鋼結構梁柱接頭高溫載重行為研究(篇一 : 鋼結構梁柱接頭火害試驗研究)
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(2) 094-301070000-G3036. 鋼結構梁柱接頭高溫載重行為研究. 計 劃 主 持 人：何明錦副所長 共 同 主 持 人：陳生金、邱耀正 研. 究. 員：楊國珍、王天志、李 其 忠. 研 究 人 員： 簡丞宏、張倫銘、連寬宏、毛昶人. 內政部建築研究所研究報告 中華民國九十四年十二月.
(3) ARCHITECTURE AND BUILDING RESEARCH INSTITURE MINISTRY OF INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. Study on Structural Behavior of Steel Beam-Column Moment Connections under fire load. BY HO MING CHIN CHEN CHIEN JUNG CHIOU YAW JENG. Decemeber 29 2005.
(4) 目次. 篇一 : 鋼結構梁柱接頭火害試驗研究 目. 次. 表次 .......................................................................... II 圖次 ........................................................................ III 前言 .........................................................................IV 摘要 .......................................................................... V 第一章 緒論 ............................................................. 3 第一節 研究動機........................................................................................3 第二節 文獻回顧........................................................................................6 第三節 研究目的與內容............................................................................7. 第二章 梁柱接頭高溫載重試驗 ............................. 9 第一節 試體規劃........................................................................................9 第二節 試體製作......................................................................................10 第三節 試驗規劃......................................................................................13 第四節 梁柱接頭高溫試驗......................................................................19. 第三章 試驗結果與討論 ....................................... 25 參 考 文 獻............................................................... 27. I.
(5) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 表次 表 2.1 定溫加載初步預估之結果……...…………………………………..18. II.
(6) 圖次. 圖次 圖 1.1 傳統結構用鋼 ASTM 36 及 A572 GR. 50 降伏強度折減係數例....4 圖 1.2 傳統結構用鋼 ASTM 36 及 A572 GR. 50 彈性係數強度折減係數例 (依中鋼公司提供資料整理) ...................................................................5 圖 1.3 標準升溫曲線 [2]................................................................................5 圖 2.1 梁柱接頭試體......................................................................................9 圖 2.2 試體製作例一(中鋼結構公司提供) .................................................10 圖 2.3 試體製作例二(中鋼結構公司提供) .................................................11 圖 2.4 試體製作例三(中鋼結構公司提供) .................................................11 圖 2.5 試體製作例四(中鋼結構公司提供) .................................................12 圖 2.6 完成後之六組試體............................................................................12 圖 27 計畫流程圖 ........................................................................................14 圖 2.8 熱偶線架設位置示意圖 ...................................................................15 圖 2.9 位移計架設位置示意圖 ...................................................................16 圖 2.10 定溫加載初步預估之結果 .............................................................17 圖 2.11 定載加溫之預估結果 .....................................................................18 圖 2.12 梁柱交會區試體溫度（上緣） .....................................................19 圖 2.13 梁柱交會區試體溫度（下緣）......................................................20 圖 2.14 柱加載歷時圖..................................................................................20 圖 2.15 柱受力變形圖..................................................................................21 圖 2.16 梁加載歷時圖..................................................................................22 圖 2.17 梁受力變形圖..................................................................................23. III.
(7) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 前言 長久以來高樓建築的防火問題一直為人們關注的焦點，2001 年美 國紐約世貿雙子星大樓在 911 事件中因火燒後致鋼材軟化及梁柱剪力 接合處破壞而倒塌，更突顯出採用鋼結構建築防火安全之重要，而為確 保鋼結構建築物火害下之結構耐火安全，向來為本所致力發展之目標。 本所除積極興建可進行實尺寸梁柱接頭試驗之高溫複合爐外，亦積極推 廣國際合作，如參與 CIB W14 國際合作案。惟鑒於國內鋼結構高樓建 築與國外之設計與施工有顯著的不同且建立適合國內鋼結構耐火設計 之相關規範為本所之首要重點，因此，本(94)年度遂由本所何副所長邀 請台科大營建系陳生金教授及成大土木系邱耀正教授組成研究團隊，針 對國內常採用之鋼結構抗彎矩梁柱接頭進行高溫結構行為之研究。 研究團隊分為由陳生金教授負責之 Part I「鋼結構梁柱接頭高溫結 構載重試驗」，研究成員包含陳生金教授、楊國珍及簡丞宏，負責梁柱 高溫結構試驗之試體規劃、設計，試驗設計、安裝，並協調中鋼結構公 司提供六組梁柱接頭試體；由邱耀正教授負責之 Part II「鋼結構梁柱接 頭高溫結構載重分析」，研究成員包含邱耀正教授、連寬宏、毛昶人； 本所則由王天志博士為專案助理，負責研究團隊與所裡之聯繫，李其忠 研究員負責高溫複合爐之操作。 本研究為鋼結構梁柱接頭在高溫下結構行為之初步研究，並為國內 首次進行鋼結構梁柱接頭高溫結構試驗，主要目的在了解火害中鋼結構 抗彎矩構架高溫行為、破壞模式，以確認高溫下影響梁柱接頭結構行為 之重要影響參數，以利規劃後續之鋼結構梁柱接頭高溫結構試驗，並作 為建立國內鋼結構耐火安全設計與評估之基礎。而由於本研究共分為兩 大主軸，即鋼結構梁柱接頭火害試驗研究，及鋼結構梁柱接頭火害分析 研究，因此本報告亦以此兩部份為報告重點，並分為篇一鋼結構梁柱接 頭火害試驗研究，及篇二鋼結構梁柱接頭火害分析研究。. IV.
(8) 摘要. 摘要 關鍵詞：耐火設計，火害試驗，鋼結構梁柱接頭，定溫加載，定載升溫 一、研究緣起： 長久以來高樓建築的防火問題一直為人們關注的焦點，2001 年美 國紐約世貿雙子星大樓在 911 事件中因火燒後致鋼材軟化及梁柱剪力 接合處破壞而倒塌，更突顯出採用鋼結構建築防火安全之重要 國內因位處地震帶，故鋼結構高樓建築之梁柱接頭多採用抗彎矩構 架型式，然其火害中結構行為及其破壞模式與影響其行為之參數則仍待 進行深入研究後方可得知，亦才能針對國內之鋼結構高樓建築提出具體 有效之防火對策。 二、研究方法及過程： 本計畫規劃六組實尺寸梁柱接頭高溫結構試驗，針對攸關高樓建築 中結構安全重要性甚鉅之梁柱接頭進行高溫下結構行為試驗，研究內容 主要為進行實尺寸鋼結構抗彎矩構架梁柱接頭火害試驗，試驗方法分別 為定溫加載及定載加溫，其目的在於了解火害中鋼結構抗彎矩構架高溫 行為、破壞模式，以確認高溫下影響梁柱接頭結構行為之重要影響參 數，以利規劃後續之鋼結構梁柱接頭高溫結構試驗，並作為建立國內鋼 結構構架耐火安全設計與評估之基礎。 三、重要發現： 目前試驗之準備工作皆已完成，惟因加載設備尚未能正常運轉，將 待其完成測試後進行結構破壞試驗工作。 四、主要建議事項： 立即可行建議：完成加載系統測試，以進行試驗工作。 主辦機關：內政部建築研究所防火中心。. V.
(9) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 協辦機關：相關研究單位。 長期性建議：規劃各種不同形式之樑柱接頭高溫火害試驗研究。 主辦機關：內政部建築研究所防火中心。 協辦機關：相關研究單位。 ABSTRACT. Fire safety is one of the main concerns in the construction of high-rise steel buildings, This is due to the degradation of the strength of steel in the fire event. In this study, six full-scale beam-to-column connections, simulated the typical 10 stories buildings in Taiwan, were loaded at elevated temperature. Both the steady state method and the transient state method were used in this study. The purpose of this study is to investigate the structural behavior of beam-to-column connections in the fire event. This is to identify the main parameters and to establish the basic information for the fire design of steel high-rise buildings. Key words: Fire design, steady state method, transient state method, beam-to column moment connections.. VI.
(10) 篇一 : 鋼結構梁柱接頭火害試驗研究. 篇一 : 鋼結構梁柱接頭火害試驗研究. 計 畫 主 持 人：何明錦副所長 共 同 主 持 人：陳生金教授 研. 究. 員：楊國珍、簡 丞 宏. 研 究 人 員： 王 天 志 、李 其 忠. 1.
(11) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 2.
(12) 緒論. 第一章 緒論 第一節 研究動機 鋼結構因自重輕、韌性佳、屬於綠建築材料，在環保意識提昇之今 日已廣為國內、外高樓建築所採用。然因鋼材在高溫下其強度及勁度均 大幅下降，如圖 1.1~1.2 所示，傳統結構用鋼之降伏強度(Fy)、彈性係 數(E)值等基本機械性質均隨著溫度上升而下降，在溫度高於 400oC 後，鋼材之降伏強度及彈性係數開始大幅衰減，700oC 時強度僅為常溫 時之二成，而依目前國內外常採用之標準升溫曲線可知火場溫度在 50 分鐘內即可高達 900oC(圖 1.3)[1]，足見未經適當設計之鋼材其防火安 全堪慮。 現行「建築技術規則」[2]對於建築物有防火時效之規定，如要求建 築物各部份之耐火時效，對於使用鋼結構之高層建築而言，其梁柱桿件 在最上四層樓中須有 1 小時的防火時效；由頂層算起 5~14 層樓中須有 2 小時的防火時效；由頂層算起 15 層樓以下須有 3 小時的防火時效， 以確保人民生命財產的安全，而目前工程上多採用防火被覆以阻絕鋼結 構構件溫度之上升，以彌補傳統鋼結構耐火性能不足。. 鋼材高溫中之強度及勁度固然為影響結構系統火害行為之重要因 素，然由過去國內、外鋼結構高樓建築火害破壞之經驗可知目前各國鋼 結構耐火設計之相關規範均有高估鋼結構構架火害中強度之趨勢，其原 因在於目前對鋼結構整體構架及其單一構件火害中結構行為之瞭解不 臻完善。雖然 911 事件中紐約世貿雙子星大樓在火燒後一至兩小時後因 鋼材軟化而倒塌，但其結構系統之梁柱剪力接合型式，則為造成結構整 體倒塌，傷亡嚴重之主因之一。而台灣位於地震帶，因此國內高樓建築 之梁柱接頭多採用抗彎矩構架型式，然其火害中結構行為及其破壞模 式，與影響其行為之參數則仍待進行深入研究後方可得知，亦才能針對 國內之鋼結構高樓建築提出具體有效之防火對策。. 3.
(13) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 1.1 傳統結構用鋼 ASTM 36 及 A572 Gr. 50 降伏強度折減係數例. 降伏強度折減係數 (Fy,T/Fy,RT). 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 A36 Gr. 50. 0.2 0.0 0. 200. 400. 600 o. T( C) (依中鋼公司提供資料整理). 4. 800. 1000.
(14) 緒論. 圖 1.2 傳統結構用鋼 ASTM 36 及 A572 Gr. 50 彈性係數強度折減係數例. 彈性係數折減係數(ET/ERT). 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4. A36 Gr. 50. 0.2 0.0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. o. T( C). (依中鋼公司提供資料整理). 圖 1.3 標準升溫曲線 [2] 1200 1000 800 0. C 600 400 200 0 0. 20. 40. 60 minutes. 80. 100. 120. 5.
(15) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 第二節 文獻回顧 由於火害實尺寸試驗所耗費之人力及財力不貲，受限於經費及試驗 設備，目前國內、外對於火害中鋼結構構架行為之相關研究多著重於理 論預估及分析模式之建立，如 Ali and O’Connor 針對端點束制型式對 鋼柱行為之影響進行探討[3]，Poh and Bennetts 提出預估鋼柱在火場 中極限溫度的分析模型 [4、5]，Bailey 等人對梁在火害中的整體挫屈 行為進行研究[6]，Davison 等人針對剪力接合的螺栓行為進行研究[7、 8]，直到 1996 年英國進行八層樓實體鋼構架的火災試驗研究後，有關 鋼結構整體構架在火場中結構行為之相關資料才逐漸建立，相關研究亦 相對有大幅的進展[9~12]。 然不論目前整體構架之火害試驗或單一構件之火害試驗研究，其研 究主軸均在防火安全，亦即構件在不同加載情形下之極限溫度，或整體 構架及其組成構件之耐火時效，對於鋼結構梁、柱構件及梁柱接頭處火 害中結構行為之研究如單一構件或整體構架在火場中之極限強度、火場 溫度及結構型式對結構破壞模式之影響等相互關係之探討仍有不足。由 於火災中整體構架之安全除火場溫度與火燒延時外，結構構件及結構整 體於高溫中之極限強度及其破壞模式則為影響火害中鋼結構高樓建築 安全之另一重要因素。此外，國外雖有梁柱接頭火害中行為之研究，然 其接合型式以採用端板(end plate)之螺栓剪力接合為主[7、8，13、14]， 與國內因考量地震力作用而採用的彎矩接合型式有顯著的不同，加上國 內之設計慣例及施工環境均與國外不同，國外之研究成果並無法直接應 用於國內。. 6.
(16) 緒論. 第三節 研究目的與內容 由於火害中影響鋼結構構件行為之因素多且複雜，除溫度效應對鋼 材強度對勁度之影響外，鋼構件在高溫下之潛變效應、構件端點束制效 應等，難以單純之分析模式正確模擬之，為彌補此一不足，增進對鋼結 構構件火害中結構行為之了解，進行高溫下鋼結構構件結構破壞試驗乃 為刻不容緩之事。本計畫主要針對國內鋼結構建築常採用之抗彎矩梁柱 接合火害下結構行為進行高溫破壞試驗，計畫中將對鋼結構抗彎矩梁柱 接頭進行定溫加載及定載升溫之結構破壞試驗。經由梁柱接頭火害中之 破壞模式，初步探討火害下影響梁柱接頭破壞之重要參數。藉由本計畫 之初步研究成果除達到瞭解火害中鋼結構梁柱接頭結構行為之目的 外，亦有助於研判各影響參數之重要性，以利於後續深入探討各參數影 響之量化數據，作為建立鋼結構建築耐火設計及安全評估之依據。. 7.
(17) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 8.
(18) 梁柱接頭高溫載重試驗. 第二章 梁柱接頭高溫載重試驗 第一節 試體規劃 本計畫主要針對國內鋼結構建築常採用之抗彎矩梁柱接合火害下 結構行為進行高溫破壞試驗，試體尺寸依現行極限設法規範進行設計 [15]，模擬十層樓高之抗彎矩構架外部梁柱接頭，梁斷面為長 3.1 M 之 H600x300x12x25 銲 接 組 合 型 鋼 ， 柱 斷 面 為 高 4.35 M 之 H600x600x25x36 銲接組合型鋼。鋼材材質為 ASTM A572 Gr. 50，除 梁柱接頭為現場銲接外，梁柱之銲接組合型鋼為工廠銲接。試體尺寸如 圖 2.1。 圖 2.1 梁柱接頭試體. 梁柱接頭設計圖. N.T.S.. 9.
(19) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 第二節 試體製作 梁 柱 試 體 委 由 中 鋼 結 構 公 司 負 責 進 行 製 作 ， 長 3.1 M 之 H600x300x12x25 梁及高 4.35 M 之 H600x600x25x36 柱，採用潛弧銲 進行銲接組合。梁柱接頭則為現場銲接。試體製作如照片 2.1~2.4。. 圖 2.2 試體製作例一. (中鋼結構公司提供). 10.
(20) 梁柱接頭高溫載重試驗. 圖 2.3 試體製作例二. (中鋼結構公司提供) 圖 2.4 試體製作例三. (中鋼結構公司提供). 11.
(21) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 2.5 試體製作例四. (中鋼結構公司提供) 圖 2.6 完成後之六組試體. 12.
(22) 梁柱接頭高溫載重試驗. 第三節 試驗規劃 梁柱接頭火害試驗規劃採用定溫加載及定載加溫兩種方式分別進 行，以探討溫度對梁柱接頭強度與勁度之影響及其他重要影響參數。其 中，定溫加載之試驗方式擬採用 350℃、及 550℃之溫度，針對裸鋼梁 柱接頭試體進行加載試驗；一組 800℃定溫下具有防火被覆之火害試 驗。定載加溫之試驗則將具有防火被覆之試體先行加載後，再依據標準 升溫曲線升溫。定溫加載試驗之目的在探討固定溫度下裸鋼及含防火被 覆之梁柱接頭試體之極限強度；定載加溫試驗之目的則在模擬實際結構 在長期載重作用下具有防火被覆之梁柱接頭試體所能承受之極限溫度 及防火時效。定載加溫之試驗則將具有防火被覆之試體先行加載，再依 據標準升溫曲線進行加熱。本計畫研究步驟參見圖 2.7 之流程圖。 定溫加載之步驟如下： 1. 試體定位。 2. 架設安全側撐。 3. 安裝熱電耦等量測設備（如圖 2.8 所示）。 4. 試體加熱至試驗溫度，並確認高溫爐與試體溫度達穩定狀態。 5. 柱開始加載到預定載重。 6. 梁加載至破壞載重。. 定載加溫之步驟如下： 1. 試體定位。 2. 架設安全側撐。 3. 安裝熱電耦等量測設備。 4. 試體加載至預定載重。 5. 依標準升溫曲線升溫。. 13.
(23) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 6. 升溫至試體強度下降並讀取極限溫度。. 圖 27 計畫流程圖. 計畫開始. 試體規劃設計. 試體製作. 定溫加載試驗. 定載加溫試驗. 破壞模式分析. 計畫結束. 14.
(24) 梁柱接頭高溫載重試驗. 圖 2.8 熱偶線架設位置示意圖. ○ 表示熱偶線位置。. 15.
(25) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 2.9 位移計架設位置示意圖. 表示 LVDT. 在進行試驗之前先初步預估試驗結果，以供試驗時參考。初步預估 亦分為定溫加載與定載加溫兩種方法。定溫加載初步預估之結果如圖 4-1 及表 4-1 所示；定載加溫之預估極限溫度約為 560℃。 定溫加載之預估步驟如下： 1. 建立試體模型。 2. 輸入預定溫度下之應力應變曲線。 3. 柱加載到預定載重。 4. 給定梁之變形量並進行分析。. 16.
(26) 梁柱接頭高溫載重試驗. 5. 若梁之受力變形圖未達最大值，則重複步驟 4 增加梁之變形量 直到梁之受力變形圖到達最大值為止。. 定載加溫之預估步驟如下： 1. 建立試體模型。 2. 輸入常溫下之應力應變曲線。 3. 柱、梁加載到預定載重。 4. 輸入高溫中之應力應變曲線。 5. 給定梁柱試體溫度並進行分析。. 圖 2.10 定溫加載初步預估之結果 P(t) 100. 80. 2-RT 2-350. 60. 2-400 2-450. 40. 2-500 2-550. 20. 2-600. 0 0. 200. 400. 600 Dis(mm). 17.
(27) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 表 2.1 定溫加載初步預估之結果. 溫度. 20℃. 350℃. 400℃. 450℃. 500℃. 550℃. 600℃. P(ton) P,T/P,RT. 91 1.00. 88 0.97. 82 0.90. 75 0.82. 61 0.67. 50 0.55. 38 0.42. 圖 2.11 定載加溫之預估結果 溫度 0 0. 100. 200. 300. 400. -5. -10 梁端變形. -15. -20 Dis(cm). 18. 500. 600.
(28) 梁柱接頭高溫載重試驗. 第四節 梁柱接頭高溫試驗 第一組試體採定溫加載試驗，試驗溫度為 350℃。試體溫度自試溫 開始升高至預定溫度之 350℃，其中，梁柱接頭區溫度在加熱約 110 分 鐘左右後達到 350℃，如圖 2.12、2.13 所示，此時梁柱接頭區溫度最 高溫度為 359℃；最低溫度則為 349℃，平均誤差小於 5%。溫度趨於 穩定後柱開始加載，柱的載重為 300 ton。柱加載之歷時如圖 2.14 所示， 其加載速率為 0.4ton/sec，且每加載 100 ton 持壓 1 分鐘後再繼續加載， 直到加載到預定載重為止。柱的受力變形圖如 2.15 所示，加載到預定 載重時之變形量約為 3mm。在柱加載完畢之後即開始進行梁加載，如 圖 2.16 所示，梁之加載速率為 0.2ton/sec，且每加載 20 ton 持壓 1 分 鐘後再繼續加載，在加載到 60ton 時試驗結束，60ton 時梁之變形量約 為 73 mm，如圖 2.17 所示。. 圖 2.12 梁柱交會區試體溫度（上緣） 交會區上緣 400. 溫度. 300. CH008 CH009. 200. CH010 CH011. 100 0 0:00. 0:30. 1:00. 1:30. 2:00. 2:30. 時間(分鐘）. 19.
(29) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 2.13 梁柱交會區試體溫度（下緣） 交會區下緣 400. 溫度. 300. CH012 CH013. 200. CH014 CH015. 100 0 0:00. 0:30. 1:00 1:30. 2:00. 2:30. 時間（分鐘）. 圖 2.14 柱加載歷時圖 柱加載歷時圖 400. 加載（噸）. 300. 200. 100. 0 0:00. 0:05. 0:10. 0:15. 時間（分鐘）. 20. 0:20.
(30) 梁柱接頭高溫載重試驗. 圖 2.15 柱受力變形圖. 柱受力變形圖 350 300. P(ton). 250 200 150 100 2000LC 50 0 0. 1. 2 Dis(mm). 3. 4. 21.
(31) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 2.16 梁加載歷時圖. 梁加載歷時圖 80. P(ton). 60. 40 20. 0 0:00. 0:02. 0:04 時間（分鐘）. 22. 0:06.
(32) 梁柱接頭高溫載重試驗. 圖 2.17 梁受力變形圖. 梁受力變形圖 80. P(ton). 60. 40 20. 0 0. 20. 40. 60. 80. Dis(mm). 23.
(33) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 24.
(34) 試驗結果與討論. 第三章 試驗結果與討論 本計畫主要針對採用抗彎矩構架之梁柱接頭進行高溫加載破壞試 驗，經由梁柱接頭火害中之破壞模式，初步探討火害下影響梁柱接頭破 壞之重要參數，以建立火害下影響梁柱接頭破壞模式之重要影響參數， 以利於後續深入探討各參數影響之量化數據，作為建立採用鋼建築結構 時耐火設計之依據。 本計畫預期完成之工作項目為六組梁接頭火害試驗，梁柱接頭試體 在不同參數如溫度高低、有無防火被覆等之結構行為及其破壞模式探 討。 預期成果說明如下： 1. 了解火害下抗彎矩構架梁柱接頭結構行為。 2. 建立火害下梁柱接頭破壞模式之重要影響參數。 3. 規劃長期鋼結構火害研究之重點。 4. 提供國際上相關研究單位梁柱接頭火害試驗之資料。 5. 初步研擬鋼結構抗彎矩梁柱接頭耐火評估及耐火設計之架構。. 目前試驗之準備工作皆已完成，惟因加載設備尚未能正常運轉，將待其 完成測試後進行結構破壞試驗工作。. 25.
(35) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 26.
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