含混凝土箱型鋼柱火害下軸向受力行為之研究
099301070000G1007
含混凝土箱型鋼柱火害下軸向受力行為之研究
受委託者 ：國立交通大學
研究主持人：陳誠直 教授
協同主持人：趙文成 教授
研究助理 ：林政億 吳易宸
內政部建築研究所委託研究報告
目次
表次... III 圖次... IV 摘 要... IX 第一章 緒論...1 第一節 研究緣起與背景...1 第二節 研究目的...1 第三節 研究方法...2 第四節 報告內容...3 第二章 國內外規範與文獻回顧...5 第一節 前言...5 第二節 國內外耐火試驗規範...5 第三節 鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範 ...7 第四節 不同性質混凝土及鋼管混凝土柱於火害下之行為 ...8 第五節 火害下構件之有限元素分析...12 第三章 含混凝土箱型鋼柱火害下軸向受力之試驗 ...15 第一節 試驗規劃...15 第二節 試體規劃...15 第三節 試體製作...21 第四節 量測儀器設置...28 第五節 試驗設置...30 第六節 試驗步驟...32 第七節 試驗終止條件...34 第八節 性能基準與判定...34 第四章 試驗結果與討論...35 第一節 試體行為 ...36 第二節 試驗結果討論 ...65第二節 混凝土之性質...79 第三節 ABAQUS 軟體分析方法...84 第四節 CFBC 試體受高溫下之模擬...85 第五節 有限元素分析結果與討論...89 第六章 結論與建議...105 第一節 結論...105 第二節 建議...106 附錄一 內灌混凝土箱型鋼柱工作載重計算 ...109 附錄二 噴附式防火被覆簡介 ... 113 附錄三 審查意見與答覆... 115 參考書目...135
表次
表 2-1 承重柱耐火規定與評定 ...7 表 3-1 試體規劃 ...16 表 3-2 設計強度 420 kgf/cm2混凝土配比 ...22 表 3-3 設計強度 700 kgf/cm2混凝土配比 ...22 表 4-1 試驗結果簡表 ...35 表 4-2 試體各斷面加溫 2 小時後之溫度 ...67 表 5-1 高溫下鋼材應力應變關係 ...74 表 5-2 受溫度影響之鋼材力學性質折減係數 ...76 表 5-3 受溫度影響之混凝土應變建議值 ...80 表 5-4 受溫度影響之混凝土抗壓強度折減與對應之應變 ...81 表 5-5 比較 SN 490B 與 Eurocode 4 之鋼材受溫影響力學性質折減 ...87 表 5-6 試體 CFBC-1 試驗值與分析值之溫度比較 ...90 表 5-7 試體 CFBC-2 試驗值與分析值之溫度比較 ...94 表 5-8 試體 CFBC-3 試驗值與分析值之溫度比較 ...98 表 5-9 內政部核可之防火時效與被覆厚度之關係 ...101 表 5-10 防火被覆掺料比例 ...103 表 5-11 不同掺料比例之防火被覆熱傳導係數 ...104圖次
圖 1-1 研究步驟流程圖 ...2 圖 2-1 CNS 與 UL 加溫曲線示意圖...7 圖 3-1 含混凝土箱型鋼柱試體斷面示意圖 ...16 圖 3-2 箱型鋼柱設計圖 ...17 圖 3-3 CFBC 試體內部熱電偶測點安裝圖 ...23 圖 3-4 箱型鋼柱施工圖 ...23 圖 3-5 自充填凝土於灌漿前進行坍流度之量測 ...24 圖 3-6 CFBC 試體表面熱電偶測點安裝圖 ...24 圖 3-7 鋼網施工 ...25 圖 3-8 鋼網鋪設完成圖 ...25 圖 3-9 CFBC 試體防火被覆施工(一)...26 圖 3-10 CFBC 試體防火被覆施工(二)...26 圖 3-11 柱鋼板 SN490-22-1 應力應變曲線...27 圖 3-12 柱鋼板 SN490-22-2 應力應變曲線 ...27 圖 3-13 柱斷面熱電偶配置圖 ...29 圖 3-14 試驗設置示意圖 ...30 圖 3-15 爐內噴火孔與試體相關位置圖 ...31 圖 3-16 現場試體設置圖 ...32 圖 3-17 標準加熱溫度-時間曲線...33 圖 4-1 試體 CFBC-1 加溫爐升溫曲線示意圖 ...38 圖 4-2 試體 CFBC-1 高溫試驗時柱加載對軸向變形的影響 ...38 圖 4-3 試體 CFBC-1 爐內平均溫度與軸向變形變化圖 ...39 圖 4-4 試體 CFBC-1 斷面 A 混凝土之溫度與時間關係圖 ...39 圖 4-5 試體 CFBC-1 斷面 B 混凝土之溫度與時間關係圖 ...40 圖 4-6 試體 CFBC-1 斷面 C 混凝土之溫度與時間關係圖 ...40 圖 4-7 試體 CFBC-1 斷面 D 混凝土之溫度與時間關係圖 ...41圖 4-9 試體 CFBC-1 斷面 B 鋼板之溫度與時間關係圖 ...42 圖 4-10 試體 CFBC-1 斷面 C 鋼板之溫度與時間關係圖 ...42 圖 4-11 試體 CFBC-1 斷面 D 鋼板之溫度與時間關係圖 ...43 圖 4-12 試體 CFBC-1 試驗後整體圖 ...43 圖 4-13 試體 CFBC-1 上段試驗後防火被覆裂縫 ...44 圖 4-14 試體 CFBC-1 中段試驗後防火被覆裂縫 ...44 圖 4-15 試體 CFBC-1 下段試驗後防火被覆裂縫 ...45 圖 4-16 試體 CFBC-2 加溫爐升溫曲線示意圖 ...47 圖 4-17 試體 CFBC-2 高溫試驗時柱加載對軸向變形的影響 ...48 圖 4-18 試體 CFBC-2 爐內平均溫度與軸向變形變化圖 ...48 圖 4-19 試體 CFBC-2 之斷面 A 混凝土之溫度與時間關係圖 ...49 圖 4-20 試體 CFBC-2 之斷面 B 混凝土之溫度與時間關係圖 ...49 圖 4-21 試體 CFBC-2 之斷面 C 混凝土之溫度與時間關係圖 ...50 圖 4-22 試體 CFBC-2 之斷面 D 混凝土之溫度與時間關係圖 ...50 圖 4-23 試體 CFBC-2 斷面 A 鋼板之溫度與時間關係圖 ...51 圖 4-24 試體 CFBC-2 斷面 B 鋼板之溫度與時間關係圖 ...51 圖 4-25 試體 CFBC-2 斷面 C 鋼板之溫度與時間關係圖 ...52 圖 4-26 試體 CFBC-2 斷面 D 鋼板之溫度與時間關係圖 ...52 圖 4-27 試體 CFBC-2 試驗後整體圖 ...53 圖 4-28 試體 CFBC-2 上段試驗後防火被覆開裂 ...53 圖 4-29 試體 CFBC-2 中段試驗後防火被覆開裂 ...54 圖 4-30 試體 CFBC-2 下段試驗後防火被覆開裂 ...54 圖 4-31 試體 CFBC-2 中段試驗後局部挫屈(已剝除防火被覆及鋼網) ...55 圖 4-32 試體 CFBC-2 中段試驗後局部挫屈(已剝除防火被覆及鋼網) ...55 圖 4-33 試體 CFBC-3 加溫爐升溫曲線示意圖 ...57 圖 4-34 試體 CFBC-3 高溫試驗時柱加載對軸向變形的影響 ...58 圖 4-35 試體 CFBC-3 爐內平均溫度與軸向變形變化圖 ...58
圖 4-38 試體 CFBC-3 斷面 C 混凝土之溫度與時間關係圖 ...60 圖 4-39 試體 CFBC-3 斷面 D 混凝土之溫度與時間關係圖 ...60 圖 4-40 試體 CFBC-3 斷面 A 鋼板之溫度與時間關係圖 ...61 圖 4-41 試體 CFBC-3 斷面 B 鋼板之溫度與時間關係圖 ...61 圖 4-42 試體 CFBC-3 斷面 C 鋼板之溫度與時間關係圖 ...62 圖 4-43 試體 CFBC-3 斷面 D 鋼板之溫度與時間關係圖 ...62 圖 4-44 試體 CFBC-3 試驗後整體圖 ...63 圖 4-45 試體 CFBC-3 局部挫屈情形 ...63 圖 4-46 試體 CFBC-3 上段局部挫屈情形 ...64 圖 4-47 試體 CFBC-3 中段局部挫屈情形 ...64 圖 4-48 試體 CFBC-1 與 CFBC-2 高溫試驗時柱軸向變形比較圖...65 圖 4-49 試體 CFBC-1 與試體 CFBC-2 鋼板內側平均溫度比較圖...66 圖 4-50 試體 CFBC-1 與 CFBC-2 不同混凝土深度平均溫度比較圖...66 圖 4-51 試體 CFBC-2 與試體 CFBC-3 鋼板內側平均溫度比較圖...69 圖 4-52 試體 CFBC-2 與 CFBC-3 不同混凝土深度平均溫度比較圖...69 圖 4-53 三組試體加熱前柱軸向加載與軸向變形關係 ...70 圖 4-54 試體 CFBC-1 加熱前後柱軸向加載與軸向變形關係 ...70 圖 4-55 三組試體軸向變形與加熱時間之關係 ...71 圖 5-1 高溫下鋼材應力應變關係 ...75 圖 5-2 溫度變化下鋼材考慮應變硬化之應力應變關係 ...75 圖 5-3 受溫度影響之鋼材力學性質折減係數 ...77 圖 5-4 受溫度影響之鋼材熱傳導 ...78 圖 5-5 受溫度影響之鋼材比熱 ...79 圖 5-6 高溫下混凝土應力應變關係 ...80 圖 5-7 溫度變化下混凝土應力應變關係 ...81 圖 5-8 受溫度影響之混凝土抗壓強度折減係數 ...82 圖 5-9 受溫度影響之混凝土熱傳導 ...83
圖 5-12 CFBC 試體之有限元素分析模型 ...89 圖 5-13 試體 CFBC-1 試驗值與分析值之溫度比較 ...91 圖 5-14 分析試體 CFBC-1 加溫 30 分鐘之斷面溫度分佈情形...91 圖 5-15 分析試體 CFBC-1 加溫 60 分鐘之斷面溫度分佈情形...92 圖 5-16 分析試體 CFBC-1 加溫 90 分鐘之斷面溫度分佈情形...92 圖 5-17 分析試體 CFBC-1 加溫 120 分鐘之斷面溫度分佈情形...93 圖 5-18 試體 CFBC-2 試驗值與分析值之溫度比較 ...94 圖 5-19 分析試體 CFBC-2 加溫 30 分鐘之斷面溫度分佈情形...95 圖 5-20 分析試體 CFBC-2 加溫 60 分鐘之斷面溫度分佈情形...95 圖 5-21 分析試體 CFBC-2 加溫 90 分鐘之斷面溫度分佈情形...96 圖 5-22 分析試體 CFBC-2 加溫 120 分鐘之斷面溫度分佈情形...96 圖 5-23 分析試體 CFBC-2 加溫 150 分鐘之斷面溫度分佈情形...97 圖 5-24 分析試體 CFBC-2 加溫 180 分鐘之斷面溫度分佈情形...97 圖 5-25 試體 CFBC-3 試驗值與分析值之溫度比較 ...99 圖 5-26 分析試體 CFBC-3 加溫 10 分鐘之斷面溫度分佈情形...99 圖 5-27 分析試體 CFBC-3 加溫 20 分鐘之斷面溫度分佈情形...100 圖 5-28 分析試體 CFBC-3 加溫 30 分鐘之斷面溫度分佈情形...100 圖 5-29 分析試體 CFBC-3 加溫 43 分鐘之斷面溫度分佈情形...101 圖 5-30 分析試體 CFBC-2 以不同被覆厚度之分析結果 ...102 圖 5-31 模擬不同防火被覆厚度之斷面測點溫度關係 ...103 圖 5-32 不同防火被覆材分析模型之時間-溫度關係...104
摘 要
關鍵詞：混凝土、箱型鋼柱、火害 一、 研究緣起
國內中高樓建築頗多採用內灌混凝土箱型鋼柱(Concrete-Filled Box Column, CFBC)，因其具有多樣優點：強度勁度高、以鋼柱取代施工模板大幅簡化施工程 序、箱型鋼柱對混凝土有圍束效應等。CFBC 的鋼骨材料具有良好的強度、延展 性，然而具較高的熱傳導係數且於受高溫時強度會大幅度衰減。混凝土材料則有 良好的抗壓性能，屬熱傳導係數較低之材質，耐火性較鋼骨材料佳。CFBC 須承 受軸向壓力，於高溫影響下之結構行為複雜，且大尺寸試體之研究仍甚為缺乏； 故本研究針對大尺寸內灌混凝土箱型鋼柱受軸向載重於火害下的行為深入探討。 二、 研究方法及過程 本研究以實驗方式與有限元素分析探討內灌混凝土箱型鋼柱受軸壓力於火 害下之行為。實驗規畫三組CFBC 試體，內灌自充填混凝土。依據國內「鋼骨鋼 筋混凝土構造設計規範與解說」，並考量防火實驗設備容量設計製作試體。二組 試體噴附二小時防火時效之被覆。實驗時三組試體分別施加試體100%、100%、 56%之工作載重，進行加熱試驗，以探討 CFBC 試體的耐火性能與破壞行為。有 限元素分析採熱傳分析與非線性應力分析，再以接續性耦合分析將溫度及載重效 應結合，以模擬試驗結果，並用以進行參數分析。 三、 重要發現 內灌混凝土箱型鋼柱噴附二小時防火被覆之試體可達二小時的防火時效，高 溫後冷卻再進行軸向加載試驗，發現試體能恢復軸向勁度並於工作載重範圍內呈 現線彈性行為。試體的高溫破壞試驗時持續有混凝土爆裂的聲音，因鋼板的圍束 未導致立即的破壞，最終破壞模式為鋼板局部的鼓起與內部混凝土的碎裂。實驗 顯示內灌混凝土箱型鋼柱有可接受的防火性能。有限元素分析可合理的預測試體
四、 主要建議事項 1. 建議一 立即可行建議 主辦機關：行政院國家科學委員會 協辦機關：內政部建築研究所 內灌混凝土箱型鋼柱之結構性能優異，其防火性能亦佳，惟因礙於實驗設備，國 外鮮少有實尺寸試體的研究成果。本研究僅進行三組試體之試驗。然而內灌混凝 土箱型鋼柱之耐火性能尚須更進一步有系統的探討其行為，諸如防火被覆厚度、 加載比例、軸力與彎矩共同作用等，以兼顧經濟、安全的防火設計與火害後的修 復與評估等實務設計上的應用所需。 2. 建議二 長期性建議 主辦機關：行政院國家科學委員會 協辦機關：內政部建築研究所 國內於中高樓層建築物使用鋼骨鋼筋混凝土構造之設計頗多，然而國外除日本外 較少見，故鋼骨鋼筋混凝土構造之耐火性能研究成果亦較為缺乏。以實驗與分析 研究鋼骨鋼筋混凝土構造受火害之行為有其必要性。 3. 建議三 長期性建議 主辦機關：行政院國家科學委員會 協辦機關：內政部建築研究所
箱型鋼柱試體採全滲透銲接而且無需設置剪力釘，惟於該規範中容許局部採半滲 透銲，另實際設計施工上亦有於鋼柱內設置剪力釘之考量，故前揭二項差異對於 本次耐火時效之影響程度尚待進行研究予以釐清。
Behavior of Axially Loaded Concrete-filled Steel Box
Columns in Fire
Cheng-Chih Chen, Wen-Chen Jau, Jheng-Yi Lin, Yi-Chen Wu
Abstract
Keywords: concrete, box column, concrete-filled box column, in fire
The concrete-filled box columns (CFBCs) are frequently used for medium- and high-rise buildings in this country because of their advantages, such as high strength and stiffness, using box column to replace formwork greatly simplifying the construction process, and providing confinement for the concrete by the box column. The steel material of the CFBCs possesses high strength and ductility, but with higher thermal conductivity, and the strength will be significantly decrease at high temperature. Concrete has good compression strength, and low thermal conductivity, and has better fire resistance than the steel material. The CFBCs must subject to axial compression, and the structural behavior is complex under elevated temperature. Moreover, the study for large-scale specimens is still very lacking. The purpose of this study is to investigate the behavior of the large-scale concrete-filled box columns subjected to axial load under fire.
This study was conducted experimentally and numerically to explore the behavior of axially loaded concrete-filled box columns in fire. In the experimental program, three CFBC specimens, filled with self-compacting concrete, were designed and constructed according to the current design code and capacity of the furnace. Two of the specimens had been sprayed with fire protection coating for two hours fire resistance rating. During the test, axial compression, corresponding to 100%, 100% and 56%, respectively, of the nominal compression strength of the specimens, was applied to these three specimens, and the specimens were proceeded the fire test to study their behavior and failure in fire. Finite element analyses were performed for both heat transfer and nonlinear static analyses, and subsequently used sequentially coupled thermal stress analysis to combine the effects from temperature and loading. The analysis models were used to simulate the test results and furthermore used to proceed parameter study.
rating. Axial compression test was performed again after the specimen had been cooled. Within the range of the design load, the axial stiffness of the specimen was recovered and the specimen behaved linearly elastic. During the specimen tested under elevated temperature, sound of the concrete bursting was continued heard which did not cause immediate failure of the specimen due to the confinement of the column steel plate. The final failure mode was the bulge of the column steel plate and inner concrete crushing. The experimental results indicate that concrete-filled box columns possess acceptable fire resistance. Finite element analysis reasonably predicted the temperature distribution in time history on the specimen cross section, and could be used to study the parameter effects of the fire protection.
According to the research results, this study can provide the following suggestions for the fire resistance of the concrete-filled box columns.
For immediate strategy:
Concrete-filled box columns possess excellent structural behavior, and also the fire resistance. However, research results based on full-scale specimens are very few due to the limitation of the test equipment. This study conducted the test for three specimens only. Nevertheless, the fire resistance of the concrete-filled box columns needs further, systematic study, such as the fire protection thickness, load ratio, combination of axial load and bending moment, to implement the design in practice for taking into account the economic and safe fire protection design and the repairing and assessment after fire.
For long-term strategy:
The concrete-filled box columns are frequently used for medium- and high-rise buildings in domestic. However, the use of CFBCs is few in the foreign countries except for Japan. Therefore, few research results of fire resistance for steel reinforced concrete structures are available. Systematically investigating, experimentally and analytically, the behavior of steel reinforced concrete structures under elevated
shear studs. Research is needed for specimens designed by using partial penetration weld as well as with shear studs.
第一章 緒論
第一節
研究緣起與背景
台灣屬地狹人稠的國家，且科技進步和經濟成長，促使人口逐漸增加；然而 有效利用限有的土地，以滿足社會發展之需求，故建築物已朝向高樓或超高樓層 發展。近十年內發生數起高樓建築受火害造成結構損壞或倒塌事件，無法保障財 產與人員生命之安全，因此防火工程已成為建築結構重要的一部分。 高 樓 建 築 物 普 遍 採 用 箱 型 鋼 柱(Box Column)或內灌混凝土之箱型鋼柱(Concrete Filled Box Column, CFBC)等。CFBC 優點有具有高強度可縮小斷面尺 寸；以鋼柱取代施工模板，大幅簡化施工程序；混凝土受箱型鋼圍束效果和鋼骨 材受混凝土側向支撐，提升構材之強度與韌性，已逐漸成為國內外高樓建築結構 工程實務及研究發展的趨勢。 國內高樓建築普遍採用內灌混凝土銲接組合箱型鋼柱，其鋼骨材料具有較良 好的強度、延展性和較高的熱傳導係數，然而受高溫時強度會大幅度衰減；混凝 土材料抗壓性能優良，且屬熱傳導係數較低之材質，耐火性較鋼骨材料佳。再者， 承重CFBC 受高溫影響下之結構行為複雜，且大尺寸試體之研究仍甚為缺乏，故 本研究將對大尺寸箱型鋼柱內灌混凝土之火害下受軸向載重作用的行為、耐火性 能和耐火時效深入探討；藉由大尺寸試驗建立合理的設計方法，以利內灌混凝土 之銲接組合箱型鋼柱於國內之推廣。
第二節
研究目的
本研究目的主要為探討內灌混凝土銲接組合箱型鋼柱於承受軸向壓力在高 溫下的行為。藉由實驗方式與分析方法探討內灌混凝土箱型鋼柱(CFBC)於火害 下，其強度與勁度之變化；探討CFBC 在高溫下之變形行為(變形與變形速率)與 破壞模式；建立合理的分析模型，以探討不同被覆材厚度與不同被覆材參數於溫 度分布之影響。第三節
研究方法
在建築結構遭受火災高溫破壞，柱構件為支撐結構體之垂直靜載重，其重要 程度最為顯著。因此本研究將根據我國「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」， 設計承重混凝土灌入銲接組合箱型鋼柱試體；且為模擬試體火災高溫情況，將依 據我國CNS 12514「建築物構造部分耐火試驗法」相關規定進行三組試體實驗研 究。對於三組試體，分別以不同強度混凝土與有、無防火被覆為變數，比較CFBC 試體於高溫環境下，銲接組合箱型鋼和核心混凝土之力學行為與溫度傳遞情況。 再者，本研究將利用有限元素分析軟體，模擬CFBC 試體受軸向載重與實驗 加溫爐之加溫曲線時，試體溫度分佈情形、溫度傳遞狀態和 CFBC 試體破壞模 式，並與實驗結果比對，以確定分析模型之正確性。研究計畫之流程圖，如圖 1-1 所示。 蒐集國內外相關規範、文獻與實驗資料 1. 規劃試體 2. 實驗設置 3. 製作試體 4. 進行實驗 實驗研究 分析研究 1. 建立分析方法與分析 模式 2. 模擬實驗行為 3. 分析結果與實驗結果 比較 4. 分析方法之修正 建立分析方法 第一次專家學者諮詢座談會 第二次專家學者諮詢座談會 實驗結果與討 論 期中審查 期末審查第四節
報告內容
本報告主要內容如下。第一章介紹本研究以CFBC 試體之研究動機與研究方 法。第二章回顧國內外耐火之相關規範及與本研究相關之文獻。第三章介紹試驗 規劃、試體設計和製作、試驗設置、試驗步驟與破壞判定準則。第四章試驗結果 與討論。第五章介紹 CFBC 試體之有限元素分析，包括材料的力學性質和熱參 數、分析方法、試體模擬相關設定和分析步驟與討論分析結果。第六章為本研究 之結論與建議。第二章 國內外規範與文獻回顧
第一節
前言
火災的產生可概略分為天然災害和人為因素兩部分，然而建築物突然發生意 外性的火災，往往造成莫大的損失。為降低損失並保障人員生命安全，使之能有 充足時間逃離火場，因此瞭解建築構件的耐火能力與有效耐火時效是重要的研究 之一。 目前各國對結構構件受火害已有相當程度之研究，但對於大尺寸結構柱構件 試驗常受設備能力之限制；且CFBC 構件為鋼骨和混凝土材料所組合成，當其受 高溫與載重之雙重影響下，各材料的結構行為甚為複雜，因此本章節將回顧國內 外相關規範和研究成果。第二節
國內外耐火試驗規範
對於受軸向載重之柱構件，國外已制定耐火試驗規範，包括 ISO 834(International Organization for Standardization)、英國標準 BS 476 (British Standards Institution) 及美國 UL 263 (Underwriters Laboratories Inc.)。我國耐火試驗須符合 CNS 12514「建築物構造部分耐火試驗法」之相關規定。 壹、ISO 834 與 CNS 12514 規範 國際標準組織ISO 834 規範之標準升溫曲線為T=345log (8t+1)+20 ，其中 T10 為平均爐內溫度(°C)、t 為試驗經過時間(min)；柱試體受熱長度，並無要求。對 於柱之性能基準評定以構件承重能力判別，其規定承重構造破壞條件為超過最大 軸向壓縮量(C)，C=h/100 (mm)，與超過最大軸向壓縮速率(dC/dt)，dC/dt=3h/1000 (mm/min)。 我國CNS 12514 規範主要參考 ISO 834 規範修訂。對於上述各項規定，除柱 試體受熱長度至少3 公尺之規定與 ISO 834 規範不同，其餘皆相同。
貳、BS 476 規範 BS 476 規範之標準升溫曲線為T=345log (8t+1)+20 ；柱試體受熱長度要求10 至少3 公尺；以承重能力規定破壞條件為最大軸向壓縮量超過 120 mm 與最大軸 向壓縮速率超過25 mm/min。 參、UL 263 規範 UL 263 規範之加熱條件要求 5 分鐘須達到 538°C，10 分鐘須達到 704°C， 30 分鐘須達 843°C，1 小時須達到 927°C，2 小時須達到 1010°C，4 小時須達到 1093°C。對於試體受熱長度要求柱長至少 2.7 公尺，而具防火被覆之柱長至少 2.4 公尺。關於性能基準評定，其柱試體乃根據不同試驗分類來要求；但具防火被覆 之柱試體則要求熱電偶測點溫度超過649°C 或平均溫度超過 538°C，即判定試體 破壞。 相關耐火規定與評定之比較如表2-1 所示；CNS 與 UL 加溫曲線如圖 2-1 所 示。由表2-1 得知試體受熱長度，僅 ISO 834 規範無要求；載重試驗破壞基準， 僅UL 263 規範以有、無防火被覆之試體分別規定。由圖 2-1 得知，加溫 1 小時 後CNS 標準升溫曲線之溫度明顯高於 UL 規定。
表 2-1 承重柱耐火規定與評定 CNS 12514 ISO 834 BS 476 UL 263 試體受 熱長度 ≧ 3 m 無要求 ≧ 3 m ≧ 2.7 m (具防火被覆 之柱長≧ 2.4 m) 載重試 驗破壞 基準 (1) 最大軸向壓 縮量超過 h/100 (mm) (2) 最大軸向壓 縮速率超過 3h/1000 (mm/min) (1) 最大軸向壓 縮量超過 h/100 (mm) (2) 最大軸向壓 縮速率超過 3h/1000 (mm/min) (1) 最大軸向壓 縮量超過 120 (mm) (2) 最大軸向壓 縮速率超過 25 (mm/min) 以不同試驗分 類要求。 (具防火被覆 試體採熱電偶 測點溫度超過 649°C 或平均 溫度超過 538°C) (資料來源：本研究整理) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Time (min) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Tem p er ature ( o C) CNS 12514 UL 263 圖 2-1 CNS 與 UL 加溫曲線示意圖 (資料來源：本研究整理)
鋼筋混凝土為主所建造的一般建築物，而本計劃所採用銲接組合箱型鋼柱內灌混 凝土亦適用。 對於CFBC 鋼骨比規定，若試體斷面鋼骨比大於全斷面積之 2%，則參照 SRC 規範設計；反之，小於2%，則依據我國「混凝土工程設計規範與解說」設計試 體。對於填充型鋼管混凝土柱之鋼骨斷面肢材寬厚比(b/t)規定，塑性設計斷面須 小於λ = 3E /F ，結實斷面須小於pd s ys λ =61。對於柱試體設計受壓強度p
c nP
採用 「強度疊加法」， c nP = P +cs ns crc nrcP ；其中cs為鋼骨部分強度折減係數(0.85)； Pns 為鋼骨部份標稱受壓強度；crc 為鋼筋混凝土部份之強度折減係數(填充型鋼 管混凝土柱為0.75)；Pnrc為鋼筋混凝土部份標稱受壓強度。第四節
不同性質混凝土及鋼管混凝土柱於火害下之行為
壹、 自充填混凝土於高溫下之行為 Fares 等人(2009)以實驗之方式探討自充填混凝土在高溫時的機械性質。研究 發現殘餘抗壓強度於 20°C~150°C 會略為降低，於 150°C~300°C 反而會增加， 300°C 時增加為原來之 25%，之後逐漸降低，至 600°C 殘餘抗壓強度僅剩原來之 20%。殘餘彎曲強度於加溫至 300°C 時約還有 80%之強度，隨後則快速折減，至 600°C 僅剩原來之 10%。體積彈性模數折減狀況約略呈線性，300°C 時約為原來 之50%，於 600°C 試體幾乎達破壞。質量損失於 20°C~300°C 時速率為最快，於 300°C 時體積損失約為原來之 6.5%，隨後體積損失速率趨緩，於 600°C 時損失 約為原來之8%。滲透率會因溫度的提高而以指數的方式成長。 Sideris (2007)分別將 4 組不同強度等級的傳統混凝土及自充填混凝土進行高 溫試驗。這二種混凝土在相同的強度等級下，有相同之爆裂趨勢，強度較低的二 組試體(SCC 與 CC 之抗壓強度分別為 33.7、43.4 Mpa 及 29.5、39.6 MPa)於試驗 超過700°C 時皆未發生爆裂現象；強度較高的試體(SCC 與 CC 之抗壓強度分別 為53.5 Mpa 及 45.2 MPa)約於 500°C ~580°C 發生爆裂；強度最高的試體(SCC 與 CC 之抗壓強度分別為 73.2 Mpa 及 67.0 MPa)約於 380°C ~458°C 發生爆裂，試驗貳、 高強度混凝土於高溫下之行為 Kodur 等人(2003)以實驗的方式將高強度混凝土之熱性質如熱傳導、比熱、 熱膨脹…等，發展一系列公式以做為模擬時的輸入參數。其中熱傳導將會隨著溫 度的升高而遞減；比熱則是約超過 600°C~850°C 時會有顯著之變化；熱膨脹則 是隨著溫度的升高而遞增；超過600°C 時，高強度混凝土含碳酸鹽之質量損失最 大到30%，而矽酸鹽者無明顯的變化。 Noumowé 等人(2006)將不同性質的高強度混凝土：傳統混凝土、自充填混凝 土、含聚丙烯混凝土進行高溫試驗。試驗結果顯示傳統混凝土與自充填混凝土於 火害後之材料性質極為相近，但後者較前者容易有爆裂的狀況發生；含聚丙烯混 凝土可改善高溫下之材料特性，減少熱應力的產生，增加其穩定性並延長耐火時 效。 Wu 等人(2002)將有圍束及無圍束高強度混凝土進行軸壓試驗，並探討其高 溫後的力學行為，並推導抗壓強度及彈性模數折減之參考公式。其中由彈性模數 折減公式可發現混凝土溫度約為70°C 內，其值會略為上升，之後則開始遞減。 抗壓強度折減公式： ) C 900 T 300 ( T E T D C ) C 300 T 0 ( T B A f / ) T ( fc c 2 其中 2 sv sv 6.8678 1173 . 1 0013 . 1 A 4 2 sv sv 49 ) 10 9025 . 9 0396 . 2 ( B 2 sv sv 93.6033 104 . 21 687 . 0 C 2 sv sv 0.5275 1058 . 0 00247 . 0 D 6 2 sv sv 670.204 ) 10 583 . 136 5422 . 5 ( E
) T ( fc =火害後混凝土之抗壓強度 c f 常溫下混凝土之抗壓強度 sv 橫向鋼筋比 svx& svy 於x 向及 y 向之橫向鋼筋比 sh A 橫向鋼筋截面積 t S 橫向鋼筋間距 h 斷面尺寸 彈性模數折減公式： ) C 900 T 600 ( T 00033 . 0 438 . 0 ) C 600 T 200 ( T 0018 . 0 31 . 1 ) C 200 T 20 ( T 00039 . 0 028 . 1 E / ) T ( Ec c 其中 ) T ( Ec 火害後混凝土之彈性模數 c E 常溫下混凝土之彈性模數 王天志(2002)以實尺寸高性能混凝土柱進行火害試驗，探討高性能混凝土柱 於高溫下的力學性質與熱學性質。發現偏心載重無法模擬實際火場建築物的行 為，且試體含水量越高，越容易發生爆裂的情形，降低柱的耐火能力。文獻並建 立數值分析模型，預測高性能混凝土柱的耐火時效。 參、 鋼管混凝土柱於高溫下之行為 Chung 等人(2008)以四種不同之分析模型進行熱傳分析及非線性熱應力分 析，並與實驗結果比對，藉以探討鋼管混凝土柱受軸力下之機械性質，如材料性
耐火時效有較顯著的影響，並合理預測實際狀況鋼管混凝土柱受軸力下之耐火時 效。 Han 等人(2003)以 11 支矩形鋼管混凝土柱試體，依據不同之斷面尺寸、防火 被覆厚度、偏心位置、加載強度…等參數在軸壓下進行耐火試驗，並建立數值模 型做比對。結果顯示較厚之防火被覆以及較小加載力能延長耐火時效，且使用矩 形鋼管混凝土柱較鋼柱減少約 25%~70% 的防火被覆厚度，並保守推導相關公 式，且成為中國高樓建築規範之參考。同年，亦依照相同方法將13 支圓形鋼管 混凝土柱試體進行耐火試驗。結果顯示使用圓形鋼管混凝土柱較鋼柱可減少50% 的防火被覆厚度，同時也依據實驗與分析結果發展相關公式。 Han 等人(2003)分別以 6 支方形及圓形鋼管混凝土柱試體，依照 ISO 834 耐 火試驗規範，進行一系列受軸心及偏心載重試驗，並建構模型進行分析。結果顯 示除了增加試體的韌性行為外，並發現材料強度、延燒時間、鋼骨比、偏心位置 與試體之寬度或半徑之比、斷面尺寸等參數對試體的殘餘強度有一定程度的影 響；並依據實驗結果合理推導相關公式。 Han 等人(2005)以實驗和理論推導公式計算比較方型、圓型鋼管內灌自充填 混凝土受軸向載重之變形破壞行為。依據 ACI、AISC-LRFD、AIJ、BS5400 和 EC4 等 5 種規範計算預測，並與實驗、理論公式相互比較。由結果得知，以方型 鋼管內灌混凝土之設計規範，計算方型鋼管內灌混凝土的強度是可行的。 Kim 等人(2005)進行 20 組未施作防火被覆的方形與圓形鋼管混凝土柱於軸 向受力之耐火試驗。探討載重力之大小、斷面積的尺寸、混凝土的強度、加熱長 度…等因素對耐火時效的影響；在分析結果顯示，歐洲 EC4 規範及日本 AIJ 規 範在耐火時效之預測值與實驗值相當接近，能有效預測試體之耐火時效。 Kodur (1998)為了解鋼管柱灌入不同性質混凝土對耐火時效的影響，以普通 混凝土、高強度混凝土、含鋼纖維高強度混凝土，3 種不同混凝土分別進行耐火 試驗。經實驗發現，鋼管柱內灌高強度混凝土的耐火時效較普通混凝土還短，含 鋼纖維混凝土鋼管柱的耐火時效為這三種試體最長者。因此建議以含鋼纖維混凝
間、冷卻狀況及箱型鋼柱之厚度對於火害後殘餘強度之影響。試驗結果顯示防火 被覆越薄，其強度的折減率越高；鋼管厚度越薄時，其熱傳速率越快，且強度及 韌性均會明顯下降；高溫下之鋼管混凝土柱經噴水試驗冷卻後，其降伏強度亦會 隨之下降。
第五節
火害下構件之有限元素分析
本節回顧構件受載重及高溫環境下，利用有限元素分析軟體之相關研究成 果。 目前國內外相關分析研究大部份應用於火害梁與柱構件、CFT (Concrete Filled Tube)構件等。Ding 與 Wang (2008)採用 ANSYS 有限元素分析軟體模擬無防火被覆CFT 柱受高溫之結構和熱行為；鋼和混凝土接觸介面間以空氣間隙(air
gap)的方法模擬，因而得知兩材料之間的滑動對構件位移影響較大。
Espinós 等人(2009)採 ABAQUS 分析軟體，並參考 Ding 等人(2008)空氣間隙 模擬之概念；此由研究得知考慮材料熱膨脹之分析結果與實驗結果接近，但不考
慮材料熱膨脹之分析結果與Eurocode 4 之分析結果接近。
Hong 與 Varma (2009)利用 ABAQUS 分析軟體模擬受高溫和載重 CFT 柱之 行為，結果得知柱斷面之熱反應、加溫歷程各時間點之軸向與側向變位等均與實 驗結果接近。 Lu 等人(2009)採自充填混凝土灌入鋼管柱，進行實驗並以 ABAQUS 軟體分 析，瞭解混凝土破裂能量和兩材料介面間之接觸行為。對於高強度自充填混凝土 之力學性質，作者採用Kodur (1998)研究建議。對於高強度自充填混凝土之熱性 質，作者依據Kodur (2007)和 Lie (1994)研究建議。由結果得知，試體試驗之時 間-撓度關係和熱電偶測點量測結果皆與分析結果接近。 Schaumann 等人(2009)以 BoFIRE 有限元素分析軟體，研究 CFT 柱在火害下 之行為，其破壞模式為局部挫屈。探討不同溫度鋼及混凝土材質變化；考慮混凝 土含水率、斷面形狀、細長比對構件強度的影響。對於試體溫度分佈與傳遞，方
Song 等人(2010)研究承重 CFT 柱歷經昇溫至冷卻過程，並瞭解應力-應變和 變形-時間之行為；由結果得知，採用限元素分析可準確預測結果。 李鎮宏和蔡銘儒(2008)分析鋼結構梁柱接頭受火害之行為，其參數應用、接 觸問題和分析步驟等，皆有詳細探討；且分析預測與實驗結果接近。 王奕程(2008)以 ANSYS 軟體分析實尺寸鋼筋混凝土梁柱複合構件於高溫 中、冷卻過程和高溫後試體之行為。對於混凝土材料使用一般混凝土和自充填混 凝土，其兩者之分析皆與試驗結果接近，並也印證混凝土熱參數的可用性。 葉治銘(2009)以 ANSYS 軟體分析，研究一般混凝土與自充填混凝土之鋼筋 混凝土梁柱複合構件受高溫下試體變形行為；高溫後試體殘餘強度。由結果得 知，分析模擬之試體溫度分佈與實驗接近。 內政部建築研究所之相關研究成果，包括陳建忠等人(2007)、李鎮宏和蔡銘 儒(2008)與李鎮宏(2009)等研究顯示，以 ABAQUS 有限元素分析火害鋼結構是可 行的；或先以FDS 進行溫度場分析，再將溫度結果輸入至 ABAQUS 依序進行熱 傳、結構應力與耦合分析，其分析結果與實驗結果接近。
第三章 含混凝土箱型鋼柱火害下軸向受力之試驗
第一節
試驗規劃
本計劃規劃三組含混凝土箱型鋼柱在承受軸力進行耐火試驗，根據「鋼骨鋼 筋混凝土構造設計規範與解說」設計CFBC 試體；對於模擬火災高溫情況，將依 據CNS 12514「建築物構造部分耐火試驗法」之相關規定，規劃 2 小時的耐火試 驗以進行研究，試體的參數包括不同混凝土強度及防火被覆的有無，如表3-1 所 示。其中兩組試體在相同的防火被覆下，針對不同混凝土的強度，探討在不同混 凝土強度對於CFBC 試體耐火時效的影響；另外一組試體可以與有防火被覆試體 比較。藉此三組試體，可探討CFBC 試體於高溫下整體強度折減的狀況，並可以 了解CFBC 試體有無防火被覆的情況下對試體防火時效的影響，以作為未來耐火 設計之參考。第二節
試體規劃
壹、試體設計 中 高 層 建 築 普 遍 採 用 箱 型 鋼 柱(Box column) 或 內 灌 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 (CFBC)。在 CFBC 方面，近年來設計者常採用高強度混凝土填充箱型鋼柱。本 計劃規劃3 組含混凝土箱型鋼柱，試體斷面如圖 3-1 所示。以 4 片厚度為 22 mm之鋼板以全滲透開槽銲接(Complete Joint Penetration Weld, CJP Weld)方式組合成
長寬為500 mm，高為 4350 mm 的箱型鋼柱，採用 SN490B 規格之鋼材。其開槽 銲接形式採用單斜槽銲接，開槽角度為35 度，根部間隙為 7 mm，並於試體上下 端分別組立基座底板及加勁板，如圖3-2 所示。柱鋼板上預設直徑 20 mm 的小 孔，其目的為使內部混凝土於養護時更容易使水分自試體內蒸發，避免未來試體 於高溫加熱期間產生爆裂的危險。另外，於柱試體再設計兩處熱電偶線孔，方便 CFBC 試體內部測點之熱電偶線能順利接上爐外的溫度資料擷取器上。 在內灌混凝土方面，採用流動性高的自充填混凝土，其中一支箱型鋼柱試體
搗實，施工較為簡便，其材料的特性在高溫時與一般混凝土的性質相近；缺點則 是在高溫時，自充填混凝土較一般混凝土容易發生爆裂的情形。 表 3-1 試體規劃 試體編號 試體尺寸 鋼柱材質 標稱混凝土 強度 防火被覆 CFBC-1 □ 500×500 ×22×22×4350 mm SN 490B 420 kgf/cm 2 12 mm CFBC-2 □ 500×500 ×22×22×4350 mm SN 490B 700 kgf/cm 2 12 mm CFBC-3 □ 500×500 ×22×22×4350 mm SN 490B 700 kgf/cm 2 無 (資料來源：本研究整理) 圖 3-1 含混凝土箱型鋼柱試體斷面示意圖 (資料來源：本研究整理) 貳、防火被覆 防火被覆是屬於一種耐熱性良好的特殊材質，能減緩溫度在鋼材傳遞的速 度，依其不同之厚度可以達到不同防火時效的要求。本計畫將採用國內鋼構造建 築廣泛應用之噴覆式防火被覆材料。施工方式是以隔熱性佳且質量甚輕的防火材
工快速、設計彈性大及效果佳，是本試驗優先考量的原因。在被覆厚度方面，本
試驗所採用廠商之材料 2 小時防火時效要求依據內政部核可之最小噴覆的厚度
為12 mm，為美國 UL Design No. Y711 認證 2 小時防火時效之 1.25 倍。噴覆式
防火被覆簡介如附錄二。 圖 3-2 箱型鋼柱設計圖 (資料來源：本研究整理)
單位
：mm
500 500 TYP. 7 35° 22斷面施工圖
圖 3-2 箱型鋼柱設計圖(續) (資料來源：本研究整理)
單位
：mm
40 4@725 4350熱電偶線孔位
φ=30
透氣孔(四面)
φ=20
1200
500
350
350
40 4@725 43501200
500
350
350
箱型鋼柱正視圖
箱型鋼柱側視圖
灌漿孔
φ=150
圖 3-2 箱型鋼柱設計圖(續) (資料來源：本研究整理) 1200 20 420 1200 ψ=33 60
單位：mm
15 40 300 150 1200 R30 11 TYP.□
500×500×22×22 TYP. 15 12 12 12單位：mm
圖 3-2 箱型鋼柱設計圖(續) 100 1200 3@300 150 60
螺栓孔
下部底板設計圖
單位：mm
100 1200 475 3@300 150 ψ=33 60 ψ=150灌漿孔
上部底板設計圖
單位：mm
ψ=33第三節
試體製作
試體製作程序如下： 1. 於鋼鐵廠製作箱型柱。 2. 當柱組立成 U 字型時，安裝熱電偶線於柱內。 3. 進行混凝土灌漿。 4. 混凝土養護。 5. 安裝 CFBC 試體柱面之熱電偶測點。 6. 防火被覆施工。 7. 防火被覆養護。 當鋼板組立成 U 字型的試體及基座底板後，將熱電偶測點安裝於柱體欲進 行量測的點位，如圖3-3 所示(熱電偶測點詳述於第四節)。安裝完成後並進行檢 測，以確定能正常傳輸訊號，之後組立柱側面鋼板於U 字型上形成一箱型鋼柱，試體之全滲透處電銲進行超音波檢測(Ultrasonic Testing, UT)，檢測後銲道狀況一
切良好，箱型鋼柱施工圖如圖3-4 所示。 箱型鋼柱完成後，進行混凝土的澆置，並且皆採用流動性高的自充填混凝 土，於灌漿前進行坍流度的量測，如圖3-5 所示，配比詳細資料如表 3-2、3-3 所 示，在灌漿時應避免速度過快，以防熱電偶線脫落。澆置完成後，則進行混凝土 的養護，同時安裝CFBC 試體柱面欲量測點位的熱電偶測點，如圖 3-6 所示。此 外，製作直徑10 公分，高度 20 公分之混凝土圓柱試體，於混凝土養護 28 天時 進行抗壓強度試驗，且於CFBC 試體加載與高溫試驗時進行抗壓強度試驗以作為 加載軸壓強度的依據。 於防火被覆施工前，在 CFBC 試體之鋼板上鋪設一層單位重為 0.92 kgf/m2 菱形鋼網，如圖3-7 與 3-8 所示，藉以增加附著力及避免防火被覆脫落與分離， 隨後進行防火被覆施工，如圖3-9、3-10 所示，並進行養護。本次試驗依 CNS 12514 規定，試體置於室內使其含水率達到一定平衡，始進行高溫試驗。
壓 試 驗 。 在 柱 鋼 板 之 拉 力 試 驗 方 面 ，兩 組 試 片 編 號 分 別 為 SN490-22-1 及 SN490-22-2，其應力應變曲線圖為如圖 3-11 及 3-12 所示。SN490-22-1 測得的降 伏強度為3.735 tf/cm2；SN490-22-2 測得的降伏強度為 3.852 tf/cm2。因此，柱鋼 板的平均降伏強度為 3.794 tf/cm2。對於本研究試體所使用兩種不同強度之內灌 混凝土，其混凝土圓柱試體抗壓試驗測得28 天平均強度分別為 460 kgf/cm2和520 kgf/cm2。 表 3-2 設計強度 420 kgf/cm2混凝土配比 各成分用量(kg/m3) 水灰比 水膠比 水 水泥 爐石 飛灰 附加 劑 粗中 骨材 細骨 材 77.8% 0.364 175 225 235 40 7 770 883 配比(%) 18 7 8 2 1 29 34 備註 1. 設計強度為 420 kgf/cm2 2. 設計坍度為 25 cm 3. 坍流度為 63.5 cm 4. 粗骨材最大粒徑為 19 mm 5. 含氣量為 1.5% (資料來源：本研究整理) 表 3-3 設計強度 700 kgf/cm2混凝土配比 各成分用量(kg/m3) 水灰比 水膠比 水 水泥 爐石 飛灰 附加 劑 粗中 骨材 細骨 材 61.3% 0.293 160 261 294 25 9.86 820 801 配比(%) 16 8 10 1 1 31 31 備註 1. 設計強度為 700 kgf/cm2 2. 設計坍度為 25 cm 3. 坍流度為 67 cm 4. 粗骨材最大粒徑為 19 mm 5. 含氣量為 1.5% (資料來源：本研究整理)
圖 3-3 CFBC 試體內部熱電偶測點安裝圖 (資料來源：本研究整理)
圖 3-4 箱型鋼柱施工圖 (資料來源：本研究整理)
圖 3-5 自充填凝土於灌漿前進行坍流度之量測 (資料來源：本研究整理)
圖 3-6 CFBC 試體表面熱電偶測點安裝圖 (資料來源：本研究整理)
圖 3-7 鋼網施工 (資料來源：本研究整理)
圖 3-8 鋼網鋪設完成圖 (資料來源：本研究整理)
圖 3-9 CFBC 試體防火被覆施工(一) (資料來源：本研究整理)
圖 3-10 CFBC 試體防火被覆施工(二) (資料來源：本研究整理)
0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2
Strain
0 2 4 6Stress (tf/cm
2)
圖 3-11 柱鋼板 SN490-22-1 應力應變曲線 (資料來源：本研究整理) 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2Strain
0 2 4 6Stress (tf/cm
2)
圖 3-12 柱鋼板 SN490-22-2 應力應變曲線 (資料來源：本研究整理)第四節
量測儀器設置
壹、熱電偶設置 依照CNS 12514 規定，試體需設置熱電偶監測溫度，並使用 0.75 級性能以 上及直徑0.65 mm 之 K 型熱電偶線，以確保良好的熱接觸。受制於實驗設備之 限制，試體上、下端距離底板各保留657 mm 未受熱，試體熱電偶測點分別位於 4 個高度，其中兩處熱電偶測點斷面高度分別位於試體受熱段上、下端部算起 600 mm 處；另兩處高度則平均等分上述測點高度。在每處高度上，箱型鋼柱共有 6 個熱電偶測點；而內部混凝土則規劃5 個熱電偶測點，故單一斷面的熱電偶測點 共有11 處，整支 CFBC 試體則共有 44 處熱電偶測點。試體熱電偶之配置位置如 圖3-13 所示。 貳、位移計設置 根據 CNS 12514 規定，對於垂直承重試體，應量測軸向變形量或中心點水 平方向變形量。在軸向變形量方面，由加載設備直接量測柱整體軸向變形量。圖 3-13 柱斷面熱電偶配置圖 (資料來源：本研究整理) 76 76 76 76 76 76 A A B B C C D D 600 612 612 600 657
=鋼板之測點
=混凝土內之測點
Unit: mm
斷面 A-A 熱電偶位置圖
其餘斷面亦同熱電偶之
編號前加上斷面編號 A,
B, C 與 D
612 657柱受熱端長度
S1 C1 C2 C3 C4 S2 C5 S3 S4 S5 S6第五節
試驗設置
經養護後的CFBC 試體，吊裝到加溫爐內，設置於加載設備中，將熱電偶線 連結到資料擷取器，最後測試確定訊號正常，並將熱電偶線包覆防火棉。最後蓋 上加溫爐蓋板，並以防火棉將空隙填實，防止實驗過程中高溫氣體自爐內散出而 造成人員危險。試驗設置如圖3-14 所示，爐內噴火孔與試體的相關位置如圖 3-15 所示，現場試體設置如圖3-16 所示。 圖 3-14 試驗設置示意圖 (資料來源：本研究整理)試體
液壓千斤頂
加熱爐
圖 3-15 爐內噴火孔與試體相關位置圖 (資料來源：本研究整理) 柱受熱段 (3036 ) 4550 CFBC 試體 爐蓋板 爐壁 Unit：mm 625 1250 675 3800 975 1300 噴火口
圖 3-16 現場試體設置圖 (資料來源：本研究整理)
第六節
試驗步驟
依照CNS 12514 規定，試驗步驟如下所示： 壹、試驗開始前 對於CFBC 試體，試驗載重必須在試驗開始前 15 分鐘加載至試體，在加載 力量不變時試體變形應不再變化，並記錄軸向變形量。於試驗開始前5 分鐘內， 記錄熱電偶之初始值並檢查一致性，且爐內溫度需小於 50°C 及室內氣溫須在 10°C ~40°C 範圍之內。 貳、試驗過程內之溫度變化應根據CNS 12514 規定進行控制，其標準加熱溫度-時間曲線如圖 3-15 所示。其中加熱函數為T345log10(8t1)20。式中，T =平均爐內溫度(°C)； t =試驗經過時間(分)。 加熱試驗過程中維持固定的加載，加載之工作載重則依據「鋼骨鋼筋混凝土 構造設計規範與解說」計算，如附錄一。試體CFBC-1 須施加的工作載重為 1550 噸；而試體CFBC-2 需施加 1600 噸的載重；試體 CFBC-3 則施加 900 噸的載重。 圖 3-17 標準加熱溫度-時間曲線 (資料來源：CNS 12514) 參、量測與觀察 當試驗開始時，即開始記錄試驗經過時間。在熱電偶量測方面，應每隔不超 過一分鐘量測一次；垂直變形量視實驗設備狀況，每間隔一段時間進行量測，變 形速率則依垂直變形量推算而得。最後應觀察注意試體是否能於試驗2 小時後持 續支承試驗載重，若否須記錄其試體破壞的時間。 試驗結束後，須觀察 CFBC 試體之軸向與水平變形，防火被覆之開裂與變
第七節
試驗終止條件
本研究計畫根據CNS 12514，試驗終止之條件如下列： 1. 試驗中試體已達到性能基準。 2. 試驗時間已達預定時間。 3. 若人員安全或設備可能遭受破壞，試驗須立即停止。第八節
性能基準與判定
依據CNS 12514「建築物構造部分耐火試驗法」有以下兩種方法進行性能基 準與判定： 1. 若垂直承重構造主要由鋼材部分所支承，則得以無載重方式進行破壞溫度判 定。若鋼材溫度最高值超過 550°C 及平均溫度超過 500°C，則視為此試體承 重能力失敗。 2. 若垂直承重構造以有載重的方式進行加熱試驗，則以最大軸向壓縮量及最大 軸向壓縮速率進行判定。若試驗量測結果發現超過上述兩項性能標準，亦視 為試體承重能力失敗。 最大軸向壓縮量(mm)，Ch/100 最大軸向壓縮速率(mm/min)， dC/dt3h/1000 式中，h=試體之初始高度，(mm) 對於本次試驗CFBC 試體所容許的最大軸向壓縮量不得超過 30.4 mm；且最 大軸向壓縮速率不得超過9.1 (mm/min)。第四章 試驗結果與討論
本章節將呈現三組試體於軸力加載下高溫試驗之試驗結果。試體CFBC-1 內 灌混凝土於齡期72 天時強度為 609 kgf/cm2，試體表面噴塗防火被覆；試體 CFBC-2 內灌混凝土於齡期 77 天時強度為 673 kgf/cm2，表面噴塗防火被覆；試 體CFBC-3 內灌混凝土於齡期 77 天時強度 673 kgf/cm2，表面無防火被覆。本次 試驗結果彙整於表4-1。 表 4-1 試驗結果簡表 試體編號 CFBC-1 CFBC-2 CFBC-3 鋼材實際拉力強度(tf/cm2) 3.794 3.794 3.794 混凝土實際強度(kgf/cm2) 609 673 673 防火被覆實際厚度(mm) 15.3 14.3 -- 施加載重(tf) 1550 1600 900 試驗時間(min) 120 179 43 最大伸長量(mm) 3.8 4.0 17.3 達最大伸長量之 平均伸長速率(mm/min) 0.033 0.032 0.641 最大軸向應變(10-4 mm/mm) 8.74 9.20 39.77 試體達最大伸長量之時間(min) 114 125 27 試驗終止時鋼之平均溫度(°C) 256.0 390.9 559.2 試驗終止時鋼之最高溫度(°C) 286.7 512.0 847.4 試驗終止時混凝土深度76 mm 之平均溫度(°C) 84.6 129.1 266.8 試驗終止時混凝土深度76 mm 之最高溫度(°C) 93.4 145.5 470.2 試驗終止時混凝土深度152 mm 之平均溫度(°C) 52.7 80.7 201.9 試驗終止時混凝土深度152 mm 之最高溫度(°C) 58.2 92.5 484.1 試驗終止時混凝土中心處 之平均溫度(°C) 38.6 73.6 112.5 試驗終止時混凝土中心處 之最高溫度(°C) 41.7 76.5 249.4 破壞模式 僅防火被覆 開裂 試體一處局 部挫屈 試體多處局 部挫屈 是否滿足CNS12514 判定2 小時之防火時效 通過 通過 不通過第一節 試體行為
壹、 試體 CFBC-1 本組試體於試驗前所測得的混凝土強度為609 kgf/cm2，並依據內政部核可2 小時防火時效規定噴塗厚度至少 12 mm 之防火被覆，實際噴塗的厚度為 15.3 mm。軸向力加載至 1550 噸，並持壓 15 分鐘，隨後進行加溫試驗。爐內升溫曲 線如圖4-1 所示；高溫試驗時柱試體軸向變形與時間的關係如圖 4-2 所示；試體 於爐內溫度與軸向變形的關係如圖4-3 所示；混凝土各斷面測點之溫度與時間關 係圖如圖4-4~4-7 所示；鋼各斷面測點之溫度與時間關係圖如圖 4-8~4-11 所示。 當加熱進行至13 分鐘時，聽到一聲爆裂聲，此時爐內平均溫度約為 733°C。 於加熱約16 分鐘時，發現試體於西面及南面角隅間產生一道長約 75 cm 的明顯 裂縫，此時混凝土與鋼板交界處的溫度(包括 S1 及 S2 測點)約介於 55°C ~70°C 間，而其他混凝土測點尚未有太大變化，約在30°C 左右。 加熱約30 分鐘後，此時爐內平均溫度約為 848.4°C，除了於試體西面及南面 角隅處高約2.5 公尺至 3.5 公尺處發現一道裂縫外，並於柱試體南面高約 0.65 公 尺處發現有些微被覆剝落的現象，此時柱試體軸向變形因受熱膨脹約為伸長 1.3 mm，平均伸長速率為 0.043 mm/min。此時混凝土與鋼板交界處的溫度已升高至 80°C~97.7°C 間，平均溫度為 86.8°C；其他混凝土測點所測得的溫度依舊相近， 並無太大的變化，平均溫度為31.8°C。 加熱約60 分鐘後，爐內平均溫度已達 943.1°C，柱試體持續受熱膨脹，軸向 變形較原長伸長2.6 mm，平均伸長速率為 0.043 mm/min。而混凝土與鋼板交界 處的平均溫度為 148.3°C，最高溫度發生在 BS2 測點，溫度為 169.5°C；於混凝 土深度76 mm 的平均溫度為 44.5°C，最高溫度發生在 AC5 測點，溫度為 49.1°C； 於混凝土深度152 mm 測點的平均溫度為 34.8°C，最高溫度發生在 CC4 測點， 溫度為43.9°C；於混凝土中心處的平均溫度為 30.3°C，最高溫度發生在 AC3 測 點，溫度為30.5°C。 加溫90 分鐘後，此時加熱爐內平均溫度為 1005.4°C，柱試體之軸向變形持232.4°C；於混凝土深度 76 mm 測點的平均溫度為 61.7°C，最高溫度發生在 DC1 測點，溫度為70.8°C；於混凝土深度 152 mm 測點的平均溫度為 40.8°C，最高溫 度發生在CC4 測點，溫度為 54.9°C；於混凝土中心處的平均溫度為 33.5°C，最 高溫度發生在DC3 測點，溫度為 33.8°C。 加熱至120 分鐘時，爐內平均溫度為 1047.9°C，並於停止加熱的瞬間聽到一 聲巨大爆裂聲。混凝土與鋼板交界處的平均溫度為256.0°C，最高溫度發生在 DS2 測點，溫度為286.7°C；於混凝土深度 76 mm 處的平均溫度為 84.6°C，最高溫度 發生在DC1 測點，溫度為 93.4°C；於混凝土深度 152 mm 處的平均溫度為 52.7°C， 最高溫度發生在 CC4 測點，溫度為 58.2°C；於混凝土中心處的平均溫度為 38.6°C，最高溫度發生在 DC3 測點，溫度為 41.7°C。鋼板表面的熱電偶測點於 試驗60 分鐘後陸續損壞，故僅能由鋼板內部之測點來做鋼溫度與時間的討論。 試體於爐內溫度與軸向變形的關係可發現當爐內平均溫度約650°C 時，試體 開始有膨脹伸長的現象，並於爐溫達1000°C 時停止膨脹伸長，至試驗結束保持 此軸向變位。 高溫試驗結束及試體冷卻後，試體在爐內的情況如圖 4-12 所示。觀察到柱 角隅處的防火被覆皆有相當明顯之裂縫，如圖4-13~4-15 所示，研判在同一斷面 下，試體角隅處的溫度較其他區域溫度為高，也發現試體有相當多大小不一的裂 縫分布於柱受熱段四周表面，同時在試體的南、北、東面發現有被覆整塊剝落的 現象，而顏色無明顯變化。此外，試體本身並無明顯水平變形或鋼板挫屈的現象。 依據CNS 12514 規範規定以承重能力為破壞基準，當加溫試驗進行至 2 小 時，柱試體軸向變形為拉伸3.8 mm 及最大拉伸速率為 0.043 mm/min，上述值均 合乎容許之要求，且皆未達到規範所定義之破壞基準，試體滿足2 小時之防火時 效。
0 30 60 90 120 150
Time (min)
0 200 400 600 800 1000 1200T
em
p
erat
u
re (
C)
Furnace Average Temperature CNS12514 Fire Standard Curve
圖 4-1 試體 CFBC-1 加溫爐升溫曲線示意圖 (資料來源：本研究整理) 0 30 60 90 120
Time (min)
-1 0 1 2 3 4 5Ax
ial deformat
ion (mm)
圖 4-2 試體 CFBC-1 高溫試驗時柱加載對軸向變形的影響 (資料來源：本研究整理)0 200 400 600 800 1000 1200
Temperature (
C)
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5Axial deformation (mm)
圖 4-3 試體 CFBC-1 爐內平均溫度與軸向變形變化圖 (資料來源：本研究整理) 0 30 60 90 120 150Time (min)
20 40 60 80 100T
emperature (
C)
0 200 400 600 800 1000 1200Furna
ce temperature (
C)
Section A Furnace C1 C2 C3 C4 C5 圖 4-4 試體 CFBC-1 斷面 A 混凝土之溫度與時間關係圖 C1 C2 C3 C4 C50 30 60 90 120 150
Time (min)
20 40 60 80 100Temperature (
C)
Section B Furnace C1 C2 C3 C4 C5 0 200 400 600 800 1000 1200Furnace temperature (
C)
圖 4-5 試體 CFBC-1 斷面 B 混凝土之溫度與時間關係圖 (資料來源：本研究整理) 0 30 60 90 120 150Time (min)
20 40 60 80 100T
emperature (
C)
0 200 400 600 800 1000 1200Furnace temp
erature (
C)
Section C Furnace C2 C3 C4 圖 4-6 試體 CFBC-1 斷面 C 混凝土之溫度與時間關係圖 (資料來源：本研究整理) C1 C2 C3 C4 C5 C1 C2 C3 C4 C50 30 60 90 120 150
Time (min)
20 40 60 80 100T
emperature (
C)
0 200 400 600 800 1000 1200Furna
ce temperature (
C)
Section D Furnace C1 C2 C3 C5 圖 4-7 試體 CFBC-1 斷面 D 混凝土之溫度與時間關係圖 (資料來源：本研究整理) 0 30 60 90 120 150Time (min)
0 50 100 150 200 250 300T
emperature (
C)
0 200 400 600 800 1000 1200Furna
ce temperature (
C)
Section A S2 S3 S5 Furnace 圖 4-8 試體 CFBC-1 斷面 A 鋼板之溫度與時間關係圖 S1 S2 S3 S4 S5 S6 C1 C2 C3 C4 C50 30 60 90 120 150
Time (min)
0 50 100 150 200 250 300T
emperature (
C)
0 200 400 600 800 1000 1200Furna
ce temperature (
C)
Section B S1 S2 S3 Furnace 圖 4-9 試體 CFBC-1 斷面 B 鋼板之溫度與時間關係圖 (資料來源：本研究整理) 0 30 60 90 120 150Time (min)
0 50 100 150 200 250 300T
emperature (
C)
0 200 400 600 800 1000 1200Furna
ce temperature (
C)
Section C S1 S2 Furnace 圖 4-10 試體 CFBC-1 斷面 C 鋼板之溫度與時間關係圖 (資料來源：本研究整理) S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S60 30 60 90 120 150
Time (min)
0 50 100 150 200 250 300T
emperature (
C)
0 200 400 600 800 1000 1200Furna
ce temperature (
C)
Section D S1 S2 S6 Furnace 圖 4-11 試體 CFBC-1 斷面 D 鋼板之溫度與時間關係圖 (資料來源：本研究整理) S1 S2 S3 S4 S5 S6圖 4-13 試體 CFBC-1 上段試驗後防火被覆裂縫 (資料來源：本研究整理)
圖 4-14 試體 CFBC-1 中段試驗後防火被覆裂縫 (資料來源：本研究整理)
圖 4-15 試體 CFBC-1 下段試驗後防火被覆裂縫 (資料來源：本研究整理) 貳、 試體 CFBC-2 本組試體於試驗前所測得的混凝土強度為 673 kgf/cm2，防火被覆厚度2 小 時防火時效應至少為12 mm，實際防火被覆厚度為 14.3 mm。軸向力加載至 1600 噸，並持壓15 分鐘，隨後進行加溫試驗，爐內升溫曲線如圖 4-16 所示。為了更 進一步探討此試體於加溫超過2 小時耐火時效之行為，便持續加溫至試體破壞， 高溫試驗時柱試體軸向變形與時間的關係如圖 4-17 所示；試體於爐內溫度與軸 向變形的關係如圖 4-18 所示；混凝土各斷面測點之溫度與時間關係圖如圖 4-19~4-22 所示；鋼材各斷面測點之溫度與時間關係圖如圖 4-23~4-26 所示。 當加熱進行至15 分鐘時，即發現試體南面與西面之角隅處之防火被覆因受 高溫裂開，30 分鐘後觀察到南面與東面之角隅處之防火被覆亦有裂開的現象， 此時爐內平均溫度約為837.8°C，而試體柱軸向變形因受熱膨脹而伸長 1.5 mm， 平均伸長速率為 0.050 mm/min。在試體溫度分布方面，混凝土與鋼板交界處的 平均溫度為90.4°C，最高溫度發生在 BS2 測點，溫度為 113°C；此時試體內混凝
當加熱進行至60 分鐘時，爐內平均溫度約為 939.2°C，試體柱依舊持續受熱 膨脹，軸向伸長量增加為2.7 mm，平均伸長速率為 0.02 mm/min。在試體溫度分 布方面，混凝土與鋼板交界處的平均溫度已升高至167.4°C，最高溫度發生在 BS2 測點，溫度為213.6°C；混凝土深度 76 mm 處的溫度已有些微變化，平均溫度為 42.3°C，最高溫度測測點於 AC1 處，溫度為 50.3°C；此時發現混凝土深度 152 mm 處及混凝土中心的溫度尚未有太大的起伏變化，平均溫度分別約為 31.4°C 及 29.6°C。 此外，試體於加熱99 分鐘後聽到一聲爆裂聲，研判是 CFBC 內部混凝土受 高溫使得水分不易自試體內部蒸發而產生的爆裂現象。當加熱進行至 120 分鐘 時，爐內平均溫度約為1052.5°C，此時由觀視窗發現柱試體表面防火被覆已有相 當多大小不一的裂縫及局部剝落的現象，而試體雖然持續受熱膨脹，但膨脹速率 已趨緩。在試體溫度分布方面，混凝土與鋼板交界處的平均溫度已升高至 291.1°C，最高溫度發生在 BS2 測點，溫度為 358.8°C；於混凝土深度 76 mm 處 的平均溫度為81.5°C，最高溫度測測點於 DC1 處，溫度為 96.1°C；而混凝土深 度 152 mm 處之平均溫度約為 46.7°C，最高溫度發生在 DC2 位置處，溫度為 50.2°C；混凝土中心的平均溫度分別約為 41.3°C，最高溫度 43.2°C，發生在 DC3 測點處。柱試體於加熱125 分鐘後停止受熱膨脹，而此時柱試體之軸向最大伸長 量為4.0 mm。 當柱試體加熱超過130 分鐘後開始出現許多大小不一的爆裂聲，軸向變形自 加熱140 分鐘後開始進入壓縮階段，於 176 分鐘時柱試體恢復至加熱前的長度， 即無伸長量及壓縮量。在第179 分鐘時，發現軸向壓縮速率瞬間加快，且油壓機 施加載重已無法達到設定的軸向力量，便停止試驗。此時加溫爐內平均溫度約為 1111.7C。在試體溫度分布方面，混凝土與鋼板交界處的平均溫度為 390.9°C，最 高溫度發生在 BS2 測點，溫度為 512°C；混凝土深度 76 mm 處的平均溫度為 129.1°C，最高溫度測點於 DC1 處，溫度為 145.5°C；而混凝土深度 152 mm 處之 平均溫度約為80.7°C，最高溫度發生在 CC4 位置處，溫度為 92.5°C；混凝土中 心的平均溫度分別約為73.6°C，最高溫度 76.5°C，發生在 BC3 位置處。鋼板表 面的熱電偶測點於試驗60 分鐘後陸續損壞，故僅能由鋼板內部之測點來做鋼溫
試體於爐內溫度與軸向變形的關係可發現當爐內平均溫度約650°C 時，試體 開始有膨脹伸長的現象，並於爐溫達1050°C 時停止膨脹伸長，隨即進入壓縮階 段，直到試體破壞。 試驗結束且試體冷卻後，試體 CFBC-2 在爐內的情況如圖 4-27 所示。除了 發現試體表面有許多長短不一的裂縫外，也觀察到角隅處之防火被覆均產生嚴重 的開裂，且四面皆發現被覆剝落的情形，顏色略微呈現皮膚色，主要是在透氣孔 的位置上，如圖4-28~4-30 所示。此外，試體於柱高(自下端板算起)約 2.35~2.55 公尺處有局部挫屈的現象，如圖 4-31、4-32 所示，此位置的鋼網及防火被覆皆 向外突起並與鋼板分離。 依據CNS 12514 規範規定以承重能力為破壞基準，高溫試驗進行至 2 小時， 柱試體軸向變形為拉伸4.0 mm 及最大拉伸速率為 0.05 mm/min，上述值均合乎 容許之要求，且皆未達到規範所定義之破壞基準，因此試體滿足2 小時之防火時 效。 0 30 60 90 120 150 180
Time (min)
0 200 400 600 800 1000 1200T
em
p
erat
u
re (
C)
Furnace Average Temperature CNS12514 Fire Standard Curve
圖 4-16 試體 CFBC-2 加溫爐升溫曲線示意圖 (資料來源：本研究整理)
0 30 60 90 120 150 180 210
