第三章 鋼結構防火被覆耐火性能之評估方式
第一節 英國 ASFP 之評估模式
本文參考英國防火專家協會（ASFP）2007 年版 17黃皮書(yellow book) 之內容，依序說明如下：
一、防火的概念
鋼構桿件依規定必須具有防火性，構造材料在火害時皆會造成強度下 降，各級鋼材在 550℃附近，承重的鋼材會下降至安全的設計邊緣，當溫度 上升至 700℃附近，桿件會發生不穩定，喪失承重的能力。對於撓曲與受壓 構件在載重耐火試驗，已顯示在未施加防火保護的情況，約可達15 分鐘的耐 火時效。已有很多材料應用在鋼結構桿件上，以提升耐火性。以防火系統的 方式可區分為緊貼週邊型(profile)、空心箱型(box)、實心型(solid)等三類，三 面受火的防護技術如圖 3-1 所示，四面受火的防護技術如圖 3-2 所示。通常 噴附式材料會採用緊貼週邊型；板狀材料會採空心箱型；特殊隔熱混凝土會 採實心型。
圖 3-1 三面防火之技術（資料來源：文獻 18）
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Association for Specialist Fire Protection, Fire protection for structural steel in buildings 4th Edition, 2007.21
Underwriters Laboratories Inc. , Fire Resistance Directory，2007Fire Resistance-Volume1, 2007.建築物結構耐火技術之研究（Ⅰ）
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圖 3-2 四面防火之技術（資料來源：文獻 18）
依BS 476 試驗標準，載重梁的試驗是採水平方式，三面施作防火材料，
而上翼緣與樓板直接接觸，在鋼構防火技術上稱為“三面受火”。柱的試驗是 垂直方式，全面施作防火材料，亦稱為“四面受火”。
由於耐火性能之評估程序需要有載重試驗以獲得承載能力與臨界溫度的 耐火時間；以及非載重試驗，以獲得各種斷面因子與厚度在要求的防火時效 間的關係。在BS 476 系列中有 Part 20「結構桿件防火性測定法-通則」；Part 21「結構桿件載重試驗防火性測定法」；Part 22「結構桿件非載重試驗防火 性測定法」。在已出版的歐盟標準，評估防火材料防火性能的標準是 ENV 13381-4「結構桿件防火性能測定之試驗法，第四部：應用於鋼構件之防火材 料」。不論是BS 476 或新的歐盟標準，判定構件的耐火性能需有三個準則：
承載力(load-bearing capacity)、完整性(integrity)和隔熱性(insulation)，歐盟規 範的系統相對應於這三個準則以R-E-I 代表：
(1)防止崩塌(Resistance to collapse)，亦即承載力，簡稱「R」，為構件承 受必要的載重而不會發生超額變形的能力。
(2)防止火焰穿透(Resistance to fire penetration)，亦即完整性，簡稱「E」，
為構件能阻絕火焰與熱氣穿透，並且在非曝火面沒有出現火焰的能 力。
(3)防止超額熱量的傳遞(Resistance to the transfer of excessive heat)，亦即 隔熱性，簡稱「I」，為構件阻隔傳導熱的能力，在鋼構通過區劃、防 火牆或樓板的地方特別的重要。
(一)BS 476 與 ENV 13381-4 之耐火試驗
梁和樓板結合以水平方式進行試驗，如圖 3-3 所示；而柱是採垂直方式 進行試驗，如圖3-4 所示。
第三章 鋼結構防火被覆耐火性能之評估方式
圖 3-3 一般鋼梁在 BS 476 的防火測試（資料來源：文獻 18）
圖 3-4 一般鋼柱在 BS 476 的防火測試（資料來源：文獻 18）
建築物結構耐火技術之研究（Ⅰ）
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在英國，載重梁試驗長度為跨度 4.25 公尺，若是惰性(passive)防火被覆 材料，斷面尺寸為 305mm×127mm×42kg/m 的普通梁；若是膨脹式塗料則使 用 斷 面 為 406mm×178mm×60kg/m 的 普 通 梁 。 載 重 柱 試 驗 一 般 以 203mm×203mm×52kg/m 的普通柱，曝火長度至少 3 公尺。試體保持直立，有 效長度係數假設為 0.7，經由設計使施加於軸向的載重以達到最大容許的應 力。
在非載重試體(大約 1m 長)進行的試驗，可獲得包含防火被覆材料防火隔 熱的資訊。此資訊用於英國與歐盟評估防火被覆材料，因此與載重試驗組成 一完整的「試驗套裝」(test package)。
ENV 13381-4 與 BS 476 試驗計畫有一些差異。最大的差別是除了該產品 只用於防護柱子，否則在歐盟標準是不需要作載重柱的試驗。其他主要的不 同點是在載重梁的試驗，在梁上翼緣和輕質混凝土板之間有一層隔熱材。在 英國的情況是緊密接觸。
在歐盟的程序是不需要載重柱的試驗。不過，在評估膨脹型塗料時，必 須試驗一根2000mm 高的非載重柱以評估黏著力(stickability)。
(二)防火被覆材料之評估
防火被覆材料耐火性能評估的方法，已經發展出推算寬廣範圍的防護厚 度。程序分成兩部份：首先在周密的耐火試驗計畫中完成載重與非載重試體，
其次是於試驗結果應用數學分析程序，推算需要的厚度。設計試驗計畫在於 決定防火被覆材料隔熱的特性與鋼材尺度大小在火害下之物理性能，也就是 決定斷面因子，防護厚度與防火時效。以最少的試驗產生最大量的數據。
(三)熱反應與斷面因子
鋼材斷面升溫速率與受熱之表面積(A)與其受熱體積(V)之比值有關，此 一比值即為A/V，稱為斷面因子(Section Factor)，單位為(m-1)。在先前的版本 裡，斷面因子為 Hp/A，在新的歐盟測試和設計標準(ENV 13381-4，ENV 1993-1-2 和 ENV 1994-1-2)裡提出斷面因子 A/V 與 Hp/A 有相同的數值，因此 Hp/A 將逐漸廢棄不用。
表面積(A)較大之鋼材比較小者吸收較多的熱。且斷面的體積(V)越大，
儲熱越多。因此，小而厚的斷面會比大而薄的斷面升溫為慢，如圖3-5 所示。
第三章 鋼結構防火被覆耐火性能之評估方式
故A/V 成為火害衡量斷面升溫的比率。當其值越高，所需防護的厚度越大。
表 3-1 說明計算各種不同鋼材斷面，在不同情況時的 A/V。其他，如開孔梁 中空斷面、部份曝火、抗風拉桿、格子梁等特殊情況，有關A/V 之計算與調 整，詳見ASFP 黃皮書內容。
圖 3-5 斷面因子之概念（資料來源：文獻 18）
建築物結構耐火技術之研究（Ⅰ）
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表 3-1 用周長之值計算鋼材斷面因子的防火層厚度 Hp/A(A/V)
鋼材 緊貼鋼材周邊防火
普通梁、普通柱與托梁 (一般型與空腹式斷面)
Hp
四面 三面 三面 二面 單面
2B+2D+B(B-t) B+2D+2(B-t) B+2d+(B-t) B+D+2(B-t)/2 B
=4B+2D-2t =3B+2D-2t =2B+2d-t =2B+D-t 結構與軋延T 型鋼
Hp
四面 三面 三面
2B+2D B+2D B+2D+(B-t) = 2B+2D-t 角鋼
Hp
四面 三面 三面
2B+2D B+2D B+2D+(B-t) = 2B+2D-t 槽型鋼
Hp
四面 三面 三面
2B+2D+2(B-t) 2B+D+2(B-t) B+2D+2(B-t) =4B+2D-2t =4B+D-2t =3B+2D-2t 正方形或長方形中空斷
面
Hp
四面 三面
2B+2D B+2D
圓形中空鋼材
Hp
πD
（資料來源：文獻 18）
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使用 203x203x52kg/m 之一
般鋼梁
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二、結構防火工程
當鋼構受熱到大約200℃，強度會略為提高，但過了 200℃持續加熱，則 會失去強度。S275 到 S355 結構鋼在應變量 1.5％，強度變化的因子與溫度的 關係如表3-2。這些數據取自 BS 5950-8：2003。在火災發生時，鋼構件(梁或 柱)溫度在超過 500℃時仍能夠有承載力。
表 3-2 一般結構綱的有效降伏強度因子與溫度之變化
溫度(℃) 20 100 200 300 400 500 600 700 800 有效
降伏強度因子 1.00 1.00 1.00 1.00 0.956 0.756 0.460 0.223 0.108 註：鋼材高溫下之強度可藉由常溫下強度的因子推算。
例如，S275 鋼在 600 ℃的有效降伏強度為 0.46 × 275 = 126.5 N/㎜²
（資料來源：文獻 18）
另外，在英國BS 5950-8 使用載重比(Load Ratio)觀念，作為構件在火場 可承載載重的量測值。在歐盟規範使用載重水平(Load Level)的相似觀念。載 重比的定義如下：
載重比=
載重比可視為火害與普通設計安全係數的比值。假如在常溫下安全係數 使用1.7；而火害時是 1.0，此載重比為 1/1.7，或為 0.59。
對於已知載重或應力，最大容許溫度在 BS 5950-8 又稱為限制溫度 (limiting temperature)，在歐盟規範則稱為臨界溫度(critcal temperature)。柱與 側向束制的梁等構件之限制溫度，參考BS 5950-8：2003 Table 8 的內容，如 表3-3 所示。
構件在 20℃時之強度
構件在火害下可承受之載重或彎距
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表 3-3 柱與梁之限制溫度
限制溫度（℃）與載重比 構件說明
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 高層建築一般受壓力的柱 510 540 580 615 665 710 高層建築承受混凝土版或
複合式版的合成梁
590 620 650 680 725 780
承受混凝土或複合式版且 有100%剪力連結的合成梁
550 580 610 645 685 740
（資料來源：文獻 18）
三、試驗與評估程序之一般指導原則
對於膨脹型塗料與惰性材料，在技術上的差異與物理性能，而發展個別 的程序。
評估的程序是梁和柱依 BS 476-21 所進行的載重試驗並結合 BS 476-20 非載重的耐火試驗，或者依EN 13381 所進行梁和柱的載重/非載重之相關測 試。
對於一項預期僅使用於梁的產品，以一個載重梁的試驗以及一些短形非 載重的試驗數據為基礎進行評估。試驗的計畫不需限定於單一鋼構型式，但 是必須有附加的載重試驗，主要會以經過ISO 17205 認證通過的實驗室所得 的資訊作為評估的基礎。其他獨立實驗室所進行的合適資料可作為評估的補 充，但不應是評估的主要依據。
防火被覆材料具有保持力的証明，如下：
(1) 載重梁的試驗持續進行到以梁中央撓度值達到跨度的 1/35 (2) 載重柱的試驗則進行到即將發生結構性破壞為止。
載重試驗的試體尺寸需依照BS 476-21 或 ENV 13381-4 之需求，而提供 溫度數據的非載重試驗的試體長度至少要1 公尺。其它需注意事項如下：
(1) 為能提供充分之資訊，試驗最好能持續進行直到所有鋼材斷面達到 700℃的平均溫度(或其他評估所需的最高溫度)。
(2) 假如載重梁發生承載能力破壞的情況(或柱子發生即將破壞的情況)，
應移除載重，並且持續進行試驗，直到第3 點情況達到為止。
(3) 鋼材平均溫度量測間隔應不超過 2 分鐘，並且依下列方式計算：
(a) I 型梁三面受火時：(下翼緣平均溫度＋腹板平均溫度)/2
建築物結構耐火技術之研究（Ⅰ）
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(b) I 型梁四面受火時：(兩側翼緣平均溫度＋腹板平均溫度)/2 (c) 矩形中空斷面(RHS)梁三面受火時：三面受火面的平均溫度
(d) 矩形中空斷面(RHS)/圓形中空斷面(CHS)柱四面受火時：受火面的平 均溫度
(4) 載重試體之加載需依 BS 449-2 計算之最大許可載重或依 ENV 13381-4 和/或 ENV 13381-8 之需求。
(5) 在所有非載重梁上翼緣與混凝土蓋板之間需以岩棉或陶瓷棉隔熱。
(6) 載重梁以簡支梁支承型式進行試驗。柱子則在兩固定 2 點施加軸向力 (或者在一方向束制和旋轉)
四、惰性防火被覆材之試驗及評估程序
(一)試驗計畫對於惰性防火被覆材料、產品或系統，測試試體與噴附厚度之組合如表 3–4 所示，表中之 K 值為厚度因子，表示噴附不同的厚度別：
表 3-4 各鋼材與各防火處理時製造與使用所需之厚度
緊貼週邊防護之A/V
依箱型防護之A/V 厚度因子K 載重之I 型梁
305×127 ㎜×42 ㎏/m 180 140 1.0
305×127 ㎜×42 ㎏/m 180 140 0.0
載重之I 柱
203×203 ㎜×25 ㎏/m 180 125 1.0
一公尺長非載重之試體 鋼梁
305×102 ㎜×25 ㎏/m 285 225 0.2
305×102 ㎜×25 ㎏/m 285 225 0.8
254×146 ㎜×31 ㎏/m 230 160 0.5
254×146 ㎜×43 ㎏/m 170 120 0.4
356×171 ㎜×67 ㎏/m 140 105 0.5
356×171 ㎜×67 ㎏/m 140 105 0.8
鋼柱
203×203 ㎜×52 ㎏/m 180 125 1.0
254×254 ㎜×89 ㎏/m 130 90 0.2
152×152 ㎜×30 ㎏/m 235 160 0.0
254×254 ㎜×132 ㎏/m 90 65 0.3
（資料來源：文獻 18）
第三章 鋼結構防火被覆耐火性能之評估方式
K = 厚度因子= (dp - dpmin) / (dpmax - dpmin) dpmax：評估的最大厚度（㎜）
dpmin：評估的最小厚度（㎜）
dp：防火材料使用之平均厚度（㎜）
(二)試驗程序
在BS 476-21 或 ENV 13381-4 提到有關附加的或強調的事項如下：
1. 考量試驗試體之材料與施作標準能代表良好的現場施作。防護的厚度 值需能在平均厚度15%之內。
2. 測試試體之條件在溫度、含水量與養護狀態，期能和服務的情形盡可 能一致。
3. 在試驗前應量測養護的含水量。
4. 載重試體須依照 BS 476-21 或 ENV 13381-4 之要求，而提供溫度數據 之非載重試驗之試體至少1 公尺以上。
5. 為了充分提供資訊，試體應持續進行直到所有鋼材斷面平均溫度都達 到 700℃（或依試驗委託人所需之最高評估溫度），或著直到鋼材斷 面之隔熱材發生顯著的脫落為止。
6. 假如加載試驗的梁發生承載能力失敗（或柱即將發生破壞），應移除 加載，並持續進行試驗直到第5 點情況發生為止。
(三)評估的程序
評估惰性防火被覆材料有下列的一般情形：
1. 依照 BS476-21 或 EVN13381-4 承載梁試驗噴附最大厚度所達到的最大防 火性能，可以評估水平桿件的性能。假如沒有此一判定準則（例如梁在 210min 失敗而非 240min 或更大），若在發生撓度值為跨度的 1/35 後移除
1. 依照 BS476-21 或 EVN13381-4 承載梁試驗噴附最大厚度所達到的最大防 火性能，可以評估水平桿件的性能。假如沒有此一判定準則（例如梁在 210min 失敗而非 240min 或更大），若在發生撓度值為跨度的 1/35 後移除