實尺寸構架屋火害行為先期規劃研究

實尺寸構架屋火害行為先期規劃研究

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國 102 年 12 月

實尺寸構架屋火害行為先期規劃研究

受 委 託 者 ： 財團法人成大研究發展基金會

研 究 主 持 人 ： 朱聖浩

研

究

員 ： 賴啓銘、朱世禹、鍾興陽

研 究 助 理 ： 陳紀融、楊卓敏、簡高竹、翁佩如

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國 102 年 12 月 （ 本 報告 內 容 及 建 議 ， 純 屬研 究 小 組 意 見 ， 不 代表 本 機 關 意 見 ）

目次

目次

表次 ... Ⅲ

圖次 ... Ⅴ

摘要 ... Ⅶ

第一章 緒論 ... 1

第一節 研究緣起與背景 ... 1

第二節 研究目的 ... 3

第三節 研究步驟流程 ... 4

第二章 文獻回顧 ... 5

第一節 開放空間與區劃空間火災實驗 ... 5

第二節 鋼結構之高溫火害行為 ... 12

第三節 鋼結構建築火害後之結構系統識別 ... 25

第三章 研究方法 ... 29

第一節 對於擬設場址之瞭解 ... 30

第二節 研究對象之選定與研究軸線之定調 ... 30

第三節 開展與「全尺寸火災實驗」有關之研究課題 ... 32

第四節 開展「整合 Fire-Structure 計算」之研究課題. 35

第五節

開展「火害後鋼構建築健康監測與診斷」之研究課題

. 36

第四章 實尺寸構架屋之初步設計 ... 39

第一節 實尺寸構架屋之柱位配置 ... 39

第二節 實尺寸構架屋之梁柱尺寸 ... 40

第五章 結論與建議 ... 57

第一節 結論 ... 57

第二節 建議 ... 60

附錄一 期中與期末審查會議記錄 ... 97

附錄二 專家學者座談會議記錄 ... 109

附錄三 九層樓樣板鋼構大樓之結構設計圖 ... 129

附錄四 四層樓鋼構架屋之結構設計圖(方案一) ... 133

附錄五 四層樓鋼構架屋之結構設計圖(方案二) ... 153

附錄六 觀測屋架與儀器架設屋架之結構設計圖 ... 173

參考書目 ... 177

表次

表次

表 2-1 內政部建築研究所 10MW 大尺度燃燒分析之相關研究案

... 6

表 2-2 內政部建築研究所使用 ISO9705 實驗分析裝置之相關研

究案 ... 9

表 2-3 內政部建築研究所全尺寸實驗屋無撒水頭火災試驗之相

關研究案 ... 10

表 2-4 內政部建築研究所使用 ISO9705 實驗屋之相關研究案 ..

... 11

表 3-1 研究議題、空間尺度、建築系統、火場實務之關連性 ...

... 31

表 3-2 全尺寸火災實驗儀器配置 ... 34

表 4-1 樣板鋼構大樓 1 層樓之梁柱版尺寸表 ... 44

表 4-2 樣板鋼構大樓 1 至 2 層樓之梁柱版尺寸表 ... 45

表 4-3 樣板鋼構大樓 3 至 6 層樓之梁柱版尺寸表 ... 45

表 4-4 樣板鋼構大樓 7 至 9 層樓之梁柱版尺寸表 ... 45

表 4-5 樣板鋼構大樓 R 層樓之梁柱版尺寸表 ... 46

表 4-6 方案一鋼構架屋 1 層樓之梁柱版尺寸表 ... 49

表 4-7 方案一鋼構架屋 2 層樓之梁柱版尺寸表(LL=300kg/m2)

... 50

表 4-8 方案一鋼構架屋 3 至 4 層樓之梁柱版尺寸表

(LL=300kg/m2) ... 50

表 4-9 方案一鋼構架屋 R 層樓之梁柱版尺寸表(LL=4,000kg/m2)

... 50

表 4-10 方案二鋼構架屋 1 層樓之梁柱版尺寸表 ... 54

表 4-11 方案二鋼構架屋 2 至 4 層樓之梁柱版尺寸表 ... 55

表 4-12 方案二鋼構架屋 R 層樓之梁柱版尺寸表 ... 55

表 5-1 各分項所開展之子項計畫課題與期程 ... 58

表 5-2 實尺寸鋼構架屋靜與動載重實驗與數值分析立即可行之

建議 ... 63

表 5-3 全尺寸火災實驗立即可行之建議 ... 64

表 5-4 實尺寸構架系統進行隔減震裝置火害前後之效益評估立

即可行之建議 ... 65

圖次

圖次

圖 1-1 研究流程 ... 4

圖 2-1 實驗室外觀 ... 23

圖 2-2 實驗室剖面圖 ... 24

圖 2-3 大尺度結構測試設備 ... 24

圖 3-1 擬設場址之基地現況說明 ... 31

圖 3-2 丙烷燃燒器 ... 33

圖 3-3 單組熱電偶樹示意 ... 33

圖 4-1 實尺寸鋼構架屋可採用之柱位配置 ... 39

圖 4-2 實尺寸鋼構架屋與實驗場址之平面比例關係圖 ... 40

圖 4-3 樣板鋼構大樓與方案一的實尺寸鋼構架屋之示意圖 ... 41

圖 4-4 樣板鋼構大樓與方案二的實尺寸鋼構架屋之示意圖 ... 41

圖 4-5(a) 樣板鋼構大樓初步設計之 1 層結構平面圖 ... 42

圖 4-5(b) 樣板鋼構大樓初步設計之 2-9 層結構平面圖 ... 42

圖 4-5(c) 樣板鋼構大樓初步設計之 R 層結構平面圖 ... 43

圖 4-6 樣板鋼構大樓初步設計之立面圖 ... 43

圖 4-7 樣板鋼構大樓初步設計之 3D 圖 ... 44

圖 4-8(a) 方案一鋼構架屋初步設計之 1 層結構平面圖 ... 46

圖 4-8(b) 方案一鋼構架屋初步設計之 2-4 層結構平面圖 ... 47

圖 4-8(c) 方案一鋼構架屋初步設計之 R 層結構平面圖 ... 47

圖 4-9 方案一鋼構架屋初步設計之立面圖 ... 48

圖 4-10 方案一鋼構架屋初步設計的 3D 模型圖 ... 49

圖 4-11(a) 方案二鋼構架屋初步設計之 1 層結構平面圖 ... 51

圖 4-11(b) 方案二鋼構架屋初步設計之 2-4 層結構平面圖 ... 52

圖 4-11(c) 方案二鋼構架屋初步設計之 R 層結構平面圖 ... 52

圖 4-12 方案二鋼構架屋初步設計之立面圖 ... 53

圖 4-13 方案二鋼構架屋初步設計的 3D 模型圖 ... 54

圖 5-1 成功大學歸仁校區「複合性災害先端研究園區」配置圖

摘要

摘 要

關鍵詞：建築防火安全、火災、火場延燒、結構安全、結構系統識別 一、研究緣起 經由實尺寸火場實驗數據的比對與驗證，吾人可以有系統地且正確 地瞭解實際建築物受到火災侵襲時的反應與變化，然而，目前規範所採 用之結構火害實驗，僅針對單一構件在標準升溫曲線下受火害的耐火性 能進行試驗與評估，對於較複雜的建築物與火災情境，此種實驗方法往 往難以提供整體建築物受火災的狀況。同時，火災會因為起火方式、延 燒速度、延燒模式的不同，使得火災熱流場之溫度分佈有相當大的差異， 因此對建築物構造亦有不同程度的傷害，而建築構件如柱、梁也會因為 所在位置之不同以及與樓板、隔間牆的相對位置，使得構件遭受一面乃 至於多面之高溫暴露，結構體內部產生不均勻溫度分佈，此種特別的熱 應力條件將使得建築物火害後的結構強度發生變化，對於火害後建築物 結構安全之影響甚大。因此，最佳的火害評估方式應該是在實際火災場 景的情況下，利用實尺寸構架屋進行火災實驗來加以驗證。 二、研究方法及過程 本研究以建構實(足)尺寸(full-scale)鋼構造實驗屋之規劃設計與相 關前置作業為主要目標，再針對此鋼構造實驗屋所擬之空間型態與可能 之火災情境，進行後續火場實驗之研究規劃，以建構日後火災動力、構 造火害行為、火害後結構安全評估等多層次研究所需之設施與課題。

三、重要發現 本研究團隊在蒐集數個國內具有代表性的鋼構大樓案場資料，同時 彙整歷次工作會議與專家學者座談之建議，進行相關研究與分析，在考 量未來實尺寸鋼構造實驗屋的興建成本、研究經費及實驗場址的面積限 制等因素下，初步發現：採用 2 跨×2 跨包含 9 根柱子或 3 跨×2 跨包含 12 根柱子，最適合本計畫所需實尺寸鋼構造實驗屋之柱位配置。其在結構 上的柱系統能形成基本的內柱、外柱、角柱的區分，而在梁系統能形成 基本的內梁、外梁的分別。同時依照國內建築法規、鋼結構規範、耐震 規範以及國內常用之鋼構建築型式，設計一棟 9 層樓高之樣板鋼構大樓 (Model Building)，並由樣板鋼構大樓之下層部分取出四層樓的做為本研 究案所需之實尺寸鋼構造實驗屋。 四、主要建議事項 本所與國立成功大學合作，於成大歸仁校區設有防火實驗中心、風 雨風洞實驗室、性能實驗中心等國家級研究單位，專研都市與建築安全 防災技術研究。同時成大與財團法人國家實驗研究院將於成大歸仁校區 建置國家地震工程研究中心第二實驗設施，專研近斷層地震耐震對策和 中高樓層耐震性能研究。上述兩者實驗設施比鄰而立，使得我國首創跨 領域合作之「複合性災害先端研究園區」隱然成形。然而，我國現有結 構防火實驗設施僅能針對單一構件進行試驗，對整體建築物火災後安全 性是無法評估；加上國內地震發生頻繁，建築結構在火害與地震前後其 結構強度變化與交互影響之複合式災害，須以實尺寸構架屋進行實驗評 估，以瞭解建築物受複合式災害之結構行為，國內外有關建築實尺寸複

摘要 合性災害的研究設施仍是缺乏的。為了有效填補上述我國複合性災害研 究缺口，同時規劃獨步全球之唯一戶外實體建築配置隔震裝置試驗平 台，本研究提出辦理有關「複合性災害先端研究園區」建置之具體建議， 以下分別從立即可行建議及中長期建議加以列舉。 建議一(立即可行建議) 計畫名稱：「複合性災害先端研究園區」之建築實尺寸鋼構架屋先導規劃 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：國立成功大學、國家地震工程研究中心（第二實驗設施） 立即可完成事項之基本概述內容如下： (一) 有限元素模擬鋼構架屋火災前後之結構行為 (二) 實尺寸鋼構架屋火場情境設定之 FDS 模擬 (三) 配置隔減震裝置之實尺寸構架屋先期規劃研究 建議二(中長期建議) 計畫名稱：「複合性災害先端研究園區」之建築實尺寸構架屋實驗設施建置 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：國立成功大學、國家地震工程研究中心（第二實驗設施） 中長期建議可完成事項之基本概述內容如下： (一) 建置實尺寸鋼構架屋實驗設施 (二) 實尺寸鋼構架屋靜與動載重實驗與數值分析 (三) 執行全尺寸火災實驗

(四) 實尺寸構架系統火害前後巨觀參數識別及損壞指標之建立 (五) 應用實尺寸構架系統進行隔減震裝置火害前後之效益評估 (六) 火害中與火害後鋼構建築之材料與結構行為研究

摘要

Abstract

Keywords: Building fire safety; fire spread; structural safety; parameter identification

Through the comparisons and verifications of the full-scale fire experimental data, we can systematically and correctly understand the responses and variations of real buildings subjected to fire. However, the structural fire tests adopted by the specifications and codes for the time being only focus on testing and evaluating a single structural component subjected to the fire according to the standard elevating temperature-time curve. For more complicated buildings and fire scenarios, this kind of fire tests usually cannot provide the fire responses of the whole building. Besides, the temperature distribution of the heat flow field for a building in fire varies due to different fire ignition methods, fire spreading speeds and fire spreading scenarios. The temperature distribution of a structural component, such as beam or column, is not uniform in a building fire because of its relative location to floor and wall, and its exposed surfaces to fire. This special kind of thermal-stress condition causes the strength variation of a building structure after fire, and has a large influence for the structural safety of a post-fire building structure. Therefore, the best fire assessment method is to use the full-scale building structure subjected to the real fire scenarios for verification.

The main objective of this research project is to establish the plan, design, and preliminary tasks of a full-scale steel framed experimental building. In addition, the followed research topics related to the fire experiment of the full-scale steel framed building, such as fire dynamics, structural behaviors in fire and post-fire structural safety assessments, will be drawn up according to

the space pattern and possible fire scenarios.

This project concludes that: (1) complete the plan, design and preliminary tasks of a full-scale steel framed experimental building; (2) collect the research literatures and data related to steel framed experimental buildings, including fire dynamics, structural behaviors in fire and post-fire structural safety assessments, and extend and compile the related research topics; (3) draw up the executable research items and topics of the full-scale steel framed experimental building.

This project comes to the immediate and long-term strategies. For immediate strategies:

1. Finite element simulation of full-scale steel structural behavior before and after the fire.

2. FDS simulation of fire scenarios of full-scale steel building in fire. 3. Preliminary studies of full-scale steel building equipped with base

isolation devices. For long-term strategies:

1. Establishment of the full-scale model building and fire test facility for complex disaster risk evaluation.

2. Static/dynamic loading tests and numerical simulations of full-scale steel building.

3. Room fire tests.

4. Global parameters identification and establishment of damage indices for full-scale building in fire and after fire.

5. The seismic performance evaluation of full-scale building equipped with base isolation and energy dissipation devices in fire and after fire.

6. The studies of material properties and structural behaviors of the steel-framed experimental building in fire and after fire.

第一章 緒論

第一章 緒論

第一節 研究緣起與背景

近年來，國內民生需求和人民生活水準不斷提昇，都會區的擴展與 住宅區的形成非常快速，對於嚴重影響社區公共安全和個人身家財產的 建築防火議題顯得日愈重要，也受到政府與民間的高度重視。因此，貴 所多年來一直著力於推動建築防火研究，期盼建築防火研究成果能落實 於火災預防與提昇滅火效能，進而促進台灣社會安全。 火災設計是對於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)、最大熱釋放率、穩定燃燒期(Steady State Phase) 與衰退期(Decay Phase)。而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。

此外，有關目前規範所採用之結構火害實驗，僅針對單一構件(例如： 梁、柱…等)在標準升溫曲線下受火害的耐火性能進行試驗與評估，對於 較複雜的建築物與火災情境，此種實驗方法往往難以提供整體建築物受

火災的狀況，因為，這些單一構件在實際鋼結構建築中與其他構件相連 接，其真實的邊界條件所造成之影響難以在單一構件層級的結構火害實 驗中顯現，因此利用實尺寸構造屋來進行火害實驗，瞭解各構件在實際 建築結構中的火害行為，實有其必要性。 台灣位處環太平洋地震帶，自西元 1736 年迄今，平均 15~20 年發生 一次劇災型地震。二十世紀當中，平均每年因地震死亡人數超過 70 人， 年經濟損失亦超過 300 億元，災害規模遠高於以農業損失為主的颱洪損 失，而甫於 2011 年 3 月 11 日，同處於環太平洋地震帶的鄰國日本發生 地震引致之海嘯，造成非常嚴重之災情及損害，且亦常伴隨火災之災情。 對於此類複合式災害後建築之復建，往往需要快速之評估機制，以了解 臨時救災或收容中心建築之可堪用程度，以降低後續餘震之二次災損。 因此對於火災後鋼構造建築物之耐震能力評估之相關研究亟需進行，藉 由系統識別技術之應用，將可開展相關評估參數之識別研究。 過去的防火規定，多為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』(丁育群,1998；丁育群及王鵬智,1999)，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。設計階段 準確的耐火性能驗證端賴翔實且足夠的防火安全設計方法，而此設計方 法的理論基礎可來自實尺寸火場實驗搭配相關構件實驗或是數值模擬結 果。

第一章 緒論

第二節 研究目的

透過火場實驗數據的比對與驗證，吾人可以有系統地瞭解實際建築物 受到火災侵襲時的反應與變化，然而，目前規範所採用之結構火害實驗， 僅針對單一構件在標準升溫曲線下受火害的耐火性能進行試驗與評估， 對於較複雜的建築物與火災情境，此種實驗方法往往難以提供整體建築 物受火災的狀況。同時，火災會因為起火方式、延燒速度、延燒模式的 不同，使得火災熱流場之溫度分佈有相當大的差異，因此對建築物構造 亦有不同程度的傷害，而建築構件如柱、梁也會因為所在位置之不同以 及與樓板、隔間牆的相對位置，使得構件遭受一面乃至於多面之高溫暴 露，結構體內部產生不均勻溫度分佈，此種特別的熱應力條件將使得建 築物火害後的結構強度呈現非均勻性的變化，對於火害後建築物結構安 全之影響甚大。因此，最佳的火害評估方式應該是在實際火災場景的情 況下，利用實尺寸構架屋進行火災實驗來加以驗證，而此為本計畫之主 要目的，而本研究計畫之具體研究目的可歸納如下: (1) 研析目標空間，並據以發展實尺寸鋼構造實驗屋之基本設計與細部設 計。 (2) 協商興建實尺寸鋼構造實驗屋之相關前置作業，包含材料取得、用地 運用、雜項執照申請等。 (3) 依據現行鋼構耐震規範與防火規定，建構構架屋基本結構數值分析模 型。 (4) 綜整鋼構造實驗屋可進行之火害行為研究課題。

第三節 研究步驟流程

圖 1-1 研究流程 對「實尺寸鋼構造實驗屋」之擬設 場址進行研究與調查 依照本國建築與消防法規設計 規劃「實尺寸鋼構造實驗屋」 研析現有相關建築與消防法規，擬 定可進行實質驗證之規定與條文 蒐集國內外建築居室火災實驗 相關之文獻資料 「實尺寸鋼構造實驗屋」 構造方式與用途空間別之選定 「實尺寸鋼構造實驗屋」火災 實驗相關研究軸線之定調 開展「實尺寸鋼構造實驗屋」 火災實驗有關之研究課題

第二章 文獻回顧

第二章 文獻回顧

第一節 開放空間與區劃空間火災實驗

內政部建築研究所自民國 91 年到 95 年共計執行 15 則防火研究案， 根據研究主題之不同，可以分為開放空間燃燒熱釋放率分析、區劃空間 火災及滅火實驗分析、消防撒水設備測試以及 FDS 數值模擬分析共四大 類。以下僅就與研究主題相關之開放空間燃燒熱釋放率分析以及區劃空 間火災實驗加以回顧。 2.1.1開放空間燃燒熱釋放率分析 開放空間是指實驗場周圍未設置門牆等限制煙氣或氣流流通之空 間。此部份依照設備可以細分為使用10MW大尺度燃燒分析裝置，以及 ISO9705實驗分析裝置兩種不同設備，分別介紹如下： (a) 10MW大尺度燃燒分析裝置 歷年相關研究資料整理如表2-1所示。93年度“送排風與房間高度對 火災成長之影響評估研究”【1】實驗結果得知，使用標準油盤進行熱釋 放率估算及廢氣之濃度和流場分析實驗發現，最大火焰熱釋放率可達將 近6MW。1~4堆木框架之實驗，對於木質固態燃料之引燃特性、火焰特性、 質量損失率、發煙特性以及熱釋放率估算方式有相當程度上的了解。整 體而言木框架發煙量則比油盤來的小。 至於94年度“建築空間火災特性之分析與印證－住宅單元之實尺寸

火災特性分析”【2】，由其研究結果發現，油盤標準試驗之最大熱釋放 率同樣可達將近6MW。而機車實體燃燒試驗分析中，引燃油盤擺放位置 會影響(I)機車的延燒方式、(II)達到完全發展期的時間、以及(III)熱釋放 率之峰値。機車之熱釋放率隨機車數目呈非線性的增加，在完全發展期 時，單部機車之熱釋放率約為1MW，兩部機車約為2MW，而三部機車則 為4MW。機車數目愈多，完全發展期持續的時間愈短。機車數目不同， 由點燃至燃燒結束之時間差異不大。機車可燃部份主要為塑膠及橡膠等 材料，而機車之總發熱量即為機車可燃材料之發熱量總合。 94年度“性能設計與設計火源檢證研究-火載量與閃燃時間評估在性 能法規上之應用研究”【3】針對台灣特有神桌椅試體進行火載量實驗。 結果顯示神桌實驗前總重85.2公斤，實驗後14.3公斤。熱釋放率最高值為 2.11MW。總熱釋放率約為1026MJ。單位重量之實驗發熱量14.47kJ/kg。 94年度“建築防火安全設計與驗證研究(以辦公室為例)”【4】中，則針 對各項常見辦公桌椅的熱釋放率、總熱釋放及單位重量之發熱量進行研 究。 94年度“建築消防水系統滅火實驗與撒水頭作動性能評估”【5】 中，則是探討大空間環境油盤之燃燒實驗，採用1呎、2呎、3呎之油盤， 在環境空間中以95無鉛汽油、庚烷、正己烷，施行油盤燃燒試驗。 表2-1 內政部建築研究所10MW大尺度燃燒分析之相關研究案 年度 研究課題 實驗配置/火源位置 實驗項目 實驗器材 火源種類 文獻 93 送排風與房間高度對火災 成長之影響評估研究 針對不同油盤個數及尺寸之熱 釋放率、質量消耗速率及燃燒時 間進行預估，及 10MW 大尺度燃 燒分析裝置煙罩底下執行油盤 燃燒實驗工作 油盤燃燒實驗分析 不同油盤個數及尺寸 九二無鉛 汽油 【1】 1.置於角鋼上於 ISO9705 煙罩底 下進行熱釋放率實驗，並於地板 上鋪設防火棉 木框架燃燒實驗分析 以 不 同 之 木 框 架 數 目、木框架層數以及木 框 架 引 燃 方 式 等 參 酒精膏

第二章 文獻回顧 之問題，實驗利用 10MW 大尺度 燃燒分析裝置來進行量測及分 析 析、油盤 93 建築空間火災特性之分析 與印證－住宅單元之實尺 寸火災特性分析 油盤與煙罩高度 6m 高，火源於 煙罩下 油盤燃燒實驗：熱釋 放率校正 不同數目之 0.633m×0.633m 油盤 92 汽油 【2】 機車置於離地面 5.5m 之實驗平 台上，平台鋪設鐵板以及防火 棉，而實驗平台距集煙罩底部 4.5m。 住宅單元火災試驗： 機車實體燃燒試驗分 析 機車 92 汽油 94 性能設計與設計火源檢證 研究-火載量與閃燃時間評 估在性能法規上之應用研 究 10MW 大尺度燃燒分析裝置煙 罩下 神桌椅試體之火載量 丙烷燃燒器(30kW，引 燃 4 分 09 秒) 丙烷 【3】 94 建築防火安全設計與驗證 研究(以辦公室為例) 10MW 大尺度燃燒分析裝置煙 罩下 辦公家具燃燒實驗 辦公室家具 丙烷 【4】 10MW 大尺度燃燒分析裝置煙 罩下 家具組延燒實驗 辦公室家具 丙烷 95 建築消防水系統滅火實驗 與撒水頭作動性能評估 10MW 大尺度燃燒分析裝置煙 罩下(火源置中) 大空間環境油盤燃燒 實驗 1 呎、2 呎、3 呎之油盤 92 無鉛汽 油 、 庚 烷、正己 烷 【5】 (b) ISO9705實驗分析裝置 近三年來利用ISO9705各項研究資料，整理如表2-2所示，由於火的 尺度關係，因此在1MW以下之中小型實驗多是利用ISO9705分析裝置進 行研究。92年度“建築物單一房間火災模式建立之研究”【6】中，在 ISO9705集煙罩下以92無鉛汽油，裝入0.633m×0.633m標準油盤中進行熱 釋放率實驗。 而93年度“送排風與房間高度對火災成長之影響評估研究”【1】則 是針對單一耐燃沙發之燃燒實驗。實驗結果顯示，耐火沙發由於含有耐 燃材料，整體熱釋放率相當的小；沙發背墊是最易引燃的部份，當沙發 背墊燒穿之後，整個火勢便會加大。 93年度“建築空間火災特性之分析與印證－住宅單元之實尺寸火災 特性分析”【2】中經由耐燃沙發椅及一般布面沙發燃燒實驗之後可發

現，在引燃的難易度上，布面沙發較PVC膠皮沙發更易引燃。而在防火 性能方面，耐燃沙發因在內部有鋪設防火棉，延燒速度較為緩慢，具較 佳之防火性能，但耐燃沙發背部並未做任何防火處理，因此在背部燒穿 後易使得火勢迅速增大。 由94年度“性能設計與設計火源檢證研究-火載量與閃燃時間評估在 性能法規上之應用研究”【3】得知各項辦公室常見傢俱，如高櫃、矮櫃 及桌板等的熱釋放率及單位重量之實驗發熱量，已作為辦公室實驗之標 準依據。 由95年度“火載量型態於火災成長延燒性之研究”【7】中，主要研 究木框架堆疊方式對熱釋放率之影響，文中提及『建築物火災避難安全 性能檢證法』中，火災成長係數αf=0.0125係參考原日本檢證法中建議之 值，但經本計劃實際驗證後為涵蓋可能發生火災之危險情況建議將αf值 修正ㄧ倍為0.0250；相對火災強度係數α越大，代表火災時危害度越大。 而木框架火載量相同表面積相同，堆疊數愈高則熱釋放率HRR越大，實 驗結果顯示木框架為「一堆」之限制條件時熱釋放率有此趨勢，但誤差 有63%~80%。若要利用孔隙率條件限制其木堆孔隙率至少應大於60%以 上。若兩木堆火載量相同，則以堆疊方式越高者火災成長速率越快。 95年度“建築消防水系統滅火實驗與撒水頭作動性能評估”【5】主 要進行各種火源熱釋放率之量測實驗，綜合直徑1呎、2呎、3呎油盤實驗 結果，對於使用92無鉛汽油、庚烷與正己烷為燃料之火源，庚烷與正己 烷達到穩態之燃燒情況較92無鉛汽油佳，且測得HRR大小依序為正己 烷、庚烷、92無鉛汽油。

第二章 文獻回顧 表2-2 內政部建築研究所使用ISO9705實驗分析裝置之相關研究案 年度 研究課題 實驗配置/火源位置 實驗項目 實驗器材 火源種類 文獻 92 建築物單一房間火 災模式建立之研究 ISO9705 實驗屋煙罩下 油盤燃燒熱釋放率實驗 0.633m×0.633m 的油 盤 92 無鉛汽油 【6】 93 送排風與房間高度 對火災成長之影響 評估研究 實驗 Sla-9705：將酒精膏倒在 坐墊以及椅背交接處引燃 實驗 Slb-9705：將酒精膏倒在 沙發椅背部 PVC 膠皮上引燃 耐燃沙發燃燒實驗分析 耐燃沙發 酒精膏 【1】 93 建築空間火災特性 之分析與印證－住 宅單元之實尺寸火 災特性分析 以兩個不同引燃模式之實驗 進行分析，(1)將酒精膏倒在 座墊以及椅背交接處引燃(2) 將酒精膏倒在沙發椅背部之 PVC 膠皮上引燃 沙發椅燃燒試驗分析 耐燃與一般沙發椅 酒精膏 【2】 94 性能設計與設計火 源檢證研究-火載量 與閃燃時間評估在 性能法規上之應用 研究 ISO9705 實驗屋煙罩下 辦公椅之火載量 丙烷燃燒器 丙烷 【3】 高木櫃 NO.1 火載量 高木櫃 NO.2 火載量 矮木櫃火載量 桌板火載量 引火源校正 95 火載量型態於火災 成長延燒性之研究 三種不同大小木框架 改變木框架堆疊方式對 熱釋放率之影響。 1.集煙罩及排氣導管 2.O2/CO/CO2 氣體分 析儀 3.柳安木 丙烷燃燒器 (25kW 引燃 200 秒) 【7】 95 建築消防水系統滅 火實驗與撒水頭作 動性能評估 ISO9705 實驗屋煙罩下 油盤熱釋放率實驗 1 呎油盤 95 無鉛汽油 【5】 1 呎、2 呎、3 呎之油 盤 92 無鉛汽油 庚烷 正己烷 時間平方火災 時間平方火災模擬器 丙烷 2.1.2 區劃空間火災實驗 區劃空間是指實驗場周圍有設置門牆等限制煙氣或氣流流通之空 間。本節主要將在全尺寸實驗屋無撒水頭火災試驗、全尺寸實驗屋加裝 撒水頭火災試驗和ISO9705火災實驗三種不同實驗裝置加以區分，分別敘 述如下： (a) 全尺寸實驗屋無撒水頭火災試驗 本主題之相關研究主要在93和94年進行，研究資料整理如表2-3所

示。93年度“送排風與房間高度對火災成長之影響評估研究”【1】主要 以不同室內裝修在不同空間下進行燃燒實驗，其九次室內裝修實尺寸房 間試驗，相關因子及交互影響關係對比實驗，則可找出影響閃燃之因數。 94年度“性能設計與設計火源檢證研究-防火性能設計之火源燃燒特 性研究”【8】，針對單開口部及雙開口部辦公室實尺寸火災進行閃燃時 間測試。而94年度“建築防火安全設計與驗證研究(以辦公室為例)” 【4】，全尺寸辦公室實驗結果顯示，當天花板溫度達到600℃時，可以判 定閃燃發生。 94年度“可燃物火載量先期評估技術建立與應用”【9】則是探討房 間開口對於按公式房間火災之影響。主要近零兩次實驗，第一次為雙開 口實驗，其實驗熱釋放量量測值與估計值比較有30.43％誤差，主要因素 應為煙氣由非排氣開口部竄出而沒有進入氣體分析儀所導致。第二次實 驗已將實驗屋整修，降低實驗所燃燒之逸散煙氣，誤差降低為16.16％， 但還是有煙氣逸散之狀況，因此無法將熱量完全收集分析，所以全尺度 實驗結果本身即應乘以一係數推估實際所產生之燃燒熱量，以本實驗屋 燃燒實驗歸納可將係數訂為1.25。 表2-3 內政部建築研究所全尺寸實驗屋無撒水頭火災試驗之相關研究案 年度 研究課題 實驗配置/火源 位置 實驗項目 實驗器材 火源種類 文獻 93 送排風與房間高度 對火災成長之影響 評估研究 9 種房間配置 單一房間火災模式驗證實驗屋九次室 內裝修燃燒實驗 石膏板、木絲水泥板、 普通合板、木框架、廢 紙、壓差計、輻射計 酒精膏 【1】 94 性能設計與設計火 源檢證研究-防火性 能設計之火源燃燒 特性研究 10MW 多功能 辦公室空間 木框架模擬實驗閃燃時間測量 火 源 為 18cm× 17.5cm 丙烷燃燒器 丙烷 【3】 雙開口部實驗閃燃時間測量 丙烷 家具組延燒閃燃時間測量 丙烷 單開口部挑高空間實驗閃燃時間測量 丙烷 雙開口部挑高空間實驗閃燃時間測量 垃圾桶 94 建築防火安全設計 與驗證研究(以辦公10MW 大尺度 燃燒分析裝置 木框架模擬實驗 木框架 2 堆(180 支) 丙烷 【4】 雙開口部實驗 模擬辦公室 單開口部挑高空間實驗 模擬辦公室

第二章 文獻回顧 94 可燃物火載量先期 評估技術建立與應 用 10MW 大尺度 燃燒分析裝 置，以 50kW(加 熱 200 秒) 第一次實尺寸單一辦公室房間模擬實 驗(雙開口部實驗 1. 廢 氣 處 理 系 統 2.10MW 大 尺 度 燃 燒 分析裝置 3.實驗屋 與量測儀器配置 4.2T 昇降式荷重平台 燃燒器 【9】 第二次實尺寸單一辦公室房間模擬實 驗(單開口部實驗 (b) ISO9705火災實驗 歷年相關研究資料整理如表2-4所示。94年度“性能設計與設計火源 檢證研究-火載量與閃燃時間評估在性能法規上之應用研究”【3】，則是 利用油盤放置在ISO9705實驗屋中，實行閃燃測試。95年度“建築物結構 防火性能驗證技術之火災持續時間研究”【10】則是探討可燃物密度分 佈面積對火災持續時間之影響性。實驗結果顯示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。 表2-4 內政部建築研究所使用ISO9705實驗屋之相關研究案 年度 研究課題 實驗配置/火源位置 實驗項目 實驗器材 火源種類 文獻 94 性能設計與設計火源檢 證研究-火載量與閃燃時 間評估在性能法規上之 應用研究 ISO9705 實驗屋房間，火 源位於中央 閃燃時間測試 16 公升汽油 95 無鉛汽油 【3】 20 公升汽油 24 公升汽油 95 建築物結構防火性能驗 證技術之火災持續時間 研究 固 定 空 間 ( 寬 2.4m × 長 3.6m×高 2.4m) 可燃物 密度及分佈 面 積對火 災持續時間 之 影響性 柳安木 丙烷燃燒器 【10】

第二節 鋼結構之高溫火害行為

2.2.1 鋼柱高溫下挫屈行為之研究 Ng和Gardner【11】做了一系列不鏽鋼柱和碳鋼柱，在高溫之下挫屈 試驗，並使用ABAQUS進行數值模擬，與實驗數據做比較，探討有限元 素數值分析的可靠性。實驗結果發現，不鏽鋼柱的強度與剛度都比碳鋼 柱強，且有限元模擬誤差皆在10%以內，說明有限元素分析是一個可靠性 很高的方法。 Uppfeldt等人【12】對冷軋不鏽鋼箱型短柱，在火害下臨界溫度進行 研究，並使用ABAQUS的殼元素(S4R)進行數值模擬與實驗結果比較，鋼 柱考慮了形狀與水平兩種瑕疵，且考慮了殘餘應力會小幅降低材料強度 概念。研究發現，形狀與水平瑕疵對於挫屈強度影響極小，而使用有限 元素法分析高溫之下箱型柱的挫屈行為是可靠的。 Wang和Li【13】使用不同的平衡方程式預測，鋼柱在有部分防火披 覆效果損壞下之挫屈溫度與變形狀態，利用ANSYS進行有限元素模擬分 析，並與平衡方程式的結果進行比較。研究結果發現，平衡方程式可以 有效預測兩端為固接柱體的挫屈溫度，防火披覆受損長度，對鋼柱在高 溫之下承載軸力影響甚大。 Choe等人【14】用實尺寸A992 I型鋼柱在定載高溫下，柱的挫屈行為 實驗，柱的形式分為懸臂梁柱與簡支梁柱兩種模型，並使用ABAQUS非 線性有限元素進行模擬分析。研究結果發現，鋼柱的挫屈行為，主要取 決於溫度控制，且在500℃~600℃時，鋼柱的挫屈強度下降明顯，有限元 速模擬分析與實驗結果比較，證明ABAQUS非線性有限元素分析結果合

第二章 文獻回顧 理且可靠。 2.2.2 鋼結構高溫火害實驗之研究 Uy和Bradford【15】以非線性有限元素法模擬冷軋鋼構件在高溫下之 強度與行為之變化，並針對構件的局部挫屈行為探討。模擬結果發現冷 軋構件在高溫中之局部挫屈應力變化，可由考慮高溫時彈性模數與降伏 強度之折減後，進行非彈性分析得到此應力變化。 El-Rimawi等人【16】以門型梁柱構架進行火害試驗，接頭型式為半 鋼性接頭，實驗中探討高溫環境下梁與柱交互影響下，對於個別梁柱構 件之臨界溫度之影響，研究顯示柱載重對於梁構件之彎矩發展有明顯之 影響。 方朝俊【17】對於鋼結構構件銲接及螺栓接合，在高溫火害之行為進 行實驗，且考慮殘餘應力、銲道性質和螺栓預力損失。研究結果發現， 400℃前耐火螺栓之預力略高於室溫時之預力值，當溫度達600℃時，耐 火螺栓之預力只剩室溫時之百分之十。 Liu等人【18】利用H形鋼構架進行升溫與降溫之試驗，且鋼梁予以束 制，並以不同之載重來進行討論。結果發現，下翼板溫度在450℃~600℃ 間，彎矩強度會逐漸下降，變位也會增加，到達700℃時，接頭之抗彎能 力將無法承受載重產生之彎矩，即產生大變形。當梁軸力由壓力轉為拉 力時，懸垂效應將會在此時產生，並且可減緩變位下降之速度。 Wang和Davies【19】則分別進行無側向載重和具旋轉束制之鋼柱構 件，於火害中之研究，並考量不同軸力與初始彎矩對於柱破壞溫度的影 響。結果發現柱破壞時之有效長度不受接頭型式之影響，柱破壞溫度只 與柱軸力有關與梁柱接頭、初始彎矩無關。

Al-Jabri等人【20】進行鋼結構彎矩接頭強度於高溫下衰減行為之實 驗，並建立一套預測隨溫度升高，彎矩與旋轉角關係之方法。試驗發現 溫度在400℃以下時，接頭強度退化並不明顯，超過400℃時，接頭強度 退化隨溫度升高而明顯漸增。 何明錦和陳生金【21】進行實尺寸抗彎矩構架梁柱接頭火害試驗，且 以定載加溫和定溫加載進行實驗。試驗結果發現，接頭彎矩承載能力在 300℃內變化不大，超過300℃後，接頭彎矩承載能力開始急速下降。 Mesquita 等人【22】對於無側撐I型鋼梁在火害中之臨界溫度進行研 究，並對I型鋼梁在無側撐之情況下可能發生側向扭轉挫屈破壞時之臨界 溫度做探討。實驗中發現，梁最高點的臨界溫度都發生在靠近支撐處。 Sarraj等人【23】利用ABAQUS建立3D有限元素模型，模擬剪力接頭 受高溫產生的變形，並探討大變形時，所造成的懸垂效應，並與其試驗 比較。研究發現，ABAQUS能準確的分析高溫下彎矩與轉角和溫度與撓 度的關係。 Wald等人【24】以實尺寸鋼構建築物火害實驗，探討構架中各桿件的 內力分佈，及樓板、梁、柱和梁柱接頭之行為。實驗發現，整體結構物 受火害的結構行為，比單一構件火害之行為來的好，這是因為整體結構 具有連續性，且內力傳遞路徑也來的多。 林子賓【25】進行鋼板螺栓孔於高溫中承壓行為之實驗，以研究火害 中梁柱接頭中之剪力片承壓行為，並試驗SN490C-FR耐火鋼板在高溫中 之承壓行為，以驗證耐火鋼板於高溫中之優越性。 Ding和Wang【26】進行10組門型構架試驗，以鋼管混凝土柱搭配不 同之梁柱接合型式，試驗各種梁柱接頭於高溫中之破壞模式，並分別以 無保護之鋼梁與部份受熱之鋼梁模擬實際建築物中鋼梁受熱之情形。

第二章 文獻回顧 察溫度與梁斷面翼板、腹板、螺栓對於梁轉動容量之影響。實驗中得到， 梁側撐位置與有效長度對於梁在火害中轉動容量之影響。 Li等人 【28】針對梁之軸向束制之有無對高溫中梁行為之影響進行 實驗，並觀察高溫前與後兩者之行為變化，發現有束制梁比無束制梁有 較佳之抵抗火害能力。 Qian等人【29】對十字形鋼構架梁柱接頭進行高溫火害試驗，分為六 組十字梁柱接頭，包含不同軸向束制與熱膨脹有無，探討不同溫度之鋼 梁行為。結果發現，梁斷面軸力對於梁柱接頭之彎矩容量有顯著影響， 因此建議軸向束制對於梁柱接頭之影響必須考量。 Li和Guo【30】研究鋼梁在降溫階段其受力行為，研究結果發現，梁 完全冷卻時，所產生的殘留拉力，會比升溫階段的殘留壓力還要大。同 年，Li等人進行鋼梁有無軸向束制對於高溫下實驗，結果發現有軸向束 制之鋼梁其耐火性能較佳。 蘇文傑【31】進行實尺寸梁柱接頭次構件試體之標準升溫試驗，總共 三組高溫試驗一組常溫試驗。研究結果顯示，耐火鋼接頭在火害中較普 通鋼接頭有更佳的耐火性能。 2.2.3 鋼結構高溫火害行為數值模擬之研究 Gillie等人 【32】針對英國BRE於Cardington所進行的鋼構大樓火害 實驗，利用ABAQUS進行有限元素數值模擬分析，數值分析結果顯示影 響火害中鋼構大樓結構行為的主要因素為熱膨脹，而材料(鋼材與混凝土) 受到高溫而劣化和承受之重力式載重所造成之影響為其次。 Al-Jabri 等人【33】使用ABAQUS有限元素數值分析半鋼性端板式接 頭，在火害中受不同載重其彎矩和轉角關係，並考慮材料的非線性。分

析的結果與實驗數據相比有不錯的精確度。 Takagi與Deierlein 【34】以非線性有限元素軟體模擬鋼結構構件如 梁、柱和梁柱構件在高溫下之行為與強度，並與AISC及CEN規範進行比 較，比較此兩種規範於高溫中構件強度計算上之差異。並發現在高溫中 局部挫屈破壞對於結實斷面型鋼與接近結實斷面之型鋼並非其主要之破 壞原因。 蕭博勳【35】利用ABAQUS有限元素軟體，模擬實尺寸箱型柱-H型梁 之彎矩接頭高溫行為，梁與柱分別使用SN490B普通鋼與SN490C-FR耐火 鋼，並以不同的載重形式進行模擬。模擬結果顯示，耐火鋼之運用於梁 上可有效提升梁柱彎矩接頭的極限破壞溫度。 林振吉【36】利用ABAQUS軟體，進行鋼構H型梁-箱型柱彎矩接頭在 高溫火害下之模擬，並考慮側撐勁度作用、不同受熱面結構形式，以及 不同鋼材等參數，以預測高溫環境下接頭結構之防火性能。 林日增【37】針對實尺寸梁柱接頭次構件試體之標準升溫試驗，利用 ABAQUS有限元素數值模擬進行比對。模擬結果發現，有限元素模型不 論在試體結構變形、局部挫屈發生位置與破壞溫度，都有不錯的準確性。 洪健晉【38】進行實尺寸螺栓雙剪於高問下試驗，並用ABAQUS有限 元素軟體，模擬高溫實尺寸螺栓雙剪之行為，並與試驗結果驗證其準確 性。模擬結果與試驗值相當逼近，顯示ABAQUS可以準確模擬螺栓在高 溫下之抗剪行為。 吳家豪【39】進行國內常見補強式梁柱韌性接頭在高溫下之行為模 擬，利用區塊溫度模擬法以及FDS動態火場模擬軟體來模擬火場溫度。模 擬結果顯示，梁柱接頭在蓋板、側板及加勁改良補強後，其臨界破壞溫 度有明顯提升，此外，FDS-ABAQUS分析法較區塊溫度給定分析法，能

第二章 文獻回顧 陳景智【40】利用「FDS-ABAQUS順序耦合分析法」與「區塊溫度 給定分析法」，模擬實尺寸H型鋼構架在高溫爐中受定載升溫，並探討耐 火的H型鋼構架在高溫火害下之耐火性行為。研究發現，FDS-ABAQUS 順序耦合分析法，在模擬破壞溫度、挫屈位置以及結構變形上，皆優於 區塊溫度給定分析法。 Kodur和Dwaikat 【41】利用ANSYS有限元素軟體對梁柱構件在真實 之火場、加載以及束制下進行模擬，並考慮鋼材潛變效應，研究結果發 現，當增加鋼梁載重時，使鋼梁在高溫下膨脹時，所受到的軸壓力下降 速度增加，因此鋼梁的懸垂效應提早發生，此為有無考慮鋼材的潛變效 應，明顯影響鋼材在高溫下之行為。 Chung等人【42】進行梁柱耐火彎矩接頭鋼材於高溫下之實驗，兩組 實尺寸梁柱彎矩接頭，其中分別使用普通鋼與耐火鋼，針對梁柱接頭區 附近進行耐火鋼材之補強。試驗結果顯示，耐火鋼梁彎矩接頭試體可有 效的延遲耐火時效且減少其結構的變形，並可提升梁柱彎矩接頭的臨界 破壞溫度。此外，利用有限元素軟體建立三維非線性模型模擬上述兩個 彎矩接頭試體在高溫火害下之結構行為，並成功的模擬出試驗之結果。 Yin和Wang 【43】使用有限元素軟體ABAQUS進行鋼梁在高溫下之 大變形行為分析，在簡支梁之端點給予不同束制（軸向束制和旋轉束 制），除此之外有不同載重率、不同梁垮度、均布與非均布溫度分佈等 參數，與有無側向束制來探討鋼梁之側向扭轉挫屈之影響。結果顯示軸 向束制之鋼梁，會有懸垂效應發生，並且可確保鋼梁可承受較高的溫度 而不會倒塌。 Tan和Huang等人【44】利用有限元素數值方法，模擬有軸向束制鋼 梁於高溫火害下各個參數比較研究，包含不同載重、不同的軸向束制與

不同的旋轉束制、梁之細長比等，以探討其各不同參數鋼梁之行為。對 於懸垂效應之產生，主要是因為軸向束制，因此對於接頭處與鄰近構件 之設計必須仔細考量。 Yin與Wang 【45】對於軸向束制鋼梁產生之懸垂效應，分別利用手 算法與數值模擬比較鋼梁在均布火場下的行為，以各個軸向與旋轉不同 束制條件下，並分別加載不同形式之載重，結果顯示手算與數值模擬結 果相近，而手算結果計算出之懸垂拉力會較大，因此設計時較為保守。 Engelhardt與Hu 【46】利用ABAQUS有限元素數值模擬，分析鋼梁 接合處於升溫與降溫下之行為，並實驗進行比較。此外針對三種可能影 響懸垂效應之因素加以探討，分別為載重比、結構接合處之勁度與梁長。 2.2.4 鋼構架火害行為數值模擬之研究 Varma 等人【47】使用有限元素軟體，模擬三維十層樓鋼構架建築， 在整體升溫和角落升溫兩種火場案例建築物的破壞行為，而鋼構架建築 的平面為5跨乘3跨。模擬結果發現，在構架整體一起升溫時，結構破壞 時都為內柱先達到破壞，因為內柱承載的軸力較大，而局部火場時，並 非內柱一起達到挫屈破壞，且內柱破壞後，載重會重新分配，不致使結 構坍塌。 陳柏均【48】模擬七層鋼構架建築，使用耐火鋼對構架梁、柱不同部 位進行補強，以三維非線性有限元素軟體，分析構架在ISO-834升溫曲線 下，構架在高溫火害下結構行為，探討不同配置下，構架的耐火效益。 模擬結果為，在內柱內梁補強的配置下，最符合經濟效益，因為內柱內 梁在結構力學上，承受了較大的載重。

第二章 文獻回顧 曾榆鈞【49】建立了單跨雙層和雙跨雙層的模型，並使用鋼材SN490B 普通鋼與SN490C-FR耐火鋼兩種鋼才，利用ABAQUS有限元素三維分 析，探討兩種不同鋼材之模型在火災時的結構行為。研究結果發現，因 為模型尺寸不大，起火源位置對於模型結構行為的影響不大；且兩種鋼 材皆未達到破壞，而結構物的縱向位移發現，耐火鋼之位移較普通鋼材 小。 2.2.5 英國Cardington之實尺寸鋼構大樓火害實驗 目前國內外有關鋼結構建築受火害在結構行為的實驗與研究，大多 著重在鋼結構建築之構件層級或次構件層級，研究有關柱、梁、樓版、 梁柱接頭等重要構件在火害高溫下的結構行為，構件或次構件層級的火 害實驗雖然可以獲得獨立的構件或次構件在火害高溫下的行為與強度， 但這些構件或次構件在鋼結構建築中與其他構件相連接，其真實的邊界 條件所造成之影響難以在構件或次構件層級的火害實驗中顯現，因此利 用實尺寸鋼構架實驗屋來進行真實的火害實驗，實有其必要性，但由於 實尺寸鋼構造屋的火害實驗所費不貲，規模甚大，需要縝密地設計、安 排與規劃，英國 BRE (British Research Establishment) 於 Cardington 所進 行的八層樓實尺寸鋼構架屋火害實驗【50-51】為目前全球所進行過最大 型的實尺寸構架屋火害實驗，此大型火害實驗簡介如下：

此大型火害實驗計畫由 British Steel 的 Swinden Technology Centre 主 導，實驗基地設於英國 Cardington，火害實驗的主體為一棟八層樓的鋼構 大樓建築，此鋼構大樓主要以鋼材與混凝土為建築構材，大樓中包含了 電梯井，及建築物兩側之樓梯牆，而構材的複合是透過剪力釘焊接的方

5 跨，每跨長度為 9m，總長 45m，建築物短邊有 3 跨，分別為 6m、9m、 6m，總長 21 m，鋼梁使用了四種斷面尺寸，分別為 254UB、305UB、 356UB、610UB，柱使用了三種斷面尺寸，分別為 305UC×198kg/m、305UC ×118kg/m 和 254UC×98kg/m，此外於實體結構物，提供額外之軸向載重， 使樓地板載重達 2.5kN/m2_{。此實驗計畫的主要目的在探討多層鋼構大樓} 建築於真實火害中之結構行為，並建立數值分析方法，來預測多層鋼結 構建築於火害後結構行為，本計畫包含了四個主要的火害實驗，先以不 同的鋼構件在火害之下，獲得一定的參數，再進行整個結構物的火害實 驗。 第一項實驗為單支束制梁受火害之探討，目的是了解受束制梁，在 受火害後的變形機制，梁使用斷面為 UB305、跨距 9m，實驗只允許梁垂 直變形，火害來源為 8m (長)×3m(寬)的爐火。 第二項實驗，平面構架在火害下之探討包含梁柱，此實驗目的是評 估連續梁柱之行為，梁的跨度分別為 6m、9m、6m，火害來源使用了 21m (長) × 4m (高) × 2.5m (寬)之爐火，此連續梁柱之構架為建物之短邊。 第三項實驗，構架和樓板之火害探討，實驗目的是評估構架含樓板 系統之行為，且利用木材模擬火害來源，樓板面積為 80m2_{，樓板與梁柱} 構架彼此之間可以自由移動並無束制，此實驗溫度需達到 1000℃，使用 火載量為 45kg/m2_之木材。 第四項實驗，小房間之火害探討，此實驗目的為整體的鋼構建物模 擬，模擬整體結構物在真實火災下之行為，此小房間為 18m (寬)、10m (深)，火源為模擬真實辦公之情形，火載量大小則是將所有辦公室可能呈 列之物品，量化為 45.6kg/m2_{之木材量，而且火災的起火點，以及火災發} 展的整個過程，都經過設計，也考慮閃燃及通風效應，以達到真實火害

第二章 文獻回顧 此大型火害實驗發現：由於此八層樓鋼構建築在結構上所擁有超靜 定，使其在所測試的火場情境中能展現穩定的結構行為，此外，構件在 實尺寸鋼構架屋火害實驗中的結構行為亦不同於傳統設計方法的理解， 此項發現顯示出實尺寸構造屋火害實驗之必要性與重要性，由於英國或 歐洲之鋼構設計有別於我國，其鋼構件的連接方法與細部設計亦與我國 之鋼構設計相異，因此，進行本土之實尺寸鋼構造屋的火害實驗，將有 助於提升我國在鋼結構耐火性能設計之基礎研究與設計水準。 2.2.6 美國NIST火害實驗室簡介 美國火災研究實驗室（NFRL）(如圖 2-1 及 2-2 所示)隸屬於美國國 家標準與技術研究院(NIST)。該實驗室執行管理，以及 NIST 的工程實驗 室操作。在 NFRL 進行的研究將支持工程實驗室的使命，以促進美國的 創新和在國家優先領域的產業競爭力，透過預測和滿足測量科學與標 準，結合科學家、學術界、政府機構的工程師將與 NIST 的研究人員對火 害相關問題。其主要功能：(1) 根據實際的火害實驗對於大型結構或單一 構建件，開發一個實驗數據庫並測定其性能。(2) 基於物理學的模型來預 測結構的抗火性能。(3) 開發結構抗火設計與施工之標準。配置有環境控 制系統（ECS），其火災與熱釋放速率為 20 兆瓦，為高 9 公尺之實驗室系 統。使用液壓致動器，固定負載，或它們的組合應用。充分表現出建築 火災、燃料氣體或液體燃料或實際的建設內容來模擬實際建築火災的條 件。濃煙與熱量將透過一個大型油煙機在試驗區測量，使火災特性進行 測量更為準確。，實驗期間所產生的濃煙和燃燒副產物將被處理，以符 合嚴格的環境要求。該試驗區將包括一個 486 平方公尺，地面有多個定 位點和一個高為 9 公尺的反力牆來穩定的測試樣品。NIST 大尺度結構測

試設施包括一個萬能試驗機（UTM），以及一個高為 13.7 公尺反力基座 配備了一個水平向油壓致動器，如圖 2-3 所示。此設備可以產生 4.5 MN 水平力與 53 MN 垂直力，可以被應用到大尺度結構的測試。此設備之 UTM 包含一組世界最大的 53.4MN 容量之液壓操作機，它可以應用壓縮 力柱部分或 18 公尺長之焊接元件，反力基座高 12.2 公尺處可提供一個 4.5 MN 的水平力。每個測試程序進行評估混凝土柱試體尺寸最大為直徑 1.5 公尺，高 9.1 公尺。此設備另一個測試系列為評估鋼板裂縫，鋼板尺 寸為寬 1 公尺，厚度為 0.1 公尺或 0.15 公尺，可以進行低週之疲勞試驗、 極限荷載試驗、雙自由度地震模擬與複雜的元件測試皆可以使用此設備 完成。 詳細規格如下： Strong Floor

 18.3 m x 27.4 m (60 ft x 90 ft) post-
tensioned floor with full basement

 9 cell RC box girder with 406 mm (16 in) thick shear walls at 3.0 m (10 ft) o.c.

 Basement ceiling height: 2.7 m (9 ft)

 Floor thickness: 1.07 m (3 ft-6 in) with 152 mm (6 in) sacrificial top surface

 1218 anchor points on 0.61 m x 0 61 m 
(2 ft x 2 ft) grid (sleeves or anchors)

 Load per anchor point: 445 kN 
(100 kips) up or down

 Shear capacity per anchor point: 222 kN 
(50 kips) (at top of slab)

 Moment capacity per anchor point: 136 kN-m (100 ft kips) (at c.g. of strong floor)

Strong Wall

 9.1 m high x 18.3 m wide (30 ft high x 60 ft wide)

 1.2 m (4 ft) deep post-tensioned concrete wall

 420 anchor points on 0.61 x 0.61 m (2 ft x 2 ft) grid

第二章 文獻回顧

ECS Hood and Pollution Control System

 13.7 m x 15.2 m (45 ft x 50 ft) steel hood

 Height above floor: 12.5 m (41 ft)(excluding skirts)

 ECS maximum sustained capacity: 20 MW

 ECS maximum flow rate: 5100 m3/min (180,000 cfm)

Cranes

 Two 178 kN (20 ton-force) bridge cranes (sharing single set of rails)

 Height of rails above floor: 11.2 m (36 ft-8 in)

 Clearance, bottom of bridge-to-floor: 9.8 m (32 ft)

Configurable Hydraulic Loading System

 Hydraulic Power Unit 340 lpm (90 gpm)

o Actuators (double acting) 762 mm (30 in)stroke w/servo valve, load cell, and swivels

o Eight 240 kN (55 kip) Tension, 365 kN (80 kip) Compression

o Two 445 kN (100 kip) Tension, 650 kN (145 kip) Compression

o Two 956 kN (215 kip) Tension, 1470 kN (330 kip) Compression

 Four hydraulic service manifolds

 Controller

圖 2-2 實驗室剖面圖(http://www.nist.gov/el/fire_research/nfrl.cfm)

圖 2-3 大尺度結構測試設備( http://www.nist.gov/el/facilities_instruments/ large_scale_struct_testing_fac.cfm)

第二章 文獻回顧

第三節 鋼結構建築火害後之結構系統識別

目前國內外有關鋼結構建築受火害後之損壞評估，尚未有進行結構 系統參數識別之相關研究。不過，對於鋼結構之縮尺模型，已有相當多 的研究著重於構件損壞前後之系統參數識別，且多數均藉由地震模擬振 動平台當作參數識別之外力擾動來源，經由量測鋼結構之縮尺構架模型 之各樓層反應，配合適當之系統識別理論，進行地震對應之損壞評估研 究。依據目前所收集之相關參考文獻，可大致分為以下兩大類之研究主 題： 2.3.1 應用鋼結構模型振動台實驗進行系統參數識別與損壞評估： 林沛暘等人【52】於國家地震研究中心，建置一系列標竿鋼結構縮 尺模型試體，經由配置不同之構件與損壞位置及損壞情況，藉由振動台 進行該系列試體受地震作用下之動態反應試驗，同時配合振動台上鋼結 構縮尺模型試體之反應量測資料，應用於健康診斷及結構系統識別之研 究，並進行損壞識別模組之程式建立及驗證。郭昌宏【53】利用一由剛 性樓板與四根柱子所組成的鋼構架系統，利用推廣卡式過濾器進行其系 統參數之識別。蔡忠憲【54】利用國家地震工程研究中心之標竿鋼構樓 房模型(Benchmark G)振動台試驗量測資料，針對不同斜撐配置進行時變 振形之分析與探討，得以了解樓層斜撐勁度變化、相對地面位移振形與 層間變位角之關係。方璿堯【55】利用國家地震工程研究中心之標竿鋼 構樓房模型(Benchmark G)振動台試驗量測資料，亦採用不同斜撐配置並 利用OKID/ERA識別方法，識別系統參數變化之情形。游立辰等人【56】

建立結構動力反應資料庫、結構基因特徵序列資料庫、以結構基因特徵 序列建立分類資料庫、利用分類資料庫建立診斷系統，於國家地震工程 研究中心設置八層樓之鋼結構實驗構架，利用鬆脫部分螺栓以模擬結構 物發生之破壞損傷狀況，利用微震測量進行結構參數診斷及識別系統。 古昌宏等人【57】採用貝式診斷邏輯法，作為應用結合生物領域與資訊 科技之先進技術，來開發結構物健康診斷系統，並利用國家地震工程研 究中心振動台之八層樓縮尺鋼結構實驗做為測試樣本，製作出新一套機 動型結構物健康診斷雛型機。吳瑞琳【58】利用國家地震工程研究中心 之標竿鋼構樓房模型(Benchmark D)振動台試驗量測資料，驗證含有噪訊 之情況下，正規化相對位移振動振形、第一模態振形與損壞位置之間的 相 關 性 ， 接 著 利 用 國 家 地 震 工 程 研 究 中 心 之 標 竿 鋼 構 樓 房 模 型 (Benchmark G)振動台試驗量測資料，驗證於立面不對稱結構下，以NIDR 增量作為損壞指標之正確性。林億賢【59】利用國家地震工程研究中心 之標竿鋼構樓房模型(Benchmark D)振動台試驗量測資料，利用改良型基 因演算法、遞迴式改良型基因演算法方法，並透過該試驗量測輸入與輸 出資料，識別系統參數變化之情形。駱政韋【60】根據國家地震工程研 究中心之標竿鋼構樓房模型(Benchmark H)振動台試驗量測資料，利用改 良型基因演算法、遞迴式改良型基因演算法方法，並透過該試驗量測輸 入與輸出資料，識別系統參數變化之情形。吳坤鴻【61】利用國家地震 工程研究中心之標竿鋼構樓房模型振動台試驗量測資料，並利用扭轉耦 合建築結構層間損壞指標與偏心距計算公式，進行完整之敏感度分析， 以識別系統參數變化之情形。謝政澔【62】針對非剪力平面建築結構， 探討不同破壞模式下，利用等值剪力結構模型，求得各樓層層間損壞指 標SDI (story damage index)，以判定結構損壞位置，並以國家地震中心之

第二章 文獻回顧 法於實際應用時之可行性。 2.3.2 藉由鋼結構模型裝設隔減振裝置進行振動台測試： 黃震興【63】建立一使用鉛心橡膠支承墊之三層樓隔震鋼構架模型， 並於國家地震研究中心進行振動台試驗，第一部分為對稱系統之試驗， 提出計算上部結構側向力分佈之方法，第二部分為於對稱系統中將其隔 震系統利用支承墊之配置來模擬單向偏心及雙向偏心之行為。陳明錚 【64】為研究增效式阻尼裝置之減震效能，建立五層樓之鋼構樓房之模 型，於強軸方向安裝增效式阻尼裝置，藉由調整五種不同阻尼比進行振 動台試驗，分析五層樓鋼構樓房其反應降低情形。賴興國【65】建立三 層樓之鋼構樓房模型，並於弱軸方向安裝增效式阻尼裝置，調整十一種 不同阻尼比進行振動台實驗，並與SAP2000數值模型理論分析計算結果比 較。曾旭玟等人【66】利用國內現有加工與製造技術，自行研發滑動式 摩擦隔震元件，採用高分子材料作為摩擦材，利用其摩擦係數穩定、抗 磨損能力佳及具低摩擦係數之優點，並對其進行一系列振動台試驗，檢 測其力學性能行為。 鑒於地震對建築結構造成之損壞評估需求，許多時間域之識別方法 已被廣泛應用於土木結構物健康狀況之識別中【67-68】。為測試目前已發 展之結構損害識別和監測技術，美國土木工程協會(ASCE)之結構健康診 斷小組，亦曾經建立第一階段標竿鋼結構(Phase-I Benchmark)振動台實驗 資料庫，以供學者測試使用【69】。並於Journal of Engineering Mechanics 期刊中出版特刊，在此特刊中介紹了許多利用該資料庫於時間域進行識

別之結果【70】。並利用實驗所得結果進行分析以了解識別方法是否可行

時間域之遞迴最小平方法(recursive least -square estimation，簡稱RLS)識別 理論漸趨成熟，Chu 等人【74-75】根據國家地震工程研究中心之標竿鋼 構樓房模型(Benchmark D)振動台試驗量測資料，利用時變之遞迴最小平 方法，並透過該試驗量測輸入與輸出資料，識別系統參數變化之情形， 並已成功應用於一系列鋼結構標竿模型之振動臺量測資料之參數識別， 以及臺東縣消防局大樓之損壞評估；前述許多識別理論與技巧，均可提 供實尺寸鋼構架屋火害前後參數識別之相關研究課題之規劃與研擬。

第三章 研究方法

第三章 研究方法

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。而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。 同時，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呈現非均勻性減低。因此，最佳的評 估方式應該是在實際載重與實際火災場景的情況下，利用實尺寸火災實 驗來加以驗證。

第一節 對於擬設場址之瞭解

為推動全國建築研究發展，達成國家整體建設之目標，我國於民國 八十四年十月三十日正式成立內政部建築研究所，下設建築防火、性能 及材料等三大實驗群，其中防火、性能兩實驗中心建置於本校（國立成 功大學）歸仁校區，隨後又增建了建築風洞實驗館。本基地位於建築研 究所防火實驗中心之西側，為長約 90 公尺、寬約 24.5 公尺、面積約為 2200 平方公尺之矩形空地（如圖 3-1 所示）。由於擬設場址位於本校內， 主持人為土木工程學系系主任，再加上多位團隊成員曾執行貴所建築防 火實驗，對於擬設場址與相關實驗設備相當熟悉，後續有關用地運用與 雜項執照申請部分，相關校內公務流程應可獲得本校各單位之支持。

第二節 研究對象之選定與研究軸線之定調

有關研究對象（實尺寸鋼構造實驗屋）的構造方式與用途空間別， 初步擬以鋼構高層住宅典型單元空間為目標，然計畫進行初期，旋即邀 請所內同仁、建築師、土木技師、結構技師、消防技師等團體進行討論， 以確立實尺寸鋼構造實驗屋的構造方式與用途空間別之合宜性與立即必 要性。構造與空間確立後，將邀集產官學研單位進行多次工作會議，以 研商合宜的火場情境與並將研究軸線予以定調。研究議題上，將依照空 間尺度、建築系統、火場實務、建築和消防法規以及設計規範等軸線予 以開展（如表 3-1 所示意），以求其完善。

第三章 研究方法

表 3-1 研究議題、空間尺度、建築系統、火場實務之關連性

第三節 開展與「全尺寸火災實驗」有關之研究課題

團隊成員近年來積極參與本所防火實驗中心『防火性能設計研究群』 跨領域（機械熱流、建築、防火工程等）研究工作，陸續協助多則區劃 空間足尺火災實驗，包含實驗屋火災延燒實驗、火源位置和種類與撒水 頭作動關係實驗、箱體結構系統耐火性能實驗、自然通風對火災排煙之 影響性實驗等，與團隊協力建置建築防火安全之基礎技術。 本子項係針對實驗屋進行全尺寸火災實驗規劃，將前述擬定之鋼構 高層住宅典型單元空間規劃為單體構造屋，房間內並擺設習常之家具、 窗簾與設施等，配合前期研究所獲知的火災尺度與歷程，施予不同火源 大小與位置，以評估各項度（材料、構造、梁柱接頭、結構系統等）防 火性能。針對所擬空間型態，可藉由輔助設備（10MW大尺度燃燒分析裝 置）進行可燃物單元熱釋放率分析，以執行實尺寸火災實驗。由實驗觀 察及量測結果，分析火災（引燃、延燒、閃燃、熄滅）歷程，探討火場 溫度、熱釋放率之變化。而後經由實尺火災實驗結果，分析驗證技術的 發展，同時，亦會對CNS 12514及性能驗證技術裡相對應測試項目結果加 以比對。 在火源的設定方面，CNS 12514 5.1雖已律定標準加熱溫度-時間曲 線： T＝345log10（8t＋1）＋20 ... （1） 式中，T為平均爐內溫度（℃），t為試驗經過時間（分），其試驗 溫度-時間曲線許可差於規範中亦有詳細之規定。然此加熱方式為爐內試 驗所用，並不適用於本計畫所欲觀測之房間火災，因此，可使用丙烷燃 燒器以及油盤作為實驗的火源，藉以引燃室內家具。

第三章 研究方法 (a) 丙烷燃燒器（LPG） 實驗使用丙烷燃燒器，以流量計控制丙烷的流量；丙烷燃燒器為 18cm×18cm 的矩形燃燒器，中間鋪有小石頭整流，使火焰均勻分布，如 圖 4-2 所示，熱釋放率為 40kW。 圖 3-2 丙烷燃燒器 圖 3-3 單組熱電偶樹示意 (b) 油盤 油盤為一直徑 40cm 的鐵盆，實驗前先裝 15cm 高的水，再添入 1200c.c.的 92 無鉛汽油，熱釋放率為 170kW。可利用 10MW 大尺度燃燒 分析裝置和燃燒氣體排放連續線上分析系統來加以分析。 實驗屋內量測系統整體代號及配置如表4-2所示，共配置有多則熱電 偶樹、氣體分析儀1組及多則熱電偶量測點。熱電偶樹（詳圖4-3）主要是 為了量測火場空氣溫度，藉以分析燃燒熱流行為；而為探討結構體於加 熱面及非加熱面之溫度特性，依CNS 12514相關規定，於牆體熱流方向安 置k-type 熱電偶以量測溫度，包括結構體、面材、防水層、外殼構造等 位置，設定為每秒量測一次，透過溫度擷取器將數據傳回電腦。熱電偶 之安裝及規格將參酌CNS規範內容。

表 3-2 全尺寸火災實驗儀器配置 儀器名稱 數量 距地高度 說明 熱電偶樹 多則 自天花板下 50 公分內每 10 公分分配一點，共 分配五點；天花板下 50 公分後，每 50 公分分 配一點，亦分配 3 點 測 溫 配 置 為 自 天 花板下 5 公分、10 公分、20 公分及 30 公分 氣體分析 儀 1 組 180cm 隨實驗配置不同， 擺設不同 熱電偶 多則 沿著熱流方向佈設，包含：結構體、面材、防水層、外殼構造等位 置 實驗進行的同時，以攝影機透過模型房間的防火窺視窗對室內進行攝 影，記錄實驗過程；另外也以相機拍攝房間內的火場狀況。透過 Data logger 將實驗過程中熱電偶、壓差計、流量計所得到的電子數據轉換為數位數 據，再傳送至電腦進行記錄。實驗屋內則設置有氣體分析儀乙台，用以 量測實驗場內部氣體濃度，量測的氣體有 O2、CO 及 CO2三種氣體， 評估項目如下： (a)遮焰性 依據CNS 12514 9.2規範，牆壁、樓板、屋頂等分隔構造，應不得有 下列情形之一發生。 1. 棉花墊引燃 2. 在非加熱面之持續火焰超過10 秒 3. 從加熱側通達非加熱側之持續噴出火焰超過10 秒 (b)阻熱性 依據CNS 12514 9.3規範，牆壁、樓板、屋頂等分隔構造，試體非加 熱面溫度應不得有下列情形之一發生。 1. 試驗中平均溫度超過170℃以上。 2. 試驗中在任一位置之溫度（包括移動式熱電偶所測者）超過210℃以 上。