行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
耐火鋼箱型鋼柱受火結構行為研究(2/3)
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC92-2211-E-011-030-
執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學營建工程系
計畫主持人： 陳生金
計畫參與人員： 陳生金 楊國珍 林村棋
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 93 年 6 月 18 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫期中精簡報告
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※ 耐火鋼箱型鋼柱受火結構行為研究(二) ※
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計畫類別：個別型計畫
計畫編號：NSC 92-2211-E-011-030
執行期間：92 年 08 月 01 日至 93 年 7 月 31 日
計畫主持人：陳生金 國立台灣科技大學營建系 教授
共同主持人：楊國珍 國立高雄第一科技大學營建系 助理教授
成果報告類型：精簡報告
執行單位：國立台灣科技大學營建系 國立高雄第一科技大學營建系
中 華 民 國 93 年 5 月 31 日
一、 中文摘要
耐火鋼為一種新式之鋼材，其能克服傳 統鋼材在高溫下強度不足的缺點，在 600℃時 其降伏強度仍維持在常溫下的 2/3 以上。但目 前工程界對此種鋼材及應用瞭解不多，有待 對其結構行為深入探討。
本研究主要探討耐火鋼銲接箱型鋼柱之 基本特性，在第一年之研究主要在於探討耐 火鋼之基本材料特性與銲接性質，並已完成 耐火鋼箱型柱之殘留應力研究。本年度之工 作重點則在於以短柱破壞實驗來探討高溫下 耐火鋼材箱型柱之局部挫屈行為，並與非線 性有限元性法分析比較，建立高溫下耐火鋼 箱型鋼柱寬厚比之設計方法。
關鍵詞：耐火鋼，殘留應力，局部挫屈 ABSTRACT
With the advancement of metal production, a new type of steel plate, Fire Resistant Steel (FRS), has been developed to conquer the inherent weakness of conventional steel. FRS possesses good mechanical properties at high temperature. However, there is a lack of knowledge about the structural behavior of steel structure made of FRS steel.
This series of research works are aimed at examining the fundamental behavior FRS as well as structural behavior of welded steel box column under axial load. The fundamental characteristics and the welding properties of FRS have been studied in the previous year.
The major efforts of this year is to examine the local buckling behavior of stub column made of FRS steel under elevated temperature. Finite element analyses are also conducted and compared its results with that from experimental studies. Based on the experimental and analytical studies, recommendations will be made for the design and fabrication of this type welded steel box
column utilizing the FRS.
Key word：Fire Resistance Steel(FRS), Residual stress column, local buckling
二、 研究目的：
鋼結構可回收再使用，加上高強度及高 韌性，適合做為耐震設計的材料，再者工廠 預製，鋼材品質控制佳，可縮短工期。由於 具備這些優勢，使得鋼結構具有極佳之前景。
鋼結構的缺點在於耐火性。傳統鋼材當 溫度上升至 600℃時，其降伏強度只有常溫的 2/3 以下，然而根據 BS476 的升溫曲線，在十 分鐘之內，火場的溫度就可以上升到 600℃；
在一個小時內，火場的溫度可能高達 900℃，
在此溫度下傳統鋼材的強度僅只有常溫之 1/5 以下，強度明顯不足。汐止東方科學園區 鋼骨大樓大火就突顯出鋼骨結構耐火問題的 重要性；美國 911 事件中，紐約世貿大樓更 是因為鋼骨大樓受高溫後，鋼材軟化使其勁 度及強度嚴重不足，使得梁柱無法支撐上面 樓層的重量而破壞，並且造成連鎖反應而全 面向下倒塌的實例。
建築技術規則設計施工編第 70 條規定，
對於高樓層鋼結構建築，在最上四層樓之梁 柱桿件須有 1 小時防火時效；由頂層算起 5 至 14 層樓須有 2 小時防火時效；由頂層算起 15 層樓以下須有 3 小時防火時效。因此採用 鋼結構建造時，需根據不同的防火時效而設 計不同厚度的防火被覆材料，確保當火災發 生時，鋼材的溫度不致於超過 350℃。因傳統 鋼材在 350℃時，其降伏強度還能維持在常溫 下的 2/3 左右，即為規範對於工作載重下的最 大容許應力值 0.66Fy。
防火被覆材可以延後鋼材受熱時間，減 緩結構破壞的速度，但對人體健康有害，不 符合環保效益，外觀上又不甚美觀，且防火 被覆材的造價昂貴(通常佔整體建築結構造價 10%至 15%)，因此提昇鋼材的耐火性能，以
行政院國家科學委員會專題研究計畫期中精簡報告 Preparation of NSC Project Reports
計劃編號：NSC 92-2211-E-011-030 執行期限：92 年 08 月 01 日至 93 年 7 月 31 日 主持人：陳生金 國立台灣科技大學營建系 教授
共同主持人：楊國珍 國立高雄第一科技大學營建系 助理教授
期減少甚至不使用防火被覆材，將是鋼材未 來發展的重要目標。
三、 研究內容
國外已有不少耐火鋼之應用實例，需求 日益增多，使用耐火鋼材儼然成為趨勢。國 內目前已具備生產耐火鋼材之能力，但工程 界對此種鋼材了解不多，因此須進行一系列 耐火鋼材行為之研究，以建立耐火鋼材之基 本性質，推廣於工程界使用。
本研究將先針對耐火鋼材之基本性質進 行研究，並探討其結構行為，本年度之工作 重點則在於探討高溫下的局部挫屈行為。
四、 文獻回顧：
耐火鋼材的冶金原理及生產技術中，主 要是添加鉬合金來提高鋼材的耐高溫強度。
在耐火鋼材開發之前，就利用鉬合金來加增 鋼材的耐火性，但價格跟不銹鋼相差不遠，
經濟效益不佳，因此並沒有被大量地使用在 鋼結構上。西元 1976 年法國 USINOR 鋼廠有 可耐高溫至 900 ℃至 1000 ℃耐火鋼之研究成 果。日本新日鐵公司在 1988 年開發 50 公斤 級耐火結構用鋼 SM490FR，將耐火鋼材用於 實際建築結構上，其降伏強度在 600℃時尚能 維持在常溫的 2/3 左右。
在日本的防火設計法中，對鋼材的溫度 限制不再採 350℃固定值，而是依各別鋼材高 溫強度的不同，設定不同的極限溫度；在建 築基準法中納入耐火設計及耐火性能法，其 主要的差別在於，以前的防火時效規定與實 際火災之劇烈程度無關，必須自上而下分成 1、2、3 小時等三種耐火時效，如依耐火設計，
則得視火災劇烈程度之不同，只須在必要的 樓層或區域施以相對必要性之耐火性能即 可。澳洲鋼鐵的研究則依據火場實際升溫曲 線，以決定其火場溫度的設計值，並據以訂 定防火被覆的需求值。
Burgess 和 Najjar 【 1 】 曾 利 用 Perry-Robertson 理論去預測傳統鋼柱在高溫 下的情形。其中 Perry-Robertson 理論是認定 當斷面之最大應力等於降伏應力時，即認定 其破壞，與實驗結果比較，Perry-Robertson 理論分析值總是偏於保守。對於短柱而言，
幾何的不完整，影響性小，反而是材料性質
會有較大影響性。加上在高溫下，殘留應力 的影響將會大大地降低，因此，較不適合用 Perry-Robertson 理論分析。Usami 及 Fukumoto
【2】利用板元素理論挫屈強度公式，並考慮 殘留應力之影響，成功地預測出短柱的彈挫 屈強度。Wang【3】曾對於在溫度影響下柱邊 界束制與無束制提出討論。 Tang 及 Toh【4-5】
利用 Rankine formula 預測火災中梁、柱桿件 及整體構架之行為，並提出 Rankine formula 的修正公式，以預測構件之結構行為。但上 述之研究僅限於傳統鋼材之火害行為。
目前對耐火鋼之研究並不多，Sakumoto 和 Saito【6】對日本用耐火鋼鋼材之基本性 質及耐火設計大略描述；Kelly 和 Sha 【7】
則對耐火鋼材與傳統鋼材之機械性質比較。
而殘留應力的存在使得構件受壓後，會提早 進入非彈性階段而減低其勁度。張學誠【8】
曾對一系列的巨大箱型組合斷面做殘留應力 的量測。方朝俊【9】則利用切片法對耐火鋼 材做一系列火害前後殘留應力的量測。結果 顯示在火害後，不論箱型斷面或 H 型斷面殘 留應力皆大幅下降，而火害後殘留應力之分 佈，和冷卻速率有重大的關連。
五、 試驗規劃與試驗結果 1.試驗目的
韌性是結構桿件能抵抗額外載重的主要 影響因素之一，因為結構桿件如具備有足夠 的韌性，在部份斷面進入降伏階段後，應力 可重新再分配，而不致於發生局部的破壞。
依現行的 LRFD 規範所定義的韌性係數，係 以最大荷重的變形量除以降伏點變形量之 值。鋼柱因為殘留應力的存在，使得鋼柱受 壓提早達到降伏應力，勁度隨之下降，如果 沒有較佳的韌性，則可能發生局部挫屈破壞。
此外，局部挫屈深受桿件斷面的寬厚比 (b/t)的影響寬。目前規範對於局部挫屈的限制 主要可以分為四大類：塑性斷面，結實斷面，
半結實斷面及細長元素斷面。對於鋼柱而 言，塑性斷面指當斷面到達降伏應力之後，
在局部挫屈發生之前，板元素有足夠的變形
能力，使其極限應變可以達到應變硬化階
段，具有良好之韌性，亦為耐震韌性設計之
基本要求；結實斷面指當斷面到達全面降伏
之 後 ， 受 壓 板 元 素 之 極 限 應 變 可 以 達 到
7~9ε y ；半結實斷面指當斷面受到外加載重 後，在達降伏前，不會發生局部挫屈的破壞；
細長元素斷面則指斷面都還在彈性階段時，
即發生局部挫屈。
雖然現行設計規範對於傳統鋼材在常溫 下之局部挫屈有上述的規定，但耐火鋼材高 溫下局部挫屈行為應不同於常溫下之狀況。
因此有必要對耐火鋼材進行一系列之試驗。
2.試體規劃及設計
本研究所規劃之試體，皆以全滲透銲箱 型短柱(Stub Column)進行受壓試驗，依據鋼 結構容許應力設計法之規定，選用不同寬厚 比之斷面，如表 1，採高寬比約 1:3 之比例，
試體設計尺寸大小如表 1。在試驗溫度規劃方 面，將分別做常溫、300℃、400℃、500℃、
600℃等不同溫度下之短柱試驗，以了解耐火 鋼材在高溫下之局部挫局行為。
3.試驗結果與討論
圖 1 及圖 2 分別為耐火鋼材之彈性模 數及降伏強度與傳統鋼材之比較，圖 3 為 短柱試驗之試驗裝置圖。短柱試驗結果如表 2。其中 P y =F y ×A；P u 為實驗之極限強度；
△ u 為短柱試體在極限強度時之軸向變位；
△ y =(F y,T L d /E T )，其中 L d 為變位計所量測之 縱向距離，E T 為各溫度下之彈性模數，F y,T
為各溫度下之降伏強度；△ u /△ y 即為斷面之 韌性係數。將同一溫度下各斷面之力與位移 關係繪製如圖 4~7 所示。若將同一斷面在不 同溫度下之力與位移關係繪製成圖，如圖 8~11 所示。值得注意的一點，各斷面在 600℃之分界點時，降伏強度與彈性模數會 急速下降之現象。
圖 12 為應變片量測之局部應力應變曲 線，可明顯看出，在 P/P y =0.7 左右，其勁度 開始下降，代表有部份斷面已經進入了非彈 性階段，由此可以推斷其斷面最大之殘留壓 應力約為 0.3F y ，結果與第二章利用盲孔法 所量測殘留應力之結果吻合。
將各斷面在各溫度下之(P u /P y )值繪製如 圖 13。因本研究之試驗斷面性質在半結實 斷面以上，具有應力重新分配能力，因此可 以達 F y 以上，加上耐火鋼材達降伏應力後，
當應變繼續增加時，其應力也會隨著增加，
故除了 600℃外，其實驗之限極強度都高於 預估值。當溫度在 600℃時，勁度有急速下 降之現象，其對溫度變化之敏感度相當地 大，此現象亦會影響結構之穩定性，進而降 低結構之承載力，導致實驗之限極強度值低 於預估值。
由圖 14~18，當在常溫時，b/t 值較小 者，具有較高的韌性，但在高溫時，之間的 差距將會變小。
實驗結果之韌性係數皆大於 1，表示沒 有細長元素斷面，因此無法定出高溫下之 λ r 。因為 F y 隨溫度上升而下降，因此高溫下 λ p 值會比常溫下 λ p 值高，因而一斷面在常溫 下為半結實斷面，在高溫下可能變為結實斷 面，因此，在常溫下寬厚比符合 λ p 的規定，
在高溫下亦會符合 λ p 的規定。至於 λ pd 為耐 震設計用，而一個結構受到地震及火害同時 侵襲的機率相當的低，因此在高溫之下並不 須要 λ pd 之限制。由上所述可知，依目前設 計規範有關寬厚比(b/t)規定，可滿足耐火鋼 在高溫下寬厚比的要求，建議高溫下之寬厚 比限制與常溫下相同。
六、 結論與建議
本研究以理論分析及結構實驗的方法，
探討耐火鋼材之局部挫屈行為。綜合本文研 究結果，可以得到以下結論與建議：
1.在低於 300℃時，耐火鋼材的應力應變 關係與常溫下差異不大。彈性模數及降伏強 度則會隨溫度上升而下降，當溫度超過 600℃
時，則有急速下降的情形。抗拉強度則在 300℃之後才會開始下降。
2.由中鋼公司測試結果顯示，耐火鋼材之 機械性質與銲接性皆能符合要求，且在高溫 下其銲接接合情形也相當的良好。
3.由盲孔法試驗得知，耐火鋼材柱在開槽 側其殘留張應力可達 0.92F y ，在未開槽側約 為 0.95F y ；而平均殘留壓應力在開槽側為 0.29F y ，在未開槽側則約為 0.20 F y 。
4.在短柱破壞實驗中，利用應變片所量測 到之局部應力應變曲線，由勁度下降推斷其 斷面最大之殘留壓應力約為 0.3F y ，此結果與 利用盲孔法所量測殘留應力之結果吻合。
5. 常溫下，b/t 值較小的斷面比 b/t 值較
大者具有較佳之韌性，但隨著溫度的上升，
兩者間韌性的差距會縮小。而在高溫下，本 研究建議耐火鋼箱型柱斷面之寬厚比限制與 常溫下相同。
七、 誌謝
感謝國科會在經費上的支援以及中鋼公 司協助耐火鋼之生產與提供相關資訊。
八、 參考文獻
1. I. W. Burgess , S. R. Najjar, “A Simple Approach to the Behaviour of Steel Columns in Fire”, Journal of Constructional Steel Research, Vol.31, 1994, pp.115~134.
2. Usami, T. and Fukumoto, Y., “Local and Overall Buckling of Welded Box Columns” ,J.Structural Division, ASCE Vol.110, NO.ST3, 1982, pp.525~542.
3. Y. C. Wang, “A Review of the Behaviour of Steel Structures in Fire and a Suggestion for Future Experimental Research Studies”, Proceedings of the International Seminar on Steel Structures in, 2001, pp.40~55
4. Tang C.Y., Tan K.H., Ting S.K., “Basis and Application of a Simple Interaction Formula for Steel Columns under Fire Conditions”, Journal of Structural Engineering, Vol.127, 2001, pp.1206~1213.
5. Toh W.S., Tan K.H., Fung T.C.,
“Compressive Resistance of Steel Columns in Fire ： Rankine Approach”, Journal of Structural Engineering, Vol.126, No.3, 2000, pp.398~405.
6. Y. Sakumoto, H. Saito, “Fire-safe Design of Modern Steel Buildings in Japan”, Journal of Constructional Steel Research, Vol.33, 1995 , pp.101~123.
7. F.S. Kelly, W. Sha, “A comparison of the mechanical properties of fire-resistant and S275 structural steels”, Journal of Constructional Steel Research, Vol.50, 1999, pp.223-233.
8. 張學誠，”巨形銲接箱型柱之結構行為”，
博士論文，國立台灣科技大學營建系，台 北，民國八十三年一月。
9. 方朝俊，”火害對耐火鋼構材銲接及栓接 行為之影響”，碩士論文，國立台灣科技 大學營建系，台北，民國八十九年七月。
表 1 短柱試體設計尺寸 斷面尺寸
B t L
寬厚比
b/t 斷面屬性 240 8 600 28 半結實斷面 220 8 600 25.5 結實斷面 200 8 600 23 塑性斷面 180 8.5 600 19.2 塑性斷面 B:試體寬度 t:板厚 L:試體長度
單位：mm
表 2 短柱試驗結果
試 體 編 號
寬厚比 (b/t)
試驗 溫度 (℃)
極限 強度 (P u /P y )
試體 韌性 (△ u /△ y )
1 28 20 1.04 1.50 2 28 400 1.00 3.54 3 28 500 1.05 2.94 4 28 600 0.88 3.75 5 25.5 20 1.02 2.99 6 25.5 300 1.10 4.44 7 25.5 500 1.11 4.90 8 25.5 600 0.88 4.56 9 23 20 1.08 2.59 10 23 400 1.11 4.87 11 23 500 1.20 5.92 12 23 600 0.91 4.78 13 19.2 20 1.17 6.79 14 19.2 400 1.25 6.99 15 19.2 500 1.24 * 16 19.2 600 0.96 6.08
*：因實驗裝置有問題而無法得到△ u
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 100 200 300 400 500 600 700 800
溫度(
oC) E( t/c m
2)
耐火鋼材 傳統鋼材
圖 1 耐火鋼材與傳統鋼材之彈性模數比較圖 (依中鋼公司資料整理所得)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 100 200 300 400 500 600 700 800
溫度(
oC) F
y(t /c m
2)
耐火鋼材 傳統鋼材
圖 2 耐火鋼材與傳統鋼材之降伏強度比較圖 (依中鋼公司資料整理所得)
A A
加載
斷面 TOP
60
圖 3 耐火鋼材在常溫下之短柱破壞性實驗裝 置圖
0 50 100 150 200 250 300 350
0 5 10 15 20 25
位移(mm)
力量 (t ) b/t=23 b/t=19.2 b/t=28
b/t=25.
圖 4 各斷面在常溫下之軸向受力變位曲線
0 50 100 150 200 250 300
0 5 10 15 20 25
位移(mm)
力量 (t ) b/t=28
b/t=23 b/t=19.2
圖 5 各斷面在 400℃下之軸向受力變位曲線
0 50 100 150 200 250 300
0 2 4 6 8 10 12 14 16
位移(mm)
力量(t)
