第六章 結論與建議
位移計 1 及 2 所量測之撓曲變形
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4.1.2 炭化深度之量測
本次進行炭化測量之試體，為於 5 月 29 日完成火害實驗之日本扁柏 CLT 樓 板 (5 層共 15cm)。其炭化層之量測及佈設規劃，主要透過將既有板片切割成寬 30cm 左右的大小，再將此切割後之單元每 30cm 左右進行一次炭化深度量測。
由於樓板尺寸為440cm*303cm，取中心線位置(151.5cm 處)標註 R1，分別在左右 兩側每 30cm 設一裁切點，因此共有 9 處斷面(如圖 4-7)。每條長向單元斷面以 30cm 為間隔進行測量，每一單元共計 14 個量測點位。(30cm、60cm、90cm、
120cm、150cm、180cm、210cm、240cm、270cm、300cm、330cm、360cm、390cm 及420cm) (圖 4-8)
實驗試體每30cm 分割成一個單元
42
單元斷面以30cm 為間隔之量測點位
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主要量測方式為在各量測點位上先標記出熱解層基線及炭化層基線。接著，
將熱解層基線設為T 點，碳化層基線設為 D 點(圖 4-10)，分別量測由非曝火面開 始至T 及 D 點之距離。
試體分割流程
熱解層基線T 點及碳化層基線 D 點
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根據歐洲規範 EN1995-1-2 之規定，木構件於火害後之承載力有兩種計算方 式，分別是強度折減法及殘餘截面法。殘餘截面法由Schaffer 提出，主要應用對 象為膠合梁在火害後的行為。其理論也透過大量實驗進行驗證並推廣。殘餘截面 法指出木材在高溫下會產生炭化層，此炭化層並無強度。然而，在炭化層的內側 會產生高溫受熱層，稱為熱解層。為了考慮此熱解層因受高溫的強度折減，此層 在EN1995-1-2 中稱為等效炭化層，亦即視其為零強度層，取零強度厚度為 7mm。
北美 CLT Handbook 亦提到此熱解層的深度估算可以炭化層深度的 20%進行估 算，以北美常用樹種之1 小時的炭化深度為約為 1.5in(38mm)預估，其熱解層深 度約為0.3in(0.76mm)，與 EN1995-1-2 之數值相近。
各別切割後之CLT 單元在間距 30cm 之炭化深度量測結果整理如表 4-1 及圖 4-11。其中，在 210cm-270cm 間有最大深度為 7.1cm 的炭化層產生，此最大炭化 深度發生在兩塊CLT 板之搭接處，判斷由於搭接處並無法如同板本身緊密接合，
因此會有火源竄入並造成炭化層較其他區域為大之情形。此部分之平均炭化速率 為1.18mm/min，高於文獻值(界於 0.6mm-1.0mm 間)。其他非搭接部分的炭化深 度約介於4.4cm~5.1cm 左右，平均炭化速率介 0.73~0.84mm/min。略高於日本國 土交通省建議的炭化速率值(制式工法建議炭化深度值為 4.5cm)。
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炭化深度量測結果
46
日本扁柏CLT 炭化深度量測結果
47
48
5747760000 (kgf cm )2
=
5 3 5
2 9 2
1 1
179617500 5747760000 5.93 10 (kgf cm ) 12
49
50
1436940000 (kgf cm )2
=
4 3 4
2 9 2
1 1
119745000 1436940000 1.56 10 (kgf cm ) 12
51
52
1436940000 (kgf cm )2
=
4 3 4
2 9 2
1 1
119745000 1436940000 1.56 10 (kgf cm ) 12
53
3 8.87 300 0 3 900 7.5 3 5987.25 71847
2 0 300 1.2 1.8 540 9.9 5.4 0 0
1 0 300 3 0
第二節 北美花旗松 CLT 樓板
本實驗於內政部建築研究所防火實驗中心進行，試驗現場溫度為30.8℃，濕 度為54％，試體在實驗完成後之最大撓曲變形為 22.9mm，可換算得到變形速率 為10.1mm/min。實驗開始為 109 年 10 月 13 日上午 11 時 04 分 09 秒，約進行到 3 分 24 秒時，觀測到拼接處開始大量冒煙，10 分 28 秒左右爐內呈現劇烈燃燒，
32 分左右試體四個角落及拼接處開始大量冒煙，由試體之撓曲變形產生突然加 大的現象判斷，曝火面第1 層於 50-55 分左右完全炭化，實驗最後之 59-60 分間 觀察到拼接處有火源竄出。本試體在完成實驗後，並進行炭化層之清除及分割，
確認及量測炭化深度並計算炭化速率。
4.2.1 炭化速率評估
本研究採用 ISO 834-1 之加熱溫度曲線，圖 4-15 準加熱溫度曲線與實驗加溫 曲線之比較，實驗加溫曲線在前12 分鐘左右略高於標準加熱曲線，分別於第 3-5 分鐘以及第 9-11 分鐘，實驗加溫曲線高於溫度控制的上限值約 100-13-50°左右。
由前述實驗記錄可知，本實驗約在 3 分鐘時可以從 CLT 板之中央拼接縫觀察到 大量冒煙，與此時爐內升溫較快有一定關連性。另外，由於本次拼接處之開槽較 拼接板尺寸稍大，因此研判可能因為拼接較不密合，亦導致大量冒煙竄出的現象。
參考北美CLT Handbook(參考 NDS 之數據)所建議之炭化深度速率，使用耐燃性
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較佳之間苯二酚-甲醛樹脂(RF)，1 小時火害後之炭化層深度為 1.8in(約為 4.57cm)，
可知炭化速率約為0.76mm/min 之間。因此，若以此炭化速率推估，則曝火面第 1 層完全燒盡之時間約為 46 分鐘左右，而 1 小時之炭化層深度約為 4.56cm 左 右。由圖4-16，E1 測溫點(曝火面第 1 層)約在 23 分鐘左右會開始偵測到火爐溫 度(曝火面第 1 層燃燒一半深度)，與美國 NDS 所建議的炭化深度吻合。圖 4-17，
F1 測溫點(曝火面第 1 層)約在 24 分鐘左右會開始偵測到火爐溫度(曝火面第 1 層 燃燒一半深度) ，亦呈現相同趨勢。
標準加熱溫度曲線與北美花旗松實驗加溫曲線之比較
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測溫點E 點:不同深度測溫計之升溫曲線
測溫點F 點:不同深度測溫計之升溫曲線
由圖 4-18 曲變形曲線中可發現，大約在燃燒超過 50 分鐘時，樓板之撓曲變
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形有突然增大的情形發生。此現象於前述章節中日本扁柏 CLT 之撓曲變形行為 呈現相同趨勢，可研判為最底層(曝火面第 1 層)，即沿纖維方向之強軸集成元，
已經完全炭化。此現象亦造成曝火面第 2 層開始受到燃燒，然而由於此層為弱 軸，因此無法提供抗彎強度，造成斷面中立軸的急速偏移，而使得斷面的等值EI 驟減，造成變形突然加大的現象。也由於此弱軸(曝火面第 2 層)並不提供抗彎強 度僅做為防火層使用，因此斷面之等值EI 固定，所以亦可觀察到燃燒超過 50 分 鐘乃至55 分鐘後，樓板的撓曲變形呈現變化不大的趨勢。
位移計1 及 2 所量測之撓曲變形
4.2.2 炭化深度之量測
本次進行炭化測量之試體，為於 10 月 13 日完成火害實驗之北美花旗松 CLT 樓板 (5 層共 17.5cm)。其炭化層之量測及佈設規劃，主要透過將既有板片切割成 寬30cm 左右的大小，再將此切割後之單元每 30cm 左右進行一次炭化深度量測。
由於樓板尺寸為432cm*303cm，取中心線位置(151.5cm 處)標註 M，分別在左右 兩側每 30cm 設一裁切點，因此共有 9 處斷面(圖 4-19)長向單元斷面以 30cm 為 間隔進行測量，每一單元共計14 個量測點位 (A 區 3 點、B 區 3 點、C 區 3 點、
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D 區 3 點、E 區 2 點) 。
實驗試體每30cm 分割成一個單元
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單元斷面以30cm 為間隔之量測點位
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北美花旗松 CLT 樓板的炭化深度量測亦採用由 Schaffer 提出的殘餘截面法。
參考北美CLT Handbook 之炭化層深度估算，以北美常用樹種之 1 小時的炭化深 度為約為 1.5in(38mm)，其熱解層深度約為 0.3in(7.6mm)，因此考慮無強度層之 總炭化深度則為45.6mm(平均炭化速率 0.76 mm/min)。
各別切割後之CLT 單元在間距 30cm 之炭化深度量測結果整理如表 4-5 及圖 4-21 其中，在拼接處 210cm-270cm 間之炭化深度為 6.6cm，其中搭接處的最大 深度為7.7cm，判斷由於搭接處並無法如同板本身緊密接合，因此會有火源竄入 並造成炭化層較其他區域為大之情形。搭接處之平均炭化速率為 1.17mm/min，
高 於 文 獻 值( 界 於 0.6mm-1.0mm 間 ) 。其 他非 搭 接 部分 的 炭化 深度 約 介 於 4.1cm~4.9cm 左右，平均炭化速率介 0.68~0.82mm/min。與北美 CLT Handbook(參 考NDS 之數據)中建議的平均炭化速率 0.76 mm/min 相近。
炭化深度量測結果
60
北美花旗松CLT 炭化深度量
61
8893500(cm )6
=
62
9960720000 (kgf cm )2
=
5 3 5
2 9 2
1 1
311272500 9960720000 10.27 10 (kgf cm ) 12
63
677600(cm )5
=
64
2490180000 (kgf cm )2
=
4 3 4
2 9 2
1 1
207515000 2490180000 2.70 10 (kgf cm ) 12
65
66
207515000(kgf cm ) 2
=
2490180000(kgf cm )2
=
4 3 4
2 9 2
1 1
207515000 2490180000 2.70 10 (kgf cm ) 12
67
出，約22 分左右試體之四個角落開始有大量煙從縫隙竄出，實驗進行到 34 分 22 秒時，於左右二處的拼接處開始大量冒煙。另外，為了確定在實驗過程中，加載 載重不會因為樓板之變形而產生油壓機加載下降之現象，因此透過觀測並微調確 保加載值保持在5%的差異內。加載紀錄分別為於 7 分 52 秒時加載為 24.2 噸，
13 分 09 秒時加載為 24.1 噸，17 分 22 秒時加載為 24.0 噸，30 分 20 秒時加載為 23.8 噸，至實驗結束時加載保持在約 23.8 噸左右，屬於合理的加載範圍區間。
實驗結束後，先將所有測溫線(熱電偶)從儀器中取出，再將試體吊出，並噴水降 溫。完成之試體亦進行分割及加工，以利後續進行炭化層量測。
標準加熱溫度曲線與北美花旗松實驗加溫曲線之比較
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各量測點不同深度測溫計之升溫曲線
實驗各量測點之變形
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4.3.2 炭化深度之量測
本次進行炭化測量之試體，為於 10 月 29 日完成火害實驗之國產柳杉 CLT 牆板 (5 層共 18cm)。其炭化層之量測及佈設規劃如前述之 CLT 樓板試體，將既 有板片切割成同寬的大小，再將此切割後之單元每30cm 左右進行一次炭化深度 量測。由於樓板尺寸為 300cm*300cm，取中心線位置標註 M，分別在左右兩側 每41.5cm 設一裁切點，因此共有 8 處斷面(如圖 4-28)。每條長向單元斷面以 30cm 為間隔進行測量，每一單元共計14 個量測點位。(30cm、60cm、90cm、120cm、
150cm、180cm、210cm、240cm、270cm、300cm、330cm、360cm、390cm 及 420cm) (圖 4-29)
實驗試體每30cm 分割成一個單元
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單元斷面以30cm 為間隔之量測點位
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各別切割後之 CLT 單元在間距 30cm 之炭化深度量測結果整理如表 4-9 及圖 4-30。其中，在 210cm-270cm 間有最大深度為 7.1cm 的炭化層產生，此最大炭化 深度發生在兩塊CLT 板之搭接處，判斷由於搭接處並無法如同板本身緊密接合，
因此會有火源竄入並造成炭化層較其他區域為大之情形。此部分之平均炭化速率 為1.18mm/min，高於文獻值(界於 0.6mm-1.0mm 間)。其他非搭接部分的炭化深 度約介於4.4cm~5.1cm 左右，平均炭化速率介 0.73~0.84mm/min。略高於日本國 土交通省建議的炭化速率值(制式工法建議炭化深度值為 4.5cm)。
炭化深度量測結果
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國產柳杉CLT 炭化深度量測結
73
第四節 火害之撓曲變形理論值與實驗值比較
由上述的評估方法，可決定在不同火害時間點之炭化深度，及其殘餘斷面之 等值EI 值。當殘餘斷面之等值 EI 值被決定了之後，接著則可透過撓曲變形公式 來求得CLT 樓板之殘餘強度，或是透過牆板的極限挫屈強度公式，決定 CLT 牆 板的極限承載能力。另外，由於加熱初期炭化率較快速，隨著時間增加炭化層厚 度逐漸增加且炭化層具有阻熱效果，所以加熱時間越長炭化層越厚，阻熱效果越 大，炭化的速率會有逐漸減少的趨勢。因此，本研究之炭化速率已考慮時間長短 之影響因素，引用NDS 中將平均炭化速率換算成隨時間長短變化之方程式(式 4-4)，進行等值 EI 之計算及後續與實驗量測之撓曲變形做比較。
(4-4)
根據上節方法計算出 CLT 樓板在燃燒時所對應的殘餘斷面等值 EI，考慮時 間長短之影響因素，可藉由撓曲變形公式進一步求得試體在燃燒過程的撓曲變形 歷時曲線。如圖4-33 所示，將碳化速率為 0.7mm/min 之撓曲變形歷時曲線與實 驗實際測得之結果比較，以日本扁柏 CLT 樓板為例，可以發現的實際炭化速率
根據上節方法計算出 CLT 樓板在燃燒時所對應的殘餘斷面等值 EI，考慮時 間長短之影響因素，可藉由撓曲變形公式進一步求得試體在燃燒過程的撓曲變形 歷時曲線。如圖4-33 所示，將碳化速率為 0.7mm/min 之撓曲變形歷時曲線與實 驗實際測得之結果比較，以日本扁柏 CLT 樓板為例，可以發現的實際炭化速率