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
火災與地震多年來一直是都市建築物(包含鋼筋混凝土建築及鋼構建築)損壞與破壞的主要原因，近年來，內政部建築研究所已針對鋼筋混凝土造建築與鋼構造建築之構件與構架有系統地進行火害中的實驗與研究，並已獲致豐碩之成果，但是，國內外研究尚缺少探討受到火災高溫影響後的建築物，其火害後的結構耐震性能評估。建築物在火災後，其材料性質受到高溫影響，造成建築物之構件(如柱、梁)之強度降低，因而使得建築物之耐震能力下降，國內外產學界對於建築物火害後之耐震能力折減，尚未建立有系統的方法來解決此一重要課題。因此，為了正確評估火害後建築物之耐震能力，以為日後火害後建築物之耐震補強提供正確資訊，故應先進行火害後建築物之結構耐震性能評估的研究，以提供建築物耐火與耐震設計實務之參考。
本研究將針對鋼筋混凝土造及鋼構造建築物，以三年時間進行火害後建築物之結構耐震性能評估研究，以實際瞭解火害後建築物之耐震能力，其研究內容包括：火害後建築構件之反覆載重實驗、火害後單層單跨構架之振動台實驗、以及電腦數值模擬分析，透過本研究發展火災後建築物之振動台實驗技術方法與流程，並建立有系統的火害後建築物之結構耐震性能評估方法。本研究擬於內政部建築研究所防火實驗中心戶外實驗場進行鋼筋混凝土造及鋼構造構件試體與整體構架試體之製造與火災實驗，並結合國家地震中心南部實驗室進行火害後建築物構件之反覆載重實驗和火害後單層單跨構架之振動台實驗，研究火災及地震之多重性災害對建築物之影響。
二、研究方法及過程
本研究109年的主題是探討火害後鋼筋混凝土構件與鋼構件之耐震性能，以實驗的方式進行研究，製作4個鋼筋混凝土柱與2個鋼柱試體，於內政部建築研究所防火實驗中心進行火害實驗，以模擬鋼筋混凝土柱與鋼柱在火場中所受到高溫影響，之後再運至鄰近的國家地震中心台南實驗室進行未受火害和受火害鋼筋混凝土柱與鋼柱的反覆載重實驗，藉以了解火害後鋼筋混凝土柱與鋼柱的耐震能力變化，本研究亦建置單層單跨鋼筋混凝土構架屋2座，以供後續鋼筋混凝土構架屋火害後的耐震性能研究之用，此外，同時進行受火害與未受火害單層單跨鋼筋混凝土構架屋受地震之數值模擬，並彙整火害後鋼筋混凝土柱與鋼柱之結構耐震評估實驗數據資料。
三、重要發現
(1)受火害鋼筋混凝土柱試體之反覆載重實驗結果顯示，根據標準升溫曲線進行加熱3小時，30 cm正方形斷面之表面、保護層、中心點最高溫度約為800、560、420度。鋼筋溫度約為500度。火害後鋼筋與混凝土之間的握裹力遭到破壞，反覆載重實驗所得之遲滯迴圈有握裹滑移引致的迴圈束縮(pinching)情況。此外，火害後混凝土柱試體的塑鉸發生位置有移動趨勢。
(2)火害後鋼筋混凝土柱試體之降伏勁度及強度，均隨著火害延時及軸壓越大而降低，強度下降約10%、降伏勁度折減約40%。
(3)本研究使用OpenSees對鋼筋混凝土柱、2D 鋼筋混凝土構架以及3D鋼筋混凝土構架屋試體建立數值模型，能分析混凝土與鋼筋材料之強度、勁度與其他包含撓曲、剪力以及鋼筋滑移等力學行為，可合理分析極限強度、勁度、遲滯迴圈與反覆載重之勁度折減。
(4)本研究所提出之斷面溫度結合有限元素的分析方法，可分別對斷面溫度之簡化與材料性質裂化之應用進行驗證，用於本研究之受火害後數值模型側推行為分析與殘餘強度預測，亦可將驗證之簡化流程結合其他分析方法進行應用。
(5)受火害鋼柱試體之反覆載重實驗結果顯示，材質為SN490B之RH250250914鋼柱試體在受到900°C高溫火害後空氣冷卻到常溫，在承受20%軸壓載重比作用，其最大側向剪力強度(耐震強度)較未受火害的鋼柱試體平均降低23.5%。若以80%的鋼柱試體標稱剪力強度來判定，其層間位移角容量(Drift Capacity)為4%，符合我國耐震規範梁柱接頭層間位移角4%的規定，但若以較嚴格之90%的鋼柱試體標稱剪力強度來判定，其層間位移角容量(Drift Capacity)將減少為3%，值得吾人注意。
(6)鋼柱試體之反覆載重實驗發現，火害後鋼柱試體之局部挫屈與塑性變形比未受火害鋼柱試體來得更加嚴重且軸向潰縮較多，受火害鋼柱試體降伏強度有下降的現象，另受火害鋼柱試體之側向勁度皆小於未受火害鋼柱試體，層間位移角越大，勁度折減率亦越大，當層間位移角達7%時，受火害鋼柱試體較未受火害鋼柱試體之側向勁度折減已達31%。
四、主要建議事項
建議一 
火害後鋼筋混凝土構架屋之結構耐震性能評估研究：立即可行建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：國立成功大學、國家地震工程研究中心
鋼筋混凝土建築受到火災侵襲後，其構件與梁柱接頭之混凝土與鋼筋，常因火場的高溫造成材質與握裹能力之變化，以致構件與接頭之強度折減，使得鋼筋混凝土建築整體結構耐震能力下降，吾人可透過未受火害與受火害之鋼筋混凝土構架屋的大型振動台實驗，藉以研究火害後鋼筋混凝土構架屋之結構耐震性能。
建議二
火害後補強鋼構架屋之結構耐震性能評估研究：中長期建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：國立成功大學、國家地震工程研究中心、中國鋼鐵結構股份有限公司
鋼構建築受到火災侵襲後，因火場的高溫與冷卻方式造成材質變化，造成構件強度下降，常進行火害後構件與梁柱接頭的補強繼續使用，然而有關火害後補強的鋼構建築之耐震性能如何？值得進一步探討。吾人可透過鋼構實驗屋的大型振動台實驗，藉以研究火害後補強的鋼構建築之結構耐震性能。