設計理論


建築物需要防火保護的結構構件有梁、柱、斜撐、樓板、小間填塞及層間塞等。
梁、柱、斜撐等結構構件,在於保護其於高溫下不致遭到結構性的破壞,亦即維持構件的應力強度使能繼續 承載載重。
樓板及層間塞的保護目的,類似隔火牆,避免火燄經由縫隙或經由熱傳導,而引發上層空間的火災,從而阻 止了火災的蔓延。

樓板

目前以國內的觀念認為鋼樓版沒有結構作用,所以不需要防火保護。
但是訴諸於各國防火法規來看,情況並不那麼單純。
ASTM E119防火規範針對版耐火能力的失敗標準定義如下:

  1. 版無法繼續承載載重。
  2. 版之背火面溫度超過139℃+。
  3. 版之背火面上的綿絮被點燃。

其中並無針對鋼承版有結構作用而另有特殊規定。所以鋼承版的防火被覆需要與否,主要應視其上混凝土層之厚度而定。

梁、柱、斜撐

就結構構件之耐火能力理論上而言,一鋼構件所需保護的厚度,端視其耐熱能力而定。若此鋼構件耐熱能力佳,則其所需之被覆厚度也薄,而鋼構件之耐熱能力可由下列三點決定:﹝註六﹞

  1. 熱消散能力﹝Heat Dissipation﹞

如圖9-a及9-b之比較,梁因其上翼與樓版接觸,在受熱時,熱量經由此介面傳導至樓版及上層空間。而柱因無此熱消散面,故在其它條件相同時,柱所需之保護厚度較梁為厚。同樣之觀點,UL將斜撐之防火設 計歸納於柱的範疇。

  1. 受熱周徑﹝Heated Perimeter﹞

如圖9-b及9-c之比較,同樣的構件,9-c梁其暴露面小,熱量傳入之途徑也變小,構件本身的溫度上 升也變慢了,表示其耐熱時間增長,所以所需保護厚度也較薄。

  1. 容熱能力﹝Heat Capacity﹞

見圖9-b及9-d之比較,二梁之外徑相同,但9-b梁的斷面積大,在同時間傳入二梁之熱量相同,但是 平均單位體積之受熱程度,圖B梁當然較小,表示其所需保護厚度較薄。

9-A

9-B

9-C

9-D

依據以上理論,英國的ASFP 針對與樓版接觸的三面受熱H梁取破壞溫度為620°C (引據1、2及第3項變因);而四面受熱的H梁、柱則取較為保守的550°C為破壞溫度(引據第2及第3項變因)。
至於中空形梁、柱其破壞溫度需先由個別載重防火試驗中 (BS476 part 21) 歸納出來;僅防火漆是如此推論,防火被覆另有不同規定。
一般經驗值為450°C-550°C (四面受熱中空梁、柱)、570°C-590°C (三面受熱中空梁)。

實際防火試驗結果運用,因各項變因的不同,歸納為以下的程序:

  1. 決定防火時效:

依樓層數劃分,見建築技術規則第七十條

  1. 決定結構種類 (四種):

a. 與樓版接觸的三面H梁 (圖9-B、9-C)。

b. 四面的H梁、柱 (圖9-A)。

c. 與樓版接觸的三面中空梁。

d. 四面中空梁、柱。

  1. 決定鋼骨的Hp/A值:

a. Hp=鋼骨受熱周徑

b. A=鋼骨斷面積

  1. 依Hp/A值對照 防火厚度表 找出所需的厚度。