實尺寸鋼構屋邊柱之火害結構行為研究

實尺寸鋼構屋邊柱之火害結構行為

研究

內政部建築研究所自行研究報告

中華民國 108 年 12 月

實尺寸鋼構屋邊柱之火害結構行為

研究

研 究 主 持 人 ： 李其忠副研究員

研 究 期 程 ： 中華民國 108 年 2 月至 108 年 12 月

內政部建築研究所自行研究報告

中華民國 108 年 12 月

INSTITUTE

MINISTRY OF THE INTERIOR

RESEARCH PROJECT REPORT

The Structural Behaviors of Edge Column

in a Full-Scale Steel Building in Fire

BY

Lee, Chi-Chung

目次

表次 ……… Ⅲ

圖次 ……… Ⅴ

摘 要 … … … Ⅸ

第 一 章 緒 論 … … … 1

第 一 節 研 究 計 劃 背 景 與 目 的 … … … 1

第 二 節 研 究 範 圍 … … … 2

第 三 節 研 究 方 法 及 進 行 步 驟 … … … 2

第 二 章 文 獻 回 顧 … … … 3

第 一節 前期研究 成果 … …… … ……… ……… ………3

第 二 節 鋼 材 受火 害之力學性質 … ……… ……… ……… ……6

第 三 節 實 尺 寸 構 造 屋 火 害 研 究 … … … 8

第四節 鋼柱火害研究………13

第 三 章 實 驗 計 劃 … … … 1 5

第 一 節 試 驗 規 畫 … … … 1 5

第 二 節 試 體 製 作 … … … 1 6

第 三 節 試 驗 方 法 … … … 2 5

第 四 章 實 驗 結 果 … … … 3 1

第 一 節 火 害 實 驗 … … … 3 1

第二節與前期試驗結果討論………48

第五章實尺寸鋼構屋火害實驗資料庫………51

第 六 章 結 論 與 建 議 … … … 6 3

第 一 節 結 論 … … … 6 3

第 二 節 建 議 … … … 6 4

附錄一 審查會議紀錄………65

附錄二 本研究試體設計資料………71

參考書目 ……… 73

表次

表 2.1 高溫中鋼材之力學性質與折減係數……… 7

表 2.2 英國 Cardington 七次火害實驗基本資料…… … 10

表 2.3 英國 Cardington 七次火害實驗範圍……… 10

表 4.1 火害實驗觀察紀錄表………31

表 5.1 第 1 次火害實驗區空間溫度時間表例……… 53

表 5.2 第 1 次火害實驗區小梁位移時間表例……… 55

表 5.3 第 1 次火害實驗區小梁溫度時間表例……… 57

表 5.4 第 1 次火害實驗區樓板位移時間表例……… 60

表 5.5 第 1 次火害實驗區樓板溫度時間表例……… 61

圖 次

圖2.1

Eurocode 3高溫中鋼材應力應變曲線之關係……… 6

圖2.2

英國Cardington鋼構大樓之七次火害實驗範圍示意圖…… 9

圖2.3

英國Cardington第七次火害實驗照片……… 9

圖2.4

美國加州大學聖地亞哥分校(UCSD) 鋼筋混凝土實驗屋… 10

圖2.5

3層樓鋼結構實驗屋……… 11

圖2.6

門形鋼構架真實火災實驗(1)

……… 12

圖2.6

門形鋼構架真實火災實驗(2)

……… 12

圖3.1

實尺寸鋼構屋H型鋼邊柱……… 15

圖3.2

試體立面圖……… 16

圖3.3

混凝土樓板熱電偶線配置示意圖……… 17

圖3.4

實尺寸鋼構屋混凝土板及小梁拆除……… 18

圖3.5

鋼承板重新鋪設……… 19

圖3.6

樓板之熱電偶線埋設照片……… 19

圖3.7

樓板澆置混凝土……… 20

圖3.8

樓板修復完成……… 20

圖3.9

鋼承板下熱電偶樹配置圖……… 21

圖3.10 小梁下熱電偶樹配置圖……… 21

圖3.11 鋼柱旁之鋼承板下熱電偶樹配置圖……… 22

圖3.12 鋼柱熱電偶配置圖……… 22

圖3.13 火害實驗之隔間平面圖……… 23

圖3.14 火害實驗之隔間工程施作(1)……… 24

圖3.15 火害實驗之隔間工程施作(2)……… 24

圖3.16 大梁防火被覆施作……… 25

圖3.17 火害實驗加載用水桶……… 25

圖3.18 木燃料堆構造圖……… 26

圖3.19 火害實驗區木燃料堆配置示意圖……… 27

圖3.20 火害實驗區木燃料堆與熱電偶樹照片……… 27

圖3.21 樓板及柱頭之位移計配置圖……… 28

圖3.22 鋼柱位移計配置斷面圖……… 29

圖3.23 本次火害實驗區範圍……… 30

圖4.1

火害實驗前照片……… 32

圖4.2

火害實驗照片(1)……… 32

圖4.3

火害實驗照片(2)……… 33

圖4.4

火害實驗照片(3)……… 33

圖4.5

火害實驗照片(4)……… 34

圖4.6

火害實驗後照片(1)……… 34

圖4.7

火害實驗後照片(2)……… 35

圖4.8

火害實驗後照片(3)……… 35

圖4.9

火害實驗空間各熱電偶樹平均溫度時間曲線圖……… 36

圖4.10 火害實驗空間平均溫度與CNS12514-1及EN 1991-1-2比較圖 37

圖4.11 邊柱於0.9H斷面之溫度時間曲線圖……… 38

圖4.12 邊柱於0.6H斷面之溫度時間曲線圖……… 39

圖4.13 邊柱於0.3H斷面之溫度時間曲線圖……… 39

圖4.14 邊柱北側翼板於不同高程之溫度時間曲線圖……… 40

圖4.15 邊柱腹板於不同高程之溫度時間曲線圖……… 40

圖4.16 邊柱弱軸方向之水平位移時間圖……… 41

圖4.17 邊柱於0.9H處弱軸方向之水平位移時間圖……… 42

圖4.18 邊柱於0.6H處弱軸方向之水平位移時間圖……… 43

圖4.19 邊柱於0.3H處弱軸方向之水平位移時間圖……… 44

圖4.20 邊柱軸向位移時間圖……… 45

圖4.21 邊柱於二樓柱頭之南北向位移時間圖……… 46

圖4.22 邊柱於二樓柱頭之東西向位移時間圖……… 47

圖4.23 火害實驗空間平均溫度時間曲線比較圖……… 49

圖5.1

鋼構實驗屋平面圖與本次火災實驗範圍圖例……… 51

圖5.2

第1次火害實驗區熱電偶樹配置圖例……… 52

圖5.3

第1次火害實驗區空間溫度歷時圖例……… 52

圖5.4

第1次火害實驗區小梁位移計位置圖例……… 54

圖5.5

第1次火害實驗區小梁熱電偶位置圖例……… 54

圖5.6

第1次火害實驗區小梁位移歷時圖例……… 54

圖5.7

第1次火害實驗區小梁溫度歷時圖例……… 56

圖5.8

第1次火害實驗區樓板位移計位置圖例……… 58

圖5.9

第1次火害實驗區樓板熱電偶位置圖例……… 59

圖5.10 第1次火害實驗區樓板位移歷時圖例……… 60

圖5.11 第1次火害實驗區樓板溫度歷時圖例……… 61

摘 要

關鍵詞：實尺寸鋼構實驗屋

、

火害、邊柱 一、研究緣起 本所「鋼構建築複合性災害作用下耐火科技研發計畫」於104年完成建置實 尺寸鋼構屋，其基地為19.35m×13.35m，尺寸為一層樓的鋼構（樓層高度4m，面 積12m×12m，2跨×2跨，計9根柱），其鋼梁與鋼柱皆採用H型鋼，梁柱接頭採用 梁翼板與柱銲接，梁腹板與柱栓接的彎矩接頭，小梁與大梁接頭採用小梁腹板與 大梁加勁板栓接之剪力接頭，未來可擴建成5層樓，且設置隔震器(滑動支承)與 激振設施，作為多重災害實驗基地。並在105年委託研究案「實尺寸鋼構屋之剪 力連接複合鋼梁火害結構行為研究」，首次進行有關實尺寸鋼構屋火害實驗，探 討實尺寸鋼構屋之之剪力連接合成鋼梁在真實的結構束制情況下受真實火害行 為。當時與其研究團隊共同研究混凝土鋼承板在火害中的結構行為。106年委託 研究案「實尺寸鋼構屋彎矩連接與剪力連接鋼梁之火害結構行為研究」，賡續有 關實尺寸鋼構造火災實驗研究，於106年11月16日進行彎矩連接鋼梁(大梁)與受火 害修復之剪力連接鋼梁(小梁)的火災模擬實驗，探討彎矩連接鋼梁於火害的真實 結構行為，及剪力連接鋼梁在有無防火被覆受到高溫侵襲之差異。並與之合作探 討受火害修復之混凝土鋼承板之火害結構行為。107年度委託研究案「實尺寸鋼 構屋切削減弱式接頭鋼梁(RBS)與梁柱接頭之火害結構行為研究」，針對實尺寸鋼 構實驗屋的切削減弱式接頭鋼梁(RBS)與梁柱接頭來進行真實火害實驗。與該委 託研究團隊合作，探討剪力釘與受火害修復之混凝土鋼承板之火害結構行為。 今(108)年度委託研究案「實尺寸鋼構屋角柱之火害結構行為研究」，針對實 尺寸鋼構實驗屋的角柱來進行真實火害實驗。建築物的柱構件受火害影響可分為 內柱（四面受火）、邊柱（三面受火）及角柱（二面受火），由於角柱與邊柱，其

在火場中曝火面之故，使得溫度分佈不對稱，火害下的結構行為複雜，以往研究 大多針對內柱火害行為，鮮少對於角柱與邊柱的火害行為進行研究，由於鋼柱屬 於鋼構建築的重要構件，若受到火害高溫侵襲，嚴重情況將造成鋼柱挫屈破壞， 進而造成鋼構建築之嚴重倒塌。因此，本研究將與該委託研究團隊合作，探討邊 柱之火害結構行為。 二、研究方法及過程 本研究針對實尺寸鋼構屋邊柱進行相關火害研究，已將 107 年受火害的混 凝土板及小梁再予以拆除並重新製作，真實火害實驗時蒐集分析鋼柱溫度與其 位移、火災區劃空間內氣體溫度等資料，上述全部實驗資料均整理納入實驗研 究資料庫，可供業界對於鋼結構火害後檢測與安全評估參考運用。 三、重要發現 本研究針對實尺寸鋼構實驗屋 H 型鋼邊柱之火害實驗可得到以下結論： (一)本研究主要探討鋼構實驗屋中之邊柱於真實火災下之結構行為，由所蒐集的 溫度和位移數據，對於瞭解邊柱與其他構件之間相互束制有所幫助。例如 高溫中邊柱在弱軸方向水平位移受到大梁影響，其行為相當複雜，軸向變 形則為伸張收縮與高溫爐所進行鋼柱標準試驗現象一致，但標準試驗無法 完整呈現真實鋼柱的受力情況與束制條件，爰有關鋼柱於真實束制及真實 火害中之結構反應與行為，實有必要做進一步研究。 (二)本次火害實驗的火載量密度為 604 MJ/m2，邊柱位移未超過CNS 12514-1 標準 之承重能力規定值。 (三)經由邊柱在弱軸方向水平位移量測結果，發現邊柱將會因 P-∆效應而在火害 中後受到二次彎矩作用。 (四)本次火害實驗邊柱於弱軸方向之水平位移最大值皆發生在該斷面達到最高 溫之後， 0.9H 處為 4.12 mm 向西(實驗區外側)，其平均斷面溫度為 520°C， 0.6H 處為 3.68 mm 向西(實驗區外側)，其平均斷面溫度為 638°C，0.3H 處為 1.25 mm 向西(實驗區外側)，其平均斷面溫度為 603°C。

(五)本研究已初步完成彙集整理 105 年起所進行之實尺寸鋼構屋火害實驗數據資 料庫，其內容包含歷次實尺寸鋼構屋火害實驗目的與規劃、歷次實驗的溫度 與位移量測位置圖及歷次實尺寸鋼構屋火害實驗之各構件的溫度與位移數 據，以圖形及表格呈現。 (六)本次(108 年)分別將實驗區開口寬度縮減至 4.70m；高度縮減至 1.0m，閃燃 時間與第 2、3 次實驗發生時間相當，於 470 秒時發生，1360 秒時，室內總 平均溫度達到高峰約 833.8℃，較第 1 至 3 次低約 100℃，火害初期升溫速 率與第 2、3 次實驗相似，顯見真實火災實驗目前仍難以控制及預測，使得 每次實驗之火場溫度一致，火場的燃燒行為受到諸多因素影響，每次實驗之 溫度時間曲線在線形與火災歷程皆有所差異。 (七)邊柱在不同高程下之各測溫點溫度相差不大，顯示出鋼材良好的熱傳導性。 其各斷面的最高溫度： 0.6H 斷面最高溫 > 0.3H 斷面最高溫 > 0.9H 斷面最 高溫。 四、主要建議事項 建議一 承受高載重比鋼柱之真實火害研究：立即可行之建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關： 經由實尺寸鋼構屋鋼柱火害實驗，發現鋼柱所受載重比在高溫中對鋼柱耐火性 能影響甚巨，限於鋼構屋加載設備無法完整提供真實鋼柱的受力情況，建議可設 計不同重量載重塊進行加載實驗，增加鋼構屋鋼柱所受載重比，更能反映真實條 件，以了解載重比對鋼柱在真實火害中的耐火性能影響。

ABSTRACT

Keywords: full-scale steel experimental building, fire test, edge column

The columns subjected to fire in steel buildings can be divided to interior columns (fire on four sides), edge columns (fire on three sides) and corner columns (fire on two adjacent sides). A edge column connecting three beams in one end, and this kind of connecting detail is more asymmetric than interior columns. As a result, the rotational restraint of corner column is weaker, which causes the longer effective length of the edge column, so the buckling strength of the edge column is smaller. Due to the asymmetric beam connecting detail, edge columns are subjected to larger moments. The past studies mostly focused on the structural behaviors of interior columns in fire, and very few studies were done for the structural behaviors of edge columns in fire. Steel columns are the important components in steel buildings. If the steel columns are fire damaged and failed by buckling, the steel building might collapse seriously. At present in Taiwan, the fire-resistance test for a steel column mainly follows CNS 12514-1 and CNS 12514-7, which requires to test a single steel column in a standard furnace. However, this kind of test method does not consider the restraint forces between steel columns and other components in a real steel building in fire. Besides, edge columns might be pushed by the expanded beams in fire and this might cause second-order moment. This kind of effect cannot be presented in a standard fire test. Therefore, through the real fire test of a steel experimental house, we can study the real structural behavior of steel H-shaped corner column.

This project comes to the immediate and long-term strategies. For immediate strategies:

第一章 緒論

第 一節 研究計畫背景與目的

本所「鋼構建築複合性災害作用下耐火科技研發計畫」於104年完成建置實尺 寸鋼構屋，其基地為19.35m×13.35m，尺寸為一層樓的鋼構（樓層高度4m，面積 12m×12m，2跨×2跨，計9根柱），其鋼梁與鋼柱皆採用H型鋼，梁柱接頭採用梁翼 板與柱銲接，梁腹板與柱栓接的彎矩接頭，小梁與大梁接頭採用小梁腹板與大梁加 勁板栓接之剪力接頭，未來可擴建成5層樓，且設置隔震器(滑動支承)與激振設施， 作為多重災害實驗基地。並在105年委託研究案「實尺寸鋼構屋之剪力連接複合鋼 梁火害結構行為研究」[1]，首次進行有關實尺寸鋼構屋火害實驗，探討實尺寸鋼構 屋之之剪力連接合成鋼梁在真實的結構束制情況下受真實火害行為。當時與其研究 團隊共同研究混凝土鋼承板在火害中的結構行為[2]。106年委託研究案「實尺寸鋼 構屋彎矩連接與剪力連接鋼梁之火害結構行為研究」[3]，賡續有關實尺寸鋼構造火 災實驗研究，於106年11月16日進行彎矩連接鋼梁(大梁)與受火害修復之剪力連接鋼 梁(小梁)的火災模擬實驗，探討彎矩連接鋼梁於火害的真實結構行為，及剪力連接 鋼梁在有無防火被覆受到高溫侵襲之差異。並與之合作探討受火害修復之混凝土鋼 承板之火害結構行為[4]。107年度委託研究案「實尺寸鋼構屋切削減弱式接頭鋼梁 (RBS)與梁柱接頭之火害結構行為研究」[5]，針對實尺寸鋼構實驗屋的切削減弱式 接頭鋼梁(RBS)與梁柱接頭來進行真實火害實驗。與該委託研究團隊合作，探討剪 力釘與受火害修復之混凝土鋼承板之火害結構行為[6]。 今(108)年度委託研究案「實尺寸鋼構屋角柱之火害結構行為研究」[7]，針對實 尺寸鋼構實驗屋的角柱來進行真實火害實驗。建築物的柱構件受火害影響可分為內 柱（四面受火）、邊柱（三面受火）及角柱（二面受火），由於角柱與邊柱，其鋼 梁連接方式較內柱不對稱，造成角柱與邊柱受到較大的彎矩，加以角柱與邊柱在火 場中曝火面之故，使得溫度分佈不對稱，火害下的結構行為複雜，以往研究大多針 對內柱火害行為，鮮少對於角柱與邊柱的火害行為進行研究，由於鋼柱屬於鋼構建 築的重要構件，若受到火害高溫侵襲，嚴重情況將造成鋼柱挫屈破壞，進而造成鋼 構建築之嚴重倒塌。因此，本研究將與該委託研究團隊合作，探討邊柱之火害結構

行為。 現行鋼柱的耐火性能試驗，係依據CNS 12514-1「建築物構造構件耐火試驗法 －第1部:一般要求事項」[8]及CNS 12514-7「建築物構造構件耐火試驗法－第7部： 柱特定要求」[9]，然而，此試驗方法未能考慮真實鋼柱的受力情況與邊界條件，因 此，透過實尺寸鋼構屋的火害實驗，以瞭解鋼柱於鋼構造實驗屋的真實束制情況下， 受到真實火害之結構反應與行為。

第二節 研究範圍

本研究配合本(108)年度委託研究案「實尺寸鋼構屋角柱之火害結構行為研究」， 進行實尺寸鋼構屋角柱火災實驗

，

一併探討邊柱之耐火性能影響，及分析邊柱在真 實火害中、後的結構行為，另建立實尺寸鋼構屋火害實驗資料庫。

第三節 研究方法及進行步驟

本研究針對實尺寸鋼構屋邊柱進行相關火害研究，已將 107 年受火害的混凝 土板及小梁再予以拆除並重新製作，真實火害實驗時蒐集分析鋼柱溫度與其位移、 火災區劃空間內氣體溫度等資料，上述全部實驗資料均整理納入實驗研究資料庫， 可供業界對於鋼結構火害後檢測與安全評估參考運用。

第二章 文獻回顧

第一節 前期研究成果

一、105 年「實尺寸鋼構屋之混凝土鋼承板火害下承重行為研究」[2] 本研究針對混凝土鋼承板(埋設有拉力鋼筋與雙向的溫度鋼筋)所進行的實 尺寸鋼構實驗屋火害實驗可得到以下結論： (一)、Cardington 火害試驗發現高溫中整體結構的混凝土鋼承板具有非常明顯 的薄膜效應，樓版在防止鋼結構的倒塌，扮演重要角色。由於英國或歐 洲之鋼構造建築的設計有別於我國，有關混凝土鋼承板在高溫中行為， 有必要進一步研究。 (二)、完成實尺寸鋼構屋真實火害之實驗，所得實際火場溫度與 Eurocode 1 建 議升溫曲線差異，其原因可能為防火隔間及木材的含水量偏高。 (三)、本次實驗結果顯示，小梁因高溫導致鋼材強度降低，混凝土鋼承板垂直 位移隨溫度增加而逐漸變大。火害初期，其撓度變化較快且呈線性遞增。 火害中後期，小梁已失去大部分承載能力且喪失結構行為，改由樓板控 制。 (四)、本次現地火害實驗在火載量密度為 40kg/m2木材重量(即：604 MJ/m2)燃 燒下，混凝土鋼承板最大垂直位移約為 94mm，未超過CNS12514-1 規 定的容許基準值。 二、106 年「實尺寸鋼構屋火害後修復混凝土鋼承板之耐火行為研究」[4] 本研究針對耐火鋼小梁之混凝土鋼承板(埋設有拉力鋼筋與雙向的溫度鋼 筋)所進行的實尺寸鋼構實驗屋火害實驗可得到以下結論： (一)、普通鋼小梁之混凝土鋼承板試體明顯有較大之變形，其試體中心變形為 93.49 mm，耐火鋼小梁之混凝土鋼承板試體為 63.82 mm，耐火鋼小梁之 混凝土鋼承板試體的其餘各量測點變形，皆較普通鋼小梁之混凝土鋼承 板試體小。耐火鋼小梁之混凝土鋼承板試體除有效降低受高溫所產生變

(二)、火害實驗後可發現混凝土鋼承板與小梁表面漆剝落與燻黑，有明顯挫屈 與接縫處分離，小梁於靠近內牆產生明顯側向扭轉挫屈。混凝土鋼承板 接縫分離過大導致混凝土與拉力鋼筋直接曝火。 (三)、火害後混凝土表面裂縫於小梁與大梁接合處特別嚴重。而混凝土裂縫表 示受拉力造成，由於小梁高溫軟化產生大變形，樓版須提供較大強度以 束制小梁向下變形，因此小梁端負彎矩區上方之混凝土表面受到拉力， 產生混凝土開裂現象。 (四)、試體內的最高溫度不是發生在加熱結束時，而是在冷卻過程中出現，主 要因混凝土為熱惰性材料，在火災結束時試體表面溫度開始下降，但仍 高於非曝火面處之溫度，部份熱量仍會往內部傳送，致使試體內部溫度 繼續上升。 (五)、混凝土鋼承板溫度分析，發現混凝土溫度最高約為166℃，拉力鋼筋溫 度最高為500.6℃，溫度鋼筋溫度最高為 224.5℃，小梁上方樓版溫度與 單純樓版之溫度變化大致相同，但較為偏低可能小梁影響熱傳遞。 (六)、小梁因高溫導致鋼材強度降低，混凝土鋼承板垂直變形隨溫度增加而逐 漸變大。樓版中央(D2)變形量最大，靠近室內開口處(D1)變形略大於內牆 處(D3)。 三、107 年「剪力釘對混凝土鋼承板耐火性能影響之研究」[6] 本研究針對修復的普通鋼小梁支撐之混凝土鋼承板試體(新舊混凝土黏結界 面，以水泥漿添加海菜施作) (埋設有拉力鋼筋與雙向的溫度鋼筋)所進行的實尺寸 鋼構實驗屋火害實驗可得到以下結論： (一)、比較第 1 次與第 4 次實驗，第 1 次的殘餘變位較第 4 次大，可能是因為第 4 次的鋼承板與小梁是由雙排剪力釘連接，與小梁的合成作用較佳，冷卻到 室溫，其強度有一定程度的恢復，故回升量較多，而第 1 次的鋼承板與小 梁僅用單排剪力釘連接，火害後，與小梁的合成作用變差，導致樓版變位 回升有限。 (二)、4 次火害實驗的樓版中心垂直變形比較結果顯示，樓版火害中變形行為受到 諸多因素影響，如大梁有無防火被覆、小梁鋼材性質、新舊混凝土接觸面處

理方式、剪力釘長度與數量等，致 4 次實驗之垂直變形曲線有所差異，需再 加以進一步探討。 (三)、4 次火害實驗的結果顯示，真實火災實驗目前仍難以控制及預測，使得每次 實驗之火場溫度一致，火場的燃燒行為受到諸多因素影響，4 次實驗之溫度 時間曲線在線形與火災歷程皆有所差異。 (四)、火害實驗後可發現混凝土鋼承板與小梁些許燻黑，且鋼承板接縫處出現分離 之情況，小梁於靠近內牆處產生側向扭轉挫屈。 (五)、試體內的最高溫度不是發生在加熱結束時，而是在冷卻過程中出現，主要因 混凝土為熱惰性材料，在火災結束時試體表面溫度開始下降，但仍高於非曝 火面處之溫度，部份熱量仍會往內部傳送，致使試體內部溫度繼續上升。 (六)、混凝土鋼承板溫度分析，發現混凝土溫度最高約為 190.1~210.6℃，拉力鋼 筋溫度最高為 340.1~385.7℃，溫度鋼筋溫度最高為 190.1~241.5℃，大梁上 剪力釘之溫度最高為 265~271.3℃。 (七)、小梁因高溫導致鋼材強度降低，混凝土鋼承板垂直變形隨溫度增加而逐 漸變大。樓版中央(D2)變形量最大。

第二節 鋼材受火害之力學性質

Eurocode 3 [10]建議高溫中的鋼材強度與變形性質，係為每分鐘 2 至 50K 加熱 速率的情形下所得之應力應變關係，如圖 2.1 所示。由應力應變曲線所得之鋼材性 能，包括有效降伏強度 (effective yield strength)、極限強度與彈性模數，於 Eurocode 3 [10]規範所建議之折減係數列於表 2.1，可發現鋼材強度會隨著溫度上升而遞減。

表 2.1 高溫中鋼材之力學性質與折減係數

第三節 實尺寸構造屋火害研究

國內外大多著重研究有關柱、梁、樓版、梁柱接頭等重要構件在火害高溫下 的結構行為，由於實尺寸構造屋的火害實驗所費不貲，規模甚大，需要縝密地設 計、安排與規劃，目前有關實尺寸構造屋的火災試驗研究很少，其中最著名的是 英國BRE (British Research Establishment) 在Cardington建造八層樓實尺寸鋼構架屋 [11-15]，此鋼構大樓主要以鋼材與混凝土為建築構材，大樓中包含了電梯井，及 建築物兩側之樓梯牆，而構材的複合是透過剪力釘焊接的方式來完成，混凝土使 用的是輕質材料混凝土(1900 kg/m3 )。建築物長邊有 5 跨，每跨長度為 9m，總長 45m，建築物短邊有 3 跨，分別為 6m、9m、6m，總長 21 m，鋼梁使用了四種斷 面尺寸，分別為 254UB、305UB、356UB、610UB，柱使用了三種斷面尺寸，分別 為 305UC×198kg/m、305UC×118kg/m和 254UC×98kg/m，此外於實體結構物，提 供額外之軸向載重，使樓地板載重達 2.5kN/m2_{。此實驗計畫的主要目的在探討多} 層鋼構大樓建築於真實火害中之結構行為，並建立數值分析方法，來預測多層鋼 結構建築於火害後結構行為。並於 1993 年至 2003 年間進行總共七次火害實驗， 為目前所進行過最大型的實尺寸構架屋火害實驗，各次火害實驗範圍如圖 2.2 所示， 每次實驗所採用的區劃空間面積、火載量、載重如表 2.2 所示，部分實驗佈置照片 如圖 2.3 所示，7 次實驗的部分結果如表 2.3 所示。 Cardington 火害實驗發現：混凝土鋼承板的底部和鋼梁沒有防火被覆，鋼柱有 全面防火被覆。試驗的最高溫度超過 1100℃，混凝土鋼承板產生很大的垂直位移 （大於跨度的 1/20），但結構並沒有出現倒塌。試驗結果發現，火災作用下，雖然 沒有防火被覆的鋼梁溫度超過 1100℃，但由於混凝土鋼承板與鋼梁相互作用，鋼 梁所承擔的載重逐漸轉移至混凝土鋼承板，使構件出現較佳耐火性能。為研究火 災下樓版的薄膜效應[16]，BRE 進行實尺寸的混凝土鋼承板火災試驗[17,18]，混凝 土鋼承板尺寸為 9.5m×6.5m，鋼承板的肋高 60mm，板厚度為 150mm。俟混凝土 澆置完成一段時間後，將混凝土鋼承板下面的鋼承板移除，剩下只有鋼筋網的混 凝土樓版，移除的鋼承板相當於火災時板的強度和剛度損失。板垂直支承於梁和 柱上，水平方向沒有束制。試驗結果顯示四邊簡支承樓版的承載力遠大於依據傳 統降伏線理論計算所得的承載力。

圖 2.2 英國Cardington鋼構大樓之七次火害實驗範圍示意圖(參考書目[14])

(a) 載重 (b) 區劃空間內

(c) 真實火災實驗 (d) 木燃料

表 2.2 英國 Cardington 七次火害實驗基本資料

(參考書目[14])

表 2.3 英國 Cardington 七次火害實驗範圍

(參考書目[14])

2012 年美國加州大學聖地亞哥分校(UCSD)利用其全球獨特之戶外振動台[19]， 進行 5 層樓實尺寸鋼筋混凝土實驗屋受地震作用後遭遇火災的實驗，如圖 2.4 所示， 評估非結構構件、維生管線及防火設備在地震破壞後之防火能力與火害行為。

圖 2.4 美國加州大學聖地亞哥分校(UCSD) 鋼筋混凝土實驗屋(參考書目[19])

Dong 等人[20-24]曾藉由 3 層樓之鋼結構實驗屋(由鋼筋混凝土樓版、鋼樑、鋼 柱和磚牆構成，一樓高度 3.5m，二至三樓高 3m，每層為 3×3 跨，每跨 4.5m)，依 據 ISO834 進行一系列火害實驗，分別探討鋼筋混凝土雙向板、鋼梁、鋼柱、梁柱 接合等耐火性能，如圖 2.5 所示。Lou 等人[25,26]研究門形鋼構架在真實火災下連 續性倒塌問題，分別建造 36 m×12 m 及 12 m×6 m 門形鋼構架，進行真實火害實驗 與數值模擬，探討火害下門形鋼構架之局部破壞，進而引起連續性倒塌，實驗結 果顯示大約火害時間 15~20 分鐘門形鋼構架，分別出現向內及向外倒塌，經由適 當設計，可阻止火災範圍的蔓延、減少消防隊員傷亡和結構破壞程度，如圖 2.6 及 圖 2.7 所示。

圖 2.5 3 層樓鋼結構實驗屋(參考書目[23])

圖 2.6 門形鋼構架真實火災實驗(1)(參考書目[24])

第四節 鋼柱火害研究

Ali 等人[27,28] 針對有束制的鋼柱進行火害試驗，試驗參數有軸向載重、細 長比及軸向束制，試驗結果顯示，軸向束制，將造成鋼柱內產生額外軸力，降低 鋼柱臨界溫度。但是該試驗的軸向束制只在鋼柱膨脹階段有效，並未考慮束制對 鋼柱挫曲後的影響。Rodrigues 等人[29]探討高溫中束制鋼柱試驗，考量束制鋼柱 在挫曲後的性能，結果發現受軸力的鋼柱在束制剛度很大時，鋼柱挫曲後所受軸 力突然下降，但隨後達到新的平衡。Wang 等人[30-32]對有旋轉束制的鋼柱進行火 害試驗，結果顯示高溫作用下，束制鋼柱與旋轉束制之間的彎矩關係比較複雜， 升溫階段，鋼柱彎矩隨溫度的升高而減小，隨後鋼柱的彎矩會發生改變。Tan 等人 [33,34]進行束制的鋼柱火害試驗，將軸向剛度和細長比納入考量，所得結論與 Ali 等人[27,28]一致。Dwaikat 等人[35]對三面受火的鋼柱進行試驗，發現鋼柱構件在 同一斷面存在溫度梯度，且由於溫度梯度存在，使得斷面剛度中心發生轉變而產 生彎矩，斷面抗彎矩和軸力也會受到斷面溫度梯度影響。另該試驗亦考慮載重大 小、火場溫度及鋼柱不同受熱面等影響。

國內李鴻欣[36]藉由 H 型未加勁的鋼柱高溫極限強度試驗，比較耐火鋼、普通 鋼對於不同寬厚比，對強度和韌性影響，且發現火害後對殘留應力明顯減少，並 由拉力試驗中發現 SM400、SM490 鋼材及耐火鋼均建議採用 1% offset 應變值預估， 較接近高溫 600℃的降伏強度；在短柱高溫試驗下得出建議之耐火鋼寬厚比，但比 較現行規範中普通鋼寬厚比仍較嚴格，建議採用現行規範設計之。許睿佳[37]針對 高溫下 SN490 銲接 H 型鋼柱進行研究，分為高溫結構試驗及非線性有限元素，高 溫試驗採短柱及中長柱進行定溫加載，探討高溫下鋼柱的受力行為，其研究指出， 當寬厚比、細長比及溫度增加，皆造成鋼柱極限強度減少，結果發現，溫度升高 時，非彈性柱所具有強度降低，其結果再與耐火鋼比較，可發現一般鋼材的韌性 對於溫度及寬厚比的變化較耐火鋼敏感。

第三章 實驗計劃

第一節 試驗規畫

實尺寸鋼構屋分別於 105 年 11 月 29 日、106 年 5 月 4 日及 106 年 11 月 16 日進行 小梁與樓板火害實驗，隨後將受火害的混凝土板及小梁予以拆除，重新依原規格尺寸 製作，107 年 8 月 10 日再進行大梁、梁柱接頭及樓板火害實驗。今(108)年將受火害的 混凝土板及小梁再予以拆除並重新製作，並進行 H 型鋼邊柱之火害實驗，如圖 3.1 所 示。

圖 3.1 實尺寸鋼構屋H型鋼邊柱 (本研究整理)

第二節 試體製作

3-2-1 試體尺寸： 本研究 H 型鋼邊柱尺寸為 RH-300

×

300

×

10

×

15mm，高度 4m，材質為 SN490B 等級之鋼材，如圖 3.2 所示，其餘實尺寸鋼構屋相關設計資料詳附錄二。

圖 3.2 試體立面圖(本研究整理)

3-2-2 混凝土樓板熱電偶線配置 為量測實尺寸鋼構屋混凝土樓板內的混凝土、鋼筋及鋼承板溫度，預先埋設 K－Type 型式的熱電偶線，以量測鋼構屋受火害期間，混凝土、鋼筋與鋼承板溫度變化及分佈 情形，可提供後續數值分析及其他相關研究用，如圖 3.3 所示，其相關量測位置與之前

實驗一致，但限於經費與人力，量測數量將酌予減少，有關熱電偶配置情況，請詳閱 委託研究案「實尺寸鋼構屋角柱之火害結構行為研究」報告書[7]，本文不再贅述。

圖 3.3 混凝土樓板熱電偶線配置示意圖(參考書目[7])

3-2-3 混凝土樓板及小梁修復製作 實尺寸鋼構屋混凝土樓板及小梁修復製作過程簡述如下：將樓板打除，重新吊裝 新的小梁，再依序進行鋼承板鋪設、剪力釘植銲、鋼筋配設、熱電偶線埋設及混凝土 澆置等，如圖 3.4~圖 3.8。

(a) 混凝土板拆除

(b) 小梁拆除

圖 3.5 鋼承板重新鋪設(本研究整理)

圖 3.7 樓板澆置混凝土(本研究整理)

3-2-4 火害實驗區熱電偶樹配置 為瞭解火害實驗區間溫度的分布及傳遞，於實驗區內配置熱電偶樹，分成 3 種， 一種為配置在鋼承板下方，該位置在垂直高程上佈有 4 個測溫點，另一種則配置於小 梁下，該位置在垂直高程上佈有 3 個測溫點，最後一種佈設於鋼柱旁之鋼承板下，該 位置在垂直高程上佈有 4 個測溫點，火害實驗區的熱電偶樹配置圖，以本實驗範圍為 例，如圖 3.9 至圖 3.11 所示。

圖 3.9 鋼承板下熱電偶樹配置圖(本研究整理)

圖 3.10 小梁下熱電偶樹配置圖(本研究整理)

600mm 110mm 300mm 3550mm 3850mm 混凝土樓板 肋條 3550mm 3850mm 混凝土樓板 肋條 110mm 600mm

圖 3.11 鋼柱旁之鋼承板下熱電偶樹配置圖(本研究整理)

3-2-5 試體熱電偶配置 本研究鋼柱溫度量測位置，如圖 3.12 所示，圖中的毎個圓圈即代表熱電耦的佈設 位置，熱電耦數量共 9 個。預先埋設 K－Type 型式的熱電偶線，以量測鋼柱受火害期 間之溫度變化及分佈情形，提供後續數值分析及實驗監測用，其他有關鋼柱、大梁及 小梁之熱電偶配置情況，請詳閱委託研究案「實尺寸鋼構屋角柱之火害結構行為研究」 報告書[7]，本文不再贅述。

圖 3.12 鋼柱熱電偶配置圖(本研究整理)

大梁 0.1H 0.3H 0.3H A A

北

0.5*h 10mm 10mm H = 3513mm

SEC. A - A

柱底基座面

北

0.9H

大梁中心線

0.6H

0.3H

3-2-6 火害實驗區之隔 間與防火 被覆 本研究火害實驗之隔間工程採用高壓蒸氣養護輕質混凝土（Autoclaved Lightweight Concrete），簡稱 ALC，ALC 具有 1～2 小時的防火時效。本次火害實驗之隔間牆分成 兩部分，第一部份先以 ALC 磚牆進行隔間，將 2 跨×2 跨之鋼構實驗屋分隔出火害實驗 區及儀器區，第二部分將鋼柱外側磚牆同樣以距離 10 公分施作且填塞防火棉，旁邊一 側則距離柱心 1 公尺處隔間牆再轉彎，使鋼柱達到三面受火情形，如圖 3.13 至圖 3.15 所示。本次火害實驗區內的大梁並非實驗構件，並考量實驗安全，火害實驗區內所有 大梁，先在 ALC 隔間工程進行前，施做 2 小時防火時效的防火被覆，如圖 3.16 所示。

圖 3.13 火害實驗之隔間平面圖(本研究整理)

邊柱

圖 3.14 火害實驗之隔間工程施作(1)(本研究整理)

圖 3.16 大梁防火被覆施作(本研究整理)

第三節 試驗方法

3-3-1 試驗加載 本研究將採用(1.0D+0.4L)的載重設計，鋼構實驗屋結構設計時的靜載重D=380 kgf/m2，活載重L=832f kg/m2_{，目前實驗屋已承載靜載重D=380 kgf/m}2_{，火害實驗時以} 48 個水桶加載至 333 kgf/m2，如圖 3.17 所示。

圖 3.17 火害實驗加載用水桶

3-3-2 試驗火載量 本研究之木燃料堆構造設計主要根據滅火器規範－CNS 1387(104 年版) [38]之A類 火災試驗模型，採用由木條所組成之架構，木條下方包含以角鋼組成之支撐架使其高 度可在地板上方 400 mm處，並且將燃料盤(火源)放置於支撐架下方，以酒精膏作為點 火源，如圖 3.18 所示，並依木材火載量密度 40 kg/m2_{，於火害實驗的區劃空間內裝置} 9 堆木燃料堆，如圖 3.19 及圖 3.20 所示。 木條種類選用阿拉斯加雲杉，木條尺寸參考 CNS 1387 (96 年版) [39]，截面邊長分 別為 30 mm、35 mm，長度為 900 mm 之木條，木燃料之堆疊方式則參考 CNS 1387 (104 年版) [38]之表 8 中之 6A，以每層 10 支木條進行排列，層數則依照木材火載量設計進 行調整。

圖 3.18 木燃料堆構造圖

1225 木燃料 木條尺寸: 3×3.5 ×900 mm3 一層擺放 10 支木條 層數根據設計火載量擺設 支撐架 上層墊高木燃料 下層擺放燃料盤 燃料盤 酒精膏(火源)

圖 3.19 火害實驗區木燃料堆配置示意圖

3-3-3 試體位移量測 本研究主要聚焦於邊柱的位移量測，然委託研究案「實尺寸鋼構屋角柱之火害結 構行為研究」，為了量測實驗目標於火害中的變形量及監測火害時安全性，架設數個位 移計來量測各個構件的變位量，其中包含水平變位及垂直變位的量測，樓板與柱頭之 位移計配置，如圖 3-21 所示，圖中虛線箭頭為量測垂直變位量測點，而實線箭頭則是 水平變位量測點，鋼柱之柱頭上皆配置水平與垂直方向的位移計，有關位移計配置情 況，請詳閱其報告書[7]，本文不再贅述。鋼柱位移計配置如圖 3-22 所示，於腹板配置 三支的水平變位量測點，以量測鋼柱於火害中之變形趨勢。

圖 3.21 樓板及柱頭之位移計配置圖(參考書目[7])

水平變位 垂直變位

N

S

W

E

邊柱

圖 3.22 鋼柱位移計配置斷面圖(本研究整理)

H = 3513mm

SEC. A - A

柱底基座面

北

0.9H

大梁中心線

0.6H

0.3H

A

A

北

3-3-4 試驗流程 本研究火害實驗為定載升溫與降溫的現地真實結構火害實驗，與本(108)年度委託 研究案「實尺寸鋼構屋角柱之火害結構行為研究」共同進行火害實驗，為維護實驗安 全，協調台南市消防局在旁支援待命，量測儀器與攝影設備開始記錄，隨即依序點燃 本次火災區劃空間內的木燃料，如圖 3.23 所示，進行火害實驗，由於本研究實驗的標 的為鋼柱，實驗的中止條件將參考 CNS 12514-1[5]第 10.2.1 節承重能力之(a)項，對軸 向承載構件的規定，最大軸向壓縮量(C)與最大軸向壓縮速率(dC/dt)如下： 最大軸向壓縮量: C = ℎ 100 (mm) (3-1) 最大軸向壓縮速率: dC dt

=

3ℎ 1000 (mm/min) (3-2) 公式(3-1)和公式(3-2)中，h 表示構件之初始高度(mm)。量測結果只要超過公式(3-1) 或公式(3-2)之值，構件即視為承重能力失敗。

圖 3.23 本次火害實驗區範圍(本研究整理)

北

10cm 50cm 10cm 10cm 50cm 10cm 1m 10cm 1m 3m 10cm 50cm 50cm 火 害 實 驗 區 火 害 實 驗 區

第四章 實驗結果

第一節 火害實驗

4-1-1 火害實驗觀察 本次火害實驗範圍區域分為 B、D 區；於 108 年 9 月 19 日進行，實驗當日為 多雲實晴，風向北微西風，室外氣溫 31.9℃，室外相對濕度 51 %，火害實驗室內 溫度 28.3℃，相對溼度 60 %，本研究之對象邊柱位於 B 區，僅以 B 區進行觀察 與討論，火害現場觀測紀錄，如表 4.1 所示，實驗過程中的照片如圖 4.1~圖 4.5。

表 4.1 火害實驗觀察紀錄表

時 間 ( 分 ： 秒 ) 現 象 描 述 00:00 開始點火 02:28 室內產生煙霧飄向戶外 03:44 大量灰煙從開口處竄出 04:29 室內火焰碰觸鋼承板 07:31 室內傳出輕微爆炸聲 07:50 閃燃(室內天花板溫度已達 600℃) 17:30 大量火焰以及黑煙由開口竄 出，全面燃燒（旺盛期） 29:50 火勢減小 31:23 黑煙消散 47:10 無可視明火

圖 4.1 火害實驗前照片

圖 4.3 火害實驗照片(2)

圖 4.5 火害實驗照片(4)

圖 4.6 及圖 4.8 為火害實驗後照片，可發現混凝土鋼承板與小梁些許燻黑，且鋼承 板接縫處出現分離之情況，小梁於靠近內牆處產生側向扭轉挫屈，目測邊柱翼板有些 許變形但不明顯。

圖 4.7 火害實驗後照片(2)

4-1-2 火害實驗空間溫度 各熱電偶樹平均溫度，如圖 4.9 所示，可發現約前 220 秒為引燃期，220 秒後室內 溫度明顯快速上升，470 秒時天花板平均溫度已達 600℃，此時發生閃燃(以室內平均 溫度 600 o C為閃燃發生的判定)，最高溫度與熱電偶樹距離火災室開口遠近有關係，西 側開口附近所量測到的空間最高溫度約850℃，遠離開口處所量測到的空間最高溫度大 約為 950℃，靠近北側之點位，在高溫階段持續較久，可能受到空氣對流之影響。在 1360 秒時，室內總平均溫度達到高峰約 833.8℃，隨後室內溫度開始下降進入衰退期， 最高溫度發生於TT-B23 在 2810 秒時平均溫度為 1055.4℃。圖 4.10 為室內總平均溫度 與CNS 12514-1 及EN 1991-1-2 火場模擬時間溫度曲線的比較，由於實驗區劃空間溫度 在木堆引燃後，緩慢的溫度上升，此為火災的起火期與成長期，然而，CNS 12514-1 及EN 1991-1-2 火場模擬時間溫度曲線為火災的閃燃及全盛期，因此，將火害實驗區劃 空間平均溫度向左平移，發現實驗 220 秒室溫急遽上升與CNS 12514-1 類似，火害實驗 高溫期較CNS 12514-1 及EN 1991-1-2 略高，火害時間與最高溫度較EN 1991-1-2 短且低。 此外，CNS 12514-1 未考慮火災的衰退期，溫度持續上升。EN 1991-1-2 有考慮火災的 衰退期，火害實驗降溫速率與EN 1991-1-2 預測相似。

圖 4.9 火害實驗空間各熱電偶樹平均溫度時間曲線圖(本研究整理)

圖 4.10 火害實驗空間平均溫度與CNS12514-1 及EN 1991-1-2 比較圖(本研

究整理)

4-1-3 邊柱溫度分佈 本研究鋼柱溫度量測位置，如圖 3.12 所示，共 9 個測溫點。分別布設於 0.3H、 0.6H 及 0.9H 共三處斷面(以下簡稱為 0.3H 斷面、0.6H 斷面、0.9H 斷面)，為求實 驗資料蒐集一致性，其定義請詳閱委託研究案「實尺寸鋼構屋角柱之火害結構行 為研究」報告書[7]，本文不再贅述。各斷面皆含 3 個測溫點分別位於北側翼版靠 西邊外側、腹版靠東側中央及南側翼版靠東邊內側。 （1）0.9H 斷面 圖 4.11 為邊柱於 0.9H 斷面之溫度時間圖，點火後約 300 秒時開始有明顯升 溫趨勢，2130 秒時鋼柱斷面之腹版靠東側中央點位達到最高溫539.3℃(此 時已過火害實驗空間最高溫度)，之後鋼柱溫度開始下降，降溫速率小於升 溫速率。依 Eurocode 3 [10] 之建議，鋼材伏強度折減為常溫的 66％。 （2）0.6H 斷面

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3600

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Interior Temperature Avg

CNS 12514-1

EN 1991-1-2

3300sec 941℃

圖 4.12 為邊柱於 0.6H 斷面之溫度時間圖，點火後約 300 秒時開始有明顯升 溫趨勢，2063 秒時鋼柱斷面之南側翼版靠東邊內側點位達到最高溫 661.2℃(此時已過火害實驗空間最高溫度)，之後鋼柱溫度開始下降，降溫速 率小於升溫速率。依 Eurocode 3 [10] 之建議，鋼材伏強度折減為常溫的 31 ％。 （3）0.3H 斷面 圖 4.13 為邊柱於 0.3H 斷面之溫度時間圖，點火後約 330 秒時開始有明顯升 溫趨勢，2092 秒時鋼柱斷面之南側翼版靠東邊內側點位達到最高溫 624.9℃(此時已過火害實驗空間最高溫度)，之後鋼柱溫度開始下降，降溫速 率小於升溫速率。依 Eurocode 3 [10] 之建議，鋼材伏強度折減為常溫的 41 ％。 由圖 4.14 至圖 4.15 發現在不同高程下之各測溫點溫度相差不大，顯示出鋼材 良好的熱傳導性。邊柱各斷面的最高溫度： 0.6H 斷面最高溫 > 0.3H 斷面最高溫 > 0.9H 斷面最高溫。

圖 4.11 邊柱於 0.9H斷面之溫度時間曲線圖(本研究整理)

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)

Interior Temperature B06-11 B06-12 A A 北 0.5*h 10mm 10mm H = 3513mm SEC. A - A 柱底基座面 北 0.9H 大梁中心線 0.6H 0.3H

圖 4.12 邊柱於 0.6H斷面之溫度時間曲線圖(本研究整理)

圖 4.13 邊柱於 0.3H斷面之溫度時間曲線圖(本研究整理)

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C

)

Interior Temperature B06-21 B06-22 B06-23

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at

u

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C

)

Interior Temperature B06-31 B06-32 B06-33 A A 北 0.5*h 10mm 10mm H = 3513mm SEC. A - A 柱底基座面 北 0.9H 大梁中心線 0.6H 0.3H A A _0.5*h 10mm H = 3513mm SEC. A - A 柱底基座面 0.9H 大梁中心線 0.6H 0.3H

圖 4.14 邊柱北側翼板於不同高程之溫度時間曲線圖(本研究整理)

圖 4.15 邊柱腹板於不同高程之溫度時間曲線圖(本研究整理)

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u

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o

C

)

Interior Temperature B06-11 B06-21 B06-31

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2400

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4800

6000

7200

Time (sec)

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200

400

600

800

1000

1200

T

em

p

er

at

u

re

(

o

C

)

Interior Temperature B06-12 B06-22 B06-32 A A 北 0.5*h 10mm 10mm H = 3513mm SEC. A - A 柱底基座面 北 0.9H 大梁中心線 0.6H 0.3H A A _0.5*h 10mm H = 3513mm SEC. A - A 柱底基座面 0.9H 大梁中心線 0.6H 0.3H

4-1-4 邊柱變位量測 本次實驗為了量測邊柱在弱軸彎曲方向之水平位移，分別在邊柱 0.9H 處、0.6H 處 及 0.3H 處之東西向架設位移計共 3 支，以及邊柱軸向變位，在二樓柱頭架設垂直向位 移計 1 支，另於二樓柱頭架設東西向與南北向位移各 1 支，以上位移計之架設如圖 3.21 及圖 3.22 所示，其所得量測結果如下： (1)邊柱 0.9H 處、0.6H 處及 0.3H 處之位移 圖 4.16 為邊柱 0.9H 處、0.6H 處及 0.3H 處在弱軸彎曲方向之水平位移，以向西(實 驗區外側)方向為正，向東(實驗區內側)方向為負。除 0.9H 處之水平位移均向西(實驗區 外側)外，0.6H 處及 0.3H 處之水平位移先向西(實驗區外側)；再轉為向東(實驗區內側) 方向，最後為向西(實驗區外側)。

圖 4.16 邊柱弱軸方向之水平位移時間圖(本研究整理)

0

1200

2400

3600

4800

6000

7200

Time(s)

-2

0

2

4

6

D

is

p

la

ce

m

en

t

(m

m

)

0.9H

0.6H

0.3H

圖 4.17 為邊柱於 0.9H 處弱軸方向之水平位移時間圖，邊柱於點火後約 300 秒時 鋼材開始有明顯升溫趨勢(鋼材平均溫度 38°C)，此時室內平均溫度 462°C，開始產生向 西(實驗區外側)方向位移，約從 640 秒至 1200 秒(鋼材平均溫度 127.7~303.8°C，室內 平均溫度 655.5~801.6°C)位移速率變緩，維持一平原段，此時位移為 1.25~1.42mm 向西 (實驗區外側)，之後隨室內溫度與鋼材溫度上升，邊柱位移朝向西(實驗區外側)方向增 加，約在 2157 至 2630 秒時(鋼材平均溫度 504.5~533.3°C，室內平均溫度 713.2~749.6°C)， 水平位移達最大且維持一平原段，最大值為 4.12 mm 向西(實驗區外側)，並在之後隨著 實驗區溫度及鋼柱溫度降低而漸漸開始向東(實驗區內側)回彈，其回彈速率小於升溫位 移速率，於 7200 秒時，該處之殘餘位移為 1.98 mm 向西(實驗區外側)。

圖 4.17 邊柱於 0.9H處弱軸方向之水平位移時間圖(本研究整理)

0 1200 2400 3600 4800 6000 7200

Time(s)

-1

0

1

2

3

4

5

D

is

p

la

ce

m

en

t

(m

m

)

0.9H Interior Temperature

Average column temperature (0.9H)

0 200 400 600 800 1000

T

em

p

er

a

tu

re

(

o

C

)

圖 4.18 為邊柱於 0.6H 處弱軸方向之水平位移時間圖，邊柱於點火後約 300 秒時 鋼材開始有明顯升溫趨勢(鋼材平均溫度 37.8°C)，此時室內平均溫度 462°C，開始產生 向西(實驗區外側)方向位移，約從 480 秒至 680 秒(鋼材平均溫度 91~150.7°C，室內平 均溫度 592.3~668.4°C)位移速率變緩，維持一平原段，此時位移最大約為 0.69mm 向西 (實驗區外側)，之後隨室內溫度與鋼材溫度上升，邊柱位移開始向東(實驗區內側)回彈， 約在 1027 至 1180 秒時(鋼材平均溫度 298~370.7°C，室內平均溫度 756.9~794.7°C)，水 平位移達回彈最大且維持一小段平原，最大值為 1.73 mm 向東(實驗區內側)，並在之後 隨著實驗區溫度及鋼柱溫度上升而轉向西(實驗區外側)變形，約在 2054 至 2471 秒時(鋼 材平均溫度 607.3~641.2°C，室內平均溫度 731.6~777.8°C)，水平位移達最大且維持一 平原段，最大值為 3.68 mm 向西(實驗區外側)，並在之後隨著實驗區溫度及鋼柱溫度降 低而開始向東(實驗區內側)回彈，於 7200 秒時，該處之殘餘位移為 1.64 mm 向西(實驗 區外側)。

圖 4.18 邊柱於 0.6H處弱軸方向之水平位移時間圖(本研究整理)

0 1200 2400 3600 4800 6000 7200

Time(s)

-2 0 2 4

D

is

p

la

ce

m

en

t

(m

m

)

0.6H Interior Temperature

Average column temperature (0.6H)

0 200 400 600 800 1000

T

em

p

er

a

tu

re

(

o

C

)

圖 4.19 為邊柱於 0.3H 處弱軸方向之水平位移時間圖，邊柱於點火後約 330 秒時 鋼材開始有明顯升溫趨勢(鋼材平均溫度 37.2°C)，此時室內平均溫度 462°C，開始產生 向西(實驗區外側)方向位移，約 664 秒(鋼材平均溫度 113°C，室內平均溫度 648°C)位 移達最大，約為 0.52mm 向西(實驗區外側)，之後隨室內溫度與鋼材溫度上升，邊柱位 移開始向東(實驗區內側)回彈，約在 1134 至 1379 秒時(鋼材平均溫度 273.5~377.2°C， 室內平均溫度 770~810.7°C)，水平位移達回彈最大且維持一小段平原，最大值為 1.37 mm 向東(實驗區內側)，並在之後隨著實驗區溫度及鋼柱溫度上升而轉向西(實驗區外側) 變形，約在 2157 至 2438 秒時(鋼材平均溫度 577.5~603°C，室內平均溫度 733.7~750°C)， 水平位移達最大且維持一平原段，最大值為 1.25 mm 向西(實驗區外側)，並在之後隨著 實驗區溫度及鋼柱溫度降低而開始向東(實驗區內側)回彈，於 7200 秒時，該處之殘餘 位移為 0.14 mm 向東(實驗區內側)。

圖 4.19 邊柱於 0.3H處弱軸方向之水平位移時間圖(本研究整理)

0 1200 2400 3600 4800 6000 7200

Time(s)

-2 -1 0 1 2

D

is

p

la

ce

m

en

t

(m

m

)

0.3H Interior Temperature

Average column temperature (0.3H)

0 200 400 600 800 1000

T

em

p

er

a

tu

re

(

o

C

)

(2)邊柱軸向位移 圖 4.20 為邊柱軸向位移，邊柱於點火後約 330 秒時開始有明顯的向上軸向位移產 生，隨著實驗區溫度及鋼柱溫度上升，約在 1909 至 2723 秒時(鋼材平均溫度 543.3~574.8°C，室內平均溫度 707.8~795.4°C)，軸向位移達最大且維持一平原段，最大 值為 25.8 mm 向上膨脹，並在之後隨著實驗區溫度及鋼柱溫度降低而開始向下收縮， 於 7200 秒時，該處之殘餘位移為 8.3mm 向上。

圖 4.20 邊柱軸向位移時間圖(本研究整理)

(3)邊柱柱頭東西向與南北向位移 圖 4.21 為邊柱於二樓柱頭之南北向位移，邊柱於點火後約 240 秒時開始產生向南 (實驗區外側)方向位移，此時鋼材平均溫度 26.7°C，室內平均溫度 177.8°C，隨著實驗 區溫度及鋼柱溫度上升，約 2010 至 2530 秒(鋼材平均溫度 565.9~592.7°C，室內平均溫 度 724.1~778.2°C) 位移達最大且維持一平原段，最大值為 18.67mm 向南(實驗區外側)， 0 1200 2400 3600 4800 6000 7200

Time(s)

0 10 20 30

D

is

p

la

ce

m

en

t

(m

m

)

Axial Interior Temperature

Average Column Temperature

0 200 400 600 800 1000

T

em

p

er

a

tu

re

(

o

C

)

之後隨室內溫度與鋼材溫度降低而開始向北(實驗區內側)回彈，於 7200 秒時，該處之 殘餘位移為 11.5mm 向南(實驗區外側)。

圖 4.21 邊柱於二樓柱頭之南北向位移時間圖(本研究整理)

圖 4.22 為邊柱於二樓柱頭之東西向位移，邊柱於點火後約 280 秒時開始產生向東 (實驗區內側)方向位移，此時鋼材平均溫度 31.9°C，室內平均溫度 386.5°C，隨著實驗 區溫度及鋼柱溫度上升，約 670 秒(鋼材平均溫度 132°C，室內平均溫度 655°C)位移達 最大，約為 2.2mm 向東(實驗區內側)，之後隨室內溫度與鋼材溫度上升，邊柱位移開 始向西(實驗區外側)回彈，約在 1160 秒時(鋼材平均溫度 315°C，室內平均溫度 780.2°C) 位移達最大，約為 0.8mm 向西(實驗區外側)，但隨著實驗區溫度及鋼柱溫度上升，邊 柱位移轉向東(實驗區內側)變形，且最大位移不是在實驗區溫度及鋼柱溫度最高時，反 而在降溫階段，約在 2190 至 2850 秒(鋼材平均溫度 528~597.5°C，室內平均溫度 0 1200 2400 3600 4800 6000 7200

Time(s)

-20 -16 -12 -8 -4 0

D

is

p

la

ce

m

en

t

(m

m

)

Column(x) Interior Temperature

Average Column Temperature

0 200 400 600 800 1000

T

em

p

er

a

tu

re

(

o

C

)

695.4~750.5°C) 位移達最大且維持一平原段，最大值為 10.49mm 向東(實驗區內側)。 之後隨室內溫度與鋼材溫度降低而開始向西(實驗區外側)回彈，於 7200 秒時，該處之 殘餘位移為 4.1mm 向東(實驗區內側)。

圖 4.22 邊柱於二樓柱頭之東西向位移時間圖(本研究整理)

0 1200 2400 3600 4800 6000 7200

Time(s)

-12

-8

-4

0

4

D

is

p

la

ce

m

en

t

(m

m

)

Column(y) Interior Temperature

Average Column Temperature

0 200 400 600 800 1000

T

em

p

er

a

tu

re

(

o

C

)

第二節 與前期試驗結果討論

圖 4.23 為普通鋼小梁支撐之混凝土鋼承板火實驗(第 1 次)、耐火鋼小梁支 撐之混凝土鋼承板實驗(第 2 次)、修復的普通鋼小梁支撐之混凝土鋼承板試體(第 3 次，新舊混凝土黏結界面，以環氧樹脂黏結材料施作)、修復的普通鋼小梁支 撐之混凝土鋼承板試體(第 4 次，新舊混凝土黏結界面，以水泥漿添加海菜施作) 與本次實驗(第 5 次)的室內溫度比較，第 1 次火害實驗相對溼度為 68 %，第 2 次火害實驗相對溼度為 58 %，第 3 次火害實驗相對溼度為 52%，第 4 次火害實 驗相對溼度為 70%，第 5 次火害實驗相對溼度為 60%，第 1 次火害實驗引燃時 間較長。 圖中顯示第 2、3 次實驗升溫速率較快，約 420~463 秒時發生閃燃，第 2 次 實驗於 1278 秒時室內平均溫度已達最高920.1℃，第 3 次實驗於 1246 秒時室內 平均溫度已達最高954.7℃，第 1 次實驗於 979 秒時發生閃燃，而平均最高溫度 則達到978.1℃，發生在 1602 秒。第 4 次及第 5 次實驗為使得火害歷時增加， 縮小實驗區開口，第 4 次將開口高度縮至 1.05m，於 925 秒時發生閃燃，2050 秒至 2250 秒時，室內總平均溫度達到高峰約 922℃。第 5 次將開口寬度縮減至 4.70m，開口高度縮減至 1.0m，於 470 秒時發生閃燃，1360 秒時，室內總平均 溫度達到高峰約 833.8℃。第 4、5 次的室內總平均溫度較前 3 次略低。 5 次火害實驗的結果顯示，真實火災實驗目前仍難以控制及預測，使得每次 實驗之火場溫度一致，火場的燃燒行為受到諸多因素影響，5 次實驗之溫度時間 曲線在線形與火災歷程皆有所差異。

圖 4.23 火害實驗空間平均溫度時間曲線比較圖(本研究整理)

0

1200

2400

3600

4800

6000

7200

Time (sec)

0

200

400

600

800

1000

1200

T

em

p

er

at

u

re

(

o

C

)

1st

2nd

3rd

4th

5th

第五章 實尺寸鋼構屋火害實驗資料庫

本研究彙集整理 105 年起所進行之實尺寸鋼構屋火害實驗，不包括靜動態實驗， 並參考英國 Cardington 實尺寸鋼構架屋火害實驗數據資料庫格式建立，其內容為 1. 實 尺寸鋼構屋規劃與設計。2.歷次實尺寸鋼構屋火害實驗目的與規劃。3.歷次實驗的溫度 與位移量測規劃與位置圖。4. 歷次實尺寸鋼構屋火害實驗之各構件的溫度與位移數據， 以圖形及表格呈現，已與委託研究團隊討論後著手進行整理 4 次實驗結果。 現將初步完成整理實驗的溫度與位移數據資料，以第 1 次實驗為例，摘述如下。 一、火害實驗目的與規劃 本計畫主要在研究實尺寸鋼構實驗屋內部分剪力連接之複合鋼梁(即：小梁)在火 害中的結構行為，在實尺寸鋼構實驗屋內的部分區劃空間，進行真實火災實驗，藉以 研究此區劃空間內以剪力連接之複合鋼梁於真實的結構束制情況下受真實火害之行 為。 (a)平面圖與兩支目標小梁 (b)實驗區之剪力連接式複合鋼梁(小梁)

圖 5.1 鋼構實驗屋平面圖與本次火災實驗範圍圖例(參考書目[1])

二、火害實驗空間溫度

圖 5.2 第 1 次火害實驗區熱電偶樹配置圖例(本研究整理)

圖 5.3 第 1 次火害實驗區空間溫度歷時圖例(本研究整理)

A

B

D

C

TT-CB4 TT-CB5 TT-CB1 TT-CW2 TT-CW3 TT-CW1 TT-CB2 TT-CB6 TT-CB3 1 7 8 編號 2 3 5 7 8 9 編號 750 m m 1 750 m m 700 m m 110 mm 300 mm 750 m m 750 m m 110 mm 300 mm 300 mm 300 mm 300 mm 4 6 10 50 mm 700 m m 9 50 mm 4 300 mm 300 mm 300 mm 300 mm 3 5 2 6 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

T

em

p

er

a

tu

re

(

o

C)

Time (sec)

TT-CW1-1 TT-CW1-2 TT-CW2-1 TT-CW2-2 TT-CW3-1 TT-CW3-2

表 5.1 第 1 次火害實驗區空間溫度時間表例

(本研究整理)

Time(s)

TT-CW1-1

TT-CW1-2

TT-CW2-1

TT-CW2-2

TT-CW3-1

TT-CW3-2

0

24.6

24.9

23.7

24.6

22.9

24.3

10

24.5

24.9

23.6

24.6

22.9

24.3

20

24.5

25.2

24.4

25.0

23.0

24.3

30

25.0

26.9

25.2

25.7

22.9

24.2

40

25.7

29.0

25.9

26.8

23.1

24.8

50

26.3

30.2

26.9

27.3

24.1

26.1

60

26.9

31.6

27.8

28.3

24.6

27.1

70

27.7

33.0

28.8

29.4

24.9

28.0

80

28.6

34.9

29.9

30.5

25.3

29.1

90

29.3

35.8

30.8

31.4

26.1

30.2

100

29.7

36.0

31.0

32.0

26.3

30.9

110

30.2

37.1

31.9

33.0

26.9

31.8

120

30.7

38.2

32.8

33.8

27.5

32.8

130

31.2

39.0

33.7

34.3

28.6

33.6

140

31.4

39.4

35.0

35.3

29.5

34.5

150

31.9

39.9

35.0

35.4

30.4

35.2

160

31.9

39.9

35.1

36.0

30.5

35.8

170

32.1

39.5

35.6

36.1

30.1

36.0

180

32.1

39.8

36.2

36.5

30.2

36.1

190

32.4

40.7

36.5

36.8

30.5

36.7

200

32.2

40.7

36.2

37.1

30.4

36.9

210

31.9

39.8

36.2

37.2

33.5

39.8

220

32.4

41.1

37.2

37.7

39.2

45.1

230

33.1

42.2

37.5

38.0

45.3

50.8

240

32.9

41.5

37.6

39.1

46.9

54.5

250

33.3

41.7

38.2

40.1

52.2

60.0

260

34.4

44.0

40.6

42.2

64.5

70.2

270

35.2

46.3

43.2

45.0

78.1

84.4

280

36.9

49.9

47.5

50.0

89.6

100.0

290

41.0

56.3

54.1

56.7

100.7

116.2

300

44.7

63.2

62.4

64.3

112.6

135.7

三、構件位移與溫度

圖 5.4 第 1 次火害實驗區小梁位移計位置圖例(本研究整理)

圖 5.5 第 1 次火害實驗區小梁熱電偶位置圖例(本研究整理)

圖 5.6 第 1 次火害實驗區小梁位移歷時圖例(本研究整理)

Dz-C43

TB-C42-1

TB-C42-2

TB-C42-3

-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 D ef lect io n (m m ) Time(s) Dz-C43 Dz-C43