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建築研究簡訊第99期 《業務報導》

實尺寸鋼構屋鋼梁之火害結構行為實驗分析

  鋼構造因輕量、耐震性佳及具循環利用之綠色環保特性,成為大型集合式住宅或商業辦公大樓的主流,然而鋼材在高溫下有強度折減的缺點,如911事件及東方科學園區鋼構大樓火災,造成建築物嚴重損壞,危及人命安全與財產損失,有必要進行鋼構造建築的火害影響研究。國內鋼構建築常採用彎矩連接鋼梁,若受高溫破壞,將造成樓板坍塌,進而鋼構建築倒塌。本研究將透過實尺寸鋼構屋火害實驗,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。另外,藉由火害實驗前後靜動態實驗與分析,瞭解彎矩連接鋼梁於火害前後載重能力變化,及受火害修復剪力連接鋼梁載重能力,藉以評估修復成效。

  本研究先對前期受火害實驗區之鑑定與進行火害後的材料試驗,獲得相關研究結果,隨即展開修復受火害損壞的小梁與樓板,修復完成後,再進行鋼構實驗屋火害前後之靜動態載重實驗、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,如圖1所示,本次火載量設計依據前期實驗,同樣地,參考歐洲規範(Eurocode 1)及英國建築研究院(BRE)之火害實驗參數,模擬辦公室火災情境 (火載量密度為40kg/m2木材重量)進行實驗設計,如圖2所示。

  本次火害實驗結果顯示:火害實驗空間溫度以B區為例,前150秒為引燃期,150秒後室內溫度明顯快速上升,315秒時平均溫度達500℃,後持續上升至約1240秒時,室內平均溫度達到尖峰值為954.8℃,溫度開始下降進入衰退期。無防火被覆大梁中點最大變位為10 mm,有防火被覆大梁中點最大變位為6.11 mm,無防火被覆小梁中點最大變位為68 mm,有防火被覆小梁中點最大變位為12.5 mm,火害實驗後,有防火被覆大梁與小梁皆回彈至火害實驗前位置,無防火被覆大梁中點變位上拱至14 mm,無防火被覆小梁中點變位回彈至29 mm。在真實束制大梁受火害結構行為與單一無束制鋼梁在標準加熱爐之結構行為有所不同。以本實驗為例,真實彎矩連接束制條件大梁在火害初期因受熱而膨脹,但在膨脹時亦會受到大梁兩端與鋼柱彎矩接合所產生束制軸向壓力,由於大梁一端連接角柱,另一端連接邊柱,火害中邊柱端給予大梁束制壓力較強,再加上原先樓板載重施予大梁接頭負彎矩所產生壓應力,因而造成大梁下翼板局部挫屈,此外,大梁中段與兩支小梁連接處,因受到兩支小梁受高溫火害後變形伸長,也有輕微向外側向扭轉挫屈發生,當大梁冷卻到常溫時,亦有上拱現象,圖3與圖4為大、小梁火害變形照片。

  另外,由火害實驗前後靜載重實驗得知,有被覆小梁,火災前後小梁應變差異,約為10%。對無被覆小梁,則達32%,係因混凝土開裂,造成鋼筋混凝土失去連續梁效應,使小梁趨於簡支梁現象。被覆與無被覆大梁亦有此現象,但不如小梁明顯。動態實驗則發現,當外力頻率為3.9Hz,二樓樓板加速度相對於一樓放大22.02倍,但在2.5Hz,只放大1.281倍,此說明結構在與外力共振下,會急速放大其反應,造成結構損壞。本研究火害後動態實驗顯示無明顯共振頻率,在3.8Hz及 4.1Hz會有放大加速度效應,但其相對於一樓樓板加速度放大倍率為10.153倍和12.811倍,與火害前3.9Hz放大22.02倍,相差甚多。表示火災後結構物可能產生梁柱接頭破壞、樓板嚴重開裂、或螺栓接合鬆脫,在3.8Hz至4.1Hz出力時,產生非線性行為,使結構自然頻率改變,造成一、二樓加速度放大倍率改變。

 

圖1 本次火害實驗區範圍

 

圖2 鋼構屋火災實驗

 

圖3 鋼構屋小梁火害變形

 

圖4 鋼構屋大梁火害變形