火災猛烈度

火災猛烈度(Fire Severity)是什麼?一個重要但火災學沒說清楚的概念

最後更新日期: 2022-11-15

火災猛烈度 是用來評估建築物結構元件(柱、樑、門、天花板等)抗火性能的重要指標,能讓我們知道建築物發生火災時各種結構元件是否能保持安全。108年警大碩士班、99年三等、98年設備師都有出過相關的考題,所以今天我們就來深入探討一下

本篇文章主要參考下面2份文獻,我會介紹裡面的幾個重要概念,文獻中還有許多數學模型和實際案例計算,有興趣的話可以再參考看看:

  1. 洪煒倫、黃伯全、林元祥:火災猛烈度與抗火性能的等價時間計算-以混凝土填注鋼管柱為例
  2. 林元祥:建築物結構抗火安全之隨機評估

延伸閱讀:
火的一生-從起源到熄滅(解密你從沒看過的火災成長曲線)
火源擺放位置如何影響火焰高度?為什麼火源放在角落更容易造成閃燃?!

火災猛烈度

意義

陳弘毅火災學有提到,火災猛烈度係指火災所施予危害的潛在能力,為一種衡量火災從開始至結束過程中火災強度的單位

火災猛烈度」顧名思義是在探討一場火災有多猛烈,也就是會造成多大程度的毀滅性影響。不同的學者、實驗室會用不同的定義、單位和準則來探討,例如在標準燃燒試驗下的暴露時間、火災期間能達到的最高溫度、造成結構崩塌的極限強度(熱載重能力)等

不管用什麼方法來評估,都是在研究「建築物結構元件的抗火性能是否大於火災猛烈度」,抗火性能大於火災猛烈度代表火災發生時建築物結構不會那麼容易就崩塌或毀損,這對避難逃生非常重要,能有效延長避難容許時間(ASET)

延伸閱讀:避難容許時間(ASET)、避難所需時間(RSET)是什麼?

影響因素

影響火災猛烈度的因素有很多,需要考量建築物型態、通風狀況、燃料特性,許多學者也在各自的研究中提出不同的影響因素

學者 T. T. Lie 認為影響火災猛烈度的因素包含下面幾項:

  • 窗戶面積
  • 牆壁性質
  • 密閉空間尺寸
  • 可燃物種類

學者 E. G. Butcher 和 A. C. Parnell 認為影響火災猛烈度的因素包含下面幾項,這些因素也被收錄在陳弘毅火災學和吳喨生、連和吉、潘日南的火災學大補帖裡:

  • 燃料的性質
  • 燃料的數量
  • 燃料的排列方式
  • 區劃空間的形狀及大小
  • 窗戶的面積和形狀
  • 牆壁與天花板的隔熱性質

結構抗火性能評估方法

前面提到火災猛烈度的評估方法包含時間、溫度、熱載重能力等,因此結構元件的抗火性能也常用這三個指標來評估

時間

火災猛烈度及抗火性能最常使用的評估方式就是時間,當 tfail ≥ ts 代表結構元件具有足夠的抗火性能

tfail:指結構元件(柱、樑、門、天花板等)到達毀損的時間
ts:指火災持續的時間

火災持續時間大多是用計算方法所得,而每個學者提出的估算方法也都不同。火災學第四章有提到根據川越邦雄-白努利公式推導出的火災持續時間計算方法。 T.T. Lie 也有提出預期燃燒時間的估算方法

火災猛烈度

這兩個公式雖然不同,但都有把通風因子(A√H)考慮進去,可見開口部的面積和高度是影響火災猛烈度的重要因素

溫度

抗火失敗通常指結構元件因為熱而導致毀損,或背對火源的結構表溫溫度足以讓火勢擴散到其他區劃,因此我們也可以用溫度來評估結構元件的抗火性能。當 Tfail ≥ Tmax 代表結構元件具有足夠的抗火性能

Tfail:使結構元件毀損的溫度
Tmax:結構元件在火場中會達到的最高溫度,或依法規要求達特定時間時的溫度(Tcode)

結構元件暴露在火場中會到達的最高溫度可由熱分析計算而得,我們可以事先計算最高溫度,也可直接依照法規要求的溫度來決定火災猛烈度

V. Kodur 的 CE 808 : Structural Fire Engineering Ch 5. FIRE SEVERITY 這份資料有劃出鋼樑抗火性能的溫度-時間曲線

火災猛烈度

在時間上我們必須確保鋼樑不過會早失敗,因此設計結構元件達到失敗的時間( tfail )必須超過法規要求的火災猛烈度時間( tcode )。在溫度上也要注意達到失敗的溫度( Tfail )必須超過法規要求的火災猛烈度溫度( Tcode )

熱載重能力

當結構元件在火場中承受的實際荷重超過其所能承受的載重能力時即為抗火失敗,因此我們也能用熱載重能力來評估結構元件的抗火性能。當 Rf ≥ Uf 時代表結構元件具有足夠的抗火性能

Rf:在火場中所能達到的熱載重能力,或依法規要求達特定時間時的熱載重能力(Rcode)
Uf:火災時實際承受的荷重

熱載重能力必須透過熱分析和結構分析而得,利用燃燒實驗得到測試結果,但實驗測試的結果不一定適用所有類型的火災,所以通常會依法規的規定來計算熱載重能力。例如建築技術規則建築構造編就有針對「載重」做各種規定

V. Kodur 的 CE 808 : Structural Fire Engineering Ch 5. FIRE SEVERITY 這份資料也有劃出鋼樑抗火性能的熱載重能力-時間曲線

火災猛烈度

由上圖可知,火災發生前結構元件的熱載重能力為 Rcold ,隨著火災持續時間的經過,熱載重能力會逐漸降低,直到 tfail 時熱載重能力下降到火場中實際承受的荷重 Uf ,這時結構元件就會失敗

Uf 是一個定值,但熱載重能力會不斷下降,因此法規要求的就是希望火災持續時間到達 tcode 時,結構元件的熱載重能力 Rcode 還能比 Uf 高,這樣就能確保在一定時間內不會抗火失敗

等價火災猛烈度

許多國家會使用全尺寸實驗進行抗火性能測試,評估建築物結構元件的性能,主要是因為全尺寸實驗能評估整體結構。然而每一場火災都是獨一無二的,在實驗室中取得的時間溫度曲線不一定與實際火災相同,而且我們也沒辦法每次都用全尺寸實驗來測試結構元件的防火性能

因此我們必須把測試標準化,世界上大部分國家使用的測試標準是 ASTM E119ISO 834 ,而我國使用的標準則是 CNS 12514-1CNS 14815

標準火災曲線

ASTM、ISO等標準使用標準火災曲線(Standard Fire Curve)來表示溫度-時間的關係,這是一條人工的曲線,顯示火災在全盛期時的溫度-時間狀態,忽略了火災的成長期與衰退期。使用標準火災曲線能讓實驗人員更方便進行計算

標準火災曲線
資料來源:ResearchGate

利用標準火災曲線進行的測試稱為「標準火災(燃燒)試驗」,而「等價火災猛烈度」(Equivalent Fire Severity)就是指標準火災試驗與真實火災有相同火災猛烈度,一般會用等價面積相同最高溫度相同最小熱載重能力為考量

等價面積

等價面積的概念最早是由學者 Ingberg 所提出,在某一溫度基準線(150℃ 或 300℃)以上,標準火災曲線與真實火災曲線下所圍成的面積相等,代表具有相同的火災猛烈度

等價面積

當溫度基準線以上、火災曲線以下的面積相等時,會有一個「等價時間」(Equivalent Time),這時兩者具有相同的火災猛烈度。由這種方法得知,就算是兩個具有不同溫度-時間曲線的火災,只要也有相同的等價面積,就代表具有相同的火災猛烈度

相同最高溫度

結構元件的受損不是只跟燃燒時間的長短有關,即使兩個具有不同溫度-時間曲線的火災具有等價面積,一個短時間的高溫火災可能比一個長時間的低溫火災對結構的影響更大,因此也可以用相同的最高溫度來考量等價火災猛烈度

等價溫度

將真實火災曲線的最高溫度對應到標準火災曲線上會有一個等價時間,此時兩者具有相同的溫度,也具有相同的等價火災猛烈度

一般而言最高溫度的概念適用於隔熱元件,例如木材構造在火場溫度達300℃時就會碳化,沒有最高溫度因此不適用這種方法

相同最小熱載重能力

我們也能用最小熱載重能力來考量等價火災猛烈度。以標準火災曲線來說,熱載重能力會持續下降,而真實火災曲線的熱載重能力則會隨火勢發展而下降,進入衰退期後溫度下降,熱載重能力因而又回升

最小熱載重能力

將真實火災曲線的最小熱載重能力對應到標準火災曲線上會有一個等價時間,此時兩者具有相同的熱載重能力,也具有相同的等價火災猛烈度

使用最小熱載重能力來考量火災猛烈度是最符合真實情境的,但不是所有材料都有辦法取得熱載重能力數據,例如木材構造在火場溫度下降後仍然會持續碳化,熱載重能力會持續降低,因此也不適用這種方法

總結

火災猛烈度對於建築物結構元件抗火性能的評估非常重要,其中也包含大量的計算和分析。火災學中有另外提到「火災危險度」(Fire Risk),係指建築物受火災侵襲後,因不同的火災猛烈度而有不同的危險程度,是火災猛烈度的結果量,通常以不利或不欲事件發生的機率來呈現

由此可知火災猛烈度跟火災危險度息息相關,因為火災危險度可以代表建築結構抗火失敗的機率,而是否抗火失敗就跟火災猛烈度有關

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在〈火災猛烈度(Fire Severity)是什麼?一個重要但火災學沒說清楚的概念〉中有 2 則留言

  1. Eddie HO

    Hi W
    關於熱載重能力的圖那邊有個小筆誤
    Rcode(左上key成Rcold)

    除了在某些書上有看過關於一些火災猛烈度的介紹,覺得你這篇真的很有內容,也剛好看見曾經的我的中隊長洪煒倫的資料,真心感到非常受用~

    1. 你好,謝謝你的支持

      那張圖左上角的 R cold 不是筆誤,代表的是「火災發生前結構元件的熱載重能力」

      我真的也非常感謝有這麼多前輩做過不少研究,讓我們能學到很多~

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