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建築研究簡訊第105期 《業務報導》

研擬鋼構造建築物防火設計技術參考手冊

一、 前言

  鋼構造由於具有強度高、自重輕、施工速度快等優點,因此常使用於中高樓層建築。但由於鋼構造相對於鋼筋混凝土構造耐火性能較差,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,尚未對火害敏感度較高的鋼構造建築物進行防火性能化設計有所規定,亦未在「鋼結構極限設計法規範及解說」內提供防火設計範例。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。因此本所進行鋼構造建築物防火性能化設計研究,草擬「鋼構造建築物防火設計技術參考手冊」,提供規劃設計參考應用。

二、 研擬原則

  為順應世界潮流引入性能設計觀念,讓設計者可針對不同設計情況,選擇適當之防火性能作為設計準則,本手冊參考國內外鋼構造防火設計技術規範,歸納整理各國規範內容與設計方法,提供承載力、臨界溫度與耐火時間3種防火設計方法,依據設計變形於建築技術規則規定之防火時效內未達破壞標準,即可判定建築構造或構件之設計於火害下符合安全。

三、 研擬重點

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)附錄之鋼構造防火設計,本手冊並參考歐洲、日本及大陸之規範內容,再彙整相關研究成果完成草案,以增進業界對鋼構造建築物防火設計的瞭解與參考。本手冊重點摘要如下:

1. 第二章鋼材性質:

(1) 鋼材高溫機械性質如彈性模數、比例限度、降伏強度及抗拉強度等,會因溫度改變而折減,使得不同溫度下有不同的應力應變關係。本手冊所用折減係數採用美國AISC(2016) 及Eurocode 3 (2005)所建議,並考量因鋼材種類不同,將日本「鋼構造耐火設計指針」 (2017)、大陸「建築鋼結構防火技術規範」(2017)相關規定,及國內對一般常用鋼材之研究成果一併列出供參考。

(2) 鋼材熱性質如熱膨脹、比熱及熱傳導係數方面,為求簡化設計,參考美國、日本與大陸等多數規範設為定值,而Eurocode 3 (2005)因認為鋼材熱性質與溫度變化有關,相關計算公式繁複,亦列出供參考。

2. 第三章防火設計基本規定:

本手冊於載種組合上參考AISC (2016)增加設計火災情境造成的力量,即鋼結構之升溫情況,分為區劃火災、局部火災、閃燃後區劃火災及外部火災4種,各有其不同升溫關係,分析方式參考Eurocode 1規定,此部分因設計者較為不熟悉,故於第四章另行說明。

3. 第四章以分析進行防火設計:

本章對於第三章之4種設計火災情境與空氣升溫進一步做說明,並提供簡易公式計算鋼構件增加之溫度及結構因溫度變化所造成之內力。另外,在結構安全檢核方面,亦參考各國規範相關規定,提供防火承載力、耐火時間及臨界溫度等驗算,以滿足鋼結構或構件於高溫下之安全設計。

4. 第五章以驗證試驗進行防火設計:

除了設計分析外,現今國內外規範皆可以耐火試驗方法進行驗證,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,以判定鋼結構或構件承重能力與穩定性,並可依照ASTM E 119 (2018) 標準耐火試驗法測定鋼材之破壞溫度。

5. 附錄:

本手冊內容除提供防火性能設計與驗證之方法,並於附錄列出各類構件防火設計流程圖與設計範例,有助設計者瞭解與參考。

四、 未來發展

  本手冊初稿已於107年度完成,將再邀請相關專家學者進行編輯審議,使修正之手冊內容更臻完善,符合國內現況及鋼結構設計分析之需要,再行出版供工程界使用。