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研究生： 賴品蓁
Lai, Pin-Chen
論文名稱： 塗佈水性防火漆之鋼梁柱接頭防火安全研究
Fire Safety Engineering of Steel Beam-to-column Connections with Water-based Intumescent Fire-resistance Mastic Coating
指導教授： 賴啟銘
Lai, Chi-Ming
共同指導教授: 張惠雲
Chang, Heui-Yung
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年： 2023
畢業學年度： 111
語文別： 中文
論文頁數： 152
中文關鍵詞： 有限元素分析 、防火漆 、不均勻溫度場 、相變 、鋼梁柱接頭 、梁腹開孔
外文關鍵詞： FEA, fire-resistance coatings, non-uniform temperature field, phase transformation, steel beam-to-column connection
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    • 鋼材受熱後可能因強度與勁度的損失導致建築物在火災中倒塌破壞，因此延後鋼材到達臨界溫度的防火被覆材是目前大多建築設計所採用的解決方案，其中水性膨脹型防火漆因具備美觀、輕薄與低汙染性等優點近年來被廣泛應用，也是本研究所選用的材料。國內外既有的研究大多側重於防火漆之化學反應與熱傳性質，很少進一步分析與探討受膨脹型防火漆保護之鋼結構力學行為。有鑑於此，本研究首先藉文獻的兩個耐火實驗結果驗證ANSYS©有限元素分析方法，再針對國內常用之 H 型鋼梁接箱型鋼柱接頭，進一步探討塗佈防火漆對不同邊界條件與梁腹開孔接頭之影響。在不均勻加熱實驗的分析驗證中發現，可有效地以形狀函數設定時間，位置與溫度的三維邊界條件，用以模擬非均勻溫度場與預測鋼結構受火行為。後續的參數研究顯示，簡支鋼梁的最大變形量會隨鋼材之線膨脹係數與高溫力學性質以及溫度分布而改變。在鋼梁柱接頭耐火實驗的分析驗證中發現，剪力板與螺栓及銲道等接合元件的建置與熱應力的考慮，對鋼梁柱接頭受火行為之模擬尤為重要。建置接頭模型時若忽略接合元件，則分析結果可能會低估梁靠近柱面附近應力，但高估應力集中範圍與接頭整體韌性。若分析不考慮熱應力，則結果可能高估梁靠近柱面附近應力，但低估應力集中區域。有限元素分析結果顯示，膨脹型防火漆本身的化學反應與阻熱性能可以延後鋼材局部發生相變的時間，且這個現象會與熱彎曲行為互制進而降低鋼梁在火場中的最大變形量。此外，鋼梁柱接頭塗佈防火漆後可以延後結構到達臨界溫度的時間，並避免鋼柱比鋼梁先進入塑性階段的情形，但仍須注意接合元件間的相對變位與高強度螺栓的預力損失。另外，鋼梁柱接頭可藉由梁腹開孔的變形與消能，減少接合元件間的相對變位，緩解熱應力集中現象，進而降低接頭高溫破壞之可能性。本研究方法與相關分析結果將可提供未來預測鋼結構受火行為與評估防火漆影響之參考。

    In this study, the fire behavior of a SN490B steel H-beam-to-box-column has been analyzed and compared before and after being protected by the water-based intumescent fireresistance coatings. Then further to investigate the effects of different boundary conditions and beam-web openings. In detail, the analysis method was first validated by two fire-resistant experiments of the past research using finite element analysis (FEA) program, ANSYS© Fluent and Mechanical. The results of validation nalysis show the importance of the setting up an uneven temperature field and the construction of the connecting components and the extended parametric studies show the mid-span deflection of simplysupported steel beam has varied with the coefficient of thermal expansion, elastic modulus, coefficient of force reduction under high-temperature, and temperature distribution. After applying the coatings, the reaction of phase transformation and thermal bending reduces the mid-span deflection of simply-supported steel beam in a fire event and prevent the steel column from entering the plastic stage before the beam in beam-to-column connections model. However, it is still necessary to pay attention to the relative displacement between the connecting components and the loss of the preload in high-strength bolts. On the other hand, the beam-web openings in the steel beam-to-column connection can reduce the relative displacement between the connecting components and alleviate the concentration of thermal stresses which could reduce the possibility of high-temperature failure in the connections.The methodology and corresponding analysis results of this study will provide a reference for predicting the fire behavior of steel structures and evaluating the impact of the fireresistance coatings in the future.

    致謝 i 摘要 ii 目錄 x 表目錄 xv 圖目錄 xvii 符號表 xxiii 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究目的 2 1.3 研究方法 3 1.4 論文內容 4 第二章 規範與文獻回顧 5 2.1 鋼材的高溫性能 5 2.1.1 前言 5 2.1.2 熱物理性能 5 2.1.3 力學性能 9 2.1.4 耐火試驗相關規範 12 2.1.5 鋼材的高溫潛變行為 13 2.2 膨脹型防火漆高溫行為 14 2.2.1 前言 14 2.2.2 防火漆性能表現 15 2.2.3 影響防火時效因子 15 2.2.4 防火漆相關規範 16 2.2.5 防火漆設計方法 17 2.2.6 防火漆在鋼結構的應用 18 2.3 鋼材高溫載重行為研究 19 2.3.1 性能式設計與評估(Performance Based Design, PBD) 19 2.3.2 單一構件: 梁 19 2.3.3 鋼構架高溫行為 20 2.3.4 常見的高溫數值分析方法 21 2.3.5 破壞行為討論 22 2.4 小結 23 第三章 數值方法與有限元素分析方法 24 3.1 曲線擬合 24 3.1.1 最小平方法 24 3.1.2 數值模擬誤差 25 3.1.3 形狀函數(shape function) 25 3.2 防火漆實驗數據 26 3.2.1 高溫試驗 26 3.2.2 實驗溫度數據 27 3.2.3 擬合函數基底函數選擇 28 3.2.4 擬合結果 28 3.3 有限元素分析 28 3.3.1 熱傳模式 29 3.3.2 ANSYS熱分析理論(Thermal Analysis) 31 3.3.3 材料非線性行為 33 3.3.4 數值求解方法 33 3.3.5 分析流程 34 第四章 分析方法驗證 35 4.1 序節 35 4.2 簡支梁分析方法驗證 35 4.2.1 實驗配置 36 4.2.2 分析方法 36 4.2.3 參數研究 37 4.2.4 小結 39 4.3 防火漆對簡支梁撓度的高溫行為 39 4.3.1 前言 39 4.3.2 分析設定 40 4.3.3 材料參數 40 4.3.4 溫度邊界條件 40 4.3.5 分析結果 40 4.4 定溫加載分析方法 42 4.4.1 前言 42 4.4.2 實驗配置與方法 43 4.4.3 基本假設 43 4.4.4 分析方法 44 4.4.5 結果討論 44 第五章 梁柱接頭區受火行為數值模擬分析 46 5.1 序節 46 5.2 有限元素分析方法介紹 46 5.2.1 分析假設 46 5.2.2 分析模型介紹 47 5.2.3 材料設定 47 5.2.4 接觸設定 47 5.2.5 網格評估 48 5.2.6 行為指標 49 5.3 定溫加載分析 50 5.3.1 分析模式與流程 51 5.3.2 接頭接合元件討論 51 5.3.3 極限強度載重(Pu) 53 5.3.4 CNS12514-1性能破壞準則比較 54 5.3.5 極限彎矩強度(Mu) 54 5.3.6 接頭勁度 54 5.4 定載加溫分析 55 5.4.1 分析模式 55 5.4.2 分析情境 55 5.4.3 Case I分析結果 56 5.4.4 Case II分析結果 59 5.5 小結 61 5.5.1 定溫加載分析 61 5.5.2 定載加溫分析 62 第六章 結論與建議 63 6.1 結論 63 6.2 建議 64 圖表 66 參考文獻 124 附錄A 材料高溫性質與分析設定 128 附錄B 防火漆熱傳理論模型[35] 136 附錄C 不同連接構件之分析結果 140 附錄D 加熱速率對梁柱接頭受火行為影響 148

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