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。
本研究目的是延續箱型鋼構件綜合熱傳係數研究成果，應用到較為複雜的混凝土材料上，以探討混凝土在高溫下的綜合熱傳係數。本研究應用2004年度委託檢測案「火害鋼筋混凝土內柱之耐震性能試驗與分析」實驗報告資料，以數值方法歸納分析鋼筋混凝土柱之熱傳影響，預測試體於標準升溫曲線下混凝土之表面溫度及內部溫度分布情形。
二、研究方法及過程
本研究應用2004年度委託檢測實驗資料，以數值方法探討鋼筋混凝土構件中混凝土材料之綜合熱傳係數。研究方法包括資料蒐集與整理、理論分析、試驗資料整理與數值分析。研究方法與步驟如下：
1.文獻資料之收集與整理。
2.以鋼筋混凝土柱之升溫加載試驗資料修正混凝土材料綜合熱傳係數。
3.以數值方法進行混凝土柱熱傳分析。
三、研究發現
本研究應用數值分析探討混凝土柱熱傳結果，結論如下：
1.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，並加強溫度測點位置設置之精確度，以獲得較多資料進行歸納分析，才能得到較為準確之結果。
2.應用Eurocode 2之混凝土比熱，雖然已考量混凝土內部濕度，仍與混凝土實驗之溫度資料差距甚大，尤其是在混凝土內部深度較大之測點溫度，較難模擬於115℃左右約30-50分鐘之平台，可能之因素為混凝土內部濕度更高，超過3%，以至於需讓水分子汽化所需熱能大，於數值分析時缺少相對應之比熱數據，較難以模擬。
3.以各測點資料所得平均熱交換係數再加入濕度因子影響，所分析之溫度結果較為合理，數值分析是將所有混凝土假設為具有同樣濕度之材料，雖然可以得到距離表面30mm處之溫度，但對於內部可能需要再行分割具有不同濕度之材料層，較易捕捉因溼度所造成之溫度分布。
四、主要建議事項
辦理高溫下鋼構件之熱傳及力學數值分析研究：中長期建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：無