標準火害下箱型鋼柱之穩定性數值分析研究

標準火害下箱型鋼柱之穩定性數值分析研究

內政部建築研究所自行研究報告

中華民國 108 年 12 月

108-301070000G0060

標準火害下箱型鋼柱之穩定性數值分析研究

研 究 主 持 人 ： 陳柏端 研 究 期 程 ： 中華民國 108 年 3 月至 108 年 12 月 研 究 經 費 ：

內政部建築研究所自行研究報告

中華民國 108 年 12 月 （本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

目次 I

目次

目次 ... I

表次 ... III

圖次 ... V

摘要 ... VII

第一章 緒論 ... 1

第一節 研究緣起與背景 ... 1

第二節 文獻回顧 ... 1

第三節 研究目的及方法 ... 3

第四節 研究流程 ... 3

第二章 定溫下的熱傳係數 ... 5

第一節 實驗設定溫度 ... 5

第二節 以數值分析推算綜合熱傳係數 ... 6

第三章 數值分析... 13

第一節 鋼材之高溫力學性質... 13

第二節 鋼材之熱性質 ... 14

第三節 數值分析 ... 16

第四節 數值分析結果與討論... 17

第一節 結論 ... 21

第二節 建議事項 ... 22

附錄一 研究業務協調會議紀錄 ... 23

附錄二 期中審查會議紀錄 ... 29

附錄三 期末審查會議紀錄 ... 37

參考書目 ... 47

表次 III

表次

表 2 - 1 試體斷面尺寸 ... 6

表 3 - 1 溫度變化下鋼材降伏強度及彈性模數折減係數 ... 13

表 3 - 2 實驗結果與 Eurocode 3 折減係數比較 ... 20

圖次 V

圖次

圖 1 - 1 研究流程圖 ... 4

圖 2 - 1 自訂升溫曲線 ... 5

圖 2 - 2 熱偶計測點分布圖 ... 7

圖 2 - 3 數值分析元素分割圖 ... 8

圖 2 - 4 數值分析溫度分布圖 ... 9

圖 2 - 5 試體 B3 數值分析結果與自訂升溫曲線、爐溫及實驗結

果比較 ... 10

圖 2 - 6 試體 B4 數值分析結果與自訂升溫曲線、爐溫及實驗結

果比較 ... 10

圖 2 - 7 試體 B5 數值分析結果與自訂升溫曲線、爐溫及實驗結

果比較 ... 11

圖 2 - 8 試體 B6 數值分析結果與自訂升溫曲線、爐溫及實驗結

果比較 ... 11

圖 3 - 1 受溫度影響之鋼材熱傳導係數 ... 14

圖 3 - 2 受溫度影響之鋼材比熱 ... 15

圖 3 - 3 受溫度影響之鋼材熱伸長量 ... 16

圖 3 - 4 模型邊界條件及載重示意圖 ... 17

圖 3 - 6 試體 B4 實驗與數值分析結果比較 ... 18

圖 3 - 7 試體 B5 實驗與數值分析結果比較 ... 19

摘要 VII

摘要

關鍵詞：箱型鋼柱、綜合熱傳係數、數值分析 一、研究緣起 進行結構火害試驗所需經費高，每次計畫中所規劃的試體數量往往只夠做 對照比較，而不足以做參數分析，加上目前本所防火實驗中心人力短缺，難以 進行長時間之大型結構火害實驗。若能利用數值分析方法輔助結構火害實驗的 數量不足，提供試驗中因儀器受限而無法量測之數據，並用於後續之參數研究， 是重要且可行的方式。 為了建立一套配合本所防火實驗中心梁柱實驗爐設備特性的數值分析模 式，節省大型實驗經費與人力，本所於 2018 年開始進行數值分析研究以與實驗 相互結合運用，首要目標是能獲得結構的正確溫度場，由歸納過去實驗資料， 找出本所實驗爐經由輻射及對流將熱能傳至試體表面之熱傳特性，以供實驗研 究團隊應用。 本研究配合本年度委託研究計畫「高強度鋼構造柱於高溫下受壓強度之研 究」實驗，以數值方法分析鋼柱於高溫下之受壓強度與行為。本次研究除了以 數值分析預測高溫爐定溫下試體表面溫度，並探討鋼柱於高溫下受軸壓之穩定 行為及破壞模式。 二、研究方法及過程 本研究應用數值方法配合本年度委託研究實驗，修正鋼構件之綜合熱傳係 數，並進行鋼柱穩定性分析，研究方法包括資料蒐集與整理、理論分析、試驗 結果整理與數值分析。研究方法與步驟如下： 1. 文獻資料之收集與整理。 2. 以數值方法推算試體表面溫度。 3. 以鋼柱之定溫加載試驗修正綜合熱傳係數。 4. 以數值方法進行鋼柱穩定性分析。

應用適當的綜合熱傳係數，有助於結構火害之數值分析，而且可以得到良 好試體表面溫度結果，結論如下： 1. 在使用上較為簡便，透過數值方法得到試體表面溫度，有利於實驗前 先作分析，評估實驗結果，做為修正實驗規劃用。 2. 在數值軟體選擇上較為自由，只要具有熱傳分析的軟體，皆可得到試 體表面溫度。 3. 在結構火害數值分析上較為方便，不需使用熱傳及應力計算兩種程 式，只要選擇具有熱傳及應力分析模組之數值軟體即可，也省去兩種 程式間之資料轉換程序。 4. 根據 4 次實驗，雖有 2 種定溫 600℃及 700℃之升溫線，但其綜合熱傳 係數差別不大，是否可取平均後直接運用，還有待進一步研究。另外， 700℃兩次實驗，火源配置有改變，是否是造成熱傳係數之差異，亦須 再多加測試，才能得到較為確定之結果。 在數值非線性應力分析結果方面，由實驗結果反推之鋼材料降伏強度與彈 性模數折減係數比 Eurocode 3 小，顯示高強度鋼材料於高溫之衰減幅度大於一 般鋼材，於設計時須更為謹慎。 由於 Eurocode 3 在鋼材料於高溫下只提供材降伏強度與彈性模數之折減係 數，而無材料於高溫時之應力應變曲線，因此，使用數值方法做分析時，只能 用雙線塑性模型模擬，故對於鋼構件達到降伏以後之結構行為，無法進一步得 到較為準確的結果。 四、主要建議事項 建立高強度鋼材料之高溫之折減係數及應力應變關係資料庫：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所

第一章 緒論 1

第一章 緒論

第一節 研究緣起與背景

進行結構火害試驗所需經費高，每次計畫中所規劃的試體數量往往只夠做 對照比較，而不足以做參數分析，加上目前本所防火實驗中心人力短缺，難以 進行長時間之大型結構火害實驗。若能利用數值分析方法輔助結構火害實驗的 數量不足，提供試驗中因儀器受限而無法量測之數據，並用於後續之參數研究， 是重要且可行的方式。 為了建立一套配合本所防火實驗中心梁柱實驗爐設備特性的數值分析模 式，節省大型實驗經費與人力，本所於 2018 年開始進行數值分析研究以與實驗 相互結合運用，首要目標是能獲得結構的正確溫度場，由歸納過去實驗資料， 找出本所實驗爐經由輻射及對流將熱能傳至試體表面之熱傳特性，以供實驗研 究團隊應用。 本研究配合本年度委託研究計畫「高強度鋼構造柱於高溫下受壓強度之研 究」實驗，以數值方法分析鋼柱於高溫下之受壓強度與行為。本次研究除了以 數值分析預測高溫爐定溫下試體表面溫度，並探討鋼柱於高溫下受軸壓之穩定 行為及破壞模式。

第二節 文獻回顧

以數值方法分析鋼結構火害問題可分二大步驟，為鋼結構內部溫度分析與 結構力學分析。在計算鋼結構內部溫度場時，首先必須分析爐內依升溫曲線造 成之熱量如何透過熱對流和熱輻射兩種方式傳遞到結構表面，一般能夠計算熱 傳的數值分析程式如 ANSYS、ABAQUS、FDS 等，皆可分別輸入對流及輻射 熱傳係數，同時進行運算求得結構表面溫度。尤其是 FDS 程式是由 NIST 發展 用於做火場模擬，它可考量火源位置、數量、熱釋放率、通風等，再計算熱量 傳遞求得試體表面溫度。因為簡單及免費，使用者廣。 不過 FDS 雖然能分析溫度場，對於火場溫度變化後，如何同步造成結構變 形行為，則無法分析，必須搭配其他有限元素軟體，如 ANSYS 及 ABAQUS 等， 才能繼續做結構應力分析。另外，對於兩種不同軟體間資料傳遞及格式轉換，

Jowsey 等人(2004)探討高樓層結構火害時，對於火災-熱傳-結構之數值分 析建議以 FDS 程式先做火源及熱量傳遞，再用有限元素軟體如 ABAQUS 做結 構分析。 林誠興(2005)以數值分析探討混凝土梁火害，先以 FDS 程式模擬單一區間 內部量受火害時之表面溫度，再以熱傳導理論，利用有限差分法，模擬鋼筋混 凝土複合矩形梁內部溫度場，探討不同火源位置與熱釋放率大小對梁熱傳遞與 結構強度之影響。以 FDS 程式分析雖然可以得到梁表面溫度，不過因無實驗數 據加以印證，無法知道數值分析結果是否精確。 以此種方式計算溫度較為全面，各種因素都考慮，但是較為複雜，所需考 量係數多，如對流熱傳係數，輻射放射率，輻射熱傳係數，火源熱釋放率，及 排氣孔排氣速率等，尤其輻射熱傳是高度非線性，係數比重不同難以調整，雖 然有實驗資料比較，但是因為係數過多，加上側向支撐、加勁板及梁柱接頭附 近不易估算遮蔽效應，因此無法反算找出規律。 一種較為簡化的方法是將爐內溫度場直接用升溫曲線之溫度，熱傳方式則 結合輻射與對流兩者，簡化成為對流輻射綜合熱傳方程式，即只需一個熱傳係 數，再用實驗數據推算求得此係數即可。此係數代表此實驗爐之特性，因此可 供實驗研究團隊於實驗前進行分析評估。張智梅(2008)採用此法，並以火場溫 度分區間得到一組綜合熱交換係數，經分析獲得混凝土有效溫度場，並以 MATLAB 語言為開發平台，編寫鋼筋混凝土結構溫度場的非線性有限元素分析 程式 TFARC，進行各種受火條件下的穩態、線性暫態以及非線性暫態溫度場分 析。 綜合熱傳係數可直接應用於各種具有熱傳分析模組的數值分析程式中，如 ANSYS 及 ABAQUS 等，不一定還要再自行開發新的程式，而且熱傳分析完後 可直接做結構應力分析，不需要用兩套不同的程式，也省去兩種不同程式間資 料格式轉換。不過因為影響綜合熱傳係數很多，包括熱流體的物性，流動狀態， 結構的材料性質及表面幾何形狀複雜程度等，獲得的溫度資料會有差異，需視 不同實驗情況提供適合使用之綜合熱交換係數。

第一章 緒論 3 在結構穩定性上，結實斷面之短柱，於高溫下可避免局部挫屈，且有良好的延 展性。 楊國珍(2011)以實驗方式探討銲接箱型鋼柱高溫下受軸力之破壞模式，除 了探討全滲透銲及部分滲透銲之破壞行為，並分析不同寬厚比對於鋼柱局部挫 屈之行為，發現相同載重比下，寬厚比越大，防火時效越短，試體之應變速率 亦隨著載重比及寬厚比之增加而增大，當應變速率大於 1×10-4 (1/min)時，試體 會因變形量過大而破壞。 在載重比影響方面，實驗溫度為 500℃，發現箱型鋼柱除能承受常溫極限 強度之 40%外，尚能抵抗因熱效應所產生之額外載重，其所能承受的火害延時 也可達 4 小時以上。建議除設計載重不宜高於常溫標稱強度之 50%，也應採用 適當之防火措施，以確保鋼柱於火害下溫度不會超過 500℃。

第三節 研究目的及方法

本研究應用數值方法配合本年度委託研究實驗，修正鋼構件之熱傳係數， 並進行鋼柱穩定性分析，研究方法包括資料蒐集與整理、理論分析、試驗結果 整理與數值分析。研究方法與步驟如下： 1. 文獻資料之收集與整理。 2. 以數值方法推算試體表面溫度。 3. 以鋼柱之定溫加載試驗修正綜合熱傳係數。 4. 以數值方法進行鋼柱穩定性分析。

第四節 研究流程

本計畫之研究項目包括資料與文獻收集、數值分析與實驗資料整理、報告 撰寫，流程圖如圖 1 - 1 所示。

圖 1 - 1 研究流程圖 （資料來源：本研究整理） 研究計畫完成 撰寫研究報告書 鋼柱穩定性數值分析 修正熱傳係數 實驗數據整理分析 鋼柱定溫加載實驗 熱傳理論分析 國內外相關資料及文獻收集 研究計畫開始

第二章 定溫下的熱傳係數 5

第二章 定溫下的熱傳係數

本年度委託研究計畫規劃 4 支鋼柱試體定溫加載實驗，本所防火實驗爐設 定於 30 分鐘達到設定溫度後持溫，待試體溫度上升達到設定溫度後，再開始進 行加載。本研究應用 2018 年之對流熱傳係數概念，以數值方法模擬試體表面溫 度，不過 2018 年的係數是由標準升溫曲線得來，用於本研究定溫之溫度值會過 高，因此必須加以修正。

第一節 實驗設定溫度

本研究定溫之溫度為 600℃與 700℃兩種，本所防火實驗室實驗爐內之溫度 變化依照自訂升溫曲線進行控制，於 30 分鐘加熱至設定溫度。因考量試體表面 溫度上升時間過慢，因此將自定溫度提高 30℃後持溫，約 90 分鐘後再降回設 定溫度，自訂升溫曲線如圖 2 - 1 所示。 圖 2 - 1 自訂升溫曲線 （資料來源：本研究整理）

第二節 以數值分析推算綜合熱傳係數

分析鋼柱試體在耐火爐內的溫度場時，因受火條件單純，爐溫可取平均值， 實驗佈置在構件表面的熱電偶直接測得表面的溫度也取平均值，進行溫度場分 析求得綜合熱傳係數。 實驗所用 4 支箱型鋼柱斷面尺寸如表 2 - 1 所示，斷面寬度有 300mm、 400mm、500mm、600mm 四種，厚度有 25mm 及 28mm 兩種，可探討不同寬 厚比於高溫軸壓力下之局部穩定，另外，不同細長比可探討鋼柱於高溫軸壓下 之結構整體之穩定。 實驗溫度設定有 600℃及 700℃兩種，試體長度為 3830 mm，受熱段為 3500 mm，熱電偶測點位置分布如圖 2 - 2 所示。 表 2 - 1 試體斷面尺寸 編號 試體尺寸 (mm) 細長比 溫度(℃) B3 300 × 300 × 25 × 3830 44.1 600 B4 400 × 400 × 25 × 3830 32.4 700 B5 500 × 500 × 28 × 3830 25.8 600 B6 600 × 600 × 28 × 3830 21.3 700 (資料來源：2019 委託研究「高強度鋼構造柱於高溫下受壓強度之研究」)

第二章 定溫下的熱傳係數 7 圖 2 - 2 熱偶計測點分布圖 (資料來源：2019 委託研究「高強度鋼構造柱於高溫下受壓強度之研究」) 數值分析用 ABAQUS 程式，只做熱傳處理，不做應力分析，材料熱性質 方面，熱傳導係數及比熱採用 Eurocode 3 規定，分析元素用殼元素 DS4，於鋼 柱試體上下端裝設隔熱之防火棉部分元素分割較大，中央受熱段採取較細之分 割，元素分割如圖 2 - 3，分析結果溫度分布如圖 2 - 4 所示。

圖 2 - 3 數值分析元素分割圖 (資料來源：本研究整理)

第二章 定溫下的熱傳係數 9 圖 2 - 4 數值分析溫度分布圖 (資料來源：本研究整理) 應用綜合熱傳係數求取試體 B3-B6 表面溫度，結果如圖 2 - 5 至圖 2 - 8 所 示，包括自訂升溫曲線與實際實驗爐溫，及由數值分析之試體表面溫度(虛線部 分)與實驗結果(實線部分)溫度比較，以 4 次完成之實驗結果來看，利用數值分 析結果可得到良好之近似曲線。

圖 2 - 5 試體 B3 數值分析結果與自訂升溫曲線、爐溫及實驗結果比較 (資料來源：本研究整理)

第二章 定溫下的熱傳係數 11 圖 2 - 7 試體 B5 數值分析結果與自訂升溫曲線、爐溫及實驗結果比較 (資料來源：本研究整理) 圖 2 - 8 試體 B6 數值分析結果與自訂升溫曲線、爐溫及實驗結果比較 (資料來源：本研究整理)

第三章 數值分析 13

第三章 數值分析

以數值方法應用第二章之綜合熱傳係數推求試體表面溫度，可得到良好的 近似結果，再以熱傳結果代入數值分析中，模擬鋼柱受火害之力學行為，並將 分析結果與實驗結果互相比較，以驗證分析模型之可信度。 數值分析之材料參數設定將影響分析結果，材料參數包括力學性質及熱性 質，所用數值將參考文獻及 Eurocode 3 (2005)規定。

第一節 鋼材之高溫力學性質

鋼材之高溫力學性質包括降伏強度及彈性模數，參考 Kwon(2013)及 Eurocode 3 資料，其因溫度變化之折減係數如表 3 - 1 所示。由表可之，Kwon 與 Eurocode 3 二者之折減係數無論是在降伏強度及彈性模數皆稍有不同，Kwon 之彈性係數稍高，而降伏強度較低，為求與其他熱性質一致性，本研究採用 Eurocode 3 之折減係數。 表 3 - 1 溫度變化下鋼材降伏強度及彈性模數折減係數 Kwon (2013) EC3 θa(℃) fy,θ/f_y E_a,θ/E_a f_y,θ/f_y E_a,θ/E_a 20 1.00 1.00 1.00 1.00 100 0.95 0.98 1.00 1.00 200 0.88 1.00 1.00 0.90 300 0.88 0.90 1.00 0.80 400 0.82 0.82 1.00 0.70 500 0.70 0.71 0.78 0.60 600 0.49 0.48 0.47 0.31 700 0.18 0.13 0.23 0.13 800 0.13 0.05 0.11 0.09 900 0.05 0.04 0.06 0.0675 其中θa為溫度，fy,θ為有效降伏強度，E_a,θ為彈性模數 (資料來源：本研究整理) 本研究探討高強度鋼材料，實驗鋼柱試體拉力試片厚度 25 mm 鋼板經拉伸 試驗所得之降伏強度為 5.04 tf/cm2_{，彈性模數為 2167.9 tf/cm}2_{；厚度 28 mm 鋼}

第二節 鋼材之熱性質

鋼材料之熱性質包括熱傳導係數、比熱及熱膨脹係數，皆參考 Eurocode 3 (2005)規範之規定。 1.熱傳導為物質傳導熱能之性質，隨材料溫度變化，熱傳導係數也不同， 由 Eurocode 3 (2005)規定之簡易計算鋼材熱傳導係數為 45 W/mK，各溫度階段 之熱傳導係數可由公式(3-1)與(3-2)計算，結果如圖 3 - 1 所示。 λa = 54 - 3.33 × 10-2θa for 20℃≦θa≦800℃ (3-1) λa = 27.3 for 800℃≦θa≦1200℃ (3-2)

第三章 數值分析 15 Ca = 425 + 7.73 × 10-2θa -1.69 × 10-3θa2 + 2.22 × 10-6θa3 for 20℃≦θa≦600℃ (3-3) Ca = 666 - 13002/(θa - 738) for 600℃≦θa≦735℃ (3-4) Ca = 545 + 17820/(θa - 731) for 735℃≦θa≦900℃ (3-5) Ca = 650 for 900℃≦θa≦1200℃ (3-6) 圖 3 - 2 受溫度影響之鋼材比熱 (資料來源：本研究整理) 3.熱膨脹係數為單位溫度變化所導致的體積變化，Eurocode 3 (2005)規定之 鋼材熱伸長率為溫度變化時，其長度的變化量與鋼材於 20℃溫度下長度之比 值。熱膨脹係數可由熱伸長率求得，計算方式如公式(3-7)至(3-10)所示，熱伸長 率與溫度的關係如圖 3 - 3 所示。 Δl/l = -2.416×10-4 +1.2×10-5θa+0.4×10-8θa2 for 20℃≦θa≦750℃ (3-7) Δl/l = 11×10-3 for 750℃≦θa≦860℃ (3-8) Δl/l = -6.2×10-3 +2×10-5θa for 860℃≦θa≦1200℃ (3-9) αa =Δl/ (l×Δθa) (3-10)

圖 3 - 3 受溫度影響之鋼材熱伸長量 (資料來源：本研究整理)

第三節 數值分析

數值方法採用的軟體為 ABAQUS，假設加溫爐內溫度均勻分布，鋼材料為 理想塑性，因此使用雙線塑性模型模擬應力應變關係。 實驗之邊界條件為柱上端為鉸支承，下端為固定支承但可上下移動，如圖 3-4 所示。試體同時承受載重與溫度兩項外力，試體表面溫度資料採用前章結 果，載重由下方施加，如圖 3-4 所示。 數值分析採用接續性耦合熱應力分析，即先做熱傳分析取得各節點之溫度

第三章 數值分析 17 圖 3 - 4 模型邊界條件及載重示意圖 (資料來源：本研究整理)

第四節 數值分析結果與討論

試體 B3-B6 之實驗與數值分析結果如圖 3-5 至圖 3-8 所示，圖中實線為實 驗值，虛線為數值分析結果。由圖可知，數值分析結果為雙線式，符合鋼材料 理想塑性之假設，而數值結果都大於實驗結果，其原因是鋼材料降伏強度及彈 性模數於高溫之折減係數皆採用表 3-1 中 Eurocode 3 值，表示 Eurocode 3 於 600 ℃及 700℃之折減係數過大之結果。 若由實驗數據值反推降伏強度及彈性模數，找出實驗之實際值，並推算折 減係數，結果如表 3-2 所示。由表 3-2 可知，試體高溫降伏強度及彈性模數折 減係數皆比 Eurocode 3 小，而降伏強度之差別更大， 有關極限強度折減係數，因為試體 B3 及 B4 細長比較大，破壞模式為整體 挫屈，是屬於結構不穩定行為，非材料發揮至極限之破壞，而 B5 及 B6 破壞模 式為局部挫屈，是因為寬厚比稍高產生局部不穩定行為，雖然破壞強度較高， 但仍非材料之極限破壞，因此無法推算。 軸力

圖 3 - 5 試體 B3 實驗與數值分析結果比較 (資料來源：本研究整理)

第三章 數值分析 19 圖 3 - 7 試體 B5 實驗與數值分析結果比較 (資料來源：本研究整理) 圖 3 - 8 試體 B6 實驗與數值分析結果比較 (資料來源：本研究整理)

表 3 - 2 實驗結果與 Eurocode 3 折減係數比較 B3-300*25 B5-500*28 B4-400*25 B6-600*28 試體平均溫度(℃) 600 600 700 700 試體最大承受載重(tf) 470.5 1144.6 316.6 638.7 E (MPa)-Eurocode 3 65928 61400 27647 25748 E (MPa) 50974 33420 24714 18086 E(T)/E 折減 Eurocode 3 0.31 0.31 0.13 0.13 實驗結果 0.24 0.17 0.12 0.09 試體降伏值(tf) 262.2 802.6 210.7 411.2 Fy (MPa) -Eurocode 3 232.38 219.93 113.72 107.63 Fy (MPa) 93.53 152.28 55.12 62.97 Fy(T)/Fy 折減 Eurocode 3 0.47 0.47 0.23 0.23 實驗結果 0.19 0.325 0.11 0.14 (資料來源：本研究整理)

第四章 結論與建議 21

第四章 結論與建議

第一節 結論

應用適當的綜合熱傳係數，有助於結構火害之數值分析，而且可以得到良 好試體表面溫度結果，結論如下： 1. 在使用上較為簡便，透過數值方法得到試體表面溫度，有利於實驗前 先作分析，評估實驗結果，做為修正實驗規劃用。 2. 在數值軟體選擇上較為自由，只要具有熱傳分析的軟體，皆可得到試 體表面溫度。 3. 在結構火害數值分析上較為方便，不需使用熱傳及應力計算兩種程 式，只要選擇具有熱傳及應力分析模組之數值軟體即可，也省去兩種 程式間之資料轉換程序。 4. 根據 4 次實驗，雖有 2 種定溫 600℃及 700℃之升溫線，但其綜合熱傳 係數差別不大，是否可取平均後直接運用，還有待進一步研究。另外， 700℃兩次實驗，火源配置有改變，是否是造成熱傳係數之差異，亦須 再多加測試，才能得到較為確定之結果。 在數值非線性應力分析結果方面，由實驗結果反推之鋼材料降伏強度與彈 性模數折減係數比 Eurocode 3 小，顯示高強度鋼材料於高溫之衰減幅度大於一 般鋼材，於設計時須更為謹慎。 由於 Eurocode 3 在鋼材料於高溫下只提供材降伏強度與彈性模數之折減係 數，而無材料於高溫時之應力應變曲線，因此，使用數值方法做分析時，只能 用雙線塑性模型模擬，故對於鋼構件達到降伏以後之結構行為，無法進一步得 到較為準確的結果。

第二節 建議事項

建立高強度鋼材料之高溫之折減係數及應力應變關係資料庫：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關： 高強度鋼材料於高溫下之衰減比一般鋼材料大，因此須建立適用之折減係 數，做為鋼結構設計之參考。另外還需建立高強度鋼於高溫之應力應變關係資 料庫，才能提高數值分析的結果的準確性。

附錄

23

附錄一 研究業務協調會議紀錄

附錄一 研究業務協調會議紀錄 附錄三 實驗加載計算

附錄 25

內政部建築研究所 108 年度第 4 次研究業務協調會議紀錄

一、時間：108 年 3 月 11 日(星期一)下午 2 時 30 分

二、地點：本所簡報室

三、主席：王所長榮進

記錄：陳麒任、張乃修、陳柏端、蘇鴻奇、蔡介峰、厲娓娓

四、出席人員：詳簽到簿

五、主席致詞：

（略）

六、研究案主持人簡報：（略）

七、發言要點(依會議議程順序)：

（一）「應用智慧節能技術減緩我國建築部門夏季尖峰用電策略研

究」案：

1. 本研究以研提我國區域能源管理為主，建議建築部門用電可依

不同建築類型作區隔，例如住宅類或商業辦公類等，並結合用

電情形可視化技術進行智慧節能策略之研擬。

2. 不同類型建築之節能手法有所差異，建議本研究可考慮先就單

一類型建築進行探討分析。

（二）

「無障礙客房設置面積與使用率之調查研究」案：

1. 建議聯繫身障團體，瞭解身障者於國內外住宿無障礙客房之實

際使用情形，及蒐集國外案例可供國內改善參考之部分。

2. 可探討釐清無障礙客房不足之原因，究係未照規定設置、或現

行比例須檢討、業者不主動揭露無障礙客房資訊，並瞭解一般

旅客不願意入住無障礙客房之緣由，俾能提出相關建議。

（三）「標準火害下箱型鋼柱之穩定性數值分析研」案：

1. 本案應用 107 年研究成果，除可提供研究團隊進行實驗前模擬，

修正實驗規劃設計外，建議探討實驗和數值分析之差異性，及

造成影響之關鍵因素。

議可配合本年度委託研究實驗規劃之參數進行分析，以提高研

究成果的應用價值。

3. 有關 107 年研究成果之分析程序，應配合本年度委託研究實驗

結果進行驗證及修正，並於成果報告內詳細說明，以供後續研

究參考

（四）「CLT 多層次實木結構積材工法國際防火規範比較研究」案

1. 因承辦同仁離職在即，研究時程有限，本案宜先撤案。

2. 請安全防災組審酌規劃木結構 CLT 防火相關後續研究課題。

（五）「性能實驗中心研發及試驗設備精進研究」案：

1. 本案針對目前使用率較低設備提出開發「加值服務」之構想，

建議釐清適用範圍及發展方向，俾能有效整合及提升使用效益。

2. 另有關設備汰換或升級部分，建議考量將規範標準發展之趨勢

或變動納入探討，並掌握法令規範標準公布時程及時更新，以

發揮整體效益並避免無效投資。

3. 本案預計提出整體實驗設備發展精進計畫，建議宜先就市場需

求、法令技術、經費編列、執行期程及人力等因素進行系統性

探討，以增進成果應用執行之可行性。

4. 目前「衛生管路設備檢測實驗室」

、

「人工光及自然光實驗室」

及「熱環境實驗室」等設備使用率似乎較低，建議可回顧建置

目的，並通盤檢討需求性與發展性，以作為未來營運、轉型或

附錄 27

探討技術士之供需情形，以及瞭解勞動部設立新職類技術士之

處理程序。如以提升外牆飾材施作品質為出發點，或可將研究

重點調整為相關從業人員（如：專任工程人員、工地主任、技

術士）三者之間如何分工。

3. 目前國內工程案件，大多交由綜合營造業承攬後分包予專業營

造業，顯少拆項將專業工程單獨發包。業種是否會因列為專業

營造業而有受益或受何種影響，建議可納入分析探討。

4. 本研究如擬評估外牆飾材工程列為一種專業營造業，建議宜先

比較分析與現有其他行業間是否存在業務範圍重疊情形。

八、會議結論：

請參考與會同仁之寶貴意見，並請納入研究內容參採修正，使

研究成果更為豐富完整。

九、散會：

（下午 5 時整）

附錄

29

附錄二 期中審查會議紀錄

附錄

附錄

附錄

附錄

37

附錄三 期末審查會議紀錄

附錄 39

內政部建築研究所

108 年度自行研究「長照機構防火及避難風險自主檢核表參考解說

之研究」、

「防火實驗中心營運管理關鍵成功因素之研究」

、「建築新

材料後市場管理結合建築執照審核制度可行性研究-以建築用門遮

煙性能項目查驗為例」及「標準火害下箱型鋼柱之穩定性數值分析

研究」4 案期末審查會議紀錄

一、時 間：108 年 12 月 4 日（星期三）上午 9 時 30 分

二、地 點：本所簡報室（新北市新店區北新路 3 段 200 號 13 樓）

三、主持人：蔡組長綽芳

記錄：陳柏端

四、出席人員：

（如簽到單）

五、主席致詞：

（略）

六、業務單位報告：（略）

七、研究計畫簡報：（略）

八、出席人員審查意見（依發言順序）

：

（一）

「長照機構防火及避難風險自主檢核表參考解說之研究」案：

王約聘研究員天志：

1. 本案廣泛蒐集相關法規、現況資料，為實際與理論之結合，成

果相當具體。

2. 檢核表等評估工具的使用，對於機構人員的風險意識提昇很有

助益，惟建議可區分為管理階層(如防火管理人、負責人等)及

一般工員適用，後者給予重點風險辨識相關教育訓練即可。

3. 機構外包檢修作業如有更動設備開關時，應確認有無復歸動作。

李副研究員其忠：

本案自主檢核表是否建議主管機構納為評鑑或督考機構的項目之

一，以強化其應用性。

本案研究成果提供長照機構防火避難風險的說明及圖說，日後可

供各機構及本中心辦理相關輔導健檢計畫之參考。

主席：

1. 從本案訪談機構人員，並參考本所另案「長照機構全尺度居室

火災探測及滅火設備之實驗及驗證分析」資料，希望可以提供

機構火災時寢室救人須動員多少人力、花費多少時間，可供機

構初期應變計畫參考。

2. 請檢討機構所有相關人員，如住民自僱看護、外部承包商等，

是否需要納入訓練教育。

計畫主持人回應（雷約聘研究員明遠）

：

1. 感謝大家對於本研究之肯定及指教，大家所提建議具體明確，

概能參考辦理，後續將盡力修正完成。

2. 目前機構火災初期入室救人，多是 2 人一組入室，無論以病床、

輪椅、滑袋或被單方式，目前 4 人房約 4 分鐘內可完成，5-6 人

房則約 5 分鐘內可完成。

3. 機構允許住民自僱外籍看護通常僅限白天時間，機構會給予外

籍看護簡單防火安全教育，火災緊急情況時須照料妥住民雇主

即可。至外部承包商工作人員，因非屬機構員工，通常不會參

與機構教育訓練及演練，或許可以要求承包商須附有員工職安

衛教育訓練之責。

4. 本所 106 年函送給衛福部的長照機構改善參考手冊及風險自主

附錄 41

（二）「防火實驗中心營運管理關鍵成功因素之研究」案：

王約聘研究員天志：

1. 本案研究對於提升實驗中心產學、檢測業務有很大的成效，但

依據實驗中心設立目的，還是以進行研究、支援法規修訂為主，

有餘力再提供產業技術服務，對於實驗所需人力、物力、排程

等，應注意如何妥適安排。

2. 建議可落實實驗中心大型工作各應辦事項排程登錄，方便接案

人員就後續情況進行安排，但也應注意突發情況之因應方式，

俾利順利執行業務。

詹約聘副研究員家旺：

目前與成大能源科技與策略研究中心合作，每位同仁都很辛勞努

力值得肯定，未來產學合作計畫期能達到互惠、互利的目標，也

能提升實驗中心績效。

陳約聘助理研究員佳玲：

與其他單位合作共同進行實驗時，除了參與人員應經過訓練外，

為能確保實驗結果正確性，有關設備的查核及校正，建議仍應由

建研所的人員自行定期查驗。

李副研究員其忠：

1. 實驗量增加，除了需要克服人力不足問題外，建議也能適度激

勵參與人員，另對於耗材之經費與設備維護、校正之時程安排，

須有相關優化措施，以免影響實驗執行。

2. 實驗中心設備已逐漸老化，設備能適當維護或汰換，將可確保

實驗品質與進度。

3. 建議實驗排程，建議以年度科技計畫實驗為優先。

4. 為免人力短缺造成技術傳承中斷，如電梯乘場門之耐火測試，

建議也能透過教育訓練以維持實驗量能。

1. 本計畫係因應 108 年度本所風險管理業務所進行，建議檢視研

究成果是否與任務目標相契合。

2. 合作計畫主要還是希望能增加實驗量能與資源，長期而言可就

其績效加以評估。

計畫主持人回應（蔡簡任研究員銘儒）

：

1. 本研究係以 108 年度風險管理所要求之任務，如活化或汰換設

備，以及提高設備使用率進行研究與規劃。

2. 如依年度科技計畫課題規劃及短少之經費提供實驗中心，進行

研究、支援法規修訂，並無法發揮實驗中心設立目的及符合本

所職掌，本研究研擬與推動合作策略，係以產學合作研發方式

為主，研發成果如必要由實驗中心提供最終檢測，再由實驗中

心測試與出具報告，但須契合實驗中心設立目的及本所職掌，

更可開創產業價值，同時掌握產業發展脈絡，更可適時支援法

規修訂。

3. 合作必須互惠互利，雙方才能相互支援人力、耗材與設備維護，

合作初期必須衡量雙方量能與支援，俟合作穩定後即可考量增

加量能與相互支援、人員激勵與訓練(包含避免技術中斷)，並

有賴長官支持與同仁全力配合分工合作，合作策略與實驗中心

營運才能成功。

4. 實驗中心為 TAF 認證實驗室，對於支援人員之試驗過程應負監

督之責，設備之正常、正確運作及校正管理亦屬實驗中心職責。

附錄 43

（三）「建築新材料後市場管理結合建築執照審核制度可行性研究-以建築用門遮煙性能項目查驗為例」案：

王約聘研究員天志：

1. 實驗室試體與現場施作應有落差，為確認其產品性能，現場查

核有其必要性。本案以建築用門遮煙性能為現場查核項目，因

屬非破壞性試驗，應為可行。

2. 建築新技術、新工法、新材料、新設備認可通知書或性能評定

書，其內容之施工方法、施工圖說，應考量建築工地現場實際

施工狀況。

3. 配合建築執照查核，必須考量申請使用執照之時程。避免因某

項材料現場試驗失敗或爭議，而造成延宕。

陳約聘助理研究員佳玲：

各縣市政府委託辦理室內裝修竣工檢查，檢查人員均須有相關訓

練或證書，本案所指的建築用門遮煙性能性廠查驗人員，是否有

相關資格規定？

李副研究員其忠：

建議參考公共工程建案，依規模抽測一定比例之材料或設備，以

利掌握現場施工品質。

雷研究員明遠：

1. 認可通知書所記載產品之施工圖說，應與實驗室所記載的試驗

安裝圖說有所區別，評定機構應要求申請廠商提供符合現場施

作的施工圖說與步驟，評定機構再予判定其可行性，以利後續

查核。

2. 建議評定機構委員應定時接受精進訓練課程，以提升專業知能。

主席：

1. 建議一立即可行部分，應修正為發布建築用門遮煙性能現場查

2. 本案有關竣工查驗中央與地方之分工為何？就全國申請建築執

照數量，辦理遮煙性能之查核人力是否足夠？

3. 申請建築執照時程十分重要，倘因辦理查核而造成使照申請之

延誤或其他爭議事件(技術性、行政性)之處理，應予以考量。

計畫主持人回應（王副研究員鵬智）：

1. 有關性能評定書或認可通知書之施工步驟及施工圖說，將進一

步與營建署及評定機構討論格式內容，以利後續現場查核工作。

2. 後市場追蹤查核，需要大量的人力資源，引入民間專業團體協

助查核有其必要性，同時應配合教育訓練，以達符合追蹤查核

質量之需求。

3. 其他委員意見將於期末報告納入修正。

（四）「標準火害下箱型鋼柱之穩定性數值分析研究」案：

王約聘研究員天志：

1. 本研究以數值方法模擬鋼構件火害實驗，成果相當豐碩，可協

助提供研究團隊於實驗前進行分析以修正實驗規劃，或是在實

驗後進行驗證與更多參數之探討。

2. 對於實驗設備於日常維修後，是否會造成數值模擬的邊界條件

及熱傳係數改變，請加以說明。

3. 本研究是否考量將成果自行發展公用軟體，提供實驗中心及研

究團隊使用。

附錄 45

2. 建議未來可將成果應用於防火門等其他設備，協助實驗中心掌

控各實驗爐的熱傳參數，於實驗前先分析探討試體受熱後性能

效果，以協助實驗中心進行研發工作。

計畫主持人回應（陳約聘副研究員柏端）：

1. 本研究以數值方法進行熱傳分析，先將實驗資料用回歸方式找

出趨勢，再以理論推導找出實驗爐熱傳特性，但目前成果僅適

合於自訂升溫線至特定溫度後再加以定溫方式，是否可以擴大

應用到標準升溫曲線，還需進一步探討。

2. 在非線性應力分析方面，本研究將實驗資料反算推求材料折減

係數，發現高強度材料衰減較大，若使用 EuroCode 3 或 AISC

規範之一般鋼材折減係數模擬，會有較大之誤差。

3. 本研究所得綜合熱傳係數可供一般具有熱傳及力學分析之程式

使用，不拘限於特定之商用軟體，不需再行開發新軟體。有關

邊界條件的改變，可於設備維修後得知，並於軟體內改變使用

參數即可。

九、會議結論：

（一）本次會議 4 案期末報告，經與會審查委員同意，審查結果原

則通過。

（二）請詳細記錄與會出席代表及本所人員之意見，並請計畫主持

人參採及確依本部規定格式修正成果報告，注意文字圖表之

智慧財產權，如有引述相關資料，應註明資料來源，對於成

果報告之結論與建議事項內容，須考量應為具體可行，並適

時將研究成果投稿建築相關學報或期刊。

十、散會：中午 12 時 10 分。

參考書目 47

參考書目

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