火害工程研究

由上述可知，目前各國對結構構件受火害已有相當程度之研究。惟對於大尺寸結 構柱構件之火害試驗，國內常受限於設備能力與經費，而無法深入探討。尤其 CFBC 構件為鋼骨與混凝土材料所組合成，當其受高溫與載重之雙重影響下，各材料的結構 行為甚為複雜。在內政部建築研究所經費支持下，本研究得以進行填充型鋼管混凝土 柱火害行為之探討，更應把握機會，審慎規劃及進行全尺寸火害試驗。鑑此，本章節 將回顧國內外火害工程之相關規範與研究成果，以從中吸取經驗，俾作為執行計畫之 參考。

第二節 火害工程研究

國外有關火害工程方面的研究相當豐碩，日本早於 30 年代即開始混凝土的火害研 究，迄今已有多個研究及檢測單位分別擁有室、內外大型耐火實驗室，如財團法人日 本建築總合試驗所等。在混凝土構件方面，以美國波特蘭水泥協會之研究成果最為凸 出，該協會於 1958 年設置一火害研究室並興建一棟大型中央自動控制的試驗室及功能 完備的實驗設備（包括梁、版、牆等耐火爐），以進行一系列混凝土結構之火害研究，

其主要內容包括：

(1). 混凝土材料在不同溫度之高溫作用下的性質變化 (2). 鋼筋在不同溫度之高溫作用下的性質變化

(3). 鋼筋溫凝土樑的耐火行為 (4). 鋼筋溫凝土版的耐火時效

(5). 高拉力鋼腱受高溫作用後的強度變化 (6). 預力樑的耐火行為

加拿大國家研究委員會 NRCC 在渥太華於 1980 年代亦建立一綜合大型耐火實驗 室，其設備亦包括梁、版、牆等耐火爐，並新增一柱試驗爐，可執行加載下柱耐火性 能之研究，迄今已獲致許多成果並已據以修改多項有關混凝土施工規範及試驗標準。

而在火害後混凝土結構物之安全評估程序方面，英國則有非凡的研究成果，例如英國 混凝土學會於 1978 年提出火害後結構物評估程序及鋼筋混凝土構件火害程度之目測 分級表；Tovey（1986）針對 1978 年英國混凝土學會的火害後結構物評估程序提出建 議，修訂內容為定性評估、定量評估與修補技術三個部分：

 定性評估：目測評估方法，能夠約略窺視整體結構面的損害狀況。

 定量評估：以混凝土顏色判定、衝錘試驗及鑽心試驗為主，超音波法、溫莎探測 針、內部碎片偵測以及熱發光試驗為輔，藉以確定火害後混凝土強度的折減。

 修補技術：主要為混凝土強度折減與溫度的關係，視為混凝土強度折減的重要指 標。

其中，定性評估方式可做為初期火害程度的研判依據，然而定量評估方面，因試驗精 確度之故，仍有相當大的爭議及改善空間。

相較於英、美國家，國內在火害工程方面之研究起步較晚，雖然國科會於 1980 年代初期開始推動大型防災科技研究，其內容包括防洪、防震、坡地及氣象防災等項 目，但遺憾的是並未包含火害工程。因此，若以政府所投入的研發經費而論，相較於 其他的防災項目，防火研究較不被重視。儘管如此，國內幾所大學早期曾進行一些高 溫作用下混凝土材料性質變化方面的研究；如興大顏聰教授於 1982 年即藉超音波評估 混凝土構造物受高溫後之損害程度研究，並於 1987 至 1989 年曾陸續研究混凝土在高 溫下之熱傳、微觀結構變化、內部力學變化以及握裹行為（吳敏洽（1987）；鄭錦銅

（1987）；劉玉雯（1990））。1988 年之後，台科大陸續進行有關火害方面的研究（高 金盛等（1994）；陳舜田（1995）；沈進發等（1998）；陳舜田（1998）），如沈進 發教授以 X 光繞射分析用於建物受火害程度作探討；沈進發、陳舜田教授於 1994 年 對混凝土火害溫度作綜合之評估；陳舜田教授於 1996 年的火害工程研究；沈進發、陳 舜田、沈得縣等教授於 1998 年提出混凝土結構物火害後現場勘查之程序。至今，國內

對普通混凝土材料性質受火害影響之研究較完整，另外也進行了縮小尺寸之構件耐火 性能之研究，但大型實尺寸構件耐火試驗，因國內以往缺乏試驗設備，在此方面之研 究仍付之闕如。所幸近幾年來，國內於火害工程已投入較多的研究人力，例如對於混 凝土構件火害行為之研究已有不少成果，但都以高強度或高性能混凝土為主，有關輕 質混凝土者則相當有限。

至於政府相關部門在推動火害工程研究方面，內政部建築研究自 1989 年九月成立

「建築研究所籌備處」以來，即積極投入建築物防火研究，並於 1992 年 7 月在台北縣 五股工業區內成立防火實驗室。為配合政府相關研究計畫的執行，本所逐年購置符合 國家標準及國際水準的儀器設備，除進行各種耐火試驗外，並與經濟部標準檢驗局共 同辦理「建築用防火門檢驗」，藉由研究成果及現有設備與技術進行檢測，進而達到維 護公共安全之目的。此外，本所於 1993 提出「築物防火性能檢測試驗及應用研究五年 計劃」，此研究計畫內容較廣，包括：防火、救火、煙控、材料與結構耐火性能等，

計有中山、台大、台科大、交大、中興、中山科學研究院等單位投入大量人力與物力 積極進行相關研究。為加強建築防火之科學化、系統化實驗研究，並提升國內建築研 究水準，建築研究所積極籌設建築防火實驗群，於 2002 年 4 月自五股遷移至台南。本 所台南實驗群除建置樑、柱、版、牆試驗爐外，更有一世界級的樑柱複合爐，可供進 行梁柱接頭的耐火性能研究，不僅能結合建築防火理論與實際應用的成果，並可將國 際上之相關防火研究資料，進行本土化的驗證與創新之工作，提供我國建築材料、構 件結構、防耐火性能檢測基準。另方面，近年來，交大、成大亦先後完成樑柱樓板複 合實驗爐，為目前國內少數幾處能進行大型火害研究試驗的試驗單位。

綜上所述，國內外文獻有關火害工程之研究課題，可歸納整理如下：

 高溫下及高溫後混凝土材料性質：包括比熱、柏松比、彈性模數、熱傳導係數、

熱膨脹係數、顏色變化、裂縫成長、爆裂行為、抗壓強度、應力-應變曲線、熱潛 變等性質。

 高溫下鋼筋材料性質：包括其張應力-應變曲線、彈性模數、降伏強度、極限強度 等性質。

 結構構件之耐火性能：包括獨立構件（樑、柱、版、牆等）以及架構（含接頭）

之耐火性能。

 其他影響混凝土耐火性能之變數研究：如尺寸效應、支承束制狀況、火害溫升速 率及延時、火害後冷卻速率及降溫方式、試體形狀、骨材種類、混凝土抗壓強度、

混凝土內部含水量、纖維加勁、偏心載重等變數之影響。