建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究

全文

(1)建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究. 內政部建築研究所自行研究報告中華民國 95 年 12 月.

(2)

(3) 095-301070000G2-012. 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究. 研究主持人：蔡銘儒協同主持人：謝煒東. 內政部建築研究所. 自行研究報告. 中華民國 95 年 12 月.

(4)

(5)

(6) MINISTRY OF THE INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. Validations on the fire-proof performance of architecture— the study of the time of the fire continuance. BY MING JU TSAI WEI DONG HSIEH Dec 30, 2006.

(7)

(8) 目次. 目次表次 .................................................................. iii 圖次 ................................................................... v 摘要 .................................................................. ix 第一章緒論...........................................................................1 第一節研究緣起與背景 ...........................................1 第二節性能式火災安全設計七大步驟 ................2 第二章研究方法概述...........................................................7 第一節研究方法 .........................................................7 第二節建築物結構耐火性能檢證法及流程 .......7 第三節建築物之檢證流程 .......................................9 第四節火災繼續時間之計算流程 .......................10 第五節案例計算 ....................................................... 11 第三章結果與討論.............................................................17 第一節電腦模擬 .......................................................17 第二節 ISO 9705 房間火災模擬實驗 ..................21 第三節火災模擬實驗分析 .....................................22 第四節熱釋放率變化 ..............................................36. i.

(9) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究. 第五節溫度分佈 .......................................................41 第六節火災成長狀況 ..............................................44 第四章結論與建議.............................................................51 附錄期中、期末審查會議記錄.........................................55 參考書目...............................................................................59. ii.

(10) 表次. 表次表 2.1 辦公室空間傢俱種類及火載量 ..................... 11 表 3.1 FDS 程式內的材料性質參數與其取得方式 ............ 18 表 3.2 A1B1 燃燒實驗持時間統計 ......................... 24 表 3.3 A1B2 燃燒實驗持時間統計 ......................... 25 表 3.4 A1B3 燃燒實驗持時間統計 ......................... 25 表 3.5 A2B1 燃燒實驗持時間統計 ......................... 26 表 3.6 A2B2 燃燒實驗持時間統計 ......................... 26 表 3.6 A2B3 燃燒實驗持時間統計 ......................... 27 表 3.7 A3B1 燃燒實驗持時間統計 ......................... 27 表 3.8 A3B2 燃燒實驗持時間統計 ......................... 28 表 3.9 A3B3 燃燒實驗持時間統計 ......................... 28 2. 表 3.10 t 火災分類表[ISO/TR 13387-2:1999(E)]........... 44. iii.

(11) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究. iv.

(12) 圖次. 圖次圖 2.1 耐火性能檢證法流程 .............................. 9 圖 2.2 火災繼續時間之計算流程 ......................... 10 圖 2.3 耐火性能的等價性 ............................... 16 圖 3.1 木條熱性質量測 ................................. 19 圖 3.2 模擬與實驗結果比較 ............................. 20 圖 3.3 實驗參數與配置 .................................. 21 圖 3.4 天花板測溫點位置圖 ............................. 21 圖 3.5 熱電偶樹相關位置 ............................... 22 圖 3.6 典型的牆壁裝飾加工方法 .......................... 23 圖 3.7 燃燒持續時間起迄點示意圖 ....................... 23 圖 3.8 右尾檢定示意 ................................... 24 圖 3.9 A1B1 實驗與計算持續時間常態分配圖 ............... 30 圖 3.10 A1B2 實驗與計算持續時間常態分配圖 .............. 30 圖 3.11 A1B3 實驗與計算持續時間常態分配圖 .............. 31 圖 3.12 A1 實驗與計算持續時間常態分配圖 ................ 31 圖 3.13 A2B1 實驗與計算持續時間常態分配圖 .............. 32 圖 3.14 A2B2 實驗與計算持續時間常態分配圖 .............. 32. v.

(13) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究. 圖 3.15 A2B3 實驗與計算持續時間常態分配圖 .............. 33 圖 3.16 A2 實驗與計算持續時間常態分配圖 ................ 33 圖 3.17 A3B1 實驗與計算持續時間常態分配圖 .............. 34 圖 3.18 A3B2 實驗與計算持續時間常態分配圖 .............. 34 圖 3.19 A3B3 實驗與計算持續時間常態分配圖 .............. 35 圖 3.20 A3 實驗與計算持續時間常態分配圖 ................ 35 圖 3.21 A1B1~B3 燃燒成長模式比較 ....................... 38 2. 圖 3.22 A1B1~B3 燃燒成長 t 係數值關係 ................... 39 圖 3.23 不同單層擺放密度下，1 堆木堆燃燒熱釋放率隨時間變化圖 ............................................ 39 圖 3.24 不同單層擺放密度下，2 堆木堆燃燒熱釋放率隨時間變化圖 ............................................ 40 圖 3.25 相同擺放密度下，不同木堆數量，燃燒熱釋放率隨時間變化圖……………………………………………………40 圖 3.26 A1B1（一堆木堆，擺放密度 3 支/層）之室內溫度隨時間變化圖 ........................................ 41 圖 3.27 A1B2（一堆木堆，擺放密度 9 支/層）之室內溫度隨時間變化圖 ........................................ 42. vi.

(14) 圖次. 圖 3.28 A1B3（一堆木堆，擺放密度 15 支/層）之室內溫度隨時間變化圖 ........................................ 42 圖 3.29 一堆木堆，不同擺放密度 3、9、15 支/層靠近火源（TreeG）與房間中央（TreeA）之溫度隨時間變化圖 ......... 43 圖 3.30 擺放密度 3 支/層，不同木堆堆數下，靠近火源（TreeG）與房間中央（TreeA）之溫度隨時間變化圖 ......... 43 圖 3.31 A1B1 木堆燃燒成長階段之熱釋放率隨時間變化圖 .... 45 圖 3.32 A1B2 木堆燃燒成長階段之熱釋放率隨時間變化圖 .... 45 圖 3.33 A1B3 木堆燃燒成長階段之熱釋放率隨時間變化圖 .... 46 圖 3.34 A2B1 木堆燃燒成長階段之熱釋放率隨時間變化圖 .... 46 圖 3.35 A2B2 木堆燃燒成長階段之熱釋放率隨時間變化圖 .... 47 圖 3.36 A2B3 木堆燃燒成長階段之熱釋放率隨時間變化圖 .... 47 圖 3.37 A3B1 木堆燃燒成長階段之熱釋放率隨時間變化圖 .... 48 圖 3.38 A3B2 木堆燃燒成長階段之熱釋放率隨時間變化圖 .... 48 2. 圖 3.39 木堆燃燒成長階段之 t 係數與可燃物密度關係圖 ..... 49. vii.

(15) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究. viii.

(16) 摘要. 摘要關鍵詞：火災持續時間、建築構造防火性能、驗證一、研究緣起國內產業環境隨著全球經濟體的變遷而快速轉變，高科技產業不斷興起，傳統產業則面臨空前的挑戰，在產業轉型的急遽過程中，各種重大火災爆炸事故(北誼興火災爆炸、中油氣爆、永興化工爆炸、聯瑞火災..等)層出不窮，也因此造成巨額的社會成本及嚴重的人員傷亡和財物損失。為防範大型火災事故的發生以及尋求有效的抑制措施，近年來已成為大家努力的方向與目標。由於產業的變遷速度遠超過法規訂定與修訂的腳步，目前已有許多先進國家朝向性能式設計與評估(Performance Based Design, PBD)的方向發展。性能式設計與評估 (PBD)可彌補法規的限制並提昇損害防阻能力，以順應產業製程與設備瞬息萬變的進化過程，達到經濟效益與安全兼容並顧的目標。. 二、研究方法及過程本研究首先以 ISO 9705 房間火災模擬實驗，實條件將於固定空間(寬 2.4m× 長 3.6m×高 2.4m)、單一開口(0.8m×2.0m)、無內裝材料，以固定火源(模擬垃圾桶燃燒 25kW 燃燒 200 秒)對固定之燃載量(5kg/㎡木材)可燃物加熱，主要變數為可燃物密度及分佈面積兩因素各取三種因子，以田口實驗計畫法之 L9(34)直交表分配，每一條件進行十次以上之實驗，探討可燃物密度及分佈面積兩因素，對火災持續時間之影響性，以及兩因素間交互影響程度，最後再以統計方式探討火災持續時間之分配模式以及其標準差。此外，還利用 FDS 進行模擬，將數值模擬結果與實驗結果進行比較，檢討數值模型或者模擬參數所需要改進的地方。. 三、重要發現在本研究條件下由計算與實驗之統計檢定結果，落於接受域，差異不顯著，計算結果可信。在假設火災符合常態分配模式，並假設計算所得之火災持續時間之信賴區間為+2σ(標準差)，經實驗統計結果仍有將近 0.4σ 的機率大於計算時間值，建議取+3σ 可確保安全範圍。「建築物構造防火性能驗證技術手冊」(2005)2.3 ix.

(17) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究節對火災的持續時間定義，建議修訂為火災的繼續時間是為有效引燃時間至有效衰減時間。另外，由本研究木堆燃燒實驗結果得知，單一木堆燃燒速度與熱釋放率最高，在相同火載量下，木堆分散時，燃燒速度會減緩，且熱釋放率會降低。於固定火載量條件下，以 t2 火災成長速率探討，發現可燃物相對密度小其成長速率快，相對火災持續時間短，最大熱釋放率較大，由於計算式僅以燃載量為考量，並未考量可燃物之燃燒速率之影響，此一影響程度建議進一步研究。. 四、主要建議事項根據研究發現，本研究針對行火災持續時間之相關法規，提出下列具體建議。以下分別從立即可行的建議、及長期性建議加以列舉。立即可行建議主辦機關：內政部營建署協辦機關：內政部建築研究所 1.「建築物構造防火性能驗證技術手冊」(2005) 2.3 火災溫度上升係數與繼續時間「以溫度上昇的速度代表火災的劇烈度，視房間的開口尺寸及牆壁的構造而定；火災的繼續時間是為室內可燃物燃燒殆盡的時間，依可燃物的總量決定。」，建議修訂為「以溫度上昇的速度代表火災的劇烈度，視房間的開口尺寸及牆壁的構造而定；火災的繼續時間是為室內可燃物有效引燃時間至有效衰減的時間，依可燃物的總量決定。」。 2. 「建築物構造防火性能驗證技術手冊」(2005)2.4 計算火災室之可燃物總發熱量計算，其可燃物建議取其總量加 3σ(標準差)計算，可確保計算所得繼續時間於安全範圍。 3. 「建築物構造防火性能驗證技術手冊」(2005)2.4 計算火災室之可燃物總發熱量計算，火災室牆壁、地板及天花板(無天花板時以屋頂代替。以下亦同)面對室內加工使用的建築材料，表面積每 1 m 2 厚度㎜的散熱量（ MJ / m 2 / mm ），依照內裝用材料種類而有不同規定，除依手冊表（2.3.2）外，由於在本研究結果係為影響計算結果之重要因子，建議應依其類型計入其發熱量。中長期建議主辦機關：內政部營建署協辦機關：內政部建築研究所 1.本研究固定火載量條件下，以 t2 火災成長速率探討，發現可燃物相對密度小其成長速率快，相對火災持續時間短，最大熱釋放率較大，由於計算式僅以燃載量為 x.

(18) 摘要考量，並未考量可燃物之燃燒速率之影響，此一影響程度建議進一步研究。 2.國內使用 FDS 作為性能檢證的應用相當多，但是 FDS 在火災熱釋放的模擬上對於參數的依賴相當重，因此影響 FDS 模擬準確性的參數應予以確認並建立國內常用材料之性質資料庫，以增加 FDS 模擬的可靠性。. xi.

(19) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究. ABSTRACT Keywords: continuance time, fire-proof performance of architect, validations 1.Origin of this study With the rapid change in the global economic environment and the raising of high-tech industrial, the traditional industry is facing tremendous challenges. In the rapid processes of industry transformation, various severe fires and explosions happen again and again which lead to tremendous social cost and causality of human and properties. To prevent the occurrence of large fire accident and seeking for effective measure has become the direction and goal for researchers recently. Because the modification of fire related code is far behind the change of industrial, lots of advanced countries have changed to using performance based design (PDB) protocol. Performance based design and evaluation can compensate the restrictions of code and enhance the ability of disaster prevention. In the end, economic efficiency and safety can be achieved simultaneously. 2.Research method and process This research first use ISO 9705 room test for fire simulation. The dimension of the room is 2.4m×3.6m×2.4m, a single opening 0.8m×2.0m without interior decorative material. Fixed fire load combustible (5kg/m2 wood bar) is heated by a fix fire source (25kW burning for 200 seconds to simulate the burning of trash can). The main parameter is the density and distribution of the combustible, each parameter is set to 3 levels. By using the Taguchi method, we use L9(34) table to arrange the parameters. 10 tests is carried out for each condition. The influence of the density and distribution of combustible on the continuance time of fire and the interactions between each parameter are then examined. Finally, the distribution mode of fire continuance time and its standard deviation are discussed statistically. Besides, FDS simulations are taken as well. The comparison between the results from experiments and FDS simulation is made to review the parameters and properties used in the simulations. 3. Important findings In this research, statistical examinations of calculated and experimental results show that the calculated results are reliable. In the assumptions that the fire matches normal distribution and the reliability region of calculated fire continuance time is +2σ (standard deviation), the experimental statistics shows that the experimental fire xii.

(20) 摘要. continuance time is still about 0.4σ probability larger than the calculate one. It is suggested to take +3σ to ensure the safety range. The fire continuance time defined in the section 2.3 of “The fire performance validation technical reference of architecture, 2005” is suggested to modified to the duration from effective ignition time to effective extinction time. Other than that, from the results of wood cribs burning experiments, we find that at a fixed fire-load the fire growth rate and maximum heat release rate are inverse proportional to the density of the combustible. For a single wood crib, the heat release rate is the maximum. At the same fire load, when the combustible is dispersed, the burning rate and the heat release rate is decreased. However, the fire continuance time is direct proportional to the density of the combustible. Since the equation for calculation of fire continuance time considers only the fire-load, the effect of burning rate of combustible on the fire continuance time is worth further study.. 4. Main suggestions From this research, we propose the immediate and long-term strategies for the fire continuance time related code. For immediate strategies: (1) In the section 2.3 of “The fire performance validation technical reference of architecture, 2005” , the fire continuance time is suggested to modified to the duration from effective ignition time to effective extinction time. (2) In the section 2.4 of “The fire performance validation technical reference of architecture, 2005” , the amount of the combustible is suggested to take the total amount +3σ in the calculation of total heat release rate to ensure the fire continuance time is in the safety range. (3) In the section 2.4 of “The fire performance validation technical reference of architecture, 2005” , the calculation of the total fire load should take the types of decorative material into account.. For long-term strategies: (1) Under the same fire-load, using t2 fire growth rate to probe into the results, we find the combustible is dispersed, the burning rate and the heat release rate is. xiii.

(21) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究. decreased, whereas the fire continuance time is direct proportional to the density of the combustible. Since the equation for calculation of fire continuance time considers only the fire-load, the effect of burning rate of combustible on the fire continuance time is worth further study. (2) Using FDS as a tool in the performance validation in the country is common, however, the FDS is extremely dependent on the material properties. Therefore, the properties affecting the accuracy of FDS simulation should be confirmed and the database of the popular material properties should be established to improve the reliability of FDS simulation.. xiv.

(22) 第一章緒論. 第一章緒論第一節研究緣起與背景國內產業環境隨著全球經濟體的變遷而快速轉變，高科技產業不斷興起，傳統產業則面臨空前的挑戰，在產業轉型的急遽過程中，各種重大火災爆炸事故(北誼興火災爆炸、中油氣爆、永興化工爆炸、聯瑞火災..等)層出不窮，也因此造成巨額的社會成本及嚴重的人員傷亡和財物損失。為防範大型火災事故的發生以及尋求有效的抑制措施，近年來已成為大家努力的方向與目標。以積體電路產業而言，過去兩年因火災而損失的金融即高達約 200 億台幣，面對如此高額的損失，對半導體業者與產險業者而言，都是慘痛的經驗。現有高科技產業都是應用有限的土地設置精密而昂貴的設備，製程中處處可見可燃性. (Combustible)、易燃性(Flammable)之氣體(例如：SiH4、H2、AsH3..)與液體(例如： IPA、Acetone、光阻劑..)，因此單位面積的火載量(Fire Load)與投資成本皆高於一般產業，一旦發生意外，損失勢將更創新高。在此，不禁要仔細的思考一個問題，面對特殊危害作業場所或高風險作業場所，以現有的防火安全技術能力與裝備是否能夠在火災成長初期(Growth Phase)有效的控制 (Control) 或抑制 (Suppression) 火災的成長，實在是損害防阻 (Loss. Prevention)的重大關鍵。由於產業的變遷速度遠超過法規訂定與修訂的腳步，目前已有許多先進國家朝向性能式設計與評估(Performance Based Design, PBD)的方向發展。性能式設計與評估 (PBD)可彌補法規的限制並提昇損害防阻能力，以順應產業製程與設備瞬息萬變的進化過程，達到經濟效益與安全兼容並顧的目標。大部份的國家，像美國、北歐、英國、法國、日本、紐西蘭、澳洲..等，對於特殊建築物、公共設施或高風險作業場所之安全設計，近年來已突破法規的範疇，其主因乃目前各國所訂定之標準或法規並不能完全涵蓋所有行業或作業場所(尤其是特殊作業場所或高風險作業場所)，因此依現行之規範作為設計之依據顯然無法有效保障人員安全。有鑑於此，各國在近十年已陸續將性能式設計的理念，以文件化方式逐漸建立並試著和現行法規融合，以因應變化快速的社會變遷所衍生的高風險成本。以美國而言，目前已朝雙軌計畫(“Dual Track” Approach)努力，即朝現有法規 1.

(23) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究及性能式設計雙軌(Prescriptive-Based and Performance-Based）的方向同步進行，未來將在科學與技術的基礎上以文件化方式將兩者作整合，但是此部份的整合目前尚未訂定完成時間點。美國政府雖然對於雙軌計畫並沒有明顯的時間點，但是美國部份大型技術機構如：Safety to Life、Fire Alarm、Merchant Vessels、Cultural. Resources and Atomic Energy 已將 PBD 制定成規範與標準。其他國家如澳洲，亦成立 Fire Code Reform Center Ltd. (FCRC)，並於 1994 年修改澳洲建築法(Building Code of Australia，BCA)，明文將 Performance-Based 列入；加拿大則於 1987 年和澳洲共同發展 Firecam(Fire Risk Evaluation and Cost. Assessment Model)作為 Performance Fire Code 的重要工具，1995 年由 Canadian Commission on Building and Fire Code (CCBFC) 及 Canadian Codes Center 將性能式設計納入 Canadian Building Codes，預計 2001 年完成 Objective-Based Code；英國、紐西蘭、日本 .. 等亦陸續制定相關文化並納入相關之法規 (Building Standard. Law、New Zealand Design Guide or Code of Practice)。. 第二節性能式火災安全設計七大步驟所謂的性能式設計包括七個主要過程：場址與計畫資料的確認(Identify Site or. Project Information)、火災安全目標、機能目的與性能基準(Identify Fire Safety Goals , Functional Objectives , and Performance Criteria)、發展性能基準與設計基準(Develop Performance Criteria and Design Criteria (Design Objective)) 、火災歷程的發展 (Develop Fire Scenarios)、火災設計的發展(Development of Design Fires)、替代設計的發展與評估 (Develop and Evaluate Design Alternatives) 、文件化與規格說明書. (Documentation and Specification)等項目，以下就各細項加以說明： 1.2.1 場址與計畫資料的確認此部份著重於場所的資料收集與分析，例如：場址、構造、設施、製程、建築物特性 ( 大小、平面佈置、建築式樣 ) 、火載量 (Fire Load) 、其他 ( 高天花板. (High-Ceiling)、大空間 (Large Volume Spaces)、高度人員聚集場所(High Occupant Loading)。除上述內容之外，操作上的特性涉及建築物或製程特殊功能，或企業體自我 2.

(24) 第一章緒論之需求，這些種類包括：特殊製程、危險物之使用或儲存、高價值設備區域、或是允許極短暫停機的區域。另外人員的特性也是相當重要的考量因素，包括年齡、能力、人員是否休憩於此、人員是否行動自如、年幼者、老人..等因素。 1.2.2 火災安全目標、機能目的與性能基準一般而言，火災安全目標(Goals)乃是依企業體本身所預計達成之安全期望設定點，因此在火災安全領域中，常見的四個目標有人員防護(Protection of Life)、資產保護(Protection of Property)、任務保護(Protection of Mission)、環境保護(Protection. of the Environment from the Unwanted Affects of Fire and Fire Control)。廣泛的火災安全目標是指對火災安全需求程度反應在顧客的期望上。這樣的定義如果以法規角度而言，可將其表達成是「公共安全(Public Safety)」，若是以公司角度則是「相關人員或單位之安全」。以美國國家防火安全協會 1994 年之生命安全法規(Life Safety Code)中之火災安全目標為例：「保護人員在火災發展初期的生命損失」；以企業之目標而言則為：「使企業免於火災損害所導致的生產損失」。這樣的表達，相信每個人都能同意，但是並不見得每個企業體的目標皆是相同。目的(Objectives)的建立在於提供更多的方向以符合目標之所需，在性能式設計法規中，對於建築物與其系統的功能目的必須符合火災安全目標。舉例而言，功能目的可以是指當火災發生初期使人員有充裕的時間移動至安全處所而不受火煙的侵害。換句話說，當火災事件發生時，建築物及其系統之設計必須足以提供人員避難至安全處所，以符合火災安全目標。為了使功能目標或損失目標清楚，必須要有能夠確認的方法或數值計算。達此目的所需之功能要件(Performance Requirements)包括：建築材質、組合、系統、構成要素、建構方法，以符合火災安全目標與目的。舉例而言：當房間發生火災，火煙開始擴散，此時必須在煙流擴散之前對人員進行警告，並且維持逃生通道的安全與通暢，直到人員到達安全處所。這些要件中的每一項都牽涉到建築物與系統和生命安全目標與功能目的(Functional Objectives)的符合程度，且當中的每一個重要因素皆能夠量測與計算。 1.2.3、發展性能基準與設計基準. 3.

(25) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究一般人的觀念認為功能基準在於起火房間的閃燃(Flash-Over)預防，防火工程師在意的是不同場所之現場條件與設計參數是否相同。以預防閃燃為例，熱釋放率、通風開放區域和最上層溫度才是最重要的設計參數。每一個建築物和設計情況皆不相同，因此設計基準也因個案而有所不同，這也是大部份的性能式設計法規並不包括設計基準，而由防火工程師依計畫屬性或特殊性選用合適基準進行設計。以下則以生命安全為設計目標來說明設計系統內容之不同：Fire Safety Goal 在於保護可燃物起火後的人員安全，但此處很難量化。Functional Objective 則是提供人員足夠時間抵抗火災影響以到達安全處所，此處的火災影響更詳細的說，包括熱(Heat)、熱輻射 (Thermal Radiation)及煙(Smoke)。Performance Requirement 則是控制起火房間的火災擴散，如果火勢沒有離開房間，人員也在起火房間外部，如此將不會暴露在輻射熱和高溫中，受煙侵害將會最小。為了符合功能要件，就需要一份預防起火房間發生閃燃的 Performance Criteria ，這裡所依據的是一旦最上層氣體閃燃，火勢將擴散至起火房間之外。為符合上述基準，工程師必須設計成可將頂層最高溫度控制在 500℃以下，以預防閃燃之發生。 1.2.4、火災歷程的發展特殊火災歷程的描述包括從起火、燃燒到最大成長火勢的估計與危害結果。其中有兩個因素需要考量，即或然率(Probabilistic)與決定性(Deterministic)。火災歷程的考量必須考慮許多因素，包括 (1) 起火前的情況 (Pre-fire. Situation)：建築物、區劃、環境；(2)引火源(Ignition Sources)：溫度、能量、接觸潛在燃料的面積和時間；(3)起火物(Initial Fuels)：狀態、表面積與質量比、熱釋放率(Heat Release Rate)；(4)補充可燃物(Secondary Fuels)：數量、分佈；(5)擴大可能性(Extension Potential)：區劃、結構、面積；(6)人員狀態(Occupant Condition)：警戒(Alert)、熟睡、行動自由者(Self-mobile)、殘障者(Disabled)、嬰兒(Infant)、年長者(Elderly)；(7)關鍵因素(Critical Factors)：通風(窗戶或門)、環境、作業形態。 1.2.5 火災設計的發展火災設計是對於特殊火災歷程進行工程描述，例如：熱釋放率、火災成長率、空間產物、產物生成率、或是其他能被量測或計算之參數。典型的火災成長曲線或火災設計曲線能看出熱釋放率。整個火災設計過程包括成長期(Growth Phase)、 4.

(26) 第一章緒論最大熱釋放率、穩定燃燒期(Steady State Phase)與衰退期(Decay Phase)。 1.2.6 替代設計的發展與評估發展火災歷程與火災設計曲線後,下一個步驟是發展和評估非傳統設計。一些非傳統火災安全設計應該在此步驟加以評估，包括法規規定之要件，法規規定之要件通常作為評估與審查之基線，以了解設計目的是否符合需求。火災設計曲線與設計目的的評估過程是由不同火災安全量測與評估反覆進行。評估因素例如：偵煙探測與自動撒水系統之增設、通風系統特性之修改、建築材質種類之更換、內部裝修和具體內容之評估。以上所述都是性能式設計的基本概念，簡言之，性能式設計至少應包含下列幾點： ★火災發生與發展 ★煙流發展與管理 ★火災擴散與管理 ★火災偵測與抑制 ★人員通報與撤離及其他 ★火場通報與反應 1.2.7 文件化與規格說明書最後一個步驟則是分析與設計的文件化，及設備與設置說明書的準備。分析與設計的報告應是性能式設計概念中的關鍵因素，應將分析與設計的步驟作全面性的描述，報告內容至少應含下列各點： ‧分析或設計之目的(Objectives of the Analysis or Design)：可以被保證的理由。 ‧ 設計途徑之敘述 (Statement. of. Design. Approach. (Philosophy))：方法的取用、為什麼被取用、假設為何、應用何種工程工具與數學。 ‧場址或計畫資訊(Site or Project Information)：危害分析與架構的描述，製程與人員(例如：危害、風險、結構、物料、使用、佈置、現有系統、人員特性..). 5.

(27) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究 ‧ 顧客目標與目的的敘述 (Statement of Client Goals and. Objectives)：性能式分析與設計的認同，誰同意？何時同意？ ‧性能基準(Performance Criteria)：設計基準，性能基準與性能要件間的關係，包括安全與可靠度的應用及必要的支持。 ‧火災歷程(Fire Scenarios)：火災歷程的運用、火災歷程的決定與不接受的依據、假設與限制。 ‧火災設計(Design Fires)：火災設計的運用、火災設計的決定與不接受的依據、假設與限制。 ‧替代設計(Design Alternatives)：替代設計的選擇、替代設計的決定與不接受的依據、假設與限制。這些應包括特殊設計目的及火災大小關鍵值的使用、對性能基準設計目的及建築物變更使用、物品、人員..等的替代設計選擇之敏感性討論結果的對照比較。 ‧設計工具與方法的使用(Design Tools and Methods Used)：主要指分析或設計所用之工程工具和方法，包括參考文件的使用(文獻、數值、軟體版本..)、假設、限制、工程審查、輸入值、驗證數值或程序以及靈敏度分析。 ‧ 測試、檢驗與維護要件 (Test, Inspection and Maintenance. Requirements)：測試程序、維護時程.. ‧火災安全考量(Fire Safety Concerns)：變更使用、物品或材料的更換、建築物內部作業人員與使用者的教育與訓練..等之討論。 ‧參考資料(References)：軟體文件、文獻、報告、技術資料表、火災測試結果... 6.

(28) 第二章研究方法概述. 第二章研究方法概述第一節研究方法本研究首先以 ISO 9705 房間火災模擬實驗，實條件將於固定空間(寬 2.4m× 長 3.6m×高 2.4m)、單一開口(0.8m×2.0m)、無內裝材料，以固定火源(模擬垃圾桶燃燒 25kW 燃燒 200 秒)對固定之燃載量(5kg/㎡木材)可燃物加熱，主要變數為可燃物密度及分佈面積兩因素各取三種因子，以田口實驗計畫法之 L9(34)直交表分配，每一條件進行十次以上之實驗，探討可燃物密度及分佈面積兩因素，對火災持續時間之影響性，以及兩因素間交互影響程度，最後再以統計方式探討火災持續時間之分配模式以及其標準差。在 ISO 9705 房間火災模擬實驗分析後，再以實尺寸(面積 5m×6m，房間高度. 2.5m、3m、3.5m，雙開口 0.8m×2.0m)模擬本所台南防火實驗室一樓辦公室空間，進行火災模擬實驗與驗證，本年度並初步探討撒水對火災持續時間之影響。電腦模擬方面係針對國內外利用 FDS 進行火災模擬的相關文獻作一文獻回顧與探討，以瞭解目前火災模擬的發展現況與瓶頸，之後再由實驗結果，作為數值模擬分析與驗證的對象，並且收集 FDS 模擬所需的相關性質與參數，作為後續需要比對的實驗數值資料。選定對象之後，便使用 Pyrosim 建模軟體建置數值模型，利用建置好的數值模型，給予適當的材料性質之後以及火源描述之後，便進行數值模型的測試，利用 NIST 開發出的 FDS 來進行模擬，並測試所建立模型之完整性。確定數值模型的完整性之後，便利用 FDS 進行數值模擬，並將所得到的模擬結果彙整。最後，將數值模擬結果與實際實驗所量測到的資料進行比對（以熱釋放率以及平均溫度為主），檢討數值模型或者模擬參數所需要改進的地方，並進行修正。利用修正過的模型與參數再次進行模擬運算，逐步改進模擬與實驗之間的差距。. 第二節建築物結構耐火性能檢證法及流程於第一章第二節中係就性能式設計的發展現況及內容作簡單的描述，過去的防火規定，大多是仰賴經驗及判斷所匯集的教訓而成，缺乏工學的方法理論。例 7.

(29) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究如對耐火建築物的建材，依用途、防火區域及規模，訂立了一定要求的耐火時間，只能從經認可的耐火構造中選擇工法。世界各國建築物結構耐火性能法規(丁育群,1998；丁育群及王鵬智,1999)訂定的目的為『滿足防火安全之需要，進一步防止火災時建築物延燒的擴大與倒塌，確保人命的安全、財物的保護及災後的持續使用』，至於建築物結構防火性能及評估方法則有所差異，其中日本「耐火性能檢證法之解說及計算例及其解說」. (2001)，就新修正建築基準法在設計階段即將耐火性能列入考慮以減低火災外力並建立抗高溫的穩定結構，其設計原則首先從樑、柱等支撐荷重材料來進行考量，支撐荷重材料之耐力隨著受熱時間之增加而減弱，但只要耐力大於作用荷重，建築物就不會倒塌，在日本「建築物綜合防火設計法、第４卷、耐火設計法」(1986)、「防‧耐火性能評価技術之開發報告書」(1997)及「耐火性能檢証法之解說及計算例及其解說」(2001)檢證法中，為了確認建築物之各項耐火要件是否能滿足所需的耐火性能，故定義在一定的作用荷重下不會崩塌的臨界點的火災保有耐火時間（ t fr ）須大於火災的繼續時間（ t f ），以決定設計是否安全與適當。至於美國則將結構防火安全的設計標準及規範規定於 ASCE STANDARD. (1998)的 Standard Calculation Methods for Fire Protection 由 ASCE（美國土木工程師協會）以及 SFPE（防火工程師協會）共同制訂結構防火標準計算方法，總共分成五章，以結構物種類制訂不同的計算方法，將結構分成鋼筋混凝土、木造、磚造、鋼結構等四類，並依照材料種類、結構束制情形及防火時效來規定不同的厚度以及防火評估計算方法。我國因與日本國情相近，丁育群(1998)、蕭江碧、張俊哲(2001) 及現行建築技術規則(2001)之訂定亦多受日本法之影響，且由於歐美各國法令之體制與我國差異甚大，國情與材料之使用習慣亦有所差異，若貿然採用其設計方法，所牽涉之層面不僅是法規的大舉翻修而已且還涉及政府組織架構的變動，如此所造成之衝擊將甚鉅；本文僅以日本之「防‧耐火性能評価技術之開發報告書」(1997) 為主要架構，探討有關火災的繼續時間。. 8.

(30) 第二章研究方法概述. 第三節建築物之檢證流程關於主要構造部分耐火性能的檢証，可從兩方面來加以檢證：（1）該建築物的屋內被預測發生火災部分；（2）在周圍發生一般火災部分，其檢證之流程如圖. 2.1 所示。對於屋內火災，依據建築物之室內狀態來算定『火災的繼續時間』。其次依該房間面臨之主要構造部分的狀態及預測該房間所發生之火災大小再加上發熱量的多寡，算出有主要結構的『屋內火災保有耐火時間』)。最後，確認主要構造部分之『屋內火災保有耐火時間』是否大於有關主要構造部分面臨房間之『火災的繼續時間』，來決定設計是否適當。以耐火性能檢証法來確認主要構造部份之必要性能是否能滿足的特徵，主要是以此構件之耐火時間長短來決定其是否滿足各自必要之防火性能（非損傷性、隔熱性、遮焰性），而非直接比較構件受火後所產生之溫度、應力等物理量，因建築物之各項耐火要件彼此不同，為了評價這些要件是否能滿足所需的時間，乃以最短的時間定義為火災保有耐火時間（ t fr ）來與火災的繼續時間（ t f ）相互比較，以決定設計是否安全與適當。. 屋內火災. 開始. 屋外火災. （各房間）算出火災之繼續時間 t f （各構件）. （各構件）. 定出屋內火災保有耐火時間之繼續時間. 定出屋外火災保有耐火時間之繼續時間. t fr. t fr. 條件變更. NO. 條件變更. t fr ≥ t f. NO. t fr ≥ 1hour (or 30 min.). YES. YES. 結束. 圖 2.1 耐火性能檢證法流程 9.

(31) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究. 第四節火災繼續時間之計算流程如圖 2.2 所示之流程預測屋內所發生火災的繼續時間：（1）需選定欲檢證之建築物;（2）選定欲檢驗之房間;（3）計算該室總發熱量;（4）計算該室內可燃物的每秒發熱量;（5）由開口、可燃物多寡及分佈情形、防火設備及該室高度計算出該室的火災溫度上升係數 α 以及構材附近溫度上升係數 α t ;（6）計算火災繼續時間。. 選定防火區劃建築物檢驗對象. 選定欲檢驗的火災房間或火災室. 計算該室的總發熱量 Qr = ql Ar + ∑ (q f Af d f ) + f a (qla Afa + ∑ (q fa Afa d fa )). 計算室內可燃物每秒的發熱量以及計算火災繼續時間. tf =. Qr (min) 60qb. ⎧1.6 XAfuel , ⎪ qb = ⎨0.13 A fuel ⎪ ⎩{2.5 X exp(−11X ) + 0.048} Afuel. ,( X ≤ 0.081). , (0.081 ≤ X ≤ 0.1) , (0.1 ≤ X ). 計算火災溫度上升係數 2. ⎛ ⎞3 qb α = 1280 ⋅⎜ ⎟ ⎜⎝ Σ ( Ac I h ) f op ⎟⎠. 計算構材附近火災溫度上升係數 ⎧500 ⎪. α t = ⎨500 − 100( z − 2) ⎪0 ⎩. 屋內火災繼續時間t. f. 火災溫度上升係數α. ( z ≤ 2) (2 ≤ z ≤ 7) (7 ≤ z ). 構材附近火災溫度上升係數. 圖 2.2 火災繼續時間之計算流程. 10. αt.

(32) 第二章研究方法概述. 第五節案例計算 (1)火災室選定方法中單位面積的可燃物發熱量之計算. 3 T2. T7. 4. R1. T1. T6 R2 5. G-2. 3. 4 6. 1. 7. Outlet. G-1. 2 T3. Inlet. R3. R5. T5. T4. T0 1. R4. 上圖辦公室之配置由表 2.1 計算可燃物發熱量，表 2.1 辦公室空間傢俱種類及火載量傢俱單元. 單位重(kg) 數量. 合計(kg) 燃燒熱(MJ/kg) 發熱量(MJ). 高木櫃 A. 52. 1. 52. 12.95. 606. 高木櫃 B. 48. 1. 48. 12.95. 559.4. 矮木櫃 C. 22. 1. 22. 12.95. 256.4. 桌板. 17.61. 1.39. 24.4. 12.95. 285.2. 椅面曲板. 4.8. 1. 4.8. 12.95. 55.9. 泡棉. 1.6. 1. 1.6. 23. 36.8. 布. 0.5. 1. 0.5. 16.9. 8.45. 扶手. 3.2. 1. 3.2. 16.9. 54.08. 腳架. 7.1. 1. 7.1. 16.9. 119.9. 布. 0.6. 7.17. 4.3. 16.9. 72.7. 蜂巢板(紙質). 1. 7.17. 7.17. 12.95. 92.8. 鐵件. 12.6. 7.17. 90.3. 0. 0. 椅子. 隔屏. 辦公室面積. 5m×6m=30 ㎡. 11.

(33) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究高木櫃 A 2 座高木櫃 B 2 座矮木櫃 C 3 座桌板. 8.35 ㎡. 椅子. 6張. 隔屏. 20.9 ㎡. 可燃物總發熱量 6900MJ. ∴ ql =. 6900 = 230MJ / m 2 30. (2)火災室內裝修材料發熱量之計算. 開口. 開口. 天花板高度：Hr=2.4m 外牆：ALC板. 本案例未作內部裝修。 (3)火災室之可燃物總發熱量（ Qr ）吸納可燃物及內裝用材料之發熱量總和. ql Ar + Σ (q f Af d f ) (MJ)＝6900(MJ) (4)有效開口因子之計算. 12.

(34) 第二章研究方法概述. 開口2. 開口1. 天花板高度：Hr=2.4m 開口1:A=1.6㎡ H=2m 開口2:A=1.6㎡ H=2m 外牆：ALC板. 開口 1 開啟，開口 2 關閉開口寬 Wop [m]. 1. 0.8. 高 H op [m]. 2. ∑A. op. 面積 Aop [m 2 ]. Aop H op [m5/ 2 ]. 1.6 H op = 2.26. 火災室高度 H r [m]. 地板面積 Ar [m 2 ]. 3.3. 30. [. 開口因子. 2.26. 間隙開口因子（ Ar H r / 70 ）. ]. ∑A. r. H r / 70 = 0.78. 有效開口因子 f op = Max ∑ Aop H op , Ar H r / 70 = 2.26. (5)計算可燃物表面積 ( A fuel = 0.26 × ql. 可燃物表面積 ( A fuel = 0.26 × ql. 1/ 3. (6)計算燃燒型支配因子（ χ = Max[. χ = Max[. 1/ 3. × Ar + Σϕ × A f ). × Ar + Σϕ × A f ) =47.79+0=47.79 ㎡. ∑ Aop H op Ar H r , ] ）及 qb 70 Afuel Afuel. ∑ Aop H op Ar H r , ] =0.047＜0.081 Afuel 70 Afuel 13.

(35) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究為換氣支配火災. qb = 1.6 × χ × A fuel = 1.6×0.047×47.79=3.59 .. 火災區劃內之熱釋放速度 Q =1500×2.26=3390kW. (7)計算火災繼續時間（ t f =. tf =. Qr ） 60qb. Qr = 6900/(60×3.36)=34.23min=2054sec 60qb. (8)閃燃熱釋放率與溫度計算. （a）利用 Babrauskas 之經驗公式，計算發生閃燃所需的最小熱釋放率. Q&= 750 A h 利用式來計算發生閃燃所需的最小熱釋放率前，必需先判斷 Aw 是否小於. 500A h ，因此 Aw =2×（6×5+6×2.4+5×2.4）=112.8 500 A h = 500×(0.8×2)×1.414=1131.4 由於 500A h > Aw，所以計算發生閃燃所需的最小熱釋放率，將 A=1.6m2 以及 h=2.0m 代入可得： •. Q = 750 × 1.6 × 2.0 = 1697 kW （b）利用 McCaffrey 之經驗公式，估算蓄積在辦公單元上方的煙氣層溫度取大氣溫度為 25℃，先將計算所需的各項參數之數值整理如下：. A=1.6 m2 AT=2×（6×5+6×3.5+5×3.5）-1.6×0.8=135.92 m2 14.

(36) 第二章研究方法概述. Cp=1.005 kJ/kg ⋅ K g =9.8 m/s2 h=1.8 m T0=300 K. ρ0 =1.2 kg/m3 牆壁的裝修材料性質（ALC）. ρ=1200 kg/m3. ⋅. Cw=0.88 kJ/kg K. ⋅. k=0.00027 kW/m K. kg kJ ⎛ ⋅ 1200 0.88 ⎜ m3 kg ⋅ K tp = ⎜ ⎜ 0.00027 kW ⎜ m ⋅K ⎝. ⎞ ⎟ ⎛ 0.2m ⎞2 ⎟⎜ ⎟ = 39110 s 2 ⎝ ⎠ ⎟ ⎟ ⎠. 假設閃燃發生時間 tc<tp=39110s， .. 以 Babrauskas 之經驗公式計算所得 Q = 1697 kW，以及上層煙氣溫度達到 600℃為閃燃發生時機，代入下式後可得到： 2. ⎞3 ⎛ 1697 ⎟⎟ ΔTg = 480⎜⎜ ⎝ 9.8 × 1.005 × 1.2 × 300 × 1.6 2.0 ⎠. ⎞ ⎛ 0.01689 × 135.92 ⎟⎟ ⎜⎜ ⎝ 9.8 × 1.005 × 1.2 × 1.6 2.0 ⎠. −. 1 3. =575℃ 1200. hk=. kg kJ kW ⋅ 0.88 ⋅ 0.00027 3 kg ⋅ K m⋅K m =0.01603kW/㎡ K tc. 閃燃發生時間 tc=1110sec 由本所94年研究計畫「建築防火安全設計與驗證研究(以辦公室為例)」實驗結果，燃燒時間為3300秒，閃燃發生時間於1000秒，如以閃燃發生時室內溫度600℃ 至實驗結束時間約2300 秒，與檢證法計算值2054 秒比較偏差值為-10.7％，如以 15.

(37) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究燃燒時間比較偏差值為-37.8％。依據本所『建築物構造防火性能驗證技術手冊』2.3 節對於火災的持續時間定義是為室內可燃物燃燒殆盡的時間，3.1 節對構造保有防火時效定義指的是可保持耐燃性能(非損壞性、隔熱性、防燄性、承載力)之極限的加熱時間，由手冊之認定如圖 2.1 構造保有防火時效大於等於火災的持續時間，即完成耐火性能設計與檢證。但由量測觀點來看，以質量量測為例，每次之量測結果並非一定值，而是一常態分配，更何況火災燃燒變因非常多，暫且假設火災持續時間遵循常態分配，構造之安全性以構造保有防火時效大於等於火災的持續時間認定時，當取構造保有防火時效等於火災的持續時間，則將有百分之五十機率產生失效，因此構造保有防火時效應以大於火災的持續時間加 3 個標準差，才能確保構造之安全性，此外，當有撒水設施時，構造保有防火時效得以等價降低之安全值為何，才能確保安全，尚待研究。. 圖 2.3 耐火性能的等價性 16.

(38) 第三章結果與討論. 第三章結果與討論第一節電腦模擬 Moghaddam 等人[11]發現，格點數的大小對於 FDS 在模擬上的準確度有重大的影響，在其研究中發現，50mm 的格點大小可以準確的重現溫度曲線，但是格點的大小與模擬準確度（預測能力）間的相關性，並不絕對呈現線性的狀況。在格點選擇上， Ma 等人 [12] 提出一火焰特徵直徑 D* 用以代表火的大小， 2. 2. ⎛ ⎞3 ⎛ ⎞5 Q& Q& * D =⎜ ⎟ =⎜ ⎟ D ，計算出的 D*值代入以下公式可 ⎜ρ c T g ⎟ ⎜ ρ c T gD D 2 ⎟ ⎝ ∞ p ∞ ⎠ ⎝ ∞ p ∞ ⎠ max (δ x, δ y, δ z ) * 得到火煙流（plume）的解析度， R = ，Bounagui 等人[13]建議 D* R*＝0.07 可有最佳解析度。Jukka 等人[14]利用 FDS 模擬不同材料在 CONE、SBI 以及 ROOM 的實驗狀況下火勢延燒現象，並與實驗資料作比對。其結果顯示 FDS 可以預測出火焰成長趨勢，但是對於火焰成長的詳細過程與最大熱釋放率則是有些許差異。其於結果中有提出一些可用於 FDS 上作為工程預測用途的材料性質。 Bounagui 等人[15]對於 FDS 模擬全尺度試驗裝置的格點最佳化進行探討，其發現在溫度時間的預測上，較細的格點其預測出的溫度較高，其同時指出，當解析參數 R*為 0.07 時，模擬的火焰解析 ion index）便可達到 1，即有最佳的火焰解析度。經由以上文獻回顧可得知，FDS 模擬的格點大小選擇上，最好是能夠讓 R*到. 0.07，以木堆燃燒的狀況去推算，木堆熱釋放率約為 500～2500kW，帶入上式計算，格點大小約在 5.5～12cm 間，若以 ISO9705 的空間來計算（2.4×3.6×2.4），約需要 1.2 萬～12 萬個格點間。本研究在模擬方面初步得到 FDS 在模擬上可以適時利用複合格點，即在反應劇烈或者是需要解析較清楚的地方予以使用細格點，在流場變化不大的地方則是使用粗格點，如此便可以有效增加運算速度。複合格點可有效增加運算效率，但是格點的選擇若錯誤，則會產生火焰侷限的效果，導致模擬的真實性降低。使用漸進式格點則無此問題發生，又可兼顧模擬的準確性。. FDS 模擬時可使用內建 database，裡面提供多種參數供使用，但是由於各地方所使用的材料性質有所不同，因此 FDS 所提供的 database 頂多只能用於練習，. 17.

(39) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究本研究在進行模擬過程中遭遇模擬瓶頸，經尋求 NIST Kevin 協助，Kevin 回覆表示 FDS 模擬模型必須再參考相關的模式，尤其是材料高溫熱解，要完成合理及與實驗結果相近的模擬尚有許多參數須設定，FDS 所附之 DATABASE 只是參考，不能保證適合各項模擬，模擬者仍須決定充分且適當之參數。實際使用上並無法透過內建的 database 達到準確的預測，因此材料的性質需經由文獻蒐集或者是實驗方法求得，以下透過列表 3.1 的方式整理出一般使用在 FDS 程式內的材料性質參數與其取得方式，供實驗參數選擇的參考。表 3.1 FDS 程式內的材料性質參數與其取得方式性質名稱 Tmpign. 參考值[註 1]. 物理意義材料被引. 經由 CONE 加熱，並在物體表面佈設測溫. 360. 燃之溫度 Heat_of_vaporizati. 蒸發潛熱. 實際取得方式. 點，取得物體被引燃時溫度 500. Δhg =. on. q&e′′ + q&′f′ − q&t′′ ……（1） m&′′. Marc(1993) DELTA. 厚度. 0.013. 對試體進行厚度量測. DENSITY. 密度. 450. 對試體進行密度量測. CHAR_DENSITY. 炭密度. 120. 對炭的進行密度量測. RAMP_KS. 隨溫度變. ID='RAMP_KS_SPR. KS 與 CP 值分別為熱傳導係數以及比. 化的熱傳. UCE'. 熱，隨溫度會有所變化，需要專門量測的. 導係數. F=0.1300/. 儀器進行量測。但可以利用文獻[2]與[3]. &RAMP. 所提的方式對物體的熱慣性（ kρc ）進. ID='RAMP_KS_SPR. 行量測。. UCE'. (qe′′) ….（2） 3 kρc = tig 2 2 (Tig − T∞ ). T=20.00. T=500.00. F=0.2900/ RAMP_C_P. 隨溫度變. &RAMP. 化的比熱. ID='RAMP_C_P_SP RUCE'. T=20.00. 其中 tig 、 Tig 、 T∞ 、 qe′′ 分別代表引燃時. F=1.20/. 間、引燃溫度、環境溫度與臨界熱輻射. &RAMP. 量。. ID='RAMP_C_P_SP RUCE' F=3.00/ &RAMP. 18. 2. T=500.00. ⎛ 4 ⎞⎛ 1 ⎞⎛ 1 ⎞⎟ kρc = ⎜ ⎟⎜ 2 ⎟⎜⎜ ..（3） 2 ⎝ π ⎠⎝ m ⎠⎝ ΔTig ⎟⎠ 其中 m、. ΔTig 分別代表熱反應參數.

(40) 第三章結果與討論（ Thermal Response Parameter) 以及. Tig − T∞ 。但以上之方法僅能得到低溫性質。. 註 1：以 FDS 資料庫 spruce 為參考。材料之熱性質可以利用 CONE 來量測，本研究木條熱性質量測結果如圖 3.1 所示，量測方法乃參考袁兵(2004)經由改變圓錐加熱器的熱輻射量，並量測材料引燃時間，可以求得材料的熱反應係數（ TRP ），熱反應係數定義為. ⎛π ⎞ TRP = ΔTig kρcP ⎜ ⎟ ，經由計算，可以求出材料的熱慣性 kρc ，作為模擬材料 ⎝4⎠ 性質之 DATABASE。 0.35. Dry Wet. 0.30. 線性 (Dry) 線性 (Wet). tig-0.5. 0.25 Dry y = 0.0044x - 0.0375. 0.20. 2. R = 0.8036 0.15 wet y = 0.0025x - 0.0226. 0.10. 2. R = 0.8569 0.05 0.00 0. 20. 40. 60. 80. Radiant heat flux (kW). 圖 3.1 木條熱性質量測數值模擬軟體，是相當方便的工具，可以透過簡單的設定就得到結果，其也有所謂 GIGO 的特徵，即 Garbage In Garbage Out，若所得的資料與實際狀況無法切合，則所得的推論無法有效預測。國內碩博士論文如李政儒(2005)、陳榮進(2000) 及李訓谷(2001)等以 FDS 使用於遠離火場區域或者是煙流預測的模擬上有很好準確度，但是對於近火場之燃燒特性的模擬準確度則較低。理由是因為材料性質的. 19.

(41) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究差異性大，加上 FDS 處理熱裂解與燃燒的模組尚未完整所致。本研究以 ISO9705 標準房間內燃燒木堆作為模擬對象，實際模擬結果顯示，使用與實驗條件相同 25kW 持續 90 秒的燃燒器來點燃木堆，試圖調整材料性質參數來使數值模擬結果能更接近實驗結果，模擬結果比較如圖 3.2 所示。模擬上主要調整 TMPIGN 與 heat_of_vaporization 這兩個參數，其中 test1~test10 為 A1B1（一堆木堆，木堆單層擺放 3 支木條）的實驗結果，FDS＃5、#6 以及#9 為 FDS 模擬木堆燃燒所得熱釋放率變化，其中＃5 與＃9 為相同的引燃溫度設定（TMPIGN＝. 180），蒸發熱（heat_of_vaporization）則分別為 500 與 1000；#6 與#9 則是相同的蒸發熱 1000，引燃溫度則分別為 300 與 180。由所得結果可知，在相同的蒸發熱設定下（#6 與#9），低引燃溫度時（#9），母火的設定可以順利引燃木堆，但是所得到的熱釋放率曲線與實驗值差距甚大，較高的引燃溫度設定（#6，TMPIGN＝300）則是無法引燃木堆，致使母火熄滅後隨記停止燃燒。另外測試在相同的引燃溫度下（#5 與#9），木堆引燃時間接近（第一個熱釋放率鋒值），若熱量足夠讓木堆引燃，則引燃溫度將決定木堆被引燃的時間，蒸發熱設定較高時，木堆被燃燒所產生的熱釋放率相對會較高，原因是其加熱過程中，會吸收較高的熱量，使得木堆有較多的熱量持續在火源熄滅後持續其延燒。經過多次嘗試調整 TMPIGN 與. heat_of_vaporization 之後，發現模擬結果並無法經由調整此兩參數達到更接近實驗的狀況，因此尚須進一步針對其他參數加以探討，如熱傳導係數、比熱…等。 1200. A1B1 (1 pile of woodcrib, 3 pieces each layer) Test1 Test1 Test3 Test4 Test5 Test6 Test7 Test8 Test9 Test10. RHR (kW). 800. FDS Simulation. 400. 0 0. 400. 800 1200 time (sec). 1600. 圖 3.2 模擬與實驗結果比較. 20. 2000.

(42) 第三章結果與討論. 第二節 ISO 9705 房間火災模擬實驗實驗規劃採用田口式方法二因素三水準，因子 A 為木堆擺放數量，因子 B 則為木堆的堆疊狀況，如圖 3.3 所示。目標因子為火焰持續時間。每組實驗進行 10 次，最後再利用田口式方法，分析各因子之間的關係。實驗上主要使用木堆作為研究對象，木堆材料為柳安木條，按照實驗規劃表所述堆疊而成。使用 25kW 熱量 200 秒作為 ISO9705 燃燒器的設定，並用此設定點燃木堆，作後續觀察。實驗紀錄項目包含 ISO 9705 Room 內部溫度，如圖 3.4 與圖 3.5 所示。除了內部溫度之外，燃燒木堆產生的熱輻射也經由安置於地板中央的熱輻射記予以監控。熱釋放率則是透過煙罩將煙器抽出，透過氧消耗法計算書燃燒木堆所產生的熱釋放率。. 圖 3.3 實驗參數與配置. 圖 3.4 天花板測溫點位置圖 21.

(43) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究. 圖 3.5 熱電偶樹相關位置. 第三節火災模擬實驗分析以耐火性能檢證法計算本研究木堆於 ISO9705 標準房間內燃燒之持續時間如下：由圓錐量熱儀測得木材發熱量為 14.09MJ/kg，每次實驗使用 45 支木條，平均單支重採耐火性能檢証法之解說及計算例及其解說(2001)第 7 章技術解說，加 2 倍標準差為 0.45kg，計算每次實驗單位面積燃燒熱 ql 為 33.02MJ/㎡。標準房間開口寬 0.8m、高 2m，開口面積 1.6 ㎡，計算其開口因子為 2.26，由房間寬 2.4m、長. 3.6m 及高 2.4m，房間面積 8.64 ㎡，計算開口因子為 0.19，取兩者大值得有效開口因子為 2.26，計算火災室吸納可燃物表面積得 7.21 ㎡、內裝材依圖 3.6(b)型式計算其表面積為 4.45 ㎡、可燃物表面積 11.66 ㎡，可得燃燒型支配因子(X) 0.19，燃燒熱 qb=1.23MW，經由計算可得到火災持續時間 tf=15.46 min=928sec，若不考慮內裝材，火災持續時間 tf=232sec。本研究因基於實驗安全性原則，實驗燃燒熱最大以不超過 800kW 為控制條件，由實驗結果進行持續時間之判讀，本研究依「建築物構造防火性能驗證技術手冊」(2005)2.3 節對火災的持續時間定義為室內可燃物燃燒殆盡的時間，採由引燃開始至燃燒殆盡之燃燒熱可量範圍取切線延伸所得時間值（ 1~4 ），另外參考 22.

(44) 第三章結果與討論. NFPA92B 之有效引燃時間方式，取有效引燃時間及衰減階段之切線所的之時間值（2~3）如圖 3.7 所示。. ) 計算範圍. 基材表面裝飾. ). 火災室. (. 火災室. 表面裝飾. 壁芯. 火災室. 表面裝飾. 火災室. 表面裝飾. 基材. (. 基材. (. (. ). ) 計算範圍. 計算範圍. 計算範圍. (a)直接在構造體表. (b)在不燃構造體貼上. (c)在安裝於不燃構. (d)在間柱等可燃材. 面進行裝飾加工時. 表面材時. 造體之木材等可燃性. 上貼上表面材時. 底材上貼表面材時. 圖 3.6 典型的牆壁裝飾加工方法. 圖 3.7 燃燒持續時間起迄點示意圖依統計學(2004)以右尾檢定如圖 3.8，假設母體為常態分配，母體標準差未知，樣本數 n≧30 時，稱為大樣本，抽樣分配 Z 分配，樣本數 n＜30 時，稱為小樣本，抽樣分配 t 分配，由耐火性能檢証法之解說及計算例及其解說(2001)第 7 章技術解說，對於室內的收納可燃物的地板面積每平方公尺總發熱量，是從以往調查結果推定平均值，用大致 1~2 個標準差估計，作為安全範圍，據此顯著水準設為 α=0.05，. A1B1、A1B2、A1B3、A2B1、A2B2、A2B3、A3B1、A3B2、A3B3 分別各進行 10 次，總計 90 次實驗，其持續時間統計於表 3.2~表 3.9，抽樣分配以 t 分配檢定， A1、A2、A3 合計各為 30 次，抽樣分配以 Z 分配檢定，以下為檢定結果。 23.

(45) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究. H0:μ≦928. H1:μ＞928. 放棄域：t＞(0.95,9)=2.82 接受域. 放棄域. 0.05. Z0(or t0). Z(or t). 圖 3.8 右尾檢定示意. 表 3.2 A1B1 燃燒實驗持時間統計. A1B1. 1. 2. 3. 4. 1~4. 2~3. T1. 50. 169. 617. 792. 742. 448. T2. 48. 178. 573. 771. 723. 395. T3. 46. 233. 847. 1100. 1054. 614. T4. 45. 146. 652. 913. 868. 506. T5. 43. 135. 559. 763. 720. 424. T6. 56. 207. 738. 1001. 945. 531. T7. 46. 115. 648. 811. 765. 533. T8. 51. 230. 778. 938. 887. 548. T9. 68. 920. 1436. 1931. 1863. 516. 52. 168. 648. 975. 923. 480. 949. 499.5. 339.57. 64.59. 0.20. -20.98. T10 平均值標準差. t0. 24.

(46) 第三章結果與討論表 3.3 A1B2 燃燒實驗持時間統計. A1B2. 1. 2. 3. 4. 1~4. 2~3. T1. 59. 201. 1080. 2146. 2087. 879. T2. 48. 121. 773. 1028. 980. 652. T3. 60. 263. 1226. 1502. 1442. 963. T4. 43. 127. 753. 1146. 1103. 626. T5. 40. 102. 758. 998. 958. 656. T6. 51. 123. 692. 1045. 994. 569. T7. 35. 95. 590. 962. 927. 495. T8. 53. 170. 827. 1035. 982. 657. T9. 31. 91. 570. 867. 836. 479. 30. 60. 577. 822. 792. 517. 1110.1. 649.3. 386.48. 159.37. 1.49. -5.53. T10 平均值標準差. t0. 表 3.4 A1B3 燃燒實驗持時間統計. A1B3. 1. 2. 3. 4. 1~4. 2~3. T1. 36. 143. 787. 1090. 1054. 644. T2. 43. 91. 770. 1044. 1001. 679. T3. 31. 52. 620. 923. 892. 568. T4. 29. 79. 683. 997. 968. 604. T5. 42. 118. 1231. 1393. 1351. 1113. T6. 32. 121. 617. ×. ×. 496. T7. 33. 88. 609. 1772. 1739. 521. T8. 68. 117. 554. 989. 921. 437. T9. 36. 99. 646. 1912. 1876. 547. 28. 77. 556. 1800. 1772. 479. 1286. 608.8. 405.95. 192.26. 2.79. -5.25. T10 平均值標準差. t0. 25.

(47) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究表 3.5 A2B1 燃燒實驗持時間統計. A2B1. 1. 2. 3. 4. 1~4. 2~3. T1. 43. 178. 1908. 2831. 2788. 1730. T2. 51. 246. 1637. ×. ×. 1391. T3. 48. 226. 1831. ×. ×. 1605. T4. 35. 179. 1407. ×. ×. 1227. T5. 35. 211. 1371. ×. ×. 1160. T6. 45. 246. 1740. ×. ×. 1494. T7. 41. 195. 1275. ×. ×. 1080. T8. 43. 197. 2904. ×. ×. 2707. T9. 43. 293. 2952. ×. ×. 2658. 48. 630. 2105. ×. ×. 1475. 2788. 1652.9. 標準差. ×. 578.1. t0. ×. 3.97. T10 平均值. 表 3.6 A2B2 燃燒實驗持時間統計. A2B2. 1. 2. 3. 4. 1~4. 2~3. T1. 38.6. 147. 1576. 3743. 3704.4. 1429. T2. 58. 141. 1429. ×. ×. 1288. T3. 38. 115. 1186. ×. ×. 1071. T4. 48. 112. 1105. ×. ×. 993. T5. 51. 96. 1455. ×. ×. 1359. T6. 56. 156. 1074. 2452. 2396. 918. T7. 68. 225. 2192. ×. ×. 1967. T8. 56. 180. 1570. 1947. 1891. 1390. T9. 48. 116. 1217. 2875. 2827. 1101. 48. 130. 1279. 1909. 1861. 1149. 2535.88. 1266.5. 765.031. 301.3025. 6.65. 3.55. T10 平均值標準差. t0. 26.

(48) 第三章結果與討論表 3.6 A2B3 燃燒實驗持時間統計. A2B3. 1. 2. 3. 4. 1~4. 2~3. T1. 31. 86. 671. 1175. 1144. 585. T2. 37. 92. 741. 1412. 1375. 649. T3. 43. 92. 1002. 3084. 3041. 910. T4. 37. 86. 1049. 1864. 1827. 963. T5. 39. 131. 946. 2465. 2426. 815. T6. 35. 123. 1058. 2161. 2126. 935. T7. 42. 111. 863. 2879. 2837. 752. T8. 47. 79. 1126. 2136. 2089. 1047. T9. 56. 563. 2150. ×. ×. 1587. 47. 144. 1122. 1832. 1785. 978. 2072.2. 922.1. 標準差. 626.7. 277.2. t0. 5.77. -0.067. T10 平均值. 表 3.7 A3B1 燃燒實驗持時間統計. A3B1. 1. 2. 3. 4. 1~4. 2~3. T1. 59. 608. ×. ×. ×. x. T2. 63. 273. 1091. 4983. ×. 818. T3. 56. 1009. 2848. ×. ×. 1839. T4. 60. 544. 3093. ×. ×. 2549. T5. 44. 466. 3056. ×. ×. 2590. T6. 49. 513. 1790. ×. ×. 1277. T7. 60. 190. 1941. ×. ×. 1751. T8. 49. 190. 2134. ×. ×. 1944. T9. 60. 237. 2457. ×. ×. 2220. 49. 352. 1779. ×. ×. 1427. ×. 1823.89. 標準差. ×. 587.15. t0. ×. 4.83. T10 平均值. 27.

(49) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究表 3.8 A3B2 燃燒實驗持時間統計. A3B2. 1. 2. 3. 4. 1~4. 2~3. T1. 54. 54. 1362. ×. ×. ×. T2. 49. 487. 1764. ×. ×. 1277. T3. 65. ×. ×. ×. ×. ×. T4. 48. ×. 953. ×. ×. ×. T5. 76. 260. 1949. ×. ×. 1689. T6. 52. ×. ×. ×. ×. ×. T7. 43. ×. 2172. ×. ×. ×. T8. 58. 58. 200. 1322. ×. 142. T9. 46. ×. 1957. ×. ×. ×. 46. ×. 2334. ×. ×. ×. ×. 1036. 標準差. ×. 801.16. t0. ×. 0.43. T10 平均值. 表 3.9 A3B3 燃燒實驗持時間統計. A3B3. 1. 2. 3. 4. 1~4. 2~3. T1. 51. ×. 1045. ×. ×. ×. T2. 51. ×. 627. ×. ×. ×. T3. 49. 620. ×. ×. ×. ×. T4. 65. ×. 932. ×. ×. ×. T5. 62. 83. 141. 413. ×. 58. T6. 53. 86. 228. 490. ×. 142. T7. 54. 85. 173. 530. ×. 88. T8. 50. 83. 177. 1094. ×. 94. T9. 44. 81. 183. 1069. ×. 102. 69. 85. 156. 660. ×. 71. ×. 92.5. 標準差. ×. 29.04. t0. ×. -91.0. T10 平均值. A1（一堆木堆）的計算結果與木堆疏密變化燃燒實驗所得，經統計 t 分配檢定，(1~4)及(2~3)之持續時間皆 t0＜(0.95,9)=2.82，落在接受域，差異不顯著，即計算結果屬實。但對於 A2（兩堆木堆）以及 A3（三堆木堆）的狀況下，統計 t 分配 28.

(50) 第三章結果與討論檢定的結果顯示，(1~4)及(2~3)之持續時間 t0 皆大於 2.82，因此計算結果在這種可燃物分散的狀況下，便會失效。就 A1、A2 與 A3 條件分別進行 Z 分配檢定，結果顯示 A1 落在接受域，差異不顯著，即計算結果屬實，但 A2 與 A3 則未落在接受域內。. A1 平均值(1~4)：1109.14，標準差：389.07，Z0：1.40 平均值(2~3)：585.87，標準差：157.45，Z0：-6.52. A2 平均值(1~4)：2274.49，標準差：679.11，Z0：5.95 平均值(2~3)：1280.51，標準差：497.93，Z0：2.12. A3 平均值(1~4)：---，標準差：----，Z0：--平均值(2~3)：1115.44，標準差：934.96，Z0：0.60 放棄域：Z＞Z0.95：1.64 由圖 3.9 至圖 3.11 為 A1 實驗組與計算持續時間常態分配圖，實驗結果係以 3 個標準差繪製，計算結果以時間 0 起以 2 個標準差繪製，圖中顯示出以(1~4)為持續時間，則計算結果雖已取 1~2 個標準差作完安全範圍，但結果顯然會有 50％機率以上會大於計算結果，惟以(1~4)為持續時間認定時，會將引燃階段及最後殘焰階段皆計入，然而此兩部分在過程中有非常大的機率遠長於成長至衰減階段；以. (2~3)為持續時間認定顯然較(1~4)時間段認定方式合理，以此時間段以 2 個標準差比較，實際燃燒結果將有 0.4 個標準差機率大於計算值。由圖 3.12 可發現以整體統計分析，實驗值以(2~3)為持續時間，與此時間段以. 2 個標準差之計算值比較，計算值大於實驗值，計算值符合安全範圍。由圖 3.13~3.15 與圖 17~19 分別為 A2B1、A2B2、A2B3 與 A3B1、A3B2、A3B3 的實驗與計算持續時間常態分配圖，圖中的實驗結果同樣以 3 個標準差繪製，計算結果則以時間 0 起以 2 個標準差繪製，圖中有部分並未顯示出以(1~4)所計算的持續時間，理由是在兩堆與三堆木堆燃燒的狀況下，木堆本身在引火源熄滅後並無法持續有較大的火勢，而僅以緩慢延燒的方式，因此點 4 的時間不易定義。由圖中結果顯示，計算結果雖已取 1~2 個標準差作完安全範圍，但計算結果落於實驗結果區域的範圍相當小，其主要原因在於相同可燃物量但其分佈面積較分散，可燃物僅於引火源處燃燒，且燃燒產生之熱量不足以延燒至全部可燃物，因此於引火源熄滅後，在失去持續熱源供應下，緩慢熄滅可燃物並未全部燃燒，仍殘留有大量未被引燃之可燃物。由圖 3.16 與圖 3.17 可發現以 A2 與 A3 整體統計分析，實驗值以(2~3)為持續 29.

(51) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究時間，與此時間段與 2 個標準差之計算值比較，實驗值雖大於計算值，但其燃燒危害程度遠低於計算值之條件，於此情形下計算值仍符合安全範圍。 0.007. A1B1 0.006. 1~4 2~3 cal. 機率密度. 0.005. 0.004. 0.003. 0.002. 0.001. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500. 持續時間(sec). 圖 3.9 A1B1 實驗與計算持續時間常態分配圖 0.007. A1B2 1~4 2~3 cal. 0.006. 機率密度. 0.005. 0.004. 0.003. 0.002. 0.001. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500. 持續時間(sec). 圖 3.10 A1B2 實驗與計算持續時間常態分配圖. 30.

(52) 第三章結果與討論 0.007. A1B3 1~4 0.006. 2~3 cal. 機率密度. 0.005. 0.004. 0.003. 0.002. 0.001. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500. 持續時間(sec). 圖 3.11 A1B3 實驗與計算持續時間常態分配圖 0.007. A1 0.006. 1~4 2~3 cal. 機率密度. 0.005. 0.004. 0.003. 0.002. 0.001. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500. 持續時間(sec). 圖 3.12 A1 實驗與計算持續時間常態分配圖. 31.

(53) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究 0.003. A2B1 0.0025. 2~3 cal. 機率密度. 0.002. 0.0015. 0.001. 0.0005. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500. 持續時間(sec). 圖 3.13 A2B1 實驗與計算持續時間常態分配圖 0.009. A2B2 1~4 2~3 cal. 0.008. 0.007. 機率密度. 0.006. 0.005. 0.004. 0.003. 0.002. 0.001. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500. 持續時間(sec). 圖 3.14 A2B2 實驗與計算持續時間常態分配圖. 32.

(54) 第三章結果與討論. 0.009. A2B3 1~4 2~3 cal. 0.008. 0.007. 機率密度. 0.006. 0.005. 0.004. 0.003. 0.002. 0.001. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500. 持續時間(sec). 圖 3.15 A2B3 實驗與計算持續時間常態分配圖 0.003. A2 1~4 2~3 cal. 0.0025. 機率密度. 0.002. 0.0015. 0.001. 0.0005. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600 700. 800. 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500. 持續時間(sec). 圖 3.16 A2 實驗與計算持續時間常態分配圖. 33.

(55) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究 0.003. A3B1 0.0025. 2~3 cal. 機率密度. 0.002. 0.0015. 0.001. 0.0005. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500. 持續時間(sec). 圖 3.17 A3B1 實驗與計算持續時間常態分配圖 0.009. A3B2 0.008. 2~3 cal. 0.007. 機率密度. 0.006. 0.005. 0.004. 0.003. 0.002. 0.001. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500. 持續時間(sec). 圖 3.18 A3B2 實驗與計算持續時間常態分配圖. 34.

(56) 第三章結果與討論. 0.016. A3B3 2~3 cal. 0.014. 0.012. 機率密度. 0.01. 0.008. 0.006. 0.004. 0.002. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500. 持續時間(sec). 圖 3.19 A3B3 實驗與計算持續時間常態分配圖 0.003. A3 0.0025. 2~3 cal. 機率密度. 0.002. 0.0015. 0.001. 0.0005. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600 700. 800. 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500. 持續時間(sec). 圖 3.20 A3 實驗與計算持續時間常態分配圖由圖 3.21 可發現，以本研究木堆實驗在燃燒過程中，木堆之排列疏密程度將 35.

(57) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究影響燃燒之成長，以本研究目前完成之實驗結果顯示，每排 3 支有較充分之空氣於木堆中，且木條之表面積相對較大，因此引燃後成長較快速，相對排列越密，即木堆中自由空氣較受限，且木條之表面積相對較小，因此引燃後成長速率有降低之趨勢如圖 3.22 所示，由成長速率亦可發現，成長速率快其燃燒持續時間短，反之持續時間則有延長之情，同時成長速率快，對於燃燒最大熱釋放率有較大之情形。. 第四節熱釋放率變化由圖 3.23 熱釋放率的變化情形來看，隨著木堆單層的擺放密度的增加，燃燒熱釋放率的鋒值產生時間會延後，原因是因為木堆的單層擺放密度增加時，木堆的高度會降低，而燃燒器的位置擺置於第一堆木堆的中央下方，因此當母火點燃時，會先加熱木堆中央部分，當木堆的單層擺放密度較高時，木堆可同時加熱的層數便降低，因此初期的火焰延燒速度較慢，火焰緩慢由中央火源處往外擴散，整堆木堆被引燃的時間隨之延後，因此木堆的單層擺放密度增加時，熱釋放率鋒值發生時間會延後。觀察一堆木堆在不同的單層擺放密度下，產生的熱釋放率鋒值的差異，隨著木堆單層擺放密度的增加，熱釋放率的鋒值會降低，原因是在一堆木堆的實驗中，木堆的總數均固定為 45 支，因此總熱釋放接近，因此燃燒時間會增長，以致於木堆燃燒的熱釋放率鋒值會降低。由圖 3.24 兩堆木堆的燃燒狀況觀察，可明顯發現木堆燃燒所產生的熱釋放率鋒值明顯降低，但相對的燃燒時間也變長，在不同木堆單層擺放密度下，熱釋放率鋒值的變化情形與單堆木堆並無一致性，即熱釋放率鋒值的發生時間與大小與木堆單層擺放密度並沒有絕對的關係。觀察兩堆木堆燃燒的現象，發現其熱釋放率曲線上升的趨勢較為陡峭，主要原因是直接受到火源加熱，因此燃燒較容易。但當熱釋放率達到一鋒值之後，便緩慢下降，不像一堆木堆的熱釋放率變化較為陡峭。當第一堆木堆旺盛時，火焰並不會立刻引燃到第二堆木堆，而是先將第二. 36.

(58) 第三章結果與討論堆木堆加熱，待第一堆木堆快燒盡時才開始第二堆木堆的燃燒，而且第二堆木堆並無額外的火源供給，因此僅靠木條本身火焰延燒來維持，因此在熱釋放率曲線上並不會因為第二堆木堆引燃而有明顯的突起，而是緩慢燃燒直到熄滅。比較一堆木堆與兩堆木堆的燃燒狀況，發現兩堆木堆的熱釋放率明顯來得低，主要原因是木條總數均為 45 支（火載量固定），因此當相同數目的木條分成兩堆木堆時，置於燃燒器上方的木條數量便減少，使得直接被燃燒器引燃的木條數目降低，因此熱釋放率較低，當火焰由第一堆木堆中央緩慢延燒到木堆邊緣時，第二堆木堆會受到加熱而被引燃，此時第二堆木堆的燃燒才開始，但第一堆木堆已經接近完全燃燒，因此使得整個木堆的燃燒時間拉得很長，而產生的熱釋放率鋒值也隨之降低。. 37.

(59) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究 400 A1B1 T=0.01432t2 R2=0.905. Temperature(oC). 300. 200. 100. 0 400. Temperature(oC). A1B2 T=0.00084t2 R2=0.80. 300. 200. 100. Temperature(oC). 400. A1B3 T=0.00265t2 R2=0.94. 300. 200. 100. 0. 120. 240. 360. 480. 600. time(sec). 圖 3.21 A1B1~B3 燃燒成長模式比較 38. 720.

(60) 第三章結果與討論. 0.016. 0.014. 0.012. 0.008. 2. t -a值. 0.01. y = -0.0068Ln(x) - 0.0084. 0.006. R2 = 0.5578. 0.004. 0.002. 0 0. 0.05. 0.1. 0.15. 0.2. 0.25. 0.3. 單位面積密度比(kg/m3/m2). 圖 3.22 A1B1~B3 燃燒成長 t2 係數值關係. RHR (kW). 1000. A1B1. A1B2. A1B3. (1 pile of woodcrib, 3 pieces each layer). (1 pile of woodcrib, 9 pieces each layer). (1 pile of woodcrib, 15 pieces each layer) Test1 Test1 Test3 Test4 Test5 Test6 Test7 Test8 Test9 Test10. 800 600 400 200 0 0. 400 800 1200 0. 400 800 1200 0 time (sec). 400 800 1200 1600. 圖 3.23 不同單層擺放密度下，1 堆木堆燃燒熱釋放率隨時間變化圖. 39.

(61) 建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究. RHR (kW). 1000. A2B1. A2B2. A2B3. (2 piles of woodcrib, 3 pieces each layer). (2 piles of woodcrib, 9 pieces each layer). (2 pile of woodcrib, 15 pieces each layer) Test1 Test1 Test3 Test4 Test5 Test6 Test7 Test8 Test9 Test10. 800 600 400 200 0 0. 400 800 1200 0. 400 800 1200 0 time (sec). 400 800 1200 1600. 圖 3.24 不同單層擺放密度下，2 堆木堆燃燒熱釋放率隨時間變化圖圖 3.24 將相同單層擺放密度下（3 支/層），不同木堆數量的熱釋放率變化加以比較，可以發現單一木堆燃燒速度與熱釋放率最高，在相同火載量下，木堆分散時，燃燒速度會減緩，且熱釋放率會降低。由於擺放三堆木堆時，每堆木堆僅分配到 15 支木條，當第一堆木堆被火源加熱時，因為木條數目不多，因此直接受到火源加熱後的部分並不足以產生大量的燃燒熱，以致於木堆僅靠本身緩慢延燒來傳遞火焰。. RHR (kW). 1000. A1B1. A2B1. A3B1. (1 pile of woodcrib, 3 pieces each layer). (2 piles of woodcrib, 3 pieces each layer). (3 piles of woodcrib, 3 pieces each layer) Test1 Test1 Test3 Test4 Test5 Test6 Test7 Test8 Test9 Test10. 800 600 400 200 0 0. 500 1000 1500. 0. 500 1000 1500 0 time (sec). 500 1000 1500 2000 time (sec). 圖 3.25 相同擺放密度下，不同木堆數量，燃燒熱釋放率隨時間變化圖. 40.