中華民國內政部建築研究所中華民國內政部建築研究所

一、研究緣起
本所「鋼構建築複合性災害作用下耐火科技研發計畫」於104年完成建置實尺寸鋼構屋，其基地為19.35m×13.35m，尺寸為一層樓的鋼構（樓層高度4m，面積12m×12m， 2跨×2跨，計9根柱），其鋼梁與鋼柱皆採用H型鋼，梁柱接頭採用梁翼板與柱銲接，梁腹板與柱栓接的彎矩接頭，小梁與大梁接頭採用小梁腹板與大梁加勁板栓接之剪力接頭，未來可擴建成5層樓，且設置隔震器(滑動支承)與激振設施，作為多重災害實驗基地。並在105年委託研究案「實尺寸鋼構屋之剪力連接複合鋼梁火害結構行為研究」，首次進行有關實尺寸鋼構屋火害實驗，探討實尺寸鋼構屋之之剪力連接合成鋼梁在真實的結構束制情況下受真實火害行為。當時與其研究團隊共同研究混凝土鋼承板在火害中的結構行為。 106年委託研究案「實尺寸鋼構屋彎矩連接與剪力連接鋼梁之火害結構行為研究」，賡續有關實尺寸鋼構造火災實驗研究，於106年11月16日進行彎矩連接鋼梁(大梁)與受火害修復之剪力連接鋼梁(小梁)的火災模擬實驗，探討彎矩連接鋼梁於火害的真實結構行為，及剪力連接鋼梁在有無防火被覆受到高溫侵襲之差異。並與之合作探討受火害修復之混凝土鋼承板之火害結構行為。 107年度委託研究案「實尺寸鋼構屋切削減弱式接頭鋼梁(RBS)與梁柱接頭之火害結構行為研究」，針對實尺寸鋼構實驗屋的切削減弱式接頭鋼梁(RBS)與梁柱接頭來進行真實火害實驗。與該委託研究團隊合作，探討剪力釘與受火害修復之混凝土鋼承板之火害結構行為。
今(108)年度委託研究案「實尺寸鋼構屋角柱之火害結構行為研究」，針對實尺寸鋼構實驗屋的角柱來進行真實火害實驗。建築物的柱構件受火害影響可分為內柱（四面受火）、邊柱（三面受火）及角柱（二面受火），由於角柱與邊柱，其鋼梁連接方式較內柱不對稱，造成角柱與邊柱受到較大的彎矩，加以角柱與邊柱在火場中曝火面之故，使得溫度分佈不對稱，火害下的結構行為複雜，以往研究大多針對內柱火害行為，鮮少對於角柱與邊柱的火害行為進行研究，由於鋼柱屬於鋼構建築的重要構件，若受到火害高溫侵襲，嚴重情況將造成鋼柱挫屈破壞，進而造成鋼構建築之嚴重倒塌。因此，本研究將與該委託研究團隊合作，探討邊柱之火害結構行為。
二、研究方法及過程
本研究針對實尺寸鋼構屋邊柱進行相關火害研究，已將 107 年受火害的混凝土板及小梁再予以拆除並重新製作，真實火害實驗時蒐集分析鋼柱溫度與其位移、火災區劃空間內氣體溫度等資料，上述全部實驗資料均整理納入實驗研究資料庫，可供業界對於鋼結構火害後檢測與安全評估參考運用。
三、重要發現
本研究針對實尺寸鋼構實驗屋 H 型鋼邊柱之火害實驗可得到以下結論：
(一)本研究主要探討鋼構實驗屋中之邊柱於真實火災下之結構行為， 由所蒐集的溫度和位移數據， 對於瞭解邊柱與其他構件之間相互束制有所幫助。 例如高溫中邊柱在弱軸方向水平位移受到大梁影響，其行為相當複雜， 軸向變形則為伸張收縮與高溫爐所進行鋼柱標準試驗現象一致， 但標準試驗無法完整呈現真實鋼柱的受力情況與束制條件， 爰有關鋼柱於真實束制及真實火害中之結構反應與行為， 實有必要做進一步研究。
(二)本次火害實驗的火載量密度為 604 MJ/m2， 邊柱位移未超過CNS 12514-1 標準之承重能力規定值。
(三)經由邊柱在弱軸方向水平位移量測結果，發現邊柱將會因 P-∆效應而在火害中後受到二次彎矩作用。
(四)本次火害實驗邊柱於弱軸方向之水平位移最大值皆發生在該斷面達到最高溫之後， 0.9H 處為 4.12 mm 向西(實驗區外側)，其平均斷面溫度為 520°C，0.6H 處為 3.68 mm 向西(實驗區外側)，其平均斷面溫度為 638°C， 0.3H 處為1.25 mm 向西(實驗區外側)，其平均斷面溫度為 603°C。
(五)本研究已初步完成彙集整理 105 年起所進行之實尺寸鋼構屋火害實驗數據資料庫， 其內容包含歷次實尺寸鋼構屋火害實驗目的與規劃、 歷次實驗的溫度與位移量測位置圖及歷次實尺寸鋼構屋火害實驗之各構件的溫度與位移數據， 以圖形及表格呈現。
(六)本次(108 年)分別將實驗區開口寬度縮減至 4.70m；高度縮減至 1.0m， 閃燃時間與第 2、 3 次實驗發生時間相當， 於 470 秒時發生， 1360 秒時， 室內總平均溫度達到高峰約 833.8℃， 較第 1 至 3 次低約 100℃，火害初期升溫速率與第 2、 3 次實驗相似，顯見真實火災實驗目前仍難以控制及預測， 使得每次實驗之火場溫度一致，火場的燃燒行為受到諸多因素影響， 每次實驗之溫度時間曲線在線形與火災歷程皆有所差異。
(七)邊柱在不同高程下之各測溫點溫度相差不大，顯示出鋼材良好的熱傳導性。
其各斷面的最高溫度： 0.6H 斷面最高溫 > 0.3H 斷面最高溫 > 0.9H 斷面最高溫。
四、主要建議事項
建議一
承受高載重比鋼柱之真實火害研究： 立即可行之建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：
經由實尺寸鋼構屋鋼柱火害實驗，發現鋼柱所受載重比在高溫中對鋼柱耐火性能影響甚巨，限於鋼構屋加載設備無法完整提供真實鋼柱的受力情況， 建議可設計不同重量載重塊進行加載實驗，增加鋼構屋鋼柱所受載重比，更能反映真實條件，以了解載重比對鋼柱在真實火害中的耐火性能影響。

The columns subjected to fire in steel buildings can be divided to interior columns (fire on four sides), edge columns (fire on three sides) and corner columns (fire on two adjacent sides). A edge column connecting three beams in one end, and this kind of connecting detail is more asymmetric than interior columns. As a result, the rotational restraint of corner column is weaker, which causes the longer effective length of the edge column, so the buckling strength of the edge column is smaller.
Due to the asymmetric beam connecting detail, edge columns are subjected to larger moments. The past studies mostly focused on the structural behaviors of interior columns in fire, and very few studies were done for the structural behaviors of edge
columns in fire. Steel columns are the important components in steel buildings. If the steel columns are fire damaged and failed by buckling, the steel building might collapse seriously. At present in Taiwan, the fire-resistance test for a steel column mainly follows CNS 12514-1 and CNS 12514-7, which requires to test a single steel column in a standard furnace. However, this kind of test method does not consider the restraint forces between steel columns and other components in a real steel building in fire. Besides, edge columns might be pushed by the expanded beams in fire and this might cause second-order moment. This kind of effect cannot be presented in a standard fire test. Therefore, through the real fire test of a steel experimental house,we can study the real structural behavior of steel H-shaped corner column.
This project comes to the immediate and long-term strategies.
For immediate strategies:
The study on the real fire of steel columns subjected to high load ratio.