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建築研究簡訊第102期 《業務報導》

實尺寸鋼構屋切削減弱式接頭鋼梁(RBS)與梁柱接頭之火害結構行為分析

鋼構造建築因施工快速及耐震性能佳,已廣為中高層建築與大型購物商場所採用,為了符合我國鋼結構耐震設計規範中,對於韌性抗彎矩構架之梁柱接頭的塑性轉角或層間位移角之要求,國內業界對於大梁,在其梁柱接頭處多採用切削減弱式接頭(Reduced Beam Section,簡稱RBS接頭),此種接頭主要針對大梁於梁柱接頭處之梁翼板進行圓弧形或梯形切削,使得地震發生時,其大梁在兩端之切削減弱處先形成塑性鉸,吸收能量,讓塑性鉸移離柱面,進而達到保護大梁與鋼柱接合之銲道,避免產生1994年美國北嶺地震,造成梁柱接頭銲道斷裂之破壞。火害時,因鋼柱與大梁相連接,將提供大梁束制,火害初期,大梁因熱膨脹而承受軸壓力與負彎矩,火害後期,大梁則受到懸垂拉力與收縮拉力,由於減弱式梁柱接頭主要在梁翼板進行切削處理,造成大梁在切削減弱處之側向(弱軸)勁度減弱與大梁斷面縮減,是否會影響大梁的耐火性能,值得注意與研究,目前國內外研究多為無束制RBS鋼梁在火害下的行為,針對RBS鋼梁在有束制下的火害高溫實驗極少,將可透過實尺寸鋼構屋的火害實驗,探討切削減弱式大梁在實際束制情形下於火害下真實的結構行為與破壞模式。

本次火害實驗區範圍為A區與C區,如圖1所示,此RBS鋼梁屬於國內常用之「圓弧切削」減弱式接頭與鋼梁,且為內大梁,所承受載重較外大梁與小梁為大,火載量設計如之前實驗,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)並將區劃開口高度縮減至105cm進行實驗設計,以增加火害延時。

本次火害實驗於107年8月10日進行,如圖2所示,火害實驗空間溫度以C區為例,前400秒為引燃期,400秒後室內溫度明顯快速上升,2100秒時達第一次尖峰值約為1050°C,2100秒至2900秒內短暫降溫,2900秒時溫度再度開始爬升,在3500秒時達到第二次尖峰值約為950°C,隨後降溫至4500秒時進入平原區,6000秒開始明顯降溫,7000秒後進入衰退期。火害實驗中,RBS鋼梁與南側小梁連接處的最大變位量為向下26.46 mm,RBS鋼梁中點的最大變位量為向下29.45 mm,RBS鋼梁與北側小梁連接處的最大變位量為向下14.79 mm,A區樓板中點的最大變位量為向下85.74 mm;C區樓板中點的最大變位量為向下91.22 mm;火害實驗後,RBS鋼梁與南側小梁連接處變位回彈至向下10.29 mm,RBS鋼梁中點的變位回彈至向下8.55 mm,RBS鋼梁與北側小梁連接處的變位回彈至向上1.56 mm,A區樓板中點的變位回彈至向下48.9 mm;C區樓板中點的變位回彈至向下15.1 mm。

另本次鋼構實驗屋的現地火害實驗發現,RBS鋼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之束制軸向壓力,由於RBS鋼梁之北端連接內柱,南端連接邊柱,火害中內柱端給予RBS鋼梁的束制壓力較強,再加上原先樓板載重施予大梁接頭端負彎矩所產生之壓應力造成RBS鋼梁北側腹板、下翼板局部挫屈;南端下翼板切削處變形大,造成連接板與下翼板切削處的錯動,以及北端托梁與連接梁於腹板續接處之變形大,亦造成連接板與腹板的錯動,如圖3所示。

藉由本研究RBS鋼梁的真實火害實驗結果,顯示 RBS鋼梁在切削處之防火被覆厚度與防火時效,應予以適當考量與設計,避免在火災高溫中破壞,影響鋼結構的耐火能力。

方案二

火害實驗區域

圖1.本次火害實驗區範圍

A區

C區

圖2.鋼構屋火災實驗

(a) RBS下翼板切削處變形較大造成錯動

(b) RBS接頭處之腹板發生局部挫屈

(c) 托梁與連接梁續接處變形大

(d) RBS鋼梁之下翼板發生局部挫屈

圖3.RBS鋼梁火害後照片