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建築研究簡訊第95期 《主題報導》

辦理國際首次實尺寸火害、震害多重災害模擬實驗

       近年來建築延壽、永續利用及災害韌性的概念愈來愈受重視,在台灣建築物不僅可能在生命週期中遭受火災、震災等多重災害影響,也可能在巨災中同時遭受兩種以上的複合性災害衝擊,尤其近年巨大災害頻仍,多重、複合性災害的研究相形重要。惟受限於實驗設施設備影響,國際上多只針對耐震、防火單一災害種類分別進行研究,無法探究多種災害相互影響,導致性能衰減的危險性,相關安全性診斷基準及補強技術更付之闕如。

       基此,本所乃推動「鋼構建築複合性災害作用下耐火科技研發計畫」,進行建築物承受火災後再遭遇地震之多重性災害研究,藉由實尺寸鋼構屋的火災與地震模擬實驗,探討火害後建築物結構體安全性及耐震性能衰減狀況,以建構多重災害之鋼構建築物結構安全評估技術,並回饋檢討修正結構設計規範。後續科技計畫,則將針對巨大震災下,先震後火之複合性災害,進一步研究探討防火、消防設備及維生管路防火性能衰減狀況。

       本計畫已於104年建置完成實尺寸鋼構屋(含隔震平台與激振設施),做為火災及地震多重性災害之研究基地,並在105年11月29日首次進行實尺寸鋼構屋火災模擬實驗,且於火災試驗前後分別進行靜態載重及動態試驗,以比較火災衝擊對建築物耐震性能降低之程度,此等實尺寸、多重性災害模擬試驗,實為國際首次之創舉。

       本實尺寸鋼構屋面積12m×12m,2跨×2跨,樓層高度4m,其鋼梁與鋼柱皆採用H型鋼,梁柱接頭採用梁翼板與柱銲接,梁腹板與柱栓接的彎矩接頭,小梁與大梁接頭採用小梁腹板與大梁加勁板栓接之剪力接頭,未來可擴建成5層樓,並設置隔震平台與激振設施,作為火災及小型地震模擬之多重災害實驗基地(如圖1)。本案由於研究經費短絀,鋼構屋係由本所、成功大學研究團隊,及中鋼(提供鋼材)、中鋼構(製作組裝)、劦承精密(提供隔震器) 、柏林公司(防火被覆) 、佳德公司(鋼承板)等公司共同捐助建造而成,不僅建造經費由1,500萬元降至300萬元,業界亦可藉由實驗驗證其產品功能,締造了國內產、官、學跨界合作研究之成功經驗。

       本次實驗先進行小梁及樓板(埋設有拉力鋼筋與雙向的溫度鋼筋)之多重性災害行為研究,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35kg/m2木材重量) 及採用單一開口的進氣與排氣,此開口寬度為5.6m;高度為1.7m進行實驗設計,實驗結果顯示,在此次火災情境設定下,約於15分鐘發生閃燃,最高溫到達1,000 ℃以上,小梁中點的最大變位量為82mm,樓板中點的最大變位量為94mm,火害實驗後,小梁中點的變位量回彈至約43mm,樓板中點的變位量回彈至約50mm(如圖2)。

       藉由本次現地火害實驗發現:在真實剪力連接束制條件下的複合小梁受火害的結構行為與單一無束制簡支承複合小梁依據CNS 12514-1及CNS 12514-6標準試驗進行火害試驗之結構行為有所不同。以本實驗為例,真實剪力連接束制條件的複合小梁在火害初期因受熱膨脹而先向外伸長,但在膨脹伸長的同時也受到小梁兩端與大梁剪力接合所產生之束制壓力,另外,由於小梁西側連接內大梁,東側連接外大梁,因此西側內大梁端的束制力較強,造成小梁西側的下翼板有明顯的側向扭轉挫曲現象發生(如圖3),之後,由於火害高溫造成小梁的勁度與強度折減,小梁垂直向產生大變位,形成懸垂效應。火害後觀察小梁兩端接頭的情形發現:小梁兩端由剪力片與腹板螺栓接合所形成剪力接頭,在火害初期小梁膨脹伸長時,剪力片與腹板之間的摩阻力應該已被克服,之後,小梁在垂直向發生大變位,形成懸垂效應,使得小梁兩端向中央移動,以上行為可以由剪力片與腹板接觸面摩擦的痕跡看出,此外,剪力片與小梁的腹板之間可以看出明顯的間隙,說明螺栓在火害後可能已有鬆弛現象。另觀察樓板火害後現象可發現:樓板下方的鋼承板發生局部挫屈,及鋼承板接合處受熱膨脹擠壓出空隙,可從裂縫中看出混凝土與鋼承板已分離,而自火害實驗區上方非曝火面觀察可明顯看到混凝土開裂之裂縫,大致發生在樓板的角隅與四周。

       另外,由火害實驗前後之靜載重實驗得知,在相同載重下,火害後之小梁應變及垂直變位均比火害前之小梁應變及垂直變位大約40%。結構在火害前之靜載重實驗均保持線彈性行為,但火害後混凝土樓板與底層鋼浪板已有間隙,且小梁已有永久變形,因此靜載重實驗會產生小量之非線性行為,若小梁與大梁連接處沒有破壞,則火災後之小梁承載力及勁度不會大幅下降。實驗結果觀察可知,火害後混凝土板開裂,造成連續樓板處支承力下降,並且由使得行為由連續構架轉變為類似簡支梁,使得變位結果更趨近簡支梁理論值。另外火害後之小梁垂直變位會受到混凝土塊與波浪板及梁分離影響,造成受加載時,載重先由混凝土支撐,而慢慢加載,使變位足夠頂到波浪板及梁,造成其有傳遞時間延遲。動態加載實驗則發現實尺寸鋼構屋於火害前基本振動頻率約為4.125 Hz,火害後基本振動頻率約為4.064 Hz,較火害前降低約1.5%。

       本次共動員本所、成功大學研究團隊約30人進行實驗。當天也邀請臺南市消防局支援滅火(如圖4),並架設紅外線熱像儀量測結構溫度與變形情況(如圖5),供消防人員掌握火災中結構安全性之變化,作為日後火災搶救安全判斷參考。後續本所將持續進行鋼構建築多重性災害研究,以強化建築結構安全,發展火害後鋼結構健康檢測與診斷技術,期能提升建築物耐震防火能力。

圖1.鋼構實驗屋平面圖與本次火災實驗範圍

圖2.北側小梁下方熱電偶樹之溫度歷時曲線圖

圖3.鋼構屋小梁火害變形

圖4.鋼構屋火災實驗及消防隊協助防止延燒

圖5.紅外線熱像儀監測火場結構溫度