鋼構造建築物防火設計技術參考手冊之研究

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（科技部GRB 編號） PG10702-0004

鋼構造建築物防火設計技術參考手冊之研究

受委託者：國立交通大學研究主持人：陳誠直教授協同主持人：楊國珍教授研究助理：洪政鴻、莊鎬璟研究期程：中華民國 107 年 1 月至 107 年 12 月研究經費：新臺幣 99 萬元

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國

107 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）

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I

目次 ... I 表次 ... III 圖次 ... V 摘要 ... VII 第一章 概論... 1 第一節研究緣起與背景 ... 1 第二節研究目的... 1 第三節研究方法... 1 第二章 規範與文獻回顧 ... 3 第一節建築技術規則 ... 3 第二節建築物構造防火性能驗證技術手冊 ... 4 第三節美國 AISC ... 6 第四節歐洲規範 EUROCODE 3 ... 11 第五節日本「鋼構造耐火設計指針」 ... 20 第六節中國大陸「建築鋼結構防火技術規範」 ... 22 第七節耐火試驗法 ... 26 第三章 鋼構造建築物防火設計技術參考手冊架構 ... 29 第四章 結論與建議 ... 31 第一節結論... 31 第二節建議... 31 附錄一 鋼構造建築物防火設計技術參考手冊(草案) ... 33 附錄二 審查意見與答覆 ... 107 參考書目 ... 123

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III

表次

表 2-1 建築物防火構造應具有之防火時效 ... 3 表 2-2 溫度變化下鋼材之材料性質與折減係數 ... 8 表 2-3 溫度變化下螺栓之材料性質與折減係數 ... 9 表 2-4 溫度變化下鋼材之力學性質與折減係數 ... 15 表 2-5 單、多層和高層建築構件之耐火極限 ... 23 表 2-6 高溫下鋼材之物理參數 ... 24

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V

圖次

圖 1-1 研究流程圖 ... 2 圖 2-1 建築物防火性能驗證流程 ... 4 圖 2-2 構造防火性能驗證程序 ... 5 圖 2-3 火災繼續時間計算流程 ... 6 圖 2-4 歐洲規範 Eurocode 3 設計流程圖 ... 11 圖 2-5 溫度變化下鋼材之應力應變關係 ... 14 圖 2-6 受溫度影響之鋼材熱傳導係數 ... 16 圖 2-7 受溫度影響之鋼材比熱 ... 17 圖 2-8 受溫度影響之鋼材熱伸長量 ... 18 圖 2-9 標準升溫曲線 ... 27

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VII

摘要

關鍵詞：鋼構造建築物、防火設計、防火時效 一、研究緣起 鋼構造建築物因易受高溫影響而造成其強度與剛度隨溫度上升而折減，於防火被覆喪失功能時更易遭受破壞，故鋼構造建築物防火性能之研究有其重要性。現行國內建築物之防火時效規定於「建築技術規則」內，條列鋼骨構件之防火時效，規定覆以混凝土、鐵絲網水泥粉刷、磚、石或空心磚之防火時效，或經中央主管建築機關認可具有之防火性能。鋼構造建築物防火性能化設計並未規定於「建築技術規則」，亦未在「鋼結構極限設計法規範及解說」內。國外對於鋼構造建築物防火設計則大多有專屬的規範，詳細規定鋼構造建築物的防火相關設計。因此本研究著重於鋼構造建築物防火性能化設計，草擬「鋼構造建築物防火設計技術參考手冊」(草案)。 二、研究方法與過程 鋼構造建築物的防火設計涵蓋多項，如防火區劃、防火避難設施及消防設備等。研究方法首先是蒐集國外如美國、中國大陸、歐洲與日本等先進國家之鋼構造防火設計技術規範，藉由探討與比較各國規範內容與設計方法，並透過專家學者諮詢匯集各方意見，再彙整結果後完成「鋼構造建築物防火設計技術參考手冊」之草擬。 三、重要發現 各國鋼構造防火設計相關規範皆根據鋼結構或構件於高溫下之承載能力為基礎制定的，規範都以鋼結構或構件於受火時之承載力、耐火時間、臨界溫度的其一作為判別依據，而內容多為基於公式與參數之計算式做為防火設計分析方法，且針對分析方法作解釋及說明，並亦可以程式分析或實驗之方式評估該防火設計是否符合標準。分析為基於規範所給予的鋼材於高溫之材料性質，依其加溫方式、受熱環境、分析之構件或構造的邊界條件等，搭配規定中相應之計算式以計算其防火時效。實驗方式則須依耐火試驗法規定之方式進行，藉由破壞準則判定其耐火性能，並判斷設計是否達規範要求。因國內鋼構造建築物於常溫之設計大都依據美國AISC 規範，故防火時效內承載力之驗算主要依據美國 AISC (2016)

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VIII 附錄之鋼構造防火設計，並參考歐洲、日本及中國大陸之規範內容，再彙整相關研究成果，草擬「鋼構造建築物防火設計技術參考手冊」，增進業界對鋼構造建築物防火設計的瞭解與參考。 四、主要建議事項 1. 建議一鋼構造建築物整體構造防火性能分析程式之研究：立即可行之建議主辦機關：內政部建築研究所本研究草擬之手冊為參考各國規範基於公式與參數之計算式所建立之防火設計分析方法，惟計算式僅針對構件，整體構造仍需藉由程式分析。然而目前分析程式多採歐洲規範規定分析鋼構造之防火性能，國內外相關研究則多採如FDS

(Fire Dynamics Simulator)搭配有限元素軟體分析，故發展整體構造之分析程式有其必要性。 2. 建議二建築物常用防火保護材料熱性質參數建立之研究：立即可行之建議主辦機關：內政部建築研究所鋼骨造梁、柱之耐火性能未滿足防火需求時，需有防火保護。如美國、歐洲、日本與中國大陸等先進國家之鋼構造防火設計規範皆有提供多種常用之防火保護材料相關熱性質參數，以進行受保護構造或構件之升溫分析。故可藉由建立國內常用防火保護材料熱性質參數資料庫，供設計者參考並進行分析受保護鋼結構或構件之升溫。

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IX

Abstract

Keywords: Structural steel building, fire resistant design, fire resistance rating. Structural steel buildings are vulnerable to elevated temperatures because their strength and stiffness will decrease due to the temperature increase. The loss of the fire-protection for the steel will lead to the failure of the steel buildings. Thus, the study of the fire performance of the structural steel buildings is important. The current Taiwan’s fire resistance ratings for buildings are regulated in “Building Code and Regulations” which stipulates the fire resistance rating for steel members. The fire resistance ratings are specified for steel members covered with concrete, wire mesh cement, brick, stone or hollow brick, or approve by the central competent authority of construction. Fire performance-based design for steel buildings is missing on either “Building Code and Regulations” or “Limit Design Specification and Commentary for Steel Structures”. In foreign countries, fire resistant design for steel buildings is mostly exclusive specifications that amply regulate related design. Therefore, this research is conducted concentrating in fire performance-based design for structural steel buildings and composes “Technical Guidelines of Fire Resistant Design for Structural Steel Buildings (Draft)”.

The fire resistance design for structural steel buildings includes various fields, such as fire compartment, fire-prevention refuge facilities, and fire-fighting equipment. This research is conducting to collect the fire design specifications of steel buildings from foreign countries; explore and compare the specifications in various countries; collect comments from academic and practical engineers; and draft “Technical Guidelines of Fire Resistant Design for Structural Steel Buildings (Draft)”. Fire design specifications of various countries are mostly regulated in accordance with the basis of the load-bearing capacity of the structures and members at elevated temperature. One of the load-bearing capacity, fire duration, and critical temperature of the structures and members is used as the criterion to evaluate the fire resistance rating. The analysis method for fire design is mainly based on the calculation from formula and parameters. The detailed explanation for the analysis method is also implemented in the specifications. Whether or not the fire design is satisfactory can be also evaluated by either computer program or experiment. Based on the material properties of the steel at elevated temperature stipulated in the specifications, the fire resistance rating of the

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X

structures and members can be calculated according to their fire scenario, heat input, thermal response, and boundary conditions. In addition, standard fire test can be conducted to estimate the fire resistance rating by evaluating the failure criteria and further to assess the satisfaction. The current Taiwan’s design code for structural steel buildings at ambient temperature is mostly according to the US AISC specifications. Therefore, the calculation of load-bearing capacity within the fire resistance rating is referred to the US AISC specifications Appendix 4 “Structural Design for Fire Conditions.” Fire design specifications of steel buildings from European countries, Japan and mainland China are also referred to compose “Technical Guidelines of Fire Resistant Design for Structural Steel Buildings (Draft)”. This design guideline is intended to enhance the practical engineers’ understanding and further usage of the fire resistant design for the structural steel buildings.

According to this research result, the following suggestions are proposed. For immediate strategy:

The design guidelines drafted in this study is mainly used to calculate the fire resistance rating of the members based on formula and parameters. The fire resistance rating of the entire structures requires a computer program. However, most computer programs analyze the fire performance based on Eurocode. Research work generally use such as FDS (Fire Dynamics Simulator) associated with finite element analysis program. Therefore, the study of the computer program to analyze the fire performance of the entire structural steel buildings is necessary.

While the fire performance of the steel members cannot satisfy the fire resistance rating, the fire-protection is needed. Most fire design specifications of the various countries provide thermal properties of miscellaneous fire-protection, which used to proceed the thermal analysis for the protected structures and members. It is needed to establish the database of the thermal properties of the fire-protection frequently used in Taiwan, which can be used to analyze the temperature increase of the protected structures and members.

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第一章概論

第一節研究緣起與背景

建築物遭受火災時，因高溫、濃煙、有毒氣體等，將嚴重威脅人員生命與建築結構安全，不少建築物因火災而損壞或倒塌。為了避免造成財產損失及人員傷亡，國內外近年來對於結構耐火性能之研究有日漸增加的趨勢。建築防火是以結構物受火害時，必須在一定時間內能夠持續提供承載能力，期間不會造成結構崩塌，使人員有足夠的逃生時間並且將災害傷亡程度降至最低。鋼結構由於具有強度高、自重輕、施工速度快等優點，因此常使用於中高樓層建築。但由於鋼結構相對於鋼筋混凝土結構耐火性能較差，使鋼構造建築物遭受火害時，因其強度與剛度會隨溫度上升而折減，於防火被覆喪失功能時造成結構體更易遭受破壞。現行國內建築物之防火時效規定於建築技術規則內，而國外先進國家於鋼構造之防火性能則大多有專屬的設計規範，詳細規定鋼構造建築物的防火設計。然而我國針對鋼構造建築物防火性能之設計並無明確的設計規範，因此鋼構造建築物防火設計技術參考手冊之研擬值得進行。

第二節研究目的

主研究目的為草擬「鋼構造建築物防火設計技術參考手冊」，以蒐集國外如美國、歐洲、日本與中國大陸等國家之鋼構造防火設計規範，及藉由探討與比較各國規範的內容，並透過專家學者諮詢匯集意見，最終為彙整並完成鋼構造防火設計技術參考手冊。

第三節研究方法

鋼構造建築物的防火設計涵蓋多項，如防火區劃、防火避難設施及消防設備等，本研究將針對火害下的構造防火設計。「鋼構造建築物防火設計技術參

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2 考手冊」草擬之詳細研究流程詳如圖1-1。蒐集國外如美國、中國、歐洲與日本等先進國家之鋼構造防火設計技術規範探討與比較各國規範內容與設計方法彙整結果、草擬「鋼構造建築物防火設計技術參考手冊」完成「鋼構造建築物防火設計技術參考手冊」之草擬期中審查專家學者諮詢期末審查專家學者諮詢

圖

1-1 研究流程圖

(資料來源：本研究整理)

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第二章規範與文獻回顧

本章節簡述國內外相關規範及文獻，藉由彙整國外如美國、中國大陸、歐洲與日本等先進國家之鋼構造防火設計技術規範，及藉由探討與比較各國規範內容與設計方法，以確定各國鋼構造建築物防火設計規範之專屬規定及架構。國內有「建築技術規則」(2018)與「建築物構造防火性能驗證技術手冊」(2008)。國外重要的鋼構造防火技術相關規範有美國AISC (2016)、歐規 Eurocode 3 (2005)、日本的「鋼構造耐火設計指針」(日本建築學會 2017)及中國大陸的「建築鋼結構防火技術規範」(住房和城鄉建設部 2017)。

第一節建築技術規則

「建築技術規則」(2018)於「建築設計施工編第三章：建築物之防火」內，針對防火時效有詳細規定，並條列鋼骨構件之防火時效，規定覆以混凝土、鐵絲網水泥粉刷、磚、石或空心磚之防火時效，或經中央主管建築機關認可具有之防火性能，即可符合國家規定。「建築技術規則」對於建築物構件之防火時效有明確規定。第70 條規定為防火構造之建築物，主要構造之柱、梁、承重牆壁、樓版及屋頂應具有之防火時效，如表 2-1 所示。第 71 條規定具有三小時以上防火時效之鋼骨造梁、柱，需有混凝土或水泥保護層之厚度，或其他具有同等以上防火性能之保護；第72 條、第 73 條則規定具有兩小時及一小時以上防火時效鋼骨造梁、柱及樓版之條件。

表

2-1 建築物防火構造應具有之防火時效

主要構造部分自頂層算起不超過四層之各樓層自頂層算起超過第四層至第十四層之各樓層自頂層算起第十五層以上之各樓層承重牆壁 1 小時 1 小時 2 小時梁 1 小時 2 小時 3 小時柱 1 小時 2 小時 3 小時樓地板 1 小時 2 小時 2 小時屋頂 0.5 小時 (資料來源：建築技術規則 2018)

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(資料來源：建築物構造防火性能驗證技術手冊 2008) 屋內火災構造保有耐火時間之計算因構造材料而有所不同。鋼骨構造之梁、柱依有無防火被覆分為四種情形，所有情形皆須考慮火災溫度上升係數、構件溫度上升係數及臨界溫度。若鋼柱無防火被覆，其臨界溫度須依整體與局部挫屈及熱變形溫度上限之最小值決定，構件溫度上升係數以其長度與截面積決定；若鋼梁無防火被覆，其臨界溫度須考慮梁高溫耐力所制定的溫度上限及熱變形溫度上限之最小值決定。若鋼柱或鋼梁皆具防火被覆，其溫度上升的延遲係數與構件溫度上升係數皆須依被覆材料、斷面形狀及大小決定，而臨界溫度之計算方式分別與無防火被覆之情形相同。

第三節美國 AISC

美國 AISC (American Institute of Steel Construction) 的鋼構造規範 Specification for structural steel Buildings (2016)，於附錄 4 Structural Design for Fire Conditions 制定鋼結構與構件於火害下的設計及評估準則。

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壹、一般規定

附錄的架構分為三大項：(1)一般規定；(2)以分析進行防火設計；(3)以實驗進行防火設計。一般規定包含防火設計的性能目標、載重組合與設計載重。分析方法包含設計火源的說明、材料性質以及計算方式。實驗方法則規定防火設計須依據ASCE/SFPE 的 Standard calculation methods for structural Fire Protection 的第五節進行設計，也包含如何判別構造為束制構造的方法。達防火性能設計所需目標須滿足三項規定：(1)構造及構件於設計火源 (Design-Basis Fire)的影響下，須保持其承載能力；(2)進行防火設計時，須評估受載結構之變形是否符合變形標準；(3)在起火點的隔間內，由設計火源造成的力量與變形不能對建築物的區劃造成水平或垂直的破壞。在載重組合部分，此附錄將由設計火源造成的力量與變形納入考量，提出適用於防火性能設計之載重組合與設計載重。而規定結構物的防火設計有兩種方法，(1)以分析(Structural Design for Fire Conditions by Analysis)；(2)以實驗(Design by Qualification Testing)。

貳、以分析進行防火設計

分析方法須先決定設計火源，以描述構造或構件的加熱條件。此加熱條件與

於假設火災區域內的可燃物質和空間區劃有關。此規範將設計火源分為三種：(1)

局部火災(Localized Fire)；(2)閃燃後區劃火災(Post-Flashover Compartment Fires)； (3)外部火災(Exterior Fires)。當火災的熱釋放率不足以造成閃燃時，則假設為局部火災。此火災對結構造成的輻射熱通量由可燃物的成分、空間排列與可燃物佔有的樓地板面積來決定。當火災的熱釋放率足以造成閃燃時，則假設為閃燃後區劃火災。此火災引起的溫度與時間關係曲線應由可燃物荷載、空間通風特性、隔間尺寸以及邊界的熱特性來決定。不論是局部火災或閃燃後區劃火災，其火災持續時間皆由可燃物的總質量除以質量消失的速率來確定。外部火災則為外部構造曝火而導致。於構造內部的火焰經由窗戶或牆開口向外投影至外部構造，熱輻射也隨之傳到外部，此情況稱為外部構造曝火。此附錄規定須利用火焰投影的形狀、長度以及火焰與外部鋼構造間的距離來決定熱通量。在設定完設計火源之後，須以熱傳分析計算構造或構件的溫度。經由此附錄給予的材料性質，如鋼材及螺栓於溫度變化下之材料性質與折減係數分別列於表

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8 2-2 及表 2-3 所示，進而計算出構造或構件的承載力，且此承載力須大於載重組合的載重設計。此附錄除規定於受火時須保持承載力及符合變形標準外，並規定結構物的設計須能承受局部破壞及維持整體構造的穩定性。

表

2-2 溫度變化下鋼材之材料性質與折減係數

鋼材溫度 °F (°C) ( ) / = ( ) / E k E T E G T G  kp F Tp( ) /Fy kyF Ty( ) /Fy ku F Tu( ) /Fy 68 (20) 1.00 1.00 * * 200 (93) 1.00 1.00 * * 400 (200) 0.90 0.80 * * 600 (320) 0.78 0.58 * * 750 (400) 0.70 0.42 1.00 1.00 800 (430) 0.67 0.40 0.94 0.94 1000 (540) 0.49 0.29 0.66 0.66 1200 (650) 0.22 0.13 0.35 0.35 1400 (760) 0.11 0.06 0.16 0.16 1600 (870) 0.07 0.04 0.07 0.07 1800 (980) 0.05 0.03 0.04 0.04 2000 (1100) 0.02 0.01 0.02 0.02 2200 (1200) 0.00 0.00 0.00 0.00 註：當鋼材降伏強度超過450 MPa，表 2-2 之材料性質將不適用於分析中。 *採常溫性質。 E 常溫之鋼材彈性模數 E T ( ) 溫度為T 時之鋼材彈性模數 G  常溫之鋼材剪力模數 G T ( ) 溫度為T 時之鋼材剪力模數 F T  溫度為 T 時之鋼材標稱比例限度 _p( ) F  常溫之鋼材標稱降伏強度 _y F T  溫度為 T 時之鋼材標稱降伏強度 _y( ) F T _u( ) 溫度為T 時之鋼材標稱抗拉強度 (資料來源：本研究整理 AISC 2016)

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表

2-3 溫度變化下螺栓之材料性質與折減係數

螺栓溫度°F (°C) F Tnt( ) /Fnt或F Tnv( ) /Fnv 68 (20) 1.00 200 (93) 0.97 300 (150) 0.95 400 (200) 0.93 600 (320) 0.88 800 (430) 0.71 900 (480) 0.59 1000 (540) 0.42 1200 (650) 0.16 1400 (760) 0.08 1600 (870) 0.04 1800 (980) 0.01 2000 (1100) 0.00 ( ) nt F T 溫度為T 時之螺栓標稱拉應力強度 nt F 常溫之螺栓標稱拉應力強度 ( ) nv F T 溫度為T 時之螺栓標稱剪應力強度 nv F 常溫之螺栓標稱剪應力強度 (資料來源：AISC 2016)

計算方式分為對整體結構的進階分析法(Advanced methods of analysis)與對構件的簡單分析法(Simple methods of analysis)。進階分析法須包含設計火源對於結構所造成的熱反應(thermal response)與力學性質反應(mechanical response)。透過熱反應與力學性質反應的分析，其結果須列出所有可能的極限狀態，例如過大的變形、構件連接處的破壞以及整體或局部的挫屈等，進而判斷是否符合規定。簡單分析法則是利用一維的熱傳導方程式分析設計火源對於構件的熱反應，並根據附錄所提供之材料性質與公式計算出構件的承載力，此承載力須大於載重組合

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

參、以實驗進行防火設計

以實驗驗證防火之構造設計須依據 ASCE/SFPE 的 Standard calculation

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

肆、

AISC APPENDIX 4 目錄

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

4.1.1.a Performance Objective

4.1.2.a Design by Engineering Analysis

4.1.3.a Design by Qualification Testing

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

4.2.1.a Design-Basis Fire 1a. Localized Fire

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

1d. Active Fire Protection Systems

4.2.2.a Temperatures in Structural Systems under Fire Conditions

4.2.3.a Material Strengths at Elevated Temperatures

4.2 .3a. Thermal Elongation

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4.2.4.a Structural Design Requirements

4.2. 4a. General Structural Integrity

4.2 .4b. Strength Requirements and Deformation Limits

4. 2.4c. Design by Advanced Methods of Analysis

4.2. 4d. Design by Simple Methods of Analysis 4.3.1a. Design by Qualification Testing

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

第四節歐洲規範 Eurocode 3

歐洲規範Eurocode 3 分別制定常溫下與火災下之鋼構造規範，Eurocode 3 Part 1-1 (2005a)為提供常溫下構件於極限狀態與使用狀態下之計算規定等，而 Eurocode 3 Part 1-2 (2005b)則規定受火構件設計流程、計算與評估方法，其設計流程如圖2-4 所示。Eurocode 3 Part 1-2 (2005)之架構可分為：(1)設計基本規定； (2)受火構造設計；(3)材料性質。

圖

2-4 歐洲規範 Eurocode 3 設計流程圖

(資料來源：Eurocode 3 2005b)

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壹、設計基本規定

Eurocode 3 (2005b)規定，鋼結構或構件須於受火時保持其承載力並符合變形

破壞判定標準，其受火形式可分為 Nominal fire exposure 或 Parametric fire

exposure。Nominal fire exposure 形式之構造或構件承載力僅需考慮材料本身的抗火能力，於曝火後之所需時間內仍維持承載能力。Parametric fire exposure 形式之構造或構件若包含受火期間之衰減階段或於受火後一段時間內能防止坍塌，則表示其具足夠承載能力。於規範中設計採用之結構模型應反映火災時的預期性能，但規範之計算驗證方法僅適用於標準火災暴露情形，而驗證於標準火災下之防火需求僅須做構件分析即足夠。除以計算設計外，防火設計可以基於防火試驗的結果，或亦可以基於防火試驗與計算結合的結果驗證。分析方式可分為構件分析(Member analysis)、子結構分析(Analysis of part of structure) 及整體結構分析 (Global structural analysis)。

構件分析(Member analysis)僅考慮構件橫斷面之熱變形，可忽略軸向或平面膨脹之變形，並假設曝火期間構件支承處及末端的邊界條件不變之方式分析。子結構分析(Analysis of part of structure)須考慮其可能的破壞模式、溫度變化下之材料性質及構件剛度變化、熱膨脹及熱變形，並應考慮受火期間子結構潛在的熱膨脹及變形行為；受火期間支承處之受力、構件之內力及子結構邊界處之力矩皆可視為固定大小，而此受力情形則為常溫下結構分析之結果。整體結構分析(Global structural analysis)應考慮受火時可能的破壞模式，溫度變化下之材料性質及構件剛度變化、熱膨脹及熱變形量，並考慮受火期間結構潛在的熱膨脹及變形行為。

貳、受火構造設計

Eurocode 3 (2005b)設計須考慮鋼構造受防火材料保護或受熱屏障遮蔽之有無，而其設計方法有：(1)簡易計算法(simple calculation models)；(2)進階計算法 (advanced calculation models)；(3)實驗方式(testing)。而於規範中之說明僅針對簡易計算法及進階計算法。

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13 簡易計算法(simple calculation models)

簡易計算法(simple calculation models)是保守假設單一構件之簡化設計方法，鋼構件須於受火之所需時間內維持承載能力。構件之溫度可假設為均勻分佈，以均溫情形下之溫度變化的材料性質進行驗證；若接頭處較任一構件有更佳之耐火性能，則可將栓接或銲接接頭視為具足夠之耐火性能，接頭處之耐火性能可依 Eurocode 3 Part 1-2 (2005b)附錄 D 確認。

構件斷面依Eurocode 3 Part 1-1 (2005a)規定分為 Class 1～Class 4 四種等級，

依不同斷面等級給予受拉構件、受壓構件、梁構件、同時承受彎矩與軸壓力構件之計算式，用以評估構件之耐火性能。而構件耐火性能之判定除須符合變形破壞標準及維持穩定性外，亦可將鋼材之臨界溫度視為性能失效之標準。鋼材之溫度變化可依構件防火材料保護或受熱屏障遮蔽的有無，亦或為間接受熱之外部鋼構件等情形分為四種受熱情形，並依不同情形分別給予相對應之計算式。

進階計算法(advanced calculation models)

進階計算法(advanced calculation models)是將工程原理以實際方式用於特定應用的設計方法，可提供對受火構造的真實分析。為有效的預期相關結構部件受火行為，其行為應基於物理原則，且應採用適當的方法消除進階計算法未涵蓋的任何潛在破壞模式，如局部挫屈和剪力破壞等。規範表示，此計算法可應用於任何斷面形式之模型，且若材料性質於特定溫度範圍內為已知前提下，可使用任何升溫曲線做為加溫方式。而計算法之模型須包含構件內溫度發展及分佈的熱反應模型(thermal response model)，與構造或構件性能的力學性質反應模型(mechanical response model)。熱反應模型之計算法須基於公認的原理及熱傳導理論的假設，模型須考慮於 Eurocode 1 Part 1-2 (2002)規定的相關熱作用及溫度變化下之材料性質，傳熱方式可能包含非均勻熱輻射及與相鄰構造或構件間熱對流的影響。而模型若含防火材料，其中之水分含量及水分變動影響可被保守的忽略。力學性質反應模型須基於公認的結構力學原理及溫度變化下材料性質的假設，並考慮構件受溫差產生之應力應變的影響，模型尚須考慮：(1)材料行為、幾何缺陷和熱作用的綜合作用下的影響；(2) 溫度變化下之材料性質；(3)幾何非線

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14 性效應；(4)含加載和卸載對結構剛度不利之非線性材料特性的影響。為確保結構所有部分間具有相容性，因此極限狀態下之變形須受到限制，故應考慮最終極限狀態，若超過該極限狀態，將會以構造的計算變形量認為該構件因承載力不足而判定達破壞標準。計算設計法之驗證須考慮：(1)計算模型的準確性須根據相關試驗結果；(2) 計算結果可能涉及溫度、變形和耐火時間；(3)為確保模型符合的工程原理，任何參數皆須經過嚴謹的檢查並確認；(4)臨界參數可意旨如挫屈長度、元件的尺寸及承載能力。

參、材料性質

Eurocode 3 (2005b)高溫下的鋼材強度與變形性質為每分鐘 2 至 50K 加熱速率的情形下所得之應力應變關係，如圖2-5 所示。由應力應變曲線所得之鋼材性

能指標，包括有效降伏強度 (effective yield strength)、極限強度與彈性模數，於 Eurocode 3 (2005b)規範所建議之折減係數列於表 2-4。

圖

2-5 溫度變化下鋼材之應力應變關係

(資料來源：Eurocode 3 2005b）

(27)

15

表

2-4 溫度變化下鋼材之力學性質與折減係數

(資料來源：Eurocode 3 2005b）熱傳導(Thermal conductivity)為物質傳導熱能之性能，而隨溫度變化，其熱傳導也隨之不同，由 Eurocode 3 (2005b)規定之簡易計算鋼材熱傳導係數為 45 W/mK；各溫度階段之熱傳導係數可由公式 (1)與公式(2)計算，結果如圖 2-6 所示。 2 54 3.33 10 a a  _ _ _   _{for 20 C} _{800 C} a      (2-1) 27.3 a   for 800 C  _a 1200 C _(2-2)

(28)

16

圖

2-6 受溫度影響之鋼材熱傳導係數

（資料來源：Eurocode 3 2005b）比熱(Specific heat)的定義為單位物質升高 1°C 所需之熱能，隨溫度變化下鋼材之比熱(J/kgK)如圖 2-7 所示，可知當溫度約 750°C 時鋼材比熱突然升高。依據 Eurocode 3 (2005b)規定，鋼材之比熱可由公式(2-3)至(2-6)計算。 -1 -3 2 -6 3 425 7.73 10 -1.69 10 2.22 10 a a a a C         

for 20 C

  



a

600 C



(2-3) 13002 666 -- 738 a a C     _ _  

for 600 C

  



a

735 C



(2-4) 17820 545 - 731 a a C     _{ } _  

for 735 C

  



a

900 C



(2-5)

650

a

C 

for 900 C

  



_a

1200 C



(2-6)

(29)

17

圖

2-7 受溫度影響之鋼材比熱

（資料來源：Eurocode 3 2005b）熱膨脹係數為單位溫度變化所導致的體積變化，而 Eurocode 3 (2005b)規定之鋼材熱伸長率為溫度變化時，其長度的變化與鋼材於20°C 溫度下長度之比值。熱膨脹係數可由熱伸長率求得，計算方式如公式(2-7)至公式(2-10)所示，熱伸長率與溫度之關係如圖2-8 所示。 4 5 8 2 / 2.416 10 1.2 10 _a 0.4 10 _a l l              for 20C_a 750C (2-7) -3 / 11 10 l l    for 750 C  a 860 C (2-8) 3 5 / 6.2 10 2 10 _a l l         for 860 C  a 1200 C (2-9) a a l l       (2-10)

(30)

18

圖

2-8 受溫度影響之鋼材熱伸長量

（資料來源：Eurocode 3 2005b）防火材料於溫度變化下之材料性質，則可參考 ENV 13381-1 (2001)、ENV 13381-2 (2002)或 ENV 13381-4 (2002)規定。

肆、

Eurocode 3 Part 1-2 目錄

1 General 1.1 Scope 1.2 Normative references 1.3 Assumptions

1.4 Distinction between principles and application rules 1.5 Terms and definitions

1.6 Symbols 2 Basis of design

2.1 Requirements

2.1.1 Basic requirements 2.1.2 Nominal fire exposure

(31)

19 2.1.3 Parametric fire exposure

2.2 Actions

2.3 Design values of material properties 2.4 Verification methods

2.4.1 General

2.4.2 Member analysis

2.4.3 Analysis of part of the structure 2.4.4 Global structural analysis 3 Material properties

3.1 General

3.2 Mechanical properties of carbon steels 3.2.1 Strength and deformation properties 3.2.2 Unit mass

3.3 Mechanical properties of stainless steels 3.4 Thermal properties

3.4.1 Carbon steels 3.4.2 Stainless steels

3.4.3 Fire protection materials 4 Structural fire design

4.1 General

4.2 Simple calculation models 4.2.1 General

4.2.2 Classification of cross-sections 4.2.3 Resistance

4.2.4 Critical temperature

(32)

20 4.3 Advanced calculation models

4.3.1 General

4.3.2 Thermal response 4.3.3 Mechanical response

4.3.4 Validation of advanced calculation models

第五節日本「鋼構造耐火設計指針」

日本的「鋼構造耐火設計指針」(2017)，此規範在 Harada (2003)「日本新建築標準的結構抗火設計」介紹了鋼構造抗火基本原則，為承重構件的強度在火災過程中必須大於工作荷載，並給予性能評估，方法是以火災持續時間與構造構件臨界破壞時間計算。火災溫度與時間曲線的計算由總火災荷載、熱釋放率、火災溫度係數、局部火災溫度係數得到。在計算極限狀態的臨界溫度時，需考慮到梁、柱破壞模式，柱需考慮整體挫屈、局部挫屈、過大變形及節點破壞；梁需考慮彎曲破壞、過大變形及節點破壞。由破壞模式選擇極限狀態的臨界溫度計算方式。

日本「鋼構造耐火設計指針」目錄

第一章總則 1.1 目的 1.2 適用範圍 1.3 基本構成 1.4 留意事項 1.5 用語第二章鋼材 2.1 鋼材於高溫之有效降伏強度 2.2 鋼材於高溫之應力應變關係 2.3 高強度螺栓於高溫之拉力強度

(33)

21 第三章荷重 3.1 荷重的種類 3.2 火災荷重 3.3 工作荷重第四章火災性質與構件的加熱條件 4.1 火災性質的選擇 4.2 局部火災 4.3 移動火災 4.4 全區域內火災 4.5 開口噴出火焰第五章火災時鋼材之溫度 5.1 鋼材溫度之計算方法 5.2 無防火被覆構件 5.3 防火披覆構件第六章構架的崩壞溫度 6.1 概要 6.2 崩壞溫度的計算概要 6.3 構架之基本崩壞溫度 6.4 支撐構架之基本崩壞溫度 6.5 高溫潛變的影響 6.6 柱挫屈之構架崩壞溫度 6.7 柱局部挫屈之構架崩壞溫度 6.8 整體構架之臨界溫度對應力再分配的影響 6.9 梁破壞之構架崩壞溫度

(34)

22 6.10 合成梁於火災時的極限強度 6.11 高強度螺栓之摩阻型接合的構架崩壞溫度 6.12 銲接接合的高溫強度第七章耐火設計例 7.1 概要 7.2 建物概要 7.3 基本計畫 7.4 構件荷載及柱軸力 7.5 火災性質 7.6 鋼材溫度 7.7 臨界溫度計算 7.8 構架之結構穩定性 7.9 利用外圍構架之應力再分配計算崩壞溫度 7.10 考慮梁之剪力破壞計算崩壞溫度 7.11 合成梁之崩壞溫度計算 7.12 梁上接頭處高強度螺栓之耐火設計例

第六節中國大陸「建築鋼結構防火技術規範」

中國大陸的「建築鋼結構防火技術規範」為於 2017 年制定的住房和城鄉建設部之標準。該規範的編制為依據中國大陸的研究成果與工程實務經驗，參考國外現行鋼構造防火標準與國內外專家的意見。規範內容涵蓋各種材料(鋼材、混凝土、防火塗料與防火板)於高溫下的熱性質與力學性質、鋼結構與組合結構抗火驗算與防火保護設計、與防火保護工程的施工與驗收等。該規範制定構造或構件的抗火設計為滿足三項要求之一：承載力、耐火時間、臨界溫度，其中的驗算皆是基於公式與參數的計算式(李國強 2001)。

(35)

23

壹、防火設計及要求

鋼結構或構件應依耐火承載力極限狀態進行防火驗算與設計。防火設計及驗算分為耐火極限法、承載力法及臨界溫度法。耐火極限法之要求為鋼結構或構件在設計載重作用下，於火災時其耐火極限(即耐火時間)不得小於設計耐火極限(即防火時效)，其中鋼結構或構件設計耐火極限須依建築耐火等級按表 2.5 決定。承載力法之要求為於設計耐火極限內承載力不得小於最不利載重組合設計值。臨界溫度法之要求為，於設計耐火極限內鋼結構或構件最高溫度不得高於臨界溫度。當鋼結構或構件承載力降至相等於各種作用組合效應時，或產生足夠塑性鉸造成變形達無法繼續承載時，亦或是整體喪失穩定性時，即構造承載能力達到極限狀態，而當受火至承載能力極限狀態所需時間為構造耐火時間；當構造達到承載能力極限狀態時之溫度為臨界溫度，故防火設計時僅需滿足上述其一方法即可。鋼結構或構件於驗算後若不滿足上述方法之驗算要求，應採取防火保護措施延緩鋼結構或構件升溫並提高耐火極限。

表

2-5 單、多層和高層建築構件之耐火極限

(資料來源：建築鋼結構防火技術規範 2017)

(36)

24

貳、材料特性

藉由參考如美國、歐洲、日本等國家規範及結合相關研究成果，內容涵蓋各種材料(鋼材、混凝土、防火塗料與防火板)於高溫下的熱性質與力學性質。鋼材高溫之材料性質可依GB 50017 (2003) 「鋼結構設計規範」之常溫材料性質搭配相關參數及計算式求得，一般鋼材之物理參數、高溫下彈性模數及降伏強度之折減係數如表2-6 所示。

表

2-6 高溫下鋼材之物理參數

參數名稱符號數值單位熱膨脹係數 _s _1.4 -5 10  m/(m°C) 導熱係數 _s 45 W/(m°C) 比熱容 C _s 600 J/(kg°C) 密度 _s 7850 _Kg/ 3 m (資料來源：建築鋼結構防火技術規範 2017)

參、鋼結構耐火驗算

鋼結構耐火驗算分別為承載力法與臨界溫度法。承載力法為依假定防火被覆厚度，以構件內部溫度、載重組合及高溫下鋼材之材料性質等條件驗算其抗火承載力極限狀態是否滿足規範之要求。構件內部溫度須由室內溫度決定，規範提供兩種室內溫度之計算方式：(1)以纖維類物質為主的火災，採ISO 834-1 (2012)標準升溫曲線公式；(2)以烴類物質為主的火災，須使用規範所提供之公式。高溫下鋼材之材料性質須由構件內部溫度計算求得，而載重組合須依鋼結構或構件最不利情形計算。若驗算結果不滿足設計耐火極限內承載力不得小於最不利載重組合之要求，須重新假定防火被覆厚度重新驗算。臨界溫度法係以臨界溫度驗算是否滿足規範之要求。臨界溫度須根據構件受力情形計算截面強度荷載比並查表確認，其中構件受力情形包含軸心受拉、軸心受壓、單軸受彎、拉彎及壓彎等。若臨界溫度大於設計耐火極限內之最高溫度則

(37)

25 符合規範要求；若臨界溫度小於設計耐火極限內之最高溫度，則須依規範提供之公式以臨界溫度與防火被覆性質等計算防火被覆厚度。

肆、中國大陸「建築鋼結構防火技術規範」目錄

1 總則 2 術語和符號 2.1 術語 2.2 符號 3 基本規定 3.1 防火要求 3.2 防火設計 4 防火保護措施與構造 4.1 防火保護措施 2.2 防火保護構造 5 材料特性 5.1 鋼材 5.2 混凝土 5.3 防火保護材料 6 鋼結構的溫度計算 6.1 火災升溫曲線 6.2 鋼構件升溫計算 7 鋼結構耐火驗算與防火保護設計 7.1 承載力法 7.2 臨界溫度法 8 組合結構耐火驗算與防火保護設計

(38)

26 8.1 鋼管混凝土柱 8.2 壓型鋼板組合樓版 8.3 鋼與混凝土組合梁 9 防火保護工程的施工與驗收 9.1 一般規定 9.2 防火保護材料進場 9.3 防火塗料保護工程 9.4 防火板保護工程 9.5 柔性氈狀材料防火保護工程 9.6 混凝土、砂漿和砌體防火保護工程 9.7 複合防火保護工程 9.8 防火保護分項工程驗收

第七節耐火試驗法

對於鋼結構或構件，國外學者普遍依照 ASTM E119 (2018)或 ISO 834-1

(2012)規定之方法，進行耐火性能試驗研究。我國則須依照 CNS 12514-1 (2014) 「建築物構造構件耐火試驗法-第 1 部：一般要求事項」之規定進行耐火試驗研究。各試驗法簡述如下。

壹、

ASTM E119

ASTM E119 (2018)為建築物構造與材料耐火試驗標準方法，主要規定耐火試驗時之加溫爐溫度、試體尺寸及試體破壞判定標準。加溫爐平均溫度於加熱5 分鐘須達到538°C，10 分鐘達到 704°C，30 分鐘達到 843°C，1 小時須達到 927°C， 2 小時須達到 1010°C，4 小時須到達 1093°C。試體耐火性能為依試驗類別要求與鋼骨溫度判定構件是否破壞，如鋼材平均溫度超過 538°C 或任一鋼材量測點之溫度超過649°C，則試體發生破壞。

(39)

27

貳、

ISO 834-1

ISO 834-1 (2012)規定耐火性能試驗之設備、標準升溫曲線、測量裝置、試驗步驟以及試驗終止條件等。進行耐火試驗時，初始平均溫度須小於 50°C，加溫爐內溫度須符合標準升溫曲線T 345log₁₀(8t1)20，其中 T 為攝氏溫度，t 為時間(分)，如圖 2-9 所示。性能基準之試體承重能力以變形量及變形速率判定。

圖

2-9 標準升溫曲線

(資料來源：本研究整理)

參、

CNS 12514-1 一般要求事項

目前我國標準CNS 12514-1 (2014)對於試驗設備(包含加熱爐、載重設備、束制及支撐框架)、環境溫度、爐內壓力、量測及破壞準則皆有明確規定。加溫爐溫度依照標準升溫曲線進行加溫；進行耐火試驗時，試體需配置足夠之熱電偶測點以及位移量測測點，試體承重能力以變形量及變形速率判定，與ISO 834 之規定相同。

(40)

(41)

29

第三章鋼構造建築物防火設計技術參考手冊架構

鋼構造建築物的防火設計涵蓋多項，如防火區劃、防火避難設施及消防設備等。本研究將針對火害下的構造防火設計，「鋼構造建築物防火設計技術參考手冊」之架構如下︰設計火災情境與空氣升溫計算鋼構件升溫 (有無防火保護) 計算載重組合之設計載重計算鋼構件溫度內力與變形計算或試驗構造與構件的臨界溫度計算或試驗高溫下構造與構件的承載力計算或試驗構造與構件的耐火時間載重組合效應下，構造與構件的耐火時間 ≧防火時效。防火時效內，構造與構件的承載力 ≧載重組合的設計載重。構造與構件的臨界溫度 ≧防火時效內構造或構件的最高溫度。熱傳分析或輔助公式、圖表高溫下材料熱性質、力學性質

(42)

(43)

31

第四章結論與建議

第一節結論

本研究主要為依據美國AISC (2016)鋼構造設計規範附錄之防火設計規定，並參考歐洲、日本及中國大陸之規範內容，再彙整相關研究成果，完成鋼構造建築物防火設計技術參考手冊之草案。總結本研究成果提出以下結論。 1. 各國鋼構造防火設計相關規範顯示，其規定皆根據鋼結構或構件於高溫下之承載能力為基礎的原則制定，並都以鋼結構或構件於受火時之承載力、耐火時間、臨界溫度的其一作為防火性能之判定依據。 2. 鋼結構或構件於受火後除須可持續提供承載力至所需時間外，仍須符合變形破壞判定標準及維持整體之穩定性，若否則亦視為已破壞。 3. 各國規範之內容多為基於公式與參數之計算式做為防火設計分析方法，並表示亦可以程式分析或實驗方式評估該防火設計是否符合標準。各國規範之計算式皆依各別規定之鋼材於溫度變化下之材料性質等參數，依其加溫方式、受熱環境、分析之構件或構造的邊界條件進行防火性能的評估。 4. 本研究草擬之鋼構造建築物防火設計技術參考手冊提供防火性能設計與驗證之方法。防火設計流程圖範例與設計範例有助於設計者瞭解，並增進業界對鋼構造建築物防火設計的瞭解與參考。

第二節建議

1. 建議一鋼構造建築物整體構造防火性能分析程式之研究：立即可行之建議主辦機關：內政部建築研究所本研究草擬之手冊為參考各國規範基於公式與參數之計算式所建立之防火設計分析方法，惟計算式僅針對構件，整體構造仍需藉由程式分析。然而目前分析程式多採歐洲規範規定分析鋼構造之防火性能，國內外相關研究則多採如FDS

(44)

32

(Fire Dynamics Simulator)搭配有限元素軟體分析，故發展整體構造之分析程式有其必要性。 2. 建議二建築物常用防火保護材料熱性質參數建立之研究：立即可行之建議主辦機關：內政部建築研究所鋼骨造梁、柱之耐火性能未滿足防火需求時，需有防火保護。如美國、歐洲、日本與中國大陸等先進國家之鋼構造防火設計規範皆有提供多種常用之防火保護材料相關熱性質參數，以進行受保護構造或構件之升溫分析。故可藉由建立國內常用防火保護材料熱性質參數資料庫，供設計者參考並進行分析受保護鋼結構或構件之升溫。

(45)

33

附錄一鋼構造建築物防火設計技術參考手冊(草案)

第一章 總則... 35 1.1 適用範圍 ... 35 1.2 用語 ... 35 1.3 符號 ... 37 第二章鋼材性質 ... 43 2.1 鋼材高溫機械性質 ... 43 2.2 鋼材熱性質 ... 55 2.2.1 熱膨脹... 55 2.2.2 比熱... 56 2.2.3 熱傳導... 57 第三章防火設計基本規定 ... 59 3.1 載重組合與需求強度 ... 59 3.2 防火設計要求 ... 59 3.2.1 一般規定... 59 3.2.2 承載力... 60 3.2.3 耐火時間... 60 3.2.4 臨界溫度... 60 第四章以分析進行防火設計 ... 61 4.1 設計火災情境與空氣升溫 ... 61 4.2 鋼構件升溫計算 ... 63 4.3 鋼構件內力計算 ... 66 4.4 鋼結構與構件防火承載力驗算 ... 68 4.5 鋼結構與構件耐火時間驗算 ... 72 4.6 鋼結構與構件臨界溫度驗算 ... 73

(46)

34 第五章以驗證試驗進行防火設計 ... 75 5.1 驗證試驗標準 ... 75 5.2 承重能力性能基準 ... 75 5.3 鋼材破壞溫度 ... 76 參考文獻 ... 79 附錄一防火設計流程圖範例 ... 83 附錄二設計範例 ... 95

(47)

35

第一章總則

1.1 適用範圍

本手冊適用於鋼構造建築物之防火設計，本手冊僅針對火災下的構造防火設計。除本手冊外，鋼構造建築物之防火設計應符合現行建築技術規則之規定。解說：本手冊是以鋼構造建築物耐火性能為基準之防火設計方法。性能基準的設計方法提供設計者可考慮建築物的特性與用途而訂定建築物之耐火性能，於符合現行建築技術規則之規定下，以更多的專業知識促進防火工程的創新與成本的節省。根據SFPE (2007)規定，基於性能基準的防火設計之評估流程包含： 1. 確定預期目標，以降低建築物火災時對生命損失、財產成本、運營及環境影響，或對建築物之最大允許條件。允許條件包含：結構穩定性、隔板完整性、構造或構件之最高溫度、火勢與煙霧蔓延程度，及燃燒有害產物之擴散情形。 2. 製定性能標準，即分配建物材料與氣體溫度的閾值(threshold values)、有毒氣體排放、構造之熱反應、火勢蔓延、防火屏障損壞、結構完整性、暴火性質和及環境影響等。 3. 依據受火情形，制定火災情境與空氣升溫。 4. 發展具防火功能之相關設計試驗，及制定符合耐火性能基準之設計程序。 5. 評估並選擇具有效性、可靠性、實用性和符合成本為最終設計。鋼構造建築物的防火設計涵蓋多項，如防火區劃、防火避難設施及消防設備等，本手冊僅針對火災下的構造防火設計。

1.2 用語

「臨界溫度」(critical temperature)：依依依鋼結構或構件因高溫達到承載力極限狀態時之溫度。

「耐火時間」(duration of fire resistance)：

依依依依CNS 14652 (2008)，為在耐火試驗條件下，建築構件或結構從受到火之

(48)

36 「防火區劃」(fire compartment)：依CNS 14996 (2006)，為用耐火建築構件，將建築物加以分隔，在一定時依依依間內限制火災於起火區之措施。「火載量」(fire load)：依CNS 14652 (2008)，為在一個空間內所有可燃物品在完全燃燒時之總釋依依依放熱量。

「火載量密度」(fire load density)：

依CNS 14652 (2008)，為單位樓地板面積之火載量。

「防火性能」(fire performance)：

依CNS 14996 (2006) ，為當物體暴露於火源或熱源時，顯現防火之反應。

「防火性能試驗」(fire performance test)：

依CNS 14651 (2008) ，為材料、構件、構造等在控制之燃燒條件下對熱依依依或火焰反應之測試。「防火時效」(fire rating)：依依依依建築技術規則，為建築物主要結構構件、防火設備及防火區劃構造遭受依依依火災時可耐火之時間。依CNS 14652 (2008) 「建築物防火語彙-防火試驗依依依用語」，為在特定條件下，材料、構件、構造等能持續維持耐火性所經過依依依之時間。「耐火性」(fire resistance)：依CNS 14652 (2008) ，為材料、構件、構造等能持續維持遮焰性、穩定依依依性、及阻熱性之耐火性能。「防火構造」(fire structure)：依依依具有建築技術規則設計施工編第三章第三節所定防火性能與時效之構造。「閃燃」(flash-over)：依CNS 14996 (2006) ，為在一區劃內之可燃物其總表面突然轉變成著火

(49)

37 依依依之狀態。「熱通量」(heat flux)：依依依依CNS 14652 (2008) ，為單位面積、單位時間內釋放、傳遞或吸收之熱依依依能。例如單位為cal/(cm2_)、W/m2_。「載重比」(load ratio)：依依依鋼結構或構件於火災時承受之載重與其常溫下的設計強度之比值。「承重能力」(load-bearing capacity)：依依依承重構件試體支撐其試驗載重而未超過變形量、變形速率規定值所能承受依依依之載重。

1.3 符號

= A 受火構件截面積 T A 由4.1 節定義之設計火災情境造成的力量 b C 撓曲修正係數 T D 靜載重，結構物構件重量及永久附加物重量；參閱第3.1 節 D 構件斷面受熱之周長；參閱第4.2 節，m E 常溫之鋼材彈性模數 = T E 溫度為 1 2 2 T T 時鋼材之彈性模數 t E =溫度變化下應變硬化之鋼材彈性模數 ( ) E T 溫度為T 時之鋼材彈性模數 nt F 常溫之螺栓標稱拉應力強度 nv F 常溫之螺栓標稱剪應力強度 y F =常溫下鋼材標稱降伏強度

(50)

38 ( ) cr F T 溫度為T 時之臨界應力 ( ) e F T 溫度為T 時之彈性挫屈應力 ( ) nt F T 溫度為T 時之螺栓標稱拉應力強度 ( ) nv F T 溫度為T 時之螺栓標稱剪應力強度 ( ) y F T  溫度為 T 時之鋼材標稱降伏強度 ( ) u F T 溫度為T 時之鋼材抗拉強度 I 受火構件面積慣性矩 J  扭矩常數 T L 活載重，包括室內人員、傢俱、設備、貯存物品、活動隔間等。 c L 構件有效長度 Te M 溫度造成的彎矩內力 fi M  常溫之構件彎矩強度 n M 常溫之標稱撓曲強度 ( ) n M T 溫度為T 時之標稱撓曲強度 ( ) p M T  溫度為 T 時之塑性撓曲強度 Te N 溫度造成的軸向內力 f N 常溫方式分析所得之構件軸力 ( ) n R T 溫度為T 時之標稱強度 , = u fi R 受火時之設計載重 B S Stefan-Boltzmann 常數5.67 10 W/m -8， 2C4 x S 對強軸之斷面模數 , a cr T  鋼材之臨界溫度，°C

(51)

39 F T 火災溫度，°C FK T 火災溫度，°K RT T 20°C S T 不同曝火時間下之鋼材溫度，°C SK T 不同曝火時間下之鋼材溫度，°K ( ) g T t 時間為t 時之空氣平均溫度，°C 0 T 受火前構件之溫度，°C 1 T 使降伏強度維持在定值的上限溫度，°C；參閱第 2.1 節 2 T 鋼材降伏強度為0 時之溫度，°C；參閱第 2.1 節 1 T、T ₂ 受火構件兩側或上下翼緣之溫度，°C；參閱第 4.3 節 n V 常溫下標稱剪力強度 ( ) n V T 溫度T 時之標稱剪力強度 W  單位長度之重量(質量) x Z 對強軸之斷面塑性模數 a 熱傳係數acar ，W/m2C c a 對流熱傳導係數 r a 輻射熱傳導係數 c 中性軸至最外受壓纖維之距離 p c  防火保護材料之比熱，J/kgC s c 鋼材比熱，J/kgC p d  防火保護材料之厚度，m = f 鋼材常溫之強度設計值

(52)

40 h  受火構件截面高度 o h 上下翼板形心之距離 b k 螺栓拉應力強度或剪應力強度之折減係數 E k 鋼材彈性模數之折減係數 = p k 鋼材比例限度之折減係數 p k  防火保護材料之熱導率，W/m C ；參閱第4.2 節 = u k 鋼材抗拉強度之折減係數 = w k 銲道強度折減係數 = y k 鋼材降伏強度之折減係數 ( )= k T 溫度為T 時鋼材降伏強度之折減係數 l  20°C 時之鋼材長度 = n 無因次指數 '' = q 鋼構件上淨入射熱通量 r 對斷面挫屈軸之迴轉半徑 ( ) r T 下翼板溫度為T 時之保留因子(retention factor) t 加熱時間，min = s  鋼材熱膨脹係數，1/°C = R  鋼構件抗力分項係數 F  火焰發射率與視野係數 l   溫度變化下之鋼材伸長量 t   時間間隔，s   強度折減係數

(53)

41 n R  常溫下之設計強度 ( ) n R T  溫度為T 時之設計強度 a  鋼材熱傳導係數，W/mK 0  使用程度係數 p   防火保護材料之密度， 3 kg/m T  溫度變化下鋼材彈性模數之折減係數

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第二章

鋼材性質

( ) / mm u F T (0°C, 190 N/mm2₎ (300,160) (570, 90) (750, 0) (0°C,270 N/mm2₎ (270, 270) (550, 110) (700, 0) (0°C, 265 N/mm2₎ (300, 270) (570, 113) (750, 0) n 1.5 1.5 3.0 註：1 2 kgf/cm  0.098_N/mm2 2. AISC (2016) 表 C2.1-3 所示為 AISC (2016)高溫下鋼材機械性質折減係數。表 C2.1-3 AISC (2016)高溫下鋼材之機械性質折減係數鋼材溫度 °F (°C) .... ( ) / ( ) / E k E T E G T G   ( ) / p p y k F T F kyF Ty( ) /Fy ku F Tu( ) /Fy 68 (20) 1.00 1.00 * * 200 (93) 1.00 1.00 * * 400 (200) 0.90 0.80 * * 600 (320) 0.78 0.58 * * 750 (400) 0.70 0.42 1.00 1.00 800 (430) 0.67 0.40 0.94 0.94 1000 (540) 0.49 0.29 0.66 0.66 1200 (650) 0.22 0.13 0.35 0.35 1400 (760) 0.11 0.06 0.16 0.16 1600 (870) 0.07 0.04 0.07 0.07 1800 (980) 0.05 0.03 0.04 0.04 2000 (1100) 0.02 0.01 0.02 0.02 2200 (1200) 0.00 0.00 0.00 0.00 附註：表C2.1-3 之機械性質將不適用於降伏強度超過 450 MPa 之鋼材。 * 採用常溫的機械性質。

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48 表 C2.1-4 所示為 AISC (2016)高溫下螺栓機械性質折減係數。表 C2.1-4 AISC (2016)高溫下螺栓之機械性質折減係數螺栓溫度°F (°C) F T_nt( ) /F_nt或F T_nv( ) /F_nv 68 (20) 1.00 200 (93) 0.97 300 (150) 0.95 400 (200) 0.93 600 (320) 0.88 800 (430) 0.71 900 (480) 0.59 1000 (540) 0.42 1200 (650) 0.16 1400 (760) 0.08 1600 (870) 0.04 1800 (980) 0.01 2000 (1100) 0.00 3. Eurocode 3 (2005b) 表 C2.1-5 所示為 Eurocode 3 (2005b)高溫下螺栓及銲道之機械性質折減係數。表 C2.1-5 Eurocode 3 (2005b) 高溫下螺栓及銲道之機械性質折減係數溫度℃ 螺栓拉應力強度或剪應力強度折減係數kb 銲道強度折減係數kw 20 1.000 1.000 100 0.968 1.000 150 0.952 1.000 200 0.935 1.000 300 0.903 1.000 400 0.775 0.876 500 0.550 0.627 600 0.220 0.378 700 0.100 0.130 800 0.067 0.074 900 0.033 0.018 1000 0.000 0.000

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49 4. 中國大陸「建築鋼結構防火技術規範」(2017) 中國大陸「建築鋼結構防火技術規範」(2017)規定之鋼材各溫度有效降伏強度可由式(C2.1-12)至式(C2.1-16)計算： F Ty( )k T F( ) y (C2.1-12) 當20°CT_s 300°C k T ( ) 1 (C2.1-13) 當300°CT_s 800°C 8 3 5 2 3 ( ) 1.24 10 _s 2.096 10 _s 9.228 10 _s 0.2168 k T    T    T    T  (C2.1-14) 當800°CT_s 1000°C k T( )0.5Ts / 2000 (C2.1-15) F_y _Rf (C2.1-16) 其中， ( ) y F T  溫度為 T 時之鋼材標稱降伏強度 y F =常溫下鋼材標稱降伏強度常溫下鋼材標稱降伏強度 = f 鋼材常溫之強度設計值鋼材常溫之強度設計值 = R  鋼構件抗力分項係數，_R 1.1 ( )= k T 溫度為T 時鋼材降伏強度之折減係數 鋼材溫度變化下之彈性模數可由式(C2.1-17)至式(C2.1-19)計算： E T( )_TE (C2.1-17) 7 4780 6 4760 s T s T T     (C2.1-18) 1000 6 2800 S T S T T     (C2.1-19) 其中， s T 鋼材溫度，℃

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50 ( ) E T 溫度為T 時之鋼材彈性模數 E 常溫之鋼材彈性模數 T  溫度變化下鋼材彈性模數之折減係數 5. 國內研究成果國內對於鋼材於高溫環境下材料性質之相關研究包含莊有清(2004)及 Chung 等人(2010)之研究成果。莊有清(2004)及 Chung 等人(2010)分別以我國一般常用

鋼材A572 Grade 50、SN490C 及 SN490B 進行各溫度下的拉伸試驗，Chung 等人

(2010)量測得於溫度變化下鋼材 SN490B 機械性質如圖(C2.1-1)所示；鋼材 A572 Gr.50、SN490C 及 SN490B 降伏強度、抗拉強度及彈性模數之折減係數如表 C2.1-6 至表 C2.1-8 所示。

鋼構造建築物防火設計技術參考手冊之研究