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
進行結構火害試驗所需經費高，每次計畫中所規劃的試體數量往往只夠做對照比較，而不足以做參數分析，加上目前本所防火實驗中心人力短缺，難以進行長時間之大型結構火害實驗。若能利用數值分析方法輔助結構火害實驗的數量不足，提供試驗中因儀器受限而無法量測之數據，並用於後續之參數研究，是重要且可行的方式。
為了建立一套配合本所防火實驗中心梁柱實驗爐設備特性的數值分析模式，節省大型實驗經費與人力，本所於2018年開始進行數值分析研究以與實驗相互結合運用，首要目標是能獲得結構的正確溫度場，由歸納過去實驗資料，找出本所實驗爐經由輻射及對流將熱能傳至試體表面之熱傳特性，以供實驗研究團隊應用。
本研究配合本年度委託研究計畫「高強度鋼構造柱於高溫下受壓強度之研究」實驗，以數值方法分析鋼柱於高溫下之受壓強度與行為。本次研究除了以數值分析預測高溫爐定溫下試體表面溫度，並探討鋼柱於高溫下受軸壓之穩定行為及破壞模式。
二、研究方法及過程
本研究應用數值方法配合本年度委託研究實驗，修正鋼構件之綜合熱傳係數，並進行鋼柱穩定性分析，研究方法包括資料蒐集與整理、理論分析、試驗結果整理與數值分析。研究方法與步驟如下：
1.文獻資料之收集與整理。
2.以數值方法推算試體表面溫度。
3.以鋼柱之定溫加載試驗修正綜合熱傳係數。
4.以數值方法進行鋼柱穩定性分析。
三、研究發現
應用適當的綜合熱傳係數，有助於結構火害之數值分析，而且可以得到良好試體表面溫度結果，結論如下：
1.在使用上較為簡便，透過數值方法得到試體表面溫度，有利於實驗前先作分析，評估實驗結果，做為修正實驗規劃用。
2.在數值軟體選擇上較為自由，只要具有熱傳分析的軟體，皆可得到試體表面溫度。
3.在結構火害數值分析上較為方便，不需使用熱傳及應力計算兩種程式，只要選擇具有熱傳及應力分析模組之數值軟體即可，也省去兩種程式間之資料轉換程序。
4.根據4次實驗，雖有2種定溫600℃及700℃之升溫線，但其綜合熱傳係數差別不大，是否可取平均後直接運用，還有待進一步研究。另外，700℃兩次實驗，火源配置有改變，是否是造成熱傳係數之差異，亦須再多加測試，才能得到較為確定之結果。
在數值非線性應力分析結果方面，由實驗結果反推之鋼材料降伏強度與彈性模數折減係數比Eurocode 3小，顯示高強度鋼材料於高溫之衰減幅度大於一般鋼材，於設計時須更為謹慎。
由於Eurocode 3在鋼材料於高溫下只提供材降伏強度與彈性模數之折減係數，而無材料於高溫時之應力應變曲線，因此，使用數值方法做分析時，只能用雙線塑性模型模擬，故對於鋼構件達到降伏以後之結構行為，無法進一步得到較為準確的結果。
四、主要建議事項
建立高強度鋼材料之高溫之折減係數及應力應變關係資料庫：中長期建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：
高強度鋼材料於高溫下之衰減比一般鋼材料大，因此須建立適用之折減係數，做為鋼結構設計之參考。另外還需建立高強度鋼於高溫之應力應變關係資料庫，才能提高數值分析的結果的準確性。