建議

1. 建議一

鋼構造建築物整體構造防火性能分析程式之研究：立即可行之建議 主辦機關：內政部建築研究所

本研究草擬之手冊為參考各國規範基於公式與參數之計算式所建立之防火 設計分析方法，惟計算式僅針對構件，整體構造仍需藉由程式分析。然而目前分 析程式多採歐洲規範規定分析鋼構造之防火性能，國內外相關研究則多採如FDS

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(Fire Dynamics Simulator)搭配有限元素軟體分析，故發展整體構造之分析程式有 其必要性。

2. 建議二

建築物常用防火保護材料熱性質參數建立之研究：立即可行之建議 主辦機關：內政部建築研究所

鋼骨造梁、柱之耐火性能未滿足防火需求時，需有防火保護。如美國、歐洲、

日本與中國大陸等先進國家之鋼構造防火設計規範皆有提供多種常用之防火保 護材料相關熱性質參數，以進行受保護構造或構件之升溫分析。故可藉由建立國 內常用防火保護材料熱性質參數資料庫，供設計者參考並進行分析受保護鋼結構 或構件之升溫。

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附錄一 鋼構造建築物防火設計技術參考手冊(草案) 目錄

第一章 總則... 35 1.1 適用範圍 ... 35 1.2 用語 ... 35 1.3 符號 ... 37 第二章 鋼材性質 ... 43 2.1 鋼材高溫機械性質 ... 43 2.2 鋼材熱性質 ... 55 2.2.1 熱膨脹... 55 2.2.2 比熱... 56 2.2.3 熱傳導... 57 第三章 防火設計基本規定 ... 59 3.1 載重組合與需求強度 ... 59 3.2 防火設計要求 ... 59 3.2.1 一般規定... 59 3.2.2 承載力... 60 3.2.3 耐火時間... 60 3.2.4 臨界溫度... 60 第四章 以分析進行防火設計 ... 61 4.1 設計火災情境與空氣升溫 ... 61 4.2 鋼構件升溫計算 ... 63 4.3 鋼構件內力計算 ... 66 4.4 鋼結構與構件防火承載力驗算 ... 68 4.5 鋼結構與構件耐火時間驗算 ... 72 4.6 鋼結構與構件臨界溫度驗算 ... 73

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第五章 以驗證試驗進行防火設計 ... 75 5.1 驗證試驗標準 ... 75 5.2 承重能力性能基準 ... 75 5.3 鋼材破壞溫度 ... 76 參考文獻 ... 79 附錄一 防火設計流程圖範例 ... 83 附錄二 設計範例 ... 95

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第一章 總則

1.1 適用範圍

本手冊適用於鋼構造建築物之防火設計，本手冊僅針對火災下的構造防火設 計。除本手冊外，鋼構造建築物之防火設計應符合現行建築技術規則之規定。

解說：

本手冊是以鋼構造建築物耐火性能為基準之防火設計方法。性能基準的設計 方法提供設計者可考慮建築物的特性與用途而訂定建築物之耐火性能，於符合現 行建築技術規則之規定下，以更多的專業知識促進防火工程的創新與成本的節省。

根據SFPE (2007)規定，基於性能基準的防火設計之評估流程包含：

1. 確定預期目標，以降低建築物火災時對生命損失、財產成本、運營及環境影 響，或對建築物之最大允許條件。允許條件包含：結構穩定性、隔板完整性、

構造或構件之最高溫度、火勢與煙霧蔓延程度，及燃燒有害產物之擴散情形。

2. 製定性能標準，即分配建物材料與氣體溫度的閾值(threshold values)、有毒氣 體排放、構造之熱反應、火勢蔓延、防火屏障損壞、結構完整性、暴火性質 和及環境影響等。

3. 依據受火情形，制定火災情境與空氣升溫。

4. 發展具防火功能之相關設計試驗，及制定符合耐火性能基準之設計程序。

5. 評估並選擇具有效性、可靠性、實用性和符合成本為最終設計。

鋼構造建築物的防火設計涵蓋多項，如防火區劃、防火避難設施及消防設備 等，本手冊僅針對火災下的構造防火設計。

1.2 用語

「臨界溫度」(critical temperature)：

依依依鋼結構或構件因高溫達到承載力極限狀態時之溫度。

「耐火時間」(duration of fire resistance)：

依依依依CNS 14652 (2008)，為在耐火試驗條件下，建築構件或結構從受到火之 依依依作用時起，到失去穩定性、遮焰性或阻熱性時止之時間。

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「防火區劃」(fire compartment)：

依CNS 14996 (2006)，為用耐火建築構件，將建築物加以分隔，在一定時 依依依間內限制火災於起火區之措施。

「火載量」(fire load)：

依CNS 14652 (2008)，為在一個空間內所有可燃物品在完全燃燒時之總釋 依依依放熱量。

「火載量密度」(fire load density)：

依CNS 14652 (2008)，為單位樓地板面積之火載量。

「防火性能」(fire performance)：

依CNS 14996 (2006) ，為當物體暴露於火源或熱源時，顯現防火之反應。

「防火性能試驗」(fire performance test)：

依CNS 14651 (2008) ，為材料、構件、構造等在控制之燃燒條件下對熱 依依依或火焰反應之測試。

「防火時效」(fire rating)：

依依依依建築技術規則，為建築物主要結構構件、防火設備及防火區劃構造遭受

依依依火災時可耐火之時間。依CNS 14652 (2008) 「建築物防火語彙-防火試驗

依依依用語」，為在特定條件下，材料、構件、構造等能持續維持耐火性所經過

依依依之時間。

「耐火性」(fire resistance)：

依CNS 14652 (2008) ，為材料、構件、構造等能持續維持遮焰性、穩定 依依依性、及阻熱性之耐火性能。

「防火構造」(fire structure)：

依依依具有建築技術規則設計施工編第三章第三節所定防火性能與時效之構造。

「閃燃」(flash-over)：

依CNS 14996 (2006) ，為在一區劃內之可燃物其總表面突然轉變成著火

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依依依之狀態。

「熱通量」(heat flux)：

依依依依CNS 14652 (2008) ，為單位面積、單位時間內釋放、傳遞或吸收之熱 依依依能。例如單位為cal/(cm²)、W/m²。

「載重比」(load ratio)：

依依依鋼結構或構件於火災時承受之載重與其常溫下的設計強度之比值。

「承重能力」(load-bearing capacity)：

依依依承重構件試體支撐其試驗載重而未超過變形量、變形速率規定值所能承受 依依依之載重。

1.3 符號

=

A 受火構件截面積

A T 由4.1 節定義之設計火災情境造成的力量 C b 撓曲修正係數

D T 靜載重，結構物構件重量及永久附加物重量；參閱第3.1 節 D 構件斷面受熱之周長；參閱第4.2 節，m

E 常溫之鋼材彈性模數

T=

E 溫度為 ^{1 2} 2 T T

時鋼材之彈性模數

E =t 溫度變化下應變硬化之鋼材彈性模數 ( )

E T 溫度為T 時之鋼材彈性模數

F nt 常溫之螺栓標稱拉應力強度 F nv 常溫之螺栓標稱剪應力強度 F =常溫下鋼材標稱降伏強度y

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39

T F 火災溫度，°C TFK 火災溫度，°K TRT 20°C

T S 不同曝火時間下之鋼材溫度，°C TSK 不同曝火時間下之鋼材溫度，°K

g( )

T t 時間為t 時之空氣平均溫度，°C

T 0 受火前構件之溫度，°C

T 1 使降伏強度維持在定值的上限溫度，°C；參閱第 2.1 節 T 2 鋼材降伏強度為0 時之溫度，°C；參閱第 2.1 節

T1、T ₂ 受火構件兩側或上下翼緣之溫度，°C；參閱第 4.3 節 V n 常溫下標稱剪力強度

n( )

V T 溫度T 時之標稱剪力強度 W  單位長度之重量(質量)

Z x 對強軸之斷面塑性模數

a 熱傳係數a_ca_r ，W/m²C

a c 對流熱傳導係數 a r 輻射熱傳導係數

c 中性軸至最外受壓纖維之距離 c  防火保護材料之比熱，p J/kgC

c s 鋼材比熱，J/kgC

d  防火保護材料之厚度，m p

=

f 鋼材常溫之強度設計值

40

41

Rn

 常溫下之設計強度

n( )

R T 溫度為T 時之設計強度

a 鋼材熱傳導係數，W/mK

0 使用程度係數

p  防火保護材料之密度，kg/m³

T 溫度變化下鋼材彈性模數之折減係數

42

43

44 材如SS400、SN400、SN490、SM490 等相同，故其鋼材之機械性質較適合作 為國內鋼構造建築物防火設計的依據。日本「鋼構造耐火設計指針」(2017)依 據鋼材種類參數之建議值及溫度變化下鋼材應力應變之各項因素分別如式(C2.1-1)至式(C2.1-11)、表 C2.1-1 及表 C2.1-2 所示。

國內常用鋼材如SS400、SN400、SN490、SM490 於溫度變化下之降伏強度 計算式如下：

45

國內常用鋼材SS400、SN400、SN490、SM490 溫度變化下之應力應變曲線 如下：

46

47

48

3. Eurocode 3 (2005b)

表 C2.1-5 所示為 Eurocode 3 (2005b)高溫下螺栓及銲道之機械性質折減係

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( )

E T 溫度為T 時之鋼材彈性模數 E 常溫之鋼材彈性模數

T 溫度變化下鋼材彈性模數之折減係數 5. 國內研究成果

國內對於鋼材於高溫環境下材料性質之相關研究包含莊有清(2004)及 Chung 等人(2010)之研究成果。莊有清(2004)及 Chung 等人(2010)分別以我國一般常用 鋼材A572 Grade 50、SN490C 及 SN490B 進行各溫度下的拉伸試驗，Chung 等人 (2010)量測得於溫度變化下鋼材 SN490B 機械性質如圖(C2.1-1)所示；鋼材 A572 Gr.50、SN490C 及 SN490B 降伏強度、抗拉強度及彈性模數之折減係數如表 C2.1-6 至表 C2.1-8 所示。

圖 C2.1-1 溫度變化下鋼材 SN490B 應力應變曲線圖(Chung 等人，2010)

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表 C2.1-6 溫度變化下鋼材 A572 Gr.50 之機械性質與折減係數(莊有清，2004)

溫度(℃) F T_y( ) /F_y F T_u( ) /F_y E T( ) /E

25 1.000 1.000 1.000 200 0.956 1.000 0.916 300 0.772 1.000 0.824 400 0.696 1.000 0.853 500 0.631 0.948 0.675 600 0.389 0.567 0.575 700 0.201 0.281 0.400

表 C2.1-7 溫度變化下鋼材 SN490C 之機械性質與折減係數(莊有清，2004)

溫度(℃) F T_y( ) /F_y F T_u( ) /F_y E T( ) /E

26 1.000 1.000 1.000 100 0.917 1.000 0.973 200 0.816 1.000 0.899 300 0.693 1.000 0.908 400 0.656 1.000 0.882 500 0.584 0.952 0.761 600 0.421 0.576 0573 700 0.224 0.277 0.421

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表 C2.1-8 溫度變化下鋼材 SN490B 之機械性質與折減係數(Chung 等人，2010)

溫度(℃) F T_y( ) /F_y F T_u( ) /F_y E T( ) /E

20 1.00 1.00 1.00 100 0.92 0.89 0.89 200 0.84 0.94 0.81 300 0.72 0.97 0.77 400 0.67 0.87 0.78 500 0.58 0.62 0.58 600 0.39 0.35 0.35 700 0.17 0.16 0.24 800 0.09 0.11 0.05

AISC (2016)、Eurocode3 (2005b)、日本「鋼構造耐火設計指針」(2017)及中 國大陸「建築鋼結構防火技術規範」(2017)建議之降伏強度及彈性模數折減係數 比較分別如圖(C2.1-2)及圖(C2.1-3)所示。

降伏強度方面，AISC (2016)、Eurocode 3 (2005b)及中國大陸「建築鋼結構防 火技術規範」(2017)折減幅度相近，於 400℃後逐漸衰減；日本「鋼構造耐火設 計指針」(2017)因建議之有效降伏強度為高溫下崩壞的強度指標而與其他國家規 定有所差異。

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圖 C2.1-2 溫度變化下鋼材降伏強度折減係數之比較

彈性模數方面，AISC (2016)與 Eurocode 3 (2005b)曲線趨勢相同，中國大陸

「建築鋼結構防火技術規範」(2017)則較低；而日本「鋼構造耐火設計指針」(2017) 與其他規範差異較大，因於計算彈性模數時，將非線性線段之影響考慮在內，使 其預估值高於其他規範值。

圖 C2.1-3 溫度變化下鋼材彈性模數折減係數之比較

AISC (2016)、Eurocode3 (2005b)、日本「鋼構造耐火設計指針」(2017)建議 之降伏強度及彈性模數折減係數與SM400、SM490、SN490 之降伏強度及彈性 模數折減係數比較分別如圖(C2.1-4)及圖(C2.1-5)所示。降伏強度折減係數高於

54

1.0 的，建議保守取 1.0。

圖 C2.1-4 溫度變化下鋼材降伏強度折減係數比較圖(許睿佳，2007)

圖 C2.1-5 溫度變化下鋼材彈性模數折減係數比較圖(許睿佳，2007)

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56

= 1/ C

s 鋼材熱膨脹係數， 

圖C2.2.1-1 受溫度影響之鋼材熱伸長量(Eurocode 3，2005b)

2.2.2 比熱

鋼材比熱c_s為600 J/kgK。

解說：

比熱或稱為比熱容，定義為單位質量物質升高1˚C 所需之熱能，因此比熱越 大則受熱或冷卻時之溫度較難上升或下降。

Eurocode 3 Part 1-2 (2005b)於溫度變化下之鋼材比熱，於 20 C 至 600 C 及 800 C 以上變化不大，但於 735 C 時鋼材比熱驟升至5000 J/kgK ，如圖(C2.2.2-1) 所示。中國大陸「建築鋼結構防火技術規範」(2017) 規定之鋼材比熱性質為定值 600 J/kgK。

Eurocode 3 Part 1-2 (2005b)於各溫度階段之比熱性質可由式(C2.2.2-1)至式 (C2.2.2-4)計算：

當20°CT_s 600°C

c_s 425 7.73 10  ^1T_s 1.69 10 ^3T_s²2.22 10 ^6T_s³ (C2.2.2-1)

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當600°CT_s 735°C

13005 666 738

s

s

c T

 

     .(C2.2.2-2)

當735°CT_s 900°C

17820 545 731

s

s

c T

 

     .(C2.2.2-3)

當900°CT_s 1200°C

c _s 650 .(C2.2.2-4) 其中，

T s 鋼材溫度，°C c s 鋼材比熱，J/kgC

圖 C2.2.2-1 受溫度影響之鋼材比熱(Eurocode 3，2005b)

2.2.3 熱傳導

鋼材熱傳導係數 為 45 W/mK。 _a 解說：

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熱傳導為物質傳導熱能之性能，材料熱導性以熱傳導係數表示，當熱傳導係 數越高，熱量傳遞越快，即代表物體為良好的熱導體。

圖(C2.2.3-1)所示為 Eurocode 3 Part 1-2 (2005b)溫度變化下之熱傳導係數，

其值介於27 W/mK 至 53 W/mK，隨著溫度增加而線性遞減，於 800°C 後維持定 值；而中國大陸「建築結構防火技術規範」(2017)規定之熱傳導係數為定值 45 W/mK。

Eurocode 3 (2005b)規定之簡易計算鋼材熱傳導係數為 45 W/mK；各溫度階

Eurocode 3 (2005b)規定之簡易計算鋼材熱傳導係數為 45 W/mK；各溫度階

在文檔中 鋼構造建築物防火設計技術參考手冊之研究 (頁 43-139)