鋼結構樑柱接頭火害行為先期研究
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(2) 主講人簡歷 姓. 名：邱耀正. 職. 稱：教授. 單. 位：國立成功大學土木工程學系. 地. 址：701 台南市大學路一號. 電. 話：06-2757575～63159. 傳. 真：06-2358542. 出. 生：民國 44 年 8 月 3 日. 學. 歷：國立成功大學土木碩士，美國德州大學奧斯汀校區工程力 學博士. 經. 歷：國立成功大學土木系助教、講師、副教授、教授. 主 要 著 作：中英文學術期刊論文、研討會論文、學術報告等(未詳列). 2.
(3) 摘要 本計畫針對 CIB W14 提出之鋼結構抗彎樑柱接頭在火害高溫環境 下之結構行為進行先期研究，惟因樑、柱複合耐火實驗爐改善工程進度 落後，本計畫未克完成原規劃之大尺寸抗彎樑柱接頭實驗。 本計畫完成之成果總結如下： 1. 初步建立國內鋼材高溫性質資料。 2. 針對鋼結構抗彎樑柱接頭在火害高溫環境下之結構行為初步建立 分析模式。 3. 規劃設計及製作 CIB W14 國際合作案之大尺寸抗彎樑柱接頭實驗 試體。 4. 規劃 CCD Camera 光學量測系統應用於樑、柱複合耐火實驗爐之 高溫變位量測。 關鍵詞：抗彎樑柱接頭，火害行為，大尺寸實驗，光學量測系統 ABSTRACT. This project studies the structural behavior of beam-column moment connections of steel structures in fire condition. Due to the construction delay of beam-column furnace, the large-scale beam-column moment connection test was not completed. The results are summarized as follows: 1. Collect the high temperature material properties of steel. 2. Study the structural behavior of beam-column moment connections of steel structures in fire condition, and establish the numerical model. 3. Design and fabricate the specimens of large-scale beam-column moment connections proposed by CIB W14. 4. Propose CCD Camera as the displacements photo-measurement system in high temperature condition. Key words: beam-column moment connections, fire behavior, large-scale test, photo-measurement system. 3.
(4) 壹、緒. 論. 一、 研究動機及目的 近年來，台灣地區經濟快速成長，人口不斷增加及大量集中於都 市，使得高樓大廈不斷增建，建築密度亦持續增加，但因一般民眾對於 建築物防火觀念之缺乏，再加上人為疏失及其他種種因素，致屢次造成 重大的火災事件。而國內產業環境隨著全球經濟體的變遷而快速轉變， 高科技產業不斷興起，傳統產業亦面臨了空前的挑戰，在產業急遽轉型 的過程中，各種重大火災爆炸事故層出不窮，也因此造成巨額的社會成 本及嚴重的人員傷亡和財物損失。依據內政部消防署統計資料顯示，自 民國 85～89 五年間國內火災發生次數每年平均約一萬四千餘次、財物 損失超過 45 億元、人員傷亡約 950 人左右。此外，2001 年 911 恐怖 份子攻擊事件引致紐約世貿大樓火災而全面倒塌，造成 2800 人傷亡， 財物損失高達美金 9000 億元。由此可見火災對建築物而言，無疑是損 失最嚴重的災害。而火災可能導致大樓迅速崩塌之工程與救難安全問 題，更引起世界各主要國家政府部門與學界的高度重視。因此，若能正 確地預測建築物受火害之反應，對建築物的防火安全將有莫大的助益。 以台灣地狹人稠、都市土地昂貴的特性，建築物高層化必為未來發 展趨勢，而鋼結構因具有耐震性佳之優點，因此，未來採鋼結構之建物 將有大幅度的成長，而成為國內建築的主流。但由結構防火的角度來 看，鋼結構的耐火性則較鋼筋混凝土為差，因此未來鋼結構防火性能之 研究將益形重要。據研究，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。美國 911 恐怖攻擊事件中，依據 Federal Emergency Management Agency (FEMA) [5]災後調查報告顯示，紐約世貿大樓並 未毀於飛機之撞擊，卻因伴隨而來之大火引致樑柱接頭破壞而導致結構 挫曲崩塌即為明證。 有關鋼結構之防火性能研究，目前世界各國針對建築物構件之防火 測試規範（如 ASTM E-119、UL 263、BS 476 Part 20、ISO 834、JIS. 4.
(5) A1304 與 CNS 12514 等）[3]，均僅針對單一構件作測試，唯靜定單一 構件之結構行為異於真實之超靜定結構行為。而樑柱接頭為構成建築體 之要件，其防火性能亦關係到建築結構之穩定性與安全性，相關研究目 前仍付之闕如。究其原因，樑柱接頭之力學行為遠較樑、柱單一構件之 行為複雜，不易以傳統分析方法得到精確解，且於高溫狀態下樑柱接頭 處之應變、變位量測頗為困難，目前國外尚無妥適之設備可進行大尺寸 樑柱接頭火害實驗驗證。內政部建築研究所防火實驗室目前建置之樑、 柱複合耐火實驗爐勘稱世界首座可進行大尺寸樑柱接頭火害實驗之設 備，唯其高溫狀態下的應變、變位量測系統仍待進一步規劃建立。 基於性能設計之需求，樑─柱組合構架耐火實驗為未來防火測試之 趨勢，而樑柱接頭火害結構行為更為控制建築結構穩定之主要因素。目 前 CIB W14 正籌組國際合作研究計畫，近期二年將著重於探討鋼結構 構架火害行為，尤其將樑柱接頭火害結構行為列為重點，CIB W14 並來 函委託內政部建築研究所防火實驗室執行抗彎、抗剪樑柱接頭大尺寸實 驗。今年度本研究計畫擬考慮實際高樓情況，針對 CIB W14 提出之鋼 結構抗彎樑柱接頭在火害高溫環境下之結構行為進行先期研究，並配合 樑、柱複合耐火實驗爐改善工程進度，進行一至二組大尺寸抗彎樑柱接 頭實驗。. 二、 研究計畫內容 本計畫擬針對 CIB W14 提出之鋼結構抗彎樑柱接頭在火害高溫環 境下之結構行為進行先期研究，並配合樑、柱複合耐火實驗爐改善工程 進度，進行一至二組大尺寸抗彎樑柱接頭實驗。 本計畫主要研究內容如下： 1. 蒐集整理國內外有關鋼材在高溫環境下之性能資料。 2. 評估可行之高溫量測系統。 3. 針對鋼結構抗彎樑柱接頭在火害高溫環境下之結構行為進行先期研 究並初步建立分析模式。 4. 規劃 CIB W14 國際合作案之大尺寸抗彎樑柱接頭實驗試體並完成 設計施工圖。 5. 配合樑、柱複合耐火實驗爐改善工程進度，進行一至二組大尺寸抗 彎樑柱接頭實驗。. 5.
(6) 貳、國內外高溫環境下鋼材性能資料 本計畫蒐集各國規範有關鋼材在高溫環境下降服強度與彈性模數 折減係數之規定整理如圖 2.1 與 2.2。圖 2.1 表示使用各種不同規範其 降伏強度的折減係數與溫度之關係曲線。圖中顯示在溫度＝350℃～ 550℃之範圍時，各規範對降伏強度折減係數的規定差異頗大。圖 2.2 則表示，使用各種不同規範其彈性模數的折減係數與溫度之關係曲線。 圖中顯示在溫度超過 500℃時，各規範對彈性模數折減係數的差異頗 大。. f yT /f y. 各種規範的鋼材降服強度與溫度關係曲線. 1. ECCS 日本. 0.8. 大陸採用 AS4100. 0.6. BSI(1.5%) 清華試驗(I級鋼). 0.4. EUROCODE 3. 0.2 0 0. 200. 圖 2.1. 400. 600 800 o 溫度 C. 1000. 1200. 各種規範鋼材的降伏強度與溫度關係曲線. 6. 1400.
(7) E T /E. 各種規範的鋼的彈性模數與溫度關係曲線. 1.2. ECCS 日本 X洲採用 AS4100 清華試驗 EUROCODE 3. 1. 0.8. 0.6. 0.4. 0.2. 0 0. 200. 圖 2.2. 400. 600 溫度oC. 800. 1000. 1200. 種規範鋼材的彈性模數與溫度關係曲線. 由各國規範比較鋼材性質頗具地域性，若國內不積極建立本土鋼材 性質之資料庫，而直接引用國外資料則分析之準確性堪虞，因此本計畫 擬蒐集國內現有鋼材之高溫拉力試驗成果，初步探討國內生產鋼材在不 同溫度下之材料性質，供後續分析之用。 本計畫目前取得國內生產之 SN490C(30mm)、SN490CFR(16mm) 與 Gr50W 三種鋼材之高溫試驗資料，其中 SN490CFR 係屬於耐火鋼。 該試驗主要依據 ASTM E21-03a(Standard Test Methods for Elevated Temperature Tension Tests of Metallic Materials 2003)，並參考 JIS G 0567(Method of High Temperature Tensile Test for Steel and Heat Resisting Alloys 1978)、ASTM E21-79 以及 CNS 5336、2112 等規範， 進行試片在高溫下之加載試驗。. 7.
(8) 1. 三種鋼材進行高溫試驗之結果分別如圖 2.3～2.5 所示。並依試驗所 得之應力-應變曲線，取得在不同溫度時鋼材之彈性係數與降服強度 值，再將其與室溫時之數值比較，計算在不同溫度下彈性係數與降 服強度之折減係數。. 圖 2.3. 圖 2.4. SN490C(30mm)鋼材之應力應變與溫度變化關係. SN490CFR(16mm)鋼材之應力應變與溫度變化關係. 8.
(9) 圖 2.5. Gr50W 鋼材之應力應變與溫度變化關係. 2. 建議之方程式： 依文獻[25]以國內鋼材高溫試驗之結果，參考日本規範對於鋼材在 高溫環境下之彈性係數與降服強度折減係數的表示方式，提出下列建議 公式。其中 SN490C(30mm)鋼材其彈性係數與降服強度折減係數與溫 度之關係曲線及建議公式之擬合結果如圖 2.6～圖 2.7 所示，由圖中顯 示建議公式與試驗結果擬合良好。 (1).SN490C(30mm)： 彈性係數折減係數： 當 26 oC ≤ θ a ≤ 700 oC ： Ea ,θ = 0.9988 − 13 × 10 −7 θ a2 + 80 × 10−6θ a Ea. 降服強度折減係數：. 9.
(10) 當 26 oC ≤ θ a ≤ 700 oC ：. f y ,θ fy. = 1.01862 − 6.2 × 10−7 θ a2 − 7 × 10−4θ a. (2).SN490CFR(16mm)： 彈性係數折減係數： 當 26 oC ≤ θ a ≤ 700 oC ： Ea ,θ = 1.00163 − 10 × 10−7 θ a2 − 40 × 10−6θ a Ea. 降服強度折減係數： 當 26 oC ≤ θ a ≤ 700 oC ：. f y ,θ = 1.0032 − 11 × 10−7 θ a2 − 1 × 10−4θ a fy (3).Gr50W： 彈性係數折減係數： 當 26 oC ≤ θ a ≤ 700 oC ： Ea ,θ = 1.00438 − 10 × 10 −7 θ a2 − 15 × 10−5θ a Ea. 降服強度折減係數： 當 26 oC ≤ θ a ≤ 700 oC ：. f y ,θ = 1.00104 − 17 × 10−7 θ a2 + 10 × 10−7 θ a fy 10.
(11) Ea,θ/Ea 1.1. SN490C30mm Fitting by Japanese form Fitting by AS4100 form. 1. 0.9. 0.8. 0.7. 0.6. 0.5. θa(οC). 0.4 100. 圖 2.6. 200. 300. 400. 500. 600. 700. SN490C(30mm)彈性模數折減係數與溫度關係. f y,θ/f y 1. SN490C30mm Fitting by Japanese form Fitting by ECCS form. 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3. θa(οC). 0.2 100. 圖 2.7. 200. 300. 400. 500. 600. 700. SN490C(30mm)降服強度折減係數與溫度關係. 11.
(12) CIB W14 合作計劃 三、 一、背景 2001 年美國 911 恐怖攻擊事件中，依據 Federal Emergency Management Agency (FEMA)災後調查報告顯示，紐約世貿大樓並未毀 於飛機之撞擊，卻因伴隨而來之大火引致樑柱接頭破壞而導致結構挫曲 崩塌，工程界因此開始懷疑依現行防火規範設計之鋼結構承受火害之能 力。建築規則的中心目標乃是建築物在承受設計載重及載重組合之作用 下，仍能維持公共安全並且防止火災時的人命損失。對於火災可能導致 建築物崩塌的體認使工程師了解到設計階段即需考慮火害影響的重 要，而建管單位必須了解極端事件對公共安全的潛在後果，並設法降低 此後果的嚴重性。 對於高溫狀態下之結構設計而言，發展結合動力、熱及力學效應之 數值模擬分析是必要的。目前的設計方法係基於單一構件的耐火試驗， 並未考慮內部接頭行為，且火災時接頭可以使彎矩重新分配之特性在結 構設計時完全被忽略。設計者、建管官員和研究學者同意現階段並無可 資利用的資料來發展高溫狀態下接頭的可靠反應模型，因此需要大量的 研究填補這個缺口。CIB W14 企圖組織一全球性的合作以負擔短時間發 展有用的高溫鋼結構設計方法所需的大量資源。. 四、 二、技術規劃 1. 了解火災中接頭之性能： 建議研究兩種典型梁柱接頭(剪力接頭與抗彎接頭)高溫熱力學行為 之比較。全尺寸試驗接頭由 W 型鋼柱及 W 型鋼梁採 T 型接合，而接頭 尺寸係採用 40 層樓建築物之典型接頭，接頭反應以下列獨立變數表 示：位於 T 型三端點之撓度、力和彎矩。 將剪力接頭與抗彎接頭在相同的熱及結構載重情況下進行試驗。剪 力接頭假設允許構件端點自由轉動(即構件假設未束制)。而抗彎接頭或 剛性接頭則不允許構件端點轉動(即構件假設為束制)。這兩種型式接頭. 12.
(13) 火害行為之比較，將可提供工程設計者、建管官員和研究學者關於典型 接頭耐火性及破壞模式之大量資訊。 剪力接頭與抗彎接頭之試體安裝僅僅在接頭部位不同。建議規劃中 之 A 接頭代表典型的簡單梁柱剪力接合，為一全螺栓雙角鋼接頭(如圖 3.1)。建議規劃中之 B 接頭代表典型的梁柱抗彎接合，為一翼版焊接接 頭(如圖 3.2)。 火害試驗將以這兩種型式接頭直接置於火爐中進行試驗。另外，防 火被覆僅施加於同型接頭其中之一，用以觀察防火被覆之影響與我們預 測接頭性能之能力。. 圖 3.1. All-Bolted Shear Connection. 13.
(14) Both flanges typ.. 圖 3.2. Directly Welded Flange FR Moment Connection. 2. 數值模擬： 火災問題為熱轉換和結構行為的整合，已超越是否符合現行建築規 範最小要求的傳統問題，重要的是火災中結構的真實行為。紐約世貿大 樓的崩塌使 NIST 努力將 Fire Dynamic Simulator (FDS)與商業軟體 ANSYS 作整合，因 ANSYS 包含許多結構設計的細節。 3. 高溫材料特性： 鋼材特性與產地息息相關，一般鋼、焊材和螺栓的室溫性質很容易 建立，但考量參予研究者分屬不同國家，因此需要將材料特性整合為單 一資料庫以供各個國家使用。至於高溫鋼材特性可能還需蒐集整理。顯 然，為了量測精確及一致的高溫鋼材特性，必須發展新的試驗設備與量 測系統。. 14.
(15) 五、 建議時程表與主要里程碑 3//04. 完成設計研究規劃. 4//04. 達成最終研究規劃與參與任務分配之共識. 5/04. ABRI 提出全尺寸試驗說明(尺寸、熱通量和加載情形). 6/04. 發展材料資料庫. 6/04. 在計算領域、初始條件、邊界條件和輸出變數之比較方法方面， BRE and NIST 取得共識. 7/04. 發展 1/2 和 1/4 尺寸試體之試驗規劃細節. 12/04 舉行進度會議 4/05. 完成全尺寸梁和柱單一元素試驗(裸鋼及有防火被覆). 4/05. 完成材料資料庫建置. 8/05. 完成縮小尺寸試體之試驗. 9/05. 完成縮小尺寸試體之試驗模擬. 10/05 完成全尺寸試驗證明之預測 1/06. 完成全尺寸試驗證明 (兩種接頭設計，有無防火被覆). 2/06. 發展縮尺規則. 3/06. 研討會發表結果. 15.
(16) 四、參與及協調 建議工作分配表如下： 工作項目. 領導組織. 參與實驗室. 1. 總體協調. CIB W14. 2. 技術指導. NIST. all. 3. 火災/結構模擬. NIST and BRE. SINTEF. 4. 接頭全尺寸試驗. ABRI. CSIRO. 5. 高加熱速率試驗. CTICM. BRANZ. 6. 一般鋼與耐火鋼的高 BRI Japan. NRCC, SP. 溫性質 7. 高熱梯度. SINTEF. CSIRO. 8. 冷卻階段. SKLFS. BRANZ. 9. 座談會及會議. NIST. all. 16.
(17) 肆、全尺寸鋼結構梁柱接頭火害試驗及分析規劃 一、前言 目前鋼結構桿件高溫性能已能合理預測，然而有關梁柱接頭火害行 為之知識仍頗為缺乏。鑒於梁柱接頭破壞可能導致鋼結構崩塌，因此檢 視鋼結構梁柱接頭火害行為有其迫切需要。此試驗規劃目的即在估算鋼 結構梁柱接頭在火害情形下之性能。規劃一系列全尺寸鋼結構梁柱接頭 在不同高溫狀態下作試驗，以用來檢測火害情形下鋼結構梁柱接頭極限 強度及破壞機構。同時建構非線性有限元素分析和試驗結果作比較。. 二、試體安裝和試驗規劃 試體安裝如圖 4.1 所示，並於擬靜態載重型態下作試驗。首先，試 體先被加熱到特定溫度，然後在鋼柱施加並保持 240 噸的軸向載重(大 約是室溫情形鋼柱極限軸向強度的 20%)。其次，在鋼梁端點頂部施加 集中載重，該集中載重逐漸增加直到試體破壞為止。預計採用六組相同 結構設計但具不同防火被覆的試體在不同溫度下進行試驗(如圖 4.2)， 試驗溫度設為 20℃, 400℃, 500℃, 600℃和 700℃(如表 4.1)。 試體中，鋼柱採用 H550x550x22x36 型鋼，長度 3.5 公尺，鋼梁採 用 H600x300x12x25 型鋼，長度 4 公尺。為了監測試驗過程中試體的 溫度分布和確保試體溫度仍穩定在要求之水準，每一試體需設計熱偶以 量測試體溫度。. 17.
(18) Fixed to loading frame. Connected to actuator 4000. 3500. 2000. Lateral support connected to loading frame. Connected to actuator and fixed to loading frame. 試體安裝圖. 4000(H600X300X12X25). 600. 5-Φ23.5 Hole 5-M22 F10T PL16x150x400. 36. 550. 36. SMAW. 25 25. 40. 150. 4@80=320. 40. 75 600. 20. TYP. 1990. 20. 1450. 3500(H550X550X22X36). 1450. 圖 4.1. 2-PL6x478x550 welded to column web. 圖 4.2. 18. 試體.
(19) 表 4.1. 試驗試體設計和試驗溫度. 試體. 試驗溫度. 柱：H550x550x22x36. 20 oC (室溫), 400 oC, 500 oC,. 梁：H600x300x12x25. 600 oC, 和 700 oC 等定溫. 梁柱接合：. 無防火被覆. 翼版焊接-腹版鎖螺栓 柱：H550x550x22x36. 700 oC. 梁：H600x300x12x25. 有防火被覆. 梁柱接合：翼版焊接-腹版鎖螺栓. 三、CCD Camera 高溫量測系統規劃 內政部建築研究所防火實驗室目前建置之樑、柱複合耐火實驗爐勘 稱世界首座可進行大尺寸樑柱接頭火害實驗之設備，唯試驗過程為模擬 實際火場狀況，爐內溫度可能高達攝氏數百度或上千度，而適用於此高 溫狀態下的應變、變位量測系統仍待進一步規劃建立。 本計畫進行初期，曾透過網路資訊搜尋暨委託專業儀器廠商協助尋 求適用於此高溫環境下之應變、變位量測設備，但適用於此高溫環境下 之量測設備不但極稀且價格甚昂，並且多屬消耗性材料，將造成日後試 驗嚴重的經濟負擔。目前評估較為可行之方法乃採用國外曾在小型電熱 爐使用成功之 CCD Camera 影像擷取技術暨位移量測系統。 該方法乃於試體上設置若干參考點，利用 CCD Camera 與影像擷取 卡記錄試體與參考點變形及移動過程，再利用 LabView 與 IMAQ 軟體 進行影像處理並建立參考點位移之分析模式。位移量測方式如圖 4.3 所 示。另外，於攝錄試體變形過程 CCD Camera 鏡頭需加設濾鏡，以過濾 因高溫產生之紅外線，避免影響攝錄影像之清晰度。. 19.
(20) 影像處理程式 (Pattern Matching) 物件移動過程紀錄 CCD Camera. Acquisition Card. 求得位移量. 圖 4.3. 位移量測示意圖. CCD Camera 影像擷取技術暨位移量測系統其優點主要為： 1.不接觸實驗物體 2.實驗結果以區域的方式儲存 3.可重複使用 4.硬體費用低 5.量測速度快 (取決於 CCD Camera, frames/sec) 6.量測精度高 (relative error: 10-4)而該系統全套設備約需新台 幣 30 萬元左右如表 4.2 所示，且系統可重複使用，因此其費用遠較其它 量測系統便宜甚多。而目前內政部建築研究所防火實驗室已有 Labview 軟體且現有之高溫內視鏡設備亦可取代 CCD Camera 因此更能降低所需 設備之採購費用。. 20.
(21) 表 4.2. CCD Camera 位移量測系統預估經費. Item. Description. Price (USD). CCD Camera. JAI CV-M50C Monochrome Camera (交錯式, 解析度:768X576 pixels). $700. Lenses. Fujonon HF25HA-1. $182. Acquisition Card. NI PCI-1409 Frame Grabber. $1195. Labview Software. Professional Version. $3495. IMAQ Software. Vision Builder. $2595. I/O Cables. IMAQ A6804 Cable, BNC Cable…... $205. Total. $8372. 新台幣約 30萬 (1 USD = 35 NTD). 雖然上述 CCD Camera 位移量測系統曾成功使用於小型電熱爐，但 是否適用於具明顯輻射熱與熱紊流的大型耐火爐中尚待驗證並進行校 正程序。因此後續延續本案之計畫可利用內政部建築研究所設置之多功 能小型耐火測試爐，進行下列三項重要測試： 1. 高溫爐火之輻射熱與熱紊流對量測變位精準度之影響。 2. 本案所建立分析軟體是否適用。 3. 校正結果精度是否符合需求。 用以評估 CCD Camera 位移量測系統是否足以精確量測大型梁柱複 合爐高溫下構件之變形量大小；若該 CCD Camera 位移量測系統可行， 則可完整紀錄測試構件於耐火實驗中變位之歷時數據，對於該力學性質 理論分析或破壞模式之建立將大有助益，並可用於後續粱柱複合構件接 頭耐火實驗之旋轉角或其他變位之量測。. 21.
(22) 四、與 CIB W14C 共同研究建議 1. 雖然上述的試驗規劃係針對研究鋼構架火害行為且試驗試體設計主 要針對廣泛使用於鋼構架之抗彎接頭，但由於實務上仍可能有其他 接頭型式之設計，歡迎提供有關試體設計與試驗規劃之建議。. 2. 規劃的研究為一系列關於鋼結構承受火害之設計與效能研究中的一 部份，今年的研究可以視為此規劃的第一階段。. 3. 雖然內政部建研所火爐為唯一的試驗設備，目前仍需努力建造所有 的試驗和量測設備系統，歡迎任何可以增進建研所試驗能力的建 議。目前，我們仍缺乏試驗量測設備並歡迎 CIB 或其他機構協助安 排提供建議。. 五、非線性有限元素分析 本研究因目前內政部建築研究所相關試驗設備尚未完備，擬先以 ANSYS 軟體建立模擬分析鋼結構樑柱接頭火害行為之方法，俟試驗設 備完竣後，再進行全尺寸鋼結構樑柱接頭火害試驗，藉以檢驗 ANSYS 軟體分析模式之正確性，從而透過程式分析建立一整套有關國內鋼結構 樑柱接頭之高溫行為（如各種溫度下之樑柱接頭彎矩及轉角之關係）， 以供後續研究整體鋼結構火害行為時之模擬分析使用。 一、基本假設 1. 忽略焊接過程產生之高溫對鋼材性質之影響。 2. 僅考慮全焊接接合，不考慮螺栓接合方式。 3. 不考慮殘留應力之影響。 二、分析模型 1. 幾何模型(Solid model) 如試體規劃，柱採用 H550x550x22x36 型鋼（柱長 3.5 公尺），樑 H600x300x12x25 型鋼（樑長 4.0 公尺） ，樑柱接頭採用全焊接接合。 2. 有限元素模型(Finite-Element model) 22.
(23) 樑柱接頭火害行為分析考慮結構大變形，採用 solid92 元素（如圖 4.4）模擬，有限元素模型如圖 4.5。. 圖 4.4. 圖 4.5. solid92 元素. 有限元素模型(Finite-Element model). 23.
(24) 3.施加載重 本研究採用 ANSYS 軟體 Finite-Element Loads 將載重直接施加於 結點或元素上，施加載重方式如下述，載重施加歷程如圖 4.6。 1. 自重(指定鋼材密度：7850 kg/m3)。 2. 鋼柱施加 240 公噸軸向載重。（Load Step 1） 3. 鋼樑自由端施加一漸增之集中載重，直至試體破壞。（Load Step 2）. 圖 4.6. 載重施加歷程示意圖. 4.鋼材高溫材料性質 本分析以中鋼生產之 SN490C(30mm)鋼材為對象，使用該鋼材於 20℃、400℃、500℃、600℃和 700℃時之試驗成果經擬合(curve fitting) 後之方程式[25]為材料性質進行分析。依 ANSYS 之 Multilinear Isotropic Hardening (MISO)非線性材料模型模擬，結果如下圖 4.7 所示。. 24.
(25) 圖 4.7. SN490C(30mm)鋼材擬合方程式應力應變曲線. 5.分析結果 分析主要觀察結果為不同溫度下樑自由端所能施加之最大載重與 變形及各方向之應力分佈狀況。俟建研所試驗設備完竣後，進行全尺寸 鋼結構樑柱接頭火害試驗，即可藉以檢驗 ANSYS 軟體分析模式之正確 性。 （1）溫度為 20℃時： 結構變位如圖 4.8；各方向應力分佈則如圖 4.9～4.11 所示。其中 Sx 表示 x 向之正向應力、Sy 則為 y 向之正向應力而 Sx 即為剪應力。 由圖 4.9 Sx（x 向之正向應力）之分佈可看出，最大拉應力與最大壓應 力將發生於梁柱接頭處。. 25.
(26) 圖 4.8. 圖 4.9. 溫度=20℃、樑自由端載重 61 噸時結構之變位如圖. 溫度=20℃、樑自由端載重 61 噸時結構之 Sx 圖. 26.
(27) 圖 4.10 溫度=20℃、樑自由端載重 61 噸時結構之 Sy 圖. 圖 4.11 溫度=20℃、樑自由端載重 61 噸時結構之 Sxy 圖. 27.
(28) 另外，吾人於結構上定義 5 條路徑觀察其變位或應力分佈，以便更 清楚表達複合梁柱結構與梁柱接頭之行為表現。該 5 條路徑位置如圖 4.12 所示. 圖 4.12 Path1～Path5 路徑位置. 當懸臂樑自由端載重分別＝14.2、37、57.5、61 與 62 噸時，由懸 臂樑中心線（Path1）的變形曲線圖 4.13 可以清楚看出在載重約等於 60 噸時，樑柱接頭部份有塑性鉸產生。另由柱中心線（Path2）的變形 曲線圖 4.14 亦可以清楚看出，當載重施加到約 60 噸後，若載重持續增 加其所增加之變形不大。. 28.
(29) 圖 4.13 懸臂樑中心線（Path1）的變形曲線圖. 圖 4.14 柱中心線（Path2）的變形曲線圖. 29.
(30) 最後，當懸臂樑自由端載重分別＝14.2、37、57.5、61 與 62 噸時， 於梁柱接頭處（Path3～Path5）之應力輪廓分別如圖 4.15～4.17 所示。 其中由樑柱接頭側邊垂直面（Path3）之應力輪廓圖（圖 4.15），可看 出當懸臂樑自由端載重持續增加將使得樑柱接頭斷面朝塑性斷面發 展；另外，柱除了承受 240 噸的固定軸壓力外，尚有懸臂樑自由端載重 持續增加所形成之彎矩，因此柱所受為軸壓應力與彎矩所造成之撓曲應 力之聯合作用，故樑柱接頭頂部水平面（Path4）之應力輪廓將如圖 4.16 所示；而樑柱接頭中心之垂直面（Path5）其應力輪廓則如圖 4.17 所示， 此與材料力學所知的的剪應力輪廓圖雷同。. （＋）. （－）. 圖 4.15 樑柱接頭側邊垂直面（Path3）之應力輪廓圖. 30.
(31) ＋. ＝. 圖 4.16 樑柱接頭頂部水平面（Path4）之應力輪廓圖. 圖 4.17 樑柱接頭中心垂直面（Path5）之應力輪廓圖. 31.
(32) (2).溫度為 400℃、500℃、600℃、700℃時依同樣方式進行分析。 (3).分析結果彙整如表 4.3～4.4 與圖 4.18～4.19。其中表 4.3 與圖 4.18 為定溫加載時懸臂樑中點位移與載重之關係，該圖與應力應變曲線 趨勢雷同，顯示位移大小與鋼材降伏與否及材料性質有密切關係。另外 藉由分析結果，以線性內插方式計算，若在固定載重情形下，當溫度變 化時懸臂樑中點位移之狀況，結果如表 4.4 與圖 4.19 所示。 表 4.3. 定溫加載時懸臂樑中點位移與載重之關係. 20 度. 400 度. 500 度. 600 度. 700 度. 集中載重 最大位移 集中載重 最大位移 集中載重 最大位移 集中載重 最大位移 集中載重 最大位移 (T). (mm). (T). (mm). (T). (mm). (T). (mm). (T). (mm). 0.000. 0.000. 0.000. 0.000. 0.000. 0.000. 0.000. 0.000. 0.000. 0.000. 4.050. 0.201. 3.600. 0.009. 2.700. 0.005. 2.025. 0.003. 0.900. 0.001. 8.100. 0.403. 7.200. 0.018. 5.400. 0.011. 4.050. 0.007. 1.800. 0.003. 14.175. 0.705. 12.600. 0.031. 9.450. 0.019. 7.088. 0.012. 3.150. 0.004. 23.288. 1.159. 20.700. 0.052. 15.525. 0.031. 11.644. 0.019. 5.175. 0.007. 36.956. 1.842. 26.168. 0.066. 24.638. 0.050. 18.478. 0.031. 8.213. 0.012. 57.459. 3.086. 31.635. 0.215. 27.405. 0.069. 20.554. 0.038. 10.263. 0.016. 59.843. 4.011. 32.742. 2.159. 30.173. 5.787. 22.630. 3.478. 10.678. 0.020. 60.915. 8.647. 33.849. 5.166. 32.941. 18.077. 24.706. 19.646. 11.093. 0.128. 61.988. 90.744. 35.510. 10.570. 34.810. 28.760. 26.107. 33.737. 11.280. 5.401. 62.712. 105.559. 38.001. 20.970. 36.678. 41.149. 27.508. 55.229. 11.318. 32.736. 63.436. 117.616. 39.683. 29.309. 39.480. 65.307. 28.454. 73.068. 11.327. 64.522. 135.109. 41.364. 38.466. 43.684. 113.670. 29.400. 96.357. 18.000. 66.151. 164.034. 43.887. 53.454. 46.522. 161.647. 30.819. 147.656. 68.594. 227.813. 47.670. 80.053. 49.359. 229.205. 32.947. 322.240. 72.260. 357.209. 53.345. 133.901. 51.680. 309.220. 33.594. 461.149. 77.757. 574.804. 57.176. 184.459. 54.000. 430.427. 33.884. 615.992. 81.000. 746.614. 58.900. 212.130. 33.943. 687.835. 60.623. 245.131. 40.500. 發散. 63.209. 304.347. 64.954. 351.722. 66.700. 405.935. 69.318. 503.442. 72.000. 630.533. 表為樑端的接頭產生了塑性鉸. 32. 62.802 發散.
(33) 表 4.4. 溫度 ℃. 定載加溫時懸臂樑中點位移與載重之關係. 20. 400. 載重(T). 500. 600. 700. 位移(mm). 0.000. 0.000. 0.000. 0.000. 0.000. 0.000. 5.000. 0.249. 0.012. 0.010. 0.008. 0.007. 10.000. 0.498. 0.025. 0.020. 0.017. 0.016. 15.000. 0.746. 0.037. 0.030. 0.025. 12333.544. 20.000. 0.995. 0.050. 0.040. 0.036. -. 25.000. 1.245. 0.063. 0.052. 22.603. -. 30.000. 1.495. 0.171. 5.429. 118.045. -. 35.000. 1.745. 8.910. 30.023. 1976.542. -. 40.000. 2.027. 31.036. 71.284. -. -. 45.000. 2.330. 61.282. 135.916. -. -. 50.000. 2.634. 102.162. 251.297. -. -. 55.000. 2.937. 155.743. 482.664. -. -. 60.000. 4.690. 233.197. 743.851. -. -. 65.000. 143.598. 353.138. -. -. -. 70.000. 277.438. 535.766. -. -. -. 75.000. 465.673. 772.683. -. -. -. 80.000. 693.630. -. -. -. -. 85.000. 958.547. -. -. 33. 表為外差 值.
(34) 圖 4.18 定溫加載時懸臂樑中點位移與載重之關係. 圖 4.19 定載加溫時懸臂樑中點位移與載重之關係. 34.
(35) 伍、結論與建議 1. 經收集比較各國高溫鋼材性質規範之規定，其差異性頗大，主要原 因在於成分與製程不盡相同所致，實有必要儘速建立國內鋼材高溫 性質之資料庫，以供後續研究之需。. 2. 本文所提國內部分鋼材性質之建議公式，因試驗樣本不多，故準確 性有待驗證。若日後能有更多資料當再進一步修正。. 3. 目前建研所防火中心之耐火爐其性能堪稱世界首屈一指，惟可靠之 高溫量測系統尚待建立。本計畫評估之 CCD Camera 位移量測系統 應儘速進行先期試驗與校正工作，以建立完整之高溫試驗系統。. 4. 因目前建研所耐火爐尚未建置完成，故試體尺寸與加載位置僅為初 步規劃，待耐火爐最後尺寸確定後，相關試體設計方能定案。. 5. 由 ANSYS 軟體非線性有限元素分析結果發現，隨著溫度逐漸升高， 樑端可承受之集中載重亦逐漸減少，尤其在 400℃以上降低得更加 厲害，700℃以上鋼材已喪失大部分之強度。. 6. 不論是在何種溫度之下，鋼樑隨著樑端承受之集中載重逐漸增加， 樑端撓度增加之速度逐漸加快，一旦形成塑性角，懸臂樑隨即不穩 定而破壞。. 7. ANSYS 軟體非線性有限元素分析需輔以實際試驗結果驗證其準確 度，建議俟試驗設備完竣後，務必進行全尺寸鋼結構樑柱接頭火害 試驗。. 8. 由於高溫試驗不僅昂貴、費時且量測困難，如經驗證，ANSYS 軟體 非線性有限元素分析足以模擬鋼結構樑柱接頭之高溫行為，即可以 軟體分析代替試驗，建立一整套國內鋼結構樑柱接頭之高溫行為（如 各種溫度下之樑柱接頭彎矩及轉角之關係）數據。. 35.
(36)
數據
![圖 2.5 Gr50W 鋼材之應力應變與溫度變化關係 2. 建議之方程式： 依文獻[25]以國內鋼材高溫試驗之結果，參考日本規範對於鋼材在 高溫環境下之彈性係數與降服強度折減係數的表示方式，提出下列建議 公式。其中 SN490C(30mm)鋼材其彈性係數與降服強度折減係數與溫 度之關係曲線及建議公式之擬合結果如圖 2.6～圖 2.7 所示，由圖中顯 示建議公式與試驗結果擬合良好。 (1).SN490C(30mm)： 彈性係數折減係數： 當 26 o C ≤ θ a ≤ 700 o C ：](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/8904085.258773/9.892.153.745.131.558/依文獻考日本規範其彈降服折減係數與溫度之關係曲線及建θ.webp)
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