美國 AISC

圖 2-3 火災繼續時間計算流程

(資料來源：建築物構造防火性能驗證技術手冊 2008)

屋內火災構造保有耐火時間之計算因構造材料而有所不同。鋼骨構造之梁、

柱依有無防火被覆分為四種情形，所有情形皆須考慮火災溫度上升係數、構件溫 度上升係數及臨界溫度。若鋼柱無防火被覆，其臨界溫度須依整體與局部挫屈及 熱變形溫度上限之最小值決定，構件溫度上升係數以其長度與截面積決定；若鋼 梁無防火被覆，其臨界溫度須考慮梁高溫耐力所制定的溫度上限及熱變形溫度上 限之最小值決定。若鋼柱或鋼梁皆具防火被覆，其溫度上升的延遲係數與構件溫 度上升係數皆須依被覆材料、斷面形狀及大小決定，而臨界溫度之計算方式分別 與無防火被覆之情形相同。

第三節 美國 AISC

美 國 AISC (American Institute of Steel Construction) 的 鋼 構 造 規 範 Specification for structural steel Buildings (2016)，於附錄 4 Structural Design for Fire Conditions 制定鋼結構與構件於火害下的設計及評估準則。

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壹、 一般規定

附錄的架構分為三大項：(1)一般規定；(2)以分析進行防火設計；(3)以實驗 進行防火設計。一般規定包含防火設計的性能目標、載重組合與設計載重。分析 方法包含設計火源的說明、材料性質以及計算方式。實驗方法則規定防火設計須 依據ASCE/SFPE 的 Standard calculation methods for structural Fire Protection 的第 五節進行設計，也包含如何判別構造為束制構造的方法。

達防火性能設計所需目標須滿足三項規定：(1)構造及構件於設計火源 (Design-Basis Fire)的影響下，須保持其承載能力；(2)進行防火設計時，須評估受 載結構之變形是否符合變形標準；(3)在起火點的隔間內，由設計火源造成的力量 與變形不能對建築物的區劃造成水平或垂直的破壞。在載重組合部分，此附錄將 由設計火源造成的力量與變形納入考量，提出適用於防火性能設計之載重組合與 設計載重。而規定結構物的防火設計有兩種方法，(1)以分析(Structural Design for Fire Conditions by Analysis)；(2)以實驗(Design by Qualification Testing)。

貳、 以分析進行防火設計

分析方法須先決定設計火源，以描述構造或構件的加熱條件。此加熱條件與 於假設火災區域內的可燃物質和空間區劃有關。此規範將設計火源分為三種：(1) 局部火災(Localized Fire)；(2)閃燃後區劃火災(Post-Flashover Compartment Fires)；

(3)外部火災(Exterior Fires)。當火災的熱釋放率不足以造成閃燃時，則假設為局 部火災。此火災對結構造成的輻射熱通量由可燃物的成分、空間排列與可燃物佔 有的樓地板面積來決定。當火災的熱釋放率足以造成閃燃時，則假設為閃燃後區 劃火災。此火災引起的溫度與時間關係曲線應由可燃物荷載、空間通風特性、隔 間尺寸以及邊界的熱特性來決定。不論是局部火災或閃燃後區劃火災，其火災持 續時間皆由可燃物的總質量除以質量消失的速率來確定。外部火災則為外部構造 曝火而導致。於構造內部的火焰經由窗戶或牆開口向外投影至外部構造，熱輻射 也隨之傳到外部，此情況稱為外部構造曝火。此附錄規定須利用火焰投影的形狀、

長度以及火焰與外部鋼構造間的距離來決定熱通量。

在設定完設計火源之後，須以熱傳分析計算構造或構件的溫度。經由此附錄 給予的材料性質，如鋼材及螺栓於溫度變化下之材料性質與折減係數分別列於表

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計算方式分為對整體結構的進階分析法(Advanced methods of analysis)與對 構件的簡單分析法(Simple methods of analysis)。進階分析法須包含設計火源對於 結構所造成的熱反應(thermal response)與力學性質反應(mechanical response)。透 過熱反應與力學性質反應的分析，其結果須列出所有可能的極限狀態，例如過大 的變形、構件連接處的破壞以及整體或局部的挫屈等，進而判斷是否符合規定。

簡單分析法則是利用一維的熱傳導方程式分析設計火源對於構件的熱反應，並根 據附錄所提供之材料性質與公式計算出構件的承載力，此承載力須大於載重組合 的設計載重。此附錄亦提到當構件溫度小於200°C 時，構件與其連接點設計強度

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的計算不需考量溫度效應；然而載重組合的設計載重仍須考量由高溫造成的力量 與變形。

參、 以實驗進行防火設計

以實驗驗證防火之 構造設計須依據 ASCE/SFPE 的 Standard calculation methods for structural Fire Protection 的第五節，並依 ASTM E119 流程要求進行實 驗。此附錄規定對於建築物地板、屋頂的構件及單根梁，當其周圍或支撐結構能 抵抗由熱膨脹導致的力量或變形時，其存在著束制條件(restrained condition)。當 支撐混凝土版的鋼梁與構架用銲接或栓接固定至可抵抗溫度效應之構件時，應視 為束制構造(restrained construction)，若否，則視為非束制構造。

肆、 AISC APPENDIX 4 目錄

APPENDIX 4. STRUCTURAL DESIGN FOR FIRE CONDITIONS 4.1.1. General Provisions

4.1.1.a Performance Objective

4.1.2.a Design by Engineering Analysis 4.1.3.a Design by Qualification Testing

4.1.4.a Load Combinations and Required Strength 4.2.1a. Structural Design for Fire Conditions by Analysis 4.2.1.a Design-Basis Fire

1a. Localized Fire

1b. Post-Flashover Compartment Fires 1c. Exterior Fires

1d. Active Fire Protection Systems

4.2.2.a Temperatures in Structural Systems under Fire Conditions 4.2.3.a Material Strengths at Elevated Temperatures

4.2 .3a. Thermal Elongation

4.2 .3b. Mechanical Properties at Elevated Temperatures

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4.2.4.a Structural Design Requirements 4.2. 4a. General Structural Integrity

4.2 .4b. Strength Requirements and Deformation Limits 4. 2.4c. Design by Advanced Methods of Analysis 4.2. 4d. Design by Simple Methods of Analysis 4.3.1a. Design by Qualification Testing

1.a Qualification Standards 2.a Restrained Construction 3.a Unrestrained Construction