實尺寸帷幕牆防火性能之實驗研究(III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

實尺寸帷幕牆防火性能之實驗研究(III)

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC94-2211-E-011-023-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學建築系

計畫主持人： 林慶元

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 95 年 10 月 19 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

計畫編號：NSC94-2211-E-011-023 執行期限：94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日

實尺寸帷幕牆防火性能之實驗研究(III)

執行機構：國立台灣科技大學建築系 主持人：林慶元

一、 動機與目的

以帷幕牆建築物火災的延燒歷程而言，

在發生火災時建築物本身之破壞情境可大致 分兩大類，第一大類為建築物內部之破壞延 燒，經由帷幕牆與防火樓板兩者間之層間塞 延燒至上方樓層，第二大類為經由外牆開口 部噴出之火燄以接焰或輻射之方式，延燒至 上方樓層，是屬於外部之延燒，在真實的火 場中，如果帷幕牆為防火性能良好，且為無 開口部時(無玻璃窗)，火焰只會由第一類之方 式向上延燒，如果帷幕牆為具備開口部時(玻 璃窗)，火焰會破壞玻璃進而向外面延燒，且 當玻璃破掉後，大量的新鮮空氣灌入火災室 中，會使燃燒更加猛烈，且亦伴隨著由第一 類之途徑向上延燒。

然而以全尺寸建築物模擬帷幕牆火災 時，密閉火災室內由於缺乏足夠的新鮮空 氣，無法使燃燒行為發生，以致帷幕牆開口 部之玻璃不會受高溫而破裂，與真實之火場 情況不同，因此此類試驗無法以此種試驗方 法進行，綜觀世界各國之帷幕牆試驗都是在 火災室開口部未裝設玻璃情況下，進行燃燒 試驗，而實際火場情況並不是如此，例如玻 璃之厚薄或防火性能會關係著玻璃破壞之時 機，當玻璃具有較佳之防火性能時，能防止 火焰較晚噴出，甚至在使用較佳之特殊玻 璃，開口部之玻璃亦不完全掉落，因此開口 部之破壞型態會左右火場之燃燒行為。

因此本研究以模擬居室火災之燃燒情境 為目標，透過實體火災試驗與 CFD (Computer fluid dynamic)模擬軟體兩者加以分析，找出 最符合密閉型帷幕牆火災試驗的方法及分

析，提供作為後續相關防火試驗之研究及修 法參考。

二、方法與範圍

以鋼筋混凝土建築物模擬當開口部玻璃 破裂後，開口部無玻璃之居室火災燃燒實際 行 為 ， 另 外 以 FDS 4.0 (

Fire Dynamics Simulator 4.0

本研究藉由實體試驗及電腦模擬，探討 之研究範圍如下所示：

(一)探討不同通風條件下之燃燒情形。

(二)探討可燃物位置與通風條件對居室溫度 之關係。

(三)對帷幕牆試驗方法提供實質建議及可行 性分析。

三、實驗與 FDS 模擬計畫

本試驗以兩種不同的通風條件分析試驗 時之情境，第一次試驗代表較小開口之模 擬，第二次試驗代表較大開口之模擬，第二 次試驗之開口面積為第一次試驗之兩倍面 積，居室淨高度 300cm，詳細之居室尺寸、

通風情況及火載物配置位置，如圖一及圖二 所示，火載量密度設定為 50 ㎏/㎡，係參考 1928 年 Ingberg 建議之 1 小時等價防火時效 的火載量密度，木材以 20cm 厚白磚墊高，並 於下方擺設一油盤(50×50cm)，內置 200ml 之

煤油，作為引燃源，此兩次試驗係以探討燃 燒試驗歷程為主要重點，因此溫度為最重要 之數據，火焰高度量測並不是本計畫此次之 重點，但亦以 DV 攝影機及數位相機紀錄之，

以利火焰噴出行為分析，火災室之溫度以 0.3mm K-type 熱電偶量測，兩熱電偶位置分 別位於天花板下 10cm 處(圖一及圖二)。

另外由於考慮密閉型居室火災燃燒情 形，本研究排除由牆壁設置開口之方式，以 FDS模擬居室通風開口置於底部之情形，溫度 測點及模擬情境如圖三所示，依據Pope及 Bailey指出，當隔點之設定越小時，所模擬之 火災溫度越接近真實情形，因此本研究採用 之隔點為 5cm一格，模型室內淨高度設置為 310cm，係參考實際建物之高度，居室寬度 640cm，長度 740cm，係參考Cardington之自 然火災試驗之一單元，天花板熱電偶(T4~T6) 距離天花板下 10cm，平均於居室之中心軸 上，其他熱電偶(T11~T19)亦位於居室中心軸 上，平均於居室空間內，周壁之條件設定為 常重混凝土，HRRPUA假設為 250 kw/m²，係 作為相對比較之用，由於建立模型之開口部 設置為地板處，因此地板需挑高，地板下留 設自由空間供火災室進行進氣與排氣動作，

每一開口大小為 60cm×60cm，另外由於一般 火源之設置，是採區塊(block)之設置，會阻 礙地板下方通風孔之進排氣，因此火源設置 全部採取條狀，使火源區塊不阻礙通風孔為 原則，塊狀與條狀火源兩者對通風孔之影響 如圖四及圖五所示，本次研究使用之電腦規 格為 2.66 GHz Pentium 4 的處理器，記憶體 為 1G。

四 、結果與討論

(一)不同通風條件下之燃燒情形

兩次實體試驗之溫度歷程如圖六及圖七 所示，第一次試驗僅假設帷幕牆試驗時開口 部無玻璃之情況(一側)，第二次試驗設定為前 後有開口之通風情況(兩側)，由於第一次試驗

居室通風條件較少之情形，居室內之熱量較 容易蓄積，溫度較第二次試驗高，第一次試 驗之溫度甚至高達 1300℃，第一次試驗之點 火位置由離開口部最遠之位置點火(圖一)，第 二次試驗由木材之中心位置點火(圖二)，兩試 驗之溫度歷程僅是最高溫度發生之時間差異 而已，第一次與第二次試驗之火盛期時間分 別為 10min 與 15min 左右，兩試驗差異並不 大，因此可知當火載量充足時，即使火源之 引燃位置不同，通風條件亦有很大的差異時 (兩者相差一倍)，顯示著當帷幕牆開口開始破 裂，然後由破裂的過程至完全破裂時，通風 量隨之增大時，火盛期時間之差異亦會隨之 改變，但以兩次試驗通風條件差異如此大之 情形下，最多僅約 5min 之差異，兩次試驗火 災室溫度可達高溫，比 CNS 12514 一小時防 火時效試驗之最高溫度 925℃為高，此種火載 堆置及使用小油盆引燃之方式，足以模擬出 真正火場的高溫，因此帷幕牆開口玻璃破裂 以後之燃燒行為，是差異不大的燃燒歷程，

且當試驗一開始後之燃燒行為變數，是由帷 幕牆開口部因子大小本身所控制的。

(二)FDS 模擬情境分析

圖三(a)~(c)之模擬溫度時間曲線圖，如 圖八~圖十所示，由圖中得知，當火源下方有 通 氣 孔 狀 態 時 ， 火 源 上 方 之 溫 度 會 較 高 (T4>T5>T6)，如果火源下方無通風情況下，

火源上方之溫度會較低(T4<T5<T6)，火源下 方有通氣孔之情況時，無論有無多開孔於其 它地板位置時，兩者燃燒情況非常接近，無 論火源下方有無通風情況下，甚至地板處之 通風孔全部開放時，距離天花板高度越近之 溫度，呈現較低之現象，而在一般牆開口之 燃燒狀況下，是離天花板越近溫度越高，可 以由流量平衡方程式解釋，進氣量等於排氣 量，一般牆開口之中性軸上方為排氣，中性 軸下方為進氣，空氣受熱膨脹後密度變較輕 由上方排出，因此居室上方溫度較高，然而

當開口全部位於地板下方時，氣體皆由下方 進出，因此在中間部分之居室溫度較靠近地 板，因此溫度高於距離天花板下方較近範圍 之溫度。一般玻璃在溫度約 200℃即可受熱破 裂，由三次模擬結果得知火災溫度可到達，

因此預讓居室悶燒後玻璃自動破裂，然後變 成傳統的單一開口居室火災行為，此種開口 部置於地板處之設置可使居室之可燃物燃 燒。

(三)試驗方法應用性分析。

地板開口部之設置僅是初期讓火源接受 足夠之空氣，產生足夠之熱量使玻璃破裂，

進而慢慢變成實際帷幕牆火災狀況，因此地 板開口部之設置不宜太多量，否則會破壞原 本之燃燒形態，另外在實際面應用時亦須考 慮木材(火載量)是否會掉落於通風口內，簡單 之燃燒速率平衡方程式如下所示(圖十一):

(kg/s) (kg/s) (kg/s)

(kg/s)

, , ,

, ,

,

居室內可燃物燃燒速率 氣 經由地板開口流入之空

經由窗戶流入之空氣 經由窗戶流出之氣體

=

=

=

=

+ +

=

p floor in

window in

window out

p floor in window in window out

R R R R

R R

R R

當Rin,floor加大時(通風孔增加時)，會導致

Rout,window變大，導致中性面下降，當地板通風

孔過大超過垂直開口部時，垂直開口部無法 排洩過多之熱氣，亦會使地板由完全進氣型 態轉變成進排氣共同存在之狀態以維持平 衡。另外地板通風開口設置處，應該離玻璃 帷幕之距離越遠越好，因為當在帷幕牆玻璃 破裂後，希望居室內之可燃物能接受空氣後 產生一理想的混合燃燒(well-mixed)，假使地 板通風處設置於預計破壞之開口部附近時，

會如同開口部之進氣面積增大，因此如以上 說明及分析，應用於實體火災試驗時，應能 達成事半功倍之成效，亦能克服密閉式全尺 寸火災試驗之缺點。

五 、結論與建議

帷幕牆實體火災試驗在玻璃未破壞前，

屬於密閉式空間燃燒，當可燃物經火源引燃 後，並將門闔上之後，由於缺乏助燃之空氣，

可燃物將無法燃燒，因此本研究之前兩年計 畫，都是先行以人工方式將開口部分玻璃先 行移除，使居室產生自然對流之單一開口方 式進行換氣燃燒，或是利用鼓風機送風之機 械方式，本次研究藉由兩次不同開口實體火 災之試驗，證明試驗持續時間及火場溫度在 開口部由破壞後至開口部面積增大時差異並 不大，經由 FDS 電腦模擬，發現當僅地板處 設置通風孔時，據天花板越近之距離，其所 量測到的溫度越低，當火源下方有通風孔 時，火源上方之溫度較高，經由分析地板開 口部應設置於離帷幕牆較遠處之位置，開口 數量亦不能設置過多，設置之數量僅能供火 場需要之燃燒溫度即可，讓熱量能使玻璃破 壞自然產生後續之燃燒行為。

本研究建議後續之研究，可在地板開口 部及牆開口部等地方，安裝熱電偶及流速 計，並於居室地板安裝磅秤，藉以了解各開 口部位置及面積與可燃物燒失量之關係。

六、參考文獻

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火載量

單位:公分

磚牆 磚牆 磚牆

磚牆

磚牆

磚牆 磚牆

點火位置

圖一 第一次試驗之燃料及開口配置平面圖

火載量

單位:公分

磚牆 磚牆 磚牆

磚牆

磚牆

磚牆 磚牆

點火位置

圖二 第二次試驗之燃料及開口配置平面圖

圖三 (a)火災室底部全部通風

圖三 (b)通風位置位於可燃物之下方

圖三 (c)通風位置位於無可燃物之下方

圖三 (d)熱電偶居室分布圖

圖四 塊狀火源下方通氣孔無法進排氣

圖五 條狀火源下方通氣孔可進行進排氣

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Time(min)

Temperature(℃)

NCH1 NCH2 CNS 12514 curve

圖六 第一次試驗之溫度時間曲線圖

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Time(min)

Temperature(℃)

NCH1 NCH2 CNS12514 curve

圖七 第二次試驗之溫度時間曲線圖

0 100 200 300 400 500

0 100 200 300 400 500 600 700 800 Time (sec)

Temperature (℃)

T4 T5 T6 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18

圖八 對應圖三(a)模擬之溫度時間曲線圖

0 100 200 300 400 500

0 100 200 300 400 500 600 700 800 Time (sec)

Temperature (℃)

T4 T5 T6 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19

圖九 對應圖三(b)模擬之溫度時間曲線圖

0 100 200 300 400 500

0 100 200 300 400 500 600 700 800 Time (sec)

Temperature (℃)

T4 T5 T6 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18

圖十 對應圖三(c)模擬之溫度時間曲線圖

ΔP Inside-hot

Outside-ambient

Unit:cm

1

2

圖十一 進氣與排氣之示意圖

中文摘要：

以全尺寸火災試驗探討當帷幕牆被 破壞後之火災行為，及利用 FDS 模擬軟 體，建立帷幕牆未破壞前之火災模型，經 由模擬結果顯示，於地板處設置少量之通 風孔，並將通風孔設置遠離惟幕牆，作為 全尺寸帷幕牆火災之試驗方法是可行的。

英文摘要：

Two full-scale fire tests were conducted to study the scenarios of fire compartment with a wall opening or two wall openings.

The fire load comprised wood cribs giving a total fire load density of 50kg/m². In the FDS study, the models are with the different floor vent openings, FDS models were analyzed by measuring the temperature. The analytical results shows that the size of floor vent opening increases linearly as the mass flow rate of air into the compartment increases.