火害後混凝土殘餘強度分析

1. 試 體 強 度 分 析

依 照 上 述 所 推 導 出 殘 餘 強 度 公 式 與 試 體 內 部 溫 度 分 佈 情 形 ， 我 們 可 以 估 計 試 體 在 火 害 後 的 殘 餘 強 度 。 由 表 五 ， 我 們 知 試 體 內 每 間 隔 1cm 的 溫 度 ， 可 將 試 體 面 積 視 為 4 個 同 心 圓 環 與 一 個 中 心 圓 所 組 成，將 每 段 圓 環 的 平 均 溫 度 代 入 式 (4.2)，即 可 求 得 每 段 圓 環 的 殘 餘 強 度 ， 將 每 段 殘 餘 強 度 疊 加 起 來 ， 即 可 推 知 火 害 後 試 體 的 殘 餘 強 度 。 將 此 分 析 結 果 與 之 前 實 驗 值 做 比 較 ， 如 表 十 四 ， 由 此 表 發 現 ， 理 論 值 與 實 際 值 相 當 接 近 ， 證 明 此 強 度 折 減 公 式 在 估 計 混 凝 土 高 溫 下 的 殘 餘 強 度 時，是 合 理 的。

2.柱 件 殘 餘 強 度 評 估

由 於 本 研 究 礙 於 經 費 及 國 外 試 驗 室 配 合 時 程 問 題 並 未 做 實 尺 寸 的 柱 實 驗，故 參 考 林 建 宏、陳 舜 田 教 授 在 民 國 77 年 做 的 一 系 列 全 尺 寸 柱 的 火 害 實 驗 [17]， 柱 斷 面 尺 寸 皆 為 40cm×40cm。

柱 斷 面 細 節 如 表 十 五 所 示，其 討 論 之 變 數 包 括 火 害 延 時、柱 長、

保 護 層 厚 度 、 混 凝 土 長 度 及 軸 向 鋼 筋 量 ， 吾 人 以 前 人 所 導 出 的 強 度 折 減 公 式 與 本 實 驗 所 歸 納 出 的 強 度 折 減 公 式 ， 來 與 實 驗 值 相 比 較 。

(1)基 本 假 設

柱 試 體 備 妥 後 即 置 於 4m×1.5m×1.5m 之 高 溫 爐 中。此 高 溫 爐 之 升 溫 係 由 手 動 控 制 ， 升 溫 之 速 率 則 按 BS476 之 升 溫 曲 線 。 柱 試 體 置 於 高 溫 爐 中 加 溫 到 一 定 時 間 後 讓 其 自 然 冷 卻 至 常 溫 再 由

高 溫 爐 中 取 出 ， 置 於 MTS 萬 能 試 驗 儀 中 做 無 偏 心 的 軸 向 加 載 試

之 後，兩 部 分 所 算 之 數 據 會 略 偏 於 保 守。表 十 六 為 式 (4.2)與 式 (5.1)、(5.2)、(5.3)所 得 結 果，表 十 七 為 式 (2.2)與 式 (5.1)、

(5.2)、 (5.3)所 算 得 結 果 。

(2)柱 受 火 害 後 軸 向 強 度 之 評 估

吾 人 使 用 三 種 分 析 法 ， 如 下 所 示 ：

<1>僅 考 慮 混 凝 土 及 鋼 筋 的 強 度 ：

P1=0.85×fc`(Ag-As)+Asfy 式 (5.1) 此 公 式 為 最 簡 單 的 柱 軸 向 強 度 分 析 公 式，不 考 慮 箍 筋 的 圍 束 作 用 ， 在 與 實 驗 值 Pn 相 比 之 後 ， 其 P1/Pn 的 平 均 值 為 1.222， 會 比 實 驗 值 高 是 因 為 尚 未 考 慮 火 害 ， 在 將 外 層 受 火 害 的 部 分 以 公 式 (4.2)、 (2.2)加 以 折 減 後 ， 其 P1`/Pn 值 分 別 降 為 0.831 與 0.802， 標 準 差 為 0.209 與 0.227， 所 以 吾 人 的 殘 餘 強 度 建 議 公 式 較 接 近 實 際 值 。 由 公 式 分 析 得 知 火 害 前 後 的 強 度 差 異 頗 大 。

<2>考 慮 箍 筋 的 圍 束 效 應 ：

P2=(0.85fc`+2K”ρ ”fy”)Acore+Asfy 式 (5.2) P2 的 公 式 多 考 慮 了 箍 筋 的 圍 束 作 用，但 忽 略 了 保 護 層 的 強 度 。 其 想 法 是 在 施 加 軸 向 載 重 時 箍 筋 會 對 混 凝 土 核 心 產 生 一 圍 束 作 用，進 而 提 高 混 凝 土 的 抗 壓 強 度。K”是 箍 筋 的 相 對 有 效 性 係 數 ， 若 有 好 的 圍 束 效 果 ， 則 可 取 到 0.75， ρ ” 為 橫 向 鋼 筋 比 。 此 公 式 與 保 護 層 的 厚 度 、 箍 筋 的 大 小 、 箍 筋 的 間 距 有 較 大 的 關 連 性 ； 若 保 護 層 較 厚 ， 則 Acore 相 對 的 變 小 ， 軸 向 強 度 也 會 變 小 ， 使 用 較 大 號 的 箍 筋 或 是 箍 筋 間 距 排 小 一 點 ， 則 能 提 高 較 佳 的 圍 束 作 用 。

P2/Pn 的 平 均 值 為 0.886， P2`/Pn 的 平 均 值 由 式 (4.2) 算 得 為 0.712，標 準 差 為 0.143，由 (2.2)算 得 為 0.742，標 準 差 為 0.115， 雖 然 P2`的 標 準 差 比 式 (5.1)更 小 ， 但 是 理 論 值 與 實 驗 值 有 一 段 差 距 。 這 是 因 為 P2 的 公 式 只 考 慮 核 心 混 凝 土 的 抗 壓 強 度 與 箍 筋 的 圍 束 效 應 ， 對 於 保 護 層 外 的 混 凝 土 強 度 予 以 忽 略 ， 但 是 由 柱 件 的 資 料 看 來 ， 邊 長 40cm 的 方 柱 其 保 護 層 最 大 為 6.4cm ， 表 示 說 保 護 層 的 面 積 為 860.16cm2， 以 超 過 總 斷 面 積 的 一 半 ， 雖 然 保 護 層 受 火 害 影 響 較 大 ， 強 度 折 減 也 較 多 ， 但 仍 可 發 揮 一 定 的 抗 壓 強 度 。 若 將 其 強 度 全 部 忽 略 掉 的 話 ， 稍 嫌 不 合 理 ， 所 以 P2 分 析 出 來 的 值 才 會 與 實 驗 值 相 差 較 大 。

這 裡 要 注 意 的 是 ， P2/Pn 小 於 1 代 表 說 我 們 所 估 計 火 害 前 的 柱 強 度 比 實 驗 中 火 害 後 的 柱 強 度 還 小 ， 當 然 火 害 後 的 強 度 會 更 加 的 小 ， 不 管 是 哪 一 種 公 式 ， 皆 為 最 保 守 估 計 。

<3>在 考 慮 鋼 筋 的 圍 束 效 應 下 ， 再 加 上 保 護 層 混 凝 土 的 強 度 P3=0.85fc`(Ag-As)+Asfy+2K”ρ ”fyAcore 式 (5.3) 此 公 式 就 是 等 於 公 式 P1 再 加 上 箍 筋 的 圍 束 效 應 ， 各 個 變 數 都 有 考 慮 到 ， 將 柱 斷 面 做 最 合 理 的 計 算 。 火 害 前 分 析 值 P3 與 實 驗 值 的 比 值 平 均 為 1.236， 火 害 後 分 析 值 與 實 驗 值 的 比 值 以 (4.2)、(2.2)算 得 的 平 均 為 0.844 與 0.816，標 準 差 各 為 0.209 與 0.226。由 標 準 差 與 平 均 值 來 看，吾 人 所 導 之 強 度 折 減 公 式 皆 比 Lie T.T 所 導 的 公 式 更 接 近 實 驗 值。

兩 公 式 皆 比 P1、 P1`要 來 的 大 一 些 ， 這 是 因 為 圍 束 作 用 的 關 係 。 但 仔 細 比 較 P1`/Pn 與 P3`/Pn， 發 現 雖 然 P3`的 分 析 結 果 最 接 近 實 驗 數 據 ， 但 卻 只 比 P1`/Pn 大 0.014， 由 此 可 知 ， 箍 筋 的 圍 束 效 果 對 柱 的 抗 壓 強 度 增 加 有 限 ， 在 求 快

速 勘 查 建 築 物 火 害 後 損 壞 情 況 ， 為 節 省 計 算 的 時 間 ， 可 忽