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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:謝明宏
研究生(外文):Hsieh, Ming-Hung
論文名稱:木構造變溫炭化率預估模式之研究
論文名稱(外文):Study on the modeling of charring rate for timber frames at variable temperature
指導教授:曾俊達曾俊達引用關係
指導教授(外文):Tzeng, Dr.Chun-Ta
口試委員:楊逸詠陳太農林慶元林裕昌
口試日期:2009-06-19
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:建築學系
學門:建築及都市規劃學門
學類:建築學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:172
中文關鍵詞:木構造耐火性能定溫炭化率預估模式變溫炭化率預估模式
外文關鍵詞:Lumber MembersWood FramingModeling of charring rate at constant temperatureModeling of charring rate at variable temperature
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木構造建築物木構材在高溫燃燒時表面會產生炭化層,其炭化層具有保護木構材內部不致受火害而影響結構之安全。在國科會研究計畫「木構造承重牆耐火性能驗證研究」 ,發現木構造框組壁式牆體內部間柱構件受火害之情形,所擷取之內部溫度呈現變溫曲線。
目前實驗加熱條件主要依據CNS12514「建築物構造部分耐火試驗法」以取得炭化深度,並透過炭化率預估模式之公式,進行各種材種炭化的預估,但對於木構材受熱條件為變溫曲線時,所能進行炭化深度的預估模式分析資料較少;本研究將透過分析與實驗的方式,探討木構造建築物木構材受熱條件為變溫時,其炭化率預估模式的可及性。研究具體成果包括:
一、定溫炭化率預估模式影響因子:
定溫炭化率影響因子為木構材基本特性(密度、含水率)與試驗條件(斷面尺寸、加熱溫度、加熱時間);特別木構材基本特性密度與含水率為炭化深度較不易掌控之因子;由試驗得知,木材影響因子中之含水率與密度兩者對其定溫炭化率預估模式之結果顯著;本研究試驗結果杉木含水率建議不可超過19.5%,雲杉建議不可超過17.5%。
二、驗證定溫炭化預估模式:
試驗量測之炭化深度與定溫預估模式比對後,雲杉炭化深度試驗數據與預估模式相近,而杉木與預估模式數據有落差。以導致杉木試驗數據與預估模式數值相差很大的因素,除了相關係數以平均值計算,另外也受杉木本身特性密度與含水率之影響。
三、變溫炭化率預估模式:
經確立變溫預估模式可及性後,結果得知,試驗變溫炭化深度數據與變溫預估模式之數據有些落差;進一步分析後發現,試驗木構材的含水率較試算的含水率偏高。
When lumber members of wood structure buildings heated high-temperature produce char layer on lumber surfaces that protect it from fire and keep structure safe. By the research, A study on the Test of the Fire Resistance Performance on Wood Building, cooperated with National Science Council, when internal pillars of wall of timber frame in wood framing construction, its temperature displays variable-temperature curve.
Now, fire conditions of experimental works, according to the fire resistance test for structural parts of building stated in the CNS 12514, obtain char depths; equations of modeling of charring rate obtain data on every kinds of lumber members. When a fire condition of lumber members is variable-temperature curve, it gets few analytic data of modeling of char depths. So, I’ll study lumber members on fire condition of modeling of charring rate by analyses and experiments. The result from this study refers to following paragraph:

1.Influence factors of Modeling of charring rate at constant temperature:
Two influence factors of charring rate at constant temperature are the fundamental characteristics (density and moisture) and experimental conditions (dimension section, fire-temperature and fire times); density and moisture of fundamental characteristics of special lumber members on char depths is uncontrollable factors. Depending on the experiment, density and moisture of lumber members produce a marked effect on Modeling of charring rate at constant temperature. On the basis of the result, it suggests moisture of China fir lower than 19.5% and Spruce-pine-fir lower than 17.5%.
2.Proof of Modeling of charring rate at constant temperature:
Contrasting the experiment of char depths and the anticipant model, experimental data of Spruce-pine-fir char depths is similar to anticipant model, but experimental data of China fir char depths is different with anticipant model. Two chief factors, causing China fin experimental data is different with anticipant model, are average of coefficients and density and moisture content of its fundamental characteristic.
3.Modeling of charring rate at variable temperature:
According to reliability analysis of Modeling of charring rate at variable temperature, in the event, experimental data of modeling of charring rate at variable temperature is different with anticipant model. After analyzing, moisture content of experimental lumber member is higher than calculation.
 目錄
 表目錄
 圖目錄

第1章 緒論 1-1
1-1 研究動機 1-1
1-2 研究目的 1-2
1-3 研究範圍 1-2
1-4 研究方法 1-3
1-5 研究流程 1-4
第2章 文獻回顧 2-1
2-1 前言 2-1
2-2 木材炭化理論 2-1
2-2-1木材燃燒特性 2-3
2-2-2比熱 2-5
2-2-3熱傳導率 2-6
2-2-4熱擴散率 2-6
2-2-5力學特性 2-7
2-3 炭化深度預估模式理論 2-8
2-3-1炭化率之預估模式 2-8
2-3-2大斷面木材之炭化深度 2-12
2-4 國內相關規範與研究 2-15
2-5 小結 2-17
第3章 變溫炭化預估模式探討 3-1
3-1 前言 3-1
3-2 內部溫度熱穿透分析 3-1
3-3 炭化深度影響因子 3-2
3-4 變溫預估模式分析 3-3
3-4-1加熱條件分析 3-3
3-4-2定溫預估模式分析 3-5
3-4-3變溫預估模式分析 3-5
3-5 小結 3-11



第4章 木構材炭化率試驗計畫 4-1
4-1 前言 4-1
4-2 試驗計畫 4-1
4-2-1試驗目的 4-1
4-2-2試驗方法 4-1
4-2-3試驗因子研擬與試體規劃 4-2
4-2-4試體材料 4-3
4-2-5試驗紀錄與量測 4-5
4-2-6試驗設備與材料 4-6
4-3 試驗整備 4-8
4-3-1整備項目 4-8
4-3-2試驗流程與操作計畫 4-9
4-3-3試驗記錄計畫 4-11
4-3-4試驗資料整理計畫 4-11
4-4 預備試驗 4-12
4-5 小結 4-13
第5章 正式試驗與結果整理分析 5-1
5-1 前言 5-1
5-2 正式試驗 5-1
5-3 實驗結果整理 5-1
5-4 實驗結果分析 5-5
第6章 結論與建議 6-1
6-1 結論 6-1
6-2 建議與後續研究 6-2
參考文獻 i

附錄一 變溫炭化率預估模式演釋分析整理表
附錄二 木構材炭化率試驗紀錄資料表
附錄三 木構材炭化率試驗數據資料整理表
附錄四 木構材試驗結果分析整理表
附錄五 定溫炭化率預估模式係數修正整理比較表


表目錄
《表2-2. 1》名詞解釋表 2-2
《表2-2. 2》發火機構說明表 2-4
《表2-3. 1》定溫炭化率預估模式彙整表 2-9
《表2-3. 2》公式一-定溫炭化率預估模式試驗數據彙整表 2-9
《表2-3. 3》公式二-定溫炭化率預估模式試驗數據彙整圖 2-9
《表2-3. 4》公式一與公式二定溫炭化深度增加百分比圖 2-10
《表2-3. 5》公式二定溫炭化率預估模式演算表 2-10
《表2-3. 6》美國炭化率預估模式彙整表 2-11
《表2-3. 7》美國炭化率預估模式彙整表 2-11
《表2-3. 8》歐洲炭化率預估彙整表 2-11
《表2-3. 9》集成柱之平均炭化速度 2-11
《表2-3. 10》集成梁之平均炭化速度 2-11
《表2-3. 11》熱帶硬木集成材炭化實驗結果 2-11
《表2-4. 1》不同材種集成材燃燒實驗炭化深度 2-11
《表2-4. 2》五種樹種大斷面集成材燃燒試驗之炭化深度與炭化速率 2-11
《表3-2. 1》木材內部熱分解之溫度分佈表 3-11
《表3-2. 2》熱分解公式表 3-11
《表3-2. 3》木構材密度與熱穿透關係表 3-11
《表3-4. 1》各國升溫曲線彙整表 3-11
《表3-4. 2》CNS 12514標準加熱曲線表 3-11
《表3-4. 3》CNS 12514標準加熱-溫度與時間對照表 3-11
《表3-4. 4》五種材種於CNS 12514加熱60分鐘之炭化深度與炭化率 3-11
《表3-4. 5》 區段內個別計算炭化深度-CNS12514加熱溫度(最小值) 3-11
《表3-4. 6》區段內個別計算炭化深度-CNS12514加熱溫度(最大值) 3-11
《表3-4. 7》王松永教授研究之炭化深度-CNS12514加熱溫度 3-11
《表3-4. 8》CNS12514溫度曲線-60分炭化深度-最小值~區段溫度100℃ 3-11
《表3-4. 9》CNS12514溫度曲線-60分炭化深度-最大值~區段溫度100℃ 3-11
《表3-4. 10》CNS12514溫度曲線-60分炭化深度-平均值~區段溫度100℃ 3-11
《表3-4. 11》定溫預估模式炭化深度與CNS12514溫度曲線炭化深度比較表 3-11
《表3-4. 12》CNS12514溫度曲線-60分炭化深度-最小值~ 區段溫度:隔50℃ 3-11
《表3-4. 13》加熱條件CFS60b-柳杉炭化深度分析表 3-11
《表3-4. 14》加熱條件CFS60b-雲杉炭化深度分析表 3-11
《表3-4. 15》加熱條件CFS60b-南方松炭化深度分析表 3-11
《表4-2. 1》檢測項目及要點 4-11
《表4-2. 2》木構材炭化率試驗因子設定表 4-11
《表4-2. 3》炭化率試驗加熱條件規劃表 4-11


《表4-2. 4》試驗用材 4-11
《表4-2. 5》試驗編號表 4-11
《表4-2. 6》試體標記與記號表 4-11
《表4-2. 7》試驗項目設備及說明 4-11
《表4-2. 8》試驗主要設備說明表 4-11
《表4-2. 9》試驗相關設備表 4-11
《表4-3. 1》試驗整備規劃表 4-11
《表4-4. 1》包覆陶瓷岩棉流程表 4-11
《表5-3. 1》試驗木構材密度量測統計表 5-11
《表5-3. 2》試驗木構材含水率量測統計表 5-11
《表5-3. 3》定溫600℃平均炭化率整理表 5-11
《表5-3. 4》定溫700℃平均炭化率整理表 5-11
《表5-3. 5》定溫800℃平均炭化率整理表 5-11
《表5-3. 6》CNS升溫曲線平均炭化率整理表 5-11
《表5-4. 1》各試體密度對炭化深度影響(相同加熱條件)分析表 5-11
《表5-4. 2》試驗結果分析含水率與炭化深度關係表 5-11
《表5-4. 3》試驗結果分析受熱面對炭化深度關係表 5-11
《表5-4. 4》杉木-本研究與﹝E07﹞炭化率試驗(CNS12514升溫曲線)分析表 5-11
《表5-4. 5》雲杉-本研究與﹝E07﹞炭化率試驗(CNS12514升溫曲線)分析表 5-11
《表5-4. 6》杉木與雲杉相同溫度加熱條件下,炭化深度之變化分析表 5-11
《表5-4. 7》加熱時間於定溫加熱條件時炭化深度表 5-11
《表5-4. 8》試驗與預估模式炭化深度之等距溫度炭化深度比整理表 5-11
《表5-4. 9》本研究杉木定溫炭化深度與定溫預估模式炭化深度對照表 5-11
《表5-4. 10》本研究雲杉定溫炭化深度與定溫預估模式炭化深度對照表 5-11
《表5-4. 11》杉木試驗之變溫炭化深度與預估模式炭化深度比對表 5-11
《表5-4. 12》雲杉試驗之變溫炭化深度與預估模式炭化深度比對表 5-11









圖目錄
《圖1-4. 1》研究方法分析流程圖 1-3
《圖1-5. 1》研究流程圖 1-4
《圖2-2. 1》木材於高溫狀態內部之熱分解與炭化分佈圖 2-1
《圖2-2. 2》木材燃燒熱分解形成炭化過程圖 2-3
《圖2-2. 3》木材的組成 2-3
《圖2-2. 4》含水率與平均比熱曲線圖 2-5
《圖2-2. 5》熱傳導圖 2-6
《圖2-2. 6》木材之溫度與相對強度及彈性係數關係圖 2-7
《圖2-3. 1》集成柱以標準溫度加熱燃燒後內部之溫度變化 2-11
《圖2-4. 1》四面受熱與三面受熱安全斷面示意圖 2-11
《圖3-3. 1》比重與炭化速度關係﹝J02-51﹞ 3-11
《圖3-3. 3》集成柱以標準溫度加熱燃燒後內部之溫度變化 3-11
《圖3-3. 4》柱與梁斷面炭化層經注水消火試驗後之狀態 3-11
《圖3-3. 5》木構材內部溫度示意圖 3-11
《圖3-4. 1》框組壁式木構材內部溫度分佈圖 3-11
《圖3-4. 2》定溫模式-區段溫度與時間關係圖 3-11
《圖3-4. 3》柳杉-變溫曲線分佈圖 3-11
《圖3-4. 4》雲杉-變溫曲線分佈圖 3-11
《圖3-4. 5》南方松-變溫曲線分佈圖 3-11
《圖4-3 1》試驗步驟與流程圖 4-11
《圖4-3 2》試驗操作流程圖 4-11
《圖4-3 3》試體放置位置圖 4-11
《圖4-3 4》熱電偶放置圖 4-11
《圖5-3. 1》杉木(福州杉)及雲杉之炭化深度結果分佈圖 5-11
《圖5-3. 2》杉木(福州杉)及雲杉之炭化率結果分佈圖 5-11
《圖5-4. 1》杉木-本研究試體含水率與密度相對分佈圖 5-11
《圖5-4. 2》雲杉-本研究試體含水率與密度相對分佈圖 5-11
《圖5-4. 3》杉木-本研究與﹝E07﹞炭化率試驗 5-11
《圖5-4. 5》本研究試體密度關係表 5-11
【中文資料】
C01:陳宏毅,《火災學》,鼎茂圖書出版股份有限公司,1996.2
C02:王松永,《木材物理學》,徐氏基金會出版,第六章,1993.2
C03:王松永,《木構造古蹟與歷史建築物之火災性狀與防火措施》,文化資產保存學刊,Vol.1(1)/pp. 18-26C04:
C04:曾俊達、蘇鴻奇、葉世文,《框組式木構造區劃牆耐火性能驗證研究》,建築學報第59期,頁145-162,2007.3。
C05:經濟部標準檢驗局,《CNS12514建築物構造部分耐火試驗法》,經濟部標準檢
驗局印行,2007.8修訂。
C06:經濟部標準檢驗局,《CNS14652建築物防火詞彙-防火試驗用語》,經濟部標
準檢驗局印行,2002.7。
C07:經濟部標準檢驗局,《CNS14631框組壁工法結構用製材》,經濟部標準檢驗局
印行,2002.4。
C08:經濟部標準檢驗局,《CNS451木材密度試驗法》,經濟部標準檢驗局印行,
2005.5。
C09:黃信銘,《框組式木構造耐火性能與木構材炭化率之研究》,成功大學碩士
論文, 2008.6。
C10:內政部營建署,《木構造建築物設計及施工技術規範-第九章建築物之防火》,
營建署修訂版,2008.10。
C11 : 郭博文,《木質材料之熱傳導率研究》,台灣大學 碩士論文,1989.6。


【日文資料】
J01:須藤 昌照 , 山田 誠 , 宮林 正幸 , 吉川 利文 , 中村 賢一 ,《木質系構造部材の燃え止 まりに関する研究》,日本建築学会大学術講演梗概集. A-2, 防火,海洋,情報システム技術,日本, 2003, 323-324 ,20030730
J02:中村賢一、山田誠,《木造建築の防火設計》,1998。
J03:日本建築學會,《構造材料の耐火性》,2004。
J04:浜田稔,《木材の燃焼速度》, 日本火災学会論文集,Vol.2(3) pp.11-12,1953
J05:菅原進一,《木材燃燒速度の考察》,学術講演梗概集-構造系 53材料・施工・防火2109-2110,社団法人日本建築学会,197809



【英文資料】
E01:Robert H. White,《The SFPE handbook of fire protection engineering》2d ed, Chapter 11. 4-217-4-229. Analytical Methods for Determining Fire Resistance of Timber,1995.
E02:Peter Collier,《A Model for Predicting the Fire-Resisting Performance of SmalI-Scale Cavity Walls in Realistic Fires》,Fire Technology Second Quarter 1996
E03:Peter W. C,《Modelling the Charring Behaviour of Structural Lumber》,FIRE AND MATERIALS,Fire Mater. 23, 209}216 (1999)
E04:Schaffer, E.L., 《Charring Rate of Selected Woods--Transverse to Grain.》Research Paper FPL 69, U.S. Department of Agriculture, Forest Products Laboratory, Madison, WI, 1967.
E05:J .urgen K.onign,y,《Structural fire design according to Eurocode 5-design rules and their background》, 29:147–163. FIRE AND MATERIALS,2005.
E06:Te-Hsin Yang , Song-Yung Wang , Ming-Jer Tsai , Ching-Yuan Lin ,《Temperature distribution within glued laminated timber during a standard fire exposure test》,Materials and Design 30 (2009) 518–525,
E07:Yang TH, Wang SY, Tsai MJ, Lin CY,《The charring depth and charring rate of glued laminated timber after a standard fire exposure test》,Building and Environment 44 231– 236,2009
E08:Marc L. Janssens, Robert H. White,《Short Communication: Temperature Profiles in Wood Members Exposed to Fire》,FIRE AND MATERIALS, VOL. 18,263-265,1994
E09:Robert H. White and Mark A. Dietenberger,《Wood handbook—Wood as an engineering material, CH17 Fire Safety》,Forest Products Laboratory,1999.
E10:Marc L. Janssens ,《Modeling of the thermal degradation of structural wood members exposed to fire》, FIRE AND MATERIALS,Fire Mater.; 28:199–207,2004.
E11:Andrea Frangi_, Carsten Erchinger, Mario Fontan,《Charring model for timber frame floor assemblies with void cavities》,ELSEVIER,Fire Safety Journal 43 (2008) 551–564.
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