談SRC火害安全性問題

前陣子某興建中的SRC大樓發生火災之意外,由於火勢甚大,加上起火樓層甚高,現有之消防雲梯車無法到達,於是只能採用保守的阻隔方式,於大火燃燒數十小時後熄滅。但是在大火熄滅的同時,對於其安全性,在工程界造成相當廣泛的討論。許多工程人員大都抱持應予以拆除的看法,詢問原因大部分的觀點都認為鋼構怕火,燒了這麼久,應該已經不能再使用了。但是這種看法是否正確,筆者覺得似乎有討論餘地。

首先是鋼構怕火的論點,必須基於結構受力的情況下才是正確的。鋼結構加熱後降伏強度降低,當溫度到達650℃左右時,降伏強度約為室溫時的二分之一,在一般的設計條件下,已經到達設計應力的限度,應該會開始變形,甚至發生倒塌的現象。在一般火場中,由於密閉導致熱能積聚的效果,最高溫度局部甚至可以到達近2,000℃的高溫。所以鋼結構必須有有效的防火被覆,使其升溫速度不至太快,延緩其倒塌時間,讓內部的人員有逃命的機會。

但是如果鋼鐵材料在未受應力或受力極小的情況下,加熱後的狀況又是如何呢?首先要請大家注意,所有鋼材本身都是經過高溫冶煉來的,所以鋼材本身並不怕火,他們不會像木頭一樣會被燒掉。鋼鐵加熱並不能改變內部的成分,但是鋼鐵再加熱及冷卻,有機會改變的是分子排列的情形,也就是一般稱之為晶(金)相的東西。這種現象在冶金學來說,稱之為熱處理。一般常見的熱處理,有退火、淬火與回火三種[1],簡單介紹如下。

所謂退火(Annealing),是指將鋼材加熱到一定溫度,然後讓其徐冷的一種方式。其目的在消除材料之內應力,或改變其組織。前者例如銲接構件的解熱應力[2],後者則如一般鋼鈑製程常用的正常化處理。一般鋼鈑在軋延完成冷卻後,還會再放進加熱爐內重新再加熱一次,來提高鋼鈑的結晶細緻度與韌性,稱之為正常化處理(Normalizing)。正常化溫度一般達到約900℃以上,停留一段時間後再於空氣中冷卻,如照片所示。

鋼鈑加熱後急速的冷卻,則會形成淬火(quenching)的現象。淬火與退火,所需的溫度差不多,只是冷卻的速度較快。淬火後鋼材內部形成麻田散鐵,非常的堅硬但缺乏韌性,所以常常在淬火後,要再加溫一次,大約在400〜800℃之間,然後徐徐冷卻來調整其機械性質,這程序稱之為回火(Tempering)。早期的水淬鋼筋,則是在外表水淬造成硬化後,利用內部的溫度達到回火的效果,以降低成本,所以小號鋼筋就不容易作水淬鋼筋。

隨著科技的進步,所有的鋼材幾乎或多或少都經過熱處理的程序,但是其熱處理的溫度、方法、次數等,與材料的應用、成分等配合,可以說到了一種藝術的境界。例如目前鋼構界很流行的TMCP製程鋼材,就是一種熱處理的鋼鈑,能在極低的碳當量下,獲得極高的強度。

因此,由以上說明,鋼構本身受熱,如果沒有明顯的變形,大約等於再受到一次退火的處理。甚至由於大樓興建中四周呈開放狀態,因此溫度積聚的效應應不明顯,有可能尚未達到鋼鐵淬火所需變態時的溫度,此時如果不是高強度的熱處理鋼,自然冷卻對鋼材性質的損害應該有限。至於下面樓層或者消防水柱有噴到鋼柱的話,也應以切片採樣等方法,觀察金相、量測其應力應變行為,或輔以硬度試驗等[3],以確認是否有淬火的問題及其範圍。但如前述,由於週邊蓄熱效果更差,溫度消散更快,除了表面可能些微碳化外,內部的影響可能也不會很大。至於RC包覆後的鋼結構部分,大多數人都同意應該不會有問題。

當然最後的判定,仍應由簽證技師請中鋼等公司冶金的專家來協助認定,絕不是三兩句話可以決定的。但筆者認為,結構體能符合安全要求,而繼續使用的機會仍然是有的,並不能說火燒後一定非拆除不可。以上淺見,提供給大家參考。

參考資料

〔1〕姜雲鶴(88)。「金屬材料學」,正文書局。

〔2〕劉澤山(106)。「簡介振動解應力 (VSR)」,技師報,第 1097期。

〔3〕劉澤山(107)。「談鋼材硬度與抗拉強度關係」,技師報,第1119期。

1140-6-1

鋼鈑正常化處理後出爐

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