耐火鋼螺栓接頭火害性能研究
128
0
0
全文
(2) (本部計畫編號) 095-301070000-G2028. 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 執 行 單 位：內政部建築研究所 研究主持人：李鎮宏 協同主持人：蔡銘儒. 內政部建築研究所自行研究報告 中華民國 95 年 12 月.
(3) 目次. 目次 表次 Ⅴ 圖次 ..........................................................................................Ⅶ 摘要 ..........................................................................................XI 第一章 緒論 ..............................................................................1 第一節 研究動機......................................................... 1 第二節 研究目的......................................................... 2 第三節 研究方法概述................................................. 3 第二章 文獻回顧 ......................................................................5 第一節 常溫下剪力接合研究..................................... 5 第二節 常溫與高溫下螺栓孔之承壓行為................. 6 第三節 有限元素數值分析......................................... 7 第三章 高溫下螺栓孔承壓能力分析.......................................9 第一節 前言................................................................. 9 第二節 高溫螺栓孔承壓行為................................... 11 第三節 耐火鋼材高溫下的相關機械性質............... 12 第四節 螺栓孔於高溫之承壓強度分析................... 13 第四章 試驗規劃與步驟.........................................................25 第一節 試體鋼材種類............................................... 25 第二節 試體尺寸與規劃........................................... 26 第三節 試驗設備....................................................... 26 第四節 試驗步驟....................................................... 28 第五章 試驗結果與比較.........................................................49 III.
(4) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 第一節 鋼材高溫單軸拉伸試驗結果.......................49 第二節 SN490B鋼板螺栓孔高溫承壓試驗結果....... 49 第三節 SN490CFR耐火鋼螺栓孔高溫承壓試驗.......50 第四節 試驗結果比較...............................................51 第 六 章 高溫螺栓孔承壓行為之數值模擬 ...........................79 第一節前言.................................................................79 第二節數值模擬分析方法.........................................79 第七章 結論與建議...............................................................105 第一節結論…………………………………………105 第二節建議…………………………………………106 附錄一 ....................................................................................107 附錄二 ....................................................................................108 附錄三 109 參考書目 ................................................................................ 113. IV.
(5) 表次. 表次 表 3-1 Eurocodes 3&4 (1992) 楊氏係數(E)折減…………………14 表 3-2 Eurocodes 3&4(1992)與BS 5950:Part 8(1987)降服強度(Fy)折減 ....................................................... 14 表 3-3 中鋼SN490B普通鋼降服強度(Fy)折減 ................. 14 表 3-4 新日本製鐵(1995) SM50A普通鋼降服強度(Fy)折減 ..... 15 表 3-5 中鋼SN490B普通鋼抗拉強度(Fu)折減 ................. 16 表 3-6 新日本製鐵(1995) SM50A普通鋼抗拉強度(Fu)折減 ..... 16 表 3-7 中鋼SN490C-FR耐火鋼降服強度(Fy)折減 .............. 16 表 3-8 新日本製鐵(1995) SM50A-NFR耐火鋼降服強度(Fy)折減.. 17 表 3-9 方朝俊(2000) SN490C-FR耐火鋼降服強度(Fy)折減 ..... 17 表 3-10 中鋼SN490C-FR耐火鋼抗拉強度(Fu)折減. 17. 表 3-11 新日本製鐵(1995) SM50A-NFR耐火鋼抗拉強度(Fu)折減. 18 表 3-12 方朝俊(2000) SN490-FR耐火鋼抗拉強度(Fu)折減 ..... 18 表 4-1 中鋼提供之鋼材材料性質 ........................... 30 表 4-2 SN490BC之化學材料規格表 .......................... 30 表 4-3 SN490B鋼板在各溫度的折減(原 8mm與 12mm鋼板材) ..... 31 表 4-4 SN490C-FR之材料化學性質 .......................... 31 表 4-5 SN490C-FR 鋼材在各溫度的折減係數 (原 12mm鋼板材).. 32 表 4-6 實驗試體尺寸..................................... 32 表 4-7 310S不鏽鋼高溫強度折減表 (Allegheny Ludlum (2002))34 表 4-8 310S化學組成表 (Allegheny Ludlum (2002)) ......... 34 表 5-1 螺栓孔試體實驗資料 ............................... 55 表 5-2 四種邊距由孔中心到邊緣的距離 ..................... 56 表 6-1 SN490B 鋼材試體之實際尺寸. 87. 表 6- 1 SN490C-FR 鋼材試體之實際尺寸. 87. 表 6- 2 四種邊距由螺栓孔中心到邊緣之距離. 88. V.
(6) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. VI.
(7) 圖次. 圖次 圖 3-1 符號說明......................................... 19 圖 3-2 普通碳鋼的高溫機械性質（林文謙(1998)） ........... 19 圖 3-3 熱滾壓(hot-rolled)碳鋼於高溫下的強度折減資料(Harmanthy, 1993)................................................... 20 圖 3-4 冷作(cold-worked)碳鋼於高溫下的強度折減資料(Harmanthy, 1993)................................................... 20 圖 3-5 Eurocodes 3&4(1992)、BS 5950:Part 8(1987)與中鋼提供普通鋼 材楊氏係數折減.......................................... 21 圖 3-6 普通鋼降服強度折減 ............................... 21 圖 3-7 普通鋼抗拉強度折減 ............................... 22 圖 3-8 耐火鋼楊氏係數折減 ............................... 22 圖 3-9 耐火鋼降服強度折減 ............................... 23 圖 4-1 SN490B試片在各溫度的折減(原 8mm鋼板) ............. 35 圖 4-2 SN490B試片在各溫度的折減(原 12mm鋼板) ............ 35 圖 4-3 SN490C-FR在各溫度的折減 .......................... 36 圖 4-4 普通鋼與耐火鋼強度比較 ........................... 36 圖 4-5 普通鋼與耐火鋼正規折減比較 ....................... 37 圖 4-6 兩種不同邊距之鋼板設計圖 ......................... 37 圖 4-7 實驗設備組合前視圖 ............................... 38 圖 4-8 實驗設備組合側視圖 ............................... 38 圖 4-9 上下部夾具固定試體 ............................... 39 圖 4-10 焊接於試體上之測溫線 ............................ 39 圖 4-11 CNS12514 標準升溫曲線 ........................... 40 圖 4-12 小型多功能耐火爐 ................................ 40 圖 4-13 小型多功能耐火爐 ................................ 41 圖 4-14 油壓千斤頂...................................... 41 圖 4-15 油壓設備........................................ 42 VII.
(8) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 圖 4-16 自平衡鋼架...................................... 42 圖 4-17 上部U型夾具與下部固定具 ......................... 43 圖 4-18 Unibrain Fire-I 810b型CCD相機 ................... 43 圖 4-19 NI SC-2345 資料收集器 ........................... 44 圖 4-20 整體系統........................................ 44 圖 4-21 測溫線分佈 ...................................... 45 圖 4-22 定溫加載實驗流程圖 .............................. 46 圖 4-23 定載加溫實驗流程圖 .............................. 47 圖 5-1 SN490B鋼材各溫度應力與應變圖(中鋼實驗室提供) ..... 56 圖 5-2 SN490C-FR耐火鋼各溫度應力與應變圖(中鋼實驗室提供) 57 圖 5-3 中鋼實驗室提供SN490B與SN490C-FR的抗拉強度比較 .... 57 圖 5-4 中鋼實驗室提供SN490B與SN490C-FR抗拉強度正規折減 .. 58 圖 5-5 室溫下邊距 0.5d之SN490B鋼板試體(實驗前) .......... 58 圖 5-6 室溫下邊距 0.5d之SN490B鋼板試體(實驗後) .......... 59 圖 5-7 設計溫度 528℃邊距 1.0d之SN490B鋼板試體(實驗前) 59 圖 5-8 設計溫度 528℃，邊距 1.0d之SN490B鋼板試體(實驗後) 60 圖 5-9 設計溫度下SN05 組試體(邊距 0.5d)螺栓孔承壓力與變形 60 圖 5-10 藍脆現象........................................ 61 圖 5-11 SN05 試體室溫下實驗後照片 ....................... 61 圖 5-12 SN10 試體 328℃下實驗後照片 ...................... 62 圖 5-13 設計溫度下SN10 組試體(邊距 1.5d)螺栓孔承壓力變形圖63 圖 5-14 室溫下邊距 0.5d之SN490C-FR鋼板試體(實驗前). 63. 圖 5-15 室溫下邊距 0.5d之SN490C-FR鋼板試體(實驗後) ...... 64 圖 5-16 設計溫度 706℃邊距 0.5dSN490C-FR鋼板試體(實驗前) . 64 圖 5-17 設計溫度 706℃邊距 0.5dSN490C-FR鋼板試體(實驗後) . 65 圖 5-18 設計溫度FR05 組試體邊距 0.5d螺栓孔承壓力與變形圖 . 65 圖 5-19 設計溫度FR10 組試體邊距 1.0d螺栓孔承壓力與變形圖 . 66 圖 5-20 鋼板承壓面積.................................... 66 VIII.
(9) 圖次. 圖 5-21 四組試體螺栓孔極限承壓力比較 .................... 67 圖 5-22 四組試體螺栓孔極限變形量比較 .................... 67 圖 5-23 四組試體的溫度折減比較 .......................... 68 圖 5-24 SN05 組試體折減關係與各規範折減公式比較 ......... 68 圖 5-25 SN10 組試體折減關係與各規範折減公式比較 ......... 69 圖 5-26 FR05 組試體折減關係與各規範折減公式比較 ......... 69 圖 5-27 FR10 組試體折減關係與各規範折減公式比較 ......... 70 圖 5-28 SN05 組試體螺栓孔極限承壓力與規範承壓公式比較.... 70 圖 5-29 SN10 組試體螺栓孔極限承壓力與規範承壓公式比較.... 71 圖 5-30 FR05 組試體螺栓孔極限承壓力與規範承壓公式比較.... 71 圖 5-31 FR10 組試體螺栓孔極限承壓力與規範承壓公式比較.... 72 圖 5-32 SN490B四種邊距的比較 ............................ 72 圖 5-33 SN490C-FR四種邊距的比較 ......................... 73 圖 5-34 7/8in高強度螺栓與 6 mm鋼板螺栓孔SN490B承壓力比較. 73 圖 5-35 7/8in高強度螺栓與 6mm鋼板螺栓孔SN490C-FR承壓力比較74 圖 5-36 厚度 6mm鋼板螺栓孔與 7/8in.高強度螺栓承壓力比較(溫度=室溫) ....................................................... 74 圖 5-37 厚度 6mm鋼板螺栓孔與 7/8in.高強度螺栓承壓力比較(溫度=300 ℃)..................................................... 75 圖 5-38 厚度 6mm鋼板螺栓孔與 7/8in.高強度螺栓承壓力比較(溫度=500 ℃)..................................................... 75 圖 5-39 厚度 6mm鋼板螺栓孔與 7/8in.高強度螺栓承壓力比較(溫度=700 ℃)..................................................... 76 圖 5-40 厚度 6mm SN05 鋼板定載 2103kgf加溫實驗 ........... 76 圖 5-41 厚度 6mm SN10 鋼板定載 4599kgf加溫實驗 ........... 77 圖 6- 1 塑性部分模擬曲線(SN490B,常溫下) 圖 6- 2 Case 1 之網格劃分 圖 6- 3 Case 2 之網格劃分 IX. 88 89 89.
(10) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 圖 6- 4 Case 3 之網格劃分 90 圖 6- 5 收斂性分析之結果 90 圖 6- 6 SN05-t06-T020 試體模擬結果比較 91 圖 6- 7 SN05-t06-T300 試體模擬結果比較 91 圖 6- 8 SN05-t06-T500 試體模擬結果比較 92 圖 6- 9 SN05-t06-T700 試體模擬結果比較 92 圖 6- 10 SN490B 鋼板且螺栓孔淨邊距 0.5d 時，螺栓孔極限承壓力折減關 係圖 93 圖 6- 11 SN10-t06-T020 試體模擬結果比較 93 圖 6- 12 SN10-t06-T300 試體模擬結果比較 94 圖 6- 13 SN10-t06-T500 試體模擬結果比較 94 圖 6- 14 SN10-t06-T700 試體模擬結果比較 95 圖 6- 15 SN490B 鋼板且螺栓孔淨邊距 1.0d 時，螺栓孔極限承壓力折減關 係圖 95 圖 6- 16 FR10-t06-T020 試體模擬結果比較 96 圖 6- 17 FR05-t06-T300 試體模擬結果比較 96 圖 6- 18 FR05-t06-T500 試體模擬結果比較 97 圖 6- 19 FR05-t06-T700 試體模擬結果比較 97 圖 6- 20 SN490C-FR 鋼板且螺栓孔淨邊距 0.5d 時，螺栓孔極限承壓力折 減關係圖 98 圖 6- 21 FR10-t06-T020 試體模擬結果比較 98 圖 6- 22 FR10-t06-T300 試體模擬結果比較 99 圖 6- 23 FR10-t06-T500 試體模擬結果比較 99 圖 6- 24 FR10-t06-T700 試體模擬結果比較 100 圖 6- 25 SN490C-FR 鋼板且螺栓孔淨邊距 1.0d 時，螺栓孔極限承壓力折 減關係圖 100 圖 6- 26 6mm 厚鋼板與 7/8 inch 高強度螺栓承壓力比較(RT) 101 圖 6- 27 6mm 厚鋼板與 7/8 inch 高強度螺栓承壓力比較(300℃) 101 圖 6- 28 6mm 厚鋼板與 7/8 inch 高強度螺栓承壓力比較(500℃) 102 圖 6- 29 6mm 厚鋼板與 7/8 inch 高強度螺栓承壓力比較(700℃) 102 圖 6- 30 7/8 inch 高強度螺栓與 6 mm 厚鋼板螺栓孔(SN490B 鋼材)承壓力 比較 103 圖 6- 31 7/8 inch 高強度螺栓與 6 mm 厚鋼板螺栓孔(SN490C-FR 鋼材)承 壓力比較 103 圖 6- 32 SN05t06T700 包含潛變之效應 104 X.
(11) 摘要. 摘要 關鍵字：螺栓孔、承壓強度、高溫、耐火鋼 一、研究緣起 美國Federal Emergency Management Agency (FEMA) 對於發生在西元2001 年的紐約世貿大樓(WTC)火災，做了詳盡的勘災報告(FEMA 430, 2002)，提 供了研究超高層建築火害珍貴的資料紀錄；報告中詳述了這場世紀火災發 生的起因、經過、建築的反應、構件或接頭破壞的形式、高樓崩塌的機制、 災後勘災的結果… 等紀錄；縱使整個世貿大樓受火害而崩塌的過程極為複 雜，但是值得注意的是，經過FEMA 的許多學者專家討論的結果，造成如此 慘烈的大樓崩塌，是由鋼骨柱組成的內、外牆和輕桁架樑樓板接頭受火害 後破壞而開始的，其中尤其以接頭處螺栓和鋼板接合產生承壓破壞和塊狀 剪力最為常見。 二、研究方法及過程 本研究利用螺栓孔與固定插銷接合的單剪試驗來量測中鋼公司所提供 之兩種鋼材(SN490B, SN490C-FR)螺栓孔試體於兩種邊距(0.5d、1.0d)與四 種溫度(室溫、300℃、500℃、700℃)下之螺栓孔承壓力與變形的關係，並 利用所量得之結果來檢驗各國規範中承壓力的公式與高溫下的折減公式， 以選擇出最接近試驗結果之承壓力公式與高溫折減關係。此外，本研究也 比較了普通鋼與耐火鋼螺栓孔試體之承壓力與其在高溫折減的差異。由實 驗與分析之結果可知，美國 AISC- LRFD 第二版(1993)所提供的承壓力公式 最接近試驗結果，而利用中鋼材料實驗室所提供的鋼材高溫折減關係所計 算出之高溫螺栓孔承壓力折減最接近實驗所得之高溫承壓力折減。在耐火 鋼與普通鋼螺栓孔試體的比較方面，實驗數據也印證了耐火鋼在高溫時的 優良特性。 三、重要發現 接觸式量測裝置，如 LVDTs、extensometers、potentiometers…等。 經常被使用於結構試驗之位移量測。然而，對於高溫結構構件試驗，此 接觸式位移量測裝置既非常昂貴且常受到儀器本身最高工作溫度與最 大伸長量之限制。因此，本文建立一套非接觸式 CCD 位移量測系統，以 改善傳統高溫結構試驗之接觸式量測方式。比較結果發現，高溫下螺栓 孔承壓破壞之實驗結果與 ABAQUS/Standard 有限元素數值模擬結果相 一致，驗證了 CCD 位移量測系統在高溫下位移量測之可行且有效。此 XI.
(12) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 外，本文也以 ABAQUS/ Standard 程式做為數值模擬工具，建立一套有 限元素分析模型來模擬螺栓孔於高溫下承壓之行為；在材料參數方面， 以中鋼高溫材料試驗所得之結果，做為數值模擬分析之基礎。由試驗結 果顯示出此有限元素數值模型可成功地模擬高溫下螺栓孔承壓之行為。 四、主要建議事項 根據研究發現，本研究針對耐火鋼螺栓接頭火害性能其在高溫下之承壓 能力行為之探討及目前國內採用之設計規範 AISC-LRFD 第三版(2001) 相互驗證下，提出下列具體建議。以下分別從立即可行的建議、及長期 性建議加以列舉。 立即可行之建議 主辦機關：內政部營建署 協辦機關：內政部建築研究所 目前國內對於鋼結構建築物之設計乃依據「鋼構造建築物鋼結構設計技 術規範」 ，其主要設計精神係沿用美國AISC-LRFD設計規範進行結構物常 溫下設計，惟火災發生時，其火場溫度驟升尤達閃燃以後之火災全盛 0 期，建築構造承受高達 600 C以上之高溫，鋼構承載能力之設計是否仍 得沿用並進行高溫下之分析，經由本研究初步針對鋼板螺栓接合承壓力 之實驗與分析結果，該AISC-LRFD(2001)規範之設計仍得加以應用於火 害下鋼板螺栓接合承壓力之分析設計。 長期性之建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署 因國內目前採用之「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」其接頭分析設 計內容，依不同結構行為分門別類，本研究接頭行為僅為其中一項，為 能整體通盤性考量火害下之接頭設計，建議針對不同接頭受力行為延伸 研究之觸角。. XII.
(13) 摘要. ABSTRACT Keywords: bearing Strength, Fire Resistance Steel, Hole of Bolt When a steel structure is exposed to a fire, the steel temperatures increase and the strength and stiffness of the steel are reduced, leading to possible deformation and failure, depending on the applied loads and the support conditions. The increase in steel temperatures depends on the severity of the fire, the area of steel exposed to the fire and the amount of applied fire, so that structural steel buildings with applied fire protection can be designed to have excellent fire resistance. Unprotected steel structures tend to perform poorly in fires compared with reinforced concrete or heavy timber structures, because the steel members are usually much thinner. Steel also has a higher thermal conductivity than most other materials. Unprotected steel structures can survive some fires if the severity is low and the steel dose not get too hot. Full-scale tests and some real fires in large steel buildings have shown that well-designed structures can resist severe fires without collapse, even if some of the main load-bearing members are unprotected. Thermal expansion of steel members can cause damage elsewhere in the building. A review of steel behaviour in many fire tests is given by Cooke(1996). The main factors affecting the behaviour of steel structures in fire, as discussed further in this chapter, are as follows: ‧the elevated temperatures in the steel members, ‧the applied loads on the structure, ‧the mechanical properties of the steel, and ‧the geometry and design of the structure.. XIII.
(14) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. XIV.
(15) 第一章緒論. 第一章緒論 第一節研究動機 鋼結構建築由於其擁有耐震韌性優良、延展性佳、強度高、品質均勻、施工迅速、 材料可回收…等特性，在地震頻繁、砂石資源日漸枯竭及人工費用上漲的台灣地區，日 益受到重視，尤其是在 921 地震(民國 88 年)過後，建築物、廠房和公共建設耐震要求 普遍受到重視的同時，鋼構造結構更有被逐漸推廣的趨勢，因此，現於國內各大都會區、 高科技廠房及重大工程建設，已多可見鋼構造的建築及橋樑。傳統鋼材的降伏強度、極 限強度會隨著溫度的增加而降低，此外，鋼材的熱膨脹係數及熱傳導性也較其他普通的 非金屬建材為高，綜合以上鋼材在高溫下性質，導致鋼結構耐火性能不佳，Buchanan (2001) 指出未受防火披覆保護的鋼結構在受火害時，其表現甚至較鋼筋混凝土結構或 重型木構造結構為差。 民國 86 年發生的新竹瑞聯半導體廠房大火(損失約 120 億台幣)和民國 90 年發生 的汐止東方科學園區高層大樓大火(損失約 100 億台幣)，雖然幸運地並無人員傷亡，但 龐大的財物損失也燒出了國內鋼結構建築防火的許多問題；根據內政部消防署最近七年 來(86-92)的統計，我國每年火災發生的次數平均約為 14000 件，每年因火災死傷人數 平均約為 950 人；在可預見的未來，國內鋼結構建築將逐漸成長，而且在人口密集的都 會區超高層鋼構建築也將日益風行，可預見未來國內鋼構建築受火害侵襲的機率將增 加。 西元 2001 年美國的世貿大樓(WTC)嚴重火災造成的崩塌事件中，造成兩棟世貿大 樓(WTC1 & WTC2)崩塌的主要原因，並非是客機直接的撞擊爆炸，而是來自客機撞擊爆 炸後在樓層中遺留大量燃油所引燃的大火，造成支撐樓板重量的桁架樑與內、外牆鋼骨 柱在接頭處因高溫而產生螺栓孔承壓破壞而開始的。藉由美國的世貿大樓(WTC)的崩塌 的例子，可以了解到螺栓孔的承壓破壞問題在鋼結構受火害時的重要性。 此外，在實際的鋼結構“樑對柱＂或是“樑對樑＂接頭處，常以角鋼、剪力片 (shear tab)、或 T 型鋼以螺栓連接樑的腹板至柱翼板或大樑腹板以傳遞剪力，此種接 合方式在實際鋼構建築裡的應用極為普遍，基於此理由，以及其受火害後可能造成的嚴 重性，加之美國紐約世貿大樓(WTC)因火害而崩塌所帶來的衝擊，本研究擬以在高溫下 螺栓孔承壓實驗，來研究火害時螺栓孔的承壓行為和強度。. 1.
(16) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 第二節研究目的 本研究的目的是：藉由高溫下螺栓孔承壓實驗，來瞭解火害時螺栓孔的承壓 (bearing)行為和強度。不同的溫度、不同鋼材、不同的螺栓孔邊距，對螺栓孔承壓行 為和強度的影響將會被探討，此乃本研究的研究目的： 1. 配合本研究所得之結果，檢驗美、歐…等各國鋼結構規範裡，有關螺栓孔承壓強度 公式的適用性。. 2. 由於現今有關螺栓孔在高溫下承壓強度的估算，主要是套用適用於室溫下的螺栓孔 承壓強度公式，再對公式中鋼材的極限強度或降伏強度因不同的溫度而做不同的折 減所得。所以藉由實驗結果檢驗此種鋼材強度折減法在高溫螺拴孔承壓能力評估的 適用性，並對各國規範所提供的折減公式做比較，以得出最接近之折減公式。. 3. 比較中鋼公司提供之普通鋼(SN490B)與耐火鋼(SN490C-FR)的高溫性質與螺栓孔承 壓能力，以驗證耐火鋼之耐火能力。. 4. 探討鋼板端螺栓接合在不同溫度、不同鋼材、不同螺栓至板端（end distance）的 距離之承壓行為與強度。並利用既有的 ABAQUS 有限元素分析軟體，配合實驗上所得 之鋼板端螺栓接合在高溫下實驗結果，建立一套合理且強健的有限元素分析模型， 來模擬在高溫下之螺栓孔承壓問題之行為與分析模式。. 5. 同時建立 CCD（charge coupled device）位移量測系統，應用於本文螺栓孔高溫試 驗承壓行為之量測，取代傳統高溫上接觸式位移量測系統。例如：LVDT、strain gage ……等等。以輔助整個高溫實驗過程鋼板受力後位移之量測。此種位移量測系 統比起一般上接觸式量測裝置硬體費用低，且可以即時高速的量測物件，精確高， 其最重要的優點是不只可以量測某一個局部點的位移，而是在整個擷取影像上可以 作全面性的量測。. 2.
(17) 第一章緒論. 第三節研究方法概述 本計劃實驗所使用鋼板的尺寸為：長500 mm、寬105 mm、厚度5mm 或9.5 mm在鋼板端將 鑽1 或2 個螺栓孔，螺栓孔徑為21mm，將使用直徑為19mm 的耐高溫螺栓(或耐高溫鋼棒) 與螺栓孔接合；含螺栓孔的鋼板試體將在燃燒爐裡面加溫、加軸拉力以做高溫下的拉伸 實驗，整個實驗的佈置如下圖所示，熱耦溫度計(thermo- couple)將佈設於鋼板試體的 上、中、下段，特別是靠近螺栓孔段，以測量溫度；在燃燒爐內的夾具和固定設備一律 採用耐火不銹鋼材製成，其中接頭部分將全部採用耐高溫螺栓(high- temperature bolt) 接合(如有必要，夾具或固定設備將棄不必要的螺栓接合，儘量以一體成形設計為主)， 以確保實驗在高溫條件下進行時，夾具和固定設備部分能完好無破壞且能重複使用；此 外，在燃燒爐外上、下兩支傳力用不鏽鋼棒將纏繞中空銅管，並接上水管循環，以水冷 方式降低傳遞到上部油壓千斤頂和下部地板的高熱，以確保實驗安全；所自行開發的CCD camera 位移自動量測系統將架設在觀景窗(viewport)外，對燃燒爐內的螺栓孔進行位 移的量測。. 亦將藉由一個螺栓接合和兩個螺栓接合的高溫拉伸實驗，來探討螺栓孔端距(C1)和孔 距(C2)在高溫下對螺栓孔支承強度的影響(見圖(7d))，並以實驗數據和各國規範的公式. 3.
(18) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. (以強度折減法)做比較；就一個螺栓接合的實驗，將改變鋼板試體中螺栓孔的端距 (C1)，使其為0.5 倍、1.0 倍、1.5 倍、2.0 倍的螺栓直徑d (暫定)，以瞭解端距在高 溫下對螺栓孔支承力的影響；就兩個螺栓接合的實驗，將固定端距(C1)為2d 並改變鋼 板試體中螺栓孔距(C2)，使其為1.0 倍、2.0 倍、3.0 倍的螺栓直徑d (暫定)，以瞭解 孔距在高溫下對螺栓孔支承力的影響；每個鋼板試體在不同溫度做拉伸實驗時，主要量 測的螺栓孔變形產生的位移和所施加拉力的關係，特別要記錄螺栓孔位移達到6 mm時的 拉力值(Pd)和螺栓孔的最大支承拉力(Pmax)，6 mm的孔位移是AISC-LRFD對螺栓孔支承 強度所訂定的一個極限狀態。 藉由CCD camera位移自動量測系統進行高溫下螺栓孔承壓實驗，使用中鋼公司提供之 兩種鋼材量測在兩種設計邊距與四種設計溫度下螺栓孔承壓力。實驗乃是利用耐火性質 良好的310S耐火不銹鋼製成上部鉤具與下部固定具伸入火爐中來將試體固定，所要量測 的目標乃試體下方螺栓孔的變形與承壓力，其中使用的插銷為直徑7/8 in.(22.2mm)。 試體上焊接了數個測溫線將資料傳進收集器中，收集器同時也收集與上部鉤具連接之荷 重計之資料，其拉力值即為鋼板螺栓孔承壓力之值。 實驗又分為定載加溫與定溫加載兩種，定溫加載是將火爐內的溫度控制在一固定 的溫度，接著進行鋼板試體的拉伸試驗，主要是紀錄在設計溫度下螺栓孔承壓力與螺栓 孔變形的關係，並求得螺栓孔的極限承壓力(Pmax)。而定載加溫則是模擬在火害中螺栓孔 承壓而破壞的行為，實驗初期先在鋼板試體施加一固定拉力，然後在依照CNS12514 標準 升溫曲線所規定的溫度和時間的關係，提高燃燒爐內溫度，此時同步記錄螺栓孔變形產 生的位移、時間和溫度的關係。. 4.
(19) 第二章文獻回顧. 第二章文獻回顧 第一節常溫下剪力接合研究 在室溫下，鋼板中螺栓孔承受螺栓給予的壓力其破壞的模式大致可分為兩種：一 種是與螺栓交界面材料降伏而造成螺栓孔過度變形擴大的承壓破壞模式 (bearing failure mode)，一種是由於螺栓孔的邊距或間距不夠而造成螺栓孔被螺栓撕裂的撕裂 破壞模式 (tear-out failure mode)；相關的研究大致在 70 年代時由美國的Research Council on Riveted and Bolted Structural Joints (RCRBSJ)贊助進行的大量實驗和 後續研究所制定的準則 (Fisher and Struik, 1974) 而奠下了基礎，其後的一些研究 如Chong和Matlock (1976)，Gilchrist和Chong (1979) 的研究主要是著重在對輕型 (light gauge) 鋼板螺栓孔支承實驗結果的探討，Frank和Yura (1981) 所做的實驗指 出，當螺栓孔的變形等於 6 mm (1/4 英吋) 時，螺栓孔所能承受的最大支承力約略等於 2.4dtFu (d: 螺栓直徑, t: 板厚, Fu: 鋼板極限強度)，當所受的支承力超過這個值時， 孔的變形將開始迅速擴展，當支承力達到 3.0dtFu時，孔的形狀將擴展成橢圓狀並影響 到構件的強度和用途，美國AISC-LRFD第三版 (2001) 對螺栓孔承壓強度的規範採納了 6 mm為螺栓孔的極限狀態而將規範訂定如下： 當螺栓孔的變形為設計的考量時(即孔變形限小於 6 mm)，螺栓孔標稱強度(Rn)為. Rn = 1.2 LctFu ≤ 2.4dtFu. (2.1). 當螺栓孔的變形不為設計考量時(即孔變形可大於 6 mm)，螺栓孔標稱強度(Rn)為. Rn = 1.5 LctFu ≤ 3.0dtFu. (2.2). 對於長槽孔且力作用垂直於孔槽時，螺栓孔標稱強度(Rn)為. Rn = 1.0 LctFu ≤ 2.0dtFu. (2.3). 上述公式中Lc指的是孔邊與孔邊或是孔邊與板端的淨距離。較為近期的實驗如Kim 和Yura (1999)、Lewis和Zwerneman (1996) 除了證實了以上極限狀態的標稱強度，而 且證實了極限降伏強度比(Fu/Fy ratio)低的鋼材其對螺栓孔的標稱強度並無影響。 在鋼結構受火害的設計與分析，常使用“折減法＂來計算(Harmathy, 1993; Lawson and Newman, 1996; Buchanan, 2001)，意即使用鋼材在溫度上升後折減的極限 強度或降伏強度來預估結構在高溫下的強度，在此我們須注意的是，整個 AISC-LRFD 對 螺栓孔的承壓強度是建立在室溫下螺栓孔變形(6 mm)的極限狀態下，當溫度升高，鋼構 件在受力又受熱的狀態下會有膨脹、潛變…種種和常溫狀態不同的力學行為產生，此時 螺栓孔的承壓強度計算如再使用“折減法＂並以 6 mm 的螺栓孔變形為其極限狀態，由 於鋼材的材料性質(極限強度、降伏強度、彈性模數、熱膨脹率…等性質)在高溫下已改. 5.
(20) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 變，原規範在此極限狀態下所訂定的承壓強度(即公式(2.1)至(2.3))是否合理適用將是 一大疑問，對於此問題，目前國內外並無螺栓孔在高溫下的實驗和研究予以解答，近期 方朝俊(2000)對耐火鋼構件受火害後其銲接及螺栓預力損失的行為有深入的研究，但並 未對螺栓孔的支承問題有所著墨，本計劃將藉由實驗以了解在不同高溫下螺栓孔承壓的 行為，實驗結果也將與各國規範(如我國、美、歐、日…等等)在使用折減法後所預估的 強度比較、研究。. 第二節常溫與高溫下螺栓孔之承壓行為 鋼板螺栓孔之破壞形式可分為兩種： （1）鋼板承壓破壞模式（bearing failure mode） （2）鋼板撕裂破壞模式（tear-out failure mode） 國內規範對螺栓孔邊距最大、最小部份，均有其規定。目的為避免邊距過小時， 其在打孔時會在鋼板之反側出現膨脹及 裂現象發生，此時，鋼板容易造成撕裂破壞模 式發生。另外，在最大邊距部分也做了一些規定，其目的在於避免螺栓孔邊距過大，在 邊緣處將會發生捲曲現象發生。 Fisher 和 Struik（1974）在美國 Research Council on Riveted and Bolted Structural Joints（RCRBSJ）進行研究螺栓孔破壞行為模式，並且為後來之規範制定 了準則。其後，陸續有很多人對於這方面之研究做相當多投入。例如：Chong 和 Matlock （1976） 、Haussler 和 Pabera（1976）及 Gilchrist 和 Ching（1979）都對鋼板在螺栓 接合條件下，研究其接合行為，這類實驗是在沒有使用墊圈（washer）之條件下。 Frank和Yura（1981）針對螺栓剪力接頭進行試驗，其試驗結果報告中指出當螺拴 孔之變形量等於 6.35 mm（1/4 inch） 時，其螺栓孔所能承受最大壓力約為 2.4 dtFu（d 為螺栓直徑，t為板厚，Fu為鋼板極限承載力），當螺栓孔承壓的壓力大於 2.4 dtFu時， 螺栓孔即開始迅速的變形，當其支承達到 3.0 dtFu時，螺栓孔變形形狀將擴展成橢圓形 並迅速影響整個結構行為。 Kim 和 Yura（1997）共同實驗研究對兩種不同之鋼板：一種為高極限-降服應力比 (high ultimate-to-yield stress ratio)之鋼板，另一種為低極限-降服應力比(low ultimate-to-yield stress ratio)之鋼板。針對這兩種不同鋼板，研究其對應於不同 邊距之單螺栓孔和對應於不同邊距與淨間距之雙螺栓孔，對鋼板強度之影響。Kim 和 Yura 在其實驗結果中發現，在位移 6.35 mm（1/4 inch）時，其極限-降服應力比大於 1.13 者，並不會影響其強度。也再次證實了承壓強度與材料之極限強度成比例關係。同時這 份實驗結果與美國 AISC-LRFD（American Institute of Steel Construction Load and Resistance Factor Design）規範與歐洲規範（Eurocode 3）做比較，驗證了規範內的 鋼板螺栓接合極限狀態的標稱強度（nominal strength） 。 以上鋼板螺栓接頭試驗，皆為常溫下所做之試驗，國內外尚未針對螺栓孔在高溫 下承壓行為進行研究，因此在於鋼結構火害設計上，目前做法都是乘以一個＂折減係 數＂做為計算設計，如 Harmathy（1993） 、Lawson and Newman（1996） 、Buchanan（2001） ， 6.
(21) 第二章文獻回顧. 利用鋼材在高溫下折減後的強度來做設計。這種做法往往無法考慮鋼材在高溫下材料的 性質(潛變、膨脹、降伏強度、極限強度、彈性係數…等)。因此，對於高溫下利用折減 係數預估的鋼板承壓強度是否合理性，令人懷疑。. 第三節有限元素數值分析 Pratt 和 Pardoen（2002）利用 NIKE3D 非線性有限元素方法，模擬圓錐形螺栓接 頭搭接縫載重拉伸行為，並將其載重拉伸行為與實驗結果作比較。同時，這個結果顯示 出非線性有限元素分析可以準確的預測螺栓接頭行為。而後， Pratt 和 Pardoen（2002） 利用 NIKE3D 有限元素法模擬預測單孔與雙孔螺栓搭接接頭，受載重拉伸作用之力學行 為。並將其所得結果與實驗結果進行比較。結果顯現出其數值模擬可以準確的預測其結 果。Rex 和 Easterling（2003）共同研究發展出一套特殊模擬方法，模擬一鋼板在常溫 下受一高強度螺栓承載力之破壞。並且可以有效的預測其初始勁度、強度、載重、變形 之行為，利用如此數值模擬結果將可以節省時間與金錢上之花費。但以上分析結果，只 是在常溫下對螺栓接頭所做的數值模擬。 早期，Najjar 和 Burgess（1996）利用有限元素法之觀念，針對大型鋼結構構件 或整體，自己發展出一套 3DFIRE 非線性結構分析程式，來模擬其構件或結構整體受火 害時的力學行為及反應。隨後 Huang、Burgess、Plank（2001）利用 VULCAN 非線性結構 分析程式，進行有關鋼結構受火害的行為模式。Gillie、Usmani、Rotter（2002）則利 用 ABABQUS 來進行有關鋼角處受火害之結構行為模式。 另外，針對不同的鋼結構構件也有很多人進行研究模擬。例如： Liu（1999）對 於無防火披覆的鋼梁，提出自己的分析模式進行數值模擬。 Sanad、Rotter、Usmani 和 O＇Connor（2000）同樣提出自行分析模式，對於大型建築物之複合型鋼樑進行火害 分析及結構行為探討。Cai、Burgess 和 Plank（2002）利用 VULCAN，對於火害中非對稱 斷面桿件進行模擬。Villa Real、Lopes、Silva、Piloto 和 Franssen(2004)利用 SAFIR 數值模擬，分析梁柱構件在火害中之行為。但對於這些研究，大多利用折減方式模擬鋼 材在高溫下材料之應力應變曲線。對於高溫潛變的效果，也大多不考慮或由折減的應力 應變關係所吸收，對於這樣的作法，常溫下或溫度低時還算合理，但對於高溫潛變效應 明顯時，這樣數值模擬結果，差異甚大。 Buchanan（2001）在報告中指出結構鋼在溫度達到攝氏四、五百度時，其潛變效 應顯著，其潛變效應的快慢，倚賴當時鋼材所受的應力大小。另外，對於潛變方面研究 慢慢由 Hill（1958） 、Naghdi （1960） 和 Green （1965）…等人針對等溫的工作硬化 彈塑性材料之變形開始研究。Wang 和 Prager（1954）建立一套包含溫度跟潛變效應極 限理論。Pian（1957）將潛變包含至總應變量公式，其總應變量公式表示為如下：. ε ij = ε ije + ε ijP + ε ijT + ε ijc 其中，. ε ij. . (2.1). 為總格林應變張量(total Green strain tensor). ε ije. 為即時彈性應變(instantaneous elastic strain). ε ijP. 為即時塑性應變(instantaneous plastic strain) 7.
(22) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. ε ijT. 為 與 時 間 相 依 性 溫 度 應 變 (time-dependent thermal. strain). ε ijc. 為與時間相依性潛變應變(time-dependent creep strain). 另外，Buchanan（2001）針對鋼材在高溫下受力之應變增量表示成如下（2.2）式 中：. ∆ε = ε − ε i = ε σ (σ , T ) + ε th (T ) + ε cr (σ , T , t ) (2.2) 其中，ε 為總應變. εi為初始應變 εσ(σ,T)為應力所造成應變 εth(σ,T)為溫度所造成應變 εcr(σ,T,t)為潛變所造成應變 在模擬時，應把隨應力、溫度、時間而改變之潛變參數考慮進來，使得分析結果 更為準確。. 8.
(23) 第三章高溫下螺栓孔承壓能力分析. 第三章高溫下螺栓孔承壓能力分析 第一節前言 螺栓孔的承壓能力並不只由螺栓本身的強度所決定，而是由螺栓所連接物件的強 度與螺栓設計上的配置所決定。舉例來說：一個由螺栓連接鋼板接頭，所承現出來的強 度是由螺栓的間距、邊距、鋼板的極限抗拉強度Fu與鋼板的厚度所決定。在各國規範與 過去的研究所提供的公式中可以看出，決定螺栓孔承壓能力的設計強度皆與上述的變數 有關。在各規範中，高溫下的螺栓孔的承壓能力所使用的公式並沒有改變，其中隨著不 同的溫度而有折減的是連接物件的抗拉強度Fu，故高溫下是藉由抗拉強度的折減來做設 計。 常溫下的螺栓孔承壓能力在各規範設計上有不同的公式，但也對應了不同的安全 係數。AISC-LRFD（1993, 2001）設計上所使用的安全係數為 0.75，而歐洲規範 Eurocode3 (1992)在設計上所使用的安全係數換算之後為 0.8。. AISC-LRFD 第二版 (1993) 在當下使用非常廣泛的AISC-LRFD中（American Institute of Steel Construction. Load and resistance factor design specifications for structural steel buildings），本文中簡稱為LRFD，有關鋼板與螺栓接合構件的規定（見圖 3-1） ，螺 栓孔的承壓強度所使用的折減係數為 0.75，乘以連接物件的標稱承壓強度Rn即為螺栓孔 的承壓設計強度。在LRFD第二版 (1993) 中所列出的Rn的公式如下： （適用於標準孔、 (a)當Le≧1.5d，s≧3d且沿力做作用線上有兩個以上包括兩個螺栓時， 或垂直於作用力的槽孔、或摩阻型超大孔或平行於作用力方向的摩阻型槽孔）： 當設計中需考量螺栓孔周圍變形時，即孔邊變形不超過 0.25 in. (6.35 mm)，螺栓 孔強度為. Rn = 2.4dtFu. (3.1). 當螺栓孔周圍的變形非為設計考量時，即孔邊變形大於 0.25 in. (6.35 mm)也可接 受時，靠近鋼板邊緣的螺栓孔強度. Rn = Le tFu ≤ 3.0dtFu. (3.2). 對其餘接合形式的螺栓孔強度. Rn = (s − d / 2)tFu ≤ 3.0dtFu 對垂直於力作用線的長槽孔強度 9. (3.3).
(24) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. Rn = 2.0dtFu. (3.4). (b)當Le<1.5d或s<3d，或在力作用線上只有一個螺栓時， （適用於標準孔、或垂直於作用 力的槽孔、或摩阻型超大孔或平行於作用力方向的摩阻型槽孔）： 對單顆螺栓或是最靠近鋼板邊緣的螺栓孔強度. Rn = Le tFu ≤ 2.4dtFu. (3.5). Rn = ( s − d / 2)tFu ≤ 2.4dtFu. (3.6). 其他螺栓接合的螺栓孔強度. 在(3.1)-(3.6)公式中，d為螺栓的直徑，t為與螺栓相接的鋼板的厚度，Fu為連接 鋼板的抗拉強度，Le為螺栓孔中心到鋼板的邊緣的長度，s為沿力的作用線上螺栓孔中心 的距離，Rn為鋼板標稱承載強度。. AISC-LRFD 第三版 (2001) 在 LRFD 第三版 (2001)中，螺栓孔承壓強度的公式針對了不同形式的螺栓孔以及 部分的係數做了說明與調整如下： (a)當扣件連接使用標準螺栓孔，超大孔、與作用力方向無關的短槽孔或平行於力作用 線的長槽孔： 在服務載重下，螺栓孔周圍的變形為設計考量時. Rn = 1.2 Lc tFu ≤ 2.4dtFu. (3.7). 在服務載重下，螺栓孔周圍的變形非設計考量時. Rn = 1.5Lc tFu ≤ 3.0dtFu. (3.8). (b)當扣件連接使用垂直於力作用線的長槽孔：. Rn = 1.0 Lc tFu ≤ 2.0dtFu. (3.9). 公式中的Lc為在力作用線上螺栓孔的邊緣到鄰近孔的邊緣或鋼板的邊緣的淨邊距。. 歐洲規範 Eurocode 3 (1992) 在歐洲規範中，對單顆螺栓連接的螺栓孔承壓能力為：. Fb, Rd = 2.5 f u dte1 /(3d 0YMb ). 10. (3.10).
(25) 第三章高溫下螺栓孔承壓能力分析. Fb,Rd相當於已經包含安全係數的Rn，d為螺栓的直徑，t為與螺栓相接的鋼板的厚度， fu為連接鋼板的抗拉強度（等同於AISC-LRFD的Fu） ，e1為在力作用線上螺栓孔的邊緣到鄰 近孔的邊緣或鋼板的邊緣的淨邊距（等同於AISC-LRFD的Le），d0為螺栓孔的直徑，YMb為 安全係數。. Kulak G. L. (1987) 若將鋼材的剪力強度視為張力強度的 0.7 倍，且破壞的形式為剪切(tear-out)破 壞，則螺栓孔的承壓強度可表示為下式：. Rn = 2t (C1)(0.7 Fu ) = 1.4(C1)tFu. (3.11). 其中，C1 為淨邊距等於Lc ；此公式與AISC-LRFD第三版 (2001)所使用的公式只有 在係數上的不同，AISC-LRFD第三版 (2001) 使用的係數是 1.2 倍，Kulak (1987)所使 用的公式則為 1.4 倍。. 第二節高溫螺栓孔承壓行為. 普通碳鋼高溫下的相關機械性質 鋼結構設計中，鋼材的楊氏係數、降服強度與抗拉強度是相當重要的機械性質， 而隨著環境溫度的上升，鋼鐵材料本身的溫度也隨著上升，這些重要的機械性質會隨著 溫度有不同的變化。 圖 3-2、圖 3-3 與圖 3-4 收集了普通碳鋼在不同高溫下相關機械性質變化情形的試 驗資料；由圖 3-2 與 3-3 可以看出，普通碳鋼在 150-400°C 附近的抗拉強度與降服強度 較常溫時為高，而伸長率和斷面縮率卻有降低的趨勢，鋼材在此溫度下會呈現藍色，這 種現象在冶金學中稱為藍脆(blue brittleness)現象，其原因與碳鋼中的自由氮原子在 此溫度時定住(pinning)鋼材中的差排(dislocation)有關，在鋼材中添加鋁或鈦將能有 效固定住自由氮原子，即可免除藍脆效應(林文謙, 1998)，此外，以冷軋或冷作的方式 生產鋼材，亦可以消除此效應(Yush- kevich 等人, 1974)，此為圖 3-4 冷作鋼材無藍脆 效應之原因。在溫度過了 400°C 後碳鋼的抗拉強度與降服強度急遽下降，而伸長率卻升 高，一直到 600°C 時，強度下降至僅為常溫強度的三分之一。. 楊氏係數(E) 表 3-1 列出了歐洲規範 Eurocode3 (1992)中楊氏係數隨溫度折減的係數，AS 4100(澳洲規範)和 NZS 3404(紐西蘭規範)提供的一個楊氏係數的關係公式如下：. 11.
(26) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. kE,T = 1.0 + T /[2000ln(T /1100)]. 0 < T ≤ 600°C. = 690(1 − T /1000) /(T − 53.5). 600 < T ≤ 1000°C. (3.12). 由圖 3-5 加入中鋼提供的普通鋼楊氏係數折減，可以看出楊氏係數會隨著溫度的 上升而下降。. 降服強度(Fy) 當結構物桿件的受力達到了降服強度以上，結構物桿件的變形速度開始爬升，變 形愈來愈大。所以降服強度為判定結構物是否變形過大而無法使用的重要參數。表 3-2 為歐洲規範 Eurocode3 (1992)與 BS5950:Part8 (1990)降服強度的折減資料。表 3-3 為 整理中鋼的普通鋼材高溫試驗所得到的降服強度的折減，中鋼所使用的鋼材為 SN490B。 在新日本製鐵株式會社 (1995)所出版的「建築結構用耐火鋼材（NSFR）」中也有提供普 通鋼材在高溫的降服強度的折減，此書所使用的鋼材為 SM50A，見表 3-4。AS 4100(澳 洲規範)和 NZS 3404(紐西蘭規範)提供了一個降服強度折減的關係公式，此公式為折減 斜線部分：. K y ,T = (905 − T ) / 690. (3.13). 由圖 3-6 可以看出普通鋼材降服強度的各種折減趨勢。. 抗拉強度(Fu) 抗拉強度（Fu）為鋼結構設計上的重點，乃是決定結構物是否破壞的重要設計參數。 表 3-5 與表 3-6 分別為中鋼所提供的抗拉強度的折減與新日本製鐵株式會社所所提供的 折減(見圖 3-7)。. 第三節耐火鋼材高溫下的相關機械性質. 耐火鋼之耐火機制 結構用鋼鐵材料的諸多機械性質是隨著溫度的升高而降低，其中強度的折減尤其 明顯，如圖 3-6 所示，普通結構用鋼材，大約在 400℃時，降伏強度大約下降至常溫強 度的 0.6 倍，由於現今的鋼結構容許應力設計法常以 1.67 作為許多構件設計的最小安 全係數（即Rallowable = Rn/1.67 = 0.6Rn），因此鋼結構構造一旦發生火災，鋼材所受溫度 在超過 400℃後，構件將隨時有坍塌破壞之虞，故開發出在高溫環境之下仍可保持鋼材 基本強度的耐火級鋼材，便成為一種鋼結構在防火上的重要需求。我國中鋼公司因應上 述可能的需求，自行開發了耐火級鋼材，並將耐火級鋼材的耐火溫度設定在 600℃，也 就是說在 600℃時鋼材的降服強度至少還能維持在室溫強度規格值的 0.6 倍。. 12.
(27) 第三章高溫下螺栓孔承壓能力分析. 耐火結構用鋼材在冶金原理上的耐火機制並不複雜，即在冶金的過程中添加固定 比例的鉬(Mo)、鈮(Nb)、釩(V)等元素，而在高溫下這些元素與碳元素所形成的碳化物 (carbide)，將能有效阻止或定住鋼材在高溫載重下所產生差排錯列，延遲鋼材降伏在 固定高溫下的發生，也就因此提高了鋼材在固定高溫下的降伏強度；此外，這些鉬、鈮、 釩和碳所形成的碳化物也有稍許阻止粒晶間的晶界(grain boundary)移動和旋轉的功 能，故耐火級鋼材在高溫下的抗潛變性能也較普通鋼材為佳，基於以上耐火級鋼材的高 溫特性，應用耐火級鋼材於鋼結構建築，構件在火害中強度的折減比普通鋼材緩慢，將 可達到一定的結構耐火功能。. 楊氏係數(E) 圖 3-8 為中鋼提供之 SN490C-FR 耐火鋼之楊氏係數折減。. 降服強度(Fy) 歐洲規範 Eurocode3 (1992)、BS5950:Part8 (1987)與 AS 4100 和 NZS 3404 降服 強度的折減資料並沒有針對耐火鋼與普通鋼有特別的區別。表 3-7 為中鋼公司為本研究 所提供的耐火鋼降服強度資料，中鋼所使用的鋼材為 SN490C-FR。表 3-8 為新日本製鐵 資料中耐火鋼的降服折減，新日本製鐵所使用的鋼材為 SM50A-NFR。表 3-9 為方朝俊 (2000)試驗所使用中鋼 SN490C-FR 耐火級鋼材所得各溫度的降服強度，綜合整理之後所 得之耐火鋼降服強度折減，請見圖 3-9。. 抗拉強度(Fu) 表 3-10、表 3-11 與表 3-12 分別為中鋼、新日本製鐵(1995)與方朝俊(2000)對耐 火鋼在不同溫度抗拉強度的折減，綜合資料請見圖 3-10 所示。. 第四節螺栓孔於高溫之承壓強度分析 現今所有文獻資料關於螺栓孔在高溫中的承壓強度的計算方式，是用鋼材本身強 度的折減做設計，以公式（7）Rn=1.2LctFu為例。高溫下的設計在公式上並沒有改變，只 有Fu在不同溫度下的折減為高溫設計的變數。. 13.
(28) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 表 3-1 Eurocodes 3&4 (1992) 楊氏係數(E)折減 溫度(℃) 楊氏係數折減(％) 100.00 1.00 200.00 0.90 300.00 0.80 400.00 0.70 500.00 0.60 600.00 0.31 700.00 0.13 800.00 0.09 900.00 0.06. 表 3-2 Eurocodes 3&4(1992)與BS 5950:Part 8(1987)降服強度(Fy)折減 溫度(℃) 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00. Eurocodes 3&4(％) 1.00 1.00 1.00 1.00 0.78 0.47 0.23 0.11 0.06. BS 5950: Part(％) 1.00 1.00 1.00 0.97 0.78 0.47 0.23 0.11 0.06. 表 3-3 中鋼SN490B普通鋼降服強度(Fy)折減 溫度(℃) 降伏強度折減(％) 20.00 1.00 100.00 1.00 200.00 0.92 300.00 0.78 400.00 0.72 500.00 0.63 600.00 0.42 14.
(29) 第三章高溫下螺栓孔承壓能力分析. 650.00 700.00 750.00 800.00. 0.30 0.18 0.13 0.10. 表 3-4 新日本製鐵(1995) SM50A普通鋼降服強度(Fy)折減 溫度 ℃ 降服強度折減(％) 20.000 1 100.000 0.955 200.000 0.836 300.000 0.681 400.000 0.597 500.000 0.500 600.000 0.292 700.000 0.153 800.000 0.125. 15.
(30) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 表 3-5 中鋼SN490B普通鋼抗拉強度(Fu)折減 溫度(℃) 抗拉強度折減(％) 20.00 1.00 100.00 0.95 200.00 1.01 300.00 1.04 400.00 0.94 500.00 0.67 600.00 0.38 650.00 0.27 700.00 0.18 750.00 0.13 800.00 0.12. 表 3-6 新日本製鐵(1995) SM50A普通鋼抗拉強度(Fu)折減 溫度 ℃ 20.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00. 抗拉強度折減(％) 1.00 0.94 0.93 0.99 0.88 0.60 0.34 0.18 0.14. 表 3-7 中鋼SN490C-FR耐火鋼降服強度(Fy)折減 溫度(℃) 20.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00. 降服強度折減(％) 1.00 0.95 0.95 0.87 0.83 0.74 16.
(31) 第三章高溫下螺栓孔承壓能力分析. 550.00 600.00 650.00 700.00 750.00 800.00. 0.67 0.57 0.43 0.28 0.16 0.07. 表 3-8 新日本製鐵(1995) SM50A-NFR耐火鋼降服強度(Fy)折減 溫度 ℃ 20.000 100.000 200.000 300.000 400.000 500.000 600.000 700.000 800.000. 降服強度折減(％) 1.000 0.972 0.944 0.917 0.889 0.847 0.694 0.333 0.181. 表 3-9 方朝俊(2000) SN490C-FR耐火鋼降服強度(Fy)折減 溫度 ℃ 20.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00. 降服強度折減(％) 1.00 0.92 0.89 0.80 0.75 0.60. 表 3-10 中鋼SN490C-FR耐火鋼抗拉強度(Fu)折減 溫度(℃) 抗拉強度折減(％) 20.00 1.00 100.00 0.95 200.00 1.00 300.00 1.03 17.
(32) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 400.00 500.00 550.00 600.00 650.00 700.00 750.00 800.00. 0.92 0.75 0.66 0.56 0.41 0.28 0.16 0.09. 表 3-11 新日本製鐵(1995) SM50A-NFR耐火鋼抗拉強度(Fu)折減 溫度 ℃ 抗拉強度折減(％) 20.00 1.00 100.00 0.96 200.00 0.99 300.00 1.03 400.00 0.95 500.00 0.82 600.00 0.58 700.00 0.28 800.00 0.16. 表 3-12 方朝俊(2000) SN490-FR耐火鋼抗拉強度(Fu)折減. 溫度 ℃ 抗拉強度折減(％) 20.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00. 1.00 0.96 1.03 1.01 0.85 0.57. 18.
(33) 第三章高溫下螺栓孔承壓能力分析. 圖 3-1 符號說明. 圖 3-2 普通碳鋼的高溫機械性質（林文謙(1998)）. 19.
(34) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 圖 3-3 熱滾壓(hot-rolled)碳鋼於高溫下的強度折減資料(Harmanthy, 1993). 圖 3-4 冷作(cold-worked)碳鋼於高溫下的強度折減資料(Harmanthy, 1993). 20.
(35) 第三章高溫下螺栓孔承壓能力分析. 圖 3-5 Eurocodes 3&4(1992)、BS 5950:Part 8(1987)與中鋼提供普通鋼材楊氏 係數折減 1.20. Eurocodes 3&4. AS4100 & NZS3404. SN490B. 0.80. 0.60. 0.40. 0.20. 0.00 0.00. 200.00. 400.00. 600.00. 800.00. 1000.00. 1200.00. Temperature(℃). 圖 3-6 普通鋼降服強度折減 1.20. Eurocodes 3&4 BS 5950: Part 8 AS 4100 & NZS 3404 普通鋼（中鋼資料） 普通鋼（新日本製鋼）. 1.00 Reduction factor( ％ ). Reduction factor ( ％ ). 1.00. 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. Temperature(℃). 21. 700. 800. 900. 1000.
(36) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 圖 3-7 普通鋼抗拉強度折減 1.20. Reduction factor ( ％ ). 1.00. 0.80. 0.60. 0.40. 0.20. 0.00 0.00. 100.00. 200.00. 300.00. 400.00. 500.00. 600.00. 700.00. 800.00. 900.00. Temperature(℃). 圖 3-8 耐火鋼楊氏係數折減 1.20. Eurocodes 3&4 BS 5950: Part 8 AS 4100 & NZS 3404 耐火鋼（中鋼資料） 耐火鋼（新日本製鋼） 耐火鋼（方朝俊）. Reduction factor( ％ ). 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. Temperature(℃). 22. 700. 800. 900. 1000.
(37) 第三章高溫下螺栓孔承壓能力分析. 圖 3-9 耐火鋼降服強度折減 1.20. 耐火鋼（中鋼資料） 耐火鋼（新日本製鋼） 耐火鋼（方朝俊）. Reduction factor( ％ ). 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0. 100. 200. 300. 400 500 Temperature(℃). 23. 600. 700. 800. 900.
(38) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 24.
(39) 第四章試驗規劃與步驟. 第四章試驗規劃與步驟 本章節所要介紹的是兩種鋼材試體的性質、試體的規劃與實驗中所使用的設備與 其使用的步驟。並介紹兩種鋼材在兩種不同的邊距與各種溫度下，螺栓孔承壓破壞的行 為。實驗中用來量測載重、位移與溫度的儀器在接下來的小節會被詳細的探討與介紹。 實驗步驟與實驗應注意事項以及實驗中所遇到的問題也將在本章予以討論。. 第一節試體鋼材種類 此研究所使用的鋼材為中國鋼鐵公司所提供的兩種鋼材，分別為 SN490B 鋼材與 SN490C-FR 耐火級鋼材。表 4-1 為中鋼所提供之兩種鋼材在室溫的材料性質，而這兩種 鋼材在材料實驗所使用的試片，在中鋼所提供的材料性質中 SN490B 有兩種厚度，分別 為軋鋼廠生產的 8 公釐厚與 12 公釐厚的鋼板，而 SN490C-FR 皆是軋鋼廠生產的 12 公釐 厚的鋼板。在表 4-1 中，Width 寬度與 Thickness 厚度為經過裁切後的試片實際尺寸； Ultimate Stress 為試片破壞的極限應力值；Yield Stress 為試片之降伏應力；Off Yield Stress 為應變 0.2% 以楊式係數為斜率之直線與曲腺相交的驗證強度；Modulus 為楊式 係數。由表 4-1 可以看出各試體的降伏強度與極限強度。而本研究所使用的兩種鋼材皆 是用由中鋼的軋鋼廠生產的 12 公釐厚的鋼材下去作裁切而成的試片。. SN490B 鋼材 我國 CNS 13812 G3262-03 建築結構用鋼標準中所規範的 SN 級鋼材主要是應用於 建築結構耐震上，而 SN 級鋼材依照銲接性與耐震性能的好壞又有 A、B、C 的等級之分， 以 C 等級為最佳；SN 級的鋼材較一般構造用 SS 級鋼材(CNS 2473 G3039-92)與銲接結構 用 SM 級鋼材(CNS 2947 G3057-03)在化學成分與碳當量上的要求較嚴格，表 4-2 為 SN490BC 的化學材料規格表，以 490MPa 級的鋼材為例，SN490 鋼材的硫(S)含量規定至 少在 0.015%以下，而 SS490 和 SM490 鋼材的規定卻分別只有在 0.05%和 0.035%以下即 可，又 SN490 鋼材的磷(P)含量規定至少在 0.03%以下，而 SS490 和 SM490 鋼材的規定 卻分別只有在 0.035%和 0.05%以下；此外，為了因應建築結構耐震上的需求，SN 級鋼特 別在降伏強度上下限(控制強度的變異性)、降伏比(0.8 以下)、耐衝擊韌性值(27 Joule 以上)、厚度方向斷縮率(25%以上)上有了新的要求以加強結構的韌性，「對於需要較佳 之銲接性與耐震性能之建築結構應採用 SN 之 B 或 C 級鋼材」 (陳生金, 2003)。 本研究所使用的 SN 級鋼材為中鋼公司製造的 SN490B 級鋼板材，所有關於鋼材方 面的室溫或高溫材料試驗，皆在中鋼公司之材料實驗室內完成。室溫中，由中鋼軋鋼廠 出廠 8 公釐厚的 SN490B 鋼板作裁切而成的材料試驗用試片，其降伏強度的平均值為 375.81 MPa，極限強度的平均值為 548.83 MPa，楊氏係數的平均值為 206759.15MPa。 由製鋼廠出廠 12 公釐厚的 SN490B 鋼材下去作裁切的試片，其降伏強度的平均值為 340.825 MPa，極限強度的平均值為 531.505 MPa，楊氏係數的平均值為 245444.35Mpa。 由材料實驗結果可知，較厚鋼板(12 mm)所裁切而成的試片，其降伏強度與抗拉強度均 比由較薄鋼板(8 mm)所裁切而成的試片略小。而 SN490B 鋼材在高溫下的性質是本研究 所關心的，整理中鋼實驗室所提供之 SN490B 在各溫度之材料性質為表 4-3。由表 4-3 25.
(40) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 可以看出 SN490B 鋼材在各溫度的降伏強度與極限強度的折減係數。圖 4-1 與圖 4-2 可 以看出 490B-8 與 490B-12 在各溫度的降伏強度與極限強度折減的趨勢。. SN490C-FR 耐火級鋼材 本研究所使用之耐火鋼是由中鋼公司自行研發而成的 SN490C-FR 耐火級鋼材，此 鋼材除了保有 SN490C 鋼材在耐震上的特性，還具有鋼材溫度達到 600°C 時，仍保有室 溫強度三分之二的耐火特性，在未來鋼結構耐火設計上有其應用之潛力；SN490C-FR 耐 火級鋼材之耐火機制主要是在其化學組成中加入了耐高溫的鉬、鈮、釩、鈦等元素，表 4-4 為 SN490C-FR 之化學性質，在高溫下這些元素與碳所形成的碳化物，特別是鉬與鈮 的碳化物，能鎖定住差排(dislocation)，並阻止鋼材內的差排在一定高溫下因受力而 移動，進而延遲鋼材降伏時機的發生，而這些耐高溫合金的添加，也有助於增強鋼材在 一定高溫下抗潛變的能力。 室溫中，中鋼公司軋鋼廠出廠 12 公釐厚的 SN490C-FR 鋼板裁切而成的試片，其降 伏強度的平均值為 447.77 MPa，極限強度的平均值為 562.725 MPa，楊氏係數的平均值 為 225918.95MPa。表 4-5 可以看出 SN490C-FR 鋼材在各溫度的降伏強度與極限強度的 折減係數。圖 4-3 可看出 SN490C-FR 在各溫度的降伏強度與極限強度折減的趨勢。 圖 4-4 與圖 4-5 為普通鋼與耐火鋼的比較，圖 4-4 是應力值之比較，圖 4-5 為折 減之比較。耐火鋼在高溫時的抗拉強度折減有很明顯的比普通鋼來的平緩，降服強度則 沒有這麼明顯。. 第二節試體尺寸與規劃 實驗所使用的試體是利用中鋼公司所提供 12 公釐厚的 SN490B 與 SN490C-FR 兩種 鋼板所製成。由於實驗方法有兩種，所以實驗的試體在編號上也有不同。定溫加載實驗 中 SN05-t06-T300 的編號為例，SN 乃代表 SN490B 鋼材，若將 SN 改為 FR，則代表 SN490C-FR 耐火鋼；SN05 的 05 代表邊距為 1.0 倍螺栓直徑減掉 0.5 倍螺栓孔直徑(1.0db-0.5dh)， 若 05 改為 10，則為 1.5 倍螺栓直徑減掉 0.5 倍螺栓孔直徑(1.5db-0.5dh)；t06 乃鋼材 厚度為 6 公釐；T300 乃定溫至 300℃後開始加載，若 T300 改為 RT，則為常溫(Room temperature)。定載加溫實驗中，以 SN05-t06-TR 為例，SN05-t06 與前者相同；TR 為 定載升溫(elevating temperature)。表 4-6 為實驗試體的詳細尺寸。圖 4-6 為兩種不 同邊距之鋼板詳細設計圖，試體下方之螺栓孔中所使用的插銷為 7/8 in.(22.2mm)。實 驗乃是以下螺栓孔與插銷接合產生承壓力，再以 CCD 量測插銷中心與螺栓孔頂部的相對 位移，見圖 4-10，以兩種邊距與不同溫度得到各力與位移圖形。. 第三節試驗設備 實驗所使用的設備部分為內政部建築研究所台南防火實驗室所提供。於平衡鋼架 上方向下連接油壓千斤頂、荷重計與研究設計之上部鉤具，並延伸自火爐中，於垂直方 向從平衡鋼架下方向上連接下部固定具，並延伸自火爐中。上部鉤具與下部固定具以插 銷固定焊有測溫線之試體，試體下方的螺栓孔為量測的目標，其使用的插銷為 7/8 in. 26.
(41) 第四章試驗規劃與步驟. (22.2mm)。測溫線延伸至火爐外之資料收集器，荷重計也連接至資料收集器。爐外架設 CCD 以測量位移變化，位移資料連同資料收集器之訊號一起傳入筆記型電腦中。見圖 4-7、4-8、4-9 與 4-10。. 小型多功能耐火爐 對於本實驗所用之加熱爐為瓦斯燃燒式加熱爐(見圖 4-12、4-13)，其規格如下： （1）瓦斯壓力約為 800~850mmAq。 （2）母火燃燒風壓約 800~850mmAq。 （3）大火燃燒風壓約 300~400mmAq。 （4）溫度設定依 CNS12514 標準升溫曲線設定(見圖 4-11)。 mmAq：Aq=Aqua(水柱)之簡稱，mmAq 又稱 mmH2O，1mmAq=1Kg/m^2。. 1 mmAq (靜壓單位)= 9.80665 Pa (帕) = 0.0980665 hPa (百帕) 1 atm = 760 mm-Hg ≒ 1013 hPa ，所以 1 mmAq ≒ 0.0735793 mm-Hg(毫米 汞柱高)。. 加載設備 100 公噸油壓千斤頂. 連接自平衡鋼架與荷重計，由油壓設備供應油的進出以控制千斤頂衝程的長短， 拉力、壓力實驗皆可應用，其拉力或壓力加載能力各為 100 公噸(見圖 4-14)。 油壓設備. 實驗所使用之油壓設備藉由控制壓端或拉端的調壓閥，來達到壓力試驗或拉伸試 驗。此油壓設備全由手動控制，所以加載的速率須由操作者精密控制(見圖 4-15)。 自平衡鋼架. 由Ｈ型鋼所組成的自平衡反力框架，在梁、柱部分有密集的加勁板，以防止腹板 或翼板挫屈。此自平衡鋼架支上梁與油壓千斤頂相連接，油壓千斤頂再連接上部 U 型鉤 具(clevis)，上部 U 型鉤具由加熱爐頂部伸入爐中，透過剪力插銷與試體上部圓孔連結， 試體下部圓孔再與下部固定具(fixture)剪力插銷相連結，下部固定具穿出加熱爐的下 方，並與自平衡鋼架下部的橫梁相連接(見圖 4-16)。. 27.
(42) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 荷重計(load cell). 本實驗所使用的荷重計為內政部建研所歸仁防火實驗室所提供 TML 之 100 噸荷重 計，用來量測力的大小(見圖 4-17)，荷重計在做實驗之前已經由 SGS 公司校正。 耐高溫 U 型鉤具與固定具. 本實驗所使用上部耐高溫 U 型鉤具(clevis)與下部耐高溫固定具(fixture) (見圖 4-18)皆使用在高溫中強度折減較小，並能耐高溫至 1093℃的 310S 不鏽鋼材料(見表 4-7) 製成，其材料的化學組成請見表 4-8，耐高溫上部 U 型鉤具與下部固定具的設計溫度為 900℃，即在 900℃仍能順利進行鋼板的高溫承壓實驗。下部固定具所用來固定試體的插 銷之直徑為 7/8 in.(22.2mm)。. 非接觸式位移量測系統 由於高溫結構實驗以接觸式的方法來量測位移上有其困難性，且耐高溫用的線性 位移計(LVDT)過於昂貴，因此，本實驗室自行開發了非接觸式的位移量測系統，透過高 溫爐的觀景窗，由爐外量測高溫螺栓孔承壓實驗中插銷中心與螺栓孔頂邊緣的相對位 移，由於實驗時鋼板變形的影像皆由 CCD 攝影機以影像檔的方式即時且連續儲存於電腦 中，在實驗後，吾人仍可對有興趣的點位分析其位移。此非接觸式位移量測系統主要是 由 CCD 攝影機、筆記型電腦、資料收集器所組成（陳諺輝,2006） ：Unibrain Fire-I 810b 型 CCD 攝影機，用來擷取影像(見圖 4-19)；ASUS A3500G 筆記型電腦，用來儲存影像與 辨識影像以及儲存實驗結果；NI SC-2345 資料收集器，安裝了四組模組收集溫度、一 組模組收集施力值(見圖 4-18)，整個系統的架設完成圖請見圖 4-20。. 熱電耦式溫度計 本實驗使用的熱電耦式(thermal couple)溫度計為 K-type 型，可耐高溫至 1260 ℃，由於 K-Type 型的熱電耦溫度計是唯一能使用於 900℃至 1260℃的標準基本金屬熱 電耦計，因此在工業上常被廣泛的使用，其正電耦元素為 90% Ni-9% Cr，負電耦元素為 94% Ni 和矽、錳、鋁、鐵、鈷的合金。試體量測溫度分佈見圖 4-21。. 第四節試驗步驟 本實驗為鋼板試體下方螺栓孔與固定具上插銷接合以兩種邊距與不同溫度下之單 剪拉力試驗，油壓設備控制上部鉤具上升拉動鋼板試體，使的鋼板試體下方螺栓孔中的 插銷與螺栓孔接觸產生承壓力，造成鋼板產生承壓破壞。而位移為插銷中心與螺栓孔頂 邊緣的相對位移，並利用 CCD 量測系統量測。施力方向見圖 4-9。. 28.
(43) 第四章試驗規劃與步驟. 定溫加載試驗 定載加溫實驗共選擇了 4 種溫度，分別為 20℃、300℃、500℃、700℃。實驗中先 將試體溫度升至指定溫度在開始施力，當試體升至指定溫度時，火爐內的環境溫度大約 大於試體溫度 200℃，在關掉部分燃燒機使火爐內環境溫度降至指定溫度。定溫加載實 驗流程圖見圖 4-22。. 定載加溫試驗 定載加溫實驗所施加的力量為使用公式(3.7) Rn=1.2LctFu，輸入該試體的淨邊距 與厚度代入公式所得到的值，再乘與 0.5 倍當作施力。等施力加至指定強度時，開啟火 爐爐火加溫至試體毀壞，並紀錄讓試體破壞時的溫度。爐火升溫依照 CNS12514 標準升 溫曲線，見圖 4-11。定載加溫實驗流程見圖 4-23。. 29.
(44) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 表 4-1 中鋼提供之鋼材材料性質 試片編號 : Width Thickness Ultimate Stress Yield Stress Off Yield Stress Modulus NO.. (mm). (mm). (MPa). (MPa). (MPa). (MPa). SN490C-FR 5.978. 5.498. 561.05. 447.77. 447.86. 212816.5. SN490B(8mm) 5.973. 4.525. 549.65. 377.18. 375.03. 206085.1. SN490B(12mm) 5.977. 5.552. 531.59. 338.65. 342.93. 254915.9. 表 4-2 SN490BC 之化學材料規格表 化學成分(％). 機械性質. 厚度範圍 種類符號. 碳 C 矽 Si. 錳 磷P 硫S Mn. mm. 碳當 量 降服強度 抗拉強 降服比 Ceq Mpa 度 Mpa ％. 6以上未滿12 12以上未滿16 16.000 SN490B. 325.000. 試片. ％. 12以上未滿16 0.18 以下 0.55 1.60 0.02 0.008 以下 以下 以下 以下. 超過16,40以 下 超過40,50以 下 超過50,100以 0.22 下 以下. 0.44 以下. 厚度方向 三個試 單一試 片之平 驗值 均. 試驗溫度 衝擊值 試片 ℃. J. -. -. -. 0.46 295~415 以下. 6以上未滿12. SN490C. 伸長率. 80以下 1A號 17以上 0.44 325~445 0.18 以下 325~445 80以下 以下 0.55 1.60 0.03 0.015 490~610 1A號 以下 以下 以下 以下 325~445 80以下 23以上 或4號. 超過16,40以 下 超過40,50以 下 超過50,100以 0.20 下 以下. 16.000. 彎曲試驗. 拉伸試驗. -. -. 四號 軋延 方向. 80以下 4號 23以上. -. -. -. -. 325~445. 1A號 17以上. 80以下 490~610. 325~445. 80以下. 0.46 295~415 以下. 1A號 23以上 或4號. 80以下 4號 23以上. 30. 25以上 15以上. 0. 四號 27以上 軋延 方向.
(45) 第四章試驗規劃與步驟. 表 4-3 SN490B 鋼板在各溫度的折減(原 8mm 與 12mm 鋼板材) SN490B (8mm). SN490B (12mm). 溫度(℃) 極限強度折減 降伏強度折減 極限強度折減 降伏強度折減 (％). (％). (％). (％). 25. 1. 1. 1. 1. 400. 0.922. 0.673. 0.954. 0.679. 450. 0.810. 0.643. 0.830. 0.676. 500. 0.654. 0.609. 0.679. 0.619. 550. 0.493. 0.496. 0.507. 0.534. 575. 0.415. 0.433. 0.427. 0.453. 600. 0.354. 0.378. 0.362. 0.401. 表 4-4 SN490C-FR 之材料化學性質. 化學成分(％). SN490C-FR. C. Si. Mn. Mo. Nb. V. Ti. 0.080. 0.230. 0.900. 0.330. 0.024. 0.036. 0.015. 31.
(46) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 表 4-5 SN490C-FR 鋼材在各溫度的折減係數 (原 12mm 鋼板材) SN490C-FR 極限強度折減. 降伏強度折減. (％). (％). 20. 1.000. 1.000. 100. 0.945. 0.950. 200. 0.996. 0.949. 300. 1.031. 0.874. 400. 0.921. 0.828. 500. 0.752. 0.740. 550. 0.665. 0.666. 600. 0.558. 0.572. 溫度(℃). 表 4-6 實驗試體尺寸. 試體編號 SN05-t06-T020. 溫度. 厚度 邊距(Lc) 螺栓孔直徑. (℃). (mm). (mm). (mm). 孔中心到邊緣 (Le). 20.000 6.540 10.390. 24.000. 22.390. SN05-t06-T300 302.773 6.450 10.080. 23.950. 22.055. SN05-t06-T500 509.000 6.450 10.580. 23.850. 22.505. SN05-t06-T700 703.594 6.270 10.500. 24.400. 22.700. SN10-t06-T020. 30.000 6.450 21.310. 23.850. 33.235. SN10-t06-T300 328.177 6.390 21.920. 24.000. 33.920. SN10-t06-T500 507.129 6.340 22.670. 24.000. 34.670. SN10-t06-T700 727.136 6.330 21.900. 23.870. 33.835. FR05-t06-T020. 24.000. 22.430. 20.000 6.380 10.430 32.
(47) 第四章試驗規劃與步驟. FR05-t06-T300 300.307 6.230 10.050. 24.200. 22.150. FR05-t06-T500 494.221 6.580 10.080. 24.000. 22.080. FR05-t06-T700 706.499 6.330 10.330. 24.400. 22.530. FR10-t06-T020. 20.000 6.450 21.480. 24.000. 33.480. FR10-t06-T300 305.258 6.350 21.250. 23.970. 33.235. FR10-t06-T500 536.621 6.360 21.200. 24.000. 33.200. FR10-t06-T700 716.171 6.300 21.950. 23.970. 33.935. 33.
(48) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 表 4-7 310S 不鏽鋼高溫強度折減表 (Allegheny Ludlum (2002)). 表 4-8 310S 化學組成表 (Allegheny Ludlum (2002)). 成份. C. Mn. P. S. Si. Cr. Ni. Fe. %. 0.08. 2.0. 0.045. 0.03. 1.5. 24-26. 19-22. Balance. 34.
(49) 第四章試驗規劃與步驟. 圖 4-1 SN490B 試片在各溫度的折減(原 8mm 鋼板) 600. 極限強度 降服強度. 500. Stess(M pa). 400 300 200 100 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. Temperature(℃). 圖 4-2 SN490B 試片在各溫度的折減(原 12mm 鋼板) 600 極限強度 降服強度. 500. Fu (MPa). 400. 300. 200. 100. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. Temperature(℃). 35. 600. 700. 800. 900.
(50) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 圖 4-3 SN490C-FR 在各溫度的折減 700 極限強度 降服強度. 600. Fu (MPa). 500 400 300 200 100 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900. Temperature(℃). 圖 4-4 普通鋼與耐火鋼強度比較 700. SN490C-FR極限強度 SN490B極限強度 SN490C-FR降服強度 SN490B降服強度. 600. Fu (MPa). 500 400 300 200 100 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. Temperature(℃). 36. 600. 700. 800. 900.
(51) 第四章試驗規劃與步驟. 圖 4-5 普通鋼與耐火鋼正規折減比較 1.2 SN490C-FR Fu折減 SN490C-FR Fy折減. Reduction factor (％). 1. SN490B Fu折減 SN490B Fy折減. 0.8. 0.6. 0.4. 0.2. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. Temperature(℃). 圖 4-6 兩種不同邊距之鋼板設計圖. 37. 700. 800. 900.
(52) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 圖 4-7 實驗設備組合前視圖. 圖 4-8 實驗設備組合側視圖. 38.
(53) 第四章試驗規劃與步驟. 圖 4-9 上下部夾具固定試體. 圖 4-10 焊接於試體上之測溫線 螺栓孔頂部. 插銷中心. 39.
(54) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 圖 4-11 CNS12514 標準升溫曲線. 1200. 溫度 (℃ ). 1000 800 600 400 200 0 0. 50. 100. 150. 200. 時間（分）. 圖 4-12 小型多功能耐火爐. 40. 250. 300. 350.
(55) 第四章試驗規劃與步驟. 圖 4-13 小型多功能耐火爐. 圖 4-14 油壓千斤頂. 41.
(56) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 圖 4-15 油壓設備. 圖 4-16 自平衡鋼架. 42.
(57) 第四章試驗規劃與步驟. 圖 4-17 上部 U 型夾具與下部固定具. 圖 4-18 Unibrain Fire-I 810b 型 CCD 相機. 43.
(58) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 圖 4-19 NI SC-2345 資料收集器. 圖 4-20 整體系統. 44.
(59) 第四章試驗規劃與步驟. 圖 4-21 測溫線分佈. 45.
(60) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 圖 4-22 定溫加載實驗流程圖. 46.
(61) 第四章試驗規劃與步驟. 圖 4-23 定載加溫實驗流程圖. 47.
(62) 耐火鋼螺栓接頭火害性能研究. 48.
(63) 第五章試驗結果與比較. 第五章試驗結果與比較 第一節鋼材高溫單軸拉伸試驗結果 本實驗鋼板試體所使用的材料為中鋼公司所提供之 SN490B 與 SN490C-FR 鋼材，同 時，中鋼公司也為這批出廠的兩種鋼板提供了在各溫度下單軸拉伸試驗的應力與應變資 料。經整理之後在以下小節討論。. SN490B 鋼材 中鋼公司所提供的 SN490B 鋼材在各溫度下單軸拉伸試驗的應力應變曲線圖請見圖 5-1。由圖中可以看出 SN490B 在超過 400℃後強度的折減幅度變大。在 200℃至 400℃附 近，因為藍脆現象，鋼材變得較脆，伸長率比室溫時為小，但降伏強度與抗拉強度並未 因藍脆現象而有所昇高，原因可能與所提供試體的製程有關，參照圖 3-2b 熱滾壓鋼材 強度折減的統計數據，仍屬正常。在溫度超過 600℃，強度只剩下不到室溫強度的 1/3， 愈高溫，降服強度與破壞強度的差距也愈來愈小，但伸長量愈來愈大，鋼材潛變(creep) 的效應越來越明顯，在達到降服點之後馬上就到達破壞點。在結構設計上，這樣的現象 是非常危險的。. SN490C-FR 耐火鋼材 中鋼公司所提供的 SN490C-FR 耐火級鋼材在各溫度下單軸拉伸試驗的應力應變曲 線圖請見圖 5-2。吾人可以看出，鋼材強度在溫度 100℃時較室溫強度略低，但在溫度 300℃附近時，因為藍脆現象，鋼材強度較室溫強度略高，且伸長量變短，溫度再升高， 過了 300℃後，鋼材強度開始下降，伸長量變長，這種強度先略降(0-100℃)後略升 (100-300℃)再下降的特性與圖 3-2a 展示的碳鋼高溫性質趨勢相同；SN490C-FR 耐火級 鋼材在溫度高於 300℃但未達 800℃的高溫範圍，其強度折減的趨勢與量值，明顯與 SN490B 鋼材不同，由於耐火鋼內鉬、鈮、釩、鈦等耐高溫合金的作用，使得耐火鋼在高 溫下強度折減的趨勢變緩且強度折減的量值也變少，當溫度升高至耐火鋼的設計溫度 600℃時，鋼材高溫強度仍約能保有其室溫強度的 0.6 倍，就材料單軸拉伸試驗的結果 來看，SN490C-FR 耐火鋼確實能達到材料強度耐火的特性。圖 5-3 為中鋼實驗室提供 SN490B 與 SN490C-FR 的抗拉強度比較，圖 5-4 為中鋼實驗室提供 SN490B 與 SN490C-FR 的抗拉強度正規折減比較。. 49.
數據
+7
Outline
相關文件
It is always not easy to control the process of construction due to the complex problems and high-elevation operation environment in the Steel Structure Construction (SSC)
The CNS (Chinese National Standards) standards for the steel frame scaffolds have not been updated for over thirty years and most regulations in them are outdated As a result,
Che Way Chang a* , Chen Hua Lin a , Hung Sheng Lien a , “Measurement Radius of Reinforcing Steel Bar in Concrete Using Digital Image GPR”, Construction and
This study discussed the pipelines of different materials, such as PVC pipes and steel pipes, with different water contents in different depths of standard sand (Ottawa sand), and
一、 I 型鋼樑橋 (I-Shape Steel Girder Bridges) 二、 箱型鋼梁橋 (Box Girder Steel Bridgers) 三、 桁架鋼橋 (Steel Truss Bridgers).. 四、 鋼拱橋 (Steel
Keywords： ： ： ：Rolling Door, Insulation, TRIZ, Goldfire Innovator.. In the present, most of the rolling door products in the market are made of steel or
Baker,E.A.,Moner,K.L.and Sanborn,C.B."Marine Corrosion Behavior of Bare and Metallic Coated steel Reinforcing Rods in Concrete," Chloride Corrosion of steel in Concrete
This study used ETABS and DRAWRC to design a concrete-steel building containing fluid viscous damper, and conducted nonlinear time-history analysis to obtain
