行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
鋼筋混凝土樓板火害後之殘餘穿孔剪力
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2211-E-009-023- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學土木工程學系(所) 計畫主持人： 鄭復平 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 95 年 10 月 31 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
鋼筋混凝土樓板火害後之殘餘穿孔剪力
計畫編號：NSC 94-2211-E-009-023
執行期限：94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日
主持人：鄭復平 執行機構及單位名稱：國立交通大學
一、中文摘要 本研究擬針對鋼筋混凝土無梁版，進 行受火害之力學行為及評量其耐火性能。 以ASTM-119升溫曲線加熱，針對不 同 混 凝土強度、溫度延時等變數，量測鋼筋 混 凝 土 版 溫 度 分 佈 情 形 、 載 重 -位 移 關 係、耐火時效及火害後貫穿殘餘剪力強度 等，以了解鋼筋混凝土版之貫穿剪力行 為 。 以 為 將 來 實 施 防 火 性 能 規 範 之 參 考。 從試驗結果得知，無梁板受高溫侵襲 後的破壞模式與常溫相近，混凝土保護層 可隔絕大部份熱源，貫穿剪力強度減降低 量與歷時成正比，高強度混凝土有爆裂的 疑慮。 關鍵字：貫穿殘餘剪力強度，火害，無梁 板 AbstractThe experiments of mechanic behaviors and fire resistance of flat slab exposed in fire condition were executed in this research program. The temperature distribution in the concrete flat slab, load – displacement relationship under loading and residual punching shear strength were studied for concrete flat slab heated according to ASTM-119 fire curve were explored.
From test results show that the pattern of failure for specimens after exposed to elevated temperature is similar to that without exposing elevated temperature. The concrete cover can insulate most heat energy from heat source. The reduction of punching shear strength is proportional to the duration of heating. High strength concrete have danger of spalling.
Keywords: residual punching shear strength, elevated temperatures, flat slab 二、緣由與目的 緣由 隨著時代進步，高樓建造物逐漸增 加，火災發生頻率也隨著增加，然火場高 度增加消防救災的困難性，且伴隨建造物 火害後嚴重的破壞。因此，混凝土構件在 火災時之耐火性能就顯得非常重要，以及 受火害後構件是否還能繼續使用以抵抗各 項載重，此種結構安全評估技術，則須建 立一套定量方法，用以判斷鋼筋混凝土結 構體遭受火害之強度，以作為日後工程實 務之參考。 依建築技術規則第七十條規定， 柱、樑依使用用途需有一至三小時的防火 時效；另樓地板則需要有一至二小時的防 火時效。在此時效內，結構物不致倒塌， 人員得以逃生及進行救災作業。 鋼筋混凝土版構造系統中，最常見的 型式為版-梁共同澆置的樓版系統。當樓版 長跨度與短跨度之比值小於 2 時，樓版的 淨載重與活載重將由兩個方向傳給四周的 支承梁，因此稱為「雙向版系統」。在雙 向版中，為了降低樓層高度，在版的四周 刻意不配置梁體，於是整個樓版系統只剩 版而沒有梁，因此稱該種樓版系統為無梁 版 (Flat Slab) 系統。 由於該種結構系統未配置梁體，故 當無梁版系統在承受淨載重與活載重時， 易 造 成 所 謂 的 貫 穿 剪 力 破 壞 (Punching Shear Failure)。因此為了對整個建築物構件
整瞭解。本研究擬針對鋼筋混凝土版柱接 頭區，進行受火害之力學行為及評量其耐 火性能。 目的 綜觀前人之研究成果，國內有關建築 防火相關法規未臻完善，有必要輔以相關 試驗相互印證並加以修改，以提供業界更 多的設計選擇，達到促進產業發展與安全 兼顧的目標。由於近年來國內政府研究機 構積極推動消防性能法規的研究與訂定， 對於建築物在火災中的抗火能力更須進一 步的了解。 建築物在承受火災後，首先面對的問 題便是其安全性問題，如果建築物強度嚴 重受損，無法經由修復補強的方法，恢復 原來的強度，或者修復補強的費用高昂， 超過拆除重建的費用，建築物便要面臨拆 除重建的命運。台灣位處環太平洋地震帶 上，幾乎所有建築物的結構設計都是由地 震力所控制，因此在評估建築物在承受火 災後，到底還剩下多少強度，其能承受災 後之的能力，便是評估建築物能否經由修 復補強的重要指標。因此從建築結構耐火 設計觀點，對於版、牆構材應充分發揮隔 熱及燒毀的功能，而梁、柱構材應能符合 在規定耐火時效內不發生崩塌現象。 混凝土建築結構受火害行為非常複 雜，不管要用理論或數值分析都相當困 難，但透過試驗工作從試體規劃，製作及 至執行試驗工作雖相當費時，其所需費用 也相當龐大，但是較能確切反映實際，因 此使用試驗方法探究亦有其必要性。有關 鋼筋混凝土梁柱版構材在火害後之強度折 減程度，在相關文獻中已有完整之資料， 但是鋼筋混凝土無梁版版柱接頭貫穿剪力 強度之火害力學行為相關研究卻是付之如 闕。由於剪力破壞為無預警之脆性行為， 對於鋼筋混凝土無梁版版柱接頭構件在高 溫環境下之整體受力行為特性，有其相當 重要性，值得加以研究之必要性。 本研究目的為針對無梁版混凝土於高 溫時及火害後版柱接頭之貫穿剪力破壞行 為。根據已往對於鋼筋混凝土版貫穿剪力 研究的文獻及規範顯示，影響貫穿剪力強 度的因素有以下：混凝土強度、拉力鋼筋 比、壓力鋼筋比、柱形狀尺寸、版厚以及 有效深度等。另建築物構件的耐火性能受 到各種因素的影響，基本上可分為構件本 身、荷重大小及火場條件，為了研究目的 通常採用標準耐火試驗規範(例如 CNS 標準 或 ASTM E-119)；再者構件本身及荷重大小 兩因素，卻又包含無數的組合，然而進行 鋼筋混凝土無梁版在高溫加載情況下的行 為實屬相當複雜，須有賴於一定比例尺寸 的耐火試驗，對其各種情況一一進行實體 構件的耐火試驗，並據輔以有限的構件耐 火試驗及所用材料的各種性質資料，來分 析構件在火場下的耐火性能。本研究擬採 取不同混凝土材料強度為參數，在固定跨 度下，改變混凝土強度、火害溫度、受熱 情形等條件，依據試驗結果探討變化參數 對版柱接頭之貫穿剪力影響。綜觀國內建 築物之耐火時效都規定在三小時以內，本 計畫便以二及三小時此作為加熱時間，同 時再施加一柱軸差力，當試體達到加熱時 間後，立即停止加熱系統，將試體自然冷 卻以後，接著於柱頭端施加外力作用，直 到版試體破壞為止，以試驗其貫穿剪力的 能力。又為測驗其與未經火害時貫穿剪力 的能力之差別，同樣的試驗方法將進行未 經火害試體以作為相互比較。 三、試體製作與試驗方法 （一） 試體規劃
本研究計畫分為兩部分，為火害後鋼 筋混凝土版貫穿剪力強度力學行為及鋼 筋混凝土版貫穿剪力下耐火試驗。試體規 劃依上述試驗變數規劃進行，本試驗混凝 土版試體尺寸為 1200 mm x 1200 mm x 150 之方形底版，為模擬版柱接頭情形， 於版中心配置 250 mm x 250 mm 長 550 mm 之上方柱及 250 mm x 250 mm 長 100 mm 下方柱，版跨度與柱頭尺寸為依 照實際一定比例之模型，以實際傳遞貫穿 剪力之力學行為。試驗參數規劃為混凝土 強度採用二種強度 4000psi（28Mpa）、 8000psi（56Mpa）；拉力鋼筋比：1.24﹪； 壓力鋼筋比採用 0.18%；試體內分別於距 離表面 2.25cm,4.5cm 及 7.5cm 處裝設三 層熱電耦線，每層裝設六條電耦線，用來 量取板內溫度(圖三)。耐火試驗環境溫度 依標準昇溫加熱曲線執行；火害延時採 0 小時、二小時、三小時。 （二） 試驗方法 本研究計畫分為兩部分，為鋼筋混 凝土版貫穿剪力破壞及火害後鋼筋混凝 土版貫穿剪力強度力學行為試驗。 a.火害後鋼筋混凝土版貫穿剪力試驗 1. 放置四根半圓形簡支鋼棒於加熱 加載反力座之上方，調整版至預 先畫好的位置線內。 2. 以天車將試體吊起放置於四根半 圓形簡支鋼棒上方，以墊片調整 支承高度使版與支承間無縫隙產 生。 3. 將電熱式高溫爐穿過柱頭及固定 鋼棒後放置於版試體上。 4. 在版試體上方與高溫爐隔熱牆邊 相接觸面，以隔熱綿填塞並固定 於其上，以避免因為版試體變形 後爐內高熱從此縫隙中逸出。 5. 調整油壓制動器垂直置放於反力 座上。如(圖一)(圖二)。 6. 調整油壓制動器頭部水平，並於 柱頭蓋平石膏，務求力量能均勻 傳至柱頭。 7. 在試體露出柱頭與高溫爐開孔周 圍間隙再以隔熱棉塞住，以避免 爐內高熱向外擴散。在柱頂端及 其周圍以隔熱棉塞住，以保護接 頭不受高溫而發生軟化的現象， 加載過程中並適時以隔熱綿填塞 固定。 8. 變位儀固定架設及量測安裝。熱 電耦線接上資料擷取器。 9. 將油壓制動器加載測試，當力量 測試達預壓噸數 13 噸並確保資料 無誤後，停止加載力量，此力量 將保持一定不變，開始進行實驗。 10. 高溫爐在油壓機施力時同時開啟 點火加熱，直到試驗時間結束， 以 ASTM-119 規定之升溫曲線(圖 四)加熱，每隔 10 秒鐘記錄一次 所有熱電耦線傳送來的溫度資料 及變位儀傳送來的變形資料。 11. 直到二小時或三小時的預定加熱 時間到達後，將施加之軸力維持 並停止加熱動作及利用爐內進行 自然冷卻，在 24 小時後進行加載 動作，再進行加載試驗。 12. 試驗時是以一定之變位速度，每 次增加之變位固定，直到試體破 壞為止，此時即可得到火害後其 所能抵抗貫穿剪力強度。 13. 將試體吊出，觀察版破壞面及裂 縫分佈情形，量取破壞面大小， 以 求 得 剪 力 錐 形 破 壞 裂 縫 的 角 度，並拍照記錄。 b. 鋼筋混凝土版貫穿剪力強度試驗 本試驗之試體裝設作業均與火害試驗 完全相同，不同的是並未加熱。 1. 放置四根半圓形簡支鋼棒於加熱 加載反力座之上方，調整版至預 先畫好的位置線內。 2. 以天車將試體吊起放置於四根半 圓形簡支鋼棒上方，以墊片調整 支承高度使版與支承間無縫隙產 生。 3. 調整油壓制動器頭部水平，並於 柱頭蓋平石膏，務求力量能均勻
4. 變位儀固定架設及量測安裝。 5. 將油壓制動器以 0.02 mm/min 速 率加載測試，力量測試達 1~2 噸， 觀 察 數 據 ， 確 保 資 料 讀 取 無 誤 後，開始進行實驗。 6. 設 定 油 壓 制 動 器 以 位 移 速 率 0.002mm/min 控制進行加載，直到 試體破壞試驗終止。每隔 10 秒記 錄一次所有變位移送來的變形資 料。 7. 試體破壞時，產生一聲低沉的聲 響，此即貫穿剪力破壞發生的瞬 間，觀察版試體底部情形，發現 貫穿剪力破壞時，待版試體破壞 後，停止試驗。 8. 將試體吊出，觀察版破壞面及裂 縫分佈情形，量取破壞面大小， 以 求 得 剪 力 錐 形 破 壞 裂 縫 的 角 度，並拍照記錄。 四、試驗結果與討論 (1)預測貫穿剪力強度 根據 ACI 預測貫穿剪力強度有以下三 個公式 上述三個公式中第一個公式考慮板的 長寬比，第二個公式考慮板的bo/d 效應， 第三個公式完全不考慮其它因素，本試驗 使用方形板，因此採用第一個公式。 混凝土因受高溫而降低其抗壓強度，本 研究採用陳舜田教授回歸分析得到火害後 混凝土應力應變關係 C T C 0 0 400 0 ≤ ≤
(
)
' 001 . 0 032 . 1 c r T f f = − × C T C 0 0 600 400 ≤ ≤(
)
' 0019 . 0 38 . 1 c r T f f = − × C T ≥6000(
)
' 0007 . 0 66 . 0 c r T f f = − × ：' c f 混凝土抗壓強度(kgf/cm2)：r f 火 害 後 混 凝 土 殘 餘 之 極 限 抗 壓 強 度 (kgf/cm2) (2) 破壞模式 高強度試體在經過 3 小時高溫侵襲以 後，表面會有局部產生爆裂的現象，也造 成此試體之殘餘貫穿剪力強度偏低。其餘 試體較無此現象(圖五)。試體底部在靠近 邊緣有一近似方形之裂縫，除此之外並有 許多近似小方格之裂縫(圖六)。 (3) 溫度上升情形 在剛開始加溫時，由於使用電熱高溫爐 功率稍有不足，升溫速度較慢，隨後溫度 就快速上升，在溫度上升到 100 度左右， 4000psi 強度試體有一明顯停頓，越往內部 越明顯，而此溫度也隨著深度的減少而增 高，此乃因混凝土內部水份開始蒸發消耗 熱能所造成，隨後溫度又開使上升，但速 度也稍有降低(圖七)。 高強度的 8000psi 混凝土板情況與普通 強度試體有類似情形，但是在 100 度左右 上升停頓的現象並不明顯，此乃因高強度 的混凝土使用較少水量所造成(圖八)。 (4) 溫度與深度之關係 板內溫度隨著爐溫的升高其差距也逐漸 增大，在經過 3 小時的加熱，爐溫雖然超 過 1000 度，但是 4000psi 與 8000psi 混凝 土板的平均溫度在不同深度為：2.25cm 處 為 362 及 432；4.5cm 處為 230 及 266；7.5 cm 處為 167 及 181(表一及圖九)。可以在 薄 薄 的 2.25cm 就 降 低 到 幾 乎 為 爐 溫 的 1/3，可見混凝土隔熱性能之優越。 (5)力量與變位之關係 在施加載重初期與一般混凝土之性質並 無多大差異，力量與變位幾乎成為線性之 關係，普通強度混凝土大約在 ' 0.5f 開使產c
生非線性關係，而高強度混凝土則可保有 較高的線性關係，一但到達極限載重時， 承載力量瞬間急速降低，可見其破壞為脆 性破壞，高強度混凝土所降低的承載力遠 較普通強度混凝土為大，可見高強度混凝 土具有更高的脆性(圖十)。 (6)殘餘貫穿剪力強度 除了高強度混凝土因產生爆裂，使得其 殘餘貫穿剪力強度偏低。普通強度混凝土 及高強度混凝土殘餘貫穿剪力強度減少的 速度相差不大，都維持在每小時減少 6 公 噸的貫穿剪力強度(表二，圖十一)。
五、計畫結果與自評：
試驗中有幾點為可能造成誤差的原因 於下列做討論： (1) 預埋在試體內部做溫度量測的熱電 耦線可能因灌漿時的衝擊而使位置有所偏 離，造成測溫點位不正確。 (2) 高強度混凝土在加溫時會產生爆裂 的情形,此現象可能會使強度降底許多。 (3) 電高溫爐功率較為不足，初期溫度提 升較慢。 五、參考文獻1. “Standard Methods of Fire Building Construction and Materials”,(ASTM E119),1986 Annual Book of ASTM Standards, V.04.07, ASTM, Philadelphia, p353-p379.
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10. Khoury, G. A. (1992) “Compressive Strength of Concrete at High Temperatures: a Reassessment “ Magazine of Concrete Research, Vol. 44, No. 161, pp. 291-309.
11.陳舜田, “建築物火害及災後安全評估 法 ” 國 立 台 灣 科 技 大 學 營 建 工 程 系 ,1999
表一
試體加熱終了各點熱電耦線溫度 試體加熱終了各點熱電耦線溫度 深度 a b c d e f 溫度平均 2.25cm 318 313 300 345 380 340 332.665 4.5cm 194 189 179 160 219 175 185.995 280-2hr 7.5cm 131 139 115 130 155 125 132.16 2.25cm 426 317 261 386 466 318 362.33 4.5cm 185 298 207 286 250 245.33 230.495 280-3hr 7.5cm 142 189 142 180 166 142 167 2.25cm 204 177 179 223 179 155 186.16 4.5cm 143 132 168 154 136 134 144.495 560-2hr 7.5cm 116 111 142 122 115 108 119 2.25cm 407 464 499 389 412 422 432.16 4.5cm 244 282 320 242 223 285 266 560-3hr 7.5cm 140 208 223 184 157 174 180.995表二
殘餘貫穿剪力強度 試體 編號 受 火 害面 壓力鋼筋 比 拉力鋼筋 比 混 凝 土 抗壓強度 ' f (MPa) 版厚度(cm) 加 熱 情 形(hr) 試驗荷重 (ft) 計算荷重 (ft) 1a 受壓面 0.18 1.24 28 15 0 65.26844 42.71 2a 受壓面 0.18 1.24 28 15 2 52.0441 38.1 3a 受壓面 0.18 1.24 28 15 3 47.62582 37.5 4b 受壓面 0.18 1.24 56 15 0 66.63222 60.4 5a 受壓面 0.18 1.24 56 15 2 54.62753 57.4 6a 受壓面 0.18 1.24 56 15 3 31.9106 51.9 圖一 試驗設備裝置圖圖二 試驗設備裝置照片 圖三 熱電耦線裝置圖 圖四 升溫曲線圖 昇溫溫度曲線 0 200 400 600 800 1000 1200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 時間( 分 ) 溫度 ( C ) ACI昇溫曲線 設定的昇溫曲線 實際的昇溫曲線
圖五 試體破壞頂面照片 圖六 試體破壞底面照片 圖七 4000psi 混凝土升溫歷時圖 圖八 8000psi 混凝土升溫歷時圖 圖九 深度與溫度關係圖 圖十 力量與變位關係圖 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 Displacement ( mm ) 0.00 10000.00 20000.00 30000.00 40000.00 50000.00 F o rc e ( k g f ) Legend Title 560 kgf/cm2 concrete 280 kgf/cm2 concrete 不同強度,不同加熱時間,版內厚度與溫度關係 0 200 400 600 800 1000 1200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 版深度(cm) 版內溫度 (c ) 280-2hr 280-3hr 560-2hr 560-3hr 0.00 4000.00 8000.00 12000.00 Time ( Second ) 0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 Temperat ure ( C e ls ius Degr ee ) at 2.25 cm depth at 4,50 cm depth at 7.50 cm depth 0.00 4000.00 8000.00 12000.00 Time ( Second ) 0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 Temperat ure ( C e ls ius Degr ee ) at 2.25 cm depth at 4.50 cm depth at 7.50 cm depth
圖十一 殘餘貫穿剪力強度 不同抗壓強度的試體經歷不同加熱時間後的強度 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 加熱時間(小時) 試體破壞時強度( 噸) 混凝土強度280 混凝土強度560
