非破壞性檢測於鋼管混凝土結構火害後安全評估研究
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內政部建築研究所協同研究報告
非破壞性檢測於鋼管混凝土結構火害後
安全評估研究
內 政 部 建 築 研 究 所 協 同 研 究 報 告
中華民國 102 年 12 月
非破壞性檢測於鋼管混凝土結構火害後
安全評估研究
研 究 主 持 人 ： 蔡 綽 芳 協 同 主 持 人 ： 陳 立 憲 研 究 員 ： 王 天 志 、 劉 峵 瑋 研 究 助 理 ： 張 育 誠 、 劉 家 甫內 政 部 建 築 研 究 所 協 同 研 究 報 告
中華民國 102 年 12 月
（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見10261D0002
目次 I
目次
表次 ... III 圖次 ... V 摘要 ... VII 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究緣起與背景 ... 1 第二節 研究目的 ... 2 第三節 本計畫之重要性 ... 2 第四節 範圍與方法流程 ... 2 第二章 規範與文獻回顧 ... 5 第一節 國內外填充型鋼管混凝土柱耐火試驗與規範 ... 5 第二章 破壞試驗方法 ... 9 一、 混凝土單軸壓縮試驗 ... 9 二、 鋼板拉伸試驗 ... 12 第三節 非破壞性檢測之原理 ... 15 一、 聲射檢測技術 ... 15 二、 電子斑紋干涉術 ... 17 第三章 材料與儀器設備 ... 21 第一節 試體材料與試驗組數 ... 21 第二節 試驗方法與步驟 ... 26 一、 火害前、後之混凝土材料壓縮試驗 ... 26 二、 火害前、後之鋼板材料拉伸試驗 ... 27 第三節 破壞性試驗儀器與設備 ... 28 第四節 非破壞性儀器架設 ... 33 一、 聲射訊號擷取技術 ... 33 二、 電子斑紋干涉術 ... 35 第四章 試驗結果與分析 ... 39 第一節 期末成果概述 ... 40 第二節 火害前、後混凝土之單壓試驗 ... 41 巨、微觀尺度之力學行為 ... 41 第三節 火害前、後鋼板拉伸試驗 ... 49 巨、微觀尺度之力學行為 ... 49II 第五章 結論與建議 ... 59 第一節 結論 ... 59 第二節 建議 ... 61 附錄一 本計畫之試驗成果 ... 63 第一節 火害前 ... 63 第二節 火害後 ... 73 附錄二 審查意見與回覆 ... 95 附錄三、第一次學者專家座談會審查意見與答覆 ... 99 附錄四 計畫執行期中審查意見 ... 101 附錄五 計畫執行期末審查意見 ... 109 附錄六 現場取樣 ... 115 參考書目 ... 117
表次 III
表次
表2-1 國內外相關之文獻摘要 ... 8 表3-1 原規劃與實際取樣試體組數 ... 21 表3-2 鋼板試片之尺寸 ... 23 表3-3 混凝土配比設計表 ... 24 表3-4STKR400 鋼板之化學成分 ... 25 表 3‐5 填充型鋼管混凝土柱最佳化耐火性能設計研究試驗結果簡表 ... 26 表 4‐1 火害後混凝土與鋼板編號 ... 40 表4-2 混凝土超音波波速VP、VS比較表 ... 48 表4-3 鋼板火害前、後超音波量測波速VP、VS比較表... 56
圖次 V
圖次
圖 1‐1 本研究計畫之執行流程 ... 4 圖 2‐1 CNS 12514 與 ASTM E119 之標準升溫曲線 ... 7 圖 2‐2 完整應力‐應變曲線之五個階段示意圖 ... 11 圖 2‐3 擬脆性材料於單軸壓縮試驗峰後破壞行為之分 ... 12 圖 2‐4 鋼材之應力‐應變關係示意圖 ... 14 圖 2‐5 微震裂源單一事件 ... 16 圖 2‐6 微震裂源量測示意 ... 17 圖 2‐7 試體表面面內位移示意圖 ... 19 圖 2‐8 ESPI 干涉條紋分析變形場之實例圖示 ... 19 圖 3‐1 壓縮試驗試體尺寸（長寬高=5045100MM） ... 22 圖 3‐2 拉伸試驗試片示意圖 ... 22 圖 3‐3 火害後鋼板及混凝土取樣位置 ... 23 圖 3‐4 CNS 12514 標準升溫曲線(建築物構造部份耐火試驗法) ... 25 圖 3‐5 伺服控制油壓試驗系統 ... 29 圖 3‐6 MTS 閉合迴圈控制原理 ... 30 圖 3‐7 線性可變差分變壓器（LVDT） ... 30 圖 3‐8 環狀位移量測計（632.92C‐05C） ... 31 圖 3‐9 混凝土單軸壓縮試驗儀設 ... 31 圖 3‐10 萬向接頭 ... 32 圖 3‐11 伺服控制油壓試驗系統（MTS 1851） ... 32 圖 3‐12 電壓式轉換計（型號：S9225） ... 35 圖 3‐13 前置放大器（型號 1220C） ... 35 圖 3‐14 電子斑紋干涉術之光學元件 ... 38 圖 4‐1 火害前、後之混凝土應力應變曲線比較圖 ... 43 圖 4‐2 火害前混凝土聲射事件發生時機對應完整加載歷程 ... 44 圖 4‐4 火害前混凝土完整加載歷程與電子斑紋干涉破壞特徵之關聯圖 ... 46 圖 4‐5 火害前混凝土聲射事件與電子斑紋干涉與巨觀裂縫比對圖 ... 47 圖 4‐6 混凝土火害後試體中心、兩端(試樣編號 TA1)VP、VS比較圖 ... 49 圖 4‐10 加載初期聲射事件分佈與鋼板斷裂後裂縫位置圖 ... 55 圖 4‐ 11 鋼板斷裂後裂縫位置與聲射分佈圖 ... 56 圖 4‐12 鋼板試體編號火害前(S_B)、後(S_A)VP、VS比較圖 ... 57 圖 4‐13 鋼板與混凝土火害前、後 VP / VS比較圖 ... 57 附圖‐1 火害前混凝土聲射事件發生時機對應完整加載歷程 ... 63 附圖‐2 火害前混凝土於單壓歷程伴生 AE 事件之微裂分佈發展 ... 64
VI 附圖‐ 3 火害前混凝土完整加載歷程與電子斑紋干涉破壞特徵之關聯圖 ... 65 附圖‐4 非破壞檢測耦合‐第一階段:叢聚分佈(火害前混凝土 01) ... 66 附圖‐5 非破壞檢測耦合‐第二階段:初裂時機(火害前混凝土 01) ... 66 附圖‐6 非破壞檢測耦合‐第三階段:尖峰強度(火害前混凝土) ... 67 附圖‐7 聲射事件發生時機對應完整加載歷程 ... 68 附圖‐8 加載歷程各階段對應聲射事件空間分佈 ... 69 附圖‐9 火害前混凝土完整加載歷程與電子斑紋干涉破壞特徵之關聯圖 ... 70 附圖‐10 非破壞檢測耦合‐第一階段:叢聚分佈(火害前混凝土) ... 71 附圖‐11 非破壞檢測耦合‐第二階段:初裂時機(火害前混凝土) ... 71 附圖‐12 非破壞檢測耦合‐第三階段:尖鋒位置(火害前混凝土) ... 72 附圖‐13 聲射事件發生時機對應完整加載歷程 ... 73 附圖‐14 加載歷程各階段對應聲射事件空間分佈 ... 74 附圖‐15 混凝土 (TB2)完整加載歷程與電子斑紋干涉破壞特徵之關聯圖 ... 75 附圖‐16 聲射事件發生時機對應完整加載歷程 ... 76 附圖‐17 加載歷程各階段對應聲射事件空間分佈 ... 77 附圖‐18 混凝土 (TB2)完整加載歷程與電子斑紋干涉破壞特徵之關聯圖 ... 78 附圖‐19 非破壞檢測耦合‐第一階段:叢聚分佈(火害後 TB2 混凝土) ... 79 附圖‐20 非破壞檢測耦合‐第二階段:初裂時機(火害後 TB2 混凝土) ... 79 附圖‐21 非破壞檢測耦合‐第三階段:尖鋒位置火害後(火害後 TB2 混凝土) ... 80 附圖‐22 聲射事件發生時機對應完整加載歷程 ... 81 附圖‐23 加載歷程各階段對應聲射事件空間分佈 ... 82 附圖‐24 混凝土 (TA1)完整加載歷程與電子斑紋干涉破壞特徵之關聯圖 ... 83 附圖‐25 非破壞檢測耦合‐第一階段:叢聚分佈(火害後 TA1 下混凝土) ... 84 附圖‐26 非破壞檢測耦合‐第二階段:初裂時機(火害後 TA1 下混凝土) ... 84 附圖‐27 非破壞檢測耦合‐第三階段:尖鋒位置火害後(火害後 TA1 下混凝土) ... 85 附圖‐28 聲射事件發生時機對應完整加載歷程 ... 86 附圖‐29 加載歷程各階段對應聲射事件空間分佈 ... 87 附圖‐30 混凝土單壓火害前、後應力應變比較圖 ... 88 附圖‐31 火害前聲射事件發生時機對應完整加載歷程 ... 89 附圖‐32 火害前聲射事件空間分佈 ... 90 附圖‐33 火害後聲射事件發生時機對應完整加載歷程 ... 91 附圖‐34 聲射事件空間分佈 ... 92 附圖‐35 鋼板 SN490B 火害前、後之應力應變曲線比較圖 ... 93
摘要
VII
摘要
關鍵字：非破壞性檢測、聲射、電子斑紋干涉術、鋼管混凝土柱
藉由同步耦合「聲-光」非破壞檢測：聲射術(Acoustic Emission, AE)
與電子斑紋干涉術(Electronic Spackle Patten Interfemetry, ESPI)；觀察火
害前、後之鋼管混凝土材料之混凝土與鋼板之微觀裂縫定位與變形場發 展，研判其破裂特徵與傷損程度，藉以了解火害前、後之材料破壞演化， 以做為未來工程火害評核之參佐。 本研究以火害試驗前、後之混凝土(擬脆性材料)施作單軸壓縮；與 鋼板(延性材料)施作單軸拉伸試驗，由感測聲射訊號與光干涉條紋變 化，分別驗證材料內、外受力後之微裂縫生衍與材料表面之變形連續與 變形不連續，研析材料巨、微觀尺度之破壞演化，此外，以波速比Vp/Vs 作為火害前、後詳核指標之可行性探討，亦獲致合理之成果。 一、研究緣起 建築結構物(包含地下結構物)之火害安全評估，係透過火害前、後， 對其構件外表觀察或非破壞探傷法，作為其材料破壞參考指標，若能研 析瞭解受火害破壞過程中，材料內、外部之破壞時、空狀況，並建立全 域性(由材料微、巨觀與內、外部)之材料破壞特徵，應可作為結構分析、 設計，以及防災策略之參佐。
VIII 二、研究方法及過程 為探求火害前、後之材料破壞演化與其峰前、後破壞時間與空間之 整體力學行為，嘗試由微觀裂縫之演化至巨觀裂縫發展方面著手，進行 研究規劃，其範圍與方法架構簡述如下(如圖1‐1所示)： （一）試驗材料 本研究依照合約材料規定選用混凝土與鋼板材料，探討受破壞性 試驗之破壞行為。以火害前、後之材料變化作為變數，研析材料之巨、 微觀破壞行為。 （二）破壞性試驗 本研究採混凝土單軸壓縮試驗與鋼板單軸拉伸試驗，並由加載設 備及伺服系統擷取加載歷程。為避免試驗加載至尖峰時造成裂縫失穩 破壞及探求完整加載歷程，因此，試驗全程皆以環狀位移量測控制。 （三）非破壞性檢測 於聲射法部分，研探材料內部微裂縫分佈之狀況，並以電子斑紋 干涉術檢測材料外部裂縫演化過程。耦合此二非破壞性檢測技術，作 微觀觀察，以利掌握材料之破壞行為，希望了解非破壞性檢測應用於 火害材料破壞行為瞭解之可用性。 三、重要發現 可在在實驗室建立AE、ESPI與VP、VS關係，未來在現場可從波速比與
摘要 IX data base來作比對，利用VP、VS指標可作為日後火害災損評估指標，越 嚴重火害VP、VS一致下降，未來利用與火害災損參佐。 四、主要建議事項 建議一: 以波速檢測評估建立火害現場災損指標：立即可行建議 主辦機關:內政建築研究所 協辦機關:行政院國家科學委員會 VP、VS指標可作為日後火害災損評估指標，越嚴重火害VP、VS一 致下降，建議可持續進行相關變數VP/VS作為火害災損評估參佐。可利 用超音波量的VP、VS波速，在火害有明顯下降的趨勢，值得進一步探 討。 建議二: 以波速檢測評估建立資料庫，未來結合實驗室ESPI、AE 三者偶合應用 火災現場：中長期建議 主辦機關:內政建築研究所 協辦機關:行政院國家科學委員會 在實驗室建立AE、ESPI 與 VP、VS關係，未來在現場可從波速比與
data base 來作比對，建議在室內作 ESPI、AE 與波速比試驗時，若將上
X
射事件時，雖然產生很多的AE 事件數，但能定位的有效筆數卻很少，
研判可能為整支鋼板變形量過大，使得AE 感測器座標移位，未來分析
摘要
XI
Coupled non-destructive acousto-optic techniques on
fire-damaged characteristics of CFT column
KEYWORDS: Nondestructive Technique, Acoustic Emission (AE), Electronic Spackle Patten Interfemetry
(ESPI), Concrete-filled Steel Tube (CFT) Column ABSTRACT
Non-destructive acoustic emission (Acoustic Emission, AE) of crack location technology to observe the "Fire damage before and after" in the concrete and steel concrete steel, its "internal" crack location and extent of the damage, and synchronize coupling to another non-destructive electronic speckle pattern interferometry (Electronic Spackle Patten Interfemetry, ESPI) to observe the material "external" crack growth, in order to understand the fire damage before and after the destruction of evolution of materials to engineering specifications as set future reference. Therefore, the fire damage to the Pilot project before and after the concrete (to be brittle) applied for uniaxial compression and steel (ductility) material applied for uniaxial tension the Pilot, in Wei set eight surface acoustic emission signals sensing element and Wei surface after irradiation by two laser spectroscopic light materials were measured inside and outside by the force of the micro-cracks and raw materials derived surface deformation field, Research and Analysis material damage evolution
第一章 緒論 1
第一章
緒論
第一節
研究緣起與背景
「生活」與「安全」係為人類首要之追求，為保障人民生命與財產 免於火害的威脅，建築物的耐火性能扮演著相當重要的角色。在各國的 建築規範中均有訂定一系列的建築防火規章，其中有關材料與結構耐火 性能方面，主要有結構材料高溫特性、構件高溫特性、構件耐火性能、 耐火設計、火害之結構評鑑方法及結構整體之火害行為等重要課題。 以鋼管混凝土構造為例，充填混凝土鋼管柱（Concrete-filled Steel Tube. CFT）構造兼具鋼筋混凝土結構費用低、抗壓強度高、勁度大， 以及鋼結構之韌性佳、施工快、省人工之優點，同時滿足安全與經濟方 面需求，而漸為許多建築結構所採用，基於上述之內容，對於火害前、 後之鋼管混凝土結構損傷之探討確有其必要性。2
第二節
研究目的
本計畫透過“非破壞性聲射檢測技術”之聲射（Acoustic Emission, AE）同步耦合電子斑點干涉術（Electronic Spackle Patten Interferometry, ESPI）於火害前、後之材料破壞性試驗中，藉由聲射訊號擷取技術觀 察材料「內部」微震事件之敏感度及其定位方式之特性，並於材料加載 之同時藉由「外部」之電子斑點干涉術之影像觀察材料裂縫成長狀況， 研析於完整加載歷程各階段材料內、外部之劣化情況，俾作為未來受火 害之結構材料強度推估與補強之參考。
第三節
本計畫之重要性
承如研究背景所述，生活和安全為人類所追求之首要要件，然而火 災後之結構物安全與功能性影響劇烈，因此能了解火害前、後材料安全 性與功能性之差異有其重要性，如能以本研究計畫所提之非破壞性同步 化聲射技術與電子斑點干涉術耦合相關破壞試驗，於實驗中進行全域 性、瞬時性之材料內、外部檢測，進而可解析火害前、後之鋼管混凝土 之兩種結構材料內、外部之破壞特徵，且掌控其火害前、後之材料破壞 行為，希望可對未來結構火害破壞行為之預判有所益助。第四節
範圍與方法流程
為探求火害前、後之材料破壞演化與其峰前、後破壞時間與空間之 整體力學行為，嘗試由微觀裂縫之演化至巨觀裂縫發展方面著手，進行 研究規劃，其範圍與方法架構簡述如下(如圖1‐1所示)： （一）試驗材料 本研究依照合約材料規定選用混凝土與鋼板材料，探討受破壞性第一章 緒論 3 試驗之破壞行為。以火害前、後之材料變化作為變數，研析材料之巨、 微觀破壞行為。 （二）破壞性試驗 本研究採混凝土單軸壓縮試驗與鋼板單軸拉伸試驗，並由加載設 備及伺服系統擷取加載歷程。為避免試驗加載至尖峰時造成裂縫失穩 破壞及探求完整加載歷程，因此，試驗全程皆以環狀位移量測控制。 （三）非破壞性檢測 於聲射法部分，研探材料內部微裂縫分佈之狀況，並以電子斑紋 干涉術檢測材料外部裂縫演化過程。耦合此二非破壞性檢測技術，作 微觀觀察，以利掌握材料之破壞行為，希望了解非破壞性檢測應用於 火害材料破壞行為瞭解之可用性。
4 非破壞性檢測(聲、光檢測) 1.聲、光檢測設備購置 2.檢測設備定位與校正 3.檢測設置軟體撰寫 4.同步化程式撰寫
破壞性試驗
(單軸壓、拉試驗)1.實驗元件之購置
2.實驗量測儀器校正
3.設計實驗排程之確立
澆置混凝土試體 訂製鋼板試片火害前
之力學與波傳參數量測
圖 1-1 本研究計畫之執行流程 （資料來源:本研究整理） 填充型鋼管混凝土 柱最佳化耐火性能 設計研究第二章 規範與文獻回顧 5
第二章
規範與文獻回顧
針對國內填充型鋼管混凝土柱耐火性試驗規範探討，以下本段將對 於國內及國外得填充型鋼管混凝土柱耐火性試驗規範做一介紹。第一節
國內外填充型鋼管混凝土柱耐火試驗與規範
一、ISO 834 ISO 834 耐火試驗規範之標準升溫曲線為： 10345log (8 1) 20
T
t
（1） 式中： T ：為平均爐內溫度(°C)。 t ：試驗經過時間(min)。 試驗之室內溫度須介於10~30°C，初始平均爐溫小於50°C；柱試 體受熱長度，並無要求；性能基準評定以構件承重能力判別，規定承 重柱構造破壞條件為超過最大軸向壓縮量（C）， C=h/100（mm）， 與超過最大軸向壓縮速率（dC/dt），dC/dt=3h/1000（mm/min），式 中h為柱試體高度。 如規範ISO834的公式(1)所示，則可以知道試驗最高溫度Tmax及溫 度梯度T，做為判斷填充型鋼管混凝土耐火性之影響。6 二、CNS 12514 我國CNS 12514規範主要是參考ISO 834規範所修訂。訂定標準升 溫曲線為： 10
345log (8 1) 20
T
t
（2） 式中： T ：平均爐內溫度(°C)、 t ：試驗經過時間(min)； 開始試驗前之室內溫度須於10~40°C，爐內初始平均溫度小於 50°C；柱試體受熱長度須大於3公尺以上；柱試體耐火性能以承重能 力判定，其破壞條件為最大軸向壓縮量（C），C=h/100（mm），與 超過最大軸向壓縮速率（dC/dt），dC/dt=3h/1000（mm/min）。 式中h 為柱試體高度。 柱構件主要承力部分為鋼構造者，耐火性能之破壞條件為鋼材最 高溫度超過550°C或平均溫度超過500°C。 三、ASTM E119 ASTM E119耐火試驗規範之升溫條件為5分鐘爐內平均溫度須達 538°C，30 分鐘須達到843°C，1小時須達到927°C，2 小時須達到 1010°C，4 小時須達到1093°C；開始試驗之室溫介於10~32°C之間； 對於承重柱試體受熱段長度不得小於2.7 公尺，而無加載具防火被覆第二章 規範與文獻回顧 7 鋼柱受熱長度至少2.4公尺，且試體各面均需受熱；試體耐火性能為依 試驗類別要求，與鋼骨溫度判定構件是否破壞，如鋼材平均溫度超過 538°C 或任一鋼材量測點之溫度超過649°C，則試體發生破壞。 由上述說明得知，ISO 834 和 CNS 12514 規範之標準升溫曲線為依公式 計算，而 ASTM E119 規範之標準升溫曲線是以時間規定爐內溫度，如圖 2-1 所示，並彙整了相關國內外研究概要，如 表2-1 所示。 圖2-1 CNS 12514 與 ASTM E119 之標準升溫曲線 (資料來源:CNS12514 規範)
8 表2-1 國內外相關之文獻摘要 國 外 Sakumoto, Okada, Yoshida, Taska (1994) Fire resistance of
concrete-filled, fire resistant steel tube column
利用耐火鋼進行實尺寸耐火鋼 鋼管混凝土的防火實驗。試驗結 顯示，利用內灌混凝土之熱容 量之特性，耐火鋼鋼管混凝土僅 需少量之防火被覆即能達到其 優越耐火性。 Robert (2001)
The effects of thermal load and frost cycles on the water transport in two high-performance concretes 使用混凝土建築核電廠，暴露高 溫可達800 °C。透過水分擴散 係數之變化，研析高溫下混凝土 之耐久性質。 Huang, Z.F., and Tan, K.H.(2003)
Rankine approach for fire resistance of axially- and flexurally- restrained steel columns 利用Rankine Formula 並考慮潛 變效應，建立一套鋼柱在火害高 溫下的分析方法。 Choi, N.S(2005).
Kaiser effects in acoustic emission from composites during thermo cyclic loading
反覆溫度作用下應用聲射法於 複合材料，得到當升溫時AE 訊 號產生，反之；降溫則無，稱溫 度凱薩效應。 國 內 陳舜田 (2000) 雙H 型鋼骨鋼筋混凝土柱 火災後之強度評估 在不同混凝土強度不同、保護層 厚度及火害時程下，柱體內部混 凝土、垂直筋及雙H 型鋼之溫 度分佈狀況，並分析不同便量下 混凝土柱強度之折減。
第二章 規範與文獻回顧 9 危時秀 (2003) 普通混凝土熱傳性質之 研究 以粗骨材含量、C/W、和水量為 變數，求高溫下熱傳係數。 陳柏存 (2008) 以表面波譜法與支持向量 機評估高溫損傷混凝土 性質 以不同爐石含量混凝土，探討高 溫下材料損壞情況，其結果發現 當爐石高材料熱損程度越輕微。 張育誠 (2013) 連續熱損顆粒材之破裂韌 度與拉力強度及其聲光破 壞演化 透過連續性高溫試體準備方 式，獲得連續性材料破壞分佈 後，進行間接拉力與破壞韌度試 驗，耦合兩種非破壞檢測技術， 探尋材料於試驗下之完整加載 歷程與巨、微觀破壞行為關係。 (資料來源:本研究整理)
第二章
破壞試驗方法
一、
混凝土單軸壓縮試驗
擬脆性材料之單軸壓縮破壞主要是由於荷重加載下，材料內 部微裂產生、擴展及延伸所導致；因此材料的破壞是一個過程，而 不是一個狀態。從擬脆性材料於完整單軸壓縮過程中，回顧相關學 者研究，如圖2-2所示（Goodman, 1989）；由加載開始至尖峰強度 前可分為孔隙閉合（OA)、線彈性（AB）、裂縫穩定延伸（BC） 及裂縫不穩定延伸（CD）等四個階段；於尖峰強度後，Goodman 則分為微裂連結（DE）與巨大裂縫滑動（E－
）等二個階段。10 各階段的力學行為分述如下： （1） 孔隙閉合（OA）階段 材料開始受壓而原生內部孔隙閉合，呈現一斜率漸增 之應力-應變曲線。 （2） 線彈性（AB）階段 假設原生內部孔隙已穩定閉合且不延伸，應力-應變曲線 之斜率為定值。就體積變化行為來看，Goodman（1989）認為 B點為初始微裂應力發生時機，此時試體側向應變因新舊微裂 間的滑動與挫曲而有增量變大之趨勢。 （3） 裂縫穩定延伸（BC）階段 通過B點時，新的微裂開始在材料內部生成，通常發生於 試體中央部分附近，其延伸方向大致與最大主應力軸方向平 行，於材料內部組構間互鎖之控制下，微裂發展與外力成一穩 定關係，材料的變形模數與線彈性（AB）階段相同，但柏松比 逐漸增加。 （4） 裂縫不穩定延伸（CD）階段 通過C點時，微裂數量大增，而巨觀裂縫向試體兩端面延 伸而達尖峰強度（D點）。就體積變化行為來看，Goodman （1989）認為當應力達到C點時，試體的總體積可能已大於初
第二章 規範與文獻回顧 11 始體積。 （5） 整體破壞（DE）階段或微裂連結（DE）階段 破裂延伸造成材料呈軟化現象。而Wawersik（1968）以 剛性試驗機對眾多擬脆性材料進行完整單壓試驗，並歸納尖 峰強度後之應力-應變曲線行為可分為兩大類，即第一類
（Class I）與第二類（Class II），如圖2‐3所示。
（6） 巨大裂縫滑動（E
－
）階段 沿破裂面（Fault）滑移，並由破裂面兩面摩擦效應提供殘 餘強度。 本計畫擬以火害前、後之混凝土材料於單軸壓縮巨觀破壞行 為，應同時探討材料受力加載時之完整應力-應變曲線與聲、光非 破壞演化。 圖2-2 完整應力-應變曲線之五個階段示意圖 （資料來源:Goodman, 1989）12 圖2-3 擬脆性材料於單軸壓縮試驗峰後破壞行為之分 （資料來源:Wawersik,1968）
二、
鋼板拉伸試驗
鋼鐵材料（延性材料）主要以肥粒鐵(Ferrite)之組織物所組 成，鋼材於拉伸試驗之應力-應變，可分成彈性階段、降伏階段， 應變硬化階段與局部變形階段。 1. 彈性階段 於e點前（圖2-4），應力與應變呈一線性關係，其材料符合虎 克定律。 2. 降伏階段 當試片所受應力超過e點時（圖2-4），將會產生微量之塑性變 形，而當應力達到S'點，試片產生崩塌型的塑性變形，應力很快 降到S1點，爾後應力將不再增加，但應變量會持續增大；到S2點後， 開始塑性硬化。第二章 規範與文獻回顧 13 試片在塑性硬化之前，在e ~ S2點這一段內進行的塑性變形稱 為"物理降伏"，其中e ~ S'是物理降伏的準備階段，稱為降伏前微 應變；S' ~ S1稱為降伏齒，S1 ~ S2稱為降伏平台，其應變稱之為降 伏應變；S’所對應的應力稱為上降伏點σs’；降伏平台所對應的應 力稱為下降伏點σs於同試驗條件，下降伏點之數值較為穩定，上 降伏點之數值則與應力集中有密切之關係。試片上之應力集中將 導致其強度下降，於常溫下低碳鋼上下降伏點之數值可相差一倍 之多，但於一般情況下，兩者之差值僅有3~5 kg/mm2。鋼材於物 理降伏時，有一重要特點為塑性變形之巨觀不均勻性。將一根低 碳鋼試片拉到開始降伏時，發現塑性變形非於整個試片之工作長 度上同時開始發生且均勻分布，而是從某端之應力集中區域開始 發生，隨後擴展。當塑性變形尚未完全擴展至整個試片之工作長 度時，試片將可分成"降伏區"與"未降伏區"兩部分。如果試片表面 在拉伸前已有良好之拋光，則於降伏區之表面可發現大量與拉伸 軸向成約略45
∘
之線條，由此可區分降伏區與未降伏區域，於降 伏區出現之線條被稱為Luders線，或稱降伏線。 試片未降伏區基本上沒有產生塑性變形，而於降伏區產生相 當大之塑性變形，其應變量為降伏應變。當降伏過程繼續發生時， 降伏區的應變量將不再增加，然而未降伏區則將不斷產生降伏應14 變，當整個試片之工作長度都進入降伏狀態後，則是片將開始進 入應變硬化之階段。 3. 應變硬化階段 降伏階段後，材料內部晶格改變，使其又恢復了抵抗變型之 能力，要使他繼續變性必須增加拉力，此現象稱之為應變硬化 （Strain Hardening），此種樣化之過程中最大應力稱為極限應力， 此時於應變硬化過程中，試片之橫斷面隨之縮小。 4. 局部變形階段 當過了極限應力後，試片某一區域範圍內，橫斷面縮小形成 頸縮（Necking），隨後試片即被拉斷。 圖2-4 鋼材之應力-應變關係示意圖 (資料來源:本研究整理)
第二章 規範與文獻回顧
15
第三節
非破壞性檢測之原理
一、
聲射檢測技術
聲射（Acoustic Emission, AE）之非破壞性檢測技術，以日、美兩
國發展為優。從最早期求解未知數為之聲射發生頻率（AE Rate）作為 受力系統產生微裂之證跡，及至微裂縫座標位置之確認（未知數為 4）。晚近最新之裂源特徵（Source Characterization）之估求（未知數 為6），可藉由裂縫變位不連續之方位推測（Orientation of Displacement Discontinuity），判認其微裂之破壞模式。聲射技術近幾年已廣泛應用 於偵測材料之缺陷及內部之老化損壞等，材料受力量、電磁、溫度 變化等作用後，內部會累積能量，當達到其所能承受之極限時，能 量即會以微裂縫之形式釋放，當微裂縫聚集眾多時，會形成一明顯
之 巨 觀 裂 縫 。 以 到 達 時 間 差 定 位 法 （Arrival Time Difference Method），定位分析脆性材料於開裂時，產生之突發型聲射事件（圖 2-5）。依此方法之原理，為先量測數個已知位置聲射訊號感測元件 （以下簡稱AE 感測元件）之到達時間差，應用一維之距離等於波傳 速度乘以時間差的公式，於三維空間之聲射定位，將n個AE 感測元 件固定於已知座標上（圖2-6），每組AE 感測元件接收AE事件時間， 與第一組接收時間差Δti
（
i=2~n）
為已知，則依三維空間距離計算， 距離等於波傳速度乘時間差，可列出式（3）、（4）：16 2 2 2
(
)
(
)
(
)
i i i iR
x x
y y
z z
（3） 1 i i iR
R
V
t
（4） 其中， Ri= AE事件至第i個感應器的距離; V = 材料中之壓力波傳速度; εi = 統計之殘差值。 AE在固態材料破壞學理與應用之研究，可直接與間接說明 固態材料受力學破壞之裂縫，從叢聚、初裂乃至於裂衍整體行 為之相關性。本計畫將以聲射法來量測材料受火害前、後之力 加載作用後所釋放出的微能量，以判定其破裂行為、發生頻率 （時機）。 圖2-5 微震裂源單一事件 (資料來源:本研究整理)第二章 規範與文獻回顧 17 圖2-6 微震裂源量測示意 (資料來源:本研究整理)
二、
電子斑紋干涉術
本計畫另一非破壞檢測技術電子斑點干涉術（Electronic SpecklePattern Interferometry, ESPI），係是利用光之高精度之特性，被運用檢
測試體外部變形（連續與不連續）之工具，本節將扼要說明電子斑點干 涉術之沿革與應用。 電子斑點干涉系統可分為兩大量測系統。 1.內位移系統為量測平行於試體表面變形場干涉影像。 2.外位移系統為量測垂直於試體表面變形場干涉影像。 若將兩大系統結合建置，即可求得試體三度空間變形干涉影 像。本計畫僅以「面內位移系統」觀察試體表面干涉影像，在圖2-7 中A、B點為光源，O、P點為照射點，當試體產生面內位移時，其
18 O點位移至P點，光距因照射角度改變而增長，如OB增長至AO，反 之縮減至AP，因光距改變，干涉條紋也隨之變化，故可利用干涉條 紋因光距改變而變化之特性，計算受測物表面之面內位移，Maji （1991）推導之兩紋（建設性與破壞性干涉）之面內位移差為下式：
2sin
d
（5） 其中， Δd=試體表面之面內位移； λ=雷射波長； θ=雷射光入射角有關之函數。 電子斑點干涉術，係以氦-氖雷射為光源（λ=632.8 mm），雷射 光經空間濾波器擴散及雜訊濾除等作用後，光源經分光鏡及反射鏡 將兩道高同調性光源照射於試體之粗糙表面，光源於表面漫射而產 生明、亮相間之散斑影像，當試驗加載過程中雷射光因試體受力作 用後產生面內位移而造成光程差改變，進而造成干涉現象，經由影 像擷取系統紀錄，並由軟體作即時獲得變形場之干涉條紋（圖2-8）。第二章 規範與文獻回顧 19 圖2-7 試體表面面內位移示意圖 (資料來源:本研究整理) 圖2-8 ESPI 干涉條紋分析變形場之實例圖示 (資料來源:本研究拍攝)
第三章 材料與儀器設備 21
第三章
材料與儀器設備
本章為配合內政部建築研究所「鋼骨鋼筋混凝土構造火害及耐火性 能設計研究計畫」之協同計畫第一案試驗規劃內容進行說明，及針對本 計畫非破壞檢測儀器進行介紹。第一節 試體材料與試驗組數
配合內政部建築研究所「填充型鋼管混凝土柱最佳化耐火性能設計 研究計畫」之試體將製作四支實尺寸之混凝土填充方型鋼管柱試體進行 定載升溫之火害試驗，分別依照火害設計荷重等級分別施加不同載重 比 ，本計畫試驗組數如表3-1所示，取樣過程發現試體因火害試驗達到 破壞極限承載，混凝土鑽心過於破碎，而鋼板多已挫屈變形，取樣極為 困難，與原規劃取樣組數有些出入 ，實際組數為表3-1中括號內之數量。 表3-1 原規劃與實際取樣試體組數 混凝土 單軸壓縮試驗試體 鋼板 單軸拉伸試驗試體 火害前 2(2) 1(1) 火害後 7(6) 3(1) 總計 13(10) 組 註:括號為實際取樣數 (資料來源:本研究整理) 火害前混凝土與鋼板試體配合填充型鋼管混凝土柱最佳化耐火22 性能設計研究之實驗製作分別為如圖 3‐1、圖 3‐2 與表 3-2 圖3-1 壓縮試驗試體尺寸（長寬高=5045100mm） (資料來源:本研究拍攝) 圖3-2 拉伸試驗試片示意圖 (資料來源:本研究整理)
第三章 材料與儀器設備 23 表3-2 鋼板試片之尺寸 試片種類 寬度 W 標點距離 L 平行部之長度 肩半徑R 厚度 T 1A 40 200 約200 25以上 原材料之厚度 單位 : mm (資料來源:本研究整理) 火害後試體乃依「填充型鋼管混凝土柱最佳化耐火性能設計研究」 實驗；分別對施加不同的載重比(即ηfi,t ≤0.28、≤0.47、≤0.66)之火害試 體作鋼板裁切與混凝土鑽心取樣，混凝土及鋼板取樣位置如圖 3‐3，其 混凝土設計強度為420 kg/cm2，可詳細參照表 3‐3 所示，而鋼板化學成 份則於表 3‐4 顯示。 圖3-3 火害後鋼板及混凝土取樣位置 (資料來源:本研究整理)
24 荷重等級（η）及火害設計荷重等級（ηfi,t）之定義分別如下 η=Ed/Rd≤1.0 ηfi,t=Efi,d,t/Rd 式中，Ed=於常溫下的設計荷重；Rd=於常溫下的設計強度；Efi,d,t=於火 災下的設計荷重。當構件於火災下的設計耐火強度（Rfi,d,t=ηfi,tRd）衰 退至火災下的設計荷重（Efi,d,t）時，即達到承載破壞（Load bearing failure，R）。 表 3-3 混凝土配比設計表 （資料來源：填充型鋼管混凝土柱最佳化耐火性能設計研究，2013）
第三章 材料與儀器設備 25 表3-4 STKR 400 鋼板之化學成分 （資料來源：填充型鋼管混凝土柱最佳化耐火性能設計研究，2013） 火害後試體之加溫條件依照「填充型鋼管混凝土柱最佳化耐火性能 設計研究」案，依照標準試驗進行加熱，當曲線函數開始之際，即視為 試驗開始，而爐內之溫度變化應根據CNS 12514 規定進行控制其標準升 溫曲線，如圖3‐4所示，各試體受火害試驗過程中，試驗終止時最高溫度 及平均溫度可由表3‐5得知。 圖3-4 CNS 12514 標準升溫曲線(建築物構造部份耐火試驗法) (資料來源: CNS 12514)
26 表3‐5 填充型鋼管混凝土柱最佳化耐火性能設計研究試驗結果簡表 （資料來源：填充型鋼管混凝土柱最佳化耐火性能設計研究期末報告，2013）
第二節
試驗方法與步驟
一、
火害前、後之混凝土材料壓縮試驗
本計劃採用多功能、精密及勁度高之伺服控制油壓試驗系統 MTS， 主要組成有伺服回饋控制系統、載重系統及油壓供應系統，完成各階段 加載歷程，其伺服控制原理為一閉合迴圈;為求得軸向位移，除了 MTS 油壓缸內建有ㄧ線性位移計量測垂直位移量。 本計畫之單軸壓縮試驗實驗步驟： 1. 試體放置於 MTS 材料試驗機之試驗平台；第三章 材料與儀器設備 27 2. 實驗前，先在試體表面設置聲射訊號感射元件與照射電子斑 點干涉術之兩道雷射光束，實驗中全程以兩非破壞檢測同步 觀察內外破壞之情況至實驗結束； 3. 利用環狀應變計量測試體膨脹量，並作為回饋訊號，使得火 害前、後之混凝土材料可得完整加載歷程。
二、
火害前、後之鋼板材料拉伸試驗
依照CNS 2111 金屬材料拉伸試驗，其試片依照 CNS 2112 之 1A 試 片種類之規定製作；本計劃採用之伺服控制油壓試驗系統其說明如上之 壓縮試驗內容。 本計畫之單軸拉伸試驗實驗步驟: 1. 將待測試片安置於 MTS 之適當夾具中； 2. 實驗前，先在試體表面設置聲射訊號感射元件與照射電子斑 點干涉術之兩道雷射光束，實驗中全程以兩非破壞檢測同步 觀察內外破壞之情況至實驗結束； 3. 利用垂直位移量，並作為回饋訊號，使得火害前、後之鋼板 材料可得完整加載歷程。28
第三節
破壞性試驗儀器與設備
於單軸壓縮試驗，為求得完整之力量-位移加載歷程曲線，採用多功 能、精密及勁度高之伺服控制油壓試驗系統MTS 810（圖 3-5），其有效 出力可達 100 噸，主要組成有伺服回饋控制系統、載重系統及油壓供應 系統，完成各階段加載歷程，其伺服控制原理為一閉合迴圈（圖 3-6）； 為求試体之位移，架設線性位移計（圖3-7）。 本研究中，為能得到完整加載歷程曲線，故採以 MTS 公司出產， MTS 配備型號：632.92C-05C 環狀位移量測計（圖 3-8），作為開裂時 試體側向伸張量之回饋與量測，其設置照片如圖3-9。 單軸壓縮試驗主要儀設為一安裝於MTS 伺服控制油壓試驗機上之萬 向接頭（圖3-10），接頭與轉接座間呈現圓球型，其兩者接觸面間塗抹 工業用牛油，以降低摩擦力的影響效應，安裝上單壓試體後施以微接觸 力以避免產生加載偏心問題。 另外，於單軸拉升試驗，其控制方式同單軸壓縮試驗，此外，伺服 控制油壓試驗系統採用MTS 1851 型之動態萬能試驗機（圖 3-11），其 有效出力可達100 噸，鋼板夾具最大出力容量為 25 噸。第三章 材料與儀器設備
29
圖3-5 伺服控制油壓試驗系統
30 設置點 +10V ‐10V 命令 衰減器 資料集合點 訊號產生器 差值 VD 伺服閥驅動器 P I D F 應變計 伺服器 促動器 LVDT AC 放大器 DC 放大器 DC 放大器 行程 應變 力量 回饋訊號選擇 荷重元 圖3-6 MTS 閉合迴圈控制原理 (資料來源:本研究整理) 圖3-7 線性可變差分變壓器（LVDT） (資料來源:本研究拍攝)
第三章 材料與儀器設備 31 圖3-8 環狀位移量測計（632.92C-05C） (資料來源:本研究拍攝) 圖3-9 混凝土單軸壓縮試驗儀設 (資料來源:本研究拍攝)
32 圖3-10 萬向接頭 (資料來源:本研究拍攝) 圖 3-11 伺服控制油壓試驗系統（MTS 1851） (資料來源:本研究拍攝)
第三章 材料與儀器設備 33
第四節
非破壞性儀器架設
一、
聲射訊號擷取技術
依一、 聲射檢測技術介紹之到達時間差法，在未知試體波速情況 下，最少須設置五個AE 感測元件（AE Sensor），以獲得個別到達感應 器之時間差，再藉由統計方法求取空間座標之裂源位置。本研究使用由 Physical Acoustics Corporation 生產，八個型號 S9225 之壓電式感應器（Piezoelectric Transducer），如圖 3-12 作為 AE 感測元件，貼附於試體表 面上接收AE 事件訊號，經由前置放大器（Preamplifier），如圖 3-13 所 示，其篩選並放大高於門檻值且頻率範圍介於100~ 1200 kHz 之訊號， 將微小電壓變化記錄於二進位元（Binary）之資料檔案中，以得到較精 確之定位。 本研究之聲射訊號擷取系統，其接收訊號頻率最高可達每秒一千 萬次，為於系統穩定範圍內作業，擷取頻率設為每秒八百萬次，即時 間間隔0.125 μs。聲射事件的記錄與否，端看設於八個 AE 感測元件 中的觸發頻道（Trigger Channel）是否接收到高於 7mV 的電壓門檻值， 如達該電壓差值，觸發頻道同時觸發八個頻道接收且記錄，稱此為一 AE 事件。
34
將接收後記讀之二進位元資料，經試驗排程控制軟體LabVIEW1轉
換為ASCII 資料，並使用 Fortran
、
C++、
Matlab 等程式語言繕寫應用程式，判斷波形之特徵，並找出到達各AE 感應器之 P 波的時間，以 到達時間差之三維定位法求得微裂縫發生位置，並以此依據進行相關 數據之分析探討。利用LabVIEW 系統提供數位與類比的轉換功能，在 經NI 公司出產 NI-6115 資料擷取介面卡同步接收 AE 事件而觸發的類 比訊號，即時轉換為一般電腦所能接受之數位訊號，達到監控與量測 效果。本試驗利用自行撰寫之程式語言及採用統計方法，先行計算統 計殘差在6 mm 內之聲射三維定位結果，並以此依據進行相關數據之 分析探討，或進一步擷取更高精度之聲源定位至所欲分析之精度，一 般可達2 mm。 得到精確之定位，可進一步研究微裂縫之開裂模式。
1LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是由 National Instrument 公 司於 1986 年所發展出的一種繪圖程式語言，又稱為 G. LabVIEW。程式設計方面，是以圖形 方式編輯程式，於程式結構部份，又可稱為虛擬儀表（virtual instrument）的儀器控制軟體，且 LabVIEW 為可整合控制之通訊界面，例如：GPIB、VXI、PXI、RS-232、RS-485 等，支援資 料擷取DAQ（data acquisition）與影像擷取（image acquisition）功能。
第三章 材料與儀器設備 35 圖 3-12 電壓式轉換計（型號：S9225） (資料來源:本研究拍攝) 圖3-13 前置放大器（型號 1220C） (資料來源:本研究拍攝)
二、
電子斑紋干涉術
電子斑紋干涉術乃利用氦-氖雷射光作為光源，經過空間濾波器處 理後以兩道高同調性光束照射試體表面，光於試體粗糙表面漫射產生36 黑與白相間之斑紋干涉影像。試體受外力作用後於表面產生位移，造 成光程差之改變、斑紋之相對位置亦產生變化，藉影像處理分析後， 得條紋狀之干涉影像，即可得知試體位移變形量，進而探討試體表面 之變形連續及變形不連續。 電子斑紋干涉術儀器架設包括有：氦-氖雷射、空間濾波器、分光 鏡、反光鏡、鏡頭與CCD、光學防震桌。將所有元件依空間組合，如 (圖 3-14)所示，以下分別敘述各組成部分： 1. 氦-氖雷射（He-Ne laser）： 輸出功率5 mW、波長 0.6328 μm 且具高同調性2及高指向性3， 輸出較為穩定因此為本研究採用（圖3-14 (a)）。 2. 空間濾波器（spatial filter） 由物鏡組成，將雷射光聚焦於光纖接收口上，使光源能集中入 射於光纖中。實驗採40 倍率之物鏡，如（圖 3-14 (b)）。 3. 分光鏡、反射鏡 雷射光束經分光鏡，如（圖3-14(c)），將分為兩道互相垂直之 光束，一道穿過分光鏡、另一道由分光鏡反射，兩道光分別投 2同調性（coherent light）：沿光軸傳播方向，在小於或等於若干長度的距離範圍內之空間，任 意兩點間的光場都是完全同調的，意指光源中各點所發出的振動波具有相同相位，氦-氖雷射 同調長度可達數公尺。 3指向性（parallel beam）：雷射為發散角極小之光束，幾乎成一直線前進，會因繞射而在遠方 徐徐擴大，以氦-氖雷射為例，光束前進 100 m 後直徑約擴大 3.2 cm。
第三章 材料與儀器設備 37 射至兩面直徑為50 mm 之反射鏡（圖 3-14(d)），投射於試體上 之雷射光源大小即為非破壞性檢測範圍。 4. 鏡頭與 CCD 鏡頭選用Nikon 60 mm 微距鏡，如（圖 3-14(e)），CCD（圖 3-14(f)） 型號為sca640-70fm，解析度為 659×494 pixel，擷取速率每秒 70 張，兩者以 C-mount 轉接環連接。鏡頭擷取影像，透過 CCD 與影像擷取卡傳輸至電腦，經 LabVIEW 處理後於螢幕顯示表面 即時位移干涉圖（圖2-8）。 5. 光學防震桌 試驗中，光學儀器置放於光學防震桌上，如（圖3-14(g)），因 此濾除高頻震動有助於獲得清晰影像並提升量測精度。 (a) 氦-氖雷射 (b) 空間濾波器
38 (c) 分光鏡 (d) 反光鏡 (e) 鏡頭 (f) CCD (g) 光學防震桌 圖 3-14 電子斑紋干涉術之光學元件 (資料來源:本研究拍攝)
第四章 試驗結果與分析 39
第四章
試驗結果與分析
本實驗以不同火害狀況下之填充型鋼管混凝土柱(CFTC)之混凝土與 鋼板材料；分別施以單軸壓縮試驗與拉伸試驗進行探討該結構受火害後 之材料內部弱化傷損特徵之驗證，並同步佐以耦合「聲-光」非破壞檢測： 聲射技術與電子斑紋干涉術；再輔以超音波脈衝量測作為火害傷損指 標，由巨觀到微觀作一系列之實驗探討，其中聲射法可求得微觀之微震 裂源發生時間與空間位置；可與巨觀裂縫之發展作比對。而電子斑紋干 涉術可作為變形連續(Displacement continuity)與變形不連續 (Displacement Discontinuity)之區判。 二者耦合者可獲致微觀破壞演化三特徵：叢聚(localization)、初裂(initiation of crack)與裂衍(crack propagation)。為驗證聲射技術於不同
壓、拉應力路徑下之適用性，首先對 AE 系統先行校驗(詳參前章)；再針 對微震事件發生時機與位置作相關研析。由實驗所得之完整加載歷程， 以正規化座標軸(加載百分比為 Y 軸，應變率為 X 軸)分別於記錄混凝土 之單軸壓縮試驗與鋼板之單軸拉伸試驗，並同步比對即時、非接觸之高 精度干涉條紋影像與聲射事件，繪製成巨觀完整之加載曲線與相對應之 微觀聲、光破壞特徵，作為本章主要火害傷損之研判依據。其中可分四 階段加入干涉條紋影像分別為初裂前、初裂、尖峰強度、巨觀裂縫形成，
40 另外再量測未受火害前、後之試體波速VP與VS，嘗試建立波速比(VP/VS) 作為不同火害程度評估之指標。
第一節
期末成果概述
依合約之執行，本研究計畫預計產出聲、光非破壞檢測之實驗操作 流程與規劃及其火害前、後之微觀破壞特徵與相關安全評估。本次期中 成果如下扼述。 1. 破壞性試驗： （1）火害前、後混凝土單軸壓縮試驗 （2）火害前、後鋼板單軸拉伸試驗 表4‐1 火害後混凝土與鋼板編號 現場試體編號 有無配筋 加載比 TA1 無 0.28 TB1 有 0.47 TA2 無 0.47 TB2 有 0.66 (資料來源:本研究整理) 2. 非破壞性檢測： （1）完整加載歷程與聲射事件關係第四章 試驗結果與分析 41 （2）完整加載歷程與光干涉關係
第二節
火害前、後混凝土之單壓試驗
巨、微觀尺度之力學行為
此節以火害前、後之單壓試體進行單軸壓縮試驗，意即利用火害前、 後之混凝土試體探究火害前、後對巨觀尺度之力學行為有何影響 試體 AE (Total) AE
(Effective) Peak (MPa)
火害前第一組 5248 693 60 火害前第二組 12640 1924 34 火害後TA1(0.28 無配筋) 822 223 35 (資料來源:本研究整理) 1. 巨觀層面: 試驗成果顯示(如圖 4-1 為例，混凝土試體 TA1，火害變數為加 載比0.28)，藉由加載曲線之勁度、強度、韌度作為火害前、後之對 比得知，火害前、後之勁度較無明顯差異，但火害後之單壓強度明 顯降約23 %，而當尖峰強度發生後，曲線產生 snap back 現象，表示 韌度亦形降低，導致材料於峰後行為呈失穩特徵，對材料後續之耐 震抵抗有極大之損害。 2. 微觀層面 針對AE 試驗結果，分別從時間、空間作兩層面綜合探討。時間
42 層面：以正規化軸向應力加載比(LL %)與對應軸向應變率(%)作破壞 加載歷程曲線，並將微觀之有效AE 事件，累積數量與對應軸向應 變(%)繪製於同一時間圖系，如 圖 4‐2 圖 4-2 與圖 4-3 之比對，研判火害 AE 叢聚時機為 LL=65%， 而火害後叢聚時機LL 延滯至 72%，此現象可 推估因內部受熱驅破
第四章 試驗結果與分析 43 壞(heat-driven damage)影響，內部較為弱化。其聲射訊號亦呈弱化趨 勢而AE 事件大幅降低，推測當火害試體受壓時，膠結材與填充材 接觸之介面斷裂產生之能量太小，建議後續AE 感測訊號需由原先 40 dB 之訊號放大倍數改為 60 dB。另從 4-4 圖可以顯示聲射事件與 電子斑紋干涉兩者之微觀破壞特徵略趨一致。 ESPI 干涉條紋部分，於試驗過程中 CCD 全程錄製條紋變化情 況，用以觀察試體由變形連續演化至變形不連續之初裂時機，及變 形不連續後裂縫的裂衍過程，並將條紋變化情況與單軸壓縮加載歷 程繪製程如圖4-4 之圖系。 綜整巨觀之破裂情況與微觀聲、光二者傷損特徵之耦合比對， 可得如圖4-5 (火害前為例，其餘詳見附錄一)之一致趨勢。
44
圖4-1 火害前、後之混凝土應力應變曲線比較圖
第四章 試驗結果與分析 45 圖4-2 火害前混凝土聲射事件發生時機對應完整加載歷程 (資料來源:本研究整理)
46
圖 4‐3 火害後(試樣編號 TA1)混凝土聲射事件發生時機對應完整加載歷程
(資料來源:本研究整理)
第四章 試驗結果與分析
47
圖4-4 火害前混凝土完整加載歷程與電子斑紋干涉破壞特徵之關聯圖
48 圖4-5 火害前混凝土聲射事件與電子斑紋干涉與巨觀裂縫比對圖 (資料來源:本研究整理) 3. 超音波脈衝 (ultrasonic pluse)量測縱、橫波速 Vp、Vs： 如 (資料來源:本研究整理) 表4-2 與圖 4‐6 顯示，因試體變數多可分成加載比、有無配置鋼筋、取 樣試體中心及兩端的不同，故本試驗成果僅針對試體以編號為例(試驗條 件: 單一變數下火害後試體 TA1取樣，並在相同加載比 0.28 且無配置鋼 筋之情況下，對取樣試體的中心、兩端部分進行超音波脈衝量測分析)， 發現波速 Vp、VS為下降趨勢，Vp下降約 3.3 %，Vs下降約 13.4 %，表示
第四章 試驗結果與分析 49 試體受火害影響後內部已產生許多破壞因而導致波速下降，因此定義波 速比 Vp/Vs會因受火害影響試體中心與兩端波速提高至 11.7 %，其相較於 鋼板之 Vp/Vs提高約 2 倍。建議後續可針對單一變數之波速比趨勢與巨、 微觀傷損破壞深入調查比對其關聯性，俾為火害程度評估之參考指標。 (資料來源:本研究整理) 表4-2 混凝土超音波波速 Vp、Vs 比較表 Vp (km/s) Vs (km/s) Vp/Vs 火害前(C_B) 3.26 2.12 1.54 火害後(C_A) 3.15 1.83 1.72 火害前、後趨勢 下降 3.25 % 下降 13.38 % 上升 11.69 %
註:C_B: Concrete_Before C_A: Concrete_After
50 圖4-6 混凝土火害後試體中心、兩端(試樣編號 TA1)Vp、Vs比較圖 (資料來源:本研究整理)
第三節
火害前、後鋼板拉伸試驗
本試驗採用為型號SN490B 作為實驗試體，再以萬能試驗機施作拉 伸試驗。巨、微觀尺度之力學行為
試體 AE (Total) AE
(Effective) Peak (MPa)
火害前鋼板(S_B) 1192 4 489.43
火害後鋼板(S_A) 821 16 361.198
第四章 試驗結果與分析 51 1. 巨觀層面: 試驗成果顯示(如圖 4-7 為例，鋼板試體(TA2)，火害變數為加載 比0.47)，藉由加載歷程曲線之勁度、強度、韌度作為火害前、後之 對比得知，鋼材為延展性材料，火害前、後勁度無較大差異，但降 伏強度提早發生，產生塑性變形，從圖可知受火害後材料強度降低 約26 %，且韌度也變差，由火場升溫曲線顯示，火場內之溫度在發 生火災後一個小時內 溫度極可能升到 900℃即可知其強度已嚴重 不足。 2. 微觀層面: 針對AE 試驗結果，分別從時間、空間作兩層面綜合探討。時間 層面：以應力應變曲線作破壞加載歷程曲線，並將微觀之有效AE 事件累積數量(unit)與對應軸向應變繪製於同一時間圖系，圖 4-8 與 圖4-9 之比對後顯示火害後有效 AE 事件數有增多的趨勢，鋼材在高 溫時韌性較佳，低溫時則脆化，從高溫至低溫的過程中，有一延性 轉脆性，因而更多微裂縫產生，另因鋼板拉伸過程中變形量過大， 會使 AE 定位上隨著變形量而產生座標改變，使得 AE 感測器定位筆 數較少，但其定位約在斷裂位置上。建議未來在試驗時，分階段進 行座標量測，以提高 AE 定位精度。 綜整巨觀之破裂情況與微觀聲者傷損特徵之耦合比對，由試驗
52 成果可得(圖 4-10、圖 4- 11)一致趨勢。 2. 超音波檢測: 如表4-3 與 圖 4-12、圖 4-13 所示，本試驗成果僅針對試體 以編號為例(試驗條件: 火害前 Steel_Before (S_B)、後 Steel_After ( S_A)之鋼板超音波脈衝量測波速 Vp、Vs之均為下 降趨勢，Vp下降約9.4 %，Vs下降約 3.3 %，相較於混凝土試體 得知鋼板VP下降趨勢較多，反之VS則較少，因此定義波速比 Vp/Vs會因火害而提高至6.8 %，而混凝土波速比 Vp/Vs會因火害 而提高11.7 %，因此混凝土波速比約為鋼板 2 倍。 ，得知不管混凝土材料、鋼板受火害影響後內部都已產生 許多破壞因而導致波速下降。建議後續可針對單一變數之波速 比與巨、微觀傷損破壞深入調查比對其關聯性，俾為火害程度 評估之參考指標。
第四章 試驗結果與分析 53 圖 4‐7 鋼板 SN490B 火害前、後(試樣編號 TA2)之應力應變率曲線比較圖 (資料來源:本研究整理) 強度降低 26.2%
54 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 0 1 2 3 4 5 6 Ac cu m u la ti o n o f A E ev en ts (c o u n t) Normalized Strain (%) S tr ess (M Pa ) NormalizedStrain - LL NormalizedStrain - AE Events AE Events AE events (total)=1192 Effective AE events=4 Prepeak AE events=4 圖 4‐8 鋼板 (試驗編號 S_B)火害前聲射事件發生時機對應完整加載歷程 (資料來源:本研究整理)
第四章 試驗結果與分析 55 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 0 5 10 15 20 25 A cc u m u la ti on of A E e v en ts ( u n it ) Normalized Strain (%) St r es s ( M p a ) NormalizedStrain - LL
Normalized Strain - AE Events
AE Events AE events (total)=821 Effective AE events=16 Prepeak AE events=16 圖 4‐ 9 火害後(試樣編號 TB1)聲射事件發生時機對應完整加載歷程 (資料來源:本研究整理)
56
圖4-10 加載初期聲射事件分佈與鋼板斷裂後裂縫位置圖
第四章 試驗結果與分析 57 圖4- 11 鋼板斷裂後裂縫位置與聲射分佈圖 (資料來源:本研究整理) 表4-3 鋼板火害前、後超音波量測波速 Vp、Vs 比較表 試體代號 Vp (km/s) Vs (km/s) Vp/Vs (S_B) 5.71 3.18 1.79 (S_A) 5.38 2.81 1.92 前、後趨勢 下降 9.38 % 下降 3.29 % 上降 6.29 % (資料來源:本研究整理)
58 圖 4-12 鋼板試體編號火害前(S_B)、後(S_A)Vp、Vs 比較圖 (資料來源:本研究整理) 圖 4-13 鋼板與混凝土火害前、後 Vp / Vs 比較圖 (資料來源:本研究整理)
第五章 結論與建議 59
60
第五章
結論與建議
第一節
結論
本研究由傳統力學試驗求取混凝土受壓後與鋼板受拉後之破壞模 式，兩者皆輔已非破壞聲射法檢測，做為材料內在微觀破壞行為之分析， 並與另一非破壞電子斑紋干涉術做材料表面破壞特徵之印證，再以超音 波脈衝量測火害前與火害後Vp、Vs，分別就巨、微觀行為，分述如下: 混凝土 巨觀破壞行為:火害過後之試體，強度、韌度皆下降，在擬脆材料破 壞模式方面，未火害效應作用下傾向 ClassΙ，隨溫度增加材料破壞越 傾向ClassⅡ。 微觀破壞行為:AE 事件數之多寡則受溫度作用影響甚鉅，AE 是件數 隨著溫度增加有遞減之趨勢，其原因為試體受溫度效應作用後，是 體內部已有許多既有微裂縫，所以在加載過程中，因受力而導致是 體內部弱化而產生的微裂縫數量相對減少 鋼板 巨觀破壞行為:火害後材料強度降低約 26 %，且韌度也變差，由火場 升溫曲線顯示，火場內之溫度在發生火災後一個小時內 溫度極可能 升到 900℃即可知其強度已嚴重不足。第五章 結論與建議 61 微觀破壞行為: 鋼材在高溫時韌性較佳，低溫時則脆化，從高溫至低 溫的過程中，有一延性轉脆性，因而更多微裂縫產生 非破壞檢測 超音波脈衝波速: 針對受火害前、後之混凝土、鋼板超音波脈衝量測 波速Vp、Vs之均為下降趨勢，鋼板相較於混凝土試體得知VP下降趨勢 較多，反之VS則較少，因此定義鋼板波速比Vp/Vs會因火害而提高至 6.8 %，而混凝土波速比 Vp/Vs會因火害而提高11.7 %，因此混凝土 波速比約為鋼板2 倍。得知不管混凝土、鋼板受火害影響後內部都 已產生許多破壞因而導致縱波與剪力波皆為下降，縱波與剪力波比 值(Vp/Vs)顯示試體經火害後明顯提高。
62
第二節
建議
建議一: 以波速檢測評估建立火害現場災損指標：立即可行建議 主辦機關:內政建築研究所 協辦機關:行政院國家科學委員會 VP、VS指標可作為日後火害災損評估指標，越嚴重火害VP、VS一 致下降，建議可持續進行單一變數之VP/VS作為火害災損評估參佐。可 利用超音波量的VP、VS波速，在火害有明顯下降的趨勢，值得進一步 探討。 建議二: 以波速檢測評估建立資料庫，未來結合實驗室ESPI、AE 三者偶合應用 火災現場：中長期建議 主辦機關:內政建築研究所 協辦機關: 行政院國家科學委員會 在實驗室建立AE、ESPI 與 VP、VS關係，未來在現場可從波速比與data base 來作比對，建議在室內作 ESPI、AE 與波速比試驗時，若將上
述三者耦合並達到預期成果，即可觀察其微觀破壞之特徵。分析鋼板聲
射事件時，雖然產生很多的AE 事件數，但能定位的有效筆數卻很少，
第五章 結論與建議
63
64
附錄一
本計畫之試驗成果
第一節
火害前
(A)混凝土單壓試驗 附圖-1 火害前混凝土聲射事件發生時機對應完整加載歷程 (資料來源:本研究整理)附錄一 本計畫之試驗成果
65
附圖-2 火害前混凝土於單壓歷程伴生 AE 事件之微裂分佈發展
(資料來源:本研究整理)
66
附圖- 3 火害前混凝土完整加載歷程與電子斑紋干涉破壞特徵之關聯圖
(資料來源:本研究整理)
附錄一 本計畫之試驗成果 67 附圖-4 非破壞檢測耦合-第一階段:叢聚分佈(火害前混凝土 01) (資料來源:本研究整理) 附圖-5 非破壞檢測耦合-第二階段:初裂時機(火害前混凝土 01) (資料來源:本研究整理)
68
附圖-6 非破壞檢測耦合-第三階段:尖峰強度(火害前混凝土)
(資料來源:本研究整理)
附錄一 本計畫之試驗成果
69
附圖-7 聲射事件發生時機對應完整加載歷程
(資料來源:本研究整理)
70
附圖-8 加載歷程各階段對應聲射事件空間分佈
(資料來源:本研究整理)
附錄一 本計畫之試驗成果
71
附圖-9火害前混凝土完整加載歷程與電子斑紋干涉破壞特徵之關聯圖
(資料來源:本研究整理)
72
附圖-10 非破壞檢測耦合-第一階段:叢聚分佈(火害前混凝土)
(資料來源:本研究整理)
附圖-11 非破壞檢測耦合-第二階段:初裂時機(火害前混凝土)
附錄一 本計畫之試驗成果
73
附圖-12 非破壞檢測耦合-第三階段:尖鋒位置(火害前混凝土)
74
第二節
火害後
(A)混凝土單壓試驗
附圖-13 聲射事件發生時機對應完整加載歷程
附錄一 本計畫之試驗成果
75
附圖-14 加載歷程各階段對應聲射事件空間分佈
(資料來源:本研究整理)
76
附圖-15混凝土 (TB2)完整加載歷程與電子斑紋干涉破壞特徵之關聯圖
附錄一 本計畫之試驗成果 77 附圖-16 聲射事件發生時機對應完整加載歷程 (資料來源:本研究整理)
78
附圖-17 加載歷程各階段對應聲射事件空間分佈
(資料來源:本研究整理)
附錄一 本計畫之試驗成果 79 附圖-18 混凝土 (TB2)完整加載歷程與電子斑紋干涉破壞特徵之關聯圖 (資料來源:本研究整理)
80 附圖‐19 非破壞檢測耦合‐第一階段:叢聚分佈(火害後 TB2 混凝土) (資料來源:本研究整理) 附圖‐20 非破壞檢測耦合‐第二階段:初裂時機(火害後 TB2 混凝土) (資料來源:本研究整理)
附錄一 本計畫之試驗成果 81 附圖-21 非破壞檢測耦合-第三階段:尖鋒位置火害後(火害後 TB2 混凝 土) (資料來源:本研究整理)
82
附圖-22 聲射事件發生時機對應完整加載歷程
(資料來源:本研究整理)
附錄一 本計畫之試驗成果 83 附圖-23 加載歷程各階段對應聲射事件空間分佈 (資料來源:本研究整理)
84
附圖-24 混凝土 (TA1)完整加載歷程與電子斑紋干涉破壞特徵之關聯圖
(資料來源:本研究整理)
附錄一 本計畫之試驗成果 85 附圖-25 非破壞檢測耦合-第一階段:叢聚分佈(火害後 TA1 下混凝土) (資料來源:本研究整理) 附圖-26 非破壞檢測耦合-第二階段:初裂時機(火害後 TA1 下混凝土) (資料來源:本研究整理)
86
附圖-27 非破壞檢測耦合-第三階段:尖鋒位置火害後(火害後 TA1 下混凝
土)
(資料來源:本研究整理)
附錄一 本計畫之試驗成果 87 附圖-28 聲射事件發生時機對應完整加載歷程 (資料來源:本研究整理)
88
附圖-29 加載歷程各階段對應聲射事件空間分佈
(資料來源:本研究整理)
附錄一 本計畫之試驗成果
89
附圖-30 混凝土單壓火害前、後應力應變比較圖
90 (B)鋼板拉伸試驗 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 0 1 2 3 4 5 6 Ac cu m u la ti o n o f A E ev en ts (c o u n t) Normalized Strain (%) S tr ess (M Pa ) Normalized Strain - LL NormalizedStrain - AE Events AE Events AE events (total)=1192 Effective AE events=4 Prepeak AE events=4 附圖-31 火害前聲射事件發生時機對應完整加載歷程 (資料來源:本研究整理)
附錄一 本計畫之試驗成果
91
附圖-32 火害前聲射事件空間分佈
