .......................................................... 11. 圖 2.4. 普通彎矩接頭試體細部設計圖 .................................................. 11. 圖 2.5. 托梁式彎矩接頭試體設計圖 ...................................................... 12. 圖 2.6. 托梁式彎矩接頭試體細部設計圖 .............................................. 12. 圖 2.7. 普通彎矩接頭試體材質圖 .......................................................... 13. 圖 2.8. 托梁式彎矩接頭試體材質圖 ...................................................... 13. 圖 2.9. 試體 A、B 製作完成照片........................................................... 14. 圖 2.10. 試驗流程圖 .................................................................................. 16. 圖 2.11. 位移計........................................................................................... 16. 圖 2.12. 位移量測點位佈設圖 .................................................................. 17. 圖 2.13. 高溫熱電偶量測分佈圖 .............................................................. 18. 圖 2.14. 實驗試體加載示意圖 .................................................................. 18 V.
(9) 圖次 圖 2.15. 實驗試體與耐火爐示意圖 .......................................................... 19. 圖 2.16. 實驗升溫歷時圖 .......................................................................... 19. 圖 2.17. 資料擷取器 .................................................................................. 20. 圖 2.18. 電腦儲存監控系統 ...................................................................... 20. 圖 2.19. 試體 A 梁端位移(DB3)之實驗數據 .......................................... 25. 圖 2.20. 試體 A 梁端位移(DB4)之實驗數據 .......................................... 25. 圖 2.21. 試體 A 梁柱接頭區轉角之實驗數據......................................... 26. 圖 2.22. 試體 B 梁端位移(DB4)之實驗數據 .......................................... 26. 圖 2.23. 試體 B 梁柱轉角之實驗數據..................................................... 27. 圖 2.24. 試體 C 梁端位移(DB4)之實驗數據 .......................................... 27. 圖 2.25. 試體 C 梁柱轉角之實驗數據..................................................... 28. 圖 2.26. 試體 A 實驗後翼鈑左側破壞圖................................................. 28. 圖 2.27. 試體 A 實驗後翼鈑右側破壞圖................................................. 29. 圖 2.28. 試體 A 實驗後試體翼鈑局部破壞俯視圖 ................................ 29. 圖 2.29. 試體 B 下翼鈑實驗變形圖......................................................... 30. 圖 2.30. 試體 B 實驗後試體發生 L.T.B 側視圖 ..................................... 30. 圖 2.31. 試體 C 實驗後右側下翼鈑變形圖............................................. 31. 圖 2.32. 試體 C 實驗後左側下翼鈑變形圖............................................. 31. 圖 2.33. 試體 C 實驗後全俯視圖............................................................. 32. VI.
(10) 圖次 圖 2.34. 試體 B 上外柱 OC3A 斷面溫度歷時圖 .................................... 32. 圖 2.35. 試體 B 上外柱 OC4A 斷面溫度歷時圖 .................................... 33. 圖 2.36. 試體 B 外接頭區 OC3B 斷面溫度歷時圖 ................................ 33. 圖 2.37. 試體 B 外接頭區 OC4B 斷面溫度歷時圖 ................................ 34. 圖 2.38. 試體 B 下外柱 OC3C 斷面溫度歷時圖 .................................... 34. 圖 2.39. 試體 B 左梁 B2A 斷面溫度歷時圖 ........................................... 35. 圖 2.40. 試體 B 左梁 B1a 斷面溫度歷時圖 ............................................ 35. 圖 2.41. 試體 B 左梁 B1b 斷面溫度歷時圖............................................ 36. 圖 2.42. 試體 B 左梁 B2B 斷面溫度歷時圖 ........................................... 36. 圖 2.43. 試體 B 右梁 B1c 斷面溫度歷時圖 ............................................ 37. 圖 2.44. 試體 B 右梁 B1d 斷面溫度歷時圖............................................ 37. 圖 2.45. 試體 B 右梁 B1e 斷面溫度歷時圖 ............................................ 38. 圖 2.46. 試體 B 右梁 B1f 斷面溫度歷時圖............................................. 38. 圖 2.47. 試體 B 右梁 B1g 斷面溫度歷時圖............................................ 39. 圖 2.48. 試體 C 上外柱 OC3A 斷面溫度歷時圖 .................................... 39. 圖 2.49. 試體 C 外接頭區 OC4A 斷面溫度歷時圖 ................................ 40. 圖 2.50. 試體 C 外接頭區 OC3B 斷面溫度歷時圖 ................................ 40. 圖 2.51. 試體 C 外接頭區 OC4B 斷面溫度歷時圖 ................................ 41. 圖 2.52. 試體 C 下外柱 OC3C 斷面溫度歷時圖 .................................... 41. VII.
(11) 圖次 圖 2.53. 試體 C 左梁 B2A 斷面溫度歷時圖 ........................................... 42. 圖 2.54. 試體 C 左梁 B1a 斷面溫度歷時圖 ............................................ 42. 圖 2.55. 試體 C 左梁 B1b 斷面溫度歷時圖............................................ 43. 圖 2.56. 試體 C 左梁 B2B 斷面溫度歷時圖 ........................................... 43. 圖 2.57. 試體 C 右梁 B1c 斷面溫度歷時圖 ............................................ 44. 圖 2.58. 試體 C 右梁 B1d 斷面溫度歷時圖............................................ 44. 圖 2.59. 試體 C 右梁 B1e 斷面溫度歷時圖 ............................................ 45. 圖 2.60. 試體 C 右梁 B1f 斷面溫度歷時圖............................................. 45. 圖 2.61. 試體 C 右梁 B1g 斷面溫度歷時圖............................................ 46. 圖 3.1. 各螺栓(bolt)的接觸行為 ............................................................. 50. 圖 3.2. Newton-Raphson 法 ..................................................................... 50. 圖 3.3. 部分耦合分析 .............................................................................. 51. 圖 3.4. ABAQUS-分析流程圖................................................................. 55. 圖 3.5. 元素簡介 ...................................................................................... 55. 圖 3.6. 簡化分析之分區示意圖 .............................................................. 56. 圖 3.7. 試體 B-柱各部分溫度歷時圖 ..................................................... 57. 圖 3.8. 試體 B-梁各部分溫度歷時圖 ..................................................... 57. 圖 3.9. 試體 C-柱各部分溫度歷時圖 ..................................................... 58. 圖 3.10. 試體 C-梁各部分溫度歷時圖 ..................................................... 58. VIII.
(12) 圖次 圖 3.11. 試體 A 實驗前試體示意圖......................................................... 60. 圖 3.12. 試體 A 實驗後試體變形圖......................................................... 61. 圖 3.13. 試體 A 接頭區之彎矩-相對轉角比較圖 ................................... 61. 圖 3.14. 試體 A 溫度-梁端位移比較圖 ................................................... 62. 圖 3.15. 試體 A 實驗後試體局部破壞與螺栓接合比較圖 .................... 62. 圖 3.16. 試體 B 實驗前試體示意圖......................................................... 63. 圖 3.17. 試體 B 實驗後試體變形圖......................................................... 63. 圖 3.18. 試體 B 實驗後試體發生 L.T.B 正視圖 ..................................... 64. 圖 3.21. 試體 B 接頭區溫度-相對轉角比較圖 ....................................... 65. 圖 3.22. 試體 B 溫度-梁端位移(DB4)比較圖 ......................................... 66. 圖 3.25. 試體 C 分析示意圖..................................................................... 67. 圖 3.26. 試體 C 接頭區溫度-相對轉角比較圖 ....................................... 68. 圖 3.27. 試體 C 溫度-梁端位移(DB4)比較圖 ......................................... 68. IX.
(13) 圖次. X.
(14) 摘要. 摘要 關鍵字：H型梁、箱型柱、抗彎矩接頭、火害行為、實尺寸實驗. 一、研究緣起 鋼結構具有自重輕、強度大、耐震性佳、材質均勻及施工迅 速等各項優點，極具潛力成為未來國內建築的主流。但由結構防 火的角度來看，鋼結構的耐火性能較鋼筋混凝土差，普通鋼材在 溫度 350℃時，降伏強度即大幅下降至室溫降伏強度的 2/3 以下， 因此一場火災很可能就會導致鋼結構大樓崩塌。此外，鋼材之高 溫材料性質頗具地域性，國內對鋼結構耐火性能研究亦有迫切需 求。. 二、研究方法及過程 本計畫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，依照國內現行鋼構規範設計之實際鋼構建築中的部分 實尺寸梁柱構件，移至大型複合爐中，施以其在實際鋼構建築中 應受之固定載重，藉由複合爐之燃燒來模擬火害中 H 型梁-箱型柱 接合之接頭受高溫而破壞的結構行為，並檢討現今規範下梁柱接 頭在高溫下的各種設計考量。此外，本計畫亦應用 ABAQUS 軟體 建立 H 型梁-箱型柱接合之抗彎矩接頭的有限元素數值分析模 型，並經由實驗所得之結果驗證。. XI.
(15) 摘要 三、重要發現 本文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，而且梁與柱的升溫曲線亦有越來越大的溫差現象。此外， 本文所建立之 ABAQUS 軟體的有限元素數值分析模型經由實驗結果 驗證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。. XII.
(16) 摘要 四、主要建議事項 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。惟火災發生時，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，鋼構承載能力之設計是否仍得沿用，並且經 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。. XIII.
(17) 摘要. XIV.
(18) 摘要. Abstract Keywords: H-beam, box-column, moment connection, fire behavior, full-scale test The H-beam to box-column moment connections are widely used in Taiwan. However, the information related to the structural behavior of this kind of connections under fire is limited.. This. research is aiming at studying the structural behavior of H-beam to box-column moment connections at elevated temperatures. In this study, the sub-assembly including an H-beam to box-column connection in a steel building, which is designed by the recent steel design specifications used in Taiwan, is installed in the furnace and loaded with the realistic building loads.. The. sub-assembly of the H-beam to box-column connection is then subjected to the fire simulated in the furnace.. The structural. behavior of the connection in the fire is carefully recorded and investigated.. The design limit states of the H-beam to. box-column connection regulated by the recent steel design specifications will be examined in the fire environment.. In. addition, a finite element model of this sub-assembly will be built to simulate the structural behavior of the H-beam to box-column connection in fire.. The numerical results from the finite element. analysis will be compared with the experimental results from the full-scale test.. The more accurate numerical model can be. adjusted from the test, and can be applied for more connections with different design parameters. XV.
(19) 摘要. The content of this research are as follows: (1) Complete the full-scale test of the sub-assembly including the H-beam to box-column moment connection at elevated temperatures. (2) Implement the numerical simulation for the sub-assembly of the H-beam to box-column moment connection at elevated temperatures. (3) Identify the control parameters for the failure modes of the H-beam to box-column moment connection at elevated temperatures from the test results and numerical simulations.. XVI.
(20) 第一章 緒論. 第一章 第一節. 緒論 前言. 台灣地狹人稠，人口大量集中於大型都會區中，加上台灣又處於環太 平洋地震帶的高活動區域，鋼骨結構逐漸有取代傳統鋼筋混凝土結構的趨 勢。鋼結構具有自重輕、強度大、耐震性佳、材質均勻及施工迅速等各項 優點，但由結構防火的角度來看，鋼結構的耐火性能較鋼筋混凝土差，普 通鋼材在溫度 350℃時，降伏強度即大幅下降至室溫降伏強度的 2/3 以下， 因此一場火災很可能就會導致鋼結構大樓崩塌。以 2001 年美國紐約世貿雙 子星大樓的 911 事件為例，雙子星大樓並未毀於飛機之撞擊，卻因伴隨而 來之大火引致鋼材軟化及梁柱接頭破壞而導致結構挫屈崩塌。 依據內政部消防署統計資料顯示，台灣地區民國 86～91 六年間國內火 災發生次數每年平均約一萬五千餘次、財物損失高達 241 億元，又由台灣 地區民國 92～95 四年間國內火災發生次數每年平均降為六千餘次、財物損 失達 72 億元，而且每造成人員傷亡，由這些數據結果可知，火災所造成的 損失是一筆龐大的金額。此外，台灣因砂石資源匱乏，混凝土價格勢將上 揚，鋼筋混凝土構造之價格優勢將逐漸喪失；且以近來政府大力推展的綠 建築觀點來看，鋼結構在建築生命週期中（由建材生產到建物規劃、設計、 施工、使用、管理及拆除的過程） ，所消耗的能源與製造的污染皆較鋼筋混 凝土構造為少，且鋼結構資源具回收性；因此，鋼結構極具潛力成為未來 國內建築的主流。唯鋼材之高溫材料性質頗具地域性，國內對鋼結構耐火 性能研究亦有迫切需求。. 1.
(21) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 第二節. 研究背景與目的. 國外大型火場鑑定報告(如：美國 WTC 世貿大樓大火和英國 Cardington 火場研究)皆證實梁柱接頭和大、小梁接頭在火害高溫下破壞所造成的嚴重 後果，諸如鋼梁掉落、樓板坍塌、鋼柱失去側撐而挫屈破壞…等等。 鋼結構的梁與柱在受到火害高溫作用下，材料強度快速的折減，撓度 持續的增加，進而產生大變形，導致許多梁柱接頭因此而造成破壞，此種 破壞形式，在國內外火場中常見。梁柱接頭在整體大型結構中扮演著重要 的腳色，加上梁柱接頭在溫度變化下，其力學行為隨溫度變化極為複雜， 導致梁柱接頭成為鋼結構耐火性能研究分析的重點。 H 型梁-箱型柱的接合形式，是國內鋼結構建築裡重要的抗彎矩梁柱連 接方式，本文主要針對國內鋼構造建築常見 H 型梁-箱型柱接合之抗彎矩 接頭，依照國內現行鋼構規範設計之實際鋼構建築中的部分實尺寸梁柱構 件，移至大型複合爐中，施以固定載重，藉由複合爐之燃燒來模擬火害中 H 型梁-箱型柱接合之接頭受高溫而破壞的結構行為，並檢討現今規範下梁 柱接頭在高溫下的設計考量。本文同時建立結構數值分析模式，並藉由實 驗所得數據驗證分析結果，期能利用本文所建立之分析模式探討其他狀況 下的結構分析，以替代實驗所需的大量花費。. 2.
(22) 第一章 緒論. 第三節. 文獻回顧. 鋼結構雖然有自重輕、韌性佳與高耐震能力等諸多優異的性能，但是 卻有在高溫環境中材料強度迅速軟化的現象，以至於諸多火災事故中，發 生鋼梁掉落、樓板坍塌、鋼柱失去側撐而挫屈破壞等行為。 過去國內外對鋼結構在高溫環境中的研究，受限於實驗設備，泰半探 討梁或柱等單一的構件。Rubert 與 Schaumann [11]曾對簡支梁之不同細長 比的梁斷面以及不同載重率，並採用不同升溫速率進行一系列實驗，以了 解梁在高溫環境中的撓度。Iu 與 Chan [9] 與連寬宏[22]則針對 Rubert 與 Schaumann [11] 之 實 驗 的 簡 支 梁 ， 以 不 同 載 重 率 ， 參 考 ECCS [4] 與 Eurocode-3 [6]等規範建議之材料參數，進行分析與實驗的比較。Yin 與 Wang [15]針對構架上對梁的束制狀況，在梁端點採用不同的彈性軸向束制 與彈性彎矩束制，搭配不同梁跨、均佈與非均佈溫度分佈以及不同載重率， 進行梁的懸垂力與撓度之分析研究。唯單一構件無法代表結構體連續性與 端部束制的複雜行為，近年來陸續有學者注意複合構件之高溫行為研究。 Liu [10]等人針對門型構架，進行升溫與冷卻的實驗以了解梁的懸垂效應與 梁軸向束制對梁撓度的影響。Al-Jabri [2]等人研究高溫環境中鋼結構梁柱 接頭強度衰退的預測，他們亦進行內柱十字形梁柱結構的實驗[3]，探討半 剛性接頭之彎矩-轉角-溫度關係，並建立轉角與彎矩的數學關係式。 鋼材之高溫材料性質頗具地域性，國外之研究結果無法直接移植國內 應用，國內對鋼結構耐火性能研究亦有迫切需求。最近，國內內政部建築 研究所針對 H 型梁-H 型柱的梁柱接頭，分別以定溫加載與定載加溫，進 行裸鋼與防火被覆的高溫載重實驗[19]。林岳山華[20]與蔡宗翰[26]亦針對梁 柱接頭之高溫反應進行數值模擬分析。. 3.
(23) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 對於大尺寸構件實驗的升溫模式，雖然於技術上已經能達到爐溫的升 溫依預定升溫方式進行，然而經內政部建築研究所在 2005~2006 年針對 H 型梁-H 型柱的梁柱接頭所作的實驗[19]顯示，爐溫與構件表面溫度差異甚 大。Gardner 與 Ng [7]探討結構不鏽鋼暴露於高溫環境中溫度的發展，其結 果顯示熱對流與熱輻射頗影響溫度分佈的發展。Al-Jabri 等人[2, 3]發現梁 柱結構在高溫環境中各部位溫度有不同的發展，因此相對於爐溫給予各部 位不同的溫度折減係數。這些結果顯示熱傳分析除了考慮熱傳導外，亦不 能忽略熱對流與熱輻射所造成的結構各部位升溫曲線不同的狀況。. 4.
(24) 第一章 緒論. 第四節. 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則為中鋼材料實驗室測試 SN490B 耐 震級鋼及 SN490CFR 耐火級鋼所得之各溫度下的應力-應變關係的結果(圖 1.1 與圖 1.2)，其各升溫階段的強度折減關係與各溫度的彈性模數分別如圖 1.3 與圖 1.4 所示。 SN490B應力應變曲線圖 600. RT 100℃ 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃ 650℃ 700℃ 750℃ 800℃. Stress (MPa). 500 400. RT. 200 300 100. 300. 400. 200. 500. 600. 650. 100. 700. 800. 750. 0 0. 0.2. 0.4. 0.6 Strain (mm/mm). 0.8. 1. 1.2. 圖 1.1 SN490B 之應力應變曲線圖 SN490C-FR應力應變曲線圖 700 600. 300 100 200. 500 Stress (MPa). RT 100℃ 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 550℃ 600℃ 650℃ 700℃ 750℃ 800℃. 400. 500 550. 300. 600. 400 RT. 200. 650 700. 100. 750 800. 0 0. 0.2. 0.4. 0.6 Strain (mm/mm). 0.8. 1. 1.2. 圖 1.2 SN490C-FR 之應力應變曲線圖. 5.
(25) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. SN490C-FR與SN490B鋼材之極限強度(Fu)折減. 1.2. 1. 極限強度折減. 0.8. 0.6. 0.4. SN490C-FR(Fu). 0.2. SN490B-FR(Fu) 0 0. 100. 200. 300. 400 500 溫度(℃). 600. 700. 800. 900. 圖 1.3 SN490B 與 SN490C-FR 高溫下極限強度折減趨勢圖 SN490B&SN490C-FR彈性模數. E ( M P a ). 300000.00. SN490B SN490C-FR. 250000.00 200000.00. 彈 性 模 數. 150000.00 100000.00 50000.00 0.00 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900. 溫度. 圖 1.4 SN490B 與 SN490C-FR 在各溫度下的彈性模數. 6.
(26) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 第二章 實尺寸高溫結構實驗 第一節. 前言. 受限於實驗設備，以往的火害結構實驗大多測試個別構件，諸如單獨 的梁或柱，唯單獨構件的實驗結果無法完整地描述整體結構行為。 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， 依照國內現行鋼構規範設計之實際鋼構建築中的部分實尺寸梁柱構件，移 至內政部建築研究所防火實驗室之大型複合爐(圖 2.1)中，施以其在實際鋼 構建築中應受之固定載重，藉由複合爐之燃燒來模擬火害中 H 型梁-箱型 柱接合之接頭受高溫而破壞的結構行為，並檢討現今規範下梁柱接頭在高 溫下的各種設計考量。文中分別進行常溫/高溫試驗，高溫試驗程序依據 CNS12514(2002)「建築物構造部分耐火試驗法」[17]第 5.1 節加熱試驗及 第 5.3 節加載試驗規範進行，常溫試驗採用第 5.3 節加載試驗規範設計。常 溫與高溫試驗之箱型柱皆承受 500 噸的固定軸力，常溫試驗時梁之載重由 零加載逐漸增加至試體破壞；高溫試驗則採用定載加溫試驗，除柱承受 500 噸之固定軸力外，梁於離梁端 200mm 處承受 38 噸（約 0.6 Mp 對應之載重） 之固定載重，然後依 CNS 12514 (ISO 834)升溫曲線加溫。. 7.
(27) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. (a) 複合爐外觀. (b) 2000 噸軸力加載設備. (c) 100 噸梁加載設備 圖 2.1 大型複合爐. 8.
(28) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 第二節 試體規劃 本文試體尺寸取自國內某新建鋼構大樓設計實例。如圖 2.2 所示，本 文取梁、柱反曲點位置之尺寸規劃試體，分別採用兩種試體規格：(1)普 通抗彎矩接頭(試體 A、B)，(2)托梁式抗彎矩接頭(試體 C)。 文中試體之鋼柱採用中國鋼鐵公司所生產之 SN490B 鋼材焊接組合成 箱型柱 BOX-600×25t，長 4.35 公尺，其中 BOX 表示斷面為箱型，第一個 數字表示箱型斷面外圍的邊長，第二個數字代表箱型斷面邊的厚度，單 位為 mm。 如圖 2.3 所示，普通抗彎矩接頭(試體 A、B)之鋼梁為東和鋼鐵公司所 生產之 RH-488×300×11×18 的滾壓型鋼，長 1.9 公尺，其中 RH 代表滾壓 成型的 H 斷面，第一個數字代表梁深，第二個數字代表翼鈑寬，第三個 數字代表腹鈑厚，第四個數字代表翼鈑厚，單位為 mm；梁柱接頭部分則 將翼鈑、腹鈑與剪力片焊接在柱面上，但是剪力片與腹鈑為螺栓接合， 形成有抗彎能力的設計接頭；另外在箱型柱內側有兩片內隔鈑，梁腹有 兩片加勁鈑，其中內隔鈑尺寸為 PL18×500×550，梁腹加勁鈑尺寸為 PL12×130×452，其中 PL 表示為鋼鈑，第一個數字表示鈑厚，後面兩個 數字分別表示鈑的長與寬，單位為 mm；而內隔鈑在箱型柱內，則是配合 背墊鈑焊接在箱型柱內，加勁鈑在梁腹鈑則是以焊接方式將加勁鈑其中 三邊與梁腹鈑翼鈑連接，如圖 2.4 及圖 2.9 所示。試體各組件的材料性質 如圖 2.7 所示。 如圖 2.5 所示，托梁式抗彎矩接頭(試體 C)之鋼梁亦為東和鋼鐵公司所 生產之 RH-488×300×11×18 的滾壓型鋼，長 1.15 公尺。梁柱接頭部分則. 9.
(29) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 採用托梁接合的方式接合，托梁尺寸為 BH488×300×11×18，材質為中國 鋼鐵公司所生產之 SN490C-FR 耐火鋼材；由於國內現無耐火鋼材質之熱 軋型鋼，因此採用耐火鋼鈑組立 H 型鋼的方式組立托梁，再將組立完成 之托梁焊接在柱面上，接著再進行托梁與梁的接合。托梁與梁的接合方 式採用梁的上下翼鈑與托梁的上下翼鈑焊接的方式，腹鈑則以剪力片採 用螺栓與腹鈑作接合，形成有抗彎能力的設計接頭；與普通抗彎矩接頭 設計相同，箱型柱內側亦有兩片內隔鈑，梁腹有兩片加勁鈑，其中內隔 鈑尺寸為 PL18×500×550，梁腹加勁鈑尺寸為 PL12×130×452，而內隔鈑 在箱型柱內，則是配合背墊鈑焊接在箱型柱內，加勁鈑在梁腹鈑則是以 焊接方式將加勁鈑其中三邊與梁腹鈑翼鈑連接，如圖 2.6 所示。試體各組 件的材料性質如圖 2.8 所示。. 圖 2.2 梁柱接頭試體規劃示意圖. 10.
(30) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 圖 2.3 普通彎矩接頭試體設計圖. 圖 2.4 普通彎矩接頭試體細部設計圖. 11.
(31) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 圖 2.5 托梁式彎矩接頭試體設計圖. 圖 2.6 托梁式彎矩接頭試體細部設計圖. 12.
(32) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 圖 2.7 普通彎矩接頭試體材質圖. 圖 2.8 托梁式彎矩接頭試體材質圖. 13.
(33) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 圖 2.9 試體 A、B 製作完成照片. 14.
(34) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 第三節. 實驗規劃. 圖 2.10 所示為本文所規劃之試驗流程，試體在工廠組裝完成後運回實 驗室，然後在實驗室內焊接熱電偶、安裝位移計。位移計(圖 2.11)為德商 NOVOTECHNIK 公司所生產製造，共計 8 支，所使用之規格有 225 mm、 400 mm 及 900 mm 三種，分別使用於量測柱與梁之變位；位移計以陶瓷 棒延伸至爐內，其佈設之量測點如圖 2.12 所示，其中 DB1~4 用於量測鋼 梁變形，DC1~4 用於量測鋼柱變形。熱電偶共計 83 支，用於量測梁與柱 斷面之溫度變化，其佈設之量測點如圖 2.13 所示，其中柱佈設 45 支，分 5 個斷面；樑佈設 38 支，分 9 個斷面。 本文取梁、柱反曲點位置（圖 2.2）之尺寸規劃試體，因此柱為簡支承， 柱上端採用鉸支承，柱下端採用滾支承，柱軸力由柱下端往上施加（圖 2.14），梁則於離梁端 200mm 之加勁鈑上施加集中載重；且為防止梁產 生側向扭轉挫屈，亦於梁端兩側加安全側撐（圖 2.15）。而定載加溫實 驗之升溫曲線(圖 2.16)則採用 CNS 12514 (即 ISO834)標準升溫曲線， T=345×log(8t+1)+20. (2－1). 式中 T 為溫度(℃)，t 為時間(min)。 本文實驗所使用之資料擷取器(圖 2.17)為美商國家儀器公司所生產之 SCXI-1000 資料收集器，主要作為 8 支位移計的訊號收集之用。熱電偶、 位移計所量得之資料儲存於個人電腦(圖 2.18)，並作實驗監控。 文中規劃常溫與定載加溫二種實驗，常溫實驗旨在探討梁柱接頭的極 限破壞強度，而定載加溫實驗則旨在探討梁柱接頭的極限破壞溫度。常 溫實驗首先施加柱軸重 Pcolumn=500 噸，繼之施加梁載重 Pbeam 直至試體破. 15.
(35) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 壞。定載加溫實驗亦首先施加柱軸重 Pcolumn=500 噸，繼之於離梁端 200mm 處施加 38 噸（約 0.6 Mp 對應之載重）之固定載重，然後依 CNS 12514 (ISO 834)升溫曲線加溫直至試體破壞。. 試體在工廠完成組裝 運回防火實驗中心. 安裝位移計. 焊接熱電耦線. 試體吊裝. 實驗前測試. 吊裝加載桿及斜撐 正式實驗. 圖 2.10 試驗流程圖. 圖 2.11 位移計. 16.
(36) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 圖 2.12 位移量測點位佈設圖. （a）. 17.
(37) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. (b) 圖 2.13 高溫熱電偶量測分佈圖. 圖 2.14 實驗試體加載示意圖. 18.
(38) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 圖 2.15 實驗試體與耐火爐示意圖. Temperature(℃). ISO 834爐溫之標準升溫曲線 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0. ISO 834標準升溫曲線 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50. 55. 60. Time(Min). 圖 2.16 實驗升溫歷時圖. 19.
(39) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 圖 2.17 資料擷取器. (a). (b) 圖 2.18 電腦儲存監控系統. 20.
(40) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 第四節. 實驗結果與討論. 一、一般鋼於常溫下極限強度(試體 A)試驗 1.試驗進行中，當梁端加載達 65 噸時，梁柱接頭區開始發生「噠噠」 的聲音，推論此時梁柱接頭區已有部份撕裂；加載至 80 噸時，梁 端瞬間產生大量變形，表示接頭區已完全撕裂破壞。 2.本試驗採用梁加載過程中的柱與梁的變形量推求梁的變形及梁柱 接頭區之轉角：位移變形以梁上的位移計量測點(DB3 與 DB4 兩點 為代表)為主，作力與位移的關係圖，如下頁之圖 2.25 及 2.26 所示； 梁柱接頭區轉角則取架設在梁柱接合區的 DC2、DC3 位移計之讀 取資料及梁上位移計之讀取資料，配合結構力學之計算推求接頭 區轉角與力之關係圖，如圖 2.27。 3.從試體之現場破壞情形示意圖(圖 2.26、2.27 及圖 2.28)，由試體 A 的上翼板與柱接合處看出，梁的上翼板焊道與剪力片已因為撕裂 而脫落裂開，下翼板也產生挫屈現象，為剪力梁斷面脆性破壞模 式。 二、一般鋼於升溫下定載加溫(試體 B)試驗 1.一般鋼梁柱接頭於升溫試驗進行中，當接頭區溫度達到 345℃(梁端 溫度為 500℃)時，梁加載處產生偏移，導致因加載系統自我保護 作用下，使試驗被迫中止。 2.本試驗因側撐鋼架無法提供有效之側撐，使得梁產生側向扭轉挫屈 (L.B.T.)而致加載處產生偏移。 3.由試體現場破壞情形示意圖(圖 2.29 及圖 2.30)看出，試體 B 的梁下 翼板及腹板皆發生挫屈變形，顯示出在高溫下鋼的材質變弱、變軟。 三、部分耐火鋼(托梁)於升溫下定載加溫(試體 C)試驗. 21.
(41) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 1.部分耐火鋼梁柱接頭於升溫試驗進行中，當接頭區溫度達到 610℃ 時，加載處產生大量變形。 2.由試體現場破壞情形示意圖(圖 2.31 及圖 2.32)看出，梁下翼板距柱 面約 30 公分處，該點溫度為梁柱接頭區範圍內最高值，發生挫屈 現象，而梁腹板亦產生挫屈現象；托梁與梁接合處未發生破壞， 其接頭區梁柱接合處亦未發生破壞。 3.由試體 C 之實驗後全俯視圖(圖 2.33)來看，其托梁式焊接接頭並沒 有損壞，顯示出托梁式接頭比一般接頭較容易掌控，也較不會產 生非預期性破壞。. 除了上述利用位移計所量測之數據整理與比較外，另還考量必須量 測試體的表面溫度。從整支試體來看，為因應後續熱傳分析而區分成五 個區域，分為柱部分：上柱、接頭與下柱；梁部分：左梁與右梁。 從上述的位移計讀數，柱的變位很小，顯示本實驗的柱效應渺小； 相反地，梁效應卻是非常的顯著。因此在升溫實驗中溫度在梁柱上的佈 點，柱部分就取其代表性的位置：上柱-以 OC3A 斷面；接頭區-以 OC4A、 OC3B 與 OC4B 三個斷面，其中 OC4A、OC4B 皆為柱的內隔版位置；下 柱-以 OC3C 斷面；而梁部分為本實驗的重點，則佈設較多的斷面來量測 溫度值：左梁-B2A、B1a、B1b 與 B2B 四個斷面，其中 B2A 斷面為梁柱 接合面位置，B2B 斷面為斜撐架位置；右梁-B1c、B1d、B1e、B1f 與 B1g 五個斷面，其中 B1f 斷面為梁加載之加勁版位置。試體 B、C 就以上述之 斷面規劃，而各斷面的熱電偶線點位都依照「建築物構造部分耐火試驗 法」CNS 12514 規範來佈設。 以下就以試體所作的五個區域區分，對各斷面的溫度做探討，其中 試體 B 由於在中鋼銲接廠有部分熱電偶線受到破壞，因此在實驗前後， 在預定的升溫時間中，均再次檢查數據的準確性與可靠度(如表 3.1)：. 22.
(42) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 1.上柱：以 OC3A 斷面(圖 2.34 與 2.48)來看，試體 B 的最高溫為 560 ℃，試體 C 的最高溫為 650℃。 2.接頭：以 OC4A 斷面(圖 2.35 與 2.49)來看，試體 B 的最高溫為 400 ℃，試體 C 的最高溫為 610℃；OC3B 斷面(圖 2.36 與 2.50) 來看，試體 B 的最高溫為 200℃，試體 C 的最高溫為 600℃； OC4B 斷面(圖 2.37 與 2.51)來看，試體 B 的最高溫為 400℃， 試體 C 的最高溫為 610℃。 3.下柱：以 OC3C 斷面(圖 2.38 與 2.52)來看，試體 B 的最高溫為 480 ℃，試體 C 的最高溫為 650℃。 4.左梁：以 B2A 斷面(圖 2.39 與 2.53)來看，試體 B 的最高溫為 470 ℃，試體 C 的最高溫為 720℃；B1a 斷面(圖 2.40 與 2.54)來 看，試體 B 的最高溫為 560℃，試體 C 的最高溫為 710℃； B1b 斷面(圖 2.41 與 2.55)來看，試體 B 的最高溫為 600℃， 試體 C 的最高溫為 700℃；B2B 斷面(圖 2.42 與 2.56)來看， 試體 B 的最高溫為 590℃，試體 C 的最高溫為 660℃。 5.右梁：以 B1c 斷面(圖 2.43 與 2.57)來看，試體 B 的最高溫為 600℃， 試體 C 的最高溫為 650℃；B1d 斷面(圖 2.44 與 2.58)來看， 試體 B 的最高溫為 620℃，試體 C 的最高溫為 640℃； B1e 斷面(圖 2.45 與 2.59)來看，試體 B 的最高溫為 640℃，試體 C 的最高溫為 710℃；B1f 斷面(圖 2.46 與 2.60)來看，試體 B 的最高溫為 650℃，試體 C 的最高溫為 710℃； B1g 斷面 (圖 2.47 與 2.61)來看，試體 B 的最高溫為 700℃，試體 C 的 最高溫為 770℃。 以上試體各區域數據的最高溫，已超過「建築物構造部分耐火試驗 法」CNS 12514 規範的破壞溫度 500℃，表示本實驗確實已達到破壞狀況。. 23.
(43) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 檢核以上各斷面的最高溫度值，發現試體 B 的各斷面溫度起伏相差 較大，主要是由於實驗中使用遮焰管裝置，使得實驗場的熱對流不明顯， 再加上側撐無法有效提供支承，試體 B 的數據才會有較大的出入；而試 體 C 實驗因已改善試體 B 的側撐問題，試驗場內也不再使用遮焰管裝置， 故熱對流效應有明顯的變化，所得之數據較為接近實際狀況。為因應後 續的分析需要及簡化數據冗長，每個斷面的溫差都在 100℃左右，與規範 容許值相符，進而採取各區域的平均溫度為主，作為熱傳分析的重要依 據。 表 2.1 試體 B 各斷面點位受損情況圖 梁部分-受損狀況表. 24. 柱部分(外柱)-受損狀況表. B2A1 ×. B2A2 ○. B2A3 ○. B2A4 ○. B2A5 ○. B1a1 ○. B1a2 ○. B1a3 ○. B1a4 ○. OC4A01 OC4A02 OC4A03 OC4A04 ○ ○ ○ ○. B1b1 ○. B1b2 ○. B1b3 ○. B1b4 ○. OC3B01 OC3B02 OC3B03 OC3B04 ○ ○ × ×. B2B1 ○. B2B2 ○. B2B3 ○. B2B4 ○. B1c1 ×. B1c2 ×. B1c3 ○. B1c4 ○. B1d1 ○. B1d2 ○. B1d3 ×. B1d4 ○. * ○ 表示- 接收良好. B1e1 ○. B1e2 ×. B1e3 ○. B1e4 ○. ×. B1f1 ○. B1f2 ○. B1f3 ○. B1f4 ○. B1g1 ○. B1g2 ○. B1g3 ×. B1g4 ×. B2B5 ○. OC3A01 OC3A02 OC3A03 OC3A04 ○ ○ ○ ○. OC4B01 OC4B02 OC4B03 OC4B04 ○ ○ ○ ○ OC3C01 OC3C02 OC3C03 OC3C04 ○ ○ × ○. 表示- 接收不良.
(44) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 試體A-DB3數據(加載&位移) 90 80 70. 加載載重(ton). 60 50 40 30 20 試體A-DB3數據. 10 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 梁端位移(mm). 圖 2.19 試體 A 梁端位移(DB3)之實驗數據. 試體A-DB4數據(加載&位移) 90 80 70. 加載載重(ton). 60 50 40 30 20. 試體A-DB4數據. 10 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 梁端位移(mm). 圖 2.20 試體 A 梁端位移(DB4)之實驗數據. 25.
(45) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 試體A-接頭區數據(轉角&彎矩) 140. 120. 彎矩(t-m). 100. 80. 60. 40. 試體A-接頭區數據 20. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 轉角(Millirads). 圖 2.21 試體 A 梁柱接頭區轉角之實驗數據 試體B-DB4數據(溫度&梁端位移) 溫度(℃) 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. 0. 梁端位移(㎜). 50. 100. 150. 200. 試體B-數據. 250. 圖 2.22 試體 B 梁端位移(DB4)之實驗數據. 26. 500. 550.
(46) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 試體B-數據(溫度&轉角) 溫度(℃) 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. 500. 550. 0. 20. 轉角(Millirads). 40. 60. 80. 100 試體B-接頭區數據 120. 140. 圖 2.23 試體 B 梁柱轉角之實驗數據 試體C-DB4數據(溫度&梁端位移) 溫度(℃) 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. 500. 550. 600. 650. 0. 50. 位移(㎜). 100. 150. 200. 250 試體C-數據 300. 350. 圖 2.24 試體 C 梁端位移(DB4)之實驗數據. 27.
(47) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 試體C-數據(溫度-轉角) 溫度(℃) 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. 500. 0 5 10 15 20. 轉角(Millirads). 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70. 試體C-接頭區數據. 75 80. 圖 2.25 試體 C 梁柱轉角之實驗數據. 圖 2.26 試體 A 實驗後翼鈑左側破壞圖. 28. 550. 600. 650.
(48) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 圖 2.27 試體 A 實驗後翼鈑右側破壞圖. 圖 2.28 試體 A 實驗後試體翼鈑局部破壞俯視圖. 29.
(49) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 圖 2.29 試體 B 下翼鈑實驗變形圖 下翼鈑發生 L.T.B. 焊接與螺栓處並沒有發生破壞. 圖 2.30 試體 B 實驗後試體發生 L.T.B 側視圖. 30.
(50) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 下翼鈑發生 T.B. 圖 2.31 試體 C 實驗後右側下翼鈑變形圖 下翼鈑發生 T.B. 圖 2.32 試體 C 實驗後左側下翼鈑變形圖. 31.
(51) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 圖 2.33 試體 C 實驗後全俯視圖 OC3A斷面 600. OC3A01. 550. OC3A02. 500. OC3A03 OC3A04. 450. 溫度(℃). 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 時間(min). 圖 2.34 試體 B 上外柱 OC3A 斷面溫度歷時圖. 32. 25.
(52) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 圖 2.35 試體 B 上外柱 OC4A 斷面溫度歷時圖. 圖 2.36 試體 B 外接頭區 OC3B 斷面溫度歷時圖. 33.
(53) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 圖 2.37 試體 B 外接頭區 OC4B 斷面溫度歷時圖 接頭區-OC3C斷面 600. OC3C01 OC3C02 OC3C04. 500. 溫度(℃). 400. 300. 200. 100. 0 0. 5. 10. 15. 20. 時間(min). 圖 2.38 試體 B 下外柱 OC3C 斷面溫度歷時圖. 34. 25.
(54) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 左梁-B2A斷面 500 450. B2A2 B2A3 B2A4. 400. B2A5. 350. 溫度(℃). 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.39 試體 B 左梁 B2A 斷面溫度歷時圖. 左梁-B1a斷面 600. B1a1 B1a2 B1a3 B1a4. 500. 溫度(℃). 400. 300. 200. 100. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.40 試體 B 左梁 B1a 斷面溫度歷時圖. 35.
(55) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 左梁-B1b斷面 700. B1b1 B1b2 B1b3. 600. B1b4. 溫度(℃). 500. 400. 300. 200. 100. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.41 試體 B 左梁 B1b 斷面溫度歷時圖. 左梁-B2B斷面 700. B2B1 B2B2 B2B3. 600. B2B4 B2B5. 溫度(℃). 500. 400. 300. 200. 100. 0 0. 5. 10. 15. 20. 時間(min). 圖 2.42 試體 B 左梁 B2B 斷面溫度歷時圖. 36. 25.
(56) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 右梁-B1c斷面 700. B1c3 B1c4. 600. 溫度(℃). 500. 400. 300. 200. 100. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.43 試體 B 右梁 B1c 斷面溫度歷時圖 右梁-B1d斷面 700. B1d1 B1d2 B1d4. 600. 溫度(℃). 500. 400. 300. 200. 100. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.44 試體 B 右梁 B1d 斷面溫度歷時圖. 37.
(57) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 右梁-B1e斷面 700. B1e1 B1e3 B1e4. 600. 溫度(℃). 500. 400. 300. 200. 100. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.45 試體 B 右梁 B1e 斷面溫度歷時圖 右梁-B1f斷面 700. B1f1 B1f2 B1f3 B1f4. 600. 溫度(℃). 500. 400. 300. 200. 100. 0 0. 5. 10. 15. 20. 時間(min). 圖 2.46 試體 B 右梁 B1f 斷面溫度歷時圖. 38. 25.
(58) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 右梁-B1g斷面 800. B1g1 B1g2. 700 600. 溫度(℃). 500 400 300 200 100 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.47 試體 B 右梁 B1g 斷面溫度歷時圖. 上外柱-OC3A斷面 650 OC3A01 600. OC3A02. 550. OC3A03 OC3A04. 500 450. 溫度(℃). 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.48 試體 C 上外柱 OC3A 斷面溫度歷時圖. 39.
(59) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 接頭區-OC4A斷面 650 OC4A01 600. OC4A02. 550. OC4A03 OC3A04. 500 450. 溫度(℃). 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.49 試體 C 外接頭區 OC4A 斷面溫度歷時圖 接頭區-OC3B斷面 650 OC3B01 600. OC3B02. 550. OC3B03 OC3B04. 500 450. 溫度(℃). 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.50 試體 C 外接頭區 OC3B 斷面溫度歷時圖. 40.
(60) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 接頭區-OC4B斷面 650 OC4B01 600. OC4B02. 550. OC4B03 OC3B04. 500 450. 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.51 試體 C 外接頭區 OC4B 斷面溫度歷時圖 下外柱-OC3C斷面 650 OC3C01 600. OC3C02. 550. OC3C03 OC3C04. 500 450 400 溫度(℃). 溫度(℃). 400. 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.52 試體 C 下外柱 OC3C 斷面溫度歷時圖. 41.
(61) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 左梁-B2A斷面 750. B2A1. 700. B2A2. 650. B2A3. 600. B2A4. 550. B2A5. 500 溫度(℃). 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.53 試體 C 左梁 B2A 斷面溫度歷時圖 左梁-B1a斷面 750 B1a1. 700. B1a2. 650. B1a3. 600. B1a4. 550 500 溫度(℃). 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 時間(min). 圖 2.54 試體 C 左梁 B1a 斷面溫度歷時圖. 42. 25.
(62) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 左梁-B1b斷面 750 B1b1. 700. B1b2. 650. B1b3. 600. B1b4. 550 500 溫度(℃). 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.55 試體 C 左梁 B1b 斷面溫度歷時圖. 左梁-B2A斷面 700. B2B1. 650. B2A2. 600. B2A3. 550. B2A4 B2A5. 500. 溫度(℃). 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.56 試體 C 左梁 B2B 斷面溫度歷時圖. 43.
(63) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 右梁-B1c斷面 650. B1c1. 600. B1c2. 550. B1c3 B1c4. 500 450. 溫度(℃). 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.57 試體 C 右梁 B1c 斷面溫度歷時圖. 右梁-B1d斷面 650. B1d1. 600. B1d2. 550. B1d3 B1d4. 500 450. 溫度(℃). 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 時間(min). 圖 2.58 試體 C 右梁 B1d 斷面溫度歷時圖. 44. 25.
(64) 第二章 實尺寸高溫結構實驗. 右梁-B1e斷面 750. B1e1. 700. B1e2. 650. B1e3. 600. B1e4. 550 500. 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.59 試體 C 右梁 B1e 斷面溫度歷時圖 右梁-B1f斷面 750. B1f1. 700. B1f2. 650. B1f3. 600. B1f4. 550 500 450 溫度(). 溫度(℃). 450. 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.60 試體 C 右梁 B1f 斷面溫度歷時圖. 45.
(65) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 右梁-B1g斷面 800. B1g1. 750. B1g2. 700. B1g3. 650. B1g4. 600 550. 溫度(℃). 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 時間(min). 圖 2.61 試體 C 右梁 B1g 斷面溫度歷時圖. 46.
(66) 第三章. 數值分析與驗證. 第三章 數值分析與驗證 本文數值模擬利用鋼材 SN490B 實際材料試驗結果，並配合 Eurocode-3 [6]與 William 等[13]所建議之材料參數補足材料試驗未提供的數據進行結構 分析，同時參考 Eurocode-1 [5]、Eurocode-3 [6]、Gardner 與 Ng [7]所建議之 熱傳分析所需相關係數，並結合 Sarraj 等[12]的有限元素法應用於 ABAQUS 套裝軟體之文獻，其中提到接觸面的運用、力與面之間的相互作用以及螺栓 帽與孔間力跟束制方向的取捨，建立本文抗彎矩梁柱接頭在高溫環境中之行 為研究。. 第一節. ABAQUS 熱傳分析模式. 本文應用 ABAQUS 套裝軟體，針對鋼結構抗彎梁柱接頭在高溫環境 下之行為模擬分析，所用到的分析模式分別有熱傳分析、接觸分析，以 及結合熱傳、非線性結構分析之部分耦合分析。 3.1.1 熱傳分析 本文鋼結構抗彎梁柱接頭在高溫環境下，其受熱反應的數值模擬熱 傳分析根據熱力學第一定理，依熱能守恆定理，考慮物體本身溫度變化、 內部熱能傳遞、表面熱流的影響以及物體本身產生的熱能，該物體在一 定體積之熱平衡方程式如（3－1）式所示：. 47.
(67) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. ⎞ ⎛ ∂T T + {v } ∇ T ⎟ + ∇ T {q } = G ⎠ ⎝ ∂t. ρC ⎜. （3－1）. 式中 ρ=密度，C=比熱，T=溫度（T(x, y , z , t）)，t=時間，{v}= 熱能傳遞速度向量，{q}=熱流向量，G=單位體積之熱產生量，∇ = 向量之運算子。 （3－1）式為有限元素數值模擬模型熱傳分析的計算依據，依此分 析可求得在任何的時間點上，每個元素節點之溫度值，以提供非線性結 構分析時所需任何時間點中每個元素節點所對應的溫度值，進而決定相 對應的各溫度對應的材料性質藉以執行非線性結構分析。 3.1.2 接觸分析 抗彎梁柱接頭之接觸區域包含螺栓柄(shank)與螺栓孔間、螺栓頭 (head)與剪力片間、螺栓帽(nut)與梁腹板間以及剪力片與梁腹板間的表面 (圖 3.1)。螺栓柄(shank)、螺栓頭(head)，以及螺栓帽(nut)的接觸表面積為 主屬表面(螺栓是較硬的材料)，而其他的接觸面都是從屬表面。如表 3.1 所示，預拉力與摩擦係數 μ (採用 μ = 0.25 )隨著溫度變化而有所不同[16]。 3.1.3 非線性結構分析 非線性結構分析可求得結構在高溫環境中，受到外力作用而產生大 變形的狀況下，試體在任何時間點的力與位移、應力與應變等結構行為。 在進行非線性結構分析時，以有限元素法進行網格分割的過程，可 以得到非線性結構平衡方程式(式（3－2）)：. [K ]{u} = {F a }. （3－2）. 式中 [K ] =未知之自由度向量函數組成的勁度矩陣； {u}=未知之自由度向 量矩陣； {F a }=載重向量矩陣。ABAQUS 利用 Newton－Raphson 法求解 非線性結構方程式，其示意之疊代過程如圖 3.2 所示。. 48.
(68) 第三章 數值分析與驗證. 3.1.4 部分耦合分析 鋼結構梁柱接頭在火爐內從常溫到高溫加熱進行中，其鋼材因受高 溫加熱而產生結構變形行為，試體實際上所受的載重型態有結構載重與 熱載重，且這兩種載重型態是同時進行；其中結構載重包括試體自重與 外力載重，而熱載重的施加過程為鋼梁柱結構受熱時之溫度分佈歷時。 如圖 3.3 所示，本文採用熱傳分析未受非線性結構分析影響的部分耦 合分析（Part Couple Field Analysis） ，數值模擬分析時先做熱傳分析求得 試體受熱中每個元素節點之溫度歷時之結果，以提供非線性結構分析中 熱載重的施加模擬，最後得到試體在火爐內從常溫到高溫加熱進行中之 結構變形行為。. 表 3.1 火害中預力損失試驗結果與正規化 溫度(℃) 滑動載重(t) 滑動係數 滑動係數正規化 預力大小(t) 預力正規化 室溫. 200. 400. 600. 800. 15.6 15.9 14.7 15.1 12.5 12.7 2.2 2.1 1 1.1. 0.33. 1. 0.27. 0.82. 0.25. 0.76. 0.35. 1.06. 0.83. 2.52. 23.64 24.09 27.2 27.96 25 25.4 3.14 3 0.6 0.66. 1. 1.156. 1.056. 0.129. 0.026. 49.
(69) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. Shear plate. Contact. Nut Box column surface. Centre-node. 圖 3.1 各螺栓(bolt)的接觸行為. b. F b Internal face Fi+1 Internal face b. F a Internal face Fi+1 Internal face. Ua. Ub. Increment 1 Increment 2 圖 3.2 Newton-Raphson 法. 50. Beam web.
(70) 第三章 數值分析與驗證. Thermal. Analysis 分析結果導入. File of thermal analysis result Nonlinear Structural Analysis. File of nonlinear structural analysis is result. 圖 3.3 部分耦合分析. 第二節. ABAQUS 結構分析模式. 如圖 3.4 所示，本文首先建立試體之幾何尺寸、材料組成律、載重方 式、邊界條件以及其他必須的設定，完成前處裡各項動作後進行熱傳分 析，再重複前面步驟，同時將熱傳分析結果導入非線性結構分析中進行 部分耦合之非線性結構分析，最後將分析結果進行後處理。. 3.2.1. ABAQUS 材料參數輸入 本文參數輸入採用 SI (mm)單位系統，因此必須將輸入的參數換算成. 該單位系統，若輸出結果須用國內常用單位系統表示，則需再另行作單 位換算。 在 ABAQUS 中定義塑性資料時採用真實應力(True Stress)與真實應 變(True Strain)，然而材料實驗室輸出的資料通常是工程應力(Engineering. 51.
(71) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. stress)與工程應變(Engineering strain)，因此在 ABAQUS 的使用上，首須 將工程應力與工程應變轉換成真實應力與真實應變（式(3－3)與(3－4)）。 ε = ln(1 + ε nom ). (3－3). σ = σ nom (1 + ε nom ). (3－4). 式中 ε =真實應變， ε nom =工程應變， σ =真實應力， σ nom =工程應力. 另外 ABAQUS 在材料的塑性應變(Plastic Strain)部分以下式計算之。 在材料試驗中用來定義塑性行為的數據所提供之應變，並非是材料中的 塑性應變，而是材料中的總應變，因此必須將總應變分解為彈性和塑性 應變分量。 ε pl = ε t − ε el = ε t − σ / E. (3－5). 式中 ε pl =真實塑性應變(True Plastic strain)， ε t =真實總應變(Total True Strain)，ε el =真實彈性應變(True Elastic Strain)，σ =真實應力(True Stress)， E =彈性模數(Elastic Modulus) 。. 3.2.2 元素選擇 由於金屬塑性變形具有體積不可壓縮的性質，這限制了彈塑性模擬 分析時可使用的元素類型，因為體積不可壓縮限制元素積分點處的體積 保持常數，可是某些元素類型加入不可壓縮的約束，使得元素過度約束， 一旦元素不能消除這些約束時，就會造成體積自鎖(Volumetric Locking) 的現象，導致分析模型過於剛硬。本文選擇 C3D8 元素，如圖 3.5(a)所示， 此元素屬一階線性元素，其積分點只有元素中心ㄧ點，在每個方向都以 線性內插的方式處理。除了本實驗的試體外，其餘各種分析實際所用的 元素也都以此為基本型式。. 52.
(72) 第三章 數值分析與驗證. 1. 熱傳分析： (1)輸入梁柱表面溫度，進行熱傳分析到試體內部，本文分析採用 DC3D8 元素，此元素符號介紹如圖 3.5(b)。 (2)考慮爐溫與梁柱試體間熱對流及輻射間效應，則採用 DDC3D8 元 素，此元素除了可用於熱傳導，另外加入熱對流(Convection)與熱輻 射(radiation)兩種計算，此元素符號介紹如圖 3.5(c)。 2. 非線性結構分析： 通常認定元素節點越多的，模擬效果越佳，但是金屬材料具有體積 不可壓縮性，當分析模型材料具有不可壓縮性時，ABAQUS/Standar 中 的完全積分二次實體元素對體積自鎖(Volumetric Locking)非常敏感，因此 不能用於彈－塑性問題模擬，本研究分析抗彎矩梁柱接頭在高溫環境下 的行為，分析所採用的是 C3D8I 元素，如圖 3.5(d)，此元素可計算力學 行為，同時也可導入熱傳分析得到的溫度資料，進行各溫度下力學行為 分析，同時可避免體積自鎖現象。 在本次實驗計畫中，試體 A 為常溫試驗，在 ABAQUS 套裝分析程式， 並不考慮熱傳效應，但試體 B、C 為高溫試驗，則必須考慮熱傳分析，為 便於分析，簡化鋼材表面溫度，將採用計畫中的實驗平均表面溫度，其 溫度分佈圖區分如圖 3.6，則試體 B、C 之各部分的實驗平均溫度歷時圖 為圖 3.7~3.10(試體 B：圖 3.7~3.8；試體 C：圖 3.9~3.10)。. 53.
(73) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 表 3.2 ABAQUS 單位係統一覽表. 54. 量. SI. SI(mm). US Unit(ft). US Unit(inch). 長度. m. mm. ft. in. 力. N. N. lbf. lbf. 質量. kg. tonne(103kg). slug. lbf s2/in. 時間. s. s. s. s. 應力. Pa(N/m2). MPa(N/mm2). lbf/ft2. psi(lbf/in2). 能量. J. mJ(10-3J). ft lbf. in lbf. 密度. kg/m3. tonne/mm3. slug/ft3. lbf s2/in4.
(74) 第三章 數值分析與驗證. 繪製構架元件 Mesh 及決定分析元素 建立材料參數 並定義到各個元件上 進行熱傳分析 將各個構架元件組成 為結構體. 進行接觸及非線性結構分析. 決定分析步驟與分析模式 加入部分耦合分析 設定邊界條件及承載狀況. 結果輸出與整理. 圖 3.4 ABAQUS-分析流程圖. D C 3D 8 八個節點 三維元素 實體元素 熱傳導元素. Linear element 8-node brick，C3D8. (b). (a). D D C 3D 8 八個節點 三維元素 實體元素 熱傳導元素 熱對流、熱擴散. C 3D 8 I. (c). incompatibl 八個節點 三維元素 實體元素 (d). 圖 3.5 元素簡介. 55.
(75) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 上柱. A. 3 試體 A、B 接合方式. 試體 C 接合方式(托梁). A 4 接頭區 B 3 B 4. 下柱. 2 A. 1 a. 1 2 b B. 1 c. 1 d. 右梁. C 3. 圖 3.6 簡化分析之分區示意圖. 56. 1 e 左梁. 1 f. 1 g.
(76) 第三章 數值分析與驗證. 試體B-柱各部份溫度歷時圖 550 500 450 400. Temperatrue(℃). 350 300 250 200 150 上外柱. 100. 外接頭區. 50. 下外柱 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12 13 14 Time(min). 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 圖 3.7 試體 B-柱各部分溫度歷時圖. 試體B-梁各部分溫度歷時圖 500 450 400. Temperature(℃). 350 300 250 200 150 100 左梁部份. 50. 右梁部份 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12 13 Time(min). 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 圖 3.8 試體 B-梁各部分溫度歷時圖. 57.
(77) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究 試體C-柱部份溫度歷時 600 550 500 450. 溫度(℃). 400 350 300 250 200 150 100. 上外柱部份 接頭外部. 50. 下外柱部分. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 時間(min). 圖 3.9 試體 C-柱各部分溫度歷時圖 試體C-梁部份溫度歷時 700 650 600 550 500. 溫度(℃). 450 400 350 300 250 200 150 100 左梁部份. 50. 右梁部分. 0 0. 5. 10. 15. 20. 時間(min). 圖 3.10 試體 C-梁各部分溫度歷時圖. 58. 25. 30.
(78) 第三章 數值分析與驗證. 第三節. 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。. 59.
(79) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. (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. 60.
(80) 第三章 數值分析與驗證. 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. 61.
(81) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 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. 62.
(82) 第三章 數值分析與驗證. 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. 63.
(83) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 圖 3.18 試體 B 實驗後試體發生 L.T.B 正視圖 Te m pe ra ture [C] 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. 0 -5. Rota tion(Millira ds ). -10 -15 -20 -25 -30. Test Data ABAQUS-Model. -35 -40. 圖 3.19 試體 B 接頭區溫度-相對轉角比較圖. 64. 500. 550.
(84) 第三章 數值分析與驗證. Te m pe ra ture [c] 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. 500. 550. Be a m-e nd de fle ction(m m). -5 -15 -25 -35 -45 -55. Test Data ABAQUS-Model. -65 -75. 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. 65.
(85) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. Temperature(℃) 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. 500. 550. 600. 650. 0. Rotation(Millirads). 10. 20. 30. 40. TESTING DATA ABAQUS ANALYSIS. 50. 60. 圖 3.22 試體 C 接頭區溫度-相對轉角比較圖. Temperature(℃) 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. 500. 550. 0 10. Beam-end deflection(㎜). 20 30 40 50 60 70 80. TESTING DATA ABAQUS ANALYSIS. 90 100. 圖 3.23 試體 C 溫度-梁端位移(DB4)比較圖. 66. 600. 650.
(86) 第四章 結論與建議. 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。. 67.
(87) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 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。. 68.
(88) 附錄一. 內 政 部 建 築 研 究 所 96 年度協同研究計畫 「鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究」 期初審查會議記錄 一、時. 間：96 年 3 月 29 日（星期四）下午 2 時 30 分. 二、地. 點：本所會議室（台北縣新店市北新路三段 200 號 13 樓） 審查意見. 研究團隊回覆. 蘇教授銘宏： 1、在 2001 年美國 911 恐怖攻擊事件中， 1、遵照審查意見辦理。 總計造成 2,749 人的死亡，其中包含 2、重要影響參數為鋼材 421 位第一線的警消搶救人員，由此可. 之楊氏模數、降伏強. 知，鋼結構火害行為之研究，不僅對. 度及極限強度在高溫. 於建築結構設計甚為重要，對於維護. 下之變化行為。本計. 搶救人員生命安全，亦影響甚鉅；因. 劃所採用鋼材均為. 此，本計畫題目立意甚佳，且後續研. SN490B 之鋼材，未. 究值得延續。. 考慮其他材質之鋼. 2、計畫書內所提到的鋼結構火害行為之. 材。. 重要影響參數為何？是否有將不同型 3、現有商用套裝軟體， 式的鋼材，如 A36、A572 等，或是不. 須經過實驗數據驗. 同成份的鋼材如碳當量等因素納入. 證，才能擴充其功. 呢？. 能。. 3、本計畫以套裝軟體（ABAQUS） ，作為 4、本計畫試驗數量有 鋼結構火害行為的數值模擬工具，而. 限，目前升溫曲線採. 該程式所考慮的模擬參數，對於結構. 用「建築物構造部分. 火害行為之模擬而言是否足夠？恐須. 耐火試驗法」CNS. 請研究團隊事先釐清為宜。. 12514（即 ISO 834）。. 69.
(89) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 4、本計畫擬以 ISO 834 作為其升溫曲線， 不知研究團隊是否有考量，若以其他 升溫曲線，如 ASTM E119 等，本計畫 研究成果是否仍具有相同的應用價值 呢？應該如何適度修正呢？. 陳教授生金： 1、建議簡化梁柱接頭設計為單一接頭。 1、遵照審查意見辦理。. 吳教授傳威： 1、本研究之重點在於接頭之火害行為， 1、本研究梁柱接頭型式 因此對於接頭之型式宜加以確定，以. 選用國內常用型態進. 利接頭完整行為之探討。. 行實驗。. 2、接頭行為較構件行為複雜，對於梁柱 2、遵照審查意見辦理。 構件火害行為之文獻，宜請再多加搜 3、高溫爐溫度與實驗試 集。 3、高溫爐溫度與實驗試體實際溫度之差 異請考慮。. 體實際溫度之差異分 析，目前是努力的目 標。. 4、本研究之實驗規劃宜包含原型試體行 4、本計畫今年預計進行 為之實驗部分，以利比較。 5、實際結構會包含防火被覆，請酌予說 明差異表現。. 2 個實驗，分別為常 溫及高溫梁柱接頭實 驗。 5、本研究不採用防火被 覆係因防火被覆材料 若局部脫落即由該處 產生破壞，造成實驗. 70.
(90) 附錄一. 分析困難，故本案將 先了解梁柱接頭受高 溫之結構行為變化及 臨界破壞溫度為主。. 中華民國建築師公會全國聯合會代表 陳鵬欽： 1、鋼結構之耐火行為值得深入探究，但 一般鋼結構建築大半之梁柱均有防火 1、本計劃目標乃在於先 被護材料覆蓋，鋼梁與鋼柱接頭亦然. 行建立裸鋼結構在高. 如此，而防火被護材料之厚度影響防. 溫下之行為，對於有. 火時效為 3 小時、2 小時或 1 小時。 （建. 被覆之鋼結構行為尚. 築技術規則第 71、72、73 條）. 待後續計劃執行之。. 2、建築技術規則明定防火構造之建築 2、比照 1，遵照審查意 物，其主要構造之梁柱等須具有一定. 見辦理。. 時間之防火時效。 （建築技術規則第 70 3、本研究不採用防火被 條）. 覆係因防火被覆材料. 3、依實際情況，是否可考慮鋼梁與鋼柱. 若局部脫落即由該處. 接頭，在有防火被護材料之情況下去. 產生破壞，造成實驗. 實驗，研究其火害行為較有實質意義. 分析困難，故本案將. 並符合實際情況（雖然可能因而更複. 先了解梁柱接頭受高. 雜） 。. 溫之結構行為變化及 臨界破壞溫度為主。. 71.
(91) 鋼結構 H 型梁-箱型柱接頭之火害行為研究. 中華民國結構技師公會全國聯合會代表 曾清詮： 1、建築結構之安全性評估，除靜重、活 1、遵照審查意見辦理。 載重、耐震及耐風外，耐火也是重要 考量因素之一。本研究案擬用國內高 層鋼結構常用之 H 型梁－箱型柱接頭 之部分實尺寸構件，在大型複合爐中 進行火害實驗，探討其在火害高溫環 境下之結構行為，並擬開發分析程式 加以驗證，其成果對結構設計者應具 有助益，建議優先推動，並能將研究 成果儘速公開發佈，讓工程界分享。. 中鋼結構公司工程設計處蔡武松： 1、建議鋼材之採用，考慮將來會大量採 1、本計畫限於經費，實 用者，如柱為 SN490C，梁為 SN490B. 驗之普通鋼材選用國. 或 SM570M 系列等規格，當然也可先. 內常用之 SN490C，. 做各種鋼板於火害下的反應，以做為. 耐火鋼現階段暫不考. 比對。. 慮，延至以後年度辦. 2、焊道部分於火害高溫下之狀況是否和. 理。. 鋼板的反應相同？火害對不同等級的 2、本計劃重點在梁柱接 焊材，其反應是否差異很大？ 3、請考慮不同的接頭型式，是否於反應 上會有很大的差異性。. 頭在高溫下之行為， 對於銲道部份係按照 規範要求施作並未特 別強調其在高溫下之 行為。 3、本研究梁柱接頭型式. 72.
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