直交集成板(CLT)構造防火設計之研究

交

集

成

板

₍

CLT

)

構

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防

火

設

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究

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109

年

₁

2

月

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直交集成板(CLT)構造

防火設計之研究

內 政 部 建 築 研 究 所 協 同 研 究 報 告

中華民國 109 年 12 月

直交集成板(CLT)構造

防火設計之研究

研 究 主 持 人 ： 王榮進 協 同 主 持 人 ： 蔡孟廷 研 究 員 ： 楊德新、雷明遠 李其忠、詹家旺 研 究 助 理 ： 趙偉成、汪姮慈

內政部建築研究所協同研究報告

中華民國 109 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)

I

目次

表次 ... III

圖次 ... V

摘要 ... XI

第一章

緒論 ... 1

第一節

研究背景 ... 1

第二節

研究目的與重要性 ... 1

第三節

研究方法與步驟 ... 2

第二章

文獻回顧 ... 5

第三章

研究方法及實驗規劃 ... 11

第一節

研究方法 ... 11

第二節

火害實驗設備及規畫 ... 15

第三節

實驗試體組裝 ... 18

第四章

實驗結果及討論 ... 37

第一節

日本扁柏

CLT 樓板 ... 37

第二節

北美花旗松

CLT 樓板 ... 53

第三節

國產柳杉

CLT 牆板 ... 66

第四節

火害之撓曲變形理論值與實驗值比較 ... 73

第五節

不同材種及集成元厚度

CLT 樓板之撓曲變形 ... 75

第五章

規範修正建議 ... 77

第一節

實驗結果討論 ... 77

第二節

規範修訂建議 ... 80

第六章

結論與建議 ... 87

II

第一節

結論 ... 87

第二節

建議 ... 88

參考文獻 ... 89

附錄一

期初、期中及期末審查會議記錄... 91

附錄二

專家座談會紀錄 ... 103

III

表次

研究進度及預期完成之工作項目 ... 4

不同膠合層數下之炭化深度建議 ... 5

不同樹種穩態燃燒之臨界質量損失速率及臨界外部熱通量 ... 7

加拿大鐵杉燃燒試材之防火性能試驗表 ... 8

EU5 針對實木及集成材之密度所訂定之炭化深度速率 ... 12

北美 CLT HANDBOOK(參考 NDS 之數據)所建議之炭化深度速率 ... 12

日本扁柏 CLT 炭化深度量測結果 ... 46

日本扁柏 CLT 樓板試體燃燒前

EIeff

計算表 ... 48

日本扁柏 CLT 樓板試體第 1 層完全碳化

EIeff

計算表 ... 50

日本扁柏 CLT 樓板試體燃燒 60 分鐘

EIeff

計算表 ... 52

北美花旗松 CLT 炭化深度量 ... 60

美國花旗松 CLT 樓板試體燃燒前

EIeff

計算表 ... 62

美國花旗松 CLT 樓板試體第 5 層完全碳化

EIeff

計算表 ... 64

美國花旗松 CLT 樓板試體燃燒 60 分鐘

EIeff

計算表 ... 66

國產柳杉 CLT 炭化深度量測結 ... 72

規範表 9.3-2 適用 1 小時防火設計之直交集成板 CLT ... 81

木構造建築物設計及施工技術規範部分修正條文草案對照表... 83

V

圖次

研究流程 ... 3

非標準加熱試驗及以 EUROCODE 5 預測之炭化深度及炭化率 ... 5

室溫下軸向及橫向之載重撓曲圖 ... 6

耐燃試驗測得之炭化深度及炭化率 ... 7

PRF 於所有試驗溫度下與實木具相似之強度 ... 9

防火披覆失效後於受保護的木材表面觀察到的炭化現象增加... 10

木材燃燒炭化層 ... 11

防火實驗加熱曲線 ISO834-1 ... 11

CLT 火害後之炭化層及殘留斷面[6] ... 13

梁、柱複合耐火試驗爐 ... 15

門牆耐火實驗爐 ... 16

單片 160X440CM 日本扁柏 CLT 之拼接 ... 18

防火棉佈置 ... 19

測溫點與測溫線示意圖 ... 21

佈設測溫棒 ... 21

測試測溫孔數據是否無異常 ... 21

載重塊之配置及位移計之架設位置(單位:CM) ... 22

VI

載重塊配置完成 ... 23

位移計之架設 ... 23

單片 151.5*432CM 美國花旗松 CLT 之拼接 ... 24

測溫點規劃及各點位之測溫線埋設深度(單位:CM) ... 25

試體放入框架內並在邊框周圍塞入防火棉後架高佈置底部防火棉 ... 26

載重塊之配置及位移計之架設位置 ... 27

測溫棒佈置 ... 28

儀器設置完成 ... 28

試體吊入爐內 ... 28

設置載重塊 ... 28

載重塊布置完成 ... 28

位移計架設完成 ... 28

國產柳杉 CLT 拼接方式及單元尺寸... 29

國產柳杉 CLT 牆板立面示意圖及框架尺寸 ... 30

國產柳杉 CLT 牆板之拼接 ... 31

測溫點規劃及各點位之測溫線埋設深度(單位:CM) ... 33

測表溫度線之電熱偶及位移計之架設位置 ... 34

試體框架組立 ... 35

VII

於框架四周佈置防火棉 ... 35

試體含框架於曝火面立面圖 ... 35

試體含框架於非曝火面立面圖 ... 35

29 條熱電偶佈線完成 ... 36

設置好 2 處垂直位移後，將黃色鐵架移動到試體前方，並開始設置另外

2 處之水平位移。 ... 36

水平位移及自由端位移架設完成。 ... 36

前置作業均完成後，開始加載重。 ... 36

標準加熱溫度曲線與日本扁柏實驗加溫曲線之比較 ... 37

日本國土交通省公告之 CLT 炭化層設計 ... 38

炭化深度之預估 ... 38

測溫點 E 點:不同深度測溫計之升溫曲線 ... 39

測溫點 F 點:不同深度測溫計之升溫曲線... 39

位移計 1 及 2 所量測之撓曲變形 ... 40

實驗試體每 30CM 分割成一個單元 ... 41

單元斷面以 30CM 為間隔之量測點位 ... 42

試體分割流程 ... 43

熱解層基線 T 點及碳化層基線 D 點... 43

VIII

炭化深度量測結果 ... 45

日本扁柏 CLT 樓板試體燃燒前示意圖 ... 47

日本扁柏 CLT 樓板試體第 5 層完全碳化示意圖 ... 49

日本扁柏 CLT 樓板試體燃燒 60 分鐘示意圖 ... 51

標準加熱溫度曲線與北美花旗松實驗加溫曲線之比較 ... 54

測溫點 E 點:不同深度測溫計之升溫曲線 ... 55

測溫點 F 點:不同深度測溫計之升溫曲線 ... 55

位移計 1 及 2 所量測之撓曲變形 ... 56

實驗試體每 30CM 分割成一個單元 ... 57

單元斷面以 30CM 為間隔之量測點位 ... 58

炭化深度量測結果 ... 59

美國花旗松 CLT 樓板試體燃燒前示意圖 ... 61

美國花旗松 CLT 樓板試體第 5 層完全碳化示意圖 ... 63

美國花旗松 CLT 樓板試體燃燒 60 分鐘示意圖... 65

標準加熱溫度曲線與北美花旗松實驗加溫曲線之比較 ... 67

各量測點不同深度測溫計之升溫曲線 ... 68

實驗各量測點之變形 ... 68

實驗試體每 30CM 分割成一個單元 ... 69

IX

單元斷面以 30CM 為間隔之量測點位 ... 70

炭化深度量測結果 ... 71

日本扁柏 CLT 理論與實驗撓曲變形之歷時比較 ... 74

XI

摘要

關鍵字：直交集成板、炭化深度、炭化速率、殘餘強度 一、研究緣起 有鑑於國內目前木構造建築限高 4 層樓，考量防火結構物之主要樓板及承重牆防火時效 為1 小時的情況下，因此本研究針對直交集成板 CLT 在 1 小時的火害下進行其炭化深度及火 害行為之研究。主要研究方法透過考察歐洲、北美、日本等地有關直交集成板CLT 之構造防 火法規與規範，來探討國產及進口直交集成板CLT 之防火性能。此外，透過實驗結果之驗 證，研提「木構造建築物設計及施工技術規範」中直交集成板CLT 構造防火規定之草案，並 針對「木構造建築物防火設計施工參考手冊」中，有關直交集成板CLT 構造專章內容提出增 修建議及草案。本研究預計進行2 組 CLT 樓板及 1 組 CLT 牆板之火害實驗，做為驗證所需。 二、研究方法及過程 本研究預計透過文獻回顧分析及實驗驗證的方式建立國內基礎資料。實驗方面，規劃直 交集成板CLT 之炭化深度實驗及防火性能之確立，透過 1 小時之火害實驗確立不同材種(日 本扁柏、北美花旗松)之 CLT 樓板及國產柳杉 CLT 牆板，在加載下之炭化深度。另外，本研 究並參考各國相關規定，提出國內CLT 樓板在火害後之殘餘斷面等值 EI，用以估算 CLT 樓 板在1 小時火害後之變形趨勢。 三、重要發現 研究成果首先針對不同材種 CLT 之炭化深度進行探討。透過預先埋設在不同深度測溫計 之溫升曲線中，可發現日本扁柏CLT 之曝火面第 1 層測溫點大約在 18 分鐘左右有較明顯的 升溫趨勢，顯示此時測溫計已經受到火爐溫度之影響，炭化已經達到此深度，因此概算炭化 速率約為0.8mm/min；而北美花旗松 CLT 之曝火面第 1 層測溫線大約在 22 分鐘左右有較明 顯的升溫趨勢，概算炭化速率約為0.68mm/min。另外，根據整體實驗結果，日本扁柏 CLT 樓板及北美花旗松CLT 樓板之曝火面第 2 層均無明顯升溫現象，顯示火害所造成炭化層並未

XII 完全燒盡曝火面第2 層。兩組樓板 CLT 之炭化深度經量測觀察，均可發現在 CLT 板搭接處有 較大的炭化深度產生。由於搭接處無法如同板本身緊密接合，因此會有火源竄入並造成較深 的炭化層。國產柳杉CLT 牆板由於無樓板般較大之撓曲變形產生，搭接處並沒有無法密合之 影響，因此搭接及非搭接部分之炭化深度無明顯差異。國產柳杉CLT 之平均炭化深度約為 4.1cm~5.1cm 左右，平均炭化速率介 0.68~0.85mm/min。較現行規範建議之底部炭化深度 4.68cm 為大。 另外，本研究亦參考國外規範，進行火害時由於炭化層產生，導致整體強度下降，以致 整體撓度會有持續加大的評估方法進行探討。由評估結果可顯示，當曝火面第1 層完全炭 化，底層主軸由曝火面第1 層集成元的強軸變為曝火面第 2 層集成元的弱軸，因此造成撓度 大幅度的增加。此外，當曝火面第1 層(強軸)完全炭化後，並燃燒至曝火面第 2 層(弱軸)時， 實驗數據顯示其撓度會突然增大，與理論所推得的結果相同，原因為弱軸不提供強度導致整 體樓板等值EI 值下降而變形遽增。另外，由於弱軸不提供強度，理論上通過急遽變形階段 時，由於強軸層(曝火面第 3 層)受到弱軸層(曝火面第 2 層)保護，因此整體等值 EI 值維持固 定的情況下，撓曲變形應為一固定值。然而，CLT 板同層各集成元間並沒有進行膠合，故在 燃燒時，集成元間會因為受載重的影響產生縫隙，使得火焰經由縫隙對上層集成元進行燃 燒，導致整體炭化不均勻並使得強軸集成元(曝火面第 3 層)受到火害的影響，使得理論值與 實驗結果稍有不同。 四、主要建議事項 本研究透過文獻回顧及初步的實驗結果，參考現行木構造建築設計及施工規範之規定， 研議並提出未來針對直交集成板CLT 在防火設計上的修訂方向及建議，主要建議事項如下。 建議一 研擬「木構造建築物設計及施工技術規範」第九章直交集成板 CLT 之增修條文：立即可 行建議。 主辦機關：所內政部營建署 協辦機關：內政部建築研究 根據本年度所完成的實驗成果及數據，建議研擬「木構造建築物設計及施工技術規範」 第九章中，針對直交集成板CLT 之增修條文建議。

XIII 建議二 彙整直交集成板 CLT 之防火設計原則出版解說手冊：中長期建議。 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：財團法人台灣建築中心 建議內政部建研所可以本年度實驗及資料彙整成果為基礎，針對直交集成板 CLT 之防火 設計原則出版解說手冊。

1

第一章 緒論

第一節 研究背景

近年來國際間木構造研究應用發展迅速，尤其「直交集成板(Cross Laminated Timber)」應用於建築結構材，在歐洲北美日本等國家已經有突破傳統木構造建築 物規模及形式之案例。此種工程木材為良好的綠建材之一，各先進國家紛紛積極 研訂相關產品標準及適用之建築規範，我國於 108 年 11 月 14 日公布國家標準 CNS16114 直交集成板，然國內木構造建築設計及施工規範仍尚未納入。由於國 外發展案例已達國內法規認定為防火結構物之規模，目前國內雖有建築物採CLT 構造之實績案例，但有關構造防火之性能部分仍須以建築新技術新工法新設備及 新材料認可之機制逐一產品認可，使得運用受限。由於現行木構造建築物施工及 設計技術規範中缺乏有關CLT 構造之相關內容，為將 CLT 構造防火設計應遵循 之重點納入建築法規，減少CLT 產品逐一認可之需要，並確保 CLT 構造建築物 防火安全，因此有必要針對此課題進行相關研究，以提供國內建築管理之參考依 據。

第二節 研究目的與重要性

有鑑於國內目前木構造建築限高 4 層樓，考量防火結構物之主要樓板及承重 牆防火時效為1 小時的情況下，因此本研究針對直交集成板 CLT 在 1 小時的火 害下進行其炭化深度及火害行為之研究。主要研究方法透過考察歐洲、北美、日 本等地有關直交集成板 CLT 之構造防火法規與規範，來探討國產及進口直交集 成板CLT 之防火性能。此外，透過實驗結果之驗證，研提「木構造建築物設計及 施工技術規範」中直交集成板 CLT 構造防火規定之草案，並針對「木構造建築 物防火設計施工參考手冊」中，有關直交集成板 CLT 構造專章內容提出增修建

2 議及草案。因此，本研究預計進行2 組 CLT 樓板及 1 組 CLT 牆板之火害實驗， 做為CLT 構造專章內容及炭化層深度之驗證。 木構造建築在其建築材料具固碳上之優勢，及近年來工程木材技術漸趨成熟 之影響，在各先進國家中漸漸受到重視。歐美日等先進國家，近二、三十年來已 對現代木構造的建築型式及工程木材之應用有相當程度的掌握，尤其在耐震性、 耐火性及耐久性等相關議題之研究，已有突破性的研究成果及應對策略。其中， 針對現代化人口集中及中高層建築林立的都市中，木構造建築之高度限制也因為 直交集成板CLT (Cross Laminated Timber)之技術研發與成熟得到長足的發展。直 交集成板CLT 在歐美日已通過各種防火、透氣性、隔音隔熱、耐風雨、天候及抗 震等測試，可用於進行中高層木結構建築的設計中，然而台灣對於直交集成板 CLT 之基本防火性能等研究之基礎資料卻付之闕如。國內目前雖然已有直交集成 板CLT 建築實績與案例，但仍須以新材料新工法之評定方式驗證其防火之性能， 因此當務之急則為透過相關基礎研究建我國直交集成板 CLT 之防火實驗及設計 資料，以期未來可列為設計規範之制定及參考。本研究預期成果主要為: (1) 國外直交集成板 CLT 之法規綜整 (2) 透過實驗探討直交集成板 CLT 之炭化深度及防火性能 (3) 直交集成板 CLT 於 1 小時火害實驗後之強度評估

第三節 研究方法與步驟

直交集成板CLT 在歐美日已通過各種防火、透氣性、隔音隔熱、耐風雨、天 候及抗震等測試，可用於進行中高層木結構建築的設計中，歐美日等先進國家近 年已針對直交集成板CLT 之防火設計提出相關設計方法[3-11]，本研究預計透過 文獻回顧分析及實驗驗證的方式建立國內基礎資料。實驗方面，規劃直交集成板

3 CLT 之炭化深度實驗及防火性能之確立，透過 1 小時之火害實驗確立不同材種 之 CLT 樓板及牆板在加載下之炭化深度。另外，火害後之試體進一步透過三分 等載重實驗確定火害後之殘餘強度，並參考各國相關規定，提出國內 CLT 樓板 在火害後之殘餘強度評估公式。整體研究流程如圖1-1，研究進度及預期完成之 工作項目如表1-1 所示。 研究流程 研究背景與目的 相關文獻探討 國外設計數值及方法確立 結構用直交集成板 CLT 樓板防火試驗 國產直交集成板CLT 牆板防火試驗 1. 直交集成板 CLT 之炭化深度及防火性能確立 2. 直交集成板 CLT 於 1 小時火害實驗後之強度 評估公式之建立 研提直交集成板 CLT 構造防火設 計相關建築法規及規範修正草案

4 研究進度及預期完成之工作項目 月 工作項目 第 1 個 月 第 2 個 月 第 3 個 月 第 4 個 月 第 5 個 月 第 6 個 月 第 7 個 月 第 8 個 月 第 9 個 月 第 10 個 月 第 11 個 月 備 註 資料收集與 分析 ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ 第1 次 專家會議 ▓ 直交集成板 CLT 國外防火 規範比較分析 ▓ ▓ ▓ ▓ 實驗規劃 ▓ ▓ ▓ ▓ 第2 次 專家會議 ▓ 期中報告 ▓ 實驗執行 ▓ ▓ ▓ ▓ 研提直交集成 板CLT 之防火 設計規定草案 ▓ ▓ ▓ 第3 次 專家會議 ▓ 期末報告 ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ 預 定 進 度 ( 累 積 數 ) 4% 14% 24% 36% 48% 58% 70% 82% 94% 98% 100%

5

第二章 文獻回顧

本研究首先透過文獻回顧探討國際上針對 CLT 進行規範制定時，所關注的 議題等。文獻回顧除了探討炭化深度及速率，對於火害後之殘餘強度亦進行資料 收集及研究。 火害後之材料強度方面，本文獻針對12 隻單向跨距且尺寸為 2000×300×100 mm3（長×寬×厚）之 CLT 樑進行三分等抗彎試驗[12]，層數分別為三層及五層， 於室溫下控制位移進行四組對照試驗。圖2-1 為非標準加熱試驗及以 Eurocode 5 預測之炭化深度及炭化率，結果顯示，於所有條件下試驗之炭化深度均小於預測 值。因 EC5 假定炭層於開始加熱時立即生成，但實際情形並非如此，加熱開始 後約10 min 後開始炭化，且炭化層並非以恆定速率生成，EC5 進行之簡化假設 僅對根據ISO 834 以耐火測試爐進行試驗者有效。表 2-1 為提出與 EC5 預測值進 行比較及破壞時間與零強度層厚度之試驗數據，由表2-1 可發現，施加不同水平 之持續載重對炭化層形成並無顯著影響。 不同膠合層數下之炭化深度建議 非標準加熱試驗及以Eurocode 5 預測之炭化深度及炭化率

6 炭化速率方面，為探討受壓縮負載CLT 由一側暴露加熱時之熱及機械行為， 本文獻共進行八項試驗，其中四項於室溫下進行，其餘四項則施加持續載重並以 恆定熱通量入射進行耐燃試驗[13]。試材由三聚氰胺甲醛樹脂膠合之雲杉-松木 CLT 進行裁切且，尺寸為 1700×300×100 mm3，使用 3 層及 5 層，厚度分別為 33-34-33 mm 及均為 20 mm。圖 2-2 為室溫下軸向及橫向之載重撓曲圖，橫向撓 曲最初為線性關係，但由於設置中出現難以避免之中立軸位移，因此於較高荷重 下橫向撓曲增加導致二次彎矩積累，最終發生挫曲破壞及外層軸向彎曲破壞。 室溫下軸向及橫向之載重撓曲圖 圖2-3 為耐燃試驗測得之炭化深度及炭化率，使用與三次多項式曲線對應之 深度及溫度數值以最小平方法近似 300oC 等溫線之位置。因輻射板於達到穩態 輻射輸出前需加熱並將木材表面加熱至300oC，故於試驗開始前 5 min 並無炭化， 而所有試驗均顯示炭化率之初始峰值，而後降低並接近普遍認知之針葉樹一維炭 化率 0.65 mm / min，但下表所示因最初峰值導致平均炭化率略大於 0.65 mm / min，此可能為炭化表面對流氣體中氧氣含量較高導致炭化加速。

7 耐燃試驗測得之炭化深度及炭化率 另外，為探討各樹種及 CLT 於穩態燃燒狀態下，發生自熄滅之臨界質量損 失速率及臨界熱通量，將試材由外部通入熱量直至著火，後將其燃燒 10-15 min 以確保穩態燃燒，再降低熱通量直至燃燒停止[14]。本試驗目的之一為探討實木 及CLT 於不同密度及樹種間自熄滅時之臨界質量損失速率與臨界熱通量之變化， 於試驗中使用多種熱通量（20–100 kW / m2）其涵蓋隔室火災常見之熱通量，各 試驗間區別為試材之加熱面積及厚度，但由於錐形加熱器均勻加熱之特性及不同 試驗持續時間，使樣品尺寸影響得以最小化，因此可以直接對木材種類進行比較。 表 2-2 為不同樹種穩態燃燒之臨界質量損失速率及臨界外部熱通量，臨界質量損 失率受木材種類及特定化學組成影響，可得知臨界質量損失率似乎與樹種有關。 不同樹種穩態燃燒之臨界質量損失速率及臨界外部熱通量

8 以加拿大鐵杉製造之 CLT 進行防火性能試驗，於環境溫度及標準燃燒條件 下，測試了10 種不同厚度及層數之 CLT，以探討室溫下之撓曲能力及燃燒試材 之溫度分佈、炭化率、耐火性及撓曲能力[15]。在耐火試驗期間，除 F-3L-15 和 F-3L-20 外所有樣品均清楚地觀察到焦炭層的局部脫落，導致內部新鮮材面直接 暴露於火中，使某些TC 的溫度迅速升高並達到了爐溫，炭層脫落時間因樣品不 同而異。與燒焦的三層試樣第一層完全掉落不同，五層試樣並無觀察到焦炭層掉 落時間的明顯趨勢。由上述情形可推論，當使用較薄之集成元時，炭層之局部脫 落係導致試材快速升溫之主要關鍵。將截面中的300oC 等溫線視為炭化線炭化， 由TC 讀數及殘於橫截面計算之炭化率如下右圖所示。由每個 TC 測得大部分炭 化率均高於根據歐洲規範5 的一維炭化最大額定值（0.65 mm / min），主要係由 於炭化層脫落所致，另一個原因是，CLT 面板中使用之集成元並無側拼膠合，變 形隨著著火勢及發展，個集成元之間隙逐漸增大，導致局部受二維火焰暴露使總 體炭化率提升。 加拿大鐵杉燃燒試材之防火性能試驗表 另外，為探討高溫下 CLT 常用膠合劑之機械強度以釐清剝離現象之發生， 分別對實木進行拉伸試驗及對實木與膠合材進行拉伸剪切試驗[16]。圖 2-4 可以 得知PRF 於所有試驗溫度下與實木具相似之強度，且於 260oC 下大多數膠合劑

9 與實木間之剪切強度差異最大，於此溫度下與實木進行比較，PUR1 之強度僅為 實木之30％、PUR2 仍為實木之 60％以上、而 MF 之強度則為實木之 85％。 PRF 於所有試驗溫度下與實木具相似之強度 根據 CLT 進行多次耐火試驗結果以及根據當前以 EN 1995-1-2 的耐火設計， 提出了一種針對木材及CLT 的新型炭化模型。此外，透過 CLT 進行多次耐燃測 試獲得之炭化深度與基於歐洲炭化模型的結果進行了比較[17]。試驗結果表明， 使用名義炭化率 βn 可確定 CLT 之剩餘橫截面，若考慮 CLT 之結構，通過將一 維基本設計炭化率β0 與不同係數 k 相乘以計算名義炭化率 βn。而炭化層是否會 脫落取決於膠合劑及 CLT 組成之層數及厚度。此外，CLT 元件之耐火性與炭化 率並不成線性關係，因具有低剛度及低強度之直膠層的炭化幾乎不會對整體承載 產生影響於設計上，為確定樓板炭化深度應考慮兩種情形，若 CLT 各個炭化層 並未脫落，則形成之炭化層可保護剩餘的 CLT 橫截面以免受熱侵害，在此情況 下其火災行為與實木相似；若發生炭化層局部脫落，其防火功能將喪失，新鮮材 面直接暴露於火場中，此現象類似於在防火披覆失效後於受保護的木材表面觀察

10 到的炭化現象增加（圖2-5），可考慮於前一層掉落後下一層最初 25 mm 使用雙 倍炭化率來考慮。 防火披覆失效後於受保護的木材表面觀察到的炭化現象增加 由以上文獻回顧可知，由於 CLT 具有縱向和橫向層的結構，其暴露於火時 具有復雜之性能。故於設計上，由於有效橫截面方法係考慮熱量所造成強度及剛 度之降低，因此若剩餘橫截面位於橫向層中，零強度層為非承重層的一部分，與 零強度層為承重層的一部分相比，其厚度必須相應地增加。但當前以EN 1995-1-2 進行設計並未考慮任何一種情況，由此解釋為何於歐洲用於 CLT 防火設計之 零強度層厚度並非7 mm 定值。

11

第三章 研究方法及實驗規劃

第一節 研究方法

3.1.1 炭化速率之研究

木材在表面燃燒時會形成炭化層。炭化層會阻斷木材燃燒所必要氧氣，因此 具有保護炭化層內層之主要結構之效果。另外，加熱初期炭化率較快速，隨著時 間增加炭化層厚度逐漸增加且炭化層具有阻熱效果，所以加熱時間越長炭化層越 厚，阻熱效果越大，炭化的速率會有逐漸減少的趨勢。本研究預計採用 ISO834-1 之加熱曲線，進行直交集成板 CLT 樓板及牆板之 ISO834-1 小時火害實驗，預期實驗結 果可與國外實驗結果進行比較驗證。Eurocode 5 (EU5)所定義之炭化深度計算方 式(3-1)，可知針對實木及集成材之密度大於 290 kg/m3_{，其炭化速率均可以表} 3-1 之數值求得。美國 NDS 亦對有效炭化深度之計算方式及炭化速率提出相對應 之數值(式 3-2 及表 3-2)，提供炭化深度之基本設計方式。 𝑇 = 20 + 345 × 𝑙𝑜𝑔10(8𝑡 + 1) 木材燃燒炭化層 防火實驗加熱曲線ISO834-1

12 雖然 EU5 以及 NDS 對於炭化速率的規定主要用來規範實木及集成材，然其 規範中亦提到此炭化速率亦可作為CLT 炭化層設計之參考。另外，日本於 2016 年推出之 CLT 設計手冊中亦針對炭化速率提出相對應之計算方式，其中炭化速 率之計算分為制式工法採固定炭化深度計算，但若膠合層較為特殊則可採炭化速 率的方式來計算炭化層。本研究進行日本扁柏CLT 樓板及北美花旗松 CLT 樓板 之實驗，採實驗驗證之方式，參考比較各國之實驗數據及結果，以供國內提出較 適合國內使用之炭化深度設計值。 𝑑𝑐ℎ𝑎𝑟,𝑛 = 𝛽𝑛𝑡 (3-1) 𝑑𝑐ℎ𝑎𝑟,𝑛: 炭化深度 𝛽𝑛: 炭化速率 𝑡: 燃燒時間 EU5 針對實木及集成材之密度所訂定之炭化深度速率

Type of timber β0 mm/min βn mm/min

Glued laminated timber with a characteristic density of >290 kg/m3 Solid timber with a characteristic density of >290 kg/m3

0.65 0.65 0.7 0.8 (3-2) 北美CLT Handbook(參考 NDS 之數據)所建議之炭化深度速率

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3.1.2 火害實驗後殘於強度之研究

直交集成板 CLT 由於各膠合集成元間之木材纖維方向成 90 度垂直，因此對 於樓板而言會有明顯的強弱軸之分。根據北美CLT Handbook 以及日本 CLT 施工 設計手冊之建議，將弱軸方向之集成元彈性模數 E 及剪力模數 G 假設為零(E90 =G90=0)，為評估直交集成板 CLT 在火害後之殘餘斷面積強度時，較為適當的評 估方法。由於弱軸方向之集成元不提供強度，因此火害後殘餘結構斷面之中立軸 會產生偏移，造成整體結構斷面等值 EI 的改變。此時可先透過公式(3-3)求得殘 餘斷面之中立軸位置。 CLT 火害後之炭化層及殘留斷面[6] i i i i i i i y h E y h E =





(3-3) 其中: y :未燃燒面至中立軸之距離(cm) i y :未燃燒面至第 i 層型心之距離(cm) i h:第 i 層厚度(cm)

14 i E :第 i 層主軸之彈性模數(kgf/cm2) 當中立軸位置求得後，接著可利用平行軸定理求得殘餘斷面之等值 EI，公式 (3-4)為假設直交集成板 CLT 在各層所選用的材種不盡相同的條件下，所進行的 計算方式。若是選用相同等級材種的CLT，則公式(3-4)可以改寫成公式(3-5)，亦 即此時材料所造成的影響可以忽略不計。 3 2 12 i i eff i i i i i i i b h EI =



E +



b h d E (3-4) 其中: eff EI :等值抗彎勁度(kgf cm 2) i d :中立軸到第 i 層型心距離(cm) i b :CLT 板寬(cm) i h:第 i 層厚度(cm) 3 2 12 i i eff i i i i i b h I =



+



b h d (3-5) 其中: eff I :等值慣性矩(cm4) 此方法於世界各國均可適用，目的在檢證非一般制式膠合的 CLT 板(例如每 層厚度不一、或是強弱軸膠合層非單一層等情況)。本研究亦透過本方法推導因 炭化層產生導致CLT 板之等值 EI 值衰減趨勢，提供後續進行規範制定時之參考。

15

第二節 火害實驗設備及規畫

本研究使用內政部建築研究所防火實驗中心之設備，主要針對建築物防火構 造及防火設備之耐火性能研究，實驗室內設柱、梁、柱梁接頭、樓版、屋頂、牆、 門窗耐火加熱爐與加載設備及其相關實驗設施。直交集成板 CLT 之樓板及牆板 實驗則主要使用以下兩個重要儀器: (1) 樑、柱複合耐火試驗爐 本設備用於建築物樑、柱、樓版構件防火時效測試，測定其承重能力、遮 焰性、阻熱性等性能，以區分測試構件之防火時效。柱高最高可達4 公尺，最 大加載可達2000 噸；梁最長跨距為 8 公尺，最大集中加載為 100 噸，最大均佈 加載為200 噸；樓版尺寸為 4×8 公尺，最大加載 70~1000 kgf/m²。 (2) 門牆耐火實驗爐。 本設備用於建築物防火門、防火捲門、窗、牆構件防火時效測試，測定其 承重能力、遮焰性、阻熱性等性能，以區分測試構件之防火時效。加熱面積： 寬4.3m 高 4.5m，最大加載可達 60 噸。 梁、柱複合耐火試驗爐

16 門牆耐火實驗爐 (3) 實驗規劃 本研究預計進行 2 組 CLT 樓板及 1 組 CLT 牆板之火害實驗，做為 CLT 構造 專章內容及炭化層深度之驗證。規劃之 2 組 CLT 樓板分別為 5 層 15cm 之日本 扁柏直交集成板CLT，以及 5 層 17.5cm 之北美花旗松直交集成板 CLT。樓板實 驗試體材料之規劃主要選取北美及日本常用之材種進行加工製作，以符合未來應 用之廣泛性及適用性。另外，本實驗亦規畫使用國產柳杉所加工製作的直交集成 板CLT 來進行實驗，然而考量目前國內直交集成板 CLT 之加工無法達到樓板火 害實驗爐之尺寸大小，因此本研究規劃以1 組 5 層 18cm 之國產柳杉直交集成板 CLT 牆板來進行 1 小時之火害試驗，作為驗證國產柳杉之 1 小時防火性能之用。 直交集成板 CLT 在進行樓板及牆板的 1 小時火害實驗方面，本研究參考 CNS12514-4/A3305-4「建築物構造構件耐火試驗法-第 4 部:承重垂直區劃構件特 定要求」，以及CNS12514-5/A3305-5「建築物構造構件耐火試驗法-第 5 部:承重 水平區劃構件特定要求」來進行，目的在模擬火害時於樓板及牆板上加載情況下 之結構行為。此外，實驗用直交集成板CLT 採用我國於 108 年 11 月 14 日公布 國家標準 CNS16114 中所定義之形式。針對直交集成板 CLT 於 CNS16114 內文

17 中作為結構用途時，其規定為「若要做為建築結構用途，則可參考ISO 16696-1 並應依建築主管機關法規規定。」。因此，本研究實驗所使用的北美及日本直交 集成板CLT，均符合 ISO 16696-1 之規定，並根據 CNS12514-5/A3305-5「建築物 構造構件耐火試驗法-第 5 部:承重水平區劃構件特定要求」進行加載及火害實驗。 另外，國產柳杉之直交集成板CLT 牆板之實驗試體，則根據現行「CNS16114-直 交集成板」之製作方式進行加工製造，並根據 CNS12514-4/A3305-4「建築物構 造構件耐火試驗法-第 4 部:承重垂直區劃構件特定要求」進行加載及火害實驗。

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第三節 實驗試體組裝

3.3.1 日本扁柏 CLT 樓板之組裝

本實驗模擬單向樓板在載重情況下之火害情況，對於 CLT 樓板而言會有強 弱軸之差異，亦即纖維方向平行樓板支撐方向的為強軸，提供主要的抗彎強度。 纖維方向垂直樓板支撐方向的則為弱軸，理論上不提供抗彎強度。本實驗所使用 之5 層 15cm 日本扁柏 CLT，單片尺寸為 160x440cm，第 1,3,5 層屬於強軸方向， 亦即纖維方向平行支撐方向。由於試驗框架尺寸為303x440cm，配合試體框架尺 寸及滾支承設置位置，將兩片160x440cm 之 CLT 試體利用〝single internal spline〞 的拼接 方式 進行拼 接(圖 3-6)，拼接後進行裁切加工以符合試體框架尺寸 303x440cm。

(a) single internal spline

(b) 現場拼接流程

19 實驗過程中，為了避免火焰從試驗框架及實驗試體間竄出，於試體下方與 實驗框架交界處佈置防火棉。施作方式為將實驗框架架高後(圖 3-7a)，在試體 底部四邊的縫隙塞防火棉，並用U 型夾及黑膠噴霧固定(圖 3-7b)，防止掉落。 以上步驟完成後，則可進行試體之測溫點及測溫線之配置。 (a). 實驗框架架高並佈置防火棉 (b). 以 U 型夾固定防止掉落 防火棉佈置 (1) 佈設測溫點及安裝測溫線: 首先將 12 處載重塊的位置標示出來，確保測溫點與載重塊沒有重疊的問題 後，再利用打線器標出中心點，並將試體分成等分十字四象限，分別為 A、B、 C 及 D 處及中心點分別往左右兩側 7.5 公分為 E 及 F 處，且 A、B、C 及 D 處往 板中心點，每5 公分佈設 1 測溫點，又分成○AST:表面溫度 ○B1:CLT 第 1 層(曝火 層) ○C 2: CLT 第 2 層 ○D3:CLT 第 3 層；另外 E 及 F 處往板緣，每 5 公分佈設 1 測 溫點，又分成○A1:CLT 第 1 層(曝火層) ○B2: CLT 第 2 層 ○C3:CLT 第 3 層 ○D4:CLT 第4 層；最後中心點往左 5 公分處另設 ST-M，測板中心點之表面溫度(如圖 3-8 所示)。利用 7mm 的鑽孔器，利用綁線的方式標示出鑽孔深度後，開始依序鑽孔； 鑽孔後放入些許木屑，以避免防火泥包覆測溫端部，造成量測阻礙，最後再灌入 防火泥。

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21 (b). 溫點與試體關係圖 測溫點與測溫線示意圖 (2) 佈設測溫棒、試體表面防火棉及數據設定 由於上幾次試驗的試體燃燒產生的灰燼或是生鏽會附著於端部，都會影響到 測溫棒對溫度的敏感性，所以將測溫棒端部用電動鐵刷清理；之後在試體四週空 隙處塞入防火棉，最後吊入爐內；將25 條測溫線佈整好，依序插入電腦機台， 並設置好Numeric Monitor 的數據，並逐一檢查每個測溫孔等數據是否無異常。 佈設測溫棒 測試測溫孔數據是否無異常

22 (3) 佈設載重塊及位移器: 第 1 次實驗於樓板試體上加載 300kgf/m²之載重，雖然加載之載重參考建築 技術規則中商業用途建築之活載重加載，然本研究預計進一步分析加載及試體在 燃燒時的變形曲線，推估試體在曝火面積消失的情況下，其強度折減之估算式。 佈設載重之方式為將 300kgf 的載重塊(含磚塊)放置於試體每平方公尺之面積上 (如圖 3-11 及 3-12 所示)。在載重塊佈設完成後，為了確保試體在實驗過程中之 撓曲變形可以被詳實記錄，因此在試體中心點處以及沿牆軸方向約 100 公分處 (如圖 3-13)，分別設置 1 個位移器，紀錄試體的撓曲變形。 載重塊之配置及位移計之架設位置(單位:cm)

23 載重塊配置完成 位移計之架設

3.3.2 北美花旗松 CLT 樓板之組裝

北美花旗松 CLT 亦模擬單向樓板在載重情況下之火害情況，以纖維方向平 行樓板為強軸進行樓板支承點配置。纖維方向垂直樓板支撐方向的則為弱軸，理 論上不提供抗彎強度。本次實驗用之5 層 17.5cm 美國花旗松，將單片 151.5*432cm 之CLT 板以”Single internal spline”工法將兩片板材接合，尺寸長寬為 432*303(cm)。 配合試體框架尺寸及滾支承設置位置，樓板試體拼接後尺寸為303*432(cm)。

(a) single internal spline

24 (C) 利用螺絲將拼接處固定及完成後狀態 單片151.5*432cm 美國花旗松 CLT 之拼接 (1) 佈設測溫點及安裝測溫線: 首先利用打線器標出中心點及12 處載重塊佈置位置，確保測溫點與載重塊 無重疊的問題，在十字四象限處分別標示A、B、C、D 處，並在中心點之左右兩 側設E 及 F 處，且 A、B、C、D 處每往板中心處每 5 公分佈設一點側溫點，標 示方法○aST:表溫層 ○b1:CLT 第 1 層(曝火層)○c2: CLT 第 2 層○d 3:CLT 第 3 層。 E 處往左 7.5 公分，且往板緣處延伸，每 5 公分佈設一點測溫點，標示方法 ○a1:CLT 第 1 層(曝火層) ○b2: CLT 第 2 層 ○c3:CLT 第 3 層 ○d4:CLT 第 4 層，另外 由於E3 設置在填木內，所以又另外再 E3 點往左 7.5 公分設置一點 E3’。 F 處往右 15 公分，且往板緣處延伸，每 5 公分佈設一點測溫點， 標示方法 ○a1:CLT 第 1 層(曝火層) ○b2: CLT 第 2 層 ○c3:CLT 第 3 層 ○d4:CLT 第 4 層；，以 測溫差與否，最後中心點往左7.5 公分處(避開接縫)另設 ST-M，測表面溫度。 佈線方法:在鑽孔針上利用綁線的方式標示出鑽孔深度後，開始依層鑽孔， 鑽孔後放入些許木屑，避免防火膠包覆測溫端部，造成量測阻礙，最後再灌入防 火泥。

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26 (2) 佈置試體防火棉: 將試體架放入框架並在四周設置防火棉，架高後在試體底部四邊及的縫隙 塞防火棉，並用U 型夾及黑膠噴霧固定，防止掉落。 (3) 佈設測溫棒、佈線及數據設定及載重配置: 第 1 次實驗於樓板試體上加載 300kgf/m²之載重，雖然加載之載重參考建築 技術規則中商業用途建築之活載重加載，然本研究預計進一步分析加載及試體在 燃燒時的變形曲線，推估試體在曝火面積消失的情況下，其強度折減之估算式。 佈設載重之方式為將 300kgf 的載重塊(含磚塊)放置於試體每平方公尺之面積上 (如日本扁柏試體之配置)。在載重塊佈設完成後，為了確保試體在實驗過程中之 撓曲變形可以被詳實記錄，因此在試體中心點處以及沿牆軸方向約 100 公分處 (如圖 3-17)，分別設置 1 個位移器，紀錄試體的撓曲變形。 試體放入框架內並在邊框周圍塞入防火棉後架高佈置底部防火棉

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28

測溫棒佈置 儀器設置完成

試體吊入爐內 設置載重塊

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3.3.3 國產柳杉 CLT 牆板之組裝

國產柳杉承重牆板材尺寸約為300*300cm(實際裁切誤差約 1cm)，柳杉集成 元斷面尺寸約為3.8 * 8.9 (cm)，集成元經過刨光膠合後之 CLT 板牆厚度約為 18cm， 包覆試體板材之鐵框尺寸約為430*426(cm)。

首先將五片CLT 板材依序架高後，利用”Double Surface Splines”的接合方 式，並且在板材正反面共8 處之接合部上鋪上防火泥後，利用螺釘上下交錯方 式，接合各片板材(接合部使用 0.8*9cm 六齒梅花螺栓)。最後將多餘的板材及 凸出的填木裁切掉。整體拼接流程如圖3-24~圖 3-26。

(a) Double Surface Splines

(b) 國產柳杉 CLT 拼接單元

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(a) 國產柳杉 CLT 牆板之立面示意圖

(b) 框架尺寸圖示

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(a) 國產柳杉 CLT 單元於現場擺設

(c) 利用螺絲進行拼接

(c) 拼接完成圖

32 完成國產柳杉 CLT 牆板之單元拼接後，接著進行佈設測溫點、安裝測溫線 及佈置試體防火棉等作業，測溫點之配置及防火棉之佈置作業如下流程。 (1) 佈設測溫點及安裝測溫線: 首先利用打線器標出板材之中心點，並且在四象限處分別標示A、B、C、 D 處，並在中心點之左右兩側設 E 及 F 處，且 A、B、C、D 處每往板中心處每 5 公分佈設一點側溫點，標示方法○aST:表溫層 ○b1:CLT 第 1 層(曝火層)○c2: CLT 第2 層○d 3:CLT 第 3 層；另外 E 及 F 處分別左右兩側 7.5 公分，且往板緣處延 伸，每5 公分佈設 1 測溫點，○a1:CLT 第 1 層(曝火層) ○b2: CLT 第 2 層 ○c3:CLT 第3 層 ○d4:CLT 第 4 層。 測表溫層之熱電偶，除了四象限內的A、B、C 及 D 處各有一處(ST-A、 ST-B、ST-C、ST-D)，中心點處則另設 ST-M，另外依照 CNS12514 之規定，在 水平中心線，左緣處往中心線10cm 設置 ST-1；由板材左方第二處接合部往左 10cm 及上緣 10cm 設置 ST-2；縱向中心水平線，距離上緣 10cm 設置 ST-3；最 後在水平中心線，右緣處往中心線10cm 設置 ST-4。 佈線方法主要為在鑽孔針上利用綁線的方式標示出鑽孔深度後，開始依層鑽 孔，鑽孔後放入些許木屑，避免防火膠包覆測溫端部，造成量測阻礙，最後再灌 入防火泥。 (a) 安裝完成之測溫點及試體相關位置

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(b) 不同深度之測溫線埋設深度示意圖

34 (2) 佈置試體防火棉: 測溫線埋設完成後，接著將 CLT 試體吊入試體框架內，為了避免實驗時火 苗竄出，於佈置好的 CLT 試體框架及四周佈置防火棉，佈置圍成後吊掛進入實 驗爐體框中。 (3) 佈設位移器、數據設定及加載: 將試體置入爐體後，將 29 條熱電偶插入儀器，並測試有無異常後，在試體 下方設置垂直位移 S 及垂直位移 N，另外在水平方向設置自由端位移及水平位 移，共4 處位移，將所有熱電偶線接上儀器後，設置好電腦數據並測試無異後， 在試驗開始前15 分鐘持壓 24.35(噸)，10 分鐘持壓 24.46(噸)，並於 109 年 10 月 29 日 15 時 07 分 47 秒開始加火並試驗。 測表溫度線之電熱偶及位移計之架設位置

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試體框架組立 於框架四周佈置防火棉

36 29 條熱電偶佈線完成 設置好2 處垂直位移後，將黃色鐵 架移動到試體前方，並開始設置另外2 處 之水平位移。 水平位移及自由端位移架 設完成。 前置作業均完成後，開始加載重。

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第四章 實驗結果及討論

第一節 日本扁柏 CLT 樓板

本實驗於內政部建築研究所防火實驗中心進行，實驗現場溫度為:29.7℃，濕 度:69％。實驗試體觀測到的最大撓曲變形 26.7cm，換算可得其最大變形速率為 11.9mm/min。另外，試驗過程 2:40 秒時，觀測到中間孔隙開始冒煙，6:56 秒時 煙集中在位移器1 及位移器 2 之間，發煙主要集中在兩片 CLT 板續接之中央部。 實驗進行到23:23 秒試體火焰變大，27:06 秒爐內劇烈燃燒，35:57 秒爐內燃燒穩 定。穩定燃燒至54:33 秒時另外產生一次劇烈的燃燒。實驗試體在完成後，送至 工廠存放，並進行炭化層之清除確認炭化深度及炭化速率。本節針對日本扁柏 CLT 樓板之實驗結果進行分析及討論。

4.1.1 炭化速率評估

本研究採用 ISO 834-1 之加熱溫度曲線，圖 4-1 為標準加熱溫度曲線與實驗 加溫曲線之比較，實驗加溫曲線大致符合標準加熱曲線，僅在2-5 分鐘以及第 55 標準加熱溫度曲線與日本扁柏實驗加溫曲線之比較

38 分鐘後，實驗加溫曲線高於溫度控制的上限值。由前述實驗記錄可知，在接近3 分鐘時可以從 CLT 板之中央拼接縫觀察到冒煙，亦與此時加溫較快有一定關連 性。根據日本國土交通省公告之 CLT 炭化層設計(圖 4-2)，CLT 樓板(屋頂)在 1 小時之炭化層產生速率，若使用水溶性樹脂(PU)，則炭化層產生速率約介於 0.7~0.8mm/min 之間，若使用耐燃性較佳之間苯二酚-甲醛樹脂(RF)，則炭化層產 生速率約介於0.6~0.7mm/min 之間。因此，本研究以 0.7mm/min 之炭化速率，首 先推估曝火面最底層完全燒盡之時間約介於 42.5 分鐘之間，而 1 小時之炭化層 深度約為4.2cm 左右。亦即 E2 測溫點(曝火面第 1 層)約在 21 分鐘左右會開始偵 測到火爐溫度，E3 測溫點(曝火面第 2 層)則不太有明顯的升溫現象。 日本國土交通省公告之CLT 炭化層設計 炭化深度之預估 曝火面第 1 層

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測溫點E 點:不同深度測溫計之升溫曲線

40 由測溫點 E 點在不同深度測溫計之升溫曲線(圖 4-4)中可發現，E2 點(曝火 面第1 層)大約在 18 分鐘左右有較明顯的升溫趨勢，顯示此時測溫計已經受到火 爐溫度之影響，由於火爐加溫在第2-5 分鐘間有較標準曲線為大之趨勢，因此 E2 點較炭化速率預估之21 分鐘達到 E2 測溫點為快，屬於合理範圍。E3 點之升溫 曲線則無太明顯之升高趨勢，顯示炭化深度約為4.5cm，亦屬合理範圍。同樣的 升溫趨勢，亦可在測溫點 F 中(圖 4-5)，不同深度測溫計之升溫曲線觀察到相仿 之升溫趨勢，顯示本實驗之炭化層生成速率符合本研究期待。後續章節將針對實 驗後試體進行炭化層清除，量測較為精準之炭化深度，並提出合理的炭化速率進 行說明。另外，由圖4-6 之撓曲變形曲線中可發現，大約在 42.5 分鐘時，樓板之 撓曲變形有突然增大的情形發生。此現象可研判應為最底層(曝火面第 1 層)沿纖 維方向之強軸集成元燒盡後，曝火面第2 層由於為弱軸，因此可提供的抗彎強度 有限所造成。也由於此弱軸(曝火面第 2 層)並不提供抗彎強度，僅做為防火層使 用，因此亦可觀察到42 分鐘後樓板的撓曲變形呈現變化不大的趨勢。 位移計1 及 2 所量測之撓曲變形

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4.1.2 炭化深度之量測

本次進行炭化測量之試體，為於 5 月 29 日完成火害實驗之日本扁柏 CLT 樓 板 (5 層共 15cm)。其炭化層之量測及佈設規劃，主要透過將既有板片切割成寬 30cm 左右的大小，再將此切割後之單元每 30cm 左右進行一次炭化深度量測。 由於樓板尺寸為440cm*303cm，取中心線位置(151.5cm 處)標註 R1，分別在左右 兩側每 30cm 設一裁切點，因此共有 9 處斷面(如圖 4-7)。每條長向單元斷面以 30cm 為間隔進行測量，每一單元共計 14 個量測點位。(30cm、60cm、90cm、 120cm、150cm、180cm、210cm、240cm、270cm、300cm、330cm、360cm、390cm 及420cm) (圖 4-8) 實驗試體每30cm 分割成一個單元

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43 主要量測方式為在各量測點位上先標記出熱解層基線及炭化層基線。接著， 將熱解層基線設為T 點，碳化層基線設為 D 點(圖 4-10)，分別量測由非曝火面開 始至T 及 D 點之距離。 試體分割流程 熱解層基線T 點及碳化層基線 D 點

44 根據歐洲規範 EN1995-1-2 之規定，木構件於火害後之承載力有兩種計算方 式，分別是強度折減法及殘餘截面法。殘餘截面法由Schaffer 提出，主要應用對 象為膠合梁在火害後的行為。其理論也透過大量實驗進行驗證並推廣。殘餘截面 法指出木材在高溫下會產生炭化層，此炭化層並無強度。然而，在炭化層的內側 會產生高溫受熱層，稱為熱解層。為了考慮此熱解層因受高溫的強度折減，此層 在EN1995-1-2 中稱為等效炭化層，亦即視其為零強度層，取零強度厚度為 7mm。 北美 CLT Handbook 亦提到此熱解層的深度估算可以炭化層深度的 20%進行估 算，以北美常用樹種之1 小時的炭化深度為約為 1.5in(38mm)預估，其熱解層深 度約為0.3in(0.76mm)，與 EN1995-1-2 之數值相近。 各別切割後之CLT 單元在間距 30cm 之炭化深度量測結果整理如表 4-1 及圖 4-11。其中，在 210cm-270cm 間有最大深度為 7.1cm 的炭化層產生，此最大炭化 深度發生在兩塊CLT 板之搭接處，判斷由於搭接處並無法如同板本身緊密接合， 因此會有火源竄入並造成炭化層較其他區域為大之情形。此部分之平均炭化速率 為1.18mm/min，高於文獻值(界於 0.6mm-1.0mm 間)。其他非搭接部分的炭化深 度約介於4.4cm~5.1cm 左右，平均炭化速率介 0.73~0.84mm/min。略高於日本國 土交通省建議的炭化速率值(制式工法建議炭化深度值為 4.5cm)。

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炭化深度量測結果

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47

4.1.3 火害後之殘餘樓板斷面等值 EI 評估

本研究之日本扁柏 CLT 樓板在經過 1 小時火害實驗後，可透過炭化深度的 量測得到其碳化速率約為0.7mm/min，本評估即以此數據進行計算。 (1) 當試體尚未進行燃燒時，斷面如圖 4-12 示。其評估計算結果可整理成如 下表 4-2 所示。 日本扁柏CLT 樓板試體燃燒前示意圖 ■ 碳化深度:0 (cm) i E : 4 2 1 3 5 8.7 (Gpa) 8.87 10 (kgf/cm ) E =E =E = =  、 2 2 4 0 (kgf/cm ) E =E = i y :y =₁ 1.5 (cm)、y =₂ 4.5 (cm)、y =₃ 7.5 (cm)、y =₄ 10.5 (cm)、y =₅ 13.5 (cm) i h:h₁=h₂ =h₃ =h₄ =h₅ =3 (cm) 5 4 4 1 1.5 3 8.87 10 4.5 3 0 7.5 3 8.87 10 i i i i y h E = =    +   +   



4 10.5 3 0 13.5 3 8.87 10 +   +    6 5987250 (cm ) = 5 4 4 1 3 8.87 10 3 0 3 8.87 10 i i i h E = =   +  +  



4 3 0 3 8.87 10 +  +  

48 5 798300 (cm ) = ■ 中立軸: 5 1 5 1 5987250 7.5 (cm) 798300 i i i i i i i y h E y h E = = =



= =



= i i d y −y:d =₁ 1.5 7.5− = −6 (cm)、d =₂ 4.5 7.5− = −3 (cm)、d =₃ 7.5 7.5− =0 (cm)、 d =₄ 10.5 7.5− =3 (cm)、d =₅ 13.5 7.5− =6 (cm) 3 5 3 4 3 3 4 1 1 (300 3 8.87 10 300 3 0 300 3 8.87 10 12 12 i i i i b h E = =    +   +   



3 3 4 300 3 0 300 3 8.87 10 ) +   +    2 179617500 (kgf cm ) =

( )

( )

5 2 2 2 4 2 4 1 300 3 6 8.87 10 300 3 3 0 300 3 0 8.87 10 i i i i i b h d E = =   −   +   −  +    



( )

2

( )

2 ₄ 300 3 3 0 300 3 6 8.87 10 +    +     2 5747760000 (kgf cm ) =  3 5 5 2 9 2 1 1 179617500 5747760000 5.93 10 (kgf cm ) 12 i i eff i i i i i i i b h EI E b h d E = = =



+



= + =   日本扁柏CLT 樓板試體燃燒前EI_eff 計算表 層 i E (10 kgf cm4  2) i b (cm) 碳化 深度 (cm) i h (cm) i A ( 2 cm ) i y (cm) y (cm) i d (cm) i i E I (10 kgf cm4  2) 2 i i i E Ad (10 kgf cm4  2) eff EI (10 9 kgf cm 2) 5 8.87 300 0 3 900 1.5 7.5 -6 5987.25 287388 5.93 4 0 300 0 3 900 4.5 -3 0 0 3 8.87 300 0 3 900 7.5 0 5987.25 0 2 0 300 0 3 900 10.5 3 0 0

49 1 8.87 300 0 3 900 13.5 6 5987.25 287388 (2) 當試體曝火面第 1 層完全碳化，其斷面如圖 4-13 示。其評估計算結果可整理 成如下表4-3 所示。 日本扁柏CLT 樓板試體第 5 層完全碳化示意圖 ■ 碳化深度:3 (cm) i E :E₁=E₃=8.7 (Gpa)=8.87 10 (kgf/cm ) 4 2 、 2 2 4 5 0 (kgf/cm ) E =E =E = i y :y =1 1.5 (cm)、y =2 4.5 (cm)、y =3 7.5 (cm)、y =4 10.5 (cm) i h:h1=h2 =h3 =h4 =3 (cm) 4 4 4 1 1.5 3 8.87 10 4.5 3 0 7.5 3 8.87 10 10.5 3 0 i i i i y h E = =    +   +    +  



6 2394900 (cm ) = 4 4 4 1 3 8.87 10 3 0 3 8.87 10 3 0 i i i h E = =   +  +   + 



5 532200 (cm ) =

50 ■ 中立軸: 4 1 4 1 2394900 4.5 (cm) 532200 i i i i i i i y h E y h E = = =



= =



= i i d y −y:d =₁ 1.5 4.5− = −3 (cm)、d =₂ 4.5 4.5− =0 (cm)、d =₃ 7.5 4.5− =3 (cm)、 d =₄ 10.5 4.5− =6 (cm) 3 4 3 4 3 3 4 3 1 1 (300 3 8.87 10 300 3 0 300 3 8.87 10 300 3 0) 12 12 i i i i b h E = =    +   +    +  



2 119745000 (kgf cm ) =

( )

( )

4 2 2 2 4 2 4 1 300 3 3 8.87 10 300 3 0 0 300 3 3 8.87 10 i i i i i b h d E = =   −   +    +    



( )

2 300 3 6 0 +    2 1436940000 (kgf cm ) =  3 4 4 2 9 2 1 1 119745000 1436940000 1.56 10 (kgf cm ) 12 i i eff i i i i i i i b h EI E b h d E = = =



+



= + =   日本扁柏CLT 樓板試體第 1 層完全碳化EI_eff 計算表 層 i E (10 kgf cm4  2) i b (cm) 碳化 深度 (cm) i h (cm) i A ( 2 cm ) i y (cm) y (cm) i d (cm) i i E I (10 kgf cm4  2) 2 i i i E Ad (10 kgf cm4  2) eff EI (10 9 kgf cm 2) 5 8.87 300 0 3 900 1.5 4.5 -3 5987.25 71847 1.56 4 0 300 0 3 900 4.5 0 0 0 3 8.87 300 0 3 900 7.5 3 5987.25 71847 2 0 300 0 3 900 10.5 6 0 0 1 0 300 3 0

51 (3) 當試體燃燒 60 分鐘，其斷面如圖 4-14。其評估計算結果可整理成如 下表 4-4 所示。 日本扁柏CLT 樓板試體燃燒 60 分鐘示意圖 ■ 碳化深度: d_char =0.07 60 =4.2 (cm) i E : 4 2 1 3 8.7 (Gpa) 8.87 10 (kgf/cm ) E =E = =  、 2 2 4 5 0 (kgf/cm ) E =E =E = i y :y =₁ 1.5 (cm)、y =₂ 4.5 (cm)、y =₃ 7.5 (cm)、y =₄ 9.9 (cm) i h:h₁=h₂ =h₃ =3 (cm)、h =₄ 1.8 (cm) 4 4 4 1 1.5 3 8.87 10 4.5 3 0 7.5 3 8.87 10 9.9 1.8 0 i i i i y h E = =    +   +    +  



6 2394900 (cm ) = 4 4 4 1 3 8.87 10 3 0 3 8.87 10 1.8 0 i i i h E = =   +  +   + 



52 5 532200 (cm ) = ■ 中立軸: 4 1 4 1 2394900 4.5 (cm) 532200 i i i i i i i y h E y h E = = =



= =



= i i d y −y:d =₁ 1.5 4.5− = −3 (cm)、d =₂ 4.5 4.5− =0 (cm)、d =₃ 7.5 4.5− =3 (cm)、 d =₄ 9.9 4.5− =5.4 (cm) 3 4 3 4 3 3 4 3 1 1 (300 3 8.87 10 300 3 0 300 3 8.87 10 300 1.8 0) 12 12 i i i i b h E = =    +   +    +  



2 119745000 (kgf cm ) =

( )

( )

4 2 2 2 4 2 4 1 300 3 3 8.87 10 300 3 0 0 300 3 3 8.87 10 i i i i i b h d E = =   −   +    +    



( )

2 300 1.8 5.4 0 +    2 1436940000 (kgf cm ) =  3 4 4 2 9 2 1 1 119745000 1436940000 1.56 10 (kgf cm ) 12 i i eff i i i i i i i b h EI E b h d E = = =



+



= + =   日本扁柏CLT 樓板試體燃燒 60 分鐘EI_eff 計算表 層 i E (10 kgf cm4  2) i b (cm) 碳化 深度 (cm) i h (cm) i A ( 2 cm ) i y (cm) y (cm) i d (cm) i i E I (10 kgf cm4  2) 2 i i i E Ad (10 kgf cm4  2) eff EI (10 9 kgf cm 2) 5 8.87 300 0 3 900 1.5 4.5 -3 5987.25 71847 1.56 4 0 300 0 3 900 4.5 0 0 0

53 3 8.87 300 0 3 900 7.5 3 5987.25 71847 2 0 300 1.2 1.8 540 9.9 5.4 0 0 1 0 300 3 0

第二節 北美花旗松 CLT 樓板

本實驗於內政部建築研究所防火實驗中心進行，試驗現場溫度為30.8℃，濕 度為54％，試體在實驗完成後之最大撓曲變形為 22.9mm，可換算得到變形速率 為10.1mm/min。實驗開始為 109 年 10 月 13 日上午 11 時 04 分 09 秒，約進行到 3 分 24 秒時，觀測到拼接處開始大量冒煙，10 分 28 秒左右爐內呈現劇烈燃燒， 32 分左右試體四個角落及拼接處開始大量冒煙，由試體之撓曲變形產生突然加 大的現象判斷，曝火面第1 層於 50-55 分左右完全炭化，實驗最後之 59-60 分間 觀察到拼接處有火源竄出。本試體在完成實驗後，並進行炭化層之清除及分割， 確認及量測炭化深度並計算炭化速率。

4.2.1 炭化速率評估

本研究採用 ISO 834-1 之加熱溫度曲線，圖 4-15 準加熱溫度曲線與實驗加溫 曲線之比較，實驗加溫曲線在前12 分鐘左右略高於標準加熱曲線，分別於第 3-5 分鐘以及第 9-11 分鐘，實驗加溫曲線高於溫度控制的上限值約 100-13-50°左右。 由前述實驗記錄可知，本實驗約在 3 分鐘時可以從 CLT 板之中央拼接縫觀察到 大量冒煙，與此時爐內升溫較快有一定關連性。另外，由於本次拼接處之開槽較 拼接板尺寸稍大，因此研判可能因為拼接較不密合，亦導致大量冒煙竄出的現象。 參考北美CLT Handbook(參考 NDS 之數據)所建議之炭化深度速率，使用耐燃性

54 較佳之間苯二酚-甲醛樹脂(RF)，1 小時火害後之炭化層深度為 1.8in(約為 4.57cm)， 可知炭化速率約為0.76mm/min 之間。因此，若以此炭化速率推估，則曝火面第 1 層完全燒盡之時間約為 46 分鐘左右，而 1 小時之炭化層深度約為 4.56cm 左 右。由圖4-16，E1 測溫點(曝火面第 1 層)約在 23 分鐘左右會開始偵測到火爐溫 度(曝火面第 1 層燃燒一半深度)，與美國 NDS 所建議的炭化深度吻合。圖 4-17， F1 測溫點(曝火面第 1 層)約在 24 分鐘左右會開始偵測到火爐溫度(曝火面第 1 層 燃燒一半深度) ，亦呈現相同趨勢。 標準加熱溫度曲線與北美花旗松實驗加溫曲線之比較

55

測溫點E 點:不同深度測溫計之升溫曲線

測溫點F 點:不同深度測溫計之升溫曲線

56 形有突然增大的情形發生。此現象於前述章節中日本扁柏 CLT 之撓曲變形行為 呈現相同趨勢，可研判為最底層(曝火面第 1 層)，即沿纖維方向之強軸集成元， 已經完全炭化。此現象亦造成曝火面第 2 層開始受到燃燒，然而由於此層為弱 軸，因此無法提供抗彎強度，造成斷面中立軸的急速偏移，而使得斷面的等值EI 驟減，造成變形突然加大的現象。也由於此弱軸(曝火面第 2 層)並不提供抗彎強 度僅做為防火層使用，因此斷面之等值EI 固定，所以亦可觀察到燃燒超過 50 分 鐘乃至55 分鐘後，樓板的撓曲變形呈現變化不大的趨勢。 位移計1 及 2 所量測之撓曲變形

4.2.2 炭化深度之量測

本次進行炭化測量之試體，為於 10 月 13 日完成火害實驗之北美花旗松 CLT 樓板 (5 層共 17.5cm)。其炭化層之量測及佈設規劃，主要透過將既有板片切割成 寬30cm 左右的大小，再將此切割後之單元每 30cm 左右進行一次炭化深度量測。 由於樓板尺寸為432cm*303cm，取中心線位置(151.5cm 處)標註 M，分別在左右 兩側每 30cm 設一裁切點，因此共有 9 處斷面(圖 4-19)長向單元斷面以 30cm 為 間隔進行測量，每一單元共計14 個量測點位 (A 區 3 點、B 區 3 點、C 區 3 點、

57 D 區 3 點、E 區 2 點) 。

58

59 北美花旗松 CLT 樓板的炭化深度量測亦採用由 Schaffer 提出的殘餘截面法。 參考北美CLT Handbook 之炭化層深度估算，以北美常用樹種之 1 小時的炭化深 度為約為 1.5in(38mm)，其熱解層深度約為 0.3in(7.6mm)，因此考慮無強度層之 總炭化深度則為45.6mm(平均炭化速率 0.76 mm/min)。 各別切割後之CLT 單元在間距 30cm 之炭化深度量測結果整理如表 4-5 及圖 4-21 其中，在拼接處 210cm-270cm 間之炭化深度為 6.6cm，其中搭接處的最大 深度為7.7cm，判斷由於搭接處並無法如同板本身緊密接合，因此會有火源竄入 並造成炭化層較其他區域為大之情形。搭接處之平均炭化速率為 1.17mm/min， 高 於 文 獻 值( 界 於 0.6mm-1.0mm 間 ) 。其 他非 搭 接 部分 的 炭化 深度 約 介 於 4.1cm~4.9cm 左右，平均炭化速率介 0.68~0.82mm/min。與北美 CLT Handbook(參 考NDS 之數據)中建議的平均炭化速率 0.76 mm/min 相近。 炭化深度量測結果

60

61

4.2.3 火害後之殘餘樓板斷面等值 EI 評估

本研究之北美花旗松 CLT 樓板在經過 1 小時火害實驗後，可透過炭化深度 的量測得到其碳化速率約為0.7mm/min，本評估即以此數據進行計算。 (1) 當試體尚未進行燃燒時，其斷面如圖 4-22 所示: 美國花旗松CLT 樓板試體燃燒前示意圖 ■ 碳化深度:0 (cm) i E : 4 2 1 3 5 9.5 (Gpa) 9.68 10 (kgf/cm ) E =E =E = =  、 2 2 4 0 (kgf/cm ) E =E = i y :y =₁ 1.75 (cm)、y =₂ 5.25 (cm)、y =₃ 8.75 (cm)、y =₄ 12.25 (cm)、y =₅ 15.75 (cm) i h:h1=h2 =h3 =h4 =h5 =3.5 (cm) 5 4 4 1 1.75 3.5 9.68 10 5.25 3.5 0 8.75 3.5 9.68 10 i i i i y h E = =    +   +   



4 12.25 3.5 0 15.75 3.5 9.68 10 +   +    6 8893500(cm ) = 5 4 4 1 3.5 9.68 10 3.5 0 3.5 9.68 10 i i i h E = =   +  +  



4 3.5 0 3.5 9.68 10 +  +  

62 5 1016400 (cm ) = 中立軸: 5 1 5 1 8893500 8.75 (cm) 1016400 i i i i i i i y h E y h E = = =



= =



= i i d y − : y d =1 1.75 8.75− = −7 (cm)、d =2 5.25 8.75− = −3.5 (cm) 、d =₃ 8.75 8.75− =0 (cm)、d =₄ 12.25 8.75− =3.5 (cm)、d =₅ 15.75 8.75− =7 (cm) 3 5 3 4 3 3 4 1 1 (300 3.5 9.68 10 300 3.5 0 300 3.5 9.68 10 12 12 i i i i b h E = =    +   +   



3 3 4 300 3.5 0 300 3.5 9.68 10 ) +   +    2 ( 311272500 kgf cm ) =

( )

(

)

5 2 2 2 4 2 4 1 300 3.5 7 9.68 10 300 3.5 3.5 0 300 3.5 0 9.68 10 i i i i i b h d E = =   −   +   −  +    



( )

2

( )

2 ₄ 300 3.5 3.5 0 300 3.5 7 9.68 10 +    +     2 9960720000 (kgf cm ) =  3 5 5 2 9 2 1 1 311272500 9960720000 10.27 10 (kgf cm ) 12 i i eff i i i i i i i b h EI E b h d E = = =



+



= + =   上述計算結果可整理成如下表格: 美國花旗松CLT 樓板試體燃燒前EI_eff 計算表 層 i E (10 kgf cm4  2) i b (cm) 碳化 深度 (cm) i h (cm) i A ( 2 cm ) i y (cm) y (cm) i d (cm) i i E I (10 kgf cm4  2) 2 i i i E Ad (10 kgf cm4  2) eff EI (10 9 kgf cm 2) 5 9.68 300 0 3.5 1050 1.75 8.75 -7 10375.75 498036 10.27 4 0 300 0 3.5 1050 5.25 -3.5 0 0 3 9.68 300 0 3.5 1050 8.75 0 10375.75 0 2 0 300 0 3.5 1050 12.25 3.5 0 0 1 9.68 300 0 3.5 1050 15.75 7 10375.75 498036

63 (2) 當試體第 1 層完全碳化，其斷面如圖 4-23 所示: 美國花旗松CLT 樓板試體第 5 層完全碳化示意圖 ■ 碳化深度:3.5 (cm) i E : 4 2 1 3 9.5 (Gpa) 9.68 10 (kgf/cm ) E =E = =  、 2 2 4 5 0 (kgf/cm ) E =E =E = i y :y =₁ 1.75 (cm)、y =₂ 5.25 (cm)、y =₃ 8.75 (cm)、y =₄ 12.25 (cm) i h:h1=h2 =h3=h4 =3.5 (cm) 4 4 4 1 1.75 3.5 9.68 10 5.52 3.5 0 8.75 3.5 9.68 10 12.25 3.5 0 i i i i y h E = =    +   +    +  



6 3557400 (cm ) = 4 4 4 1 3.5 9.68 10 3.5 0 3.5 9.68 10 3.5 0 i i i h E = =   +  +   + 



5 677600(cm ) = 中立軸: 4 1 4 1 3557400 5.25(cm) 677600 i i i i i i i y h E y h E = = =



= =



= i i d y − : y d =₁ 1.75 5.25− = −3.5 (cm)、d =₂ 5.25 5.25− =0 (cm)