汐止東方科學園區受火害鋼材之物理特性探討

巫垂晃技師

一、前言

汐止東方科學園區於5月12日發生大火,此大火亦創台灣歷年來延燒最久的紀錄,同時亦燒出一連串高樓建築公安上的問題。此次之火害造成直接成本、間接成本與無形資產(智慧財)之損失相當龐大,令人扼腕。本文乃針對火害後鋼材結構之物理特性改變加以探討,希望藉由此探討,提供後續的重建或結構補強設計參考,避免二度災害發生。

二、建築物之結構形式及防火被覆

本棟建築物構造為地上26層,地下3層之鋼骨帷幕牆大樓,近似於ㄇ字形單向對稱結構,內部劃分成A、B、C三個部份,建築物之鋼梁及鋼柱均採用被覆法處理措施以提高其防火性能及防火時效,一般防火被覆之作法為使用岩棉、珍珠岩、蛭石等加水泥或加水玻璃等具有膠結之材料結合,或採用石膏板、矽酸鈣板、矽酸鋁纖維板等之耐火材料包裹耐火性能較低的鋼構件,使其在火災時不致因火焰之灼燒而導致破壞。

三、建築物之結構體損壞調查

本棟建築物經43小時延燒後,台北縣政府工務局為確實了解大樓結構受災害之情況及整体結構是否危及公共安全,特委託土木技師公會、結構技師公會及建築師公會至現場檢視,進行緊急評估工作,經目視後發現結構體之損壞情形如下:

(1)防火被覆脫落(含鋼梁及鋼柱),如照片一所示。

(2)部份小梁扭曲(挫曲)變形,下翼鈑處尤為嚴重,如照片二所示。

(3)部份大梁扭曲變形,如照片三示。

(4)部份樓板之deck變形並有爆裂現象,如照片四所示。

(5)鋼柱變形,如照片五所示。

(6)鋼材銲接接合處有明顯的開裂現象,如照片六所示。

(7)螺栓發生斷裂,如照片七所示。

(8)附屬結構物破壞(如輕鋼架天花),如照片八所示。

四、受火害鋼材之物理特性分析

對於鋼結構而言,其耐火能力較鋼筋混凝土結構為差,因此當其受到熱風壓、火風壓等持續性高溫或突來的高熱衝擊(thermal shock),經水淬後,鋼材之物理特性將會造成影響,導致構材產生淬火缺陷,如表一所示。

原因

 

                 原因

缺陷

可能發生原因

淬火龜裂

(1)鋼材之形狀不良

(2)急速冷卻至常溫

淬火彎曲

(1)自重產生彎曲

(2)冷卻不均勻

硬度不均(軟度)

(1)附著有水蒸氣存在

(2)冷卻不均勻

表一 鋼材之淬火缺陷及其發生原因

鋼材因火害作用對其物理特性將會造成如下之影響:

(1)造成鋼材表面硬化現象及質量效應(mass effect)。如圖一所示。

(a)對於一般的碳鋼或低合金鋼,若被急速加熱,使其表面溫度於瞬間達AC3點以上(沃斯田鐵組織),然後在內部溫度上升達變態點之前,用水將之淬火,則表面將會產生硬化,此硬化深度依下面之因素而定,即燃燒火焰強度、加熱速度、火焰之移動速度等,其影響狀況如下所述:

(i)當火焰強度一定時,加熱速度愈大則硬化深度愈淺。

(ii)當燃燒火焰之移動速度愈慢時而硬化愈深。

(iii)當加熱速度一定時,火焰強度愈大時硬化愈深。

(iv)O2對燃燒火焰強度之比值愈高時,加熱愈大,此時火焰愈不安定且表面容易產生氧化現象。

通常硬化層之厚度可由極薄至甚厚不等,此表面硬化層與材料硬度之關係如圖二所示。

再者,對於淬火溫度愈高時,則會使得沃斯田鐵晶粒粗大,經淬火之後材料容易產生龜裂,亦即產生硬化淬裂(hardening crack),此時鋼材之應變量變大,表面有氧化脫碳等現象,值得注意。

(b)質量效應:鋼材經淬火時,內外部之硬度效果不同的現象稱為質量效應(mass effect),其效應與構材之尺寸大小、合金成份及冷卻速度等不同而異。此效應對物體體積較大之構件影響甚大,由於其質量效應顯著,因此內部無法淬硬,是值得注意的課題。

(2)對於鋼材耐衝擊性之影響

一般而言,材料之耐衝擊強度愈大時,其韌性愈大。倘若鋼材於淬火之前其受到火焰燃燒之加熱溫度過高時,材料之韌性容量將令大量降低,易使得材料產生脆化現象。

(3)對於鋼材韌性(toughness)之影響

所謂韌性乃是鋼材之變形量超過彈性限度後,材料對破裂的抵抗力,亦可定義為材料對衝擊的抵抗力。當鋼材受到火害後材料之韌性將會降低,對於其抵抗地震之能力影響甚為顯著。

(4)對於制震能(damping capacity)之影響

鋼材受火害後,制震能將會受到改變,對於其抵抗地震之能力會有所影響。

(5)潛變強度(creep strength)之影響

由於受到高溫作用下,桿件之變形量大,致使潛變強度較小。

(6)殘留應力(residual stress)之影響

遭火害鋼材經淬火後,由於冷卻速率(cooling rate)不一,亦即表面最快,內部最慢,使得鋼材表面容易存在殘留壓應力,而內部則易保有殘留拉應力;據實驗數據顯示,對於某些超厚型鋼材受淬火後,其中心部位之殘留應力最高值幾乎可達鋼材降伏應力σy之一半。再者,對於某些電銲接合處原先已有殘留應力存在,若再經火害作用後,其行為更加複雜,不可不慎,因此對於作補強設計時,此因素之影響應予以考慮。

(7)造成其他物理性質之改變

如抗拉強度(tensile strength)、抗壓強度(compressive strength)、抗剪強度(shear strength)、抗扭強度(torsional strength),延性(ductility strength)、展性(malleability)及疲勞強度(fatigue strength)、彈性係數(elastic modulus)等。

五、結論

 建築技術規則對於防火構造物之材料防火時效及耐火性能均有明確的規定,唯對受災後之修復補強或復建並無相關法令予以規範,因此有必要對材料之物理特性加以探討。本文僅提供粗淺的研究,希望能夠拋磚引玉,期望國內相關土木、結構技師作結構設計時,也能對受到火災高溫下的構件耐火時效作合理化設計,再者若執行結構補強時亦能對於鋼材受火害後之物性變化及力學行為變化一併考慮,使其更臻完備。  

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最後更新日期: 2005/05/07