一、研究動機與目的
近年來符合永續性及環保性特質的木構造材料與建築，再度被人們所重視。木構造建築在國際間已蓬勃的發展。木材會燃燒不具防火性，這是一般大眾對於木構造建築物防火安全性能最主要的疑慮。事實上，經由數以百計的實驗證明，大斷面木構材具備高耐火性能。本所自民國90年即積極辦理「木構造建築物設計及施工技術規範」修訂工作，研究成果提供技術規範修正參考，內政部並於92年5月發布修正，為國內木構造建築物設計及施工規範主要之依據；再於95年由本所與營建署籌組「木構造建築物設計及施工技術規範第9章建築物之防火」修訂小組，制訂「木構造建築物設計及施工技術規範」第九章，於97年10月由內政部發布施行，但其中有關防火構造建築物其主要構造應具防火時效者，目前僅有柱、樑與牆，尚未包含樓地板與屋頂具有規格式規定，建築業者尚無法依據「木構造建築物設計及施工技術規範」設計營造出一棟完整的木構造防火建築物，所以本案以木構造樓板為研究對象進行耐火性能設計與驗證研究。
二、木構造樓板防火設計文獻回顧
- 北美的木構造樓板防火設計規範：
- 依據美國木材協會出版之文件，利用分別計算組成系統之各個構件之耐燃時效，再將各構件累加訂定其耐燃時效。
- 由美國森林與紙業協會出版之文件中，提出許多有關框組壁式工法之施工細部作法，其中包含常見之防火設計。
- 北美的統一建築規範亦有針對相關防火構造設計說明。在Code Guide , Rated Wood Construction - UBC/6/#2文件中有系統性之細節描述。
- 日本的防火設計規範：
日本之設計規範針對柱梁構件之規定分為 :最小尺寸小於12 cm及大於12 cm兩類，其中當柱梁構件愈小時，其防火被覆之合理要求則愈高，在梁構件方面亦因天花設計之不同有不同之防火設計規定。
- 歐洲的防火設計規範：
參考SIA 84之木結構防火設計規範，分別對可燃之牆構造，非可燃之牆構造，可燃之樓版構造，非可燃之樓版構造及屋頂構造之最小尺寸予以規定。
三、木構造樓板耐火性能實驗規劃
實驗設計參考「木構造建築物設計及施工技術規範」附錄所列具防火時效之木構造樓板案例，並選用國內常用本土化材料進行試體設計。實驗方法採用CNS12514標準進行木構造樓板耐火性能實驗。
- 試體規劃
- 試體設計參考「木構造建築物設計及施工技術規範」附錄所列具防火時效之木構造樓板案例與國內材料使用習慣共設計6組試體，詳細試體規格如表1所示。6組試體進行3次實驗，第Ⅰ、Ⅱ組試體進行木樓板加熱加載耐火性能實驗，探討實尺寸木樓板試體於標準溫度時間曲線條件下之加熱加載耐火性能，試體構架如圖1所示。；第Ⅲ-A、Ⅲ-B、Ⅲ-C、Ⅲ-D試體合併，試體構架如圖2所示，進行木樓板加熱耐火性能實驗，探討實尺寸木樓板試體下層曝火面覆蓋板以不同材質組合於標準溫度時間曲線條件下之加熱耐火性能。
表1 木構造樓板試體規格表
圖1 第Ⅰ、Ⅱ組木樓板試體構架圖
圖2 第Ⅲ-A、Ⅲ-B、Ⅲ-C、Ⅲ-D組木樓板試體構架圖
- 實驗程序
- 加熱試驗：將試體吊置於有效加熱面積為4公尺長、4公尺寬，符合CNS 12514「建築物構造部分耐火試驗法」第4節規定之試驗裝置，依第5.1節、5.2節加熱條件試驗規定進行加熱試驗。
- 加載試驗：依CNS 12514「建築物構造部分耐火試驗法」第5.3.6(2)加載條件規定進行加載試驗。
- 束制及邊界條件：試體不論為承重或非承重構造部份，應以代表實際使用情況之邊界條件模擬出束制作用。但對於在實際使用時未受邊界束制之非承重構造，則在試體邊界應用無束制作用之材料密封。
四、實驗結果與分析
本研究共規劃有6組試體，共進行3次全尺寸防火實驗，第Ⅰ組試體進行實驗過程中於49分鐘試體非加熱面合板著火，火勢迅速擴大之後合板燒穿，火焰大量竄出，加載設備與試體無法迅速吊離試驗爐，一度危及實驗設備。所以未確認第Ⅱ組試體於防火實驗之後如何將加載設備與試體迅速吊離，第Ⅱ組實驗暫緩進行。
- 第Ⅰ組木樓板加熱加載耐火性能實驗
- 承重能力討論：
依CNS 12514第9.1節承重能力規定，第Ⅰ組試體於44分鐘超過最大撓曲速率7.65mm/min，試體撓曲速率與時間曲線詳圖3所示。由試體內部溫度紀錄顯示於34分鐘開始快速升溫，所以下層覆蓋板已掉落，木構架開始燃燒，試體整體承重能力約於35分鐘開始急速增加。依據美國木業協會所列舉計算建築構件之防火時效方式， 5/8 英吋X型之石膏牆版之防火時效為40分鐘，本實驗所使用之國內生產之15mm耐燃一級石膏板所具有之防火時效亦具有相當性能。
圖3 第Ⅰ組試體撓曲速率與時間曲線
- 遮焰性能：
於49分鐘試體非加熱面合板著火且持續火焰超過10秒，遮焰性能49分鐘。著火之後火試急速擴大，加載設備與試體無法迅速吊離試驗爐，一度危及實驗設備（詳圖4）。
圖4 第Ⅰ組試體合板燒穿火焰大量竄出
- 阻熱性能：
於49分鐘試體非加熱面溫度，任一位置之溫度(包括移動式熱電偶所測者)超過210℃以上，而且試體非加熱面平均溫度超過170℃以上，阻熱性能49分鐘，試體非加熱面溫度時間關係請詳圖5。
圖5 第Ⅰ組試體非加熱面溫度時間曲線
- 第Ⅲ-A、Ⅲ-B、Ⅲ-C、Ⅲ-D組木樓板試體加熱耐火性能實驗
- 承重能力討論：
第Ⅲ-A、Ⅲ-B、Ⅲ-C、Ⅲ-D組實驗為木樓板加熱耐火性能實驗，未進行加載實驗，所以不進行承重能力討論。
- 遮焰性能：
於實驗過程60分鐘內試體非加熱面無持續火焰超過10秒（詳圖6）。
圖6 第Ⅲ-A、Ⅲ-B、Ⅲ-C、Ⅲ-D組試體進行加熱實驗中非加熱面
- 阻熱性能：
於60分鐘實驗過程試體非加熱面溫度，任一位置之溫度未超過210℃以上，而且試體非加熱面平均溫度未超過170℃以上，試體非加熱面溫度時間關係請詳圖7。在非加載之加熱實驗結果皆具60分鐘阻熱性能與遮焰性。
圖7 第Ⅲ-A、Ⅲ-B、Ⅲ-C、Ⅲ-D組試體非加熱面溫度曲線
五.結論
- 實驗顯示下層覆蓋板是木結構樓板的最重要的防火措施。由SPF2×10木材所構築之木樓板實驗試體，依據美國木業協會所列舉計算建築構件之防火時效方式， 5/8 英吋X型之石膏牆版之防火時效為40分鐘，本實驗所使用之國內生產之15mm耐燃一級石膏板所具有之防火時效亦具有相當性能。
- 第Ⅰ組試體防火時效最先失去之防火性能為承重能力，於47分鐘時超過最大撓曲度170.2mm，於38分鐘時超過撓度已超過L/30（133.3mm），始開始應用撓曲速率基準判定防火效能，於44分鐘超過最大撓曲速率7.65mm/min。
- 第Ⅲ-A、Ⅲ-B、Ⅲ-C、Ⅲ-D組木樓板試體下層覆蓋板採用2層方式施作如：石膏板「12mm＋12mm」、「15mm＋15mm」與矽酸鈣板「9mm＋9mm」、「12mm＋9mm」。在非加載之加熱實驗皆具60分鐘阻熱性能與遮焰性。