建築物因地震引起火災之毀損評定探討

1.前言

由於都市化的發展型態,造成地震後之複合型災害結果,震後引發之火災即為其中一項。1906年規模8.3之美國舊金山大地震,其強度雖大,但震動所導致的人員死亡約僅390人,而震動後大火所致財物損失以當時之幣值估計約4億美元。歷史上許多大地震均顯示,火災所造成的災害遠比震動所造成者為慘烈。作者對於地震引起火災致建築物毀損之評定及鑑定基準進行研究,以下摘錄主要成果要項。

我國目前建築物使用之材料絕大多數為鋼筋混凝土造及鋼骨鋼筋混凝土造,其次為鋼結構造,另有少量的木構造。由火害之勘災經驗說明鋼筋混凝土造及鋼骨鋼筋混凝土造於火害後經過整修幾乎均可重新使用,而鋼結構造及木構造無法再使用。鋼筋混凝土造與鋼骨鋼筋混凝土造由建築物外觀看來是一樣的,兩者之火害行為主要受外圍混凝土控制,故而探討火害所致建築物毀損時,可將鋼筋混凝土造與鋼骨鋼筋混凝土造視為同一類,僅探討鋼筋混凝土造即可。

2.火害所致建築物毀損探討
國內外近年來對於結構物火害有一系列研究,而我國主要是由臺灣科技大學陳舜田教授團隊所做之研究最豐,其研究成果集合成冊[1],本文亦以此研究成果為探討基礎。火害行為可分為火害中及火害後,地震引起火災致建築物毀損之評定及鑑定工作均在火害後進行,此時高溫已退,因此鑑定人員所見之建築物因地震及火害造成的損害一併呈現於結構物上,且地震及火害諸多行為如裂縫、混凝土剝落、構材變形及撓度等相似,較難於現場區分該行為屬於震損或火害損害。若複合型災害之火害鑑定僅考慮受燒面積及受燒溫度判定,其餘行為歸併於震損,應屬可行之方式。由於此判定方式,本研究以結構物火害中之行為為評定鑑定基準,亦即將裂縫、混凝土剝落、構材變形及撓度等之影響用火害中與火害後之行為差異反映。以下簡要說明文獻[1]火害對結構物之材料影響、構件之行為及火害程度關係之分析。

(1)混凝土

當火災溫度低於300℃時,混凝土強度不一定會降低。溫度對混凝土強度之影響,約可區分為三個階段,其一為0~400℃,另一為400~800℃,第三為800℃~,其中400~800℃混凝土強度急遽降低,另兩區域下降速率較小。

(2)鋼筋

火災時混凝土結構物內鋼筋之極限強度及降伏強度,均會隨著火害作用時溫度之升高而降低。當火害溫度在200℃以下時,普通鋼筋之強度幾乎無變化。當火害溫度大於200℃時鋼筋強度開始下降,且握裹應力大量損失。溫度對鋼材降伏強度之影響,受溫約在400~800℃時降伏強度急遽降低。

(3)鋼筋混凝土梁

火害時鋼筋混凝土梁一般係處於三面受火狀態,其中梁底部(拉力區)直接受火造成火損最嚴重。遭受火害作用後,往往沿梁之主筋方向出現縱向裂縫,或在支撐間出現橫向裂縫,甚至造成梁面或兩側混凝土爆裂、剝落及鋼筋外露等現象。梁受溫達1000℃後,在主鋼筋位置(保護層厚度4cm)溫度約達400~700℃,鋼筋強度於此溫度時急速下降,且混凝土強度及握裹能力亦急速下降,故而也將影響梁之撓曲強度。

(4)鋼筋混凝土柱

鋼筋混凝土柱在火災時有單面受火、雙面受火、三面受火及四面受火等多種狀況,通常以柱之中上部受火害較為嚴重。柱受溫達1100℃後,在主鋼筋位置(保護層厚度4cm)溫度達400~700℃ QUOTE

(5)鋼筋混凝土樓版

在火害事故中樓版構件乃是處於最不利之位置,通常在5~15分鐘內樓版溫度可以從20℃上升至600℃。由於樓版底面溫度迅速上升,其破壞較梁及柱更為嚴重,表面更容易爆裂。樓版屬淺薄構件,鋼筋位置較淺,若與柱梁承受相同之溫度時,樓版之損壞較大,即樓版可承受溫度較柱梁低。

3.火害程度之判別[1]
上述火害後結構物有表面顏色、表面裂縫與爆裂、變形及撓度、受燒面積等狀態之呈現,每種狀態依受溫高低而有不同的外觀呈現,亦即由外觀呈現可推估結構物承受之溫度高低,進而研判結構物之損壞程度,以下分項說明:

(1)混凝土表面顏色變化觀察

(a)若混凝土表面顏色及外觀表現與未受火害者相近,評為損壞輕微。

(b)若混凝土表面顏色呈現肉眼可見之微紅色,評為損壞嚴重。

(c)介於其間者評為損壞中度。

(2)構材表面溫度之推測

(a)若混凝土表面之溫度在300℃以下評為輕微。

(b)若混凝土表面之溫度在600℃以上評為嚴重。

(c)介於兩者之間評為中度。

(3)混凝土表面裂縫與爆裂情況

(a)若梁版類之受撓構材,僅其表面在跨度中央及兩端有稀疏裂紋,評為輕微。

(b)若受撓構材之跨度內的全部或局部,顯現較密集亦較寬大之裂紋或裂縫時,評為嚴重。

(c)介於兩者之間,評為中度。

(4)構材變形及撓度

(a)以肉眼觀察無法察覺者,評為輕微。

(b)若構材之變形及撓度可以肉眼明顯察覺者,評為嚴重。

(c)介於兩者之間,評為中度。

(5)構材受燒面積

(a)版牆類構材

1.若溫度超過600°C之面積低於30%者,評為輕微。

2.若溫度超過600°C之面積在30%~50%之間者,評為中度。

3.若溫度超過600°C之面積超過50%者,評為嚴重。

(b)梁或柱構材以矩形斷面各面有部位受燒溫度超過600°C為考量

1.若斷面僅一面受燒溫度超過600°C,評為輕微。

2.若有相鄰兩面受燒溫度超過600°C,評為中度。

3.若有三面以上或相對兩面受燒溫度超過600°C,評為嚴重。

4.地震引起火災所致住宅建築物毀損之評定鑑定建議
考量火害雖可能引致混凝土表面顏色、火場殘留物、混凝土表面裂縫與爆裂情況、混凝土剝落鋼筋外露、構材變形及撓度等不同外觀之表現,但其中混凝土表面裂縫與爆裂情況、混凝土剝落鋼筋外露、構材變形及撓度等項目易與單純由地震引起之損壞混淆,不利鑑定人員區分。故建議僅以混凝土表面顏色作為火害損壞等級之判斷依據,至於其他易與地震損壞混淆之項目歸併於震損等級判定,以利日後評估人員易於操作。

本研究為了提出混凝土受火害溫度與表面顏色的變化關係,進行混凝土圓柱試體火燒實驗,試驗溫度從常溫及100°C~1100°C,每100°C模擬火燒試體一顆,達目標溫度後,約維持定溫3小時後再降溫,其結果如圖1所示,由於溫度相鄰之兩試體顏色變化不大,為日後評估人員易於操作及考量混凝土隔熱效果使主筋溫度遠低於混凝土表面溫度之特性,本研究取500°C及1000°C為兩個界限,其中受燒500°C之四色印刷值為C0 M10 Y20 B0(圖2),顏色偏淡紅;受燒1000°C之四色印刷值為C0 M0 Y20 B0(圖3),顏色偏淡黃。

 

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圖1 試體火燒溫度對應顏色變化

 

963-2-2
圖2試體受燒500°C印刷值
(C0 M10 Y20 B0)

963-2-3
圖 3試體受燒1000°C印刷值
(C0 M0 Y20 B0)


當混凝土受燒後表面顏色比圖2的顏色偏灰暗,表示為正常色或燻黑色,受溫範圍在常溫~500°C;若比圖2的顏色偏紅,則表示受溫500°C~900°C,呈現淡紅色,若呈現淡黃色(圖3)則表示溫度超過1000°C。

本研究依據文獻[1] 研究成果、英國鋼筋混凝土構件火害程度之目測分級表[2]及試體火燒溫度對應顏色變化,建議以構件混凝土表面顏色及受燒面積區分火害損壞等級為5等級如表1所示。其中等級I為正常、等級II為輕度損害、等級III為中度損害、等級IV為重度損害、等級V為嚴重損害。

5. 結論
本文探討地震引起火災致建築物毀損之評定及鑑定基準,依據火害研究成果[1][2],建議一個以混凝土表面顏色為鑑定火害損傷等級的方法如表1所示。其餘火害所造成之混凝土表面裂縫、爆裂情況、混凝土剝落、鋼筋外露、構材變形及撓度等項目因易與震損混淆,不利鑑定人員區分,建議併入地震損壞。

致謝

本文之完成蒙財團法人住宅地震保險基金提供研究經費,及基金會人員於研究過程中提供之協助,在此一併致謝。

參考文獻

1. 陳舜田 (1999)。建築物火害及災後安全評估法。科技圖書。

2. The Concrete Society(1978). Assessment of Fire Damaged Concrete Structures and Repair by Gunite. Report of a Concrete Society Working Party, London, p.28.

表1 火害損傷等級建議表

963-2-4
963-2-5淡紅色定義為四色印刷值C0 M10 Y20 B0(圖2)

963-2-6淡黃色定義為四色印刷值C0 M0 Y20 B0(圖3)

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