耐火鋼箱型鋼柱受火結構行為研究(I)

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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(1/3)

計畫類別：個別型計畫

計畫編號： NSC91-2211-E-011-042-

執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 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：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 92 年 5 月 30 日

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

計畫編號：NSC 91-2211-E-011-042

執行期限：91 年 08 月 01 日至 94 年 07 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

一、中文摘要：

耐火鋼在國內為一種新鋼材，此類耐火鋼能克服一般鋼材在高溫下強度不足的缺點，即使在 600

^o

C 時其降伏強度尚仍能維持在室溫下的 2/3 以上。而且使用耐火鋼材將可減少防火被覆材的使用，降低對環境的傷害。但目前工程界對此種鋼材了解不多，必須進行一系列耐火鋼材之結構行為研究，以建立耐火鋼之基本性質。此外，由於國內之高樓建築特色為採用銲接箱型鋼柱，因此，本研究除了建立耐火鋼之基本特性外，亦將著重於耐火鋼應用於銲接箱型鋼柱之結構行為探討，包含銲接組立箱型鋼柱之殘留應力，銲接箱型鋼柱之火害前、及火害中之局部挫屈行為，銲接箱型鋼柱在火害前及火害中純軸力下之結構行為等。

關鍵詞：耐火鋼，防火被覆材，局部挫屈，殘留應力

Abstract

With the advancement of metal production, a new type of steel plate, Fire Resistant Steel (FRS), has been developed to conquer inherent weakness of conventional steel. FRS possesses good mechanical properties at high temperature.

Using FRS can also reduce the demand of fire proofing material. However, there is lack of knowledge of FRS steel. This research work is aimed at examining the fundamental behavior FRS as well as structural behavior of welded steel box column under axial load. Based on the experimental and analytical studies, recommendations will be made for the design and fabrication of welded steel box column utilizing the FRS.

Key words:

Fire Resistance Steel(FRS), fire proofing material, local buckling, residual stress

二、前言：

隨著經濟蓬勃發展及都市化效應，都市內高樓林立，加上近幾年來，永續經

營的概念及人們的環保意識漸漸增強，綠建築已成為世界潮流。相較於其他的結

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構材料，鋼結構已被證實對環境衝擊最小，因此亦被稱為綠建築鋼結構。雖然鋼結構有許多優勢存在，但其耐火性不佳。汐止東方科學園區鋼骨大樓大火突顯鋼骨結構耐火問題的重要性；美國 911 事件中，世貿大樓更是因為鋼骨大樓受火害後，因鋼材軟化使其勁度及強度嚴重不足而造成高樓向下塌陷的實例。因此為解決傳統鋼材的耐火性能不足之缺點，同時減少防火被覆材的使用，耐火鋼材乃孕育而生。

國外已經有不少使用耐火鋼材於結構上的實例，且有增加的趨勢。國內目前已有自行生產耐火鋼的能力，但尚在萌芽階段，須進行一系列之結構行為研究，

以利建立耐火鋼材應用的基本知識。

三、研究目的：

傳統鋼材其力學性質受溫度的影響甚大。根據 BS476 的升溫曲線，火場在十分鐘之內，其溫度就可以上升到 600C，此時，傳統鋼材的降伏強度只有原來強度的 2/3 以下；在一個小時內，火場的溫度將可高達 900C，在此溫度下傳統鋼材的強度小於原來強度的 1/5，其強度嚴重不足。現行採用鋼結構之建築，需依建築法規進行鋼結構防火被覆的施工，但防火被覆施工繁雜，外觀又不甚美觀，且價格非常之昂貴(通常佔鋼建築結構造價的 10%~15%)，因此如何增加鋼材本身的耐火性，以減少甚至免除防火被覆的需求乃是鋼材發展的重要目標之一。

四、文獻探討：

所謂耐火鋼材較傳統鋼材耐火之主要原因是因為耐火鋼材添加鉬合金來提高鋼材的耐高溫強度，雖然之前鍋爐用鋼(JIS SB450M，ASTMA204，SB480M) 就利用鉬合金來增加鋼材耐火性，但是其價格已經跟不銹鋼相差不遠，經濟效益不佳，因此並沒有被大量地使用在鋼結構上。在 1976 年法國 USINOR 鋼廠已有可耐高溫至 900

^o

C 至 1000

^o

C 耐火鋼之研究成果，但將耐火鋼材用於實際建築結構上，是日本新日鐵公司在 1988 年開發之 50 公斤級耐火結構用鋼 SM490FR，

其耐火溫度為 600

^o

C，即在 600

^o

C 時，其降伏強度尚能維持在原有強度的 2/3 左右。

日本已有不少使用耐火鋼材建物的實際案例，而日本的防火設計法中，對鋼材的溫度限制不再採 350

^o

C 的固定值，而是依各別鋼材高溫強度的不同，設訂不同的極限溫度；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，均必須自上而下分成 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。與實驗結果比較，Perry-Robertson 理論分析值總是偏於保守的。Wang

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【2】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【3~4】等利用 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。但其研究僅限於傳統鋼材之火害行為。

目前對耐火鋼之研究尚在起步階段，Sakumoto 和 Saito【5】對日本用耐火鋼鋼材之基本性質及耐火設計之相關規定有大略之描述；Kelly 和 Sha 【6】則對耐火鋼材與一般鋼材之機械性質進行比較；方朝俊【7】曾對耐火鋼材做一系列火害前後殘留應力的量測，並對火害下耐火鋼材之銲接及栓接行為有初步的研究。

五、研究方法：

本研究以理論分析與結構試驗之方式進行，利用實驗結果驗證並校核分析模式。首先，先建立耐火鋼材之基本性質，做為分析模式之參考及設計施工之建議；

再利用半破壞性試驗進行全滲透銲接組立箱型鋼柱殘留應力之量測，最後再利用破壞性試驗，對全滲透銲接組立箱型鋼柱之局部挫屈行為進行研究。在分析方面，將利用非線性有限元素法建立分析模式，並與試驗結果資料相互比較驗證。

其中在量測殘留應力方面，目前一般工程上較常採用量測殘留應力的方法為切片法與盲孔法兩種方法，雖然尚有一些其他非破壞性量測方法，但都還在研究階段。在此將對以上兩種方法做簡單之介紹。

(1)切片法：將試體切成細條狀或是其他形狀，以釋放其內部之殘留應力，再用精度 0.001mm 之 Whitemore 變位計量測試體切片前、後應變之變化，再將其應變轉換成應力，即可得知構材內部所存在殘留應力之大小。亦可使用長度為 5cm~10cm 之應變計代替變位計。使用切片法時，一般都會澆置冷凝劑以減低熱度，避免切割時所產生之熱能而引起新的殘留應力，同時尚須注意避免機械性之塑性變形。相對而言，切片法較為可靠，故較常使用，唯其缺點為秏時費工，且其為破壞性量測法，對試體會造成嚴重之破壞。

(2)盲孔法：在試體表面上鑽一個 1~3mm 孔徑之小孔，釋放其中之應力，再利用一組三向的應變計來量測其釋放的應變，經由彈性力學之理論算出殘留應力之大小與主應力之方向。雖然此法屬於半破壞性量測法，但其破壞有限，且量測方法簡單快速。其缺點為僅適用於殘留應力在厚度方向變化不太大之試體，對於較厚之鋼板，其可信度較低。

本研究因試體厚度不大(最大為 8.5mm)，因此將選用盲孔法來量測殘留應力。

六、已完成工作及初步結論與建議：

耐火鋼材在國內是一種新開發出來的鋼材，其特性在於能克服一般鋼材在高溫下強度不足。本研究除了建立耐火鋼之基本特性外，亦將著重於耐火鋼應用於銲接箱型鋼柱之結構行為探討。以下就目前完成之工作做出幾點結論：

1.本研究已完成耐火鋼材在各種不同溫度之物理特性探討，其結果如表 1 及圖

(5)

1~2 所示。可明顯地看出在 600

^o

C 時，其降伏強度可維持在常溫下的 2/3 左右。

2.圖 3 為試體 B220×220×8×8 在常溫及高溫下所做局部挫屈破壞性試驗之力與位移圖，明顯看出高溫下其極限強度下降，但韌性相對性地有所提升。這是因為在高溫下，降伏強度會下降，因此，寬厚比(b/t)之限制將會跟常溫下有所不同。

3.耐火鋼材對國內而言為一種新材料，應儘速探討，並建立設計及施工準則，以利推廣致工程界使用。

七、本年度尚在進行中之工作：

目前尚待完成的工作有：

1. 繼續量測耐火鋼銲接箱型鋼柱之銲接殘留應力。

2. 利用非線性有限元素模式，來模擬耐火鋼箱型鋼柱在常、高溫之結構行為，

並與實際實驗結果相互比較。

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, 115-134, 1994.

2. 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 Fire,40-55,2001,Shanghai, China.

3. 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.127,1206~1213, 2001.

4. 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, pp.398~405, 2000.

5. Y. Sakumoto, H. Saito, “Fire-safe Design of Modern Steel Buildings in Japan”, Journal of Constructional Steel Research, Vol.33, 101~123, 1995.

6. 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, 223-233, 1999

7.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，指導教授陳舜田、陳生金，中華民國八十九年七月。

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力(t)

位移(mm)

0 4 8 12 16 20

0 100 200 300

20度 500度

表 1

圖 1 耐火鋼彈性模數隨溫度不同之變化圖

圖 2 耐火鋼降伏強度隨溫度不同之變化圖

T Et E

20

/Et Fy,t Fy,

20

/Fy,t 20 1908.70 1.00 4.31 1.00 200 2109.30 1.11 4.13 0.96 300 1462.60 0.77 4.16 0.97 400 1262.60 0.66 3.82 0.89 500 1409.90 0.74 3.59 0.83 600 1422.80 0.75 3.02 0.70 700 962.65 0.50 1.73 0.40

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 200 400 600 800

溫度(^oC)

ET/E20