鋼結構之耐火設計
【 1995-06-01 / 日本東京大學博士、副教授 / 林慶元】
 
壹、緒論

    近年高層建築激增,由於樓層的不斷增高,加上施工品質及工期的要求,建築的構造方式也由RC構造逐漸轉為採用鋼構造。
鋼骨構造雖具有韌性佳、強度高、自重輕、工期短等優點,但在高溫作用下卻有強度遽降及軟化等缺點。若不幸在高層建築中發生火災,其中某樓層之梁柱構件因高溫而扭曲變形,使得大樓傾斜甚至崩塌,所造成的生命、財產及社會資源的損失,將無以計數。因此鋼骨構造物的耐火性能處理,實為鋼結構在使用安全上極為重要的項目。

貳、建築火災與鋼骨構造

一、建築火災的歷程
    建築物的火災行為若以火災室內溫度變化歷程來表示的話,大略可以分為三個時期。這三個時期分別為火災成長期(包括閃燃期)、火災最盛期與火災衰減期。而火災成長期中最終階段---閃燃,是一瞬間的現象,為建築物火災室整體是否會籠罩於大火中的分界點。進入火災最盛期以後,形成一長時間的高溫環境(約1000℃),此時考量建築結構的安全性,其耐火性能便成為支配之最重要因素。

二、鋼骨材料之高溫行為
    鋼骨結構所使用鋼材其均質性,強度及其他性質上的特點極多,無疑今後也將式建築結構材料的主流。雖然鋼材有在高溫時強度降低與產生鏽蝕兩項弱點,但可以施以適切的耐火被覆與防鏽處理來克服。

    一般鋼材在高溫加熱下,降伏點或彈性係數會顯著降低,以鋼材為結構部材無法承受所應負擔的應力而變形崩壞。鋼材高溫時的特性雖依其種類而異,一般結構用鋼材S(41)C【A-36,SS41】等軋鋼為例,500℃時的抗拉強度約為常溫時之1/2,600℃降低至1/3程度。因此,在火災的歷程中為不使鋼材強度降低,在鋼材表面被覆以斷熱材等,讓火災時鋼材溫度保持不升至一定等級(界限溫度)以上。而這就是鋼構施以耐火被覆的目的。

    當然,從改變鋼材成分的組成,改善鋼材在高溫環境下的力學性能,也是達到鋼骨構造在火災時之結構安全性的另一手法。最近,日本某一鋼鐵公司開發了所謂的「耐火鋼」即是一例。

    不論是使用耐火被覆或者是研發耐火鋼,其都是只為一個目標,就是使鋼骨構造達到要求的耐火性能,也就是合乎耐火構造之規定。

參、建築構造之耐火性能要求

    決定構造是否為耐火構造,完全取決於建築構造是否能達到要求的耐火性能。不論是RC構造或鋼骨構造,甚至其他的構造,在同樣的樓層、同樣的區位條件下,其應該具有相同的耐火性能。而此耐火性能則以防火時效表示之(參照表1)。

一、各國耐火構造試驗方法 雖然建築構造及各構件之耐火性能等級分類多以加熱時受火害行為而依某些基準來定位,各國的加熱方法與基準值採認則不盡相同。我國目前CNS(中國國家標準)也對耐火性能試驗有所規定。 各國耐火構造試驗法則有日本建設省告示2999號。ASTM E119、DIN 4102 part2、BS 476 part8、ISO 834。 二、我國現行耐火性能試驗方法 依據CNS規定,我國現行認定耐火構造試驗方法為CSN12514(建築物構造部份耐燃檢驗法),CSN12514主要是參照日本JIS A1304而來。若國內要求以建築技術規則中規定之一般認定之耐火構造的性能為基準來判斷的話,則耐火構造認定所使用試驗方法應以CSN 12514為準。 但由於國內廠商有一大部份進口被覆材料係經美國UL(UNDERWRITERS LABORATORIES INC)檢驗認可的產品與構成方法,其依據之試驗規範大抵與ASTM E119相同。而ASTM E119與CSN 12514在判定的基準上有若干的不同,在此有加以比較討論的必要。表2.1至表2.4為兩者間差異之比較。表中所示為規範彰顯在外的不同,事實上在設計應用時,更有對斷面尺度考量上的差異。也就是說CSN 12514對於鋼骨構造耐火性能的要求,同一種材料,不論設計型式與斷面尺度,依時效不同僅各只有一種被覆厚度。反觀UL則設計在同種材料及型式下,也依不同斷面尺度,來調整被覆厚度。 三、耐火被覆的其他性能 鋼骨構造的耐火被覆,除了防火時效之主要耐火性能外,針對噴附型的耐火被覆,在ASTM中也規定相關附著於構材的性能試驗。這些相關試驗在CNS中並未規定,但中標局有計畫正在草擬中。試驗包括: 1.附著力試驗(ASTM E736-86) 目的:求得被覆材料附著於鋼材表面的應力。 2.壓縮量試驗(ASTM E761-86) 目的:求得被覆材料承受壓應力時之壓縮量。 3.彎曲試驗(ASTM E759-86) 目的:了解被覆材料於構材產生撓曲時是否會產生脫落。 4.落塵量試驗(ASTM E859-82) 目的:了解被覆材料在一般氣流作用下產生的落塵量。 5.厚度與密度試驗(ASTM E605-77) 目的:求得被覆材料施作後的厚度與密度。 這些試驗的結果,除了提供材料施工的品控用之外,更影響到使其附著於構材表面之構法,甚至考慮了其在衛生安全的要求。 四、耐火構造的認可 建築物為建築技術規則設計施工篇第七十條所規定耐火構造者所須具備之耐火性能規定於第七十一條至七十四條。而其性能的認可方式分類如下: 建築技術規則規定之一般認可----設計施工篇第七十條至第七十四條及解說中明記構成方式者。 中央主管機關審核之個別認可----新材料經各方斯獨立申請認可者。 個別認可則由中央主管建築機關認可之機關檢驗,其檢測之試驗方法則以中國國家標準CNS 12514為依據。至於申請審核認可的流程則依據「建築新技術新工法新設備及新材料審核認可申請要點」。 肆、耐火被覆設計 一、耐火被覆設計程序 目前所謂的”耐火被覆設計”,一般意味著”耐火構造”的選定與圖面化的作業。而耐火構造的定義是建築物的主要構造部份(柱、梁、樓地板等)具備有法令所訂耐火性能。針對鋼骨構造而言,為達法定耐火性能,以不燃具斷熱性高的材料來被覆鋼材,其材料、構造工法的選定就是耐火被覆設計。耐火被覆的設計程序可以整理如下圖示。
二、斷面形狀因子之概念 1.斷面形狀因子之定義 由熱傳導觀念可知,鋼材斷面,暴露於火場時,若鋼材表面受均勻單向熱流,則在微小△t時增量F,鋼材斷面單位長度熱流能量為: q=α•S•(Tf-Ts)•△t…………(1) 其中α=熱傳導係數(w/m2℃) S=受火表面積(m2/m) Tf=火災溫度(℃) Ts =鋼材斷面溫度(℃) 當單位長度鋼材斷面溫度上升△Ts增量時,則所吸收熱量q為: q=Cs•△Ts•Ms ……………(2) 其中Cs=鋼材比熱(J/㎏℃) Ms=單位長度之鋼材質量(㎏/m) 將(1)及(2)式合併得: ΔTs =Q•Cs•S•Ms•(Tf-Ts)△t……(3) 其中α=熱傳導係數(w/m2℃) Tf=火災溫度(℃) Ts =鋼材斷面溫度(℃) 單位長度表面積 S 相當於鋼材斷面受火周長D,而鋼材質是 Ms 與其單位長度重量W,及斷面積 A 成比例,而W/D即是斷面形狀因子。(Section Scale Factor)。 增加受火周長(D)則鋼材溫度上升速度較快,而增加鋼材單位重(W),則鋼材溫度上升速率減緩。因此,在相同火場環境下,鋼材斷面小而厚者其溫度增加速率較鋼材斷面大而薄者為慢。所以,斷面尺度因素為衡量鋼材斷面在火場中升溫的一項重要指標,當其值愈小,則所需耐火被覆溫度愈大。 斷面形狀因子之計算,不論鋼材是三面或四面受火,所使用鋼材斷面單位重(W)不變,但是被覆周長(D)則必須考慮其實際受熱狀況及耐火被覆形狀。例如,以H型鋼為鋼柱,耐火被覆依鋼材斷面形狀處理時,若其受火面為四面,則D=(4B+2H-2tw),其中B為H型鋼之翼鈑寬,H為H型鋼之深度,tw為腹鈑厚;若作為鋼樑,因其上方為樓板,一般皆為混凝土構造,因其熱傳導係數較鋼樑為低,鋼樑與樓板接觸面不易受熱,並且可藉此散熱,則此梁之D=(3B+2H-2tw)。另外,被覆周長會因耐火被付之形狀而異,若為箱型防火被覆處理時,被覆周長為方形被覆內部長度的最小總和。 2.耐火被覆厚度與鋼樑構件尺寸之關係 依美國保險業試驗室(UL)所進行的耐火試驗結果顯示,在相同的耐火被覆厚度下,鋼樑的耐火時效全因其單位重與斷面被覆周長之比值(W/D)不同而有差異。而經其分析顯示,鋼樑構件之極限溫度與被覆材料厚度之比值(t/T),與斷面形狀因子(W/D)間呈線性關係。而由ASSI所提供梁溫度資料之電腦分析結果進一步顯示,此一線性關係可涵蓋目前所有之梁斷面。由其結果得知,斷面形狀因子W/D下限值0.37而上限值無限制。 將線性關係整理之線性方程式為: t=(80.1W/D+48.6)T …………(4) 由此一方程式可導出不同斷面形狀因子鋼樑間與被覆材料厚度(T)之換算式。亦即,鋼樑在規範要求耐火等級下之被覆厚度(T1),可由無束制梁上已知的必要被覆厚度(T2)推求之。 其中T=耐火被覆材料之被覆厚度(in) W=鋼樑之單位重(1b/ft) D=熱傳入鋼材與被覆材料間之被覆周長(in) 下標1=表欲設計鋼樑 下標2=表已知檢測合格梁 但上式之適用範圍為: 1.W/D值不得小於0.37(1b/ ft /in)。 2.所求得之被覆厚度值(T1)不可小於3/8 in(0.95㎝)。 3.無束制梁之防火時效必須大於1小時。 (5)式係基於W/D,被覆材料厚度以及極限溫度到達時間等因素發展而成。基本上W/D與t/T間的線性關係並不因被覆材料種類不同而受影響。然而,被覆材料的種類卻決定該函數所對應直線之斜率和截距。亦即,截距是以被覆系統整體熱容量為主的函數。 此一公式是由UL耐火被覆材料分類中之水化混合物及噴附纖維耐火試驗結果分析而得。然而,其他被覆材料之熱傳導和比熱值不同於測試材料,以此公式換算被覆厚度是否適宜,值得探討。 若將(4)式移項得: 亦即 UL 所使用不同柱斷面,特定被覆材料之換算公式【4】: 其中R為耐火時效(hr) H為被覆厚度(in) C1 ,C2為特定被覆材料之材料常數,依各種被覆材料之性質而異。 同樣的,在英國防火研究處Association of Structural Fire Protection Contractors and Mannfactures Limited(ASFPCM)會員亦使用類似公式換算不同梁、柱斷面之被覆厚度(t): 其中HP:熱傳入鋼材與被覆材料間之被覆周長(m),亦即D A:鋼材之橫斷面積(m2)與鋼材之單位重W成比例關係。 HP/A:為英國使用之斷面形狀因(m-1),與W/D成反比關係。 FR:耐火時效(hr) t:被覆厚度(㎜) K0,K1,K2為材料常數 由此可知,ASFPCM所使用不同斷面梁被覆厚度換算公式,會因材料性質不同而改變其材料常數,以此換算被覆厚度,似乎較為合理。 三、耐火被覆設計 耐火被覆設計時所要考慮的主要因素如下表所列。而其最終要決定就是用何種的材料?多少厚度?以何種構材?採取何種工法? 材料的性質往往影響著採行的構法與工法,例如噴附材料與鋼材間的黏著力就左右是否需要採行加網施作等等。而其中最重要的則是厚度的決定,因為它左右著性能中最基本的”時效”問題。有關上節所述者實為考慮鋼骨構材熱特性的厚度設計手法,為一較理想的設計手法。目前我國則採取針對單一時效,規定單一厚度的設計方式。在管理上雖然簡化很多作業,但有行過分防火投資之虞。 伍、耐火被覆材料 一、耐火材料與耐火被覆 一般防火材料,常用在屋頂、內外牆及天花板等的內外裝修材料,主要在防止從火災發生至閃燃點(F.O.)之室火災成長,同時防止鄰棟火災的延燒。 耐火材料,在營建材料中通常係指耐火被覆材料。在防火材料中,特別是高溫加熱時,有極優良的斷熱性,且強度降低小的材料,常被用為耐火被覆材。而耐火被覆材料(以下將耐火被覆材料稱為耐火材料)被用於柱、梁、牆、樓板等的鋼構造部材的被覆材,主要在防止火盛期因火災加熱所造成這些部材強度降低等問題。 由於鋼材高溫加熱,強度或彈性顯著降低,鋼結構建築,不施以耐火被覆則火災時有倒塌的危險。鋼筋混凝土造建築,則混凝土不但是結構材,同時具有火災加熱時保護鋼筋的耐火被覆作用。 二、耐火被覆材料的種類 耐火材料所要求的第一件事便是不燃性,所以幾乎都由無機物質構成,大致可分類為: 1.無機質成形板。 2.礦物纖維。 3.水泥砂漿。 4.灰泥(石膏為主之鏝塗材料)。 5.混凝土。 三、耐火材料的性能 作為耐火被覆的材料,高溫時其熱傳導率愈小,熱容量愈大或溫度傳導率(熱傳導率/熱容量)愈小或當以上性質相同,當然厚度愈大者,火災時愈能使鋼材溫度上升遲緩。另外高溫加熱時強度降低少、膨脹、收縮小且不發生龜裂或剝離的材料為佳。上節所述耐火材料,可說是均衡地滿足了這些性能。 材料的熱定數,隨著溫度而變化。耐火材料所追求目標為高溫加熱時隔熱性佳者。輕質材料愈輕,隔熱性愈大,一般在常溫時成立,但在高溫時,不一定成立,也有溫度傳熱率等增大的材料。雖同是輕質材料,內部孔隙大者,高溫時隔熱變差,內部孔隙小且多者高溫時斷熱性較佳。 被覆材料中的含水分在攝氏100度前後帶著潛熱而蒸發,在斷熱上發揮了一定的功效。 熱傳達率是火災時火焰與被覆材料表面及空氣層與被覆材料或鋼材表面間熱的傳達計算上必要的熱定數。熱特性上雖具優異的斷熱性,但加熱中容易破損的材料,仍不是耐火的被覆材料。 混凝土或鋼材的溫度若上升,其相應溫度,混凝土或鋼材會因熱膨脹,使構造物發生熱應力,加上長期荷重造成的應力及混凝土或鋼材因加熱造成力學性質的劣化,導致鋼構造破損甚至於倒塌。 鋼材的熱脹係數在常溫至700℃之間通常在1.1Ⅹ10-5至1.5Ⅹ10-5/℃的範圍中,而隨溫昇有增大的傾向。 四、展望 鋼骨構造利用預鑄化的構件在現場組立的施工方式,不論是在品質、工期與與施工便利性都有很大的優勢。但相對地以噴附為主的現有耐火被覆工程,卻是現場施工,品控較難的實施方式。若能發展如同鋼骨構件之噴砂,上防蝕漆等處理般在工廠施作的耐火被覆,則使用鋼骨構造的優點更得以延伸。
註:本文刊登於鋼結構會刊第二期