鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究
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(2) (國科會 GRB 編號) PG9802-0221. 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 受委託者. ：國立交通大學. 研究主持人 ：趙文成副教授 協同主持人 ：陳誠直教授 研究助理. ：區錦輝. 葉顯嘉. 內政部建築研究所委託研究報告 中華民國 98 年 12 月.
(3) 目次. 目次 表次........................................................................................................... iii 圖次........................................................................................................... iv 摘要......................................................................................................... viii 第一章. 緒論.............................................................................................1. 第一節. 研究緣起與背景 .................................................................1. 第二節. 研究方法..............................................................................3. 第三節. 報告內容..............................................................................3. 第二章. 國內外相關規範與文獻回顧 ....................................................5. 第一節. 前言......................................................................................5. 第二節. 國外相關規範......................................................................5. 第三節. 國內 CNS 12514 規範 ........................................................6. 第四節. 國內外相關文獻回顧 .........................................................8. 第三章. 鋼梁構造耐火性能之試驗 ......................................................11. 第一節. 試驗規劃............................................................................11. 第二節. 試體規劃............................................................................12. 第三節. 量測儀器設置....................................................................14. 第四節. 試體製作............................................................................16. 第五節. 試驗設置............................................................................24. 第六節. 試驗步驟............................................................................29 i.
(4) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 第七節. 試驗終止條件....................................................................30. 第八節. 性能基準與判定 ...............................................................31. 第四章. 鋼梁耐火性能之有限元素分析 ..............................................33. 第一節. 研究方法及步驟 ...............................................................33. 第二節. 歐洲規範 Eurocode 3 鋼材高溫性質..............................33. 第三節. 數值模擬方法與步驟 .......................................................41. 第五章. 試驗與分析結果與討論 ..........................................................47. 第一節. 試體行為............................................................................47. 第二節. 試驗結果............................................................................58. 第三節. 試驗結果討論....................................................................65. 第四節. 數值分析結果與討論 .......................................................66. 第六章. 結論與建議 ..............................................................................75. 第一節. 結論....................................................................................75. 第二節. 建議....................................................................................76. 附錄一. 審查意見與答覆 ......................................................................79. 附錄二. 噴附式防火被覆特性簡介 ....................................................101. 附錄三. 鋼梁工作載重計算(容許應力法)..........................................103. 附錄四. 加溫試驗鋼梁表面熱電偶測點數據表 ................................105. 參考書目.................................................................................................158. ii.
(5) 表次. 表次 表 1-1. CNS 判定耐火性能之基準 .........................................................2. 表 2-1. 各國水平承重構造耐火試驗規範比較......................................7. 表 3-1. 試體規劃 ....................................................................................11. 表 4-1. Eurocode 3 鋼材在高溫下之應力應變關係 ...........................35. 表 4-2. Eurocode 3 鋼材在高溫下之力學性質折減係數 ...................37. 表 4-3. 有限元素分析 ABAQUS 單位表 .............................................42. 表 5-1. 試驗結果簡表 ............................................................................47. 表 5-2. 試體各斷面加溫 1 小時後之溫度(°C).....................................61. 表 5-3. 試驗結果與防火時效判定 ........................................................62. iii.
(6) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 圖次 圖 1-1. 研究步驟流程圖 ..........................................................................4. 圖 3-1. 試體之鋼承板、剪力釘、鋼絲網設置....................................12. 圖 3-2. 鋼梁表面熱電偶測點配置位置 ................................................15. 圖 3-3. 試體縱向熱電偶測點配置位置 ................................................15. 圖 3-4. 位移計與陶瓷棒的設置 ............................................................16. 圖 3-5. 試體樓板混凝土澆注施工 ........................................................17. 圖 3-6. 試體樓板混凝土施工完成 ........................................................17. 圖 3-7. 鋼梁腹板熱電偶線設置 ............................................................18. 圖 3-8. 鋼梁下翼板熱電偶線設置 ........................................................18. 圖 3-9. 鋼梁鋼網施工 ............................................................................20. 圖 3-10 鋼梁防火被覆施工(一) .............................................................20 圖 3-11 鋼梁防火被覆施工(二) .............................................................21 圖 3-12 鋼梁防火被覆施工(三) .............................................................21 圖 3-13 鋼梁防火被覆完成施工 ............................................................22 圖 3-14 鋼梁翼板 Flange-1 應力應變曲線 ...........................................22 圖 3-15 鋼梁翼板 Flange-2 應力應變曲線 ...........................................23 圖 3-16 鋼梁腹板 Web-1 應力應變曲線...............................................23 圖 3-17 鋼梁腹板 Web-2 應力應變曲線...............................................24 圖 3-18 試體安裝於加溫爐內情況 ........................................................25 iv.
(7) 圖次. 圖 3-19 試驗設置上視圖 ........................................................................25 圖 3-20 試驗設置 B-B 視圖 ...................................................................26 圖 3-21 試驗設置 A-A 視圖 ...................................................................26 圖 3-22 支承端之細部機制 ....................................................................27 圖 3-23 北側支撐 ....................................................................................27 圖 3-24 南側支撐 ....................................................................................28 圖 3-25 位移計設置 ................................................................................28 圖 3-26 加溫爐與試驗設置 ....................................................................29 圖 3-27 標準加熱溫度-時間曲線...........................................................30 圖 4-1. Eurocode 3 鋼材在高溫下考慮應變硬化之應力應變關係 ...36. 圖 4-2. Eurocode 3 鋼材在高溫下之力學性質折減係數 ...................38. 圖 4-3. Eurocode 3 鋼材熱傳導係數....................................................39. 圖 4-4. Eurocode 3 鋼材比熱................................................................40. 圖 4-5. 鋼梁模型 ....................................................................................43. 圖 4-6. 鋼承板模型 ................................................................................43. 圖 4-7. 混凝土模型 ................................................................................44. 圖 4-8. 試體網格劃分 ............................................................................44. 圖 4-9. ABAQUS 分析流程圖 ..............................................................45. 圖 5-1. 試體 1 之加溫爐升溫曲線 ........................................................49. 圖 5-2. 試體 1 試驗後試體在爐內情況 ................................................49. 圖 5-3. 試體 1 試驗後防火被覆裂縫 ....................................................50 v.
(8) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 圖 5-4. 試體 2 之加溫爐升溫曲線 ........................................................52. 圖 5-5. 試體 2 試驗時裂縫出現情況 ....................................................53. 圖 5-6. 試體 2 試驗後試體在爐內情況 ................................................53. 圖 5-7. 試體 2 試驗後防火被覆裂縫 ....................................................54. 圖 5-8. 試體 2 試驗後試體之永久變形 ................................................54. 圖 5-9. 試體 3 之加溫爐升溫曲線 ........................................................56. 圖 5-10 試體 3 試驗時裂縫出現情況 ....................................................56 圖 5-11 試體 3 支撐端扭轉情況 ............................................................57 圖 5-12 試體 3 試驗後在爐內情況 ........................................................57 圖 5-13 試體 3 試驗後防火被覆裂縫 ....................................................58 圖 5-14 試體 1 之時間-試體跨距中點撓曲度-鋼梁表面熱電偶測點平 均溫度圖 ..............................................................................................63 圖 5-15 試體 2 之時間-試體跨距中點撓曲度-鋼梁表面熱電偶測點平 均溫度圖 ..............................................................................................63 圖 5-16 試體 3 之時間-試體跨距中點撓曲度-鋼梁表面熱電偶測點平 均溫度圖 ..............................................................................................64 圖 5-17 三組試體試驗結束後永久變形情形........................................64 圖 5-18 試體 2 與試體 3 之時間-試體跨距中點撓曲度圖 ..................66 圖 5-19 試體 1 之時間-試體跨距中點撓曲度-鋼梁表面熱電偶測點平 均溫度比較圖 ......................................................................................68 圖 5-20 試體 2 之時間-試體跨距中點撓曲度-鋼梁表面熱電偶測點平 vi.
(9) 圖次. 均溫度比較圖 ......................................................................................69 圖 5-21 試體 3 之時間-試體跨距中點撓曲度-鋼梁表面熱電偶測點平 均溫度比較圖 ......................................................................................69 圖 5-22 試體 3 考慮被覆分析，直接施加溫度於複合梁分析與試驗結 果時間-撓曲度比較圖.........................................................................71 圖 5-23 試體 1 試驗結果與受相同載重及溫度歷時下之純鋼梁分析結 果之比較 ..............................................................................................72 圖 5-24 試體 2 試驗結果與受相同載重及溫度歷時下之純鋼梁分析結 果之比較 ..............................................................................................72 圖 5-25 試體 3 試驗結果與受相同載重及溫度歷時下之純鋼梁分析結 果之比較 ..............................................................................................73. vii.
(10) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 摘. 要. 關鍵詞：耐火試驗、鋼梁、載重實驗 一、研究緣起 為提供更合理之鋼梁構造耐火性能判定基準，本研究計劃針對我 國的 CNS 12514「建築物構造部分耐火試驗法」進行研究，探討鋼梁 構造以不同性能基準判定耐火性能之合理性。. 二、研究方法及過程 本計劃進行實驗方法及分析方法之研究。實驗方法是以鋼梁試體 在載重及無載重條件下分別進行實驗，以實驗結果探討 CNS 12514 對這兩條件的破壞基準之合理性。分析方法是先建立有限元素模型對 實驗結果進行預測，待得到實驗時參數的影響再對模型修正，提供合 理之分析模型。. 三、重要發現 從試驗結果發現，在進行載重試驗時，含鋼承板混凝土樓板之簡 支承鋼梁試體溫度達到破壞溫度基準，但試體之撓曲度還沒達到承重 破壞基準，所以施加載重未必降低其防火時效。另外，本研究三組試 體都包含樓板，提供一定的撓曲強度與勁度，使變形量減少，以及使 試體之撓曲度能滿足容許最大撓曲度。. viii.
(11) 摘要. 四、主要建議事項 根據研究成果，本研究針對鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性 能之研究作出以下建議。. 立即可行之建議 主辦機關：經濟部標準檢驗局 協辦機關：內政部建築研究所. 本次試驗使用鋼承板混凝土樓板時能提高鋼梁的撓曲能力，然而 目前試驗法不論使用標準化的輕質混凝土板或實際樓板的容許撓曲 度及容許撓曲率都是一樣的；建議耐火性能試驗水平承重構造之樓板 設置應依實際之設計，以反應實際情況。. 長期性建議 主辦機關：經濟部標準檢驗局 協辦機關：內政部建築研究所 國內 CNS 「建築物構造部分耐火試驗法」為構造耐火性能試驗 之依歸，建議應依國內外近年之試驗研究成果，定期修訂內容，促使 該標準更臻完善。. ix.
(12) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. Abstract Keywords: fire resistance test, structural steel beam, loading test In order to implement rational standards for determining fire resistance of structural steel beams, this study was conducted to investigate the rationality of structural steel beams under different criteria of fire resistance performance, followed CNS 12514 “Method of fire resistance test for structural parts of building.” This study was carried on experimentally and numerically. In the experimental program, steel beam specimens were tested with or without applied concentrated load to explore the rationality of the failure criteria regulated in the CNS 12514, based on the experimental results. Meanwhile, the numerical study was conducted to establish finite element models to predict the experimental results. The analysis models were further calibrated, based on the experimental effects of the parameters, to achieve more rational analysis models. The loading test results indicated that a specimen, simply supported structural steel beam with concrete floor, had failed according to the failure criterion specified for the temperature. However, the deflection of the specimen had not reached the failure criterion specified for the loading test. It is concluded that the test loading may not reduce the fire resistance rating. In addition, the concrete floor constructed for all the three specimens can provide certain flexural strength and stiffness; therefore, the deformation of the specimens was reduced and can meet the allowable maximum deflection. x.
(13) 摘要. According to the research results, this study can provide the following suggestions for the fire resistance of the structural steel beams under different criteria of the fire resistance performance. For immediate strategy: These tests discover that the metal deck concrete floor can increase the flexural strength of the structural steel beam specimens and, furthermore, can increase the fire resistance based on the loading test. However, the current code specifies the same allowable deflection and the rate of deflection for specimens constructed with either lightweight concrete topping or metal deck concrete floor. Thus, it is suggested that actual floor design is required for horizontal load-bearing members when the fire resistance test is conducted. For long-term strategy: The CNS 12514 “Method of fire resistance test for structural parts of building” is the basic of the fire resistance test for structural parts of the buildings. It is suggested that the code needs regular examining based on the recent research results to implement the standard.. xi.
(14) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. xii.
(15) 第一章 緒論. 第一章 第一節. 緒論. 研究緣起與背景. 壹、研究緣起 世界各地高速發展的地區，由於過度的開發且土地資源缺少，樓 宇必須往高空發展才能滿足需求，因而高樓林立，鋼構造則廣泛的被 使用於高層建築物。近年內美國 911 事件世貿大樓之倒塌肇因於大 火，與國內東帝士大樓之嚴重火害，讓人們再一次關注鋼構造的耐火 能力，國內及國外學者也紛紛對這方面進行很多研究。當鋼材受到高 溫加熱時，其強度將會大大減少，尤其溫度超過 500°C 時，鋼材的強 度會大幅下降，而一般火災的環境溫度約 1000°C 左右，故鋼構造必 須進行防火被覆材施工，減慢火災時熱能傳遞到鋼材，以確保在一定 防火時效下結構物的安全。本計畫即屬於探討鋼梁構造以不同性能基 準判定耐火性能之研究，希望憑藉研究結果，檢討現行建築物構造部 分耐火之試驗法。. 貳、研究背景 目前國內對鋼梁受防火被覆材保護下耐火性能之判定試驗需按 照 建 築 物 構 造 部 分 耐 火 試 驗 法 (Method of fire resistance test for structural parts of building) CNS 12514 (經濟部標準檢驗局 1997)來進 行，在試驗法中對承重構造的耐火性能規定以承重能力來判定，其判. 1.
(16) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 定基準為對於水平承重構造(樓板、屋頂、梁等)進行載重試驗，當最 大變形量或最大變形速率超過規定時，則視為耐火性能失敗。惟 CNS 標準同時亦允許進行測定無載重條件下之鋼材強度破壞溫度，測定構 造中鋼材之溫度，其鋼材溫度最高值若超過 550°C 或平均值若超過 500°C，即表示試體已達破壞溫度，視為無法滿足耐火性能。對於 CNS 12514 水平承重構造之耐火性能判定基準整理如表 1-1 所示。 依據 CNS 標準，承重構造可以無載重進行耐火性能試驗，忽略 構造實際承受載重情況，故本計畫針對這兩個判定方法進行試驗研 究，希望能夠獲得試驗資料，以判定承重構造耐火性能之試驗是否應 考慮試驗載重；並利用本次試驗的機會，以有限元素軟體建立有效之 分析模型，以期能提供後續研究之用。 表 1-1 CNS 判定耐火性能之基準 載重. 失敗條件 最大撓曲度或最大撓曲速率超過規定，. 1. 有. 最大撓曲度(mm)： D = L2 / 400d ，與. dD L2 最大撓曲速率(mm/min)： = 。 dt 9000d 2. 無. 鋼材溫度最高超過 550°C 或平均超過 500°C. (資料來源：本研究整理). 2.
(17) 第一章 緒論. 第二節. 研究方法. 按照 CNS 12514 對水平承重構造的耐火性能進行試驗，以兩組 相同條件 UL 認證 1 小時防火時效厚度的防火被覆試體分別進行載 重及無載重條件的試驗，以判定兩組試體的耐火性能，同時並進行一 組按 CNS 要求使用 UL 規定防火時效必須以 1.25 倍厚度之防火被 覆試體以載重條件的試驗進行測試，測試不同厚度的防火被覆材料對 耐火性能的影響。 鋼梁耐火性能之分析以有限元素分析軟體為工具進行分析，於試 體耐火試驗完成後，把分析結果與試驗結果比對，並進行模型調整與 修改，利用分析結果配合試驗所得之鋼梁耐火試驗結果，期望建立一 套合理的有限元素分析模型。研究計劃之流程圖如圖 1-1 所示。. 第三節. 報告內容. 本報告主要內容如下。第一章介紹火害對鋼構造之影響及本次計 畫的研究目的。第二章回顧國內外耐火性能判定之相關規範及有關本 研究之文獻。第三章介紹試驗規劃，詳細說明試體之設計、試體之製 作、試驗設置、量測儀器設置與試驗的步驟。第四章介紹鋼梁耐火性 能之有限元素分析，說明用有限元素分析之方法及過程。第五章討論 試驗與分析結果。第六章則為本研究之結論與建議。. 3.
(18) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 蒐集國內外相關規範、文獻與實驗資料. 實驗研究. 1. 2. 3. 4.. 規劃試體 實驗設置 製作試體 進行實驗. 分析研究. 第一次專家學者諮詢座談會. 期中審查. 實驗結果與 討論. 第二次專家學者諮詢座談會. 期末審查. 圖 1-1 研究步驟流程圖. (資料來源：本研究整理). 4. 1. 建立分析方法與分 析模式 2. 模擬實驗行為 3. 分析結果與實驗結 果比較 4. 分析方法之修正 建立分析方法.
(19) 第二章 國內外相關規範與文獻回顧. 第二章. 國內外相關規範與文獻回顧 第一節. 前言. 由於國內對於鋼構造之火害研究缺乏充分研究成果，所以國內行 使之「建築物構造部分耐火試驗法」中水平構造的訂定大多參考國外 相關規範。國內外水平承重構造耐火試驗規範比較如表 2-1 所示。本 章將回顧國內外相關規範及研究文獻。. 第二節. 國外相關規範. 目前國內的「建築物構造部分耐火試驗法」之修訂大多參照 ISO. 834 (International Organization for Standardization)，而國外相關主要規 範包括英國 BS 476 (British Standards Institution) 及美國 UL 263. (Underwriters Laboratories lnc.)。 壹、國際標準組織 ISO 834 規範. ISO 834 規範為國內 CNS 12514 規範修訂的主要參考，其加熱 溫 度 曲 線 為 T = 345 log10 (8t + 1) + 20 ， 評 定 破 壞 基 準 與 國 內 CNS. 12514 規範一樣，但對於試體受熱長度沒有要求。要求梁試體之破壞 溫度為單點容許最高溫度為 550°C，平均溫度為 500°C；承重破壞為 最大撓曲度為 L2 / 400d (mm)，最大撓曲速率為 L2 / 9000d (mm/min)。. 5.
(20) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 貳、英國 BS 476 規範 英國 BS 476 規範加熱溫度曲線為 T = 345 log10 (8t + 1) + 20。要求 試體受熱長度至少 4 m 。進行加載試驗時，容許最大撓度為 L/20. (mm) ，容許最大撓曲速率為 L2 / 9000d (mm/min) ，單點溫度不超過 650°C 及平均溫度不超過 550°C。 参、美國 UL 263 規範 美國 UL 263 加熱條件為 30 分鐘爐內溫度須達到 843°C，1 小時 須達到 927°C。要求試體受熱長度至少 3.7 m。進行載重或無載重試 驗時，並沒有以撓曲度及撓曲速率作為試驗之破壞基準。進行有載重 試驗時，單點容許最高溫度為 704°C，容許平均溫度為 593°C。. 第三節 國內 CNS 12514 規範 CNS 加熱溫度曲線為 T = 345 log10 (8t + 1) + 20 。要求試體受熱長 度至少 4 m。進行載重試驗時，破壞基準為撓曲度不超過 L2 / 400d. (mm)，最大撓曲速率不超過 L2 / 9000d (mm/min)。進行無載重試驗， 破壞基準為單點容許最高溫度為 550°C，平均溫度為 500°C。. 6.
(21) (1) 最大撓曲度超過 L2 / 400d (mm)； (2) 最大撓曲速率超 過 L2 / 9000d (mm/min)。. (1) 鋼梁熱電偶測點 溫度超過 550°C； (2) 鋼梁熱電偶測點 平均溫度超過 500°C。. (1) 最大撓曲度超 過 L2 / 400d (mm)； (2) 或最大撓曲速 率超過 L2 / 9000d (mm/min)。. (1) 鋼梁熱電偶測 點溫度超過 550°C； (2) 鋼梁熱電偶測 點平均溫度超 過 500°C。. 載重試驗 破壞基準. 無載重試 驗破壞基 準. (資料來源：本研究整理). -. ≧4m. ISO 834. 試體梁受 熱長度. CNS 12514 ≧ 3.7 m. UL 263. -. -. (1) 最大撓曲度超過 L/20 (mm)； (1) 鋼梁熱電偶測點 (2) 最大撓曲速率超過 溫度超過 704°C； L2 / 9000d (mm/min)； (2) 鋼梁熱電偶測點 (3) 鋼梁熱電偶測點溫度 平均溫度超過 超過 620°C； 593°C。 (4) 鋼梁熱電偶測點平均 溫度超過 550°C。. ≧4m. BS 476. 表 2-1 各國水平承重構造耐火試驗規範比較. 7. 第二章 國內外相關規範與文獻回顧.
(22) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 第四節. 國內外相關文獻回顧. Buchanan 等人(2004)以 SAFIR 分析軟體進行鋼梁及鋼與混凝土 樓板複合構造三面受熱分析模擬。分析使用歐洲規範 Eurocode 3. (2005) 高溫下之鋼材性質。改變梁之邊界條件形式，得到不同邊界條 件下受火害梁之行為。. Dharma and Tan (2005)以有限元素法分析梁於高溫下梁之彎矩與 轉角關係。探討影響旋轉容量(rotational capacity)之因子。提供一套有 效且精確的分析方法。. Guededs 等人 (1998)分析不同寬厚比之鋼板受雙軸應力以及熱 載重下之彈塑性行為。. Ghojel and Wong (2005)針對 I 型梁與混凝土樓板複合構造受火害 進行分析模擬。將分析模式與其他學者所做實驗資料作比對，建立一 套預測高溫下鋼梁溫度分佈的分析模式。. Liew 等人 (1998)以有限元素分析軟體分析多層樓鋼構架在 ISO 標準的加熱條件下，構架中不同位置的構件反應比較。. Liu (1999)試體以端板及螺栓連接鋼梁與鋼柱形成抗彎矩接頭， 進行高溫下梁柱彎矩接頭行為研究，試驗變數為施加載重大小、連接 的螺栓數量以及端板厚度。. Liu 等人 (2002)進行 16 組鋼梁受高溫試驗，在試體兩端提供軸 向以及旋轉束制，藉由試驗了解鋼梁破壞的模式以及兩種不同束制在. 8.
(23) 第二章 國內外相關規範與文獻回顧. 加熱情況下所呈現的反應。. Li 等人 (2007)以偏微分方程式及有限元素分析提供一套簡單的 近似模型來分析鋼柱的耐火性能。. Touloukian (1977)提出一套以三階多項式計算鋼材的熱膨脹係數 (Coefficient of thermal expansion)公式。 Rubert 與 Schaumann (1986)進行實尺寸簡支梁試驗，改變加熱速 率、載重率、斷面尺寸，將試驗結果與 DIN 4102 (1981)、ECCS (1983) 規範比對，以了解簡支梁於高溫下之撓度變化情形。. Yang 等人 (2005)採用耐火鋼製造包含箱型與 I 型共 24 組柱試 體，施加軸向載重，觀察在高溫情況下，不同斷面及寬厚比下試體的 極限強度。. Zhao 與 Shen (1999)對於無防火被覆鋼構架暴露在真實火場中之 情形進行試驗，一共有三組試體，都為單跨距單層構架，由於高溫情 形下鋼材強度下降，材料產生非線性行為造成構架的大變形及內力重 新分配，此試驗對於構架在高溫下行為進行研究。 林慶元與林銅柱(1993)進行小尺度鋼材耐火試驗。將試驗結果與. CNS 12514 與 UL 263 耐火規範進行比對，以了解並建立大、小尺度 耐火試驗相關因素之關係。 許獻鐘(2003)研究高溫下鋼結構之行為模式，以非線性有限元素 法分析，針對鋼結構梁、柱、平面構架、空間構架進行數值分析，探. 9.
(24) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 討高溫下承載力與防火材料對鋼結構的影響。 鄭紹材(2007)研究建築鋼結構防火被覆耐火性能與驗證機制，以 實驗方法研究出耐火塗料之熱分析，並對不同地區防火被覆性能之評 估方式進行研究及比較。 林振吉(2008)進行 3 組 H 型鋼梁與箱型鋼柱相接之梁柱接頭於高 溫下之載重試驗，並以 ABAQUS 有限元素分析軟體進行數值分析與 實驗結果進行比較。數值分析結果所得梁端變位與接頭區相對轉角趨 勢與試驗結果相近。. 10.
(25) 第三章 鋼梁構造耐火性能之試驗. 第三章. 鋼梁構造耐火性能之試驗 第一節. 試驗規劃. 本計畫進行三組試體(如表 3-1 所示)的耐火性能之實驗，試體兩 端支撐都是以非束制形式進行試驗。其中兩組試體以相同的防火被覆 厚度，為 UL 認證 1 小時防火時效的 1 倍厚度，分別進行載重及無載 重條件的試驗；另外一組則以 UL 認證 1 小時防火時效 1.25 倍厚度 的防火被覆進行載重條件的試驗。藉由這三組試驗對載重與無載重條 件試驗比較其耐火性能，即可得到鋼梁受不同厚度之防火被覆保護情 況下對防火時效的影響。 表 3-1 試體規劃 試體編號. 被覆材厚度. 載重條件. 1. 11 mm. 無. 2. 14 mm. 有. 3. 11 mm. 有. (資料來源：本研究整理). 11.
(26) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 第二節. 試體規劃. 壹、試體設計 本計畫進行之三組試體使用國內鋼結構常用鋼梁斷面. RH588×300×12×20，鋼材為 A36 材料，選用常用之斷面及鋼材能夠 有效反映實際結構情況。按照 CNS 12514 規定，若試驗未包含樓板， 梁試體上方須對稱放置標準化之頂蓋板。該頂蓋板須以輕質混凝土厚 板構成，密度 650±200 kg / m 3，每塊最大長度 1 m，厚度 150±25 mm， 寬度至少為試體寬度之 3 倍。本次試驗則使用樓板，以鋼承板 2W -. 0.76、混凝土、剪力釘及鋼絲網製作，尺寸則按照標準化頂蓋板設計， 寬度 90 cm，厚度為 15 cm。試體如圖 3-1 所示。. 圖 3-1 試體之鋼承板、剪力釘、鋼絲網設置. (資料來源：本研究). 12.
(27) 第三章 鋼梁構造耐火性能之試驗. 根據 CNS 對試體之要求，任一構造部分在實際使用中，若端部 或周邊束制條件不同，則應分別對不同束制條件進行試驗，以及梁試 體須採簡單支撐或對其邊界加以束制。本研究計劃把試體梁設定為簡 支梁，試體總長度為 9 m，支承點跨距為 8 m，試體則有 6.5 m 長在 加熱爐裏，滿足 CNS 12514 要求至少加熱長度 4 m 之要求，試體有 超過 7 m 受到防火被覆包裹，故試體得到足夠之防火被覆保護，而在 支承處提供側向支撐。 鋼梁在加載點處設置加勁板，避免鋼梁受過大集中載重造成腹板 發生壓皺，橫向加勁板之設置對試體梁撓曲變形與撓曲速率之影響甚 小。. 貳、防火被覆 防火被覆是鋼材表面覆蓋一層隔熱良好的不燃材料，使降低熱傳 導速率，即減慢外界高溫之傳導，使構件在防火時效內不致達到其強 度及軟化之溫度，此即為防火被覆材料。 防火被覆主要分為三大類：噴附式防火被覆材料、防火被覆板、 膨脹型耐火塗料。三種防火被覆各有優缺點，噴附式防火被覆材料優 點在於施工快、設計彈性大，但施工時污染性高及裝飾性低；防火被 覆板施工快速，並可取代部份隔間板材，施工時不會造成污染，但設 計彈性低，自重亦很大；膨脹型耐火塗料施工快速便利，施工時污染. 13.
(28) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 性低，裝飾性高，自重甚低，但單價卻較昂貴。三類防火被覆材料其 防火的機理都不一樣，所含的成份也不一樣，但最終也能為構件提供 一定的防火時效。 本次試驗採用國內常用之防火被覆種類及防火被覆材料，噴附式 防火被覆材料為國內較常用的防火被覆材料，由於其便利性、成本低 及效果顯著，廣泛應用國內鋼結構，故本計畫採用噴附式防火被覆材 料(附錄二)。. 第三節. 量測儀器設置. 壹、熱電偶設置 依 CNS 規定，試體需設置熱電偶監測溫度，熱電偶測點配置在 跨度中間，及另外兩處從爐邊起算 50 cm 點與跨度中間之中點處。按 照規定每一處試體斷面之熱電偶測點有 4 點，所以按照規定測點共. 12 點。試驗法中規定需使用 0.75 級性能以上及直徑 0.65 mm 之 K 型 熱電偶線。本次試驗分別在離試體支撐點 1.5 m 處增加熱電偶測點， 即共增加兩處量測點，故測點共 20 點。試體內部熱電偶測點之配置 位置如圖 3-2 及圖 3-3 所示。. 貳、位移計設置 本次試驗需監測最大撓曲度及最大撓曲速率，在鋼梁跨距中點處. 14.
(29) 第三章 鋼梁構造耐火性能之試驗. 進行量測。因為位移計 (Linear Variable Differential Transducer, LVDT) 不耐高溫，故需在試體上方設置一根陶瓷棒，再利用位移計量測陶瓷 棒的相對變位，從而監測鋼梁的撓曲度，位移計與陶瓷棒的設置如圖. 3-4 所示。在淨跨距的 1/4 及 3/4 處亦會使用相同方法量測撓曲度。. 圖 3-2 鋼梁表面熱電偶測點配置位置. (資料來源：本研究整理). 圖 3-3 試體縱向熱電偶測點配置位置. (資料來源：本研究整理). 15.
(30) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 圖 3-4 位移計與陶瓷棒的設置. (資料來源：本研究整理). 第四節. 試體製作. 試體製作程序如下：. 1. 製作鋼梁及鋼承板 2. 安裝熱電偶線 3. 樓板灌漿 4. 防火被覆施工 5. 防火被覆養護. 鋼梁及鋼承板組裝後運往台南縣歸仁鄉內政部建築研究所防火 實驗中心，在鋼承板上澆灌混凝土為樓板，如圖 3-5 與 3-6 所示。之 後進行熱電偶之安裝，熱電偶線安裝完成後進行檢測，以確定熱電偶. 16.
(31) 第三章 鋼梁構造耐火性能之試驗. 線安裝後能正常傳輸訊號，熱電偶施工如圖 3-7 與 3-8 所示。. 圖 3-5 試體樓板混凝土澆注施工 (資料來源：本研究). 圖 3-6 試體樓板混凝土施工完成. (資料來源：本研究). 17.
(32) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 圖 3-7 鋼梁腹板熱電偶線設置 (資料來源：本研究). 圖 3-8 鋼梁下翼板熱電偶線設置 (資料來源：本研究). 18.
(33) 第三章 鋼梁構造耐火性能之試驗. 防火被覆施工前，在鋼梁上設置鋼網，如圖 3-9 所示，以增加附 著力降低發生剝落分離的情況。鋼梁設置鋼網後進行防火被覆施工， 如圖 3-10 至 3-13 所示。防火被覆施工後按照規定要求，能以適當方 法確認達到規定要求達到氣乾狀態平衡，得縮短其乾燥時間，否則按 照要求濕式工法施工者需養護二個月以上。按照 CNS 12514 第 3.11.2 節對氣乾狀態要求，氣乾狀態係指構成材料之含水率如木材為 15%以 下，石膏等含有結晶水材料在 40°C 達到恆重時，為 2%以下，其他材 料則為 5%以下。但試體置於室內其含水率達到一定之平衡者則不在 此限。本試驗試體以含水率達到一定之平衡為要求。 本計劃進行材料性質試驗，混凝土圓柱試體抗壓試驗及鋼梁鋼材 拉力試片試驗。預拌混凝土強度為 20.7 MPa (3,000 psi)。混凝土圓柱 試體以抗壓試驗測得 28 天強度為 27.2 MPa。進行試體耐火試驗時混 凝土強度約為 30.2 MPa (4.380 psi)。鋼梁翼板與腹板切割取得之鋼材 拉力試片進行拉力試驗，進行兩組翼板之試片 Flange 1 及 Flange 2， 兩組腹板之試片 Web 1 及 Web 2。拉力試片之應力應變曲線圖如圖. 3-14 至圖 3-17 所示。測得 Flange 1 降伏強度為 335 MPa 及彈性模數 為 202 GPa；Flange 2 降伏強度為 342 MPa 及彈性模數為 202 GPa；. Web 1 降伏強度為 354 MPa 及彈性模數為 199 GPa；Web 2 降伏強度 為 374 MPa 及彈性模數為 206 GPa。所以鋼材平均降伏強度為 351. MPa，平均彈性模數為 202 GPa。. 19.
(34) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 圖 3-9 鋼梁鋼網施工. (資料來源：本研究). 圖 3-10 鋼梁防火被覆施工(一) (資料來源：本研究). 20.
(35) 第三章 鋼梁構造耐火性能之試驗. 圖 3-11 鋼梁防火被覆施工(二) (資料來源：本研究). 圖 3-12 鋼梁防火被覆施工(三) (資料來源：本研究). 21.
(36) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 圖 3-13 鋼梁防火被覆完成施工 (資料來源：本研究) 500. Stress (MPa). 400. 300. 200. 100. 0 0. 0.04. Strain. 0.08. 0.12. 圖 3-14 鋼梁翼板 Flange-1 應力應變曲線. (資料來源：本研究整理). 22.
(37) 第三章 鋼梁構造耐火性能之試驗 500. Stress (MPa). 400. 300. 200. 100. 0 0. 0.04. 0.08. Strain. 0.12. 0.16. 0.2. 圖 3-15 鋼梁翼板 Flange-2 應力應變曲線. (資料來源：本研究整理) 500. Stress (MPa). 400. 300. 200. 100. 0 0. 0.04. 0.08. Strain. 0.12. 0.16. 0.2. 圖 3-16 鋼梁腹板 Web-1 應力應變曲線. (資料來源：本研究整理). 23.
(38) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究 600. Stress (MPa). 400. 200. 0 0. 0.04. 0.08. Strain. 0.12. 0.16. 0.2. 圖 3-17 鋼梁腹板 Web-2 應力應變曲線. (資料來源：本研究整理). 第五節. 試驗設置. 經過養護後之試體吊裝到試驗設備中，試體設置於加溫爐內之情 況如圖 3-18 所示。試驗設置如圖 3-19 至 3-21 所示。試體兩端設置支 承端之細部機制如圖 3-22 所示，北側及南側支撐如圖 3-23 及 3-24 所 示。試體吊裝完畢後蓋上爐蓋板。之後把位移計安裝在試體上，圖. 3-25 所示。最後將加載設備吊裝到試驗框架上，如圖 3-26 所示。之 後把位移計及熱電偶線連接資料擷取器，最後把所有空隙填塞防火棉 防止實驗進行時高溫氣體冒出產生危險。. 24.
(39) 第三章 鋼梁構造耐火性能之試驗. 圖 3-18 試體安裝於加溫爐內情況 (資料來源：本研究). 圖 3-19 試驗設置上視圖. (資料來源：本研究整理). 25.
(40) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 圖 3-20 試驗設置 B-B 視圖. (資料來源：本研究整理). 圖 3-21 試驗設置 A-A 視圖. (資料來源：本研究整理). 26.
(41) 第三章 鋼梁構造耐火性能之試驗. 圖 3-22 支承端之細部機制. (資料來源：本研究整理). 圖 3-23 北側支撐. (資料來源：本研究). 27.
(42) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 圖 3-24 南側支撐. (資料來源：本研究). 圖 3-25 位移計設置. (資料來源：本研究). 28.
(43) 第三章 鋼梁構造耐火性能之試驗. 圖 3-26 加溫爐與試驗設置. (資料來源：本研究). 第六節. 試驗步驟. 試驗設備安裝完成後開始進行實驗，當進行加載試驗時，按照規 定試驗載重在實驗開始之前至少 15 分鐘加載至試體，並保持加載不 變直至變形不再增加。本次實驗施加服務性載重，按照試驗法要求加 載點位於試體支撐間距的 1/8、3/8、5/8 及 7/8 的地方，即分別距左右 支撐點 1 m 及 3 m 處設置加載點，根據容許應力法計算(附錄三)，此 斷面尺寸的試體能承受 412.1 kN-m 的彎矩，在常溫下能承受服務性 載重為 51.5 kN/m 的均佈載重，扣除鋼梁及樓板自重後，每個加載點 需施加 95.5 kN (9.7 tf) 的力量，直至實驗結束需維持此載重。 當實驗正式開始時爐內按照下式所示進行數值控制加熱，依據. 29.
(44) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. CNS 標準加熱溫度–時間曲線，如圖 3-27 所示。. T = 345 log10 (8t + 1) + 20 式中，T = 平均爐內溫度(°C). t = 試驗經過時間(分). 圖 3-27 標準加熱溫度-時間曲線. (資料來源：CNS 12514). 第七節. 試驗終止條件. 本研究計畫試驗將以下列原因終止試驗：. 1. 達到性能基準設定指標。 2. 因人員安全或設備可能遭受破壞之因素，試驗須立即停止。. 30.
(45) 第三章 鋼梁構造耐火性能之試驗. 第八節. 性能基準與判定. 三組試體計劃根據標準加熱溫度-時間曲線加溫 1 小時後結束試 驗。本次試驗量測試體梁跨距中點之撓度為最重要部份，因試驗法. CNS 15241 評定防火時效有兩個方法: 1. 無載重條件之下鋼材溫度最高值若超過 550°C 或平均值 500°C 即表示試體構造已達破壞溫度，視為耐火性能失敗。. 2. 載重時試體撓度超過最大撓曲度規定或撓曲速率超過最大撓曲 速率規定，即視為承重能力失敗。 按照 CNS 15241 對水平承重構造承重能力規定為以下所示： 最大撓曲度(mm)， D = L2 / 400d dD L2 最大撓曲速率(mm/min)， = dt 9000d. 式中，L = 試體之淨跨度(支承點間距)，(mm)。. d = 試體構造斷面之壓縮側緣至拉伸側緣之距離，(mm)。 鋼梁 RH588×300×12×20 以 8 m 淨跨距在試驗時所容許的撓曲度 為 272.1 mm，最大撓曲速率為 12.1 mm/min。. 31.
(46) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 32.
(47) 第四章 鋼梁耐火性能之有限元素分析. 第四章. 鋼梁耐火性能之有限元素分析 第一節. 研究方法及步驟. 本計畫以 ABAQUS 有限元素軟體為分析工具。由於國內對於鋼 材受熱後之性質資料並不完備，因此分析使用之鋼材性質資料採用歐 洲規範 Eurocode 3。分析所需鋼材性質資料可分為兩類，分別為力學 性質(Mechanical property)與熱性質(Thermal property)資料。力學性質 資料可包括鋼材於不同溫度相對於常溫之鋼材線彈性範圍折減係 數、有效降伏強度折減係數與比例限度折減係數等參數。熱性質資料 有 鋼 材 於 不 同 溫 度 下 之 比 熱 (Specific heat) 、 熱 傳 導 性 (Thermal. conductivity)與熱膨脹性(Thermal expansion)等性質。研究步驟為利用 上述資料進行有限元素分析模型建置，待試體鋼梁耐火試驗完成後， 將試驗所得數據輸入 ABAQUS 軟體中進行模型調整與修改，把分析 結果與試驗結果比對。預期利用 ABAQUS 分析軟體配合試驗所得之 鋼梁耐火試驗結果，建立有限元素分析模型，供後續研究之用。. 第二節 歐洲規範 Eurocode 3 鋼材高溫性質 壹、鋼材在高溫下之應力應變關係 高溫下之鋼材強度與變形性質在每分鐘 2 至 50 K 加熱速率之情 形下所得之應力應變關係如表 4-1 及圖 4-1 所示，鋼材溫度在 400°C. 33.
(48) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 以下考慮應變硬化的情形，圖 4-1 中 ε s,θ 為應變硬化段的應變，範圍 在從 0.02 到 0.04。其他對應圖 4-1 的參數計算如下： 其中 T 為鋼材溫度(°C)， f u ,θ 為鋼材的極限強度， f y ,θ 為鋼材的降伏強 度， ε 為鋼材的應變， σ a 為鋼材的應力。 當 T < 300°C 時，. f u ,θ = 1.25f y,θ. ( 4-1 ). 當 300°C ≤ T < 400°C 時，. f u ,θ = f y ,θ (2 − 0.0025T ). ( 4-2 ). 當 T ≥ 400°C 時，. f u ,θ = f y ,θ. ( 4-3 ). 當 0.02 < ε < 0.04 時， σ a = 50(f u ,θ − f y ,θ )ε + 2f y,θ − f u ,θ. ( 4-4 ). 當 0.04 ≤ ε ≤ 0.15 時， σ a = f u ,θ. ( 4-5 ). 當 0.15 ≤ ε ≤ 0.20 時， σ a = f u ,θ [1 − 20(ε − 0.15)]. ( 4-6 ). 當 ε ≥ 0.20 時，. σ a = 0.00. 34. ( 4-7 ).
(49) 第四章 鋼梁耐火性能之有限元素分析. 表 4-1 Eurocode 3 鋼材在高溫下之應力應變關係 應變範圍. 應力. 正切模數. ε ≤ ε p ,θ. εE a , θ. E a ,θ. ε p ,θ < ε < ε y , θ. [. f p ,θ − c + (b a ) a 2 − (ε y ,θ − ε ). ]. 2 0.5. [. b(ε y ,θ − ε ). a a 2 − (ε y ,θ − ε ). ε y ,θ < ε < ε t ,θ. f y ,θ. 0. ε t ,θ < ε < ε u ,θ. f y ,θ [1 − (ε − ε t ,θ ) (ε u ,θ − ε t ,θ )]. -. ε < ε u ,θ. 0.00. -. 參數. ]. 2 0.5. ε p ,θ = f p ,θ E a ,θ ε y ,θ = 0.02 ε t ,θ = 0.15 ε u ,θ = 0.20 a 2 = (ε y ,θ − ε p ,θ )(ε y ,θ − ε p ,θ + c E a ,θ ). 函數. b 2 = c(ε y ,θ − ε p ,θ )E a ,θ + c 2. (f − f ) c= (ε − ε )E − 2(f 2. y ,θ. y ,θ. p ,θ. p ,θ. a ,θ. y ,θ. − f p ,θ ). (資料來源：本研究整理). 35.
(50) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 圖 4-1 Eurocode 3 鋼材在高溫下考慮應變硬化之應力應變關係. (資料來源：Eurocode 3). 貳、鋼材在高溫下之力學性質折減係數 歐洲規範 Eurocode 3 定出鋼材在不同溫度下彈性模數 E a ,θ 與常 溫下彈性模數 E a 之比值，以及鋼材在不同溫度下比例極限 f p ,θ 與降伏 強度 f y ,θ 和常溫下降伏強度之比值，其結果如表 4-2 與圖 4-2 所示。. 36.
(51) 第四章 鋼梁耐火性能之有限元素分析. 表 4-2 Eurocode 3 鋼材在高溫下之力學性質折減係數 在 θa 溫度相對於 20°C 之降伏強度 fy 或彈性係數 Ea 之折減係數 有效降伏強度. 比例限度. 線彈性範圍斜. 折減係數. 折減係數. 率折減係數. (相對於 fy). (相對於 fy). (相對於 Ea). K y ,θ = f y ,θ f y. K p ,θ = f p ,θ f y. K E ,θ = E a ,θ E a. 鋼材溫度 θa. 20°C. 1.000. 1.000. 1.000. 100°C. 1.000. 1.000. 1.000. 200°C. 1.000. 0.807. 0.900. 300°C. 1.000. 0.613. 0.800. 400°C. 1.000. 0.420. 0.700. 500°C. 0.780. 0.360. 0.600. 600°C. 0.470. 0.180. 0.310. 700°C. 0.230. 0.075. 0.130. 800°C. 0.110. 0.050. 0.090. 900°C. 0.060. 0.0375. 0.0675. 1000°C. 0.040. 0.0250. 0.0450. 1100°C. 0.020. 0.0125. 0.0225. 1200°C. 0.000. 0.0000. 0.0000. 註：可由線性內插求得介於鋼材溫度間之值。. (資料來源：本研究整理). 37.
(52) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 1. Effective yield stress Slope of linear elastic range Proportional limit. Reduction factor. 0.8. 0.6 0.4. 0.2 0 0. 200. 400 600 800 o Temperature ( C). 1000 1200. 圖 4-2 Eurocode 3 鋼材在高溫下之力學性質折減係數. (資料來源：本研究整理). 参、鋼材之熱傳導係數 由於鋼梁受熱後溫度分佈並不均勻，故需要鋼材之熱傳導係數與 不同溫度之關係，如圖 4-3 所示，計算公式如下： 其中 λ a 為鋼材的熱傳導係數 ( W mK) 。 當 20°C ≤ T < 800°C 時，. λ a = 54 − 3.33 × 10 −2 T. ( 4-8 ). 當 800°C ≤ T ≤ 1200°C 時，. λ a = 27.3. 38. ( 4-9 ).
(53) 第四章 鋼梁耐火性能之有限元素分析. Thermal conductivity (W / mK). 60 50 40 30 20 10 0 0. 200. 400 600 800 o Temperature ( C). 1000. 1200. 圖 4-3 Eurocode 3 鋼材熱傳導係數. (資料來源：本研究整理). 肆、鋼材之比熱 比熱的定義為單位物質升高 1°C 所需之熱能。鋼材之比熱如圖 4-4 所示，由圖可知當溫度約 750°C 時鋼材比熱突然升高，計算公式如下： 其中 c a 為鋼材的比熱 (J / kgK ) 。 當 20°C ≤ T < 600°C 時，. c a = 425 × 7.73 × 10 −1 T − 1.69 × 10 −3 T 2 + 2.22 × 10 −6 T 3. ( 4-10 ). 當 600°C ≤ T < 735°C 時，. c a = 666 +. 13002 738 − T. ( 4-11 ). 當 735°C ≤ T < 900°C 時，. 39.
(54) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. c a = 545 +. 17820 T − 731. ( 4-12 ). 當 900°C ≤ T ≤ 1200°C 時，. c a = 650. ( 4-13 ) 5000 4500. Specific heat (J/kgK). 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0. 200. 400 600 800 o Temperature ( C). 1000 1200. 圖 4-4 Eurocode 3 鋼材比熱. (資料來源：本研究整理). 伍、鋼材之熱膨脹係數 歐洲規範 Eurocode 3 建議熱膨脹係數 α = 14 × 10 −6 (°C) −1 ，但本文 採用 Touloukian 等人 (1977)研究所提供的鋼材熱膨脹係數公式，採 用此公式可得知不同溫度所對應的熱膨脹係數，公式以三階多項式計 算熱膨脹係數，公式如下：. α(T ) = α 0 + α1T + α 2 T 2 + α 3T 3. 40. ( 4-14 ).
(55) 第四章 鋼梁耐火性能之有限元素分析. 其中， α 0 = 7.3633 × 10 −6 (°C) −1 ；. α1 = 1.8723 × 10 −8 (°C) −2 ； α 2 = −9.8382 × 10 −12 (°C) −3 ； α 3 = 1.6718 × 10 −16 (°C) −4 。. 第三節. 數值模擬方法與步驟. ABAQUS 不僅能夠進行線性或非線性的結構分析，而且能夠分 析包括熱傳導、質量擴散、電子元件的熱控制、聲學、土壤力學和壓 電等各種廣闊領域中的問題。ABAQUS 對於組合構件問題，經由給 予每個合適的材料模型，並且定義構件之間的交互作用，能夠簡易的 組裝成型進行分析。在非線性分析中，ABAQUS 能自動選擇合適的 負載增量和收斂準則，並在分析過程中也能不斷調整這些參數，以確 保能獲得正確的分析結果。ABAQUS 中沒有固定的單位系統，分析 時必須指定一致性的單位如表 4-3，本分析採用 SI 單位系統。. 41.
(56) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 表 4-3 有限元素分析 ABAQUS 單位表 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(103 kg). slug. lbf s 2 in. 時間. s. s. s. s. 應力. Pa ( N m 2 ). MPa ( N mm 2 ). lbf ft 2. psi(lbf in 2 ). 能量. J. mJ(10 −3 J). ft lbf. in lbf. 密度. kg m 3. tonne mm 3. slug ft 3. lbf s 2 in 4. (資料來源：本研究整理). 壹、分析基本假設 使用 ABAQUS 分析軟體進行分析模擬，其細節及假設如下：. 1. 忽略試體於製作或銲接等因素產生殘留應力之影響。 2. 試體在加溫爐加熱時，忽略加溫爐噴嘴經由熱對流及熱輻射方式 將熱傳導至試體。. 3. 忽略剪力釘的分析，假設鋼梁與樓板有完全之握裹。. 貳、分析步驟 對於鋼梁與樓板結合之複合梁在高溫環境下行為進行數值分. 42.
(57) 第四章 鋼梁耐火性能之有限元素分析. 析。所使用的分析分別為熱傳分析、非線性應力分析以及結合兩者的 接續性耦合分析(Sequentially Coupled Thermal-Stress Analysis)。有限 元素模型如圖 4-5 至圖 4-8 所示，分析流程如圖 4-9 所示。. 圖 4-5 鋼梁模型. (資料來源：本研究). 圖 4-6 鋼承板模型. (資料來源：本研究). 43.
(58) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 圖 4-7 混凝土模型. (資料來源：本研究). 圖 4-8 試體網格劃分. (資料來源：本研究). 44.
(59) 第四章 鋼梁耐火性能之有限元素分析. 繪製部件. 改變分析元素為 應力分析元素. 輸入鋼材性質並 定義於各個部件. 設定負載及邊界條件. 將部件裝配. 進行非線性應力分析. 建立熱傳分析步. 輸入熱傳分析結果. 施加溫度歷時. 建立網格並使用 熱傳分析元素. 進行接續性耦合分析. 輸出結果. 進行熱傳分析. 圖 4-9 ABAQUS 分析流程圖. (資料來源：本研究). 甲、熱傳分析 根據熱電偶線量測所得數據，對複合梁模型各部份個別施加溫度. 45.
(60) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 歷時。分析使用熱傳分析元素，鋼梁使用 DC3D8 元素(為八個節點的 六面體的元素 ) ，樓板使用 DC3D4 元素 ( 為四個節點的四面體的元 素)。模型中節點溫度歷時被儲存在熱傳分析結果內，供接續性耦合 分析之用。. 乙、非線性應力分析 模擬複合梁受四點加載情形。在非線性應力分析中，對模型施加 載重及邊界條件。分析使用三維應力分析元素，鋼梁使用 C3D8I 元 素(為八個節點的六面體的元素)，樓板使用 C3D4 元素(為四個節點的 四面體的元素)。經由非線性應力分析，可得到試體在每個時間點的 位移、應力及應變等反應。. 丙、接續性耦合分析 試體在試驗中同時受到溫度及載重的作用，接續性耦合分析即是 結合熱傳分析以及非線性應力分析兩種分析結果，將溫度及載重效應 同時反應出來的分析方法。在接續性耦合分析中熱傳分析結果不會受 到非線性應力分析所影響。先進行熱傳分析得到節點溫度資料，在進 行非線性應力分析得到常溫下試體加載後之反應，再將熱分析結果輸 入非線性應力分析中進行接續性耦合分析，求得複合梁受溫度及載重 與之反應。. 46.
(61) 第五章 試驗與分析結果與討論. 第五章. 試驗與分析結果與討論 第一節. 試體行為. 本次計劃共進行 3 組加載及無加載之加溫試驗，試體 1 為 11 mm 防火被覆進行無載重試驗，試體 2 為 14 mm 防火被覆進行載重試驗， 試體 3 為 11 mm 防火被覆進行載重試驗。三組試體按升溫曲線加溫 1 小時後，爐內溫度約為 945°C。本次試驗按照 CNS 12514 標準規定 之判定基準，無加載試驗之破壞基準為鋼梁表面任一測點之溫度超過. 550°C 或平均溫度超過 500°C，有加載試驗之破壞為試體最大撓曲度 超過 272.1 mm 或最大撓曲速率超過 12.1 mm/min。本次試驗結果彙 整於表 5-1。 表 5-1 試驗結果簡表 編號. 防火被 覆厚度. 加載點 載重. 爐內 1 小 時試體平 均溫度. 1. 11 mm. 無. 942.5°C. 635.9°C(2B) 36.13 mm. 不通過. 2. 14 mm. 95.5 kN. 944.2°C. 538.2°C(2B) 32.01 mm. 通過. 3. 11 mm. 95.5 kN. 943.6°C. 650.9°C(3B) 42.78 mm. 通過. 熱電偶測點 最高溫度. 1 小時最 大撓曲度. 依 CNS 判 定 1 小時 防火時效. (資料來源：本研究整理) 壹、試體 1 這組試體為 UL 規定 1 小時防火時效之試體，防火被覆厚度為. 11 mm，進行無加載之加溫試驗。試驗加溫 1 小時，量測到爐內之升. 47.
(62) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 溫曲線如圖 5-1 所示。加溫進行約 16 分鐘，爐內平均溫度約 760.3°C， 鋼梁熱電偶測點平均溫度為 134.4°C，最高溫處達到 193.6°C。試驗進 行約 48 分鐘，鋼梁熱電偶測點 2B 量測溫度超過 550.0°C。試驗加溫. 1 小時，爐內平均溫度為 942.5°C，最高溫處達到 954.0°C，鋼梁熱電 偶測點最高溫發生在編號為 2B 點，溫度為 635.9°C，比規定要求高 出 85.9°C，平均溫度為 500.2°C，稍為高出規定要求 0.2°C，試體跨 距中點之撓曲度為 36.1 mm，最大撓曲速率為 1.2 mm/min。試驗結束 後加溫爐內之溫度下降到 50°C 以下時，觀察到試體之防火被覆出現 很多裂縫，散佈在試體腹板及梁下翼板處，另外亦觀察到試體存有永 久變形(試體跨距中點 23 mm)，混凝土樓板出現裂縫，鋼承板出現局 部挫屈，試驗後等待冷卻後試體情況如圖 5-2，防火被覆裂縫如圖 5-3 所示。. 48.
(63) 第五章 試驗與分析結果與討論. Temperature (oC). 1200. 800. 400 CNS 12514 標 準 升 溫 曲 線 CNS 12514 標 準 升 溫 曲 線 上 限 值 CNS 12514 標 準 升 溫 曲 線 下 限 值 爐內 平 均 溫 度. 0 0. 20. Time (min). 40. 60. 圖 5-1 試體 1 之加溫爐升溫曲線. (資料來源：本研究整理). 圖 5-2 試體 1 試驗後試體在爐內情況 (資料來源：本研究). 49.
(64) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. (a). (b). 圖 5-3 試體 1 試驗後防火被覆裂縫 (資料來源：本研究). 50.
(65) 第五章 試驗與分析結果與討論. 貳、試體 2 本組試體之防火被覆厚度是以 UL 認證 1 小時防火時效的 1.25 倍設計，此設計符合 CNS 若取用 UL 所認證厚度之要求，所以防 火被覆厚 14 mm。這組試驗四個加載點各加載 95.5 kN，此力量在試 驗前 15 分鐘加載到試體上。力量之加載分為三個步驟進行，每個加 載點先加載到 29.4 kN，等待力量加載穩定後加載到 49.1 kN，之後再 加載到 95.5 kN。當加載力量穩定後，試體跨距中點產生 8.2 mm 之撓 曲度。等待 15 分鐘即進行加溫試驗。試驗加溫 1 小時升溫曲線如圖. 5-4 所示。當加溫進行約 20 分鐘後，從觀視窗觀察到試體中部加勁板 間及其他部份下翼板之防火被覆產生明顯裂縫，如圖 5-5 所示，但從 熱電偶測點監測溫度沒有明顯加快，這些裂縫推測是由於試體撓曲度 較大而產生。加溫約 30 分鐘，撓曲度變化逐漸增大，此時平均溫度 約為 200.0°C，測點最高溫則達到 278.7°C，鋼梁腹板溫度較其他位置 測點高，溫度在 217.2°C 至 278.7°C 之間。加溫 1 小時，爐內平均溫 度為 944.2°C，最高溫為 961.2°C，熱電偶測點最高溫為 538.2°C，平 均溫度為 412.6°C；試體梁跨距中點之撓曲度為 32.0 mm，最大撓曲 速率為 1.8 mm/min。為進一步探討試體加溫超過 1 小時效之行為，延 續進行加溫試驗至 2 小時。於加溫 62 分鐘時出現鋼梁熱電偶測點溫 度達到 550°C。加溫 75 分鐘時熱電偶測點平均溫度超過 500°C。最終 撓曲度為 183.0 mm。試驗結束後，發現有明顯之永久變形(試體跨距. 51.
(66) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 中點 98 mm)，混凝土樓板出現細微裂縫，鋼承板局部挫屈，並觀察 到防火被覆損壞嚴重，如圖 5-6 至圖 5-8 所示。. Temperature (oC). 1200. 800. 400 CNS 12514 標 準 升 溫 曲 線 CNS 12514 標 準 升 溫 曲 線 上 限 值 CNS 12514 標 準 升 溫 曲 線 下 限 值 爐內 平 均 溫 度. 0 0. 20. Time (min). 40. 圖 5-4 試體 2 之加溫爐升溫曲線. (資料來源：本研究整理). 52. 60.
(67) 第五章 試驗與分析結果與討論. 圖 5-5 試體 2 試驗時裂縫出現情況 (資料來源：本研究). 圖 5-6 試體 2 試驗後試體在爐內情況 (資料來源：本研究). 53.
(68) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 圖 5-7 試體 2 試驗後防火被覆裂縫 (資料來源：本研究). 圖 5-8 試體 2 試驗後試體之永久變形 (資料來源：本研究). 54.
(69) 第五章 試驗與分析結果與討論. 参、試體 3 此組試體之防火被覆厚為 11 mm，載重條件與試體 2 相同，施加 載重後試體跨距中點產生 6.9 mm 之撓曲度。試驗加溫 1 小時升溫曲 線如圖 5-9 所示。試驗進行到約 22 分鐘後，試體跨距中點之撓曲速 率逐漸加快，此時熱電偶測點最高溫度達 267.5°C ，平均溫度約. 206.2°C。加溫約 27 分鐘，試體之防火被覆陸續出現裂縫，散佈在腹 板及梁下翼板處，如圖 5-10 所示。加溫試驗進行 46 分鐘，熱電偶測 點 3B 已超過 550°C。58 分鐘時平均溫度超過 500°C。試驗加溫 1 小 時後，跨距中點之撓曲度為 42.8 mm，最大撓曲速率為 1.0 mm/min。 鋼 梁 熱 電 偶 最 高 溫 測 點 3B 測 出 溫 度 為 650.9°C ， 平 均 溫 度 為. 514.3°C。在加溫試驗進行中從兩側支承處觀察到試體有出現扭轉的 情況，如圖 5-11 所示。為進一步探討試體加溫超過 1 小時效之行為， 延續進行加溫試驗至 93 分鐘。最終跨距中點之撓曲度為 262.2 mm。 等待爐內溫度降低後，觀察到防火被覆出現裂縫，以及試體有明顯之 永久變形(試體跨距中點 150 mm)，如圖 5-12 至圖 5-13 所示。. 55.
(70) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. Temperature (oC). 1200. 800. 400 CNS 12514 標 準 升 溫 曲 線 CNS 12514 標 準 升 溫 曲 線 上 限 值 CNS 12514 標 準 升 溫 曲 線 下 限 值 爐內 平 均 溫 度. 0 0. 20. Time (min). 40. 圖 5-9 試體 3 之加溫爐升溫曲線. (資料來源：本研究整理). 圖 5-10 試體 3 試驗時裂縫出現情況 (資料來源：本研究). 56. 60.
(71) 第五章 試驗與分析結果與討論. 圖 5-11 試體 3 支撐端扭轉情況 (資料來源：本研究). 圖 5-12 試體 3 試驗後在爐內情況 (資料來源：本研究). 57.
(72) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 圖 5-13 試體 3 試驗後防火被覆裂縫 (資料來源：本研究). 第二節. 試驗結果. 三組試體加溫 1 小時後其各斷面加溫 1 小時後之溫度數據整理於 表 5-2。試驗結果與國內外規範比較如表 5-3 所示。三組試體撓曲度 與時間之關係如圖 5-14 至圖 5-16 所示。三組試體永久變形如圖 5-17 所示。 壹、試體 1 試體 1 無加載，以 CNS 12514 判定耐火性能破壞條件為以破壞 溫度為基準，因熱電偶測點 2B 在 48 分鐘時最高溫度已超過 550°C； 並且在未達到 1 小時的時候，平均溫度亦超過容許之 500°C，故此組. 58.
(73) 第五章 試驗與分析結果與討論. 試體並不滿足 1 小時防火時效之要求。本組試體完成 1 小時加熱後， 其熱電偶測點最高溫度為 635.9°C，平均溫度為 500.2°C，並未超過 UL 規範之最高溫度 649°C 及平均溫度 538°C，所以此組試體滿足 UL 之. 1 小時防火時效。1 小時後此組試體跨度中點之撓曲度為 36.1 mm。 貳、試體 2 試體 2 之防火被覆厚度為 14 mm，為 UL 規範 1 小時防火時效 所需防火被覆厚度的 1.25 倍，亦為 CNS 之要求。本組試體進行加 載試驗，按照 CNS 12514 進行載重試驗是以承重破壞為破壞基準。 當加溫試驗進行 1 小時，鋼梁跨度中點之撓曲度為 32.0 mm 及撓曲速 率 1.8 mm/min 均未超過容許之要求，未達到規範定義之承重破壞， 所以本組試體滿足 1 小時防火時效。若以 CNS 無載重試驗之破壞溫 度判定基準來討論，本組試體經過 60 分鐘加溫後，其熱電偶測點最 高溫度為 538.2°C，平均溫度 412.6°C，均沒有達到破壞溫度；所以， 此組試體若以破壞溫度判別亦滿足 1 小時防火時效所要求。 若以 UL 263 規範來討論，試體在加溫 1 小時並沒有超過單點最 高容許溫度 704°C 及平均容許溫度 593°C；當加溫 92 分鐘後，熱電 偶測點最高溫度出現超過 704°C；約 95 分鐘後則出現平均溫度超過. 593°C，故本組試體滿足 UL 規範 1 小時防火時效。. 59.
(74) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 参、試體 3 試體 3 之防火被覆厚度為 11 mm，為 UL 規範 1 小時防火時效 所需之防火被覆厚度，但並不滿足 CNS 1 小時防火時效所需厚度。 本組試體進行載重試驗，根據 CNS 為以承重破壞為破壞基準。試驗. 1 小時，跨距中點之撓曲度為 42.8 mm，撓曲速率為 1.0 mm/min，並 沒 有 超 過 規 定 的 最 大 撓 曲 度 272.1 mm 及 最 大 撓 曲 速 率 12.1. mm/min，所以滿足 1 小時防火時效。但若以無載重試驗之破壞溫度 基準，試驗進行到 46 分鐘時，熱電偶最高溫測點已超過 550°C，58 分鐘時平均溫度超過 500°C，所以以破壞溫度基準判定，此試體 3 不 符合 1 小時防火時效。 若以 UL 263 規範討論，同樣地，試體 3 在 1 小時內並沒有出現 單點超過 704°C 及平均溫度超過 593°C；加溫到 73 分鐘時才出現單 點超過 704°C；74 分鐘則出現平均溫度剛達到 593°C，故此組試體滿 足 UL 之 1 小時防火時效。. 60.
(75) 第五章 試驗與分析結果與討論. 表 5-2 試體各斷面加溫 1 小時後之溫度(°C) 試體各斷面加溫 1 小時後之溫度(°C) 熱電偶線編號. 試體 1. 試體 2. 試體 3. 1A 1B 1C 1D 2A 2B 2C 2D 3A 3B 3C 3D 4A 4B 4C 4D 5A 5B 5C 5D. 350.2 616.7 552.3 527.4 293.6 635.9 555.1 532.1 357.9 603.6 561.8 525.2 305.1 627.7 572.9 532.7 325.2 560.9 481.6 486.0. 286.1 470.4 403.4 385.7 260.7 538.2 448.1 412.8 296.3 520.1 457.1 437.3 276.6 502.4 462.0 438.3 267.7 502.8 458.3 428.0. 370.9 373.2 378.2 341.1 373.1 589.2 602.6 613.3 611.0 650.9 511.0 569.8 542.0 554.2 566.3 490.1 540.5 517.3 542.4 549.4. 試體平均溫度. 500.2. 412.6. 514.3. 單點最高溫度. 635.9. 538.2. 650.9. (資料來源：本研究整理). 61.
(76) 412.6°C (Pass) 514.3°C (在 58 分達 500°C) (Fail). 538.2°C (Pass). 650.9°C (在 46 分達 550°C) (Fail). 試體 1. 試體 2. 試體 3. 62. (資料來源：本研究整理). 500.2°C (在 59 分達 500°C) (Fail). 635.9°C (在 48 分達 550°C) (Fail). 42.8 mm. 32.0 mm. (Pass). 1.00 mm/min. (Pass). 1.8 mm/min. N/A. 650.9°C (Pass). 538.2°C (Pass). N/A. 514.3°C. 412.6°C. 平均溫度 (容許 593°C). UL 性能基準與判定 加載試驗 加溫 1 小時之結果 單點溫度 (容許 704°C). 表 5-3 試驗結果與防火時效判定. CNS 性能基準與判定 加溫 1 小時 破壞溫度之結果 加載試驗之結果 單點溫度 撓曲度 撓曲速率 平均溫度 (容許 (容許 272.1 (容許 12.1 (容許 500°C) 550°C) mm) mm/min). 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究.
(77) 第五章 試驗與分析結果與討論. O. Temperature ( C). 600 400 200 Time (min). Deflection (mm). 0 -10. 0. 20. 40. 60. -20 -30 -40. 圖 5-14 試體 1 之時間-試體跨距中點撓曲度-鋼梁表面熱電偶測點平 均溫度圖. (資料來源：本研究整理). Temperature ( C). 800 O. 600 400 200 Time (min). Deflection (mm). 0 -40. 0. 40. 80. 120. -80. -120 -160. 圖 5-15 試體 2 之時間-試體跨距中點撓曲度-鋼梁表面熱電偶測點平 均溫度圖. (資料來源：本研究整理). 63.
(78) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. O. Temperature ( C). 800 600 400 200 Time (min). Deflection (mm). 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. -100 -200 -300. 圖 5-16 試體 3 之時間-試體跨距中點撓曲度-鋼梁表面熱電偶測點平 均溫度圖. (資料來源：本研究整理). 圖 5-17 三組試體試驗結束後永久變形情形 (資料來源：本研究). 64.
(79) 第五章 試驗與分析結果與討論. 第三節. 試驗結果討論. 壹、加載與否之影響 試體 1 與試體 3 具有相同防火被覆厚度 11 mm，試體 1 無加載， 試體 3 為加載試驗。從熱電偶線監測到這兩試體之溫度接近，兩組試 體達到單點破壞溫度 550°C 及平均破壞溫度 500°C 時間只相差 2 分 鐘。顯示在有樓板之試體加載與否對鋼梁溫度之影響甚小，但依目前. CNS 規範，試體未能通過破壞溫度者，卻能通過載重試驗之 1 小時 防火時效。從位移計量測兩組試體之撓曲度，試體 3 受到載重影響， 令 1 小時加溫時其跨距中點撓曲度為 42.8 mm，試體 1 則為 36.1 mm。. 貳、防火被覆厚度之影響 比較試體 2 與試體 3 (如圖 5-18 所示)，兩者皆為加載試驗，試體. 2 防火被覆厚度為 14 mm，試體 3 為 11 mm。試驗結果顯示從鋼梁熱 電偶測點量測加溫 1 小時之單點溫度與平均溫度分別為試體 2 ：. 538.2°C 與 412.6°C，試體 3：650.9°C 與 514.3°C。明顯看出防火被覆 之影響，防火被覆越厚，熱傳導越慢，試體升溫較慢。若以 CNS 破 壞溫度判定，試體 2 可達 1 小時防火時效，而試體 3 則不符合。 試體 2 與試體 3 加溫 1 小時，試體跨距中點之撓曲度分別為 32.0. mm 與 42.8 mm。此時試體 2 鋼梁熱電偶測點之平均溫度為 412.6°C， 試體 3 則為 514.3°C。依據 Eurocode 3 規範，表 4-2 所列之比例限度. 65.
(80) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 與彈性模數折減係數分別為試體 2：0.412 與 0.687，試體 3：0.334 與. 0.559。因而防火被覆厚度厚者，將延緩試體鋼梁之升溫，進而影響 鋼材之有效降伏強度、比例限度與彈性模數，導致撓曲度與撓曲速率 之減緩。. Deflection (mm). 0. Specimen 2 Specimen 3. -100. -200. -300 0. 40. Time (min). 80. 120. 圖 5-18 試體 2 與試體 3 之時間-試體跨距中點撓曲度圖. (資料來源：本研究整理). 第四節. 數值分析結果與討論. 有限元素分析於考慮防火被覆的熱性質、防火被覆與鋼梁間熱的 傳遞等因素時將增加分析之難度，故分析採兩種方式：一為以試驗時 量測之鋼梁表面溫度，輸入鋼梁熱傳分析進行模擬；另一為以試驗時 量測之加溫爐內平均溫度，輸入防火被覆熱傳分析中進行模擬，將所. 66.
(81) 第五章 試驗與分析結果與討論. 得溫度再輸入鋼梁熱傳分析進行模擬。下列前三小節為以第一種分 析，第五小節試驗結果與考慮防火被覆分析結果比較則為第二種分 析。 壹、試體 1 由時間-撓曲度關係 (圖 5-19)可知，開始加熱至 15 分鐘後，分析 模式與實驗結果的變形速率皆開始加快，在 15 分至 60 分鐘這段期 間，試驗和分析曲線斜率皆為維持一致的情形，分析與試驗結果相當 吻合。試驗所得試體跨距中點的撓曲度為 36.1 mm，分析所得試體跨 距中點的撓曲度為 39.6 mm。 貳、試體 2 由時間-撓曲度關係 (圖 5-20)可知，分析模式和試驗結果皆在升 溫時間約 30 分鐘左右變形速率開始增快，兩者的走勢相當接近，分 析模式與試驗數據在 200 度到 350 度之間有些微差異，其原因可能是 在這段時間內試體發生些微扭轉頂到側向支撐或是試體與支承摩擦 造成曲線變化的情形。試驗所得試體跨距中點的撓曲度為 32.0 mm， 分析所得試體跨距中點的撓曲度為 32.9 mm。 参、試體 3 由時間-撓曲度關係 (圖 5-21)可知，在開始加熱至 15 分鐘後，分. 67.
(82) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 析模式與試驗結果的變形速率皆開始加快，撓曲度隨時間變化的趨勢 兩者相當符合。在時間-撓曲度關係 (圖 5-21)，分析模式與試驗結果 的變形量都約在 180°C 時開始加大，其原因是當試體中部底端溫度到 達 180°C，此時試體平均溫度約為 230°C，由歐洲規範 Eurocode 3 可 得知鋼材在不同溫度下的彈性模數，當鋼材溫度到達 200°C 時，其彈 性模數開始折減，變形量也開始增大。試驗所得試體跨距中點的撓曲 度為 42.8 mm，分析所得試體跨距中點的撓曲度為 48.7 mm。. O. Temperature ( C). 600 400 200 Time (min). Deflection (mm). 0 -10. 0. 20. 40. 60. -20 -30. TEST FEA. -40. 圖 5-19 試體 1 之時間-試體跨距中點撓曲度-鋼梁表面熱電偶測點平 均溫度比較圖. (資料來源：本研究整理). 68.
(83) 第五章 試驗與分析結果與討論. O. Temperature ( C). 600 400 200 Time (min). Deflection (mm). 0 -10. 0. 20. 40. 60. -20 TEST FEA. -30 -40. 圖 5-20 試體 2 之時間-試體跨距中點撓曲度-鋼梁表面熱電偶測點平 均溫度比較圖. (資料來源：本研究整理). O. Temperature ( C). 600 400 200 Time (min). Deflection (mm). 0 0. 20. 40. 60. -20 -40. TEST FEA. -60. 圖 5-21 試體 3 之時間-試體跨距中點撓曲度-鋼梁表面熱電偶測點平 均溫度比較圖. (資料來源：本研究整理). 69.
(84) 鋼梁構造以不同性能基準判定耐火性能之研究. 肆、試驗結果與分析結果比較 由以上分析可知，試體 3 有施加載重，撓曲度比有同樣防火被覆 厚度的試體 1 來得大，且被覆厚度較試體 2 來得薄，加熱後整體溫度 也較高，故試體 3 的撓曲度為三組試體中最大，試體 1 和試體 2 相比， 試體 1 雖然無施加載重，但被覆厚度較試體 2 薄，加熱後試體整體溫 度較試體 2 來得高，因為溫度較高，鋼的彈性模數及強度折減也較 多，故試體 1 的撓曲度為三組試體中第二大，試體 2 的撓曲度為最小。 三組試體平均溫度在 200°C 左右時，都呈現撓曲度開始增加大的情 形。. 伍、試驗結果與考慮防火被覆分析結果比較 在含防火被覆的複合梁分析中，需要考慮的變數較直接將溫度施 加於鋼梁的分析方式來得多，需考慮防火被覆的熱性質，防火被覆與 鋼梁間熱的傳遞等各項因素，分析難度也大大的增加。本節對試體 3 進行含防火被覆複合梁之接續性耦合分析，將分析結果與直接施加溫 度於鋼梁的分析及試驗結果三者進行比較(圖 5-22)，由結果顯示，三 者在時間-撓曲度關係圖的走勢相當接近，但是考慮防火被覆的複合 梁分析的分析複雜度較直接將溫度施加於鋼梁的分析方式高出許 多，分析也需要多出數倍的時間，然而亦能不失準確的模擬試驗結果。. 70.
(85) 第五章 試驗與分析結果與討論. 10. TEST FEA FEA fire protection. Deflection (mm). 0 -10 -20 -30 -40 -50 0. 10. 20 30 40 Time (min). 50. 60. 圖 5-22 試體 3 考慮被覆分析，直接施加溫度於複合梁分析與試驗結 果時間-撓曲度比較圖. (資料來源：本研究整理). 陸、複合梁試驗結果與鋼梁分析結果比較 將三組複合梁試驗資料分別放進鋼梁分析模型中進行分析，比較 有無樓板之鋼梁在相同條件下行為之差異。由分析模式與試驗結果. (圖 5-23~5-25)，在相同載重與溫度歷時下三支鋼梁的撓曲度為 57.0 mm、61.7 mm、73.9 mm，與複合梁試驗結果相較分別多出了 20.9 mm、29.7 mm、31.2 mm，由於鋼梁的彈性模數與慣性矩小於複合梁， 抵抗撓曲的能力不如複合梁，因此，受同樣載重與溫度歷時之鋼梁撓 曲速率與撓曲度會較複合梁來得大。. 71.
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