火災成長模式

月台層與轉換層火災設計熱釋放率規模乃依據 NFPA92B 所建議之

t2

Q=α 火災成長曲線並採用 Ultra-fast 進行模擬評估，一個 1m×1m 大小火源 之熱釋放率於 163 秒達到 5MW。

4.2.3 防煙垂防煙垂防煙垂防煙垂壁壁壁壁設計設計設計設計：：：：

本章模擬範圍皆有設置 80cm 深度的防煙垂壁以減緩煙層擴散時間。

4.2.4 排煙設計排煙設計排煙設計排煙設計：：：：

本模擬車站設有機械排煙，而本模擬均假設其在未動作下之最危險狀 況。

4.2.5 補氣口設計補氣口設計補氣口設計補氣口設計：：：：

模擬範圍之補氣口設計將穿堂層通往地面層主要進出口以及隧道兩側 作為自然補氣口的來源，也就是考慮真實火災發生時現場實際開口補氣條 件，總共有 3 個補氣口，如圖 4.4 所示。

4.2.6 邊界條件邊界條件邊界條件邊界條件

建築之邊界條件如表 4.1 所示，建築物於地下一層之開口設定為與外氣 連接，此處開口會因建築內部燃燒所需補氣形成自然補氣口，地下二層隧 道兩端開口，考慮隧道本身之通風設備，此處開口之邊界條件為一進一排 之設計，而在建築內部結構均為絕熱表面。

57

表 4.1 邊界條件設定

位置 邊界條件

地下一層開口 與外氣連接

隧道兩端開口 116.9 cms (流入) 98.01 cms (流出)

建築結構 絕熱

4.2.7 玻璃破裂量測點設置玻璃破裂量測點設置玻璃破裂量測點設置玻璃破裂量測點設置

玻璃破裂量測點設於玻璃表面，除距離火源最近之玻璃設於昇降機外 部表面外，其餘均設於昇降機內部表面，並在各面玻璃由上而下均勻分布 三點兩側點，做為玻璃表面溫度之量測，如圖 4.5 所示。

4.2.8 格點設定格點設定格點設定格點設定方法方法方法方法與測試與測試與測試與測試

在 FDS 的模擬部分因建築模型範圍廣大，若採取單一網格方法配置將 造成格點數過多之情況，因此將以火源周圍區域局部加密之方式進行網格 配置，對於火源周圍區域格點大小之選擇由格點測試之結果決定，在相同 模擬條件情況下，取 11 個溫度量測點進行比較，如表 4.2 所示，並以最小 之格點尺寸為基準進行誤差分析，考慮電腦運算能力並合乎模擬誤差容許 範圍，本研究以火源周圍區域設置 0.25m × 0.25m × 0.25m 格點，其他區域 設置 0.5m × 0.5m × 0.5m 之網格。

表 4.2 FDS 格點測試

格點尺寸(m³) 溫度分佈 最大誤差 總網格數 1×1×1

圖 4.6

17.8% 9 萬

0.5×0.5×0.5 3.6% 93 萬

0.25×0.25×0.25 1.2% 106 萬

0.125×0.125×0.125 - 358 萬

58

ANSYS 模擬部分，以捲門做為網格測試之對象，在相同模擬條件情況 下共進行四組格點尺寸進行分析，如表 4.3 所示，並以最小之格點尺寸為基 準進行誤差分析，考慮電腦運算能力並合乎模擬誤差容許範圍，本研究將 以 0.05×0.05 m²尺寸之格點進行模擬分析。

表 4.3 ANSYS 格點測試

格點尺寸(m²) 變形量(mm) 誤差

0.2×0.2 -153 18.6%

0.1×0.1 -153 18.6%

0.05×0.05 -183 2.7%

0.025×0.025 -188 -

59

4.2.9 人員安全標準判斷人員安全標準判斷人員安全標準判斷人員安全標準判斷

火場中所產生的有毒氣體含有相當多的刺激性與痲痺性成份，因此當 濃度過高或暴露其中的時間過長，則容易導致人員吸入過多有毒氣體而昏 迷、休克，嚴重的話甚至會導致死亡。在防火安全工程的 SFPE Handbook[27]

中有詳細的規定，而紐西蘭設計指針【28】的危險指標即是參考 SFPE

HCN≦80ppm O2≧12%

(以上氣體濃度範圍一般僅能承受30 分鐘以下)

熱輻射 上層的幅射流≦2.5kW/m²(承受時間20秒以下)

依據以上 SFPE Handbook 及內政部建築研究所出版之「大空間建築火 災性能式煙設計與應用手冊」中所建議，針對 CO、溫度、能見度以及熱輻

60

4.3 玻璃材料玻璃材料玻璃材料玻璃材料破裂模擬破裂模擬破裂模擬破裂模擬

4.3.1 說明說明說明說明

前兩節所介紹之模擬範圍及參數設定為本節之基本條件，本節模擬討 論之對象為連通地下一層與地下二層之無障礙電梯，此無障礙電梯連跨樓 層數為兩層，並以透明玻璃做為其昇降機道之區劃材料，由玻璃材料性質 及相關文獻指出，玻璃在溫度差異過大之情形下有產生裂痕甚至破裂掉落 之虞，而常受採用之強化玻璃一旦產生裂痕將立即破裂掉落產生開口，在 此，模擬過程中設定玻璃破裂條件為溫差達到 250℃，且當溫差到達玻璃之 破裂條件，玻璃將整面掉落形成開口，一旦昇降機道之區劃遭受破壞，將 造成樓層間之開口，火煙即有透過此開口蔓延之可能，此外，樓層間另一 處可能造成火煙向上蔓延之開口處即為電扶梯間，因此，本研究將選定兩 處火源位置進行比較：

情境一、火源位於地下二層昇降機道旁，如圖 4.7 所示。

情境二、火源位於地下二層電扶梯入口處，如圖 4.7 所示。

4.3.2 模擬結果模擬結果模擬結果模擬結果 1. 情境一：

A. 模擬時間 75 秒時位於地下二層離火源最近之玻璃分間牆發生破 裂，並於 147 秒時地下一層玻璃分間牆發生破裂。

B. 火災發生之初，煙流沿地下二層之天花板向四周蔓延，當玻璃分間 牆發生破裂，高溫濃煙向昇降機道蓄積且地下二層煙層蔓延減緩，

當地下一層玻璃破裂，濃煙瞬間竄入地下一層，並且快速在地下一 層蓄積，如圖 4.8、圖 4.9 及圖 4.10 所示。

C. 煙流經由昇降機道竄升至地下一層後，向兩側樓梯挑空區蔓延，且 隨著氣流下向下流動，造成兩側樓梯均受濃煙侵害。

2. 情境二

61

A. 火災發生後，玻璃分間牆均未破裂。

B. 煙流在整個模擬過程沿著地下二層天花板向兩側蔓延並逐漸下 降，如圖 4.11 所示。

62

試驗方法以 CNS12514「建築物構造部份耐火試驗法」為基準，運用大 型加熱爐進行試驗，標準加熱溫度─時間曲線如下

63 CNS12514 標準加熱溫度曲線和實驗所獲得之爐內溫度曲線之間，在模擬時 間 20 分鐘內所獲得之試體表面溫度將做為 ANSYS 模擬之負載，然而在實

64

由 ANSYS 所模擬出之結果與前人實驗比較如圖 4.20 所示，變形量之 正負值配合實驗之量測結果，正值表示向爐內(加熱面)變形，在爐外觀測則 視為凹陷，負值則表示向爐外(非加熱面)變形，在爐外觀測則視為凸出，由 於三片門片變形量不盡相似，以下分別進行說明。

(一) 上門片

在實驗開始後 8 分鐘內，該點之變形量為正值，之後則轉向為負值，

表示該點在實驗過程中先向爐內凹陷後轉為向爐外凸出，變形轉為凸出後 變形量值隨實驗時間逐漸放大。

在此選取差異較為明顯之兩組分析結果進行討論，分別為時間為 4 分 鐘及 16 分鐘之結果，如圖 4.21 至圖 4.24 所示，因模擬方向設定與實驗不 同，正負號之定義與實驗相反，當門片在受熱時間為 4 分鐘時，變位量測 點之變形量為負值，即為向爐內凹陷，如圖 4.22 所示，而當門片受熱時間 為 16 分鐘時，變位量測點之變形量為正值即為向爐外凸出，如圖 4.24 所示，

雖然在此點有先凹後凸之現象，但門片整體變形具有相近之趨勢，就整體 而言，在門片內部均有向爐內凹陷之情形而門片下部始終保持向爐外翹 出，隨著溫度升高門片下部向爐外之變形量越大，此部分變形量的增大也 導致門片中間位置產生先凹後凸之情形。

(二) 中門片

在實驗開始後，該點之變形量均為正值，表示該點在實驗過程中均為 向爐內凹陷，且隨實驗時間逐漸放大，實驗在 12 分 30 秒說明中門片之變 位量測點失效，且並未採用後續所量測之數值。

在此選取時間為 12 分鐘之分析結果進行討論，如圖 4.25 及圖 4.26 所 示，因模擬方向設定與實驗不同，正負號之定義與實驗相反，門片在各時 間點整體之變形趨勢均相同，門片左右兩側因拘束力固定所有自由度，未 有變形發生，門片之上下端有些微凸出現象，而門片中間之變形量最為明 顯，變形方向為向爐內凹陷，此區域亦為實驗變位量測點所在位置。

65

(三) 下門片

在實驗開始後，該點之變形量均為正值，表示該點在實驗過程中均為 向爐內凹陷，然而實驗值在約 10 分鐘時變形量發生了向下之震盪，在 16 分鐘時有回升之趨勢，發生此現象應為門片間產生縫隙導致爐內溫度分佈 發生變化所致，而模擬值在此段時間僅些微向下變動，並未能準確模擬出 此現象。

在此選取時間為 18 分鐘之分析結果進行討論，如圖 4.27 及圖 4.28 所 示，因模擬方向設定與實驗不同，正負號之定義與實驗相反，門片在各時 間點整體之變形趨勢均相同，門片下端及左右兩側因拘束力固定所有自由 度，未有變形發生，門片上端之變形向爐外凸出且最為明顯，而門片中間 之變形方向為向爐內凹陷，此區域亦為實驗變位量測點所在位置。

四、 小結

由門片變形量之模擬結果與陳建銘【21】所進行之大型加熱爐耐火試 驗實驗結果進行比對，確認 FDS 搭配 ANSYS 之熱固耦合分析在變形量的 模擬上可獲得與實驗相近之結果，且在變形之趨勢上相當接近。

66

4.4.2 案例探討案例探討案例探討案例探討

本章第一、二節所介紹之模擬範圍及參數設定為本節之基本條件，本 節模擬討論目標為地下三層商場內之火災，如圖 4.29 所示，火源設於一座 通往地下二層之電扶梯旁，電扶梯周圍以防煙垂壁環繞並以捲門區劃，如 圖 4.30 所示，本節將討論之重點如下：

1. 捲門在不同作動模式下對煙流蔓延之差異，表 4.7 為各情境之捲門 控制模式

2. 捲門本身受熱之變形情況以及熱應力分佈 表 4.7 捲門控制說明

情境 捲門控制模式

情境一 未動作

情境二 地下三層偵煙器確認火災發生後連動捲門 下降，捲門下降至離地面 2 公尺處。

情境三 地下三層偵煙器確認火災發生後連動捲門 下降，捲門下降至地面。

4.4.3 模擬結果模擬結果模擬結果模擬結果

4.4.3 模擬結果模擬結果模擬結果模擬結果