高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究

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(1)高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國 98 年 12 月.

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(3) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 研究主持人：李玉生協同主持人：楊國珍研. 究. 員：曹源暉. 研究助理：許睿佳、陳映菖. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國 98 年 12 月.

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(5) 目次. 目次表次 ........................................................................................... V 圖次 ........................................................................................ VII 照片次 ......................................................................................XI 摘. 要 .........................................................................................I. 第一章緒. 論 .......................................................................... 1. 第一節研究緣起與背景........................................................ 1 第二節研究方法.................................................................... 3 第三節文獻回顧.................................................................... 4 第四節研究進度規劃............................................................ 8 第二章高溫下鋼材及混凝土材料力學行為 ........................ 11 第一節混凝土材料力學行為.............................................. 11 第二節鋼材力學行為.......................................................... 14 第三節材料高溫力學行為比較.......................................... 20 第三章高溫下軸向載重試驗規劃 ........................................ 23 第一節試體之規劃與製作.................................................. 23 I.

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(7) 目次. 第二節試驗步驟.................................................................. 26 第三節試驗裝置與測計安排.............................................. 28 第四章試驗結果與討論 ................................................... 33 第一節高溫極限強度試驗.................................................. 33 第二節防火時效試驗.......................................................... 42 第三節高溫潛變試驗.......................................................... 48 第四節規範條文之比較...................................................... 52 第五章結論與建議 ................................................................ 65 第一節結論.......................................................................... 65 第二節建議.......................................................................... 65 附錄一期中審查會議紀錄.................................................. 67 附錄二期末審查會議紀錄.................................................. 71 參考書目 .................................................................................. 75. III.

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(9) 表次. 表次表 1.1 斷面尺寸(文獻一至九) ................................................7 表 1.2 預定之研究進度 ............................................................9 表 2.1 Eurocode 建議混凝土高溫下應力應變關係 ..............12 表 2.2 Eurocode 高溫下混凝土應力折減關係 ......................13 表 2.3 本研究混凝土養護 28 天之抗壓強度 ........................14 表 2.4 鋼材高溫下應力應變關係 ..........................................15 表 2.5 高溫下鋼材材料性質折減係數 ..................................16 表 3.1 實驗試體規劃 ..............................................................24 表 3 2 短柱試體規畫表 ..........................................................24 表 4 1 試體極限強度試驗結果 ..............................................33 表 4.2 內灌混凝土之箱型柱試驗結果與理論值比較 ..........39 表 4.3 建築技術規則規定之建築物各部分防火時效 ..........42 表 4.4 高溫下內灌混凝土箱型柱之載重 ..............................44 表 4.5 高溫下鋼材強度折減關係 ..........................................52 表 4 6 內灌混凝土之箱型柱試驗結果與理論值比較 ..........53. V.

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(11) 圖次. 圖次圖 1.1 內灌混凝土銲接箱型柱示意圖 ....................................2 圖 1.2 研究流程圖 ....................................................................8 圖 2.1 高溫下混凝土應力應變曲線圖 ..................................13 圖 2.2 高溫下鋼材應力應變曲線圖 ......................................16 圖 2.3 鋼材拉力試片應力應變曲線圖 ..................................17 圖 2.4 鋼材拉力試片應力應變曲線圖 ..................................17 圖 2.5 鋼材拉力試片應力應變曲線圖 .................................18 圖 2.6 鋼材拉力試片應力應變曲線圖 ..................................18 圖 2.7 鋼材拉力試片應力應變曲線圖 ..................................19 圖 2.8 鋼材拉力試片應力應變曲線圖 ..................................19 圖 2.9 鋼材與混凝土溫度與應變關係 ..................................20 圖 2 10 混凝土熱傳導與溫度關係 ........................................21 圖 2.11 鋼材熱傳導與溫度關係 ............................................22 圖 3 1 箱型柱內灌混凝土之圖示 ..........................................25 圖 3 2 鋼柱試體設計圖 ..........................................................25 圖 3.3 短柱試體及試驗裝置示意圖 ......................................28 圖 3.4 熱電耦線安裝示意圖 ..................................................29 圖 4.1 L-RT 常溫極限強度之載重變形曲線圖 .....................35 圖 4.2 L-300 高溫 300℃極限強度之載重變形曲線圖..........35 圖 4.3 L-400 高溫 400℃極限強度之載重變形曲線圖..........36 圖 4 4 L-500 高溫 500℃極限強度之載重變形曲線圖..........36 VII.

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(13) 圖次. 圖 4.5 L-600 高溫 600℃極限強度之載重變形曲線圖..........37 圖 4.6 L 試體常溫與高溫極限強度正規化之載重變形曲線比較圖 ...........................................................................37 圖 4.7 300℃混凝土中間斷面溫度分佈曲線 .........................39 圖 4.8 400℃混凝土中間斷面溫度分佈曲線 .........................40 圖 4.9 500℃混凝土中間斷面溫度分佈曲線 .........................40 圖 4.10 600℃混凝土中間斷面溫度分佈曲線 .......................41 圖 4.11 防火時效試驗 B1 裸鋼試體載重比與時間關係圖..46 圖 4.12 防火時效試驗 D1 試體載重比與時間關係圖..........46 圖 4.13 防火時效試驗 D2 試體載重比與時間關係圖..........47 圖 4.14 防火時效試驗 D3 載重比與時間關係圖..................47 圖 4.15 防火時效試驗試體載重比與時間關係比較圖 ........48 圖 4.16 典型潛變曲線 ............................................................49 圖 4.17 應力和溫度對材料潛變行為之影響示意圖 ............50 圖 4.18 高溫潛變試驗 F1 試體位移與時間關係圖 ..............50 圖 4.19 高溫潛變試驗 F2 試體位移與時間關係圖 ..............51 圖 4.20 高溫潛變試驗 F3 試體位移與時間關 ......................51 . IX.

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(15) 照片次. 照片次照片 3 1 鋼柱試體組裝照片 ..................................................30 照片 3.2 鋼柱試體銲接完成照片 ..........................................30 照片 3.3 鋼柱試體真直度量測照片 ......................................31 照片 3.4 鋼柱試體灌漿前照片 ..............................................31 照片 3.5 鋼柱試體灌漿中照片 ..............................................32 照片 3.6 鋼柱試體灌漿完成照片 ..........................................32 照片 4.1 L-RT 試體加載前照片 ................................................56 照片 4.2 L-RT 試體最終照片 ....................................................56 照片 4.3 L-300 試體最終照片....................................................57 照片 4.4 L-300 試體最終照片....................................................57 照片 4.5 L-400 試體最終照片....................................................58 照片 4.6 L-500 試體最終照片....................................................58 照片 4.7 L-500 試體最終照片....................................................59 照片 4.8 L-600 試體最終照片....................................................59 照片 4.9 L-600 試體最終照片....................................................60 照片 4.10 D1 試體最終照片.......................................................60 照片 4 11 D2 試體最終照片.......................................................61 照片 4 12 D3 試體最終照片.......................................................61 照片 4 13 F1 試體最終照片 .......................................................62 照片 4 14 F2 試體最終照片 .......................................................62 照片 4 15 F3 試體最終照片 .......................................................63 XI.

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(17) 摘要. 摘. 要. 關鍵詞：混凝土、銲接組合箱型柱、溫度、強度、韌性、耐火時效. 一、研究緣起雖然內灌混凝土已為目前國內高樓建築中提高銲接組合箱型鋼柱勁度普遍採用之方法，然因內灌混凝土之銲接組合箱型鋼柱試驗之相關資料較為缺乏，設計與施工規範亦未臻完善，尤其更缺乏對於大尺寸內灌混凝土箱型鋼柱在高溫下行為之相關資料，可能因此限制了內灌混凝土之銲接組合箱型鋼柱在工程上之推廣。採用內灌混凝土箱型鋼柱可縮小箱型鋼柱斷面尺寸，簡化施工程序，提升構材之強度與韌性與耐火性能，為利於內灌混凝土之銲接組合箱型柱順利推廣於工程實務中實有必要針對其在高溫下之受力行為進行研究，以做為後續擬訂規範所之具體參考。本研究主要針對高溫下採用 SN490B 鋼材銲接組合之內灌混凝土箱型鋼柱承受軸壓力之行為進行研究。研究主題包含(1)溫度對內灌混凝土銲接組合箱型鋼柱強度、勁度與韌性之影響；(2)內灌混凝土銲接組合箱型鋼柱之高溫潛變行為；(3)不同溫度與載重對內灌混凝土銲接組合箱型鋼柱耐火時效之影響等；(4) 最後在與無內灌混凝土之銲接組合箱型鋼柱即裸鋼鋼柱及採用耐火鋼之裸鋼鋼柱高溫行為進行比較，以作為建立鋼柱耐火設計之基礎。預期目標包括建立溫度與採用 SN490B 鋼材之內灌混凝土銲接組合箱型鋼柱強度、勁度與韌性之折減關係。建立溫度、載重與內灌混凝土銲接組合箱型鋼柱高溫潛變行為與耐火時效之關係。. 二、研究方法及過程本研究案之研究工作包括資料蒐集與整理、試體設計、試體製作、柱軸力載重試驗、材料機械性質試驗、實驗數據整理與分析、分析模型之建立、相關規範. I.

(18) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 條文之檢討以及報告與期刊論文撰寫等步驟。採用的研究方法敘述如下：（1）文獻之收集與整理（2）高溫軸壓試驗（3）建立鋼材及混凝土基本性質（4）整理或建立材料分析資料（5）規範條文適用性. 三、重要發現本研究採用斷面為 410×410 mm 高 1250 mm 之內灌混凝土銲接組合型鋼柱進行高溫下結構試驗，由試驗得知高溫下當內灌混凝土銲接鋼柱因鋼板強度降低後，柱之軸力由因導熱性慢，強度下降慢之混凝土承受，而鋼板則以其優良延展性佳，提供為混凝土開裂後所需之延展性。研究中亦發現試體因斷面尺寸大，混凝土又包覆於鋼柱中，雖然鋼柱試體四面均有預留孔幫助加溫時水氣散出，避免試體爆裂，但混凝土中水汽蒸發仍須相當時間，當混凝土溫度接近 300oC 後混凝土溫度趨近一平台，六小時內溫度上升幅度甚微。內灌混凝土箱型柱高溫下極限強度下降幅度較小，600oC 時仍保有 2/3 之常溫強度。各國規範無法真實反映國內鋼材高溫下力學性質，應儘速建立本土化之資料。採用規範提供之強度公式 Pn 0 = As Fy + 0.85 Ac f c′ ，再依據高溫鋼材及混凝土材料強度係數計算試體極限強度與試驗所得極限強度誤差在 10%間。此乃因研究採用短柱型式，試體無論鋼板或混凝土均可達材料之降伏強度。惟對於斷面較為細長之試體，可能因長細比效應之影響，強度折減較大，需另外探討。由內灌混凝土銲接箱型鋼柱防火時效及潛變試驗中發現，當箱型鋼柱加載載重界為 0.3~0.6 常溫極限強度間，箱型鋼柱可維持四小時以上之防火時效，高溫潛變之影響對試體變形量之影響甚微。主要原因為混凝土甚低之導熱性，有效阻絕熱的傳遞使得箱型鋼柱在高溫下可保有相當的耐火性能。過去國際間之研究因對於試體溫度之實際分佈狀況之著墨甚少，導致目前規範對於臨界溫度之推估誤差過大。 II.

(19) 摘要. 本研究採用之斷面屬於短小之大尺寸斷面型式，國際間並無此類大斷面之試驗資料，且已超出 Eurocode 規範中斷面 400mm 及高度 2000mm~5000mm 之限制。此外，因考慮台灣屬於地震帶，國內銲接箱型柱之斷面型式屬於長細比較低之短柱型式，此與國際間如歐洲、加拿大等採用長細比較細長之鋼柱斷面受力行為與破壞模式亦大有不同，因此本研究之結果具有相當之參考價值。. 四、主要建議事項本研究目前歸納出之建議分為立即可進行之研究建議事項與中、長期研究建議事項分別說明於下。立即可行建議事項如下: 建議一：高溫下內灌混凝土耐火鋼箱型鋼柱軸向受力行為主辦機關:內政部建築研究所協辦機關:國立高雄第一科技大學新開發成功之耐火鋼鋼材之耐火溫度為 600℃，在 600℃時其降伏強度仍能維持在室溫值的 2/3 以上。若採用耐火鋼可降低或免除防火被覆的需求，故建議採用耐火性能較佳之耐火鋼作為箱型鋼柱，以進一步提升 CFBC 之耐火性能。. 中、長期研究建議事項如下: 建議一：尺寸效應對內灌混凝土銲接箱型柱高溫結構行為之影響主辦機關:內政部建築研究所協辦機關:國立高雄第一科技大學本研究中內灌混凝土箱型柱採用強度為 420 kg/cm2 之 CFBC 短柱構件，長細比較大之內灌混凝土箱型柱之資料尚未建立，因此建議可針對尺寸效應如斷面大小、細長比等對內灌混凝土銲接箱型柱高溫結構行為之影響進行探討，以建立完整之高溫下內灌混凝土銲接箱型柱設計資料。. 建議二：尺寸效應對內灌混凝土耐火鋼銲接箱型柱高溫結構行為之影響主辦機關:內政部建築研究所. III.

(20) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 協辦機關:國立高雄第一科技大學建立完整之內灌混凝土箱型柱設計資料，亦需針對長細比對採用耐火鋼內灌混凝土箱型柱之高溫結構行為進行研究，故建議進行尺寸效應對內灌混凝土耐火鋼銲接箱型柱高溫結構行為之影響。. 建議三：高溫下無束制鋼梁之結構行為主辦機關:內政部建築研究所協辦機關:國立高雄第一科技大學火害下鋼梁易因高溫軟化變形量增大而喪失抵抗外力之能力，進而可能導致結構物之塌陷，因此建議在建立鋼柱之耐火設計資料後，繼續針對鋼梁之高溫結構行為進行研究。. IV.

(21) 摘要. ABSTRACT Keywords: fire resistance, welded steel box column, in-filled concrete, temperature, strength With in-filled concrete, welded steel box columns not only provide higher load-carrying capacity but also simplified the construction works. In addition, a higher fire resistance can be obtained in comparison with bare steel box columns. The concrete filling of hollow structural section columns have been widely used in the past decades, and the researches related to the fire resistance of such columns have been carried out experimentally and numerically. However, most of the columns were cold formed steel tube with smaller cross section and larger slenderness ratios. The load carrying capacity and failure mode of the cold-formed hollow sections are different from the welded steel box columns with larger dimension and lower slenderness ratio. The objects of this project are to obtain the effect of the temperature on the strength, fire resistance and thermal of the steel box columns with in-filled concrete through experimental works. A total of 12 welded steel box columns were loaded in the fire condition to examine the strength, the fire resistance, and the creep deformation of such columns. Based on the results of this study, it is found that the temperature effect on the ultimate strength of steel box column with infilled concrete is not significant as that of steel box column without concrete filling. The steel box column with infilled concrete is able to retain 66% of room temperature strength at 600oC. The strength of concrete filled steel box columns examined in this study can be determined based on the strength combination of steel and concrete, that is, P = As Fy + 0.85 Ac f c′ . In addition, steel box columns with in-filled concrete provide higher fire resistance than those of steel box columns without concrete filling. Thermal creep is not significant on the behavior of concrete filled steel box columns at elevated temperature.. This project comes to the immediate and long-term strategies. For immediate strategies: V.

(22) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 1. Comparing the fire behavior of steel box columns made of the newly developed Fire-resistance steel. 2. Examining the size effect on structural behavior of concrete-filled steel box columns at elevated temperature.. For long-term strategies: 1. Examining the fire behavior of concrete-filled steel box columns under axial load and bending moment. 2. Establishing a design method for concrete-filled steel box columns and steel columns without concrete filling. 3.. Examining the fire behavior of unrestrained steel beams.. 4.. Examining the fire behavior of restrained steel beams.. 5.. Examining the effect of moment gradient on the fire behavior of steel beams.. VI.

(23) 第一章緒論. 第一章第一節. 緒. 論. 研究緣起與背景. 一、研究緣起銲接箱型鋼柱為國內普遍用於高樓建築之鋼柱型式，與美國之高樓建築常採用之 H 型鋼柱或雙 H 型鋼柱不同，為提高銲接箱型柱之勁度，實務上往往將混凝土灌注於銲接箱型鋼柱內。因而產生了內灌混凝土銲接箱型鋼柱 (Concrete. Filled Box Column，CFBC)。此內灌混凝土銲接箱型柱與鋼管混凝土 (Concrete Filled Tube)不同處在於箱型柱之間柱板採用開槽銲而非冷彎一體成型之鋼管，內灌混凝土銲接箱型鋼柱與鋼管混凝土之受力行為與破壞模式也有所差異。銲接箱型鋼柱已為目前國內高樓建築中普遍採用之方法。而採用內灌混凝土之銲接箱型鋼柱無論強度或勁度均較未灌混凝土之銲接鋼柱高，如此可大幅縮小鋼柱之斷面尺寸，增加建築物之使用空間。再者，以鋼柱取代施工模板，及不需使用主筋與箍筋可大幅簡化採用 RC 柱與 SRC 柱繁瑣之施工程序。且由於鋼柱提供之圍束效果甚佳，亦可大幅提升構材之強度與韌性。內灌混凝土銲接箱型鋼柱除具有常溫強度勁度高，施工便利等等特點外，相較於裸鋼鋼柱或混凝土柱，內灌混凝土銲接箱型鋼柱因混凝土具有低傳導係數之特性亦能大幅提供鋼柱較佳之耐火性能。常溫下混凝土之熱傳導熱傳導係數僅約鋼材之 4/100 倍，且熱傳導係數隨著溫度升高而遞減，800oC 時熱傳導係數為鋼材之 3/1000。因此藉由結合混凝土低傳導係數之特性，可免去或節省防火材料。有鑒於防火設計為高樓建築工程技術中不可或缺之一環，因此本研究規劃進行高溫下內內灌混凝土之銲接組合箱型柱之軸向受力行為。. 1.

(24) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 圖 1.1 內灌混凝土銲接箱型柱示意圖 (資料來源：本研究繪製). 二、研究背景國內現階段內灌混凝土銲接組合箱型柱主要用於高樓建築，在材料方面應以高樓建築用鋼為優先考慮。因此本研究將以 3.5 tf/cm2 等級鋼材，配合通用之. 420kgf/cm2 級的混凝土為主，進行混凝土之灌注。本研究之主題包含溫度對內灌混凝土銲接組合箱型鋼柱強度、勁度與韌性之影響；內灌混凝土銲接組合箱型鋼柱之高溫潛變行為；不同溫度與載重對內灌混凝土銲接組合箱型鋼柱耐火時效之影響等，並與無內灌混凝土之銲接組合箱型鋼柱及採用耐火鋼之裸鋼鋼柱高溫行為進行比較，以作為建立鋼柱耐火設計之基礎。本研究規劃進行斷面為. 410mm×410mm 之較大尺寸鋼柱試驗，以模擬國內高樓建築普遍採用之內灌混凝土之箱型鋼柱。國內外有關高溫下填充型鋼管混凝土柱的研究如較早期 Kodur 及 Lie 等人. (Kodur 1998、Lie and Kodur1996、Lie and Stringer 1994、Lie 1994)針對不同材質的鋼管混凝土高溫耐火時效進行研究，發現鋼管混凝土柱除了在強度上有提升外，其韌性及耐火時效相對也有不錯提升。近期亦有不少學者投入鋼管混凝土柱的火害行為研究，惟此些研究不僅斷面尺寸偏小，柱寬在 100～350mm 之間，而柱板厚度在 4～10mm 之間，而斷面型式大部分使用無縫鋼管或是採用填角銲銲接而成的方形斷面。此種斷面與國內常採用之銲接組合箱型柱有所不同。鑒於國內常使用之內灌混凝土銲接箱型柱與國外常用之斷面略有不同，國 2.

(25) 第一章緒論. 內有不少學者於近年來積極投入內灌混凝土箱型柱之進行研究，惟這些研究均在探討常溫下箱型柱之受力行為，有關耐火性能上的探討仍甚為缺乏，為確保高樓防火之安全，有必要針對內灌混凝土銲接箱型柱之耐防火性能進行探討。. 第二節. 研究方法. 一、研究採用之方法及採用本法之原因本計畫所採用之研究方法及採用本方法之原因敘述如下：（1）文獻之收集與整理收集並整理國內外相關文獻，包含高溫下混凝土柱、裸鋼鋼柱及內灌混凝土柱箱型柱等。本計畫人員對於裸鋼鋼柱高溫下受力行為已有相關經驗之研究，因此將著重內灌混凝土箱型柱之資料收集與彙整。（2）高溫軸壓試驗由於常溫下混凝土之熱傳導係數僅約鋼材之 4/100 倍，且熱傳導係數隨著溫度升高而遞減，800oC 時熱傳導係數為鋼材之 3/1000。由於內灌混凝土箱型柱之強度受斷面溫度分佈之影響，因此尺寸效應的影響不容忽視，故本研究採用大尺寸結構實驗方式進行，以探討其高溫下行為。（3）建立鋼材及混凝土基本性質利用鋼材拉力試驗、混凝土抗壓試驗建立常溫下鋼材及混凝土等材料之基本性質，如降伏強度、抗壓強度、材料之基本應力-應變關係曲線等。同時亦依據文獻或規範之資料建立鋼板及混凝土之高溫性質。（4）整理或建立材料分析在取得材料之應力應變曲線後，收集、整理現有的分析資料，建立混凝土 3.

(26) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 及鋼箱型柱之基本資料，並進一步進行各種參數變化對柱軸力行為的影響。與本計畫之實驗結果作比較，必要時提出模型之修正方式或建立新模型。（5）規範條文適用性評估目前國內無相關較詳盡之設計規範建議，而國外規範條文則以防火時效為重點，忽略鋼柱高溫下本身強度，因此本研究首先建立內灌混凝土高溫強度折減係數，接著探討服務載重下內灌混凝土箱型鋼柱之防火時效，以確保採用內灌混凝土箱型鋼柱之耐火性能。. 第三節. 文獻回顧. 有關研究收集之鋼管混凝土鋼柱高溫行為之相關文獻說明如下：. 一、 Effect of Heating and Loading Histories on Post-Fire Cooling Behavior of Concrete-Filled Steel Tubular Columns(Yang,H.,et. al., 2008) 本文研發一套有限元素軟體以分析火害過程中鋼管混凝土柱的行為。考慮之參數包含溫度、升溫、降溫時載重以及火害後加載至破壞的情況。本文之著重在冷卻時及火害後鋼管混凝土柱之受到載重歷程及加熱歷程的影響行為，之前未被研究過。本文呈現不同載重及加熱階段下的力學性質模型，並使用包含防火、軸向變形及極限強度的鋼管混凝土柱實驗資料來驗證有限元素軟體，發現以此有限元素軟體來預測周遭溫度載重及加熱歷程對降溫及火害後鋼管混凝土柱的行為，載重比、昇溫速率等參數嚴重地影響鋼管混凝土柱的殘餘應力。本文最後提供一系列公式以供預測受過整個火害曝露過程的鋼管混凝土柱之殘存強度。. 二、 Critical factors govering the fire performance of high strength concrete systems(Kodur, V. K. R. ,et. al., 2007) 高強度混凝土逐漸增加使用在建築物應用上，其中結構的火害安全是主要設計考慮之一。許多研究清楚地指出高強度混凝土的火害性能是不同於普通強度混凝土，且高強度混凝土可能不可表示出在火災中相同等級的結果。本研究針對火 4.

(27) 第一章緒論. 災情況下，其材料、結構和火害特性對高強度混凝土的性能的影響。資料從先前實驗和數值的研究，探討混凝土(材料)配比設計和結構細節(設計)對高強度混凝土系統的火害性能影響。發現對於減輕碎裂和提高高強度混凝土構件的抗火害性，不同的影響火害性能因素將幫助發展適當的解決方法。. 三、 Design of concrete-filled hollow structural steel columns for fire endurance (Kodur, V.K.R. ,et. al., 2004) 中空鋼柱的優點從美學及結構性能上被加拿大的建築師及工程師認定已久，最近大部分在美洲。建築法規裡對結構防火的要求會導致結構需求較多的經費。根據載重比、使用性，混凝土強度、勁度的特性，填充加入混凝土的中空鋼柱之混合桿件結構可達防火的時效三個小時以上，。物理試驗和參數研究近來已完成在渥太華的國家火害實驗室，包括預測載重支撐能力和防火時效在集中載重的中空鋼柱柱填充滿混凝土及的設計方程式。已經發表設計方法，在建築技術實例的研究用在描述可能性的應用和有實用價值的建議都已經研究出。. 四、 Effect of strength and fiber reinforcement on fire resistance of high-strength concrete columns (V. K. R. Kodur. ,et. al.,2003) 本研究提出五種類型的鋼筋混凝土柱在耐火害性實驗，其研究中的可變因素考慮包內灌混凝土強度(標準強度混凝土 NSC、高強度混凝土 HSC)骨材種類(矽酸和碳酸骨材)和纖維增強材料(鐵和聚乙烯纖維)。根據研究成果可以定義 HSC 柱在升溫的結構行為，並針對高強度混凝土柱的抗火害性能、普通強度混凝土的抗火害性能和纖維加勁的高強度混凝土柱去做一個比較，討論火害下之高強度混凝土柱混凝土柱的熱和結構行為之影響因素，結果顯示普通強度混凝土柱的抗火害性高於高強度混凝土柱。且聚乙烯纖維的添加和碳酸骨材的使用改善了抗火性能。. 五、 An experimental study and calculation on the fire resistance of concrete-filled SHS and RHS columns (Han, Lin-Hai ,et. al.,2003) 本研究針對填充式鋼管混凝土在火害下及無火害下的行為進行研究比較，並 5.

(28) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 在軸向載重及偏心載重下進行試驗，主要研究部分分為二部份，首先是將複合柱分為方形及長方形，其次，對其影響參數進行分析，像防火時效、斷面尺寸、偏心載重、細長比及複合柱之鋼和混凝土在高溫下強度折減。實驗結果顯示填充式混凝土結構可提供一防火性能並可提高結構之載重比，且此種結構可以較規範 GB50045 中有效降低防火層厚度 20%~70%，最後發展出公式來設計填充式鋼管混凝土結構的耐火性及防火厚度，並將這些結果置於建築條例中，而這些數據是與實驗比較之結果顯然較數值模擬結果合理且有較高之準確性。. 六、 Performance based fire resistance design of concrete filled steel columns (Kodur V.K.R. ,1999) 本研究針對火害下中空鋼柱內灌混凝土進行研究，內灌之混凝土採用常用之設計，可分為純混凝土、纖維混凝土、鋼筋混凝土三種形式，空心鋼柱型式則可分為圓形及方形，試驗的主要參數有加載載重、加載速率、防火時效，試驗的方法為利用 ASTM 標準升溫曲線升溫，試驗結果內灌純混凝土鋼柱會在 1~2 小時內發生破壞。此外，根據試驗參數分析結果可得到填充型鋼柱其防火構件的設計參數，同時也為建築防火設計上提供一有用的指標。. 七、 Fire resistance of axially loaded concrete filled steel tube columns (Jing Yin ,et. al.,2006) 本研究為針對火害下內灌混凝土之填裝型鋼管(CFST)進行軸向試驗之研究成果，鋼管部份可分為方管及圓管，實驗參數主要探討其防火效能，根據實驗結果可以發現，鋼結構的強度折減會隨溫度變化有一趨勢可循，但混凝土結構是非常複雜的，其高溫強度變化與眾多參數間有連慣性反應，如熱應變等效應。此外，比較不同尺寸及鋼板厚度後，針對圓管填充混凝土結構及方管填充混凝土結構的高溫結構行為，發現圓管填充混凝土結構其防火性能較佳。. 八、 Design of CFT hollow structural steel columns for fire endurance (V. K. R. ,et. al.,2000) 加拿大的建築師及工程師認同鋼管混凝土在美學及結構性能上的特點，近期 6.

(29) 第一章緒論. 則大部分在美國。建築法規裡對結構防火的要求會導致結構需求較多的經費。從實驗數據可以發現填充混凝土之結構在不需要加上任何防火措施下可提供吸收熱容量之能力，並使其結構可達防火的時效三個小時以上。相關研究預測集中載重下填充滿混凝土之鋼管柱之承載能力和防火時效，包括設計方程式也已完成在渥太華的國家火害實驗室。本研究已經發表設計方法及建議在建築技術中，提供三種經濟且合乎要求的耐火設計方法，提供未來設計更寬廣的選擇。. 九、 Calculation of the fire resistance of steel hollow structural section columns filled with plain concrete (Lie. T. T. ,et. al.,1994) 本研究依據 46 組內灌混凝土中空鋼管的防火試驗分別建立推估圓型及矩形內灌混凝土中空鋼管的防火時效方法。而此方法亦為目前加拿大規範對於採用內灌混凝土中空鋼管防火時效計算之主要依據。其鋼中空鋼管及內灌混凝土之防火時效限制在 120 分鐘，28 天混凝土抗壓強度為 20~40 MPa，長細比為. 2000mm~4000mm，斷面尺寸為 140 ~ 400 mm。有關目前收集文獻所得之鋼管混凝土斷面尺寸彙整於表 1.1。. 表 1.1 斷面尺寸斷面性質. 矩形斷面. 圓形斷面. 斷面尺寸 D x t(mm). 細長比(kL/r). 305 x 8. 10.3. 鋼筋混凝土. 315 x 8. 23.9. 純混凝土. 140 x 8. 55.6. 純混凝土. 102 x 8. 74.9. 纖維混凝土. 315 x 8. 23.9. 纖維混凝土. 150 x 8. 15.13. 純混凝土. 300 x 8. 7.1. 鋼筋混凝土. 273 x 6.4. 9.98. 鋼筋混凝土. 219 x 3.6. 11.72. 鋼筋混凝土. 內灌混凝土性質. (資料來源：參考書目 17~35). 7.

(30) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 第四節. 研究進度規劃. 本計畫之研究工作包括資料蒐集與整理、試體設計、試體製作、柱軸力載重試驗、材料機械性質試驗、實驗數據整理與分析、分析模型之建立、相關規範條文之檢討以及報告與期刊論文撰寫等步驟，其流程如圖 1.2 所示，預定研究進度如表 1.2 所示。. 圖 1.2 研究流程圖 (資料來源：本研究繪製). 8.

(31) 第一章緒論. 表 1.2 預定之研究進度月工作項目資料搜集及整理. 1 月. 2 月. 3 月. 4 月. 5 月. 6 月. 7 月. 8 月. 9 月. 10 月. 11 12 月月. 試體設計試體製作與養護試體高溫載重試驗材料機械性質試驗試驗數據整理分析相關規範條文檢討專家座談會報告及期刊論文撰寫期中報告期末報告. ※ ※. 預定進度 1 0 1 5 2 0 3 0 4 0 4 5 5 0 6 5 8 0 9 0 100 ( 累積數 ) ﹪ ﹪ ﹪ ﹪ ﹪ ﹪ ﹪ ﹪ ﹪ ﹪ ﹪ 說明：１工作項目請視計畫性質及需要自行訂定，預定研究進度以粗線表示其起訖日期。２預定研究進度百分比一欄，係為配合追蹤考核作業所設計。請以每一小格粗組線為一分，統計求得本計畫之總分，再將各月份工作項目之累積得分(與之前各月加總)除以總分，即為各月份之預定進度。３科技計畫請註明查核點，作為每一季所預定完成工作項目之查核依據。 (資料來源：本研究繪製). 9.

(32)

(33) 第二章高溫下鋼材及混凝土材料力學行為. 第二章高溫下鋼材及混凝土材料力學行為過去國內外有不少針對混凝土及鋼結構桿件高溫行為之研究，如陳舜田教授等人之研究顯示混凝土在 100 度前體積會膨脹但是之後會縮收尤其是 400~600 度之間尤甚，此外混凝土構件火害中溫度到達 800 度時還可以維持 80%左右的常溫強度，但火害後的混凝土強度只剩下 40%以下。而筆者針對不同鋼材(ASTM. A36、A572 Gr. 50、SN490B、SN490FR) 所進行之鋼柱高溫行為之研究發現鋼柱高溫強度無法需同時考慮鋼材高溫下降伏強度彈性模數及斷面細長比等之組合效應，且高溫下鋼柱寬厚比限制可以放寬。若採用內灌混混凝土之箱型鋼柱，其高溫行為除受基本材料性質影響外，亦受尺寸效應及鋼與混凝土合成效應等之影響。為助於了解內灌混凝土箱型柱高溫下受力行為與防火時效，需先了解鋼材與混凝土高溫下之基本特性。因此本章首先彙整混凝土及鋼材高溫下基本性質之資料，以利於後續之討論與比較。. 第一節. 混凝土材料力學行為. 結構桿件之受力行為受基本材料性質影響甚鉅，為助於了解內灌混凝土箱型柱高溫下受力行為與防火時效，需先了解鋼材與混凝土高溫下之基本特性。因此本章首先彙整混凝土及鋼材高溫下基本性質之資料，以利於後續之討論與比較。混凝土之依據高溫基本性質 Eurocode 建議如下：. 1. 溫度應變 ε c ,θ. ε c ,θ = −1.8 ×10−4 + 9 ×10−6 θ + 2.3 ×10−11θ 3. for 20°C ≤ θ c ≤ 700°C. ε c ,θ = 14 ×10−3. for 700°C < θ c ≤ 1200°C. 2.密度. ρc,θ 11.

(34) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. ρc ,θ = ρc ,20. for 20°C ≤ θ c ≤ 115°C. ρ c ,θ = ρ c ,20 [1 − 0.02(θ − 115) / 85]. for 115°C< θ c ≤ 200°C. ρ c ,θ = ρc ,20 [ 0.98 − 0.03(θ − 200) / 200]. for 200°C< θ c ≤ 400°C. ρ c ,θ = ρc ,20 [ 0.95 − 0.07(θ − 400) / 800]. for 400°C< θ c ≤ 1200°C. 3. 熱傳導係數 λc (W/m K). λc = 2 − 0.0245(θc /100) + 0.0107(θc /100)2 for upper limit 20°C ≤ θ c ≤ 1200°C λc = 1.36 − 0.136(θc /100) + 0.0057(θc /100)2 for lower limit20°C ≤ θc ≤ 1200°C. 而依據 Eurocode 建議混凝土高溫下應力應變關係如表 2.1 ， 2.2 。依據. Eurocode 所繪製之混凝土應力-應變關係如圖 2.1 所示。由圖 2.1 中可看出混凝土到達極限強度後，強度以線性關係急速下降。500℃時混凝土可維持 6 成之常溫強度。600℃時則降至 45%之常溫強度。表 2.3 則為本研究所採用混凝土 28 天常溫下抗壓強度，由表中可之混凝土抗壓強度較設計強度高約 17%~20%。. 表 2.1 Eurocode 建議混凝土高溫下應力應變關係應力 σ. σ c,θ 範圍 I. ⎡ ⎛ε = fc,θ ⎢3⎜⎜ c,θ ⎢ ⎝ ε cu,θ ⎣. ⎞ ⎟⎟ ⎠. ⎧⎪ ⎛ ε c,θ ⎨2 + ⎜⎜ ε ⎩⎪ ⎝ cu,θ. kc,θ 與 εcu,θ根據表 2.2 決定範圍 II (資料來源：本研究整理). 12. 線性折減. 3. ⎞ ⎟⎟ ⎠. ⎫⎪⎤ ⎬⎥ ⎥ ⎭⎪⎦.

(35) 第二章高溫下鋼材及混凝土材料力學行為. 表 2.2 Eurocode 高溫下混凝土應力折減關係 kc,θ=fc,θ/fc. 混凝土溫度 θC (℃). NC 1.00 1.00 0.95 0.85 0.75 0.60 0.45 0.30 0.15 0.08 0.04 0.01 0. 20 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200. LC 1.00 1.00 1.00 1.00 0.88 0.76 0.64 0.52 0.40 0.28 0.16 0.04 0. εcu,θ‧103 NC 2.5 3.0 5.5 7.0 10.0 15.0 25.0 25.0 25.0 25.0 25.0 25.0 -. (資料來源：本研究整理). 圖 2.1 高溫下混凝土應力應變曲線圖 (資料來源：本研究整理). 13.

(36) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 表 2.3 本研究混凝土養護 28 天之抗壓強度試體平均尺寸(cm) 直徑. 抗壓強度. kgf/cm2. 高度. 15.04. 30.26. 507. 15.01. 30.19. 492. (資料來源：本研究整理). 第二節. 鋼材力學行為. 鋼材之依據高溫基本性質 Eurocode 建議如下：. 1. 熱效應 l / l. l / l = 1.2 ×10−5θ a + 0.4 ×10−8 × θ a2 − 2.461×10−4. for 20°C ≤ θ a < 750°C. l / l = 1.1×10−2. for 750°C ≤ θ a ≤ 860°C. l / l = 2 ×10−5 × θ a − 6.2 ×10−3. for 860°C < θ a ≤ 1200°C. 2. 比熱. ca (J/kg K). ca = 425 + 7.73 × 10 −1θ a − 1.69 × 10−3θ a2 + 2.22 × 10−6 θ a3. for 20°C ≤ θ a < 600°C. ca = 666 + 13002 /(738 − θ a ). for 600°C < θ a < 735°C. ca = 545 + 17820 /(θa − 731). for 735°C ≤ θ a < 900°C. ca = 600. for 900°C ≤ θ a ≤ 1200°C. 3. 熱傳導係數. λa. (W/m K). λ a = 54 − 3.33 × 10 − 2 θ a. for 20°C ≤ θ a < 800°C. λ a = 27.3. for 800°C ≤ θ a < 1200°C. 依據 Eurocode 建議之鋼材高溫下應力應變關係如表 2.4，高溫下鋼材材料性. 14.

(37) 第二章高溫下鋼材及混凝土材料力學行為. 質折減係數如表 2.5。而依據 Eurocode 建議所繪製之鋼材高溫下應力-應變關係如圖 2.2 所示。本研究所採用之鋼板共進行六支拉力試片試驗，試驗結果如圖. 2.3~2.8 所示。由圖中比較可知本研究之拉力試片具有明顯之降伏平台，此與規範建議之應力應變曲線有所不同，拉力試片所得鋼板平均降伏強度為 3.5 t/cm2，與標稱降伏強度相同。. 表 2.4 鋼材高溫下應力應變關係應變範圍. I. /彈性 ε≦εap,θ II. /變化段 εap,θ≦ε ε≦εay,θ. (f ap ,θ − c ) +. 應力 σ. 切線模數. Ea,θεa,θ. Ea,θ. b a 2 − (ε ay ,θ − ε a ,θ ) 2 a. with a = (ε ay ,θ − ε ap ,θ )(ε ay ,θ − ε ap ,θ 2. + c. Ea ,θ. b 2 = Ea ,θ (ε ay ,θ − ε ap ,θ )c + c 2 c= III. /塑性 εay,θ≦ε ε≦εau,θ. ). b(εay,θ − εa,θ ) a a2 − (εay,θ − εa,θ )2. ( f ay ,θ − f ap ,θ ) 2 Ea ,θ (ε ay ,θ − ε ap ,θ ) − 2( f ay ,θ − f ap ,θ ) Fay,θ. 0. (資料來源：本研究整理). 15.

(38) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 表 2.5 高溫下鋼材材料性質折減係數溫度 (°C). 降伏強度. 彈性限度. 彈性模數. k y ,θ = f y ,θ / f y. k p,θ = f p,θ / f y. k E ,θ = E a ,θ / E a. 20. 1.000. 1.000. 1.000. 100. 1.000. 1.000. 1.000. 200. 1.000. 0.807. 0.900. 300. 1.000. 0.613. 0.800. 400. 1.000. 0.420. 0.700. 500. 0.708. 0.360. 0.600. 600. 0.470. 0.180. 0.310. 700. 0.230. 0.075. 0.130. 800. 0.110. 0.050. 0.090. 900. 0.060. 0.0375. 0.0675. 1000. 0.040. 0.0250. 0.0450. 1100. 0.020. 0.0125. 0.0225. 1200. 0.000. 0.0000. 0.0000. (資料來源：本研究整理). 圖 2.2 高溫下鋼材應力應變曲線圖 (資料來源：本研究繪製) 16.

(39) 第二章高溫下鋼材及混凝土材料力學行為. 圖 2.3 鋼材拉力試片應力應變曲線圖 (資料來源：本研究繪製). 圖 2.4 鋼材拉力試片應力應變曲線圖 (資料來源：本研究繪製). 17.

(40) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 圖 2.5 鋼材拉力試片應力應變曲線圖 (資料來源：本研究繪製). 圖 2.6 鋼材拉力試片應力應變曲線圖 (資料來源：本研究繪製) 18.

(41) 第二章高溫下鋼材及混凝土材料力學行為. 圖 2.7 鋼材拉力試片應力應變曲線圖 (資料來源：本研究繪製). 圖 2.8 鋼材拉力試片應力應變曲線圖 (資料來源：本研究繪製). 19.

(42) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 第三節. 材料高溫力學行為比較. 高溫下鋼材與混凝土性質折減趨勢差異甚大，以高溫下材料之伸長量而言，. 450°C 前鋼材溫度應變大於混凝土溫度應變，450°C 後混凝土溫度應變則大於鋼材溫度應變。在 750°C 與 860°C 之間鋼材之應變維持 11×10−3 之定值。而混凝土在 700°C 之後維持定值 14 × 10−3 ，1010°C 之後，鋼材變溫影響之伸長量再次大於混凝土之變形量。(圖 2.9。). Thermal strain (10^-3). 20 15 10 5. concrete steel. 0 0. 300 600 900 o Temperature ( C). 1200. 圖 2.9 鋼材與混凝土溫度與應變關係 (資料來源：本研究繪製). 雖然熱傳導係數均隨溫度上升而下降，但兩種材料下之熱傳導性有相當之差距，由圖 2.10 與圖 2.11 可以看出常溫到 1200°C 之間，混凝土熱傳導量在 0 到 2 之間，鋼材則從 53 下降至 27 後作特定值，在 400°C ~600°C 時，鋼材熱傳導係 20.

(43) 第二章高溫下鋼材及混凝土材料力學行為. 數約為混凝土之 35 倍。由於高溫下鋼材與混凝土性質變化趨勢不一，對鋼柱軸向受力行為及其破壞模式之影響亦可能不同，因此採用常溫之方式預估高溫強度前須探討其可行性與試用範圍。. 圖 2 10 混凝土熱傳導與溫度關係 (資料來源：本研究繪製). 21.

(44) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 圖 2.11 鋼材熱傳導與溫度關係 (資料來源：本研究繪製). 22.

(45) 第三章高溫下軸向載重試驗規劃. 第三章高溫下軸向載重試驗規劃第一節. 試體之規劃與製作. 本試驗箱型柱採用一般常見之高樓用鋼 SN490B ，內灌混凝土強度為. 6000psi，在高溫下進行試驗，共規劃 12 個試體，試體設計如表 3.1、3.2 及圖 3.1、3.2 所示。 12 組試體中為 11 組填充型箱型柱試體 1 組為裸鋼試體，如表 3.2 所列，其中載重比為試驗施加載重與常溫極限強度之比值，即施加載重(P)與 L-RT 試體之極限強度(Pu,RT)。試體斷面如圖 3.2 所示。試驗規劃分為定溫極限強度試驗、防火時效試驗及潛變試驗等 3 系列，定溫極限強度試驗規畫進行 300 度、400 度、500 度及 600 度。此外混凝土標稱強度為 420 kgf/cm2。柱寬為 410 mm，而柱板的寬厚比（ b t ）為 40。試體長度採用 3 倍柱寬（3D），如圖 3.2 所示。試驗裝置如圖 3.3 所示，軸力以 3000 噸試驗機施加，軸向變形以位移計量測，柱的局部挫屈行為的側向變形採用側向位移計量測。上述試體的標稱強度 PO（ = As Fy + 0.85 Ac f c′ ；其中 As 為鋼骨斷面積， Fy 為鋼骨降伏應力， Ac 為混凝土斷面積， f c′ 為混凝土抗壓強度。）以其常溫設計強度，如表 3.1 所示。考慮實際材料的強度平均高於材料標稱強度至少 20%，此外 PO 通常也會低估實際強度，試體的安全係數採 1.3，常溫試驗安全係數在合理範圍，試體強度接近 3000 噸萬能試驗機之最大容量，通常高溫下強度會下降，但 400 度時，試體試驗過程因升溫不均可能造成局部溫度低於 400 度，而. 400 度下鋼材強度可能會提升 10%左右，但混凝土強度會下降 10%左右，根據文獻混凝土構件火害中溫度到達 800 度時還可以維持 80%左右的常溫強度，因此試體設計上已達試驗機的最大容量。. 23.

(46) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 表 3.1 實驗試體規劃 D. t. ( mm ). ( mm ). 410. 12. Fy. B/t. f'c. P0. 試體尺寸. L、D、F、B. ( kN/cm2 ) ( kN/cm2 ) 40. 34.3. 4.12. ( kN ) 10052. (資料來源：本研究整理). 表 3 2 短柱試體規畫表載重比. 試體編號. 斷面尺寸. 細長比. 試驗內容. L-RT. □410x410x12x12. 7.7. 極限強度試驗. --. 室溫. L-300. □410x410x12x12. 7.7. 極限強度試驗. --. 300. L-400. □410x410x12x12. 7.7. 極限強度試驗. --. 400. L-500. □410x410x12x12. 7.7. 極限強度試驗. --. 500. L-600. □410x410x12x12. 7.7. 極限強度試驗. --. 600. B-1. □410x410x12x12. 7.7. 防火時效試驗. 0.6. 升溫. D-1. □410x410x12x12. 7.7. 防火時效試驗. 0.3. 升溫. D-2. □410x410x12x12. 7.7. 防火時效試驗. 0.4. 升溫. D-3. □410x410x12x12. 7.7. 防火時效試驗. 0.6. 升溫. F-1. □410x410x12x12. 7.7. 潛變試驗. 0.6. 升溫 (1hr). F-2. □410x410x12x12. 7.7. 潛變試驗. 0.6. 升溫 (5hr). F-3. □410x410x12x12. 7.7. 潛變試驗. 0.3. 升溫 (4hr). 註：試體 B-1 不灌混凝土 (資料來源：本研究整理). 24. (P/Pu,RT). 溫度.

(47) 第三章高溫下軸向載重試驗規劃. 圖 3 1 箱型柱內灌混凝土之圖示 (資料來源：本研究繪製). D. CP.. t B-B section. D-2t. t A-A section 吊勾. A-A section. B-B section 100mm 吊勾. t. t. 吊勾. t. t. L. D. D-2t. 圖 3 2 鋼柱試體設計圖 (資料來源：本研究繪製) 25.

(48) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 第二節. 試驗步驟. 當試體配置架設完成後，不同的試驗有不同之實驗方法，以下針對高溫極限強度試驗、防火時效試驗、潛變試驗分別進行說明。. (一)高溫極限強度試驗步驟： 1.. 量測各個試體斷面尺寸以及試體長度並且記錄。. 2.. 裝置熱耦線，熱耦線裝設位置如圖 3.4 所示，使用銲接接合將其固定於安裝位置上。. 3.. 將試體放置至移動基座中心。. 4.. 將試體置於斷面中心之後在試體底部周圍鋪設防火棉。. 5.. 將熱耦線接上確認資料擷取系統並確認訊號正常。. 6.. 架設電熱爐。. 7.. 試體架設完成後打開升溫控制儀器，設定好所需的試驗溫度。. 8.. 觀測熱耦線量測的溫度，開始加溫直到鋼板到達實驗溫度並維持恆溫. 30 分鐘後，再開始進行加載並記錄開始加溫時間、實驗日期。 9.. 將試體放置於油壓機下方中心，進行預壓 5 公噸以內。. 10. 架設軸向位移計。 11. 資料擷取系統測試若無問題，開始以油壓機開始進行加壓並記錄開始加壓時間、日期。. 12. 隨時觀測載重的變化並且注意試體的極限載重。 13. 持續加載直到當載重讀數降至極限載重的 60%即停止試驗，拆除軸向位移計之後將試體卸下，並記錄實際極限載重。. 14. 試體破壞模式拍照。 (二)防火時效試驗步驟： 1.~7 重複試驗(一) 8.將試體放置於油壓機下方定心定平。 9.架設軸向位移計。 26.

(49) 第三章高溫下軸向載重試驗規劃. 10.加載後升溫。 11.觀察反力變化。 (三)潛變試驗步驟： 1.~7.重複試驗(一) 8.將試體放置於油壓機下方定心定平。 9.架設軸向位移計。 10.加載後升溫。 11.觀察位移變化。. 27.

(50) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 第三節. 試驗裝置與測計安排. 高溫試驗裝置如圖3.3所示，在上下兩鋼板之間架設位移計，其目的在量測試驗之軸向位移量及於初始加壓時能夠檢測是否產生偏心加載的情況。. LOAD. 加載板. 軸向位移計. 電熱爐. 3D. 試體. 圖 3.3 短柱試體及試驗裝置示意圖 (資料來源：本研究繪製). 為了控制試體加熱溫度，在試體周圍依 CNS 規範之規定裝設熱電耦線. ( Thermocouple )，位置如圖3.4所示。. 28.

(51) 第三章高溫下軸向載重試驗規劃. 25cm 20cm 20cm 20cm 20cm 20cm 熱電耦線. 圖 3.4 熱電耦線安裝示意圖 (資料來源：本研究繪製). 29.

(52) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 照片 3 1 鋼柱試體組裝照片 (資料來源：本研究拍攝). 照片 3.2 鋼柱試體銲接完成照片 (資料來源：本研究拍攝). 30.

(53) 第三章高溫下軸向載重試驗規劃. 照片 3.3 鋼柱試體真直度量測照片 (資料來源：本研究拍攝). 照片 3.4 鋼柱試體灌漿前照片 (資料來源：本研究拍攝) 31.

(54) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 照片 3.5 鋼柱試體灌漿中照片 (資料來源：本研究拍攝). 照片 3.6 鋼柱試體灌漿完成照片 (資料來源：本研究拍攝). 32.

(55) 第四章試驗結果與討論. 第四章. 試驗結果與討論. 本研究針對 12 支內灌混凝土銲接箱型柱進行高溫下軸壓試驗，其中包含 5 支箱型柱高溫極限強度試驗，4 支防火時效試驗及 3 支高溫潛變試驗，試驗結果及討論說明於下。. 第一節高溫極限強度試驗高溫極限強度為提供防火設計時內灌混凝土銲接箱型柱之強度預估之方法，本研究首先進行箱型柱定溫下極限強度試驗，試驗溫度包含室溫、300℃、. 400℃、500℃至 600℃。試驗結果彙整於表 4.1。. 表 4 1 試體極限強度試驗結果試體編號. 斷面尺寸. (L=1250mm). 細長比. 溫度 (℃). L-RT. □410x410x12x12. 7.7. L-300. □410x410x12x12. L-400 L-500. 極限強度. (Pu,T) (kN). Pu,T/Pu,RT. 破壞模式. RT. 13113. 1.00. 局部挫屈. 7.7. 300. 12375. 0.94. 局部挫屈. □410x410x12x12. 7.7. 400. 10493. 0.80. 局部挫屈. □410x410x12x12. 7.7. 500. 9547. 0.73. 局部挫屈. L-600 □410x410x12x12 7.7 註：RT 為室溫(room temperature) (資料來源：本研究整理). 600. 8591. 0.66. 局部挫屈. 圖 4.1~4.5 為常溫與高溫下內灌混凝土箱型鋼柱之載重與變位曲線圖。試體. L-300 在 300℃恆溫下開始試驗，試驗加載至 10772kN 時，因為部份混凝土開裂使得強度略為降低至 10589kN，但因箱型鋼柱提供良好之圍束效應，強度繼續上升至 10611kN 時，又有部份混凝土的開裂又讓強度降低至 10465kN，因箱型鋼柱的圍束效應，讓強度繼續上升至 300℃的極限強度 12375kN，因鋼柱銲道開裂，使得試體無法承受原來的載重後，強度突然驟降。 33.

(56) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 試體 L-400 在 400℃恆溫下開始試驗，試驗加載至 10161kN，混凝土開裂後強度降至 10133kN，此時鋼柱還可承受載重，強度繼續上升直到銲道開裂後，達. 400℃的極限強度 10493kN，因為萬能試驗機油壓衝程不夠所以停止試驗。試體 L-500 在 500℃恆溫下開始試驗，試驗加載至 500℃的極限強度 9547kN 後，載重就上升不去，開始慢慢往下降，因為這時鋼材性質變得較軟，加上混凝土部分開裂，所以強度開始慢慢下降，過程中強度降得很慢，形成一個平台，當試體強度降至極限強度六成，停止試驗。試體 L-600 在 600℃恆溫下開始試驗，試驗加載至 600℃極限強度 8591kN 後，此時鋼材性質變得比 500℃更軟，強度一直下降，因為鋼材的軟化加上混凝土沒有開裂很嚴重，下降過程中，也與 500℃一樣，形成一平台，之後降至極限強度的六成後，停止試驗。由 500℃與 600℃試體到達極限強度之後試體之受力變形關係可看出內灌混凝土箱型鋼柱可藉由鋼柱提供之圍束效應使試體在高溫下可具有相當之韌性。試驗結果亦顯示，試體於常溫下的極限強度值(Pu,RT)為 13113kN，300℃時為常溫極限強度的 0.94 倍 (12375kN) ， 400 ℃時為常溫極限強度的 0.8 倍. (10493kN)，500℃時為常溫極限強度 0.73 倍(9547kN)，600℃為常溫極限強度 0.66 倍 (8591kN)。四種高溫下的極限強度皆可維持常溫極限強度的 2/3 以上。且內灌混凝土之箱型鋼在 500℃至 600℃之間強度差值僅為常溫下強度 0.07 倍，因混凝土熱傳導慢，再加上其抗壓性及箱型鋼在外提供圍束混凝土的效應，使內灌混凝土之箱型鋼柱在高溫下的強度沒有明顯的下降。相較於裸鋼箱型鋼柱溫度在. 500℃至 550℃間強度會急劇的下降，500℃至 550℃間裸鋼鋼柱強度差異約常溫下強度 20%，突顯出採用內灌混凝土型式之箱型鋼柱可大幅提高高溫下鋼柱軸向受壓之行為。圖 4.6 為試體常溫、300℃、400℃、500℃、600℃之正規化曲線。由圖中可看出高溫下鋼柱試體初使勁度有隨著溫度上升而下降趨勢，此主要原因高溫下材料性質軟化所致。各試體在到達極限強度後強度雖然有下降的趨勢但，仍可維持相當之變形量，並未發生脆性破壞。此乃由於鋼材的延展性提供混凝土開裂之圍 34.

(57) 第四章試驗結果與討論. 束效應使試體到達極限強度後還能維持一定之強度。直到銲道開裂試體無法提供良好的圍束效應才喪失其抵抗軸向載重的能力。. 圖 4.1 L-RT 常溫極限強度之載重變形曲線圖 (資料來源：本研究繪製). 圖 4.2 L-300 高溫 300℃極限強度之載重變形曲線圖 (資料來源：本研究繪製) 35.

(58) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 圖 4.3 L-400 高溫 400℃極限強度之載重變形曲線圖 (資料來源：本研究繪製). 圖 4 4 L-500 高溫 500℃極限強度之載重變形曲線圖 (資料來源：本研究繪製). 36.

(59) 第四章試驗結果與討論. 圖 4.5 L-600 高溫 600℃極限強度之載重變形曲線圖 (資料來源：本研究繪製). 圖 4.6 L 試體常溫與高溫極限強度正規化之載重變形曲線比較圖 (資料來源：本研究繪製). 37.

(60) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 常溫下，軸壓箱型柱內灌混凝土試體強度可依據複合材料強度 P0 = PC + PS 計算，其中 Ps. = AS Fy 代表箱型鋼柱之強度， Pc = 0.85 fc' Ac 則為內灌混凝土之軸壓。. 因本研究之試體屬於短柱試體型式，長細比僅為 7.7，承受軸向載重時可發揮其塑性強度，因此高溫下鋼柱之極限強度可利用高溫下鋼材降伏強度折減與混凝土強度折減去預估，高溫下鋼材之折減係數採筆者過去鋼柱試驗所得之資料 ( 表. 4.5)，高溫下混凝土材料之折減則採用 Eurcode 之建議(表 2.2)。舉例而言，500℃時鋼材降伏強度與混凝土抗壓強度分別折減 0.57 及 0.75，此時在內灌混凝土試體 500℃時極限強度可依下式計算：. Ps = 191.04 × 3.5 × 0.57 = 381.1248(ton). Pc = 0.85×1489.96×0.5×0.75 = 474.924(ton) Ps + Pc = 447.9888 + 569.9097 = 922.91(ton) 表 4.2 所示為試體試驗強度與預估強度的整理，其中試體預估強度分成試驗量測所得之鋼材和混凝土的溫度所預估之預估(Ppre,△T)與試驗前假設鋼材和混凝土為均溫之預估值(Ppre,T)。由圖中可以看出因為試體混凝土斷面比鋼材大，且混凝土熱傳慢，試驗實際量測所得的鋼材與混凝土溫差達 200 度以上，如圖. 4.7~4.10，試驗溫度在 300℃及 400℃時，鋼材與混凝土溫差大約 200℃上下，試驗溫度在 500℃與 600℃下，鋼材與混凝土溫差約 300℃上下，混凝土達 300℃後溫度維持一平台，因水氣未完全蒸發，所以溫度在 300℃上下。預估值 Ppre,△T 與實驗值 Pexp 之誤差在 2%~17%間。而採用鋼材與混凝土均溫預估所得之 Ppre,T 與實驗值 Pexp 之誤差在 20~30%間。由此數據可看出，鋼柱之高溫強度受混凝土溫度分布的影響甚鉅。藉由混凝土的低熱傳導特性可讓混凝土維持一定強度，且確保內灌混凝土箱型鋼柱之高溫下之強度。此外，對於本研究所採用之短柱型式箱型柱，在試體內部混凝土溫度分佈已知的情況下，依據常溫下複合材料強度強度計算方式並考慮材料高溫強度折減及可提供一準確且保守之強度預估值。. 38.

(61) 第四章試驗結果與討論. 表 4.2 內灌混凝土之箱型柱試驗結果與理論值比較試體編溫度 (℃) 號. Pexp (kN). Ppre,△T. Ppre,△T/Pexp. Ppre,T/Pexp. (kN). Ppre,T (kN). L-RT. RT. 13113. 12758. 12758. 0.97. 0.97. L-300. 300. 12375. 10237. 9927. 0.83. 0.80. L-400. 400. 10486. 9975. 9044. 0.95. 0.86. L-500. 500. 9547. 9320. 7458. 0.98. 0.78. L-600. 600. 8591. 8282. 5675. 0.96. 0.66. 註：Ppre,△T 為依實驗量測之鋼材與混凝土溫度之試體強度；Ppre,T 為假設鋼材與混凝土均溫之預估強度值 (資料來源：本研究整理). 圖 4.7 300℃混凝土中間斷面溫度分佈曲線 (資料來源：本研究繪製). 39.

(62) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 圖 4.8 400℃混凝土中間斷面溫度分佈曲線 (資料來源：本研究繪製). 圖 4.9 500℃混凝土中間斷面溫度分佈曲線 (資料來源：本研究繪製) 40.

(63) 第四章試驗結果與討論. 圖 4.10 600℃混凝土中間斷面溫度分佈曲線 (資料來源：本研究繪製). 41.

(64) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 第二節. 防火時效試驗. 為確保建築結構之防火安全，建築技術規則設計施工編第七十條規定，在柱構件部分自頂層算起一至四樓必須有一小時防火時效，四至十四樓必須有兩小時防火時效，十五樓以上必須有三小時防火時效（表 4.3）。. 表 4.3 建築技術規則規定之建築物各部分防火時效自頂層起算超過第四自頂層起算不超過四自頂層起算第層至第十四層之各樓層之各樓層十五層層. 構造物承. 重. 牆. 一小時. 一小時. 二小時. 一小時. 一小時. 一小時. 半小時. 半小時. 半小時. 一小時. 一小時. 一小時. 樑. 一小時. 二小時. 三小時. 柱. 一小時. 二小時. 三小時. 樓地板. 一小時. 二小時. 二小時. 非防火帶以外牆承內部份牆壁重防火帶以牆外部份分. 間. 牆. 屋頂. 半. 小. 時. (資料來源：本研究整理). 在高樓建築中，中低層樓之柱往往因為端點梁勁度及上部結構物載重之影響，造成在柱端點的束制力較高，使得柱在兩端點上無法自由伸長或旋轉。但在火災發生時，由於鋼結構材料的熱膨脹及端點束制，會造成鋼柱高溫下產生額外內應力即所謂熱效應引致之內力，使得鋼柱在受火災時，所承受之載重增加進而造成鋼柱之破壞。而內灌混凝土之箱型鋼柱則因混凝土受熱膨脹較小，使得因溫度升高而引致之熱應力相對較小。若在所須之防火時效內鋼柱試體能抵抗初始載重與熱效應產生之反力之作用則鋼柱不會破壞。影響束制鋼柱高溫下反力大小之可能因素有三，一為鋼柱端點轉角和縱向束制的勁度;二為鋼柱溫度變化;第三則是鋼柱外加載重的大小。 42.

(65) 第四章試驗結果與討論. 實際火災中，鋼柱因溫度上升而有膨脹之趨勢，但因鋼柱兩端點受到相鄰樑柱結構等之束制而無法自由膨脹，因此會產生束制之反力。再加上鋼材與混凝土受溫度影響使材料本身強度與勁度均降低，因此考慮溫度影響，利用內灌混凝土箱型柱在軸向載重作用下變位一致之原理可得 δP,s −δT,s =δP,c −δT,c ，及平衡關係可求得鋼柱與混凝土個別之受力狀況如 4.1 及 4.2 式。. Pc =. (−∂cΔTc +∂sΔTs )(Es As Ec Ac ) − PE 0 c Ac ……..(4.1) −(Es As + Ec Ac ). Ps =. (−∂cΔTc +∂sΔTs )(Es As Ec Ac ) + PE 0 s As ……..(4.2) Es As + Ec Ac. 其中，. δ P ,s. 鋼柱受軸力影響之伸長量； δ T , s. δ P ,c. 混凝土柱受軸力影響之伸長量； δ T , c. ∂c Δ Tc. 混凝土熱膨脹係數； ∂ s. 混凝土溫度變化量； Δ Ts. Es. 鋼材彈性模數； Ec. As. 鋼材斷面積；. Ac. 鋼柱受溫度影響之伸長量；混凝土柱受溫度影響之伸長量；. 鋼材熱膨脹係數；. 鋼材溫度變化量；. 混凝土彈性模數；混凝土斷面積；. 由於高溫中使得鋼材與混凝土很快的進入非彈性階段，所以鋼材與混凝土必須考慮高溫下材料之非線性行為，在無實際量測高溫材料之應力應變曲線時可採用第二章中 Eurocode 所建議之混凝土與鋼材高溫下應力應變曲線。依據 4.1 及. 4.2 式計算所得各試體鋼柱與混凝土分擔之外力如表 4.4。. 43.

(66) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 表 4.4 高溫下內灌混凝土箱型柱之載重試體編號. B1. D1. D2. D3. 加載載重(kN). 3931. 3934. 5245. 7867. As( cm 2 ). 191. 191. 191. 191. Ac( cm 2 ). --. 1490. 1490. 1490. αs. 1.36E-05. 1.31E-05. 1.27E-05. 1.22E-05. αc. --. 9.16E-06. 9.1E-06. 9.06E-06. △Ts(℃). 342. 246. 166. 0. △Tc(℃). --. 43. 48. 0. Es(kg/ cm 2 ). 1.65E+06. 2.01E+06. 2.1E+06. 2.1E+06. Ec(kg/ cm 2 ). --. 9.8E+05. 9.8E+05. 9.8E+05. Po(kN). 5936. 4616. 5459. 7867. Ps(kN). 5936. 9480. 6341. 1695. Pc(kN). --. -4792. -882. 6172. (資料來源：本研究整理). 為了探討內灌混凝土鋼柱防火時效內熱效應之影響，防火時效試驗中共採用四支試體進行試驗，其中包含一支箱型柱裸鋼試體及三支內灌混凝土之箱型柱試體。試體斷面尺寸與高溫極限強度試驗之試體相同。除第一組裸鋼試體之加載載重採用設計強度為加載載重之六成外，內灌混凝土之試體加載載重則依據前述極限強度試驗結果所得之常溫極限強度作為加載載重之設計依據，加載載重分別為. 30%、40%及 60%之常溫極限強度。圖 4.11~4.15 為防火時效試驗所得之時間與載重關係圖與比較圖。圖 4.11 為裸鋼箱型鋼柱之時間與載重關係圖設計載重。由圖中可看加載至設計載重後開始升溫，在火害延時 120 分鐘到達最大載重比 1.53,此時試體所對應之平均溫度,鋼板為 346 度，然後載重開始下降，表示溫度繼續升高試體無法再受較大的載重。在火害延時 203 分鐘後，載重降至初始加載載重後裸鋼試體無法承受此初始載重而迅速破壞。. 44.

(67) 第四章試驗結果與討論. 圖 4.12 為設計載重 0.3Pu 加溫 4 小時之載重與時間關係圖。由圖中可看出加載至設計載重後開始升溫，在火害延時 146 分鐘到達最大載重比 1.173,此時試體所對應之平均溫度，鋼板為 240 度，混凝土為 73 度，然後載重開始下降，表示溫度繼續升高試體無法再受較大的載重。在火害延時 283 分鐘後，超過 4 小時,載重比皆大於 1，表示試體因束制所產生的反力仍存在，試體除可以抵抗原設計載重外,亦可承受因熱效應所產生的額外載重，試體並未破壞。由圖 4.13 為加載 40%常溫載重之試體(D2)。當火害延時到達 116 分鐘載重到達最大載重比 1.051，此所對應之鋼板平均溫度為 190 度，混凝土平均溫度為. 73 度，隨後試體載重比開始下降。在延時 203 分鐘載重比下降為 1，代表載重降為所初始加載載重，而後試體升溫達 4 小時候，停止試驗。而圖 4.14 則為採用. 60%常溫極限載重作為加載載重之試體(D3)。由圖 4.14 顯示試體承受 60%常溫極限載重時因試體變形量持續增大導致試體載重逐漸下降，試體並未因受熱膨脹而產生反力，試驗到達四小時後停止試驗，惟此時試體並未破壞。圖 4.15 為防火時效試驗中四支試體經載重正規化後之試體載重比與防火歷時圖。由圖中可明顯看出在相同載重比作用下(60%之常溫強度)，裸鋼試體因鋼材熱傳導係數大，試體因溫度升高所產生之變形量相對較大，在鋼柱試體兩端束制的情況下，受熱膨脹之變形轉換之反力亦較內灌混凝土之箱型柱高出甚多。而此額外增加之反力與高溫下鋼材之軟化導致裸鋼鋼柱之破壞。而內灌混凝土之試體因混凝土熱傳導係數甚低，與鋼板溫差可達 200oC 以上，導致兩端束制無法自由膨脹之內灌混凝土鋼柱試體在高溫下混凝土受鋼材拉伸而鋼柱則承受壓力，如表 4.4.所示。隨著載重比自 0.3 之常溫載重增加至 0.4 倍之常溫載重時混凝土所承受之拉力而由 489kN 減少到 90kN。當載重提高到 0.6 倍之常溫載重時，混凝土則與鋼板同時分擔此軸壓力，而無熱效應產生之反力。. 45.

(68) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 圖 4.11 防火時效試驗 B1 裸鋼試體載重比與時間關係圖 (資料來源：本研究繪製). 圖 4.12 防火時效試驗 D1 試體載重比與時間關係圖 (資料來源：本研究繪製). 46.

(69) 第四章試驗結果與討論. 圖 4.13 防火時效試驗 D2 試體載重比與時間關係圖 (資料來源：本研究繪製). 圖 4.14 防火時效試驗 D3 載重比與時間關係圖 (資料來源：本研究繪製). 47.

(70) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 圖 4.15 防火時效試驗試體載重比與時間關係比較圖 (資料來源：本研究繪製). 第三節. 高溫潛變試驗. 目前的鋼結構設計中，一般未考慮鋼材在常溫下潛變行為之影響，主要是因為鋼材在常溫下雖然會產生濳變變形，但是此變形量對結構體的整體行為影響不大，故可以忽略其濳變在常溫下的影響。相較於鋼結構，常溫下混凝土結構之設計及須考慮潛變之影響，惟潛變應變為考慮長時載重之情況。高溫下材料主要受溫度和應力影響其潛變速率和濳變行為。圖4.16為典型的濳變與時間的關係曲線圖。由圖中可知濳變變形大致上可以分為三個階段，第一階段（Ⅰ）為初期的濳變（primary creep），此階段是一種短時間內且在加載後ㄧ開始所產生的濳變。第二階段（Ⅱ）為穩態的濳變 (secondary creep 或 steady-state creep)，這階段的濳變是以固定潛變速率增加，且此階段存在一最小的潛變速率。第三種階段（Ⅲ）為試體到達破壞的濳變 (tertiary creep)，當濳變量到達到某一值後會因為內部孔隙或局部頸縮所造成應力集中導致應變速率迅速增加而破壞。依據曾冠華、于宗漢、游鈞棋及游鎮安等人之研究顯示高溫下鋼柱之潛變 48.

(71) 第四章試驗結果與討論. 行為受溫度高低和應力大小之影響，且其潛變行為大致可分為三種不同類型的曲線，而此三種類型曲線分別代表不同應力大小或溫度狀態，如圖4.17所示。第一類型潛變曲線是指應力較小或溫度較低時，曲線只會達到濳變的第二階段，即穩態階段，因潛變速率小故材料不至於破壞;第二類型潛變曲線為適度的應力或溫度，由其曲線會可看出此類型潛變變形包含三種濳變階段;而三類型潛變曲線為應力較大或溫度較高，試體直接從初期潛變階段進入第三階段的破壞。為了解高溫下潛變對內灌混凝土箱型鋼柱耐火行為的影響，故本研究分別節將針對高溫內灌混凝土潛變行為加以研究，以對內灌混凝土鋼柱耐火行為有所瞭解。潛變試驗結果如圖4.18~4.20所示之試體變形與時間關係圖。由圖4.18 中，可看出加載30%的常溫極限載重升溫4.5小時，潛變曲線幾乎沒有變化，由這邊可以發現加載0.3倍的常溫極限載重潛變沒有影響。圖4.19，加載60%的常溫極限載重升溫一小時中，變位幾乎沒有增加。圖4.20中，加載0.6倍的常溫極限載重升溫5小時中，前段1小時內與圖4.19一樣沒有變化，一小時之後變位開始增加，在延時2小時到5小時間，潛變速率為5.48x10-4mm/hr。. strain. primary creep. 初期. steady-state creep. 穩態潛變. 潛變. tertiary creep. 破壞潛變變. time. 圖 4.16 典型潛變曲線 (資料來源：本研究繪製). 49.

(72) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. s1 or T1. creep strain. s1>s2>s3. s2 or T2. T1 >T2 >T3 T : temperature s : stress. s3 or T3 time. 圖 4.17 應力和溫度對材料潛變行為之影響示意圖 (資料來源：本研究繪製). 圖 4.18 高溫潛變試驗 F1 試體位移與時間關係圖 (資料來源：本研究繪製). 50.

(73) 第四章試驗結果與討論. 圖 4.19 高溫潛變試驗 F2 試體位移與時間關係圖 (資料來源：本研究繪製). 圖 4.20 高溫潛變試驗 F3 試體位移與時間關 (資料來源：本研究繪製). 51.

(74) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 第四節規範條文之比較 1. 鋼材高溫力學行為表 4.5 所示為各國規範及筆者過去研究所採用與本研究相同鋼材之材料高溫折減係數，由表中可知各國規範對鋼材高溫力學行為之建議有所差異，且與國內常用鋼材間亦有不同，需蒐集共多之資料建立完整之資料庫，以便建立本土化鋼材高溫力學行為之特性。. 表 4.5 高溫下鋼材強度折減關係 Codes Temp. (oC). AIJ Fy. Eurocode, CAN/CSA-S16. BS 5950 Fu. Fy. Fy. Fy. (0.5%) (1.5%) (2.0%). 本研究. Fy. Fu. Fy. Fu. 30. 1.00 1.00 1.000. 1.000. 1.000. 1.000. 1.000. 1.00. 1.00. 100. 1.00 1.00 0.970. 1.000. 1.000. 1.000. 1.000. 0.93. 0.93. 200. 1.00 1.00 0.946. 1.000. 1.000. 1.000. 0.807. 0.86. 0.94. 300. 1.00 1.00 0.854. 1.000. 1.000. 1.000. 0.613. 0.71. 0.97. 400. 0.78 0.78 0.798. 0.956. 0.971. 1.000. 0.420. 0.67. 0.88. 500. 0.56 0.53 0.622. 0.756. 0.776. 0.780. 0.360. 0.57. 0.64. 600. 0.33 0.29 0.378. 0.460. 0.474. 0.470. 0.180. 0.44. 0.38. 700. 0.11 0.12 0.186. 0.223. 0.232. 0.230. 0.075. 0.23. 0.21. 800. 0.00 0.00 0.071. 0.108. 0.115. 0.110. 0.050. --. --. (資料來源：本研究整理). 2. 內灌混凝土箱型鋼柱高溫極限強度依據 AISC 規範常溫下公式計算並考慮鋼材與混凝土高溫強度折減所得之內灌混凝土鋼柱高溫強度與試驗值列於表 4.6。由表中因本試驗採用短柱試體故鋼柱可發揮其塑性強度，採用 AISC 規範可提供依精確且保守之預估值。. 52.

(75) 第四章試驗結果與討論. 表 4 6 內灌混凝土之箱型柱試驗結果與理論值比較溫度 (℃). Pexp (kN). Ppre,△T. L-RT. RT. 13113. 12758. 0.97. L-300. 300. 12375. 10237. 0.83. L-400. 400. 10486. 9975. 0.95. L-500. 500. 9547. 9320. 0.98. L-600. 600. 8591. 8282. 0.96. 試體編號. Ppre,△T/Pexp. (kN). 註：Ppre,△T 為依實驗量測之鋼材與混凝土溫度之試體強度；Ppre,T 為試體前假設鋼材與混凝土均溫之預估強度值 (資料來源：本研究整理). 3. 內灌混凝土箱型鋼柱火災中之臨界溫度依 Eurocode 規範預估本研究中加載 0.3Pu 鋼柱試體之臨界溫度如下：. a.加載 0.3Pu 之臨界溫度 0.3Pu =3933kN. N cr =. π 2 EI L2e , fi. =721239. N u = f y A =12758. λ=. Nu =0.133 N cr. λθ = 1.2 × λ =0.1596 α = 0.65 235 / f y =0.538 ϕθ = 0.5(1 + αλθ + λθ 2 ) =0.556 χ fi =. 1. ϕθ + ϕθ 2 − λθ 2. =0.92. k y ,θ = N b , fi ,t , Rd ( χ fi Af y γ M , fi ) =3933/(0.92X12758)=0.335. 53.

(76) 高溫下含混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 查表 2.4，加載 0.3Pu 載重之臨界溫度為 656.25℃。. b.加載 0.4Pu 之臨界溫度 0.4Pu=5245.2kN N cr =. π 2 EI L2e , fi. =721239. N u = f y A =12758. λ=. Nu =0.133 N cr. λθ = 1.2 × λ =0.1596. α = 0.65 235 / f y =0.538 ϕθ = 0.5(1 + αλθ + λθ 2 ) =0.556 χ fi =. 1. ϕθ + ϕθ 2 − λθ 2. =0.92. k y ,θ = N b , fi ,t , Rd ( χ fi Af y γ M , fi ) =5245.2/(0.92X12758)=0.446 查表 2.4，加載 0.4Pu 載重之臨界溫度為 608.3℃。. c.加載 0.6Pu 之臨界溫度 0.6Pu=7867.8kN N cr =. π 2 EI L2e , fi. =721239. N u = f y A =12758. λ=. Nu =0.133 N cr. λθ = 1.2 × λ =0.1596 α = 0.65 235 / f y =0.538 54.

(77) 第四章試驗結果與討論. ϕθ = 0.5(1 + αλθ + λθ 2 ) =0.556 χ fi =. 1. ϕθ + ϕθ 2 − λθ 2. =0.92. k y ,θ = N b , fi ,t , Rd ( χ fi Af y γ M , fi ) =7867.8/(0.92x12758)=0.67 查表 2.4，加載 0.6Pu 載重之臨界溫度為 530.6℃。. 55.