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。
經2年歸納分析，已可較為準確推測箱型鋼構件於火害中之溫度場變化，無論是在標準升溫曲線，或是自訂升溫曲線下，其熱傳數值分析結果皆與實驗數據相吻合，並可用於實驗前推測試體表面溫度到達既定溫度所需時間，以修正自訂升溫曲線及節省實驗所需時間。
本研究更進一步探討鋼與混凝土兩種材料間的熱傳影響，配合本年度委託研究計畫「高強度內灌混凝土箱型鋼柱於高溫下抗壓強度之研究」實驗，以數值方法歸納分析鋼與混凝土間之熱傳影響，以預測高溫爐定溫下試體鋼之表面溫度及內部混凝土溫度分布情形。
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，並進行內灌混凝土箱型鋼柱穩定性分析，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.以數值方法推算實驗時間及試體表面溫度。
3.以內灌混凝土箱型鋼柱之定溫加載試驗修正綜合熱傳係數。
4.以數值方法進行內灌混凝土箱型鋼柱熱傳分析。
三、研究發現
本研究應用數值分析探討內灌混凝土箱型鋼柱熱傳結果，結論如下：
1.鋼材料之綜合熱傳係數較為準確，數值結果接近實驗資料。
2.混凝土綜合熱傳係數是以本研究實驗資料歸納而來，雖已有初步結果，也可用於數值分析，但因混凝土為不良導體，致各測溫點所得之資料差異性大，仍需再進行多次實驗，以獲得較為準確之結果。
3.鋼與混凝土2種材料介面間熱傳遞方式由熱傳導變為熱對流方式，可考量以2種材料因受熱伸長不同產生之間隙大小作區分，至於確定之間隙值及模擬熱傳導所需之綜合熱傳係數，仍需再進行多次實驗驗證。
4.本研究應用數值方法已可於實驗前先行預估實驗到達設定溫度所需時間，以調整爐溫及升溫曲線，達成實驗之目標，對於輔助結構火害實驗有非常大的助益。
四、主要建議事項
辦理高溫下混凝土構件之熱傳數值分析研究：中長期建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：
混凝土材料為熱傳不良導體，且構件斷面尺寸較鋼構件大，加上內部埋設之測溫點常受到灌漿震動移位，需要較多的實驗數據做歸納整理，才能得到較為適當之綜合熱傳係數，以提高數值分析的結果的準確性，做為輔助混凝土構材進行結構火害實驗之參考。