火災環境溫度熱傳遞至梁構件模擬驗證

自 911 雙子星大樓倒塌後，美國 NCST（National Construction Safety Team）

彙整相關研究，建議未來應對於真實火災與結構行為間之電腦分析方法加以探 討，包含火災發生時物件延燒、閃燃發生至全盛期與降溫階段甚至結構倒塌等模 擬。目前雖有相關軟體可進行實際火場模擬（如 FDS），但僅能就該居室空間氣 場溫度分佈，或火災延燒與持續時間加以分析，對於該火場溫度如何同步造成結 構變形或倒塌等行為，尚無建立分析介面或統合性軟體可供利用。據此，對於火 災－結構（Fire- Structure）分析介面與統合性分析軟體之建立有其必要性。

由於火災現象極為複雜，想要利用實驗的方式來了解火災所有的物理現象極 為困難，實驗的數據與分析給予建築物經實際火害後相當好的比對與驗證，但目 前之實驗均僅針對在標準升溫曲線下，單一構件受火災後之耐火性，對於較複雜 的建築物與火災情境，實驗分析的方法就難以提供整個火災狀況，但是火災學的 規律是兼有確定性及隨機性，因為火災科學具有確定性，因此可以用模擬研究手 段探索它，又因為火災的規律具有隨機性，所以須對大量的火災數據進行統計分 析，火災過程的模擬研究的科學依據：承認火災過程遵循一訂的規律，這個規律 既可以在模擬實驗中再現，也可以抽象成控制火災過程的數學表達式，(張永恆，

2007)，因此可以透過數值方法來模擬各種火災情境下之溫度分佈。因此有必要

透過數值方法來模擬各種火災情境下之溫度分佈。火災會因為起火方式、延燒速 度、內部環境的不同，使得火災熱流場空間之溫度分佈有相當大的差異，因此對 建築物本體亦有不同程度的傷害，而結構件如柱、梁也會因為所在位置之不同，

以及與樓板、隔間牆的相關位置，可能會使構件遭受一至四面之火害加熱，會使 構造內部產生不均勻的溫度分佈，構件內材料受到熱應力後會產生不同的力學行 為，使得建築物火害後的強度不均勻的減低。

目前國外最新相關研究係由 NIST(Ulf Wickstrom, 2007)提出如何建立火災 -熱傳-結構之分析介面，其重點在於應用絕熱表面溫度(AST)來取得火災下結構 構件之表面溫度歷時；在中國張永恆(2007)以 FDS 進行火災模擬計算火災下空氣 的實際升溫曲線，在升溫曲現下採用有限元素分析軟體 ANSYS 對受火構件截面的 溫度分佈計行分析與計算，高佐人等(2007)則提出採用系統集成的方法將現有火 災模擬軟體、結構分析軟體以及材料高溫退化模型、破壞檢測模型有機的結合起 來，實現對火災過程中結構破壞的模擬；而國內林誠興(2006)以 FDS 火災模擬軟 體模擬單一區間內部樑受火害時之邊界溫度，再以熱傳導理論，利用有限差分 (Finite Difference Method)數值方法，模擬鋼筋混凝土複合矩形樑內部溫度分 佈，主要探討不同火源位置與熱釋放率大小對樑熱傳遞與結構強度之影響，並根 據 ACI 318-99 Building Code 之假設條件及溫度效應對鋼筋及混凝土材料之影 響，將斷面分割為 M×N 個單元，以塊狀系統(Lumped systems)之觀念，將每一單 元內假設為等溫、等性質，以 Fortran 程式語言撰寫與計算分析；惟該方法須另 行撰寫結構分析部份之程式，無法與常用之商業結構分析軟體結合利用其分析上 之優越性與多樣性，而僅能針對特定構件斷面或形狀加以應用。

為擴展前揭分析應用上之範疇，並能準確的預測火勢發展與結構熱傳與強度 折減的情形，後續將應用 FDS 火災模擬軟體分析火災中之熱流場，配合 NIST 所 建議之絕熱表面溫度，將火災對建築物之熱傳與力學行為效應，搭配結構有限元 素軟體計算（如 ANSYS、ABAQUS），與相關實驗文獻來輔助熱傳遞與強度計算模 型建立的正確性，供建築物受火害後結構強度估算程式供參考應用，為未來研究 Fire-Structure 介面整合之ㄧ大方向。

一、研究方法

(一)、建築物構件熱傳特性

為了要計算火場環境溫度熱傳遞至建築構件內，首先必須知道材料之 熱學性質與熱傳導有關之性質，主要為比熱及熱傳導係數，另外因密度會 影響熱擴散係數之大小，故亦需加以了解。

參考Eurocode-3(1995)所建議的這些參數數值，大致有以下幾項:

(1)



規範建議採用鋼材密度

  7850 kg m

膨脹係數(Expension Cofficient)-α

依規範所建議，熱膨脹係數採用

  14  10

(2)

依規範所建議的計算公式如下：

T: is the steel temperature (℃)

(3)

圖 4-27 FDS-ABAQUS 分析流程

二、分析結果

依斷面位置(N、M、S)圖4-29至圖4-33所示為箱型斷面梁其表面溫度實驗值 與FDS分析結果如下：

圖4-28 梁全長溫度分佈(time=60min)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0 10 20 30 40 50 60

Time(min) Temperature(O C)

TEST-BKNE TEST-BKNW TEST-BKNB TEST-BKNB' FDS-BKNE FDS-BKNW FDS-BKNB FDS-BKNB'

圖 4-29 北側(N)鋼梁表面溫度實驗與分析歷時比較圖

0 50 100 150 200 250

0 10 20 30 40 50 60

Time(min) Temperature(O C)

TEST-BKME TEST-BKMW TEST-BKMB TEST-BKMB' FDS-BKME FDS-BKMW FDS-BKMB FDS-BKMB'

圖 4-30 中間(M)處鋼梁表面溫度實驗與分析歷時比較圖

0 50 100 150 200 250 300

0 10 20 30 40 50 60

Time(min) Temperature(O C)

TEST-BKSE TEST-BKSW TEST-BKSB TEST-BKSB' FDS-BKSE FDS-BKSW FDS-BKSB FDS-BKSB'

圖 4-31 南側(S)鋼梁表面溫度實驗與分析歷時比較圖

由圖 4-29 可知表面測溫點 BKNW 實驗值遠高於其他測點，且與分析值差異 頗大，其原因可能為該測點較接近火源，另圖 4-31 表面測溫點 BKSB’實驗值遠 低於其他測點，主要該點較遠離火源；整體鋼梁表面溫升歷時經分析與實驗值比 對，其發展趨勢在前 10 分鐘內大致相符，10 分鐘後模擬值則較實驗值為低，顯 示本研究在模式建立與分析上仍有探討之空間。

t=10min t=20min

t=30min t=40min

t=50min t=60min

圖 4-32 箱型梁溫度歷時分布圖

另應用結構分析軟體進行斷面溫度分佈暫態熱傳分析結果(如圖4-32)，本 研究已可結合FDS與有限元素分析軟體之方法與流程，由於在FDS方面之模擬結果 已低於實驗值，因此在有限元素分析方面則不作深入探討，但由CFD與FEM可同步 結合進行火災與結構火害行為模擬，將有助於火災及結構防火安全設計分析與應 用。

第五章 結論與建議