彎矩連接式鋼梁標準火害試驗及數值分析研究

彎矩連接式鋼梁標準火害試驗及數值分析研究

內政部建築研究所自行研究報告

中華民國 107 年 12 月

107-301070000G0050

彎矩連接式鋼梁標準火害試驗及數值分析研究

研 究 主 持 人 ： 陳柏端 研 究 期 程 ： 中華民國 107 年 3 月至 107 年 12 月 研 究 經 費 ： 10 萬元

內政部建築研究所自行研究報告

中華民國 107 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）

I

目次

目次 ... I

表次 ... III

圖次 ... V

摘要 ... IX

第一章 緒論 ... 1

第一節 研究緣起與背景 ... 1

第二節 文獻回顧 ... 2

第三節 研究目的及方法 ... 3

第四節 研究流程 ... 4

第二章 溫度場的熱交換 ... 5

第一節 熱交換係數 ... 5

第二節 以數值分析推算熱交換係數 ... 7

第三章 實驗規劃... 13

第一節 標準試驗試體規劃與設計 ... 13

第二節 量測儀器設置 ... 16

第四章 防火試驗... 21

第一節 實驗設備與設置 ... 21

第二節 試體安裝 ... 22

第二節 試驗規劃與試驗步驟... 25

第三節 試驗結果 ... 26

第五章 結論與建議 ... 35

第一節 結論 ... 35

第二節 建議事項 ... 36

附錄一 試體設計圖 ... 37

附錄二 實驗試體設計檢核 ... 43

附錄三 研究業務協調會議紀錄 ... 47

附錄四 期中審查會議紀錄 ... 53

附錄五 期末審查會議紀錄 ... 61

參考書目 ... 69

III

表次

表 2 - 1 綜合熱傳係數 h ... 11

表 3 - 1 試體規劃表 ... 14

V

圖次

圖 1 - 1 研究流程圖 ... 4

圖 2 - 1 CNS 12514-1 標準升溫曲線 ... 5

圖 2 - 2 熱偶計測點分布圖 ... 8

圖 2 - 3 試體平均爐溫與升溫曲線圖 ... 9

圖 2 - 4 試體試體表面溫度圖(S 面 4 斷面點) ... 9

圖 2 - 5 數值分析元素分割圖 ... 10

圖 2 - 6 數值分析溫度分布圖 ... 10

圖 2 - 7 數值分析結果與升溫曲線、爐溫及各斷面溫度比較 ... 11

圖 3 - 1 鋼梁受火害變形圖與一跨兩層子結構示意圖 ... 14

圖 3 - 2 梁柱子結構試體示意圖 ... 14

圖 3 - 3 下部試體梁柱構件圖 ... 15

圖 3 - 4 彎矩接頭細節圖 ... 16

圖 3 - 5 鋼梁熱電偶測點設置斷面圖 ... 17

圖 3 - 6 樓版與梁斷面熱電偶配置圖 ... 18

圖 3 - 7 彎矩接頭熱電偶配置圖 ... 18

圖 3 - 8 柱與底梁熱電偶配置圖 ... 18

圖 3 - 9 位移計及平板式測溫計位置圖... 19

圖 4 - 1 防火實驗中心複合實驗爐 ... 21

圖 4 - 2 實驗設置示意圖 ... 22

圖 4 - 3 鋼構架試體 ... 23

圖 4 - 4 鋼構架試體安裝 ... 23

圖 4 - 5 鋼構架試體斷面 A 熱電偶配置 ... 24

圖 4 - 6 平板式測溫計裝置 ... 25

圖 4 - 7 加溫爐內平均溫度與 CNS 標準升溫曲線圖 ... 27

圖 4 - 8 鋼梁撓曲變形圖 ... 28

圖 4 - 9 斷面 A 測溫點溫度圖 ... 28

圖 4 - 10 斷面 B 測溫點溫度圖 ... 29

圖 4 - 11 斷面 C 測溫點溫度圖 ... 29

圖 4 - 12 斷面 D 測溫點溫度圖 ... 30

圖 4 - 13 斷面 E 測溫點溫度圖 ... 30

圖 4 - 14 斷面 F 測溫點溫度圖 ... 31

圖 4 - 15 斷面 G 測溫點溫度圖 ... 31

圖 4 - 16 斷面 H 測溫點溫度圖 ... 32

圖 4 - 17 斷面 I 測溫點溫度圖 ... 32

圖 4 - 18 平板式測溫計(J)測溫點溫度圖 ... 33

圖 4 - 19 實驗後梁柱接頭變形圖 ... 33

VII

圖 4 - 20 實驗後鋼柱變形圖 ... 34

圖 4 - 21 實驗後鋼梁變形圖 ... 34

IX

摘要

關鍵詞：彎矩連接式鋼梁、標準耐火試驗、數值分析、綜合熱交換係數 一、研究緣起 本所台南防火實驗中心複合實驗爐可對各種構件進行全尺寸實驗，如樓 版、梁、柱、梁柱接頭等火害標準實驗，然因實驗所需經費高且實驗作業時間 長，有必要於實驗前先評估實驗之必要性。除了可先進行一系列局部構件或小 尺寸之實驗，亦可利用數值分析方法。而以數值方法輔助結構耐火實驗，是一 種重要且可行的方式，除費用較低外，對於結構及構件在耐火實驗中進行非線 性分析，獲得應力、變形等力學性能，和對溫度變化的規律，從而為後續實驗 規劃，甚至結構耐火設計提供可靠的理論參考依據。 進行數值分析方法首要條件的是獲得結構的溫度場，才能進行後續整體結 構的應力及溫度分析。以往都是先進行實驗，從實驗中佈設在結構表面或內部 的熱電偶獲取試體表面及內部溫度，再以這些有限實驗點的溫度資料，直接或 間接輸入數值分析程式中求得試體表面溫度，再進行應力及溫度分析。以實驗 方法取得溫度資料的優點在於數據直接可靠，但試驗時間長費用高，且所得的 數據只有實驗佈設之點，使用時需將結構分區並假設區域內所有點與量測點溫 度相同(均勻分佈)。 為了讓數值方法能提前於實驗前進行分析，以供實驗研究團隊對試體做評 估及規劃修正，而不是只能做為實驗後驗證工具，首要條件是先建立本所實驗 爐的溫度場及經由輻射及對流將熱傳至試體表面之溫度資料庫，以供實驗研究 團隊直接應用。 在熱傳分析方面，因為熱對流公式是線性方程式，只要找出對流熱交換係 數即可，但熱輻射為高度非線性計算較為複雜，對於一般使用者運用困難，往 往是參照實驗數據後修正參數以得到較佳的結果。一種解決的方式是將二者結 合，簡化為對流輻射綜合熱交換方程式，類似對流公式之線性方程式，因此只 要求得其熱交換係數即可。有了熱交換係數，即可應用於數值分析中，只需分 析軟體具有熱分析功能，如 ANSYS、ABAQUS、FDS 等都可以直接代入熱交 換係數進行運算，獲得試體表面溫度。 本研究先以鋼材料為主，嘗試找出實驗爐內熱氣流層與鋼構表面間之熱交 換係數，包括箱型鋼柱及各種構件形狀，如梁柱接頭、H 型鋼及有防火棉包覆 等情況之熱交換係數，並進行實驗獲得數據以做驗證，以期能提出完整鋼構件

二、研究方法及過程 本研究進行本所實驗爐內之鋼構件之熱交換係數之研究，並藉由實尺寸標 準試驗做驗證，研究方法包括資料蒐集與整理、理論分析、鋼構架試體火害實 驗、試驗結果整理與分析。研究方法與步驟如下： 1. 文獻資料之收集與整理。 2. 熱傳理論分析。 3. 彎矩連接式鋼梁之標準火害試驗。 4. 試驗結果分析與製作熱交換係數表。 三、研究發現 本研究發現如下： 應用適當的綜合熱交換係數，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，在運用上有以下幾個特點。 1. 在使用上較為簡便，直接以標準升溫曲線做為熱源，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。 不過，適當的綜合熱交換係數需要靠足夠的實驗數據回歸與印證，才能得 到較為準確的溫度資料，另外，綜合熱交換係數與實驗試體之幾何形狀，現場 電熱偶線路佈設及防火棉包覆有很大關係，如何歸納本所實驗爐使用狀況，以 得到最合適之數據，建議還需要更多實驗資料加以驗證。 四、主要建議事項 辦理相關鋼結構元件及構架之標準火害數值分析研究：中長期建議

XI 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中華民國鋼結構協會 鋼結構火害實驗研究一般皆以標準升溫曲線對構件或構架進行探討，不過 於實驗室進行火害實驗仍有許多限制，如結構重要位置之位移、變形，及應力 變化等對於結構安全與設計上之數據，仍有量測上之困難，另外結構火害實驗 費用高，往往無法進行數量足夠之實驗，因此有必要發展結構火害數值分析， 並針對構件及構架循序漸進做一系列之探討，以輔助火害實驗之不足。

1

第一章 緒論

第一節 研究緣起與背景

本所台南防火實驗中心複合實驗爐可對各種構件進行全尺寸實驗，如樓 版、梁、柱、梁柱接頭等火害標準實驗，然因實驗所需經費高且實驗作業時間 長，有必要於實驗前先評估實驗之必要性。除了可先進行一系列局部構件或小 尺寸之實驗，亦可利用數值分析方法。而以數值方法輔助結構耐火實驗，是一 種重要且可行的方式，除費用較低外，對於結構及構件在耐火實驗中進行非線 性分析，獲得應力、變形等力學性能，和對溫度變化的規律，從而為後續實驗 規劃，甚至結構耐火設計提供可靠的理論參考依據。 進行數值分析方法首要條件的是獲得結構的溫度場，才能進行後續整體結 構的應力及溫度分析。以往都是先進行實驗，從實驗中佈設在結構表面或內部 的熱電偶獲取試體表面及內部溫度，再以這些有限實驗點的溫度資料，直接或 間接輸入數值分析程式中求得試體表面溫度，再進行應力及溫度分析。以實驗 方法取得溫度資料的優點在於數據直接可靠，但試驗時間長費用高，且所得的 數據只有實驗佈設之點，使用時需將結構分區並假設區域內所有點與量測點溫 度相同(均勻分佈)。 為了讓數值方法能提前於實驗前進行分析，以供實驗研究團隊對試體做評 估及規劃修正，而不是只能做為實驗後驗證工具，首要條件是先建立本所實驗 爐的溫度場及經由輻射及對流將熱傳至試體表面之溫度資料庫，以供實驗研究 團隊直接應用。 在熱傳分析方面，因為熱對流公式是線性方程式，只要找出對流熱交換係 數即可，但熱輻射為高度非線性計算較為複雜，對於一般使用者運用困難，往 往是參照實驗數據後修正參數以得到較佳的結果。一種解決的方式是將二者結 合，簡化為對流輻射綜合熱交換方程式，類似對流公式之線性方程式，因此只 要求得其熱交換係數即可。有了熱交換係數，即可應用於數值分析中，只需分 析軟體具有熱分析功能，如 ANSYS、ABAQUS、FDS 等都可以直接代入熱交 換係數進行運算，獲得試體表面溫度。 本研究先以鋼材料為主，嘗試找出實驗爐內熱氣流層與鋼構表面間之熱交 換係數，包括箱型鋼柱及各種構件形狀，如梁柱接頭、H 型鋼及有防火棉包覆 等情況之熱交換係數，並進行實驗獲得數據以做驗證，以期能提出完整鋼構件

第二節 文獻回顧

火害實驗時，實驗爐內溫度是依照 CNS 標準升溫曲線升高，形成爐內的溫 度場，高溫之熱量再透過熱對流和熱輻射兩種方式傳遞到結構表面，使得結構 表面溫度快速成長，接著熱量再以熱傳導的方式傳遞到結構內部，形成結構內 部的溫度場，此溫度場與結構內部應力場會相互影響，逐漸弱化材料力學性質， 改變結構的行為，使局部甚至大部分結構承載力減少變得不穩定。 要計算鋼結構內部的溫度場，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， 也是需要使用者整理或另寫程式處理。 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。 李鎮宏(2009)嘗試以數值方式(FDS 程式)找出爐內溫度場，及熱量透過熱對 流和熱輻射傳遞到結構試體表面溫度，再以 ABAQUS 程式算出試體內部溫度 場，與實驗值比較。無論是爐內溫度，或是鋼材試體表面溫度，大多可達預期 之分析結果，不過在近噴火口及有側向支撐附近，誤差稍大。 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

3 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標準升溫曲線之溫度，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交換方程式，即只需一個 熱交換係數，再用實驗數據反算內插求得此係數即可。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。 綜合熱交換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交換係數很多，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。 本研究嘗試以過去實驗資料，如陳誠直(2015)及陳柏端(2014、2015、2016) 箱型鋼柱火害實驗，及 2 層束制鋼梁構架火害實驗，歸納出本所防火實驗爐有 關鋼結構實驗之綜合熱交換係數。先以表面幾何較為簡單之箱型鋼柱開始，找 出一組綜合熱交換係數，再分析 H 型鋼、梁柱接頭等幾何形狀較為複雜部分， 另外還希望能分析有包覆防火棉之測溫線影響鋼梁表面熱傳折減量，以及爐溫 能達到 900℃左右，或實驗時間能達 1 小時之相關數據。

第三節 研究目的及方法

本研究進行本所實驗爐內之鋼構件之熱交換係數之研究，並藉由實尺寸標 準試驗做驗證，研究方法包括資料蒐集與整理、理論分析、鋼構架試體火害實 驗、試驗結果整理與分析。研究方法與步驟如下： 1. 文獻資料之收集與整理。 2. 熱傳理論分析。 3. 彎矩連接式鋼梁之標準火害試驗。 4. 試驗結果分析與製作熱交換係數表。

第四節 研究流程

本計畫之研究項目包括資料與文獻收集、試體規劃與火害實驗、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） 國內外相關資料及文獻收集 研究計畫開始 熱傳理論分析 試體規劃設計與製作 鋼梁構件標準火害實驗 數據整理分析 求得熱交換係數 撰寫研究報告書 研究計畫完成

5

第二章 溫度場的熱交換

本所防火實驗爐以標準升溫曲線，經由輻射及對流，將熱能傳給結構試體 表面，再經熱傳導作用將熱傳至結構體內。本研究將輻射與對流綜合簡化，由 數值方法與實驗值驗證找出綜合熱交換係數，運用此係數以求得結構試體表面 溫度場。 在實驗爐進行實驗時，會在結構周圍形成一個溫度較高的熱氣流層，當熱 氣流層的溫度迅速升高，熱量首先通過熱對流和熱輻射兩種方式傳遞給結構試 體表面，使得結構表面的溫度很快增長，然後結構表面的熱量再通過熱傳導的 方式傳遞到結構內部，從而形成結構內部的溫度場。因此，為確定結構內部溫 度分布，首先必須了解火害作用下結構周為熱氣流層的溫度變化過程，亦即火 害的發展過程和火場的溫度與時間歷程。

第一節 熱交換係數

本所防火實驗室實驗爐內之溫度變化依照 CNS 12514-1 標準升溫曲線進行 控制，加熱函數為，T = 345 log10(8t + 1) + 20，其中 T 為攝氏溫度，t 為時間(分)。 其標準升溫曲線如圖 2 - 1 所示。 圖 2 - 1 CNS 12514-1 標準升溫曲線 （資料來源：CNS 12514-1） 熱能經由輻射與對流傳遞到結構體表面，經過熱交換後進入結構體內，再 由傳導方式擴散至結構體。輻射熱傳速率與對流熱傳速率如下：

2.1 輻射熱傳(Radiation heat-transfer)。 熱輻射傳遞形式是熱能以電磁波自高溫向低溫傳送，不必藉由任何介質， 因此也可以在眞空中傳送，如太陽能穿過太空傳送至地球表面的過程；也因此 傳送過程很容易被不易透光的物體阻擋。以防火實驗室耐火爐的輻射熱傳現象 而言，為爐內將熱輻射至試體表面，若其表面絕對溫度各為 Ta、Ts，則輻射熱 傳速率 qrad為： qrad = Fε F_G σA_s (T_a4 - T_s4) ………(1) = hradσAs (Ta4 - Ts4)……….…………..(2) 其中 Fε：發射係數(emissivity)，為真實物體表面與理想灰體輻射發射量比值 FG：視覺因子(view factor)，與幾何形狀有關 σ：波次曼常數（Stefan-Boltzmann Constant）等於 5.67×l0-8 W∕m2－K4_， As：試體表面積 Ts：試體表面溫度 Ta：環境溫度 hrad：輻射熱傳係數 由於熱輻射以電磁波的形式傳遞，因此其輻射強度不僅隨表面溫度改變， 且與波長也有密切關係，而表面性質如放射係數和吸收係數等也常隨波長作不 規則變化，然而在溫差較大如燃燒爐中的情形時，因牽涉到火焰及熱氣的輻射， 由於形狀及溫度不規則，且只有穿透吸收等問題的存在，因此雖然輻射現象重 要，但其熱傳速率的估計則甚難精確。 2.2 對流熱傳(Convention heat-transfer) 對流熱傳存在於不同溫度之物體表面與表面之流體之間，防火實驗室耐火 爐內試體經過流體表面的對流熱傳率為 qconv = hconv As (Ta - Ts)……….(3) 其中 qconv：對流熱傳率

7 hconv：對流熱傳係數 As：表面積 Ts：表面溫度 Ta：環境溫度 2.3 綜合熱傳係數 當對流熱傳與輻射熱傳同時存在，可將上式(1)及(2)合併，熱傳率為 q = qconv + qrad = hconv As (Ta - Ts) + hrad σAs (Ta4 - Ts4)……….(4)

上式中的熱輻射部分是 4 次非線性，對於溫度場計算不易，為簡化計算過程， 定義綜合熱傳係數 h 如下： h = hconv + hrad σ(Ta2 + Ts2) (Ta + Ts)………..(5) 將(5)帶入(4)式，得到綜合熱傳率如下： q = h As (Ta - Ts)………..………(6) 上式為簡化之熱傳率，避免輻射熱傳的高度非線性複雜計算，類似如對流熱傳 公式(3)，只要將綜合熱傳係數 h 找出，輸入有限元素程式中，以求得試體表面 溫度。

第二節 以數值分析推算熱交換係數

在進行耐火爐內結構的溫度場分析時，根據受火條件不同，構件受火面的 邊界條件，利用實驗佈置在構件表面的熱電偶直接測得構件表面的溫度變化， 進行溫度場分析，求得熱交換係數，避免因取值不準確帶來溫度場計算誤差。 本節應用 2014 年箱型鋼柱實驗試體表面溫度資料，以數值分析方法運算求 得綜合熱傳係數 h。 實驗所用箱型鋼柱斷面尺寸為 550×550×16×16，試體長度為 400 公分，熱 電偶測點分布如圖 2 - 2 所示，平均爐溫與本所耐火爐升溫曲線如圖 2 - 3，在 實驗開始 10 分鐘內，爐溫比升溫曲線低，約至 10 分鐘後爐溫才漸漸與升溫曲 線相合。本次先取 S 面 4 斷面溫度資料做分析，各斷面溫度如圖 2 - 4，高低相 差約 50 度內，找出 4 斷面平均值後求取綜合熱傳係數 h。

圖 2 - 2 熱偶計測點分布圖 (資料來源：本研究整理)

9 圖 2 - 3 試體平均爐溫與升溫曲線圖 (資料來源：本研究整理) 圖 2 - 4 試體試體表面溫度圖(S 面 4 斷面點) (資料來源：本研究整理) 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，元素 分割如圖 2 - 5，分析結果溫度分布如圖 2 - 6 所示。

圖 2 - 5 數值分析元素分割圖 (資料來源：本研究整理)

圖 2 - 6 數值分析溫度分布圖 (資料來源：本研究整理)

11 分析前先將 ISO 標準升溫曲線分段，如表 2 - 1 第一列資料，20℃至約 200 ℃為第一段，因為時間短，約 20 秒，接著以 100℃為增量，至 800℃止(因本次 實驗最高溫度約只達 812℃)，再以試誤法每段找出一組上下限值，用內插方式 找出綜合熱交換係數 h，如表 2 - 1 第二列資料所示。 最後將表 2 - 1 綜合熱交換係數 h 代入程式中求取試體表面溫度，結果如 圖 2 - 7 中黑點所示，所求得之表面溫度與各斷面溫度比較，可得到良好之近 似曲線。 表 2 - 1 綜合熱傳係數 h 標準升溫曲線 溫度(℃) 20 200 400 500 600 700 800 h (W/m2-℃) 0 50.47 76.03 57.39 48.59 91.16 157.29 (資料來源：本研究整理) 圖 2 - 7 數值分析結果與升溫曲線、爐溫及各斷面溫度比較 (資料來源：本研究整理) 由表 2 - 1 資料顯示綜合熱交換係數 h 開始由 0 增加，至溫度達 400℃後降 低，至 600℃才又升高，這現象應是本所耐火爐之特性，由圖 2 - 7 耐火爐之升

線差值加大，至約 530℃後才又慢慢回復，於 650℃才趕上 ISO 標準升溫曲線。 另外本次實驗因時間較短，溫度只達 800℃左右，無法得到標準升溫曲線 達 900℃之綜合熱交換係數 h，至於超過 900℃之數據，因鋼材表面溫度應已超 過 700℃以上，本研究暫不予以考量。

13

第三章 實驗規劃

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。不過，因為實驗所用的箱型鋼柱試體因表面較為平滑，無遮蔽物， 不會對實驗量測結果造成太大誤差，另一是試體實驗時間太短，不足 30 分鐘， 溫度稍不足，爐內溫度資料只有約 800℃，試體表面溫度約 600℃。如若想預估 防火時效超過 1 小時試體表面溫度資料，或是想判斷梁柱接頭與 H 型鋼等表面 複雜之溫度，就可能會有極大之誤差。 為了解決上述問題，本研究規劃一項彎矩接頭鋼構造梁試體實驗，於本所 梁柱複合爐進行鋼梁標準試驗。本實驗仿照 104 年實驗規劃，除了樓版及鋼梁 自重外，不再加額外載重以增加結構耐火時效，預計能達到約 1 小時實驗時間， 或試體溫度達到約 900℃以上，以量測斷面較為複雜之梁柱接頭，及 H 型鋼梁 表面溫度，求得綜合熱傳係數。 本次實驗在溫度量測上除了使用熱偶計外，還嘗試用平板式測溫計，其對 於熱輻射與熱對流效應較為靈敏，且對溫度控制較為精確。

第一節 標準試驗試體規劃與設計

本研究試體規劃模擬鋼梁構件於抗彎矩構架之設計，試體取一跨二層構架 之梁柱子結構，並僅於中間層之鋼梁受火害，如圖 3 - 1 所示。 試體涵蓋鋼梁、鋼柱與中間層之樓版，如圖 3 - 2 所示。設置樓版之考量 乃因樓版亦提供鋼梁束制、並使鋼梁上部受混凝土保護不直接受火害。下層鋼 梁不設置樓版，因假設不受火害，將以防火棉包覆。 由束制鋼梁受火害之研究文獻發現，鋼梁會因溫度上升導致材料強度降 低，使鋼梁逐漸喪失承重能力。影響束制鋼梁耐火性能之參數為載重大小、梁 柱接頭形式、柱對受火梁之束制鋼度等，因此本研究規劃兩組試體，改變柱之 尺寸大小，以模擬受火梁承受不同的束制剛度，如表 3 - 1 所示。

圖 3 - 1 鋼梁受火害變形圖與一跨兩層子結構示意圖 (資料來源：本研究整理) 圖 3 - 2 梁柱子結構試體示意圖 (資料來源：本研究整理) 表 3 - 1 試體規劃表 梁斷面尺寸 H×B×tw×tf(mm) 柱斷面尺寸 H×B×tw×tf(mm) 試體 300×150×6.5×9 250×250×9×14 （資料來源：本研究整理） 試體下部為 2 根梁構件與兩根柱構件組合而成，所有構件均以國內鋼結構 常用之 A572 Gr.50 規格鋼材製作。試體鋼梁斷面為 RH 300×150×6.5×9，鋼柱

15 斷面為 RH 250×250×9×14。樓版寬度為 70cm，厚度為 13cm，以鋼承版 2W-0.76、 混凝土、剪力釘及鋼絲網製作，試體設計圖如附錄一所示。 防側向扭轉設置在鋼梁設加勁板，並在鋼柱另一側設置短梁，梁柱彎矩接 頭採實務上常用之翼板銲接腹板鎖螺栓方式，如圖 3 - 3 所示，接頭細節如圖 3 - 4 所示。 圖 3 - 3 下部試體梁柱構件圖 (資料來源：本研究整理) 加勁板 短梁

圖 3 - 4 彎矩接頭細節圖 (資料來源：本研究整理)

第二節 量測儀器設置

本研究試體裝設電熱偶以監測溫度，依 CNS12514-1 規定，梁構造內部熱 電偶測點配置如圖 3 - 5 之 B、C、D 三斷面，每一斷面裝設 4 個測點，如圖 3 - 6 之(a)、(b)、(c)所示。兩邊抗彎矩接頭各有 4 個測點，如圖 3 - 5 之 A 與 E 斷面，熱電偶位置如圖 3 - 7 圖 3 - 8 所示，共有 20 個。柱斷面熱電偶配置如 圖 3 - 5 之 F、G、H 三斷面，每一斷面有 2 個測溫點，如圖 3 - 8 (a)所示。底 梁設中間 1 點，如圖 3 - 8 之 I-I 斷面，熱電偶位置如圖 3 - 8(b)所示。

17

圖 3 - 5 鋼梁熱電偶測點設置斷面圖 (資料來源：本研究整理)

(c) 斷面 D-D 圖 3 - 6 樓版與梁斷面熱電偶配置圖 (資料來源：本研究整理) 圖 3 - 7 彎矩接頭熱電偶配置圖 (資料來源：本研究整理) (a)斷面 F-F、G-G、H-H (b)斷面 I-I 圖 3 - 8 柱與底梁熱電偶配置圖 (資料來源：本研究整理)

19 本次實驗在梁跨度中點處設置位移計，量測鋼梁撓曲量，如圖 3 - 9 之δ1， 因本次實驗除樓版及鋼梁本身自重外，不加額外載重，故中點位移計設置是以 安全為主。 平板式測溫計設置於兩鋼柱外側中點，較熱電偶 H 處高約 20 公分，如圖 3 - 9 之 J。 圖 3 - 9 位移計及平板式測溫計位置圖 (資料來源：本研究整理)

21

第四章 防火試驗

第一節 實驗設備與設置

本實驗於本所防火實驗中心之複合實驗爐進行，如圖 4 - 1 所示，以現有 儀器設備，適當的設計試體與實驗設置，以達研究要求。實驗設置如圖 4 - 2 所示，子結構上端梁柱交會區以一端鉸支承一端滾支承形式，以樞接構材與設 備梁連接。中間鋼梁與樓版位於加溫爐蓋板下方，下方鋼梁以防火棉包覆置於 爐內，實驗時為了增加結構耐火時效，除了樓版及鋼梁自重外，不再加額外載 重，試體設計檢核如附錄二所示。 圖 4 - 1 防火實驗中心複合實驗爐 (資料來源：本研究整理)

設備梁 樞接構件 試體 高溫爐 施力鋼架 防火棉 A A 爐蓋版 樓版 防火棉 剖面 A-A 圖 4 - 2 實驗設置示意圖 (資料來源：本研究整理)

第二節 試體安裝

本研究試體外觀如圖 4 - 3 所示，鋼構架下梁包覆防火棉再吊入爐中並與 構架上部連接，蓋上爐蓋板完成安裝如圖 4 - 4 所示。 鋼構架試體熱電偶設置如圖 4 - 5 斷面 A 及圖 4 - 6 斷面 B 所示，本次實 驗熱電偶線未包覆防火棉，增加鋼構架試體表面受熱面積，以與過去實驗包覆 防火棉溫度資料比較，不過受制於熱電偶線材料耐熱性質，分析之實驗溫度資 料以 900℃以下為主。 平板式測溫計裝置如圖 4 - 7 所示，本次實驗共安裝 2 個，位於兩個鋼柱 外側翼板上，並依照 CNS 12514-1 規範規定，設置於離試體表面 10 公分處， 量取爐內溫度，以與高溫爐所用陶瓷棒熱電偶所量測之溫度做比較。

23

圖 4 - 3 鋼構架試體圖 (資料來源：本研究整理)

圖 4 - 4 鋼構架試體安裝完成圖 (資料來源：本研究整理)

圖 4 - 5 鋼構架試體斷面 A 熱電偶設置圖 (資料來源：本研究整理)

圖 4 - 6 鋼構架試體斷面 B 熱電偶設置圖 (資料來源：本研究整理)

25 圖 4 - 7 平板式測溫計裝置圖 (資料來源：本研究整理)

第二節 試驗規劃與試驗步驟

本研究火害實驗依據 CNS12514-1 相關規定進行，試驗步驟如下： 1. 試驗開始前準備事項。 2. 室內溫度須介於 10-40℃範圍內，且爐內溫度須小於 50℃。 3. 試驗開始前 5 分鐘內，所有熱電偶之初始值須持續記錄並檢查一致性，試 體之變形量及其他狀態亦須記錄。 耐火試驗過程 1. 試驗開始之際，試體之初始平均溫度和非加熱面溫度須與初始室內溫度相 差 5℃範圍內。 2. 高溫實驗爐依照 CNS 12514-1 溫升曲線加熱，並透過所埋設的熱電偶監測 試體的溫度，以瞭解試體內外之溫差。 3. 爐內溫度與試體溫度之熱電偶測點，應每隔不超過 1 分鐘量測一次。 4. 試體在整個試驗中之變形須每隔 1 分鐘量測一次，變形速率依上述量測值 加以計算，本研究採每分鐘量測 6 次。對於水平承重試體，應量測預期發

5. 試驗結束後，須觀察試體之變形模式並詳實記錄之。 試驗終止條件 1. 試體溫度達到預定溫度，或試驗時間已達預定時間。 2. 因人員安全或設備可能遭受破壞之因素。 3. 水平承重構造性能基準，最大撓曲度：D = L2/400d (mm)，最大撓曲速率： dD/dt = L2/9000d (mm/min)，其中 L 為試體淨跨度，d 為斷面受壓最外緣至 受拉最外緣之距離。本研究試體長度為 4000 mm，依上述之性能標準，試 體最大撓曲度為 98 (mm)，最大撓曲速率為 4.34 (mm/min)。

第三節 試驗結果

實驗開始之室溫約 25.6℃，試體各測點平均溫度為 29.6℃，試體實驗加溫 爐內平均溫度與 CNS 標準升溫曲線如圖 4 - 8 錯誤! 找不到參照來源。所示， 爐內溫度於 10 分鐘左右與 CNS 標準升溫曲線重合，並保持在±100℃誤差範圍 內。鋼梁撓曲變形與時間關係如圖 4 - 9 所示，試體各斷面溫度測點與時間關 係如圖 4 - 10 至圖 4 - 18 錯誤! 找不到參照來源。所示，平板式測溫計與平均 爐內溫度比較如圖 4 - 19 所示。 由圖 4 - 9 鋼梁撓曲變形及圖 4 - 12 斷面 C 點溫度可知，實驗開始後，鋼 梁隨溫度升高伸長量增加，由於樓版關係，上翼板溫度較下翼板低，且無額外 加載，鋼梁逐漸向上拱起，鋼梁中點垂直位移於 22 分鐘後達最高點 9.5 mm， 此時爐內溫度為 797℃，上翼板溫度 668℃，下翼板溫度 743℃，相差 75℃。接 著鋼梁勁度逐漸減少，垂直位移轉而等速向下，至實驗進行 40 分鐘後，鋼梁勁 度幾乎消失，重量由樓版支撐，此時鋼梁中點垂直位移約為-19.6 mm，爐內溫 度為 762℃，上翼板溫度為 770℃，下翼板溫度為 862℃，相差 92℃。之後垂直 位移不再顯著增加，於實驗進行 60 分鐘後達到最大值-24.2 mm，此時爐內溫度 為 943℃。 實驗進行 70 分鐘後，垂直位移與速率仍未達到 CNS 12514-1 規定之性能 基準，此時爐內溫度為 945℃，未包覆防火棉各測溫點溫度多超過熱偶線量測 最高溫度 900℃，加溫爐熄火，實驗停止。 由圖 4 - 10 至圖 4 - 18 試體各斷面溫度測點圖，結構較為複雜之處如梁柱 接頭附近斷面 A、E、G 之溫度，比斷面 B、C、D、H 之溫度低約 50-80℃左右，

27 鋼梁斷面 A、B、C、D、E 上下翼板溫度差約為 60-90℃左右。 由圖 4 - 19 平板式測溫計測溫點溫度圖可知，J2 在 40-50 分鐘時呈現部溫 度不穩定狀況，後面雖然回復，故資料只做為參考用。依照 CNS 12514-1 規定， 平板式測溫計亦可做為爐內溫度量測裝置，不過依照圖內資料所示，用測溫棒 量測的平均爐內溫度在 10 分鐘後追上標準升溫曲線，而平板式測溫計約在 30 分鐘後才追上標準升溫曲線。 待試體冷卻後觀察，因無加額外載重，梁柱接頭銲道、螺栓及剪力板皆無 破壞，腹板及下翼板皆無局部挫屈，如圖 4 - 20 所示，梁柱接頭無轉角且鋼柱 無彎曲變形，如圖 4 - 21 所示，鋼梁亦無明顯側向扭轉情形發生，如圖 4 - 22 所示。 圖 4 - 8 加溫爐內平均溫度與 CNS 標準升溫曲線圖 (資料來源：本研究整理)

圖 4 - 9 鋼梁撓曲變形圖 (資料來源：本研究整理)

圖 4 - 10 斷面 A 測溫點溫度圖 (資料來源：本研究整理)

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圖 4 - 11 斷面 B 測溫點溫度圖 (資料來源：本研究整理)

圖 4 - 12 斷面 C 測溫點溫度圖 (資料來源：本研究整理)

圖 4 - 13 斷面 D 測溫點溫度圖 (資料來源：本研究整理)

圖 4 - 14 斷面 E 測溫點溫度圖 (資料來源：本研究整理)

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圖 4 - 15 斷面 F 測溫點溫度圖 (資料來源：本研究整理)

圖 4 - 16 斷面 G 測溫點溫度圖 (資料來源：本研究整理)

圖 4 - 17 斷面 H 測溫點溫度圖 (資料來源：本研究整理)

圖 4 - 18 斷面 I 測溫點溫度圖 (資料來源：本研究整理)

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圖 4 - 19 平板式測溫計(J)測溫點溫度圖 (資料來源：本研究整理)

圖 4 - 20 實驗後梁柱接頭變形圖 (資料來源：本研究整理)

圖 4 - 21 實驗後鋼柱變形圖 (資料來源：本研究整理)

圖 4 - 22 實驗後鋼梁變形圖 (資料來源：本研究整理)

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第五章 結論與建議

第一節 結論

本研究結論如下： 應用適當的綜合熱交換係數，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，在運用上有以下幾個特點。 1. 在使用上較為簡便，直接以標準升溫曲線做為熱源，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。 不過，適當的綜合熱交換係數需要靠足夠的實驗數據回歸與印證，才能得 到較為準確的溫度資料，另外，綜合熱交換係數與實驗試體之幾何形狀，現場 電熱偶線路佈設及防火棉包覆有很大關係，如何歸納本所實驗爐使用狀況，以 得到最合適之數據，建議還需要更多實驗資料加以驗證。

第二節 建議事項

辦理相關鋼結構構件及構架之標準火害數值分析研究：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中華民國鋼結構協會 鋼結構火害實驗研究一般皆以標準升溫曲線對構件或構架進行探討，不過 於實驗室進行火害實驗仍有許多限制，如結構重要位置之位移、變形，及應力 變化等對於結構安全與設計上之數據，仍有量測上之困難，另外結構火害實驗 費用高，往往無法進行數量足夠之實驗，因此有必要發展結構火害數值分析， 並針對構件及構架循序漸進做一系列之探討，以輔助火害實驗之不足。

附錄

37

39 圖號 S2-2 10/18 圖名 框架 B 詳圖 日期 2015/06/30 HOLE ϕ32 DETAIL S2-1 9 DETAIL S2-1 10 125 170 400 125 400 170 10 10 10 ₁₁ 10 TYP. 25 25 26 26 TYP. 上下加勁板 上下加勁板 左視圖 前視圖 俯視圖 俯視圖 前視圖 右視圖

圖號 S2-3 11/18 圖名 框架 B 詳圖 日期 2015/06/30 Item 21 Item 22 170 170 125 125 Item 23 S2-4 11 1020 1020 2 7 15 圖號 S2-4 12/18 圖名 框架 B 詳圖 日期 2015/06/30 2 @ 6 0 40 40 2 @ 6 0 5 405 150 48 48 60 60 40 40 5 285 左視圖 前視圖 俯視圖 60 40 40 2 @ 4 8 DETAIL S2-1 11 27 27 28 29 29 Φ21.5 Φ21.5

41 圖號 S2-5 13/18 圖名 框架 B 詳圖 日期 2015/06/30 15 15 120 222 t = 9 150 75 150 75 HOLE ϕ32 150 75 t = 50 _{t =50} 82 150 32

Item 24 Item 25 Item 26

75 圖號 C1-1 15/18 圖名 連接構件 組裝圖 日期 2015/06/30 360 1150 20 350 395 290 HOLE ϕ26 830 10 31 32 33 34 左視圖 前視圖 仰視圖 275 325 60 60 30 連接構件 (二組)

圖號 C1-2 16/18 圖名 連接構件 詳圖 日期 2015/06/30 4 55 370 t=20 t=20 HOLE ϕ32 150 110 250 Item 33 Item 34 20 20

附錄

43

45 本研究實驗試體鋼梁斷面尺寸(H×B×tw×tf)為 300×150×6.5×9，梁長度為 4m。假設試體為簡支梁，鋼梁降伏強度(Fy)為 3.5tf/cm2。試體強度參考鋼結構 容許應力設計法之計算如下： 1. 斷面肢材寬厚比要求： (a) OK (b) OK 2. 鋼梁容許撓曲應力： 鋼梁側向未支撐間距 Lb = 400 cm 強軸容許撓曲應力取 max{Fbx1, Fbx2} = 1.15 tf/cm2

Max = fbx1 × Sx = 1.15 × 481 = 553.15 tf．cm (載重比為 0.6)

一般梁於使用狀態下，載重比約為 0.1 至 0.2 左右，本實驗為求增加實驗時 間，不加額外載重。

附錄

47

49

內政部建築研究所 107 年度第 3 次研究業務協調會議紀錄

一、時間：107 年 2 月 26 日(星期二)下午 2 時

二、地點：本所簡報室

三、主席：王代理所長安強

記錄：賴深江、白櫻芳、李其忠、陳柏端

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：

（一）

「日本防災街區規劃與實施制度之研究」案：

1. 本研究之價值在於日本制度如何與臺灣接軌，請指出臺灣之問

題後再參考日本制度提出建議，題目參考與會人員意見酌修為

「日本防災街區規劃與實施制度應用於提升我國都市老舊地區

防災功能之探討」。

2. 都市計畫有「管制」

、「促進」及公共設施配置等類內容，其中

如涉及民眾財產權部分則以「促進」之概念及作法予以推動，

日本防災街區之規劃重點係在「管制」或是「促進」

，建議加以

釐清。

3. 日本防災都市營造手法多樣，建議先對各手法分析後再進到防

災街區制度探討，並敘明防災街區之尺度大小及可對應之國內

空間計畫。另外，日本防災街區係以因應防火為目的，而臺灣

所需因應則為震災，故建議就日本對該街區尺度之震災對應措

施加以探討。

（二）

「日本都市公園指定經營管理支援防災體系之研究」案：

1. 本案應能與台灣法令制度接軌，請蒐集國內都市公園認養管

理、防災公園開設等指導計畫，與日本都市公園指定經營管理

支援防災制度進行比較分析，並透過訪談尋求本土化應用之可

行方式，題目參酌與會人員意見修正為「應用日本都市公園指

定經營管理制度強化我國防災公園開設及管理機制之可行性研

究」。

2. 研究緣起請說明 106 年度係從日本防災公園實施經驗探討我國

都市公園之防災分工與建置方針研究成果，而本年度計畫之研

究重點在於經營管理之運作，以區隔兩者之差異性。

3. 國內防災公園之角色分工主要架構在地區災害防救計畫上，就

都市避難規劃而言，民眾避難場所主要為中小學校；公園並非

只有避難功能，不同規模尺度的都市公園可以指定發揮不同的

防災功能，如指揮中心、物資集散地點等，文中應闡明建立正

確的觀念。

4. 都市公園具複合性功能，管理單位與防災機能視規模大小有所

不同，故請界定釐清日本都市公園指定經營管理的規模尺度與

防災機能性質。

（三）

「剪力釘對混凝土鋼承板耐火性能影響之研究」案：

1. 建議本研究火載量設計，使火災的等效時間（time equivalence）

可達建築技術規則之防火時效 3 小時，以利供後續相關建築規

定或業界參考。

2. 本研究與今年委託研究團隊之工作內容、經費分配及分工宜釐

清。

（四）

「彎矩連接式鋼梁火害行為數值分析」案

1. 本案題目參酌與會人員意見修正為「彎矩連接式鋼梁標準火害

試驗及數值分析研究」。

2. 國外發展數值分析研究已非常成熟且多元，請蒐集各種專業軟

體應用於結構火害領域情形，及為特定材料所發展之分析元

素，以供後續研究參考。

51

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。

53

55

本所 107 年度自行研究「剪力釘對混凝土鋼承板耐火性能影響之研

究」及「彎矩連接式鋼梁標準火害試驗及數值分析研究」等 2 案期

中審查會議紀錄

一、時 間：107 年 8 月 9 日（星期四）下午 2 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：李其忠、陳柏端

四、出席人員：如簽到單

五、簡報內容：略。

六、出席人員審查意見（依發言順序）：

（一）

「剪力釘對混凝土鋼承板耐火性能影響之研究」案：

邱顧問昌平：

1. 剪力釘佈設於小鋼梁上，使兩者有合成作用(composite action)，

但兩者間又有當模板用之鋼承板，它受高溫下之膨脹必對剪力

釘造成剪切力更大。故小梁上剪力釘位置是否將鋼承板打洞(ψ

=2ψor 2D=2×16mm)，可能比增加剪力釘數目更好。

2. 以報告書第 31 頁之第八節中為例，名詞之呈現：平板，鋼筋混

凝土板…中之板宜為版。計畫名稱之真義似為鋼承板對鋼小梁

與混凝土版間剪力釘之耐火性能影響之研究？

3. 報告書圖 3.11~圖 3.16 中，圖的名稱請再檢視。

方教授一匡：

1. 建議在文獻回顧中有關鋼承板與鋼梁之實驗成果介紹中，補列

剪力釘附近混凝土的溫度，剪力釘是否變形相關成果。建請在

本研究的成果介紹時，列入上述實驗數據。

2. 建議在本文中增列歐規對高溫下剪力釘間距之規定，結論中增

列根據本研究所用實驗在高溫中剪力釘的間距，是否要考慮縮

小間距。

3. 建議在結論中列明兩種不同方式處理新舊混凝土接觸面在高溫

下對本研究樓板的變形，剪力釘受力行為之影響。

陳教授誠直：

1. 與研究主題相關之文獻回顧完整。

2. 建議說明 105 年度與 106 年度剪力釘配置情況。

3. 報告書圖 3.4 剪力釘為 2-16ψ305，惟圖 3.12 照片顯示每鋼承板

凹處僅有一支剪力釘，其差異為何？。

4. 建議探討 105 年度與 106 年度造成樓版與鋼梁間剪力釘破壞之

受力情形。

鍾教授興陽：

1. 本案對鋼承樓板與鋼梁在火害中與火害後之複合行為的重點元

件剪力釘進行研究，由於剪力釘在火害中與火害冷卻後所受之

力量與常溫不同，因此本案有其重要性，可驗證雙倍數量剪力

釘是否足夠維持樓板與小梁之複合行為。

2. 由於本次實驗和前次實驗之火害時間不一定相同，建議可用位

移-溫度曲線進行比較。

3. 修補方式所造成之影響在比較時需注意。

陳技師正平：

1. 剪力釘火害剪斷現象是僅發生在小梁？還是大梁也有相同現

象？。

2. 混凝土採用之粒料的 E 值，國內比 ACI 公式計得者低，是否會

降低剪斷現象的機率？

3. 剪力釘剪斷是否發生在有考慮合成效應者？

4. 本研究小梁與鋼承板是否有考慮合成？

5. 報告書圖 3.8 及圖 3.9 剪力釘未突出肋梁。

中華民國全國建築師公會 楊建築師勝德：

57

1. 設計實務上，鋼承板當作模版使用，若為複合版，則應有防火

被覆作防火需求。這現象可以作為「前言」之說明。

2. 實務上版厚 150mm 提高為 200mm，是否下次研究應考量不同厚

度。

3. 不曉得剪力釘破壞的比例是多少？

4. 建議將剪力釘的密度改變，可得到不同驗證結果。

中華民國土木技師公會全國聯合會 陳技師建民：

1. 建議樓版之位移計在三跨小梁與小梁或大梁間皆等間距佈設。

2. 建議日後亦可同時考量不同剪力釘長度之影響。

郭教授詩毅(書面意見)：

1. 文獻回顧研究增加有剪力釘的混凝土承板破壞討論。

2. 留意實驗過程中的點位佈設、數據收集及實驗終止條件控制。

主席：

本研究擬持續建立實尺寸鋼構屋火害實驗資料庫，建議將所要

補充資料庫的內容項目予以說明。

計畫主持人回應（李副研究員其忠）：

1. 報告書內容有關資料庫的內容、圖示、剪力釘配置、照片、文

字修正、文獻回顧增列剪力釘附近混凝土的溫度與剪力釘是否

變形等，將依審查意見修正補充與說明。

2. 本研究修復小梁及混凝土樓版時，發現小梁上的剪力釘剪斷，

大梁並未進行修補，無此現象，另本研究鋼構屋設計依國內鋼

結構設計規範，小梁與鋼承板是有考慮合成效應。

3. 考量每次實驗之火害時間不同，將以位移-溫度曲線表示，以利

比較。

（二)「彎矩連接式鋼梁標準火害試驗及數值分析研究」案：

邱顧問昌平

1. 本計畫是近兩年來之延續性研究，對於子結構受標準火害試驗

之量測佈設，有效測值之取得等，做進一步之探討，以利獲得

較正確之數值分析。

2. 2014 年之箱型鋼柱實驗結果以數值分析方法進行運算，再與實

際之升溫曲線、爐溫、各斷面溫度比較，已有一些成果。

方教授一匡：

1. 建議在第三節研究目的及方法中補充說明研究目的。

2. 在第三章的實驗規劃中補充說明實驗研究之目的及主要測試

點。

3. 在第五章的結論請補充研究目的達成情況。

陳教授誠直：

1. 本研究將輻射熱與對流熱傳簡化為綜合熱傳係數，應用於單一

箱型鋼柱尚屬良好。

2. 規劃實驗之試體為一跨二層構架含樓版，試體各點表面溫度將

有差異，建議說明如何界定不同區域的綜合熱傳係數 h 値。

3. 綜合熱傳係數與爐噴火口之位置關係為何？

鍾教授興陽:

1. 本案對於精進與提升鋼構火害數值模擬技術有其意義，亦可整

理歸納出貴所高溫爐的交換係數。

2. 由於各鋼構試體不盡相同，是否亦需考慮熱傳導所造成之影響。

3. 交換係數在高溫爐因噴火點分佈位置的不同，可能會有不同之

結果，請加以考量。

59

陳技師正平：

1. 研究鋼構件熱交換係數，與接頭型式似無關聯，應與周邊是否

有干擾物件影響較大。

2. 若溫度延至 1200℃，可能造成鋼構件軟化，請加以考量。

中華民國土木技師公會全國聯合會 陳技師建民：

防側向扭轉設置在鋼梁之加勁版，位置及數量是否足夠？建議

保守考量。

郭教授詩毅(書面意見)：

1. 本研究與相關中長程研究計畫的連結，請加以說明。

2. 建議掌握試驗過程中的量測點位佈設，數據收集及實驗終止條

件的控制。

3. 以數值分析推算熱交換係數，宜說明「熱損失」的相關問題。

計畫主持人回應（陳約聘副研究員柏端）：

1. 熱傳導為構件內部熱效應，於數值分析時會依材料熱性質參數

自行計算，本研究探討之熱交換係數主要是簡化空氣層之熱能

傳入鋼材表面之速率，以找出本所高溫爐之熱傳特性。

2. 高溫爐內噴火點位置對熱交換係數會有影響，本研究目前先以

平均爐溫計算，將再對過去實驗資料進行分析，探討其影響程

度。

3. 報告書內容有關本研究目的、實驗研究目標及主要測試點，將

依審查意見修正補充與說明。

七、會議結論：

（一）本次會議 2 案期中報告，經審查結果原則通過。請詳實記載

與會審查委員及出席代表與委員書面意見，並請計畫主持人參採，

於期末審查時作適當回應。

（二）請計畫主持人掌握研究時程，並請留意成果報告格式，以符

規定。

61

63

本所 107 年度自行研究「剪力釘對混凝土鋼承板耐火

性能影響之研究」及「彎矩連接式鋼梁標準火害試驗

及數值分析研究」等 2 案期末審查會議紀錄

一、時 間：107 年 11 月 29 日（星期四）下午 2 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：李其忠、陳柏端

四、出席人員：如簽到單

五、簡報內容：略。

六、出席人員審查意見（依發言順序）：

（一）「剪力釘對混凝土鋼承板耐火性能影響之研究」案：

方教授一匡：

1. 請在摘要與第一章中補一段說明本研究有關剪力釘的研究目

的。

2. 請在後續研究中，蒐集常溫與高溫條件下剪力釘的破壞模式。

3. 從實驗量測的結果，嘗試說明溫度與梁板撓度特殊變化點是否

與剪力釘的熱變形有關，並在後續研究中加以注意。

郭教授詩毅：

1. 期末報告的重要發現部分(一)~(四)，如單、雙排剪力釘之影

響，大梁有無防火被覆、小梁鋼材性質、剪力釘長度與數量等；

這些影響因素目前是否可進一步釐清，如無法量化數據討論，其

質化的觀察描述分析應列入實驗結果討論中，即列入第四章的討

論內容中。

2. 建議二有關自充填混凝土鋼承板耐火性能研究，有研究價值。

如可提供做為火害歷程中的安全評估(受溫後撓度大)。

3. 建議將歷年計畫，如 106、107 年計畫結果的分析、比較及綜合

討論。

劉教授光晏：

1.報告書第 16 頁的方程式，其字型與字體大小應統一。

2. 報告書第 20 頁樓版或樓板，請統一。

3. 報告書第 34 頁本研究是否會使用承載力法及混凝土板溫度

法，比較實驗成果?

4. 報告書第 34 頁小節的標題為 1.1，請重新調整。

5. 報告書第 43 頁第 3.2.5 節，剪力釘的設計是否依照第 32 頁及

第 33 頁設計?

6. 報告中缺少實驗後剪力釘破壞照片，請補充。

7. 報告書第 81 頁結論中有關剪力釘影響實驗結果的論述稍有不

足，可再強化。

鍾教授興陽：

1. 圖 4.28，1

st

&4

th

曲線較相近，2

nd

&3

rd

曲線較相近，此數據若能

扣除樓板周圍大梁的變位，應可獲得樓板的淨變位，如此再來比

較或許會有不同的現象。

2. 圖 4.27，1

st

曲線和 4

th

曲線趨勢較相近，但是 1

st

曲線的開口面

積為 4

th

曲線開口面積的 2 倍，值得進一步研究。

3. 建議日後若有機會可進行自充填混凝土樓板剪力釘的火害研

究。

柯技師鎮洋：

1. 請依據研究成果，提出規範條文修正建議，並提示設計人應檢

核項目。

2. 研究中之混凝土配比，有爐石、飛灰及化學添加物，對於研究

成果之設計人引用是否有需注意要點。

陳技師正平：

1. 剪力釘剪斷現象因僅 2 跨較易膨脹剪斷，在多跨結構束制較佳

65

應較不易發生。

2. 剪力釘剪斷現象係因鋼梁與 RC 版差異膨脹量產生，若剪力釘依

剪力梯度計算剪力釘數量，應可減低剪力破壞的現象。

3. 圖 3.8 及圖 3.9 的剪力釘高度劃得太短，未突出鋼承板肋峯。

4. 本研究成果可供結構設計者實務設計參考。

計畫主持人回應（李副研究員其忠）：

1.報告書摘要、第一章、結論、圖、照片、標題格式、字型與字體

大小及用詞統一與修正等，將依審查意見修正補充。

2. 本研究實驗結果討論將補充強化有關剪力釘的影響論述，如質

化的觀察描述分析，並增加 106、107 年計畫結果的分析、比較

及綜合討論。

3.本研究之樓板變位曲線，將增加位移-溫度曲線並扣除樓板周圍

大梁的變位進行比較，探討溫度對樓板變位的影響。

（二)「彎矩連接式鋼梁標準火害試驗及數值分析研究」案：

方教授一匡：

1. 在本研究的目的敘述中，建請清楚標註要由哪些已量測的實驗

參數或數據去推算哪些未知的主要熱參數。

2. 取用實驗數據時，建請先鎖定構件斷面由外往裡面熱傳的問

題，往後再考慮構件的軸向熱傳問題，先將問題的複雜性簡化。

郭教授詩毅：

1.

第四章第三節試驗結果應有對數據結果的分析，再作為第五

章結論的依據，請補充。

2.

本研究所得之防火實驗爐有關鋼結構實驗之綜合熱交換係

數，其可能誤差幅度及上下限誤差如何，請說明。

劉教授光晏：

1. 報告書第 7 頁倒數第二行「S 面」與第 9 頁圖 2.4.E1、E2、E3、

E4 之敘述不一致，請修正。第 11 頁「綜合熱傳係數」與「綜

合熱交換係數」二名詞請統一。另表 2-1 結果可否應用在本研

究實驗成果之分析，並請詳細說明試誤法流程，及上下限值的

數據。

2. 報告書第 18 頁圖 3-7 標題請加註為 A.E 斷面；第 26 頁第三節

有參考文獻找不到參照來源，請更正；第 27 頁至第 33 頁圖形

中請加入圖 3-5 之示意圖，以利參照及閱讀。

3. 本研究所得之 H 型鋼之熱交換係數並未提供，請再補充，並比

對 Eurocode 4 建議鋼梁溫度的計算方式。

鍾教授興陽:

1. 建議報告書第 11 頁圖 2-7 的各斷面溫度曲線可以加粗或加標

記，使各曲線能有所區別。

2. 報告書第 26 頁有兩處編輯錯誤，請修正；第 17 頁、18 頁、19

頁的試體斷面圖建議標示出方向。

3.

綜合熱交換係數是否要分區或分構件，以建構不同的係數資

料庫。

柯技師鎮洋：

1. 研究成果中鋼柱厚度是否可能有 22mm、32mm、36mm、40mm，另

外 6.5mm、9mm、12mm 之厚度，很少用於鋼柱中。

2. 相關數據引用不同鋼材，例如 A36、A572、SN400、SN490 是否

有差異性，請加以說明。

陳技師正平：

1. 高溫爐火害試驗所得之溫度較均勻，與數值分析結果較接近。

但實際火害之溫度分佈較不均勻，是否會有較大的差異，請說

明。

67

2.

使用 H300 鋼梁於接頭處建議採一列 3 顆螺栓接合與實務較

為接近。

計畫主持人回應（陳約聘副研究員柏端）：

1. 熱傳導為試體構件內部熱擴散效應，於數值分析時會依材料熱

性質參數自行計算，而本研究探討之熱交換係數只是簡化空氣

層熱能傳至鋼材表面之效應，以找出本所高溫爐之熱傳特性。

2. 高溫爐內噴火點位置對熱交換係數會有影響，不過因爐內測溫

點不夠不易直接評估。本研究熱交換係數是由實驗結果歸納得

出，以標準升溫曲線之溫度計算熱交換係數上下限，再對過去

實驗資料進行內差而得。

3. 本研究只探討高溫爐熱傳特性，與鋼材料強度無關；另外，本

研究使用標準升溫曲線，除溫度均勻外，實驗過程也較容易控

制，有助於數值分析計算；實際火害溫度曲線不同，且火場內

如熱源範圍、通風口大小及位置、燃燒時間都不易控制，結果

會有很大差異。

4. 報告書內容有關數值分析試誤法、計算過程、上下限誤差、圖

文內容編輯加註等，將依審查意見修正補充與說明。

七、會議結論：

（一）本次會議 2 案期末報告，經與會審查委員同意，審查結果原

則通過。

（二）請詳細記錄與會審查委員之意見，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。

八、散會：下午 4 時 20 分。

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參考書目

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