火害後建築物之結構耐震性能評估
(1/3)--鋼筋混凝土造與鋼構造構件火害後耐震
性能研究
內政部建築研究所委託研究報告
中華民國
109 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 ）火害後建築物之結構耐震性能評估
(1/3)--鋼筋混凝土造與鋼構造構件火害後耐震
性能研究
受 委 託 者 ：國立成功大學
研 究 主 持 人 ：鍾興陽
共 同 主 持 人 ：黃世建、洪崇展、劉光晏
研
究
員
：施健泰
研 究 助 理 ：李坤哲、陳侑漢、林秉緯、林峻立
邱至昱、賴瑞安、陳方盈
研 究 期 程 ：中華民國 109 年 1 月至 109 年 12 月
研 究 經 費 ：新臺幣参佰肆拾伍萬肆仟貳佰元
內政部建築研究所委託研究報告
中華民國
109 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 ）目次
表次‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧V
圖次‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧IX
摘要‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧XXVI
第一章 緒論 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1
第一節 研究緣起與背景‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1
第二節 研究目的與方法‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧2
第三節 研究步驟流程與進度說明‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧3
第二章 資料蒐集與文獻回顧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧7
第一節 RC 構件於高溫火害中之研究‧‧‧‧‧‧‧‧7
第二節 RC 構件於高溫火害後之研究‧‧‧‧‧‧‧‧9
第三節 RC 於高溫火害後耐震行為之實驗研究‧‧‧‧10
第四節 RC 於高溫火害後耐震行為之數值模擬研究‧‧14
第五節 鋼柱構件於高溫火害中之行為‧‧‧‧‧‧‧‧16
第六節 鋼構件於火害後之行為‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧20
第三章 火害後 RC 柱構件之反覆載重實驗 ‧‧‧‧‧‧‧‧21
第一節 實驗規劃‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧21
第二節 試體製作‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧28
第三節 實驗配置‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧44
第四節 實驗結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧46
第五節 實驗結果討論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧61
II
第四章 兩座 RC 構架屋之設計與施工 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧75
第一節 構架屋之設計‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧75
第二節 構架屋之施工‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧83
第三節 材料試驗結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧126
第四節 小結‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧130
第五章 火害前後 RC 構架屋受地震之數值模擬‧‧‧‧‧‧131
第一節 實驗 RC 試體介紹‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧131
第二節 有限元素分析軟體 OpenSees 與數值模型介紹
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧132
第三節 有限元素分析流程與模擬方法‧‧‧‧‧‧‧‧149
第四節 RC 試體火害前後數值分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧159
第五節 小結‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧193
第六章 火害後鋼柱構件之反覆載重實驗‧‧‧‧‧‧‧‧‧195
第一節 實驗概述‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧195
第二節 鋼柱試體之製作‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧196
第三節 實驗配置‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧200
第四節 量測儀器規劃‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧202
第五節 實驗步驟‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧204
第六節 實驗結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧206
第七章 結論與建議 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧221
第一節 結論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧221
第二節 建議‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧224
附錄一 期初審查會議紀錄‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧225
附錄二 期中與期末審查會議紀錄‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧231
附錄三 專家學者座談意見回應‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧243
附錄四 RC 構架屋載重分析計算‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧257
參考書目‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧293
IV
表次
表 1-1 工作規劃甘特圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧4
表 3-1 RC 柱構件試體組別‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧21
表 3-2 材料試驗數量統計表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24
表 3-3 各試體火害後最高溫‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧61
表 3-4 CNF 實驗值與分析值比較表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧65
表 3-5 CF1 實驗值與分析值比較表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧66
表 3-6 CF2 實驗值與分析值比較表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧68
表 3-7 CF3 實驗值與分析值比較表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧70
表 3-8 性能目標地表加速度比較表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧73
表 4-1 鋼筋混凝土造實驗屋之構件尺寸表‧‧‧‧‧‧‧76
表 4-2 材料試驗數量統計表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧79
表 4-3 施工進度表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧84
表 4-4 混凝土配比設計表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧111
表 4-5 SD 420W 鋼筋抗拉試驗結果（單位：MPa）‧‧126
表 4-6 混凝土養護 7 天抗壓強度結果（單位：MPa）
‧‧126
表 4-7 混凝土養護 28 天抗壓強度結果（單位：MPa）
‧‧128
表 4-8 柱、梁及板混凝土養護 7 天抗壓強度結果（單位：
MPa）
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧129
表 4-9 柱、梁及板混凝土養護 28 天抗壓強度結果（單位：
MPa）
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧130
表 5-1 鋼筋平均抗拉強度‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧133
表 5-2
Shear Limit Curve 參數‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧144
表 5-3
Limit State Material 參數‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧145
表 5-4
BF 試體 Concrete01 材料參數‧‧‧‧‧‧‧‧‧147
表 5-5
BF 試體 Steel02 材料參數‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧147
表 5-6
BF 試體柱端剪力彈簧 Shear Limit Curve 參數‧147
表 5-7
BF 試體柱端剪力彈簧 Limit State Material 參數‧148
表 5-8 火害後殘餘強度分析(一)‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧149
表 5-9 火害後殘餘強度分析(二)‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧149
表 5-10 火害後殘餘強度分析(三)‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧150
表 5-11 AIJ 常重矽質骨材混凝土-溫度對應性質變化率‧152
表 5-12 AIJ SD345 鋼筋-溫度對應性質變化率‧‧‧‧‧‧152
表 5-13 Eurocode2 常重矽質骨材混凝土-溫度對應性質變化
率‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧152
表 5-14 Eurocode2 熱滾壓鋼筋-溫度對應性質變化率‧‧152
表 5-15 等溫區間顏色對應之溫度‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧155
表 5-16 鋼筋平均抗拉強度‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧156
表 5-17 構架試體內容‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧156
表 5-18 柱構件數值模型 Concrete01 材料參數‧‧‧‧‧161
表 5-19 柱構件數值模型 Hysteretic Material 材料參數‧161
表 5-20 剪力彈簧 Shear Limit Curve 參數‧‧‧‧‧‧‧162
表 5-21 剪力彈簧 Limit State Material 參數‧‧‧‧‧‧162
表 5-22 試體內容（一）‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧165
表 5-23 側推分析結果（一）‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧167
表 5-24 試體內容（二）‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧169
表 5-25 側推分析結果（二）‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧171
表 5-26 試體內容（三）
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧174
表 5-27 側推分析結果（三）
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧175
表 5-28 試體內容（四）
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧176
表 5-29 側推分析結果（四）
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧178
表 5-30 試體內容（五）
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧180
表 5-31 側推分析結果（五）
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧181
表 5-32 試體內容（六）
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧183
表 5-33 側推分析結果（六）
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧184
表 5-34 第一部分試體模態週期‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧187
表 5-35 第一部分分析結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧188
表 5-36 第二部分分析結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧191
表 6-1 SN490B 材料試驗結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧198
表 6-2 A 試體於各正層間位移角之剪力強度‧‧‧‧210
表 6-3 A 試體於各負層間位移角之剪力強度‧‧‧‧210
表 6-4 A 試體於各正層間位移角之剪力強度‧‧‧‧211
表 6-5 A 試體於各負層間位移角之剪力強度‧‧‧‧211
表 6-6 A 試體和 R 試體之層間位移角容量‧‧‧‧213
表 6-7 兩組試體於各層間位移角之剪力強度與強度折減率
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧213
圖次
圖 1-1 研究步驟與流程‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧3
圖 3-1 試體側視圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧22
圖 3-2 柱頭上視圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧22
圖 3-3 基礎上視圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧23
圖 3-4 混凝土圓柱試體製作‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25
圖 3-5 試驗鋼筋（未裁切前）
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25
圖 3-6 混凝土單柱應變計配置圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧26
圖 3-7 混凝土單柱熱耦計配置圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧27
圖 3-8 施工平面雜物清除‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧28
圖 3-9 施工平面清理完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29
圖 3-10 底模鋪設‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29
圖 3-11 底模放樣‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧30
圖 3-12 基礎鋼底板放置‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧30
圖 3-13 柱主筋銲接鋼底板‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧31
圖 3-14 基礎構件組立‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧31
圖 3-15 基礎模板角材加固‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧32
圖 3-16 基礎模板鐵絲對拉加固‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧32
圖 3-17 基礎模板架設完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33
圖 3-18 基礎灌漿搗實過程‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33
圖 3-19 基礎與柱身交界處之凹槽‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧34
圖 3-20 熱耦計‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧34
圖 3-21 熱耦計規劃位置‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧35
圖 3-22 01 號熱耦計（斜角線箍筋處）及 02 號（柱主筋處）
熱耦計‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧35
圖 3-23 03 號熱耦計（對角線 02 與 08 號之中心點）‧‧35
圖 3-24 04 號熱耦計（中心線混凝土表面）‧‧‧‧‧‧36
圖 3-25 05 號熱耦計（中心線保護層處）‧‧‧‧‧‧‧36
圖 3-26 06 號熱耦計（對角線主筋處）‧‧‧‧‧‧‧‧36
圖 3-27 07 號熱耦計（05 及 08 號中心點）及 08 號熱耦計
（柱中心點）
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧37
圖 3-28 砂輪機磨平鋼筋‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧38
圖 3-29 應變計黏貼情況‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧39
圖 3-30 柱身之模板組立(一)‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧39
圖 3-31 柱身之模板組立(二)‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧40
圖 3-32 柱頭鋼筋組立‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧40
圖 3-33 柱頭模板組立‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41
圖 3-34 柱頂鋼板‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41
圖 3-35 混凝土坍度測試‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧42
圖 3-36 混凝土氯離子測試‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧42
圖 3-37 混凝土人工澆置‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43
圖 3-38 試體施作完成照‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43
圖 3-39 利用帆布包覆柱身以保護線材‧‧‧‧‧‧‧‧‧43
圖 3-40 梁柱樓板複合實驗爐加載加熱實驗配置圖‧‧‧44
圖 3-41 CNS 12514 標準升溫曲線‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧44
圖 3-42 反覆載重實驗配置圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧45
圖 3-43 位移控制歷時圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧45
圖 3-44
CF1 試體測點升溫曲線圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧46
圖 3-45 CF1 試體東面實驗前後對照圖‧‧‧‧‧‧‧47
圖 3-46
CF1 試體西面實驗前後對照圖‧‧‧‧‧‧‧47
圖 3-47
CF1 試體南面實驗前後對照圖‧‧‧‧‧‧‧47
圖 3-48
CF1 試體北面實驗前後對照圖‧‧‧‧‧‧‧48
圖 3-49 CF2 試體測點升溫曲線圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧48
圖 3-50
CF2 試體東面實驗前後對照圖‧‧‧‧‧‧‧49
圖 3-51
CF2 試體西面實驗前後對照圖‧‧‧‧‧‧‧49
圖 3-52
CF2 試體南面實驗前後對照圖‧‧‧‧‧‧‧49
圖 3-53
CF2 試體北面實驗前後對照圖‧‧‧‧‧‧‧50
圖 3-54
CF3 試體測 點升溫曲線圖‧ ‧‧‧‧‧‧‧50
圖 3-55
CF3 試體東 面實驗前後對照 圖‧‧‧‧‧‧51
圖 3-56 CF3 試體西面實驗前後對照圖‧‧‧‧‧‧51
圖 3-57
CF3 柱身南 面實驗前後對照 圖‧‧‧‧‧‧ 51
圖 3-58 CF3 柱身北面實驗前後對照圖‧‧‧‧‧‧52
圖 3-59 CNF 試體反覆載重實驗圖‧‧‧‧‧‧‧‧53
圖 3-60 CNF 試體遲滯迴圈‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53
圖 3-61 CNF 試體裂縫發展‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54
圖 3-62 CF1 試體遲滯迴圈‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧55
圖 3-63 CF1 試體裂縫發展‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧56
圖 3-64 CF2 試體遲滯迴圈‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧57
圖 3-65 CF2 試體裂縫發展‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧58
圖 3-66 CF3 試體遲滯迴圈‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧59
圖 3-67 CF3 試體裂縫發展‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧60
圖 3-68 四組試體包絡線對比圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧63
圖 3-69 四組試體遲滯迴圈對比圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧63
圖 3-70 0.1 軸壓比包絡線對比圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧64
圖 3-71 0.1 軸壓比遲滯迴圈對比圖‧‧‧‧‧‧‧‧64
圖 3-72 CNF 實驗值與分析值對比圖‧‧‧‧‧‧‧65
圖 3-73 CF1 實驗值與分析值對比圖‧‧‧‧‧‧‧66
圖 3-74 0.2 軸壓比包絡線對比圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧67
圖 3-75 0.2 軸壓比遲滯迴圈對比圖‧‧‧‧‧‧‧‧67
圖 3-76 CF2 實驗值與分析值對比圖‧‧‧‧‧‧‧68
圖 3-77 0.3 軸壓比包絡線對比圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧69
圖 3-78 0.3 軸壓比遲滯迴圈對比圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧69
圖 3-79 CF3 實驗值與分析值對比圖‧‧‧‧‧‧‧70
圖 3-80 CNF 性能目標地表加速度‧‧‧‧‧‧‧‧71
圖 3-81 CF1 性能目標地表加速度‧‧‧‧‧‧‧‧71
圖 3-82 CF2 性能目標地表加速度‧‧‧‧‧‧‧‧72
圖 3-83 CF3 性能目標地表加速度‧‧‧‧‧‧‧‧72
圖 4-1 鋼筋混凝土造構架屋模型‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧77
圖 4-2 鋼筋混凝土造實驗屋平立面圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧78
圖 4-3 鋼筋混凝土造構件配筋圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧78
圖 4-4 鋼筋應變計配置圖 01‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧80
圖 4-5 鋼筋應變計配置圖 02‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧80
圖 4-6 實驗屋熱耦計配置圖 01 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧81
圖 4-7 實驗屋熱耦計配置圖 02 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧82
圖 4-8 實驗屋熱耦計配置圖 03 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧82
圖 4-9 實驗屋熱耦計配置圖 04 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧83
圖 4-10 工期之甘特圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧85
圖 4-11 無斜撐鋼底座‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧86
圖 4-12 有斜撐鋼底座‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧86
圖 4-13 無斜撐鋼底板整平工作施工項次‧‧‧‧‧‧‧‧87
圖 4-14 有斜撐鋼底板整平工作施工項次‧‧‧‧‧‧‧‧88
圖 4-15 950 mm 500 mm 之長方形鋼板孔位‧‧‧‧‧89
圖 4-16 500 mm 500 mm 之正方形鋼板孔位‧‧‧‧‧89
圖 4-17 填角銲過程‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧89
圖 4-18 正方形鋼板兩側填角銲‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧90
圖 4-19 填角銲之長方形鋼板‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧90
圖 4-20 H 型鋼補銲加勁板‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧90
圖 4-21 PL 20 500 mm 500 mm 座鈑‧‧‧‧‧‧‧‧‧91
圖 4-22 植筋、鋼板鎖固完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧92
圖 4-23 放樣孔位‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧92
圖 4-24 使用電鑽鑽孔‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧92
圖 4-25 鑽孔後之孔洞‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧93
圖 4-26 植筋‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧93
圖 4-27 鋼底座吊放‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧94
圖 4-28 測量鋼底座各角落之水平‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧94
圖 4-29 鋼底座外邊銲接連結‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧94
圖 4-30 鋼底座內邊銲接連結‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧95
圖 4-31 吊放基礎底板‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧95
圖 4-32 擋土牆取代模板組立‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧96
圖 4-33 拌合無收縮水泥砂漿‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧96
圖 4-34 澆置前使待澆置面水分內飽和‧‧‧‧‧‧‧‧‧97
圖 4-35 澆置無收縮水泥砂漿置 H 型鋼底面‧‧‧‧‧‧97
圖 4-36 固化後之無收縮水泥砂漿‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧97
圖 4-37 澆置無收縮水泥砂漿完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧98
圖 4-38 基礎模板組立‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧98
圖 4-39 長方形保麗龍板料‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧99
圖 4-40 基礎底部襯板組立完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧99
圖 4-41 基礎底部轉接鋼板孔位‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧100
圖 4-42 柱 T 頭鋼筋圓周銲於基礎底部鋼板‧‧‧‧‧‧100
圖 4-43 柱 T 頭鋼筋圓周銲於基礎底部鋼板‧‧‧‧‧‧101
圖 4-44 柱箍筋綁紮‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧101
圖 4-45 地梁鋼筋綁紮‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧101
圖 4-46 地梁鋼筋綁紮完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧102
圖 4-47 地梁箍筋綁紮完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧102
圖 4-48 柱基礎鋼筋綁紮完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧102
圖 4-49 基礎鋼筋綁紮完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧103
圖 4-50 熱偶計示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧103
圖 4-51 鋼筋應變計示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧104
圖 4-52 應變計溫度量測範圍‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧104
圖 4-53 以標籤紙定位待黏貼位置‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧105
圖 4-54 預留拉扯時需要之導線‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧105
圖 4-55 以 PVC 管保護線材‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧106
圖 4-56 標記待綁定熱偶計之位置‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧107
圖 4-57 將熱偶計以束帶 X 形綁定‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧107
圖 4-58 將熱偶計綁定至標記之位置‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧107
圖 4-59 將準備好之牙條安裝於預設高程‧‧‧‧‧‧‧‧108
圖 4-60 構架屋組模示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧108
圖 4-61 模板兩側互鎖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧109
圖 4-62 模板壓縮誤差‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧109
圖 4-63 模板組立完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧109
圖 4-64 混凝土圓柱試體製作‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧112
圖 4-65 混凝土方形試體製作‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧112
圖 4-66 混凝土坍度測試‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧112
圖 4-67 混凝土坍度測試結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧113
圖 4-68 混凝土氯離子檢測‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧113
圖 4-69 混凝土氯離子檢測結果(一)‧‧‧‧‧‧‧‧‧113
圖 4-70 混凝土氯離子檢測結果(二)‧‧‧‧‧‧‧‧‧114
圖 4-71 混凝土壓送車‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧114
圖 4-72 混凝土澆置‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧114
圖 4-73 混凝土搗實‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧115
圖 4-74 混凝土澆置作業完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧115
圖 4-75 混凝土養護‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧116
圖 4-76 圓柱試體滿 24 小時拆模‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧116
圖 4-77 基礎模板拆除作業完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧117
圖 4-78 柱身模板放樣‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧117
圖 4-79 柱身模板組立及支撐 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧118
圖 4-80 柱身模板鎖固 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧118
圖 4-81 柱身模板寬度量測‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧118
圖 4-82 構架屋鷹架及支撐之搭設‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧119
圖 4-83 國震中心方形中空載重塊‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧119
圖 4-84 樓板 PVC 管孔位圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧120
圖 4-85 樓板孔位放樣‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧120
圖 4-86 樓板 PVC 管埋設‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧120
圖 4-87 梁底模尺寸確認‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧121
圖 4-88 梁之鋼筋綁紮‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧121
圖 4-89 板之鋼筋綁紮‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧122
圖 4-90 梁、板之鋼筋綁紮完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧122
圖 4-91 坍度試驗‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧123
圖 4-92 氯離子檢測‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧123
圖 4-93 押送混凝土‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧124
圖 4-94 搗實混凝土‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧124
圖 4-95 混凝土澆置完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧125
圖 4-96 混凝土拆模完成‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧125
圖 4-97 7 天基礎混凝土之應力-應變曲線‧‧‧‧‧‧‧127
圖 4-98 7 天現地養護試體 1 之裂縫‧‧‧‧‧‧‧‧‧127
圖 4-99 7 天現地養護試體 2 之裂縫‧‧‧‧‧‧‧‧‧128
圖 4-100 7 天現地養護試體 3 之裂縫‧‧‧‧‧‧‧‧‧128
圖 4-101 28 天基礎混凝土之應力-應變曲線‧‧‧‧‧‧‧129
圖 4-102 柱、梁及板 7 天基礎混凝土之應力-應變曲線‧129
圖 4-103 柱、梁及板 28 天基礎混凝土之應力-應變曲線 130
圖 5- 1 混凝土構架試體設計圖(單位：毫米)‧‧‧‧‧‧132
圖 5-2 OpenSees 執行界面‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧134
圖 5-3 RC 構架模型示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧135
圖 5-4 纖維斷面示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧135
圖 5-5 Concrete01 材料卡之應力應變曲線‧‧‧‧‧‧‧136
圖 5-6 Concrete01 材料卡之遲滯行為‧‧‧‧‧‧‧‧‧136
圖 5-7 受圍束混凝土之應力應變曲線【59】
‧‧‧‧‧‧137
圖 5-8 Hysteretic Material 材料卡之應力應變曲線‧‧‧138
圖 5-9 Steel02 材料卡之應力應變曲線【61】
‧‧‧‧‧‧139
圖 5-10 彎矩塑性鉸之彎矩與曲率關係‧‧‧‧‧‧‧‧‧140
圖 5-11 Elastic Uniaxial Material 材料卡之應力應變曲線
【72】
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧140
圖 5-12 有效撓曲勁度
𝑬𝑬𝑬𝑬
𝒇𝒇𝒇𝒇𝒇𝒇𝒇𝒇示意圖【64】
‧‧‧‧‧‧‧‧141
圖 5-13 剪力塑性鉸之力量與位移關係‧‧‧‧‧‧‧‧‧142
圖 5-14 柱體考慮剪力彈簧分析模型‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧142
圖 5-15 計算下降段勁度
𝑲𝑲
𝒅𝒅𝒇𝒇𝒅𝒅示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧143
圖 5-16 BF 試體遲滯迴圈‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧146
圖 5-17 BF 實驗驗證分析結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧148
圖 5-18 30 分鐘受火延時等溫線‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧151
圖 5-19 60 分鐘受火延時等溫線‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧151
圖 5-20 90 分鐘受火延時等溫線‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧151
圖 5-21 120 分鐘受火延時等溫線‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧151
圖 5-22 500 度等溫線法示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧154
圖 5-23 不同受火延時之 500 度等溫線‧‧‧‧‧‧‧‧‧154
圖 5-24 使用邊界深度曲線簡化圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧154
圖 5-25 使用轉角深度曲線簡化圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧154
圖 5-26 200 度為間隔之等溫線劃分圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧155
圖 5-27 200 度為間隔之等溫區間‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧155
圖 5-28 構架試體設計圖 (單位：毫米)‧‧‧‧‧‧‧‧156
圖 5-29 F1 試體遲滯迴圈與數值模型側推曲線‧‧‧‧‧158
圖 5-30 F2 試體遲滯迴圈與不同等溫曲線直線化方法側推曲
線‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧158
圖 5-31 F2 試體遲滯迴圈與不同斷面溫度分析方法側推曲線
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧159
圖 5-32 F2 試體遲滯迴圈與不同材料受火性質變化率側推曲
線‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧159
圖 5-33 柱構件數值模型元素示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧163
圖 5-34 四面受火斷面等溫區間示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧163
圖 5-35 未受火柱構件反覆載重比對圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧164
圖 5-36 CNF‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧166
圖 5-37 C60_1-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧166
圖 5-38 C60_1-2‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧166
圖 5-39 C120_1-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧166
圖 5-40 C120_1-2‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧166
圖 5-41 反覆載重勁度折減‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧166
圖 5-42 火害後殘餘強度分析(ㄧ)比較圖‧‧‧‧‧‧‧‧167
圖 5-43 Xiao 等人【70】試體升降溫曲線圖‧‧‧‧‧‧‧167
圖 5-44 800 度恆溫等溫線線性內縮示意圖‧‧‧‧‧‧‧168
圖 5-45 CNF0.1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧169
圖 5-46 CNF0.2‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧169
圖 5-47 CNF0.3‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧170
圖 5-48 C0.1_2-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧170
圖 5-49 C0.1_2-2‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧170
圖 5-50 C0.2_2-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧170
圖 5-51 C0.2_2-2‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧170
圖 5-52 C0.3_2-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧170
圖 5-53 C0.3_2-2‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧171
圖 5-54 反覆載重勁度折減‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧171
圖 5-55 火害後殘餘強度分析(二)比較圖‧‧‧‧‧‧‧‧172
圖 5-56 梁柱構架數值模型元素示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧173
圖 5-57 雙面受火斷面等溫區間示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧173
圖 5-58
FNF‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧174
圖 5-59
F60_1-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧174
圖 5-60
F120_1-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧175
圖 5-61
反覆載重勁度折減‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧175
圖 5-62
火害後殘餘強度分析(二)比較圖‧‧‧‧‧‧‧‧175
圖 5-63
FNF0.1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧177
圖 5-64
FNF0.2‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧177
圖 5-65
FNF0.3‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧177
圖 5-66
F0.1_2-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧177
圖 5-67
F0.2_2-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧177
圖 5-68
F0.3_2-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧177
圖 5-69
反覆載重勁度折減‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧178
圖 5-70
火害後殘餘強度分析(二)比較圖‧‧‧‧‧‧‧‧178
圖 5-71 梁柱構架數值模型元素示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧179
圖 5-72 HNF‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧181
圖 5-73 H60_1-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧181
圖 5-74 H120_1-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧181
圖 5-75 反覆載重勁度折減‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧181
圖 5-76 火害後殘餘強度分析(二)比較圖‧‧‧‧‧‧‧‧182
圖 5-77 HNF0.1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧183
圖 5-78 HNF0.2‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧183
圖 5-79 HNF0.3‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧183
圖 5-80 H0.1_2-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧183
圖 5-81 H0.2_2-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧184
圖 5-82 H0.3_2-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧184
圖 5-83 反覆載重勁度折減‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧184
圖 5-84 火害後殘餘強度分析(二)比較圖‧‧‧‧‧‧‧‧185
圖 5-85 美濃地震 CHY063 測站東西向地表加速度‧‧‧187
圖 5-86 HNF‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧187
圖 5-87 H60_1-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧188
圖 5-88 H120_1-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧188
圖 5-89 火害後殘餘強度分析(三)第一部分比較圖‧‧‧‧189
圖 5-90 HNF0.1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧189
圖 5-91 HNF0.2‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧189
圖 5-92 HNF0.3‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧190
圖 5-93 H0.1_2-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧190
圖 5-94 H0.2_2-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧190
圖 5-95 H0.3_2-1‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧191
圖 5-96 火害後殘餘強度分析(三)第二部分未受火試體比較
圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧191
圖 5-97 火害後殘餘強度分析(三)第二部分受火試體比較
圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧192
圖 6-1 鋼柱試體之簡化示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧195
圖 6-2 鋼柱試體之火害實驗與火害後之耐震性能實驗‧‧‧
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧196
圖 6-3 H 型鋼柱試體之幾何尺寸與三視圖‧‧‧‧‧196
圖 6-4 H 型鋼柱試體完成圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧198
圖 6-5 A 試體之降溫照片‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧199
圖 6-6 A 試體火害後降溫曲線‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧199
圖 6-7 受軸壓鋼柱試體反覆側推實驗之配置圖‧‧‧‧200
圖 6-8 受軸壓鋼柱試體反覆側推實驗之示意圖‧‧‧‧201
圖 6-9 鋼柱試體之位移計與傾斜儀佈置示意圖‧‧‧202
圖 6-10 鋼柱試體之應變計佈置示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧203
圖 6-11 鋼柱試體之地梁與內隔板應變計佈置示意圖‧204
圖 6-12 鋼柱試體反覆側推實驗所採用之層間位移角控制歷
程圖【71】‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧205
圖 6-13 A 試體於各歷程照片‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧206
圖 6-14 R 試體於各歷程照片‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧207
圖 6-15 受軸壓之 A 試體之遲滯迴圈 ‧‧‧‧‧‧‧‧212
圖 6-16 受軸壓之 R 試體之遲滯迴圈 ‧‧‧‧‧‧‧‧212
圖 6-17 兩組試體側向剪力與層間位移角之骨幹曲線‧‧215
圖 6-18 兩組試體之側向勁度折減曲線 ‧‧‧‧‧‧‧‧215
圖 6-19 R 試體東西側翼板應變計讀值變化圖‧‧‧‧‧216
圖 6-20 A 試體東西側翼板應變計讀值變化圖‧‧‧‧‧217
摘 要
關鍵詞：鋼筋混凝土造、鋼構造、火害後、構件、耐震性能一、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 RH250250914 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。Abstract
Keywords: Reinforced Concrete Frame, Steel Frame, After Fire, Structural Member, Seismic-Resistant Performance
The main objective of this research is to conduct an experimental study on the seismic performances of reinforced concrete (RC) columns and steel columns after fire damage. In order to investigate the changes in seismic resistance of RC column specimens and steel column specimens after fire damage, the research team will transport the RC column and steel column specimens to the Fire Experiment Lab of ABRI in Tainan to conduct the fire tests for the RC column and steel column specimens first to simulate the high temperature variations that the RC columns and the steel columns may be subjected to in the building fires, and then transport them to the nearby Southern Laboratory of NCREE for the cyclic loading experiments for the RC column specimens and steel column specimens with or without fire damage. This study will also build two single-story and single-bay RC experimental houses for the subsequent seismic research of RC framed houses after fire damage. In addition, this study will first carry out the numerical simulations for the single-story and single-bay RC experimental houses with or without fire damage.
Fires and earthquakes have been the main causes of damage and destruction to urban buildings (including reinforced concrete and steel buildings). In recent years, ABRI has focused on the fire experiments of members and structures of reinforced concrete (RC) and steel buildings. The fire experiments and researches for the structural members and subassemblages have been carried out systematically and have achieved fruitful results. However, there is still a lack of research to discuss the seismic performance evaluation of buildings affected by fire high-temperatures and damages. After a fire, the material properties of a building are affected by high temperatures, which reduces the strength of the building members (such as columns and beams) and also reduces the seismic resistance of the building. So far, a systematic approach to evaluate the seismic resistance reductions of post-fire buildings has not been established to address this important issue yet. Therefore, in order to correctly evaluate the seismic resistance of buildings after fire damage, and to provide correct information for the future seismic reinforcement of buildings after fire damage, the study of structural seismic performance evaluation of buildings after fire damage should be conducted first to provide the references of fire-resistant and seismic- resistant design practices for buildings.
The important findings of this research project are as follows:
(1) The yield stiffness and maximum strength of RC column members (dimensions: 0.3m×0.3m×1.2m, ordinary concrete) after fire damage are reduced due to fire damage duration and axial compression. The strength drops by about 10%. The yield stiffness is reduced by about 40%.
(2) This study uses OpenSees to establish numerical models for RC column members, 2D-RC frames and 3D-RC frame house specimens, which can analyze the strength and stiffness of concrete and steel rebars and other mechanical behaviors including deflection, shear and steel rebar slippage. The proposed numerical models of the specimens after fire damage can reasonably analyze the stiffness reduction of ultimate strength, stiffness, hysteresis loops and cyclic loadings.
(3) The RH250250914 steel column specimen made of SN490B is air-cooled to room temperature after being exposed to the high temperature of 900°C. When subjected to 20% axial load ratio, its maximum lateral shear strength (seismic-resistant strength) is on average 23.5% lower than that of the steel column specimen without fire damage. If it is determined by 80% of the nominal shear strength of the steel column specimen, the Drift Capacity is 4%, which meets the 4% requirement of our country's seismic code for beam-to-column connections. However, if it is determined by the stricter limit of 90% of the nominal shear strength of the steel column specimen, the Drift Capacity will be reduced to 3%, which is worthy of our attention.
This project proposes two immediate strategies.
For the first immediate strategy:
After a reinforced concrete (RC) building is attacked by a fire, the concrete and steel bars of its structural components and the beam-column connections are often changed due to the high temperatures in fires, resulting in changes in the material and bonding capacity
of the structural components and connections. As a result, the overall seismic resistance of the building has decreased. We can use large-scale shaking table experiments on RC framed buildings with and without fire damage to study the seismic performance of RC framed building after fire damage.
For the second immediate strategy:
After a steel structure is damaged by a fire, the material changes due to the high temperature and cooling method of the fire site, resulting in a decrease in the strength of the component. The strengthening of the components and the beam-to-column connections after the fire is often performed, and the fire damaged steel structure after strengthening continues to operate. We can use the large-scale shaking table experiment for the steel experimental building to study the seismic performance of the strengthened steel structure after fire damage.
(本頁空白)
第一章 緒論
第一節 研究緣起與背景
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。 貴所規劃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，109 年實 驗與研究內容如下： 1. 進行火害後 RC 造與鋼構造構件之反覆載重實驗，以獲得分析模型所需之參數。 2. 進行受火害與未受火害單層單跨 RC 造構架屋受地震之數值模擬。 3. 製作 2 座單層單跨鋼筋混凝土(RC)造構架屋。第二節 研究目的與方法
本研究的主題是針對火害後的鋼筋混凝土(RC)構件與鋼構件的耐震性能以實驗的方 式進行研究，因此，本研究團隊將製作完成的 RC 構件試體與鋼構件試體運至台南歸 仁之內政部建築研究所防火實驗中心進行火害實驗，以模擬 RC 構件與鋼構件在火場 中可能受到的高溫變化，之後再運至對面的國家地震中心南部實驗室進行未受火害和 受火害 RC 構件試體與鋼構件試體的反覆載重實驗，藉以了解火害後 RC 構件試體與 鋼構件試體的耐震能力變化，本研究亦將建置單層單跨鋼筋混凝土(RC)造構架屋 2 座， 以供後續 RC 造構架屋火害後的耐震性能研究之用，此外，本研究將先進行受火害與 未受火害單層單跨 RC 造構架屋受地震之數值模擬。本研究計畫之具體研究目的可歸 納如下： (1) 完成建置單層單跨鋼筋混凝土(RC)造構架屋 2 座。 (2) 完成 RC 造構件與鋼構造構件之火害實驗。 (3) 完成火害後 RC 造構件與鋼構造構件之反覆載重實驗與分析。 (4) 建立火害後結構耐震評估資料庫。 (5) 完成受火害與未受火害單層單跨 RC 造構架屋受地震之數值模擬。 本次實驗不僅規模龐大需動員大量人力與物力，且跨足到火害及耐震等不同領域， 需更加注意各種細節與問題，因此研究團隊擬在本計畫執行之初召開專家學者座談會 議，邀請貴所同仁、火災實驗專家學者、耐震實驗專家學者、大型結構實驗專家學者 參加，特別針對本次實驗中止條件、試體構件的設計、數值模擬參數設定、資料庫的 建立、儀器量測…等重要問題進行討論，以期在各項實驗前有充分之準備。有關本計 畫中「火害後 RC 柱構件之反覆載重實驗」的火害實驗與反覆載重實驗過程，將於本 報告之第三章詳細敘述。關於本計畫「兩座 RC 構架屋之設計與施工」所進行的施工 流程及規劃將於本報告之第四章詳細敘述。此外，本計畫亦將進行「火害後 RC 構架 屋受地震之數值模擬」，將於本報告之第五章詳細敘述。有關本計畫將進行「火害後 鋼柱構件之反覆載重實驗」的火害實驗與反覆載重實驗過程，會由本報告之第六章詳 細敘述，而本計畫的主要研究方法、步驟與進度將於下一節說明。第三節 研究步驟流程與進度說明
圖 1-1 研究步驟與流程
(本研究整理)
資料整理與綜合研析 完成實驗研究資料庫 完成期末報告 蒐集國內外火害後 RC 柱與鋼柱之 耐震能力的相關文獻資料 進行專家學者座談討論兩座 「RC 構架屋實驗屋」之設計與實際需求 以及本次火害後 RC 柱與鋼柱耐震能力 之相關火害實驗與結構實驗的問題 獲得「RC 構架屋實 驗屋」之結構設計 資訊 由研究團隊與專業技 師進行兩座「RC 構架 屋實驗屋」之結構設 計 採公開招標方式發包 與興建兩座「RC 構架 屋實驗屋」 由專業技師帶領兼任 助理碩士生監造兩座 「RC 構架屋實驗屋」 鋼構實驗屋之完工與 驗收 獲得「RC 構架屋實驗 屋」之混凝土與鋼筋 火害後之材料參數 建立「RC 構架屋實 驗屋」之數值模型 建立「RC 構架屋實 驗屋」之數值模型 進行 2 組鋼柱 試體之設計 製作與監造 2 組 鋼柱試體 進行 1 組鋼柱 試體之火害實驗 進行 2 組鋼柱 試體之耐震實驗 進行 4 組鋼筋混凝 土(RC)柱試體 之設計 製作與監造 4 組鋼 筋混凝土(RC)柱試 體之設計 進行 3 組鋼筋混凝 土(RC)柱試體之 火害實驗 進行 4 組鋼筋混凝 土(RC)柱試體之 耐震實驗表 1-1 工作規劃甘特圖
月次 工作項目 第 1 個 月 第 2 個 月 第 3 個 月 第 4 個 月 第 5 個 月 第 6 個 月 第 7 個 月 第 8 個 月 第 9 個 月 第 10 個 月 第 11 個 月 備 註 蒐集國外相關文獻資料
進行專家學者座談
兩座單層單跨 RC 造構架 屋之設計與發包
RC 造構件之設計與施工
鋼造構件之設計與施工
期中報告撰寫
進行「RC 造構件」之火 害實驗
進行「鋼造構件」之火 害實驗
進行「RC 造構件」之反 覆載重實驗
進行「鋼造構件」之反 覆載重實驗
進行受火害與未受火害 單層單跨 RC 造構架屋受 地震之數值模擬
兩座單層單跨 RC 造構架 屋之施工
整理實驗資料與耐震評 估資料庫
期末報告撰寫
成果報告撰寫
預 定 進 度 ( 累 積 數 ) 10 % 22 % 30 % 40 % 48 % 56 % 66 % 80 % 92 % 96 % 100 % 說明：１工作項目請視計畫性質及需要自行訂定，預定研究進度以粗線表示其起訖日 期。 ２預定研究進度百分比一欄，係為配合追蹤考核作業所設計。請以每 1 小格粗 組線為 1 分，統計求得本計畫之總分，再將各月份工作項目之累積得分(與 之前各月加總)除以總分，即為各月份之預定進度。 ３科技計畫請註明查核點，作為每 1 季所預定完成工作項目之查核依據。(本研究整理)
本研究之進行步驟流程如圖 1-1 所示，其對應之工作規劃甘特圖與進度概述如表 1-1。除了已完成文獻資料之蒐集與整理之外，本研究團隊所設計之兩座相同的單層 單跨 RC 造構架屋，皆已順利完工。四組 RC 柱試體中之三組試體已完成不同軸向載 重作用下之定載加溫的火害實驗，三組火害後的試體與未受火害的 RC 柱試體也順利 完成受軸壓力之反覆側推實驗。兩組鋼柱試體中之實驗組鋼柱試體已完成 900°C 之 高溫火害並以空氣冷卻至常溫，對照組試體為未受火害的鋼柱試體，兩組試體皆已順 利完成受軸壓力作用之反覆側推實驗。有關 RC 構架屋之數值模擬部分所選定 OpenSees 軟體，能合理模擬鋼筋混凝土構架重要之非線性撓曲行為、鋼筋滑移以及 剪力行為，在側推行為的模擬上，無論是初始勁度、極限強度、以及軟化行為，均能 合理預測。研究團隊並於 2020 年 6 月 3 日與 2020 年 11 月 20 日，舉辦了兩次專家學 者座談會，邀集國內專家學者，與貴所長官和同仁進行研討，與會長官與專家學者提 供本計畫「火害後建築物之結構耐震性能評估(1/3)--鋼筋混凝土造與鋼構造構件火害 後耐震性能研究」許多寶貴意見。
第二章 資料蒐集與文獻回顧
第一節 RC 構件於高溫火害中之研究
趙文成【1】探討讓混凝土試體在遭受火害再予以補強，並期望能恢復原始強度。 由實驗結果發現，補強後之試體皆可恢復未受火害前之強度。透過小試體結果及本研 究所推導公式，應可精確的預測實尺寸柱火害後強度分析。蕭江碧【2】完成 32 根短 梁分別在常溫及以 400、600 及 700 度高溫作用的剪力強度試驗，比較其殘留強度與 ACI 318 規範之剪力強度公式。經實驗與分析比較發現，400 度及 700 度時，梁之殘 留剪力強度為 ACI 預測剪力強度的 90%與 60%。李其忠【3】主要進行實驗量測技術 開發，經由位移自動量測系統（CCD camera），可量測梁柱接頭受火害時的轉角變量， 未來可配合多個鏡頭開發更精密的非接觸式量測技術。李其忠【4】的實驗工作共製 作 10 組梁柱接頭試體，包括普通強度混凝土(NC)及自充填混凝土(SCC)試體，各 5 組。 柱斷面尺寸為 35 × 35 cm，高度 220 cm，梁斷面尺寸為 25 × 35 cm，跨度 125 cm，兩 端翼梁斷面尺寸為 25 × 35 cm，跨度 42.5 cm，柱、梁之淨保護層厚度為 4 cm。數值 分析工作則與加拿大國家防火實驗室合作，將材料在高溫下的力學性質作適度修正， 可有效模擬本研究之鋼筋混凝土柱，受四面均勻加熱時之力學行為，包括：(1)溫度與 時間關係、(2)柱軸向及側向變形關係、(3)柱軸向載重與溫度折減關係。 李其忠和王天志【5】根據前述研究計畫之梁柱接頭試體，依據 CNS 12514 之標 準升溫曲線加溫進行測試，探討梁柱接頭在高溫下耐火性能，重點是高溫後殘餘強度 與勁度，以補充鋼筋混凝土結構物火害後之安全評估程序之實驗資料與分析。 李其忠和王天志【6】沿用前期梁柱接頭火害實驗結果，探討在不同混凝土材料 （普通及自充填），邊柱及內柱構件，於高溫下耐火性能及高溫後殘餘強度與勁度。 一般而言，混凝土受火害爆裂後斷面減少及鋼筋暴露於高溫，將急速降低柱、梁及梁 柱接頭的抗火能力及火害後殘餘能力。雖普通混凝土試體及自充填混凝土試體，火害 前後之開裂載重差異不大，但受火害之降伏載重較低。試體表面溫度在加熱結束時開 始下降，但斷面內部的最高溫度卻在冷卻過程中延緩出現，使內部材料損傷加劇。李其忠【7】持續採用已完成之梁柱接頭試體，探討普通及自充填混凝土材料， 邊柱及內柱構件受高溫後殘餘強度。有別於先前的分析工具，本研究配合套裝軟體 ANSYS 與測試結果比對。主要獲致下列研究成果：混凝土梁及柱斷面溫度主要是受 到橫向溫度與裂縫的產生影響，鋼筋溫度可由鋼筋所在位置之混凝土溫度代表。利用 ANSYS 數值分析模型所得高溫中變形，經與實驗值比較，應屬可行合理。殘餘降伏 強度之預測值與實驗值接近，但殘餘極限強度之預估較為保守。 李其忠【8】將 2008 年火害後鋼筋混凝土梁柱接頭試體，包括普通及自充填混凝 土材料，分別利用 1:2.5 水泥砂漿及自充填混凝土作柱體的修復，探討僅承受軸壓下， 修復後柱體之耐火性能。經由修復柱耐火試驗結果與分析，得到以下結論：自充填混 凝土因內部的高孔隙水壓力，混凝土爆裂較普通混凝土顯著。水泥砂漿及自充填混凝 土修復柱，均具有 4 小時以上防火時效，雖柱呈現壓縮變形但均未超過最大軸向壓縮 量之規定。高溫中柱表面水泥砂漿剝落、混凝土爆裂，水泥砂漿、混凝土及主筋強度 折減，均會讓軸力強度折減。 李其忠【9】再度利用 2008 火害後鋼筋混凝土梁柱接頭試體，探討不同修補材料 （水泥砂漿、自充填混凝土、聚丙烯纖維自充填混凝土）對修補效果之差異性及火害 中之力學行為。研究結果顯示，聚丙烯纖維自充填混凝土，因為聚丙烯纖維的低熔點 特性，汽化後形成試體內部孔隙，可降低高溫中混凝土爆裂機率。以殘餘極限強度而 言，聚丙烯纖維自充填混凝土的修復效果最佳，水泥砂漿次之，自充填混凝土最差。 李其忠【10】由前述研究累積的經驗，改選用成功大學自充填混凝土柱火害試體， 搭配自充填混凝土作修復，探討修復後柱在有無彎矩作用下之耐火性能。尤其是在相 同載重情況下，修復前後在高溫中後之行為差異。經由試驗結果與分析，試體因受偏 心載重，破壞模式為柱中上段非圍束區內發生壓力破壞。混凝土有嚴重爆裂，但僅限 於保護層，讓試體仍有 3 小時的防火時效。
![圖 5- 4 纖維斷面示意圖 (本研究整理) 5.2.4 OpenSees 材料模型 (1) 混凝土材料模型 本章研究使用 OpenSees 內建之混凝土 Concrete01 材料卡，用以描述複合纖 維斷面中混凝土材料之應力應變關係，其材料組成律根據 Kent 與 Park[57]壓應 力應變曲線，並忽略混凝土拉力行為，如圖 5-5 所示。其加載與卸載方式，引用 Karsan 與 Jirsa[58]所提出之線性方式；混凝土卸載時，由包絡線上應變為 r 之處， 沿著一直線段回到應力為零之處](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/8764347.209076/171.892.139.767.154.865/本研究本章研根據與壓應力應變曲提出卸載時由包絡線上一直線.webp)
