博碩士論文 etd-0202110-141831 詳細資訊


姓名 黃育祥 (Yu-Hsiang Huang) 電子信箱 d9613002@mail.ntust.edu.tw
學號 d9613002 論文著作權 作者與指導教授共同擁有
系所名稱(中) 建築系 系所名稱(英) Department of Architecture
學年度 / 學期 98學年度第1學期 學位 博士 (Ph.D.)
論文名稱(中) 以地板縱火燃燒試驗改善火場調查模擬之研究
論文名稱(英) A Study on Testing Floor Materials to Improve Fire Scene Investigation by using Fire Dynamic Simulation
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論文使用權限 校內立即公開、校外立即公開
論文種類 博士論文
論文語文別 / 頁數 中文 / 129
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關鍵字(中)
  • FDS
  • 火場重建
  • 燃燒實驗
  • 地板材
  • 關鍵字(英)
  • FDS
  • Fire Scene Reconstruction
  • Burning Experiment
  • Floor Material
  • 摘要(中) 過去數十年來研究火災工學的學者、專家及調查人員、建築師致力於印證火災煙熱行為,進而重建火災之過程。本文印證火災工學、調查技術及電腦模擬結合對火場重建之革新。
    火場重建係以科學原理為基礎來研判火場最為可能之發展情形。火場模擬重建之要素是以火災調查為本,結合火災工學、FDS模擬軟體相輔相成。詳細調查火場可燃物之配置、通風效應、建築物之設計、滅火設備之影響、安全設備之特性及火源之評估等,透過模擬軟體將火災情境重現,可說明火、煙成長的情形。該項模擬分析起火原因及火災成長情境所預測之結果,與實際情形來比較。對於複雜火場之調查提供更多之效益、理解及清晰度。
    由於此領域欠缺台灣本土性材質參數增添許多限制。同時也確實需要對其驗證以釐清疑慮並強化其公信力。本研究著重在建築物內裝材料-地板之測試,以改善火場調查及建築防火之安全。其結果將能提供該領域研究火場情境模擬之修正參考。
    溫度、重量變化量、殘留量及燃燒時間均顯示試驗C(角落燃燒模式) 之火災危險性最大。印證性能設計上最壞情境(The worst scenario)之設計。吸附性之地板材質參與促燃劑之燃燒非常劇烈,具有高度火災危害性,其火災危害性更甚於單純汽油之燃燒。防焰地毯之防焰效果在添加汽油燃燒時完全失效;木地板材質參與促燃劑之燃燒相對較小,其火災之危害性相對較低。火災模擬軟體FDS(Fire Dynamics Simulator)固定火源模式,溫度以角落燃燒情境較高,牆邊燃燒情境次之,中間燃燒情境較低,與實驗結果相符。FDS之中間燃燒情境固定火源模式與試驗A(中間燃燒情境)之溫度變化曲線則有相似之曲線,可為設計火源時之參考。
    摘要(英) For the past few decades, scientists, experts, engineers, architects and fire scene investigators have completed much effort to find out how the fire plumes, such as flame, smoke and heat, be operated in a fire. Fire scene reconstruction is to provide scientific evidence for fire investigation. This article explains how the fire scene reconstruction has revolutionized by combining the usage of Computation Fluid Dynamic (CFD) simulation, fire dynamics equations, and investigation skills.
    The purpose of fire scene simulation, using Computation Fluid Dynamic code, is to provide evidence for fire investigation. By describing the configuration of fuel, effects of ventilation, designation of the building, the impact of manual or automatic extinguishments and fire source help the reproduction of fire scene by simulation code. Simulation could reconstruct fire process and explain the development of fire and smoke. Comparing simulation results with actual events, we can get clear evidence toward the fire and smoke development.
    However there seems to be very limited local study that indicates whether the material data provided by NIST may use in Taiwan fire scene reconstruction for a better prediction. Obviously some form of validation is needed. To solve the doubts and enhance the investigation reliability, this research will concentrate on the effects of testing interior materials, floor materials to improve fire scene investigation and building fire safety. It is envisaged that it will provide comparisons for the ongoing validation of the FDS (Fire Dynamics Simulator) model of fire scenarios design.
    All the results of combustion experiments such as burning time, temperature, and weight loss variation of samples show that the scenario C (fire source at the corner) is the worst fire. It also confirms the worst fire scenario in the performance-based design of fire safety. The burning participating in accelerating agent with absorbing floor material is very violent and its harmfulness of fire is more than the burning of the simple petrol. Fireproof carpet will totally lose its efficiency after adding petrol and ignite it. Timber floor material is with lower fire risk compared with the other floor materials. Its harmfulness of fire is relatively low. FDS in the module of HRRPUA (heat release rate of per unit area) can produce the better prediction compared with the real fire. This method can be applied into fire scenario research.
    論文目次 中文摘要 I
    英文摘要 II
    謝誌 III
    目錄 V
    圖目錄 IX
    表目錄 XVI
    符號表 XVII
    第一章 緒論 Chapter 1. Introduction 1
    1-1 研究背景及動機 Background and motivations: 1
    1-2 研究目的 Purpose and objectives: 2
    1-3 研究限制 Limitations: 3
    1-4 研究方法 Method 3
    1-5 研究流程 Flowchart 4
    第二章 火災調查的問題及發展 5
    2-1 中國大陸對於當前火災調查問題之探討 5
    2-2 美國對於火災調查之探討 6
    2-3 台灣對於火災調查之探討 7
    2-4 NPFA火災調查之規定 8
    2-5科學方法與NFPA 921 (The Scientific Method and NFPA 921) 11
    2-6縱火的介入及減緩的對策(Arson Intervention and Mitigation Strategy) 13
    2-7電腦中的“火災” (“Fire” in a computer) 18
    2-8小結 19
    第三章 火災工學對於火災情境之探討 21
    3-1 火災工學基礎概述 21
    3-1-1.熱傳Heat Transfer. 21
    3-1-2.起火Ignition 24
    3-2 燃燒型態(Fire Patterns) 25
    3-2-1.概述 25
    3-2-2.燃燒型態之生成發展 25
    3-2-3.物質熔點 28
    3-3 居室火災燃燒行為 27
    3-3-1.通風控制型燃燒 (Ventilation controlled) 28
    3-3-2.燃料控制型燃燒 (Fuel controlled) 28
    3-3-3.通風控制型燃燒與燃料控制型燃燒之界線 28
    3-4 火災調查研究 29
    3-4-1.USFA 的燃燒形態測試 (United States Fire Agency) 29
    3-4-2.美國全國司法協會全尺寸居室燃燒形態研究 29
    3-4-3.液態燃料的潑灑/燃燒形態之研究 30
    3-5 相關地板材實體火災試驗 31
    3-5-1.木地板之燃燒試驗 31
    3-5-2.熱釋放速率 31
    3-6 複合地板(FDB)、竹地板(ZDB)和實木地板(SDB)地板之燃燒試驗 32
    3-7 試驗火源設計 34
    3-7-1.決定設計火源的位置 34
    3-7-2.設計火源之規模大小 34
    第四章 實驗計畫 39
    4-1 試驗 39
    4-1-1 試驗方法與設定 39
    4-1-2 試驗流程 39
    4-1-3 試驗步驟 42
    4-1-4 判斷基準 42
    4-1-5 溫度量測位置說明 42
    4-3 實驗儀器及設備 46
    4-2-1 全尺寸實體火災試驗艙 46
    4-2-2 K-TYPE熱電偶線 46
    4-2-3 電腦設備及數據紀錄設備 46
    4-4試體燃燒說明 47
    4-3-1試驗A-火源位置於居室中間 47
    4-3-2試驗B-火源位置於居室牆邊 49
    4-3-3 試驗C-火源位置於居室角落 49
    第五章 試驗結果分析 50
    5-1試驗概述 50
    5-2試驗結果分析 51
    5-2-1 試驗A-火源位置於居室中間 51
    5-2-2 試驗B-火源位置於居室牆邊 61
    5-2-3 試驗C-火源位置於居室角落 67
    5-3 綜合比較 74
    5-3-1綜合比較重量燒失變化 74
    5-3-2 綜合比較燃燒溫度變化 78
    5-4 綜合分析 83
    第六章 結論與建議 84
    6-1 結論 84
    6-2 建議 85
    參考文獻 87
    附錄一 實驗結果整理 90
    附錄1-1.試驗B-火源位置於居室牆邊 90
    附錄1-2.試驗C-火源位置於居室角落 96
    附錄1-3. 綜合分析 102
    附錄二 FDS檔案 105
    附錄2-1.試驗A-火源位置於居室中間,延燒模式 105
    附錄2-2.試驗A-火源位置於居室中間,固定火源模式 107
    圖目錄
    圖1-1 研究流程圖Figure 1-1 Flowchart 4
    圖2-1 **飯店火災時間軸 9
    圖2-2 實質性假設之資訊來源示意圖 12
    圖2-3 火場重建流程圖 13
    圖2-4 火災成長曲線圖 14
    圖2-5 日本近10年縱火案件&火災案件對照圖 15
    圖2-6 日本近10年縱火案件&火災案件死亡人數對照圖 16
    圖2-7美國近10年縱火案件&火災案件對照圖 17
    圖2-8美國近10年縱火案件&火災案件死亡人數對照圖 17
    圖2-9台灣近10年縱火案件&火災案件數對照圖 18
    圖2-10 FDS5.0火災動態模擬 19
    圖2-11火災調查流程圖 20
    圖3-1 室內材料燃燒之三大危害效應 21
    圖3-2 輻射熱與溫度關係圖 23
    圖3-3 鎂合金火災之烈焰圖 26
    圖3-4 NIST液態燃料實驗相片圖 30
    圖3-5 熱輻射通量50 kW/m2 木地板和實木地板熱釋放速率&時間曲線 32
    圖3-6 輻射功率50kW/m2下熱釋放速率曲線 33
    圖3-7 複合地板(FDB)在不同輻射功率下的熱釋放速率曲線 33
    圖3-8 火勢成長曲線圖 36
    圖4-1試驗流程圖 40
    圖4-2 地板材試體圖 41
    圖4-3 實驗艙正向立面圖 43
    圖4-4試驗艙正面 44
    圖4-5 火災室全景 44
    圖4-6火災室熱電偶之裝置情形(火災室天花板下方) 44
    圖4-7火災室熱電偶之裝置情形(火災室開口) 44
    圖4-8 火災室(5M長*5M宽*3.2M高)試驗A配置圖 44
    圖4-9 火災室(5M長*5M宽*3.2M高)試驗B配置圖 44
    圖4-10 火災室(5M長*5M宽*3.2M高)試驗C配置圖 45
    圖4-11 FDS模擬配置圖 45
    圖4-12火災室(5M長*5M宽*3.2M高)測點配置剖面圖 45
    圖4-13 K-TYPE熱電偶線 47
    圖4-14 DS 600數據記錄器 47
    圖4-15 電腦 47
    圖4-16 YOKOGAWA DC 100資料擷取記錄器 47
    圖4-17 電子機械式磅秤以耐火棉包覆圖 47
    圖4-18 現場試驗儀器裝置情形 47
    圖4-19 試驗A現場配置圖 48
    圖4-20試驗A現場燃燒圖 48
    圖4-21試驗B現場配置圖 49
    圖4-22試驗B現場燃燒圖 49
    圖4-23試驗C現場配置圖 49
    圖4-24試驗C現場燃燒圖 49
    圖5-1試驗A-(火源位置於居室中間)第一組試體重量燒失變化量圖 52
    圖5-2試驗A-(火源位置於居室中間)第一組試體重量變化圖 52
    圖5-3試驗A-(火源位置於居室中間)第一組試體重量燒失變化率圖 52
    圖5-4試驗A-(火源位置於居室中間)第二組試體重量燒失變化量圖 53
    圖5-5試驗A-(火源位置於居室中間)第二組試體重量變化圖 54
    圖5-6試驗A-(火源位置於居室中間)第二組試體重量燒失變化率圖 54
    圖5-7試驗A-(火源位置於居室中間)第三組試體重量燒失變化量圖 55
    圖5-8試驗A-(火源位置於居室中間)第三組試體重量變化圖 55
    圖5-9試驗A-(火源位置於居室中間)第三組試體重量燒失變化率圖 56
    圖5-10試驗A-(火源位置於居室中間)九種試體重量燒失變化率圖 56
    圖5-11試驗A-汽油直上方溫度-時間曲線圖 57
    圖5-12試驗A-地坪直上方溫度-時間曲線圖 57
    圖5-13試驗A-防焰地坪溫度-時間曲線圖 58
    圖5-14試驗A-止滑地毯溫度-時間曲線圖 58
    圖5-15試驗A-第一組試體溫度-時間曲線圖(3.1M) 58
    圖5-16試驗A-第一組試體溫度-時間曲線圖(1.0M) 58
    圖5-17試驗A-地毯直上方溫度-時間曲線圖 59
    圖5-18試驗A-防焰地毯溫度-時間曲線圖 59
    圖5-19試驗A-塑膠巧拼溫度-時間曲線圖 59
    圖5-20試驗A-第二組試體溫度-時間曲線圖(3.1M) 59
    圖5-21試驗A-第二組試體溫度-時間曲線圖(1.0M) 59
    圖5-22試驗A-實木地板溫度-時間曲線圖 60
    圖5-23試驗A-海島木地板溫度-時間曲線圖 60
    圖5-24試驗A-第三組試體溫度-時間曲線圖(3.1M) 60
    圖5-25試驗A-第三組試體溫度-時間曲線圖(1.0M) 60
    圖5-26試驗A-火源位置於居室中間九種試體溫度曲線圖(3.1M) 61
    圖5-27試驗B-(火源位置於居室牆邊)第一組試體重量燒失變化率圖 62
    圖5-28試驗B-(火源位置於居室牆邊)第二組試體重量燒失變化率圖 63
    圖5-29試驗B-(火源位置於居室牆邊)第三組試體重量燒失變化率圖 63
    圖5-30試驗B-(火源位置於居室牆邊)九種試體重量燒失變化率圖 64
    圖5-31試驗B-第一組試體溫度-時間曲線圖(3.1M) 65
    圖5-32試驗B-第一組試體溫度-時間曲線圖(1.0M) 65
    圖5-33試驗B-第二組試體溫度-時間曲線圖(3.1M) 66
    圖5-34試驗B-第二組試體溫度-時間曲線圖(1.0M) 66
    圖5-35試驗B-第三組試體溫度-時間曲線圖(3.1M) 67
    圖5-36試驗B-第三組試體溫度-時間曲線圖(1.0M) 67
    圖5-37試驗B-火源位置於居室牆邊九種試體溫度曲線圖(3.1M) 67
    圖5-38試驗C-(火源位置於居室角落)第一組試體重量燒失變化率圖 68
    圖5-39試驗C-(火源位置於居室角落)第二組試體重量燒失變化率圖 69
    圖5-40試驗C-(火源位置於居室角落)第三組試體重量燒失變化率圖 70
    圖5-41試驗C-(火源位置於居室角落)九種試體重量燒失變化率圖 70
    圖5-42試驗C-第一組試體溫度-時間曲線圖(3.1M) 71
    圖5-43試驗C-第一組試體溫度-時間曲線圖(1.0M) 71
    圖5-44試驗C-第二組試體溫度-時間曲線圖(3.1M) 72
    圖5-45試驗C-第二組試體溫度-時間曲線圖(1.0M) 72
    圖5-46試驗C-第三組試體溫度-時間曲線圖(3.1M) 73
    圖5-47試驗C-第三組試體溫度-時間曲線圖(1.0M) 73
    圖5-48試驗C-火源位置於居室角落九種試體溫度曲線圖(3.1M) 74
    圖5-49火災室三種情境汽油重量變化量-時間曲線圖 75
    圖5-50火災室三種情境汽油重量燒失變化率圖 75
    圖5-51火災室三種情境防焰地毯重量變化量-時間曲線圖 76
    圖5-52火災室三種情境防焰地毯重量燒失變化率圖 76
    圖5-53火災室三種情境木地板B重量變化量-時間曲線圖 77
    圖5-54火災室三種情境木地板B重量燒失變化率圖 77
    圖5-55三種情境汽油溫度-時間曲線圖(3.1M) 78
    圖5-56三種情境汽油溫度-時間曲線圖(1.0M) 78
    圖5-57三種情境防焰地毯溫度-時間曲線圖(3.1M) 79
    圖5-58三種情境防焰地毯溫度-時間曲線圖(1.0M) 79
    圖5-59三種情境木地板B溫度-時間曲線圖(3.1M) 80
    圖5-60三種情境木地板B溫度-時間曲線圖(1.0M) 80
    圖5-61 FDS模擬三種情境汽油燃燒之HRR曲線圖 81
    圖5-62 FDS(延燒模式)與實驗之汽油溫度-時間曲線圖(3.1M) 81
    圖5-63 FDS(延燒模式)與實驗之汽油溫度-時間曲線圖(1.0M) 81
    圖5-64 FDS(固定火源模式)與實驗之汽油溫度-時間曲線圖(3.1M) 82
    圖5-65 FDS(固定火源模式)與實驗之汽油溫度-時間曲線圖(1.0M) 82
    附錄圖1-1試驗B-(火源位置於居室牆邊)第一組試體重量燒失變化量圖 91
    附錄圖1-2試驗B-(火源位置於居室牆邊)第一組試體重量變化圖 91
    附錄圖1-3試驗B-(火源位置於居室牆邊)第一組試體重量燒失變化率圖 91
    附錄圖1-4試驗B-(火源位置於居室牆邊)第二組試體重量燒失變化量圖 92
    附錄圖1-5試驗B-(火源位置於居室牆邊)第二組試體重量變化圖 92
    附錄圖1-6試驗B-(火源位置於居室牆邊)第二組試體重量燒失變化率圖 92
    附錄圖1-7試驗B-(火源位置於居室牆邊)第三組試體重量燒失變化量圖 93
    附錄圖1-8試驗B-(火源位置於居室牆邊)第三組試體重量變化圖 93
    附錄圖1-9試驗B-(火源位置於居室牆邊)第三組試體重量燒失變化率圖 93
    附錄圖1-10試驗B-汽油溫度-時間曲線圖 94
    附錄圖1-11試驗B-地坪溫度-時間曲線圖 94
    附錄圖1-12試驗B-防焰地坪溫度/時間曲線圖 94
    附錄圖1-13試驗B-止滑地毯溫度/時間曲線圖 94
    附錄圖1-14試驗B-第一組溫度/時間曲線圖(3.1M) 94
    附錄圖1-15試驗B-第一組溫度/時間曲線圖(1.0M) 94
    附錄圖1-16試驗B-地毯溫度-時間曲線圖 95
    附錄圖1-17試驗B-防焰地毯溫度/時間曲線圖 95
    附錄圖1-18試驗B-塑膠巧拼溫度/時間曲線圖 95
    附錄圖1-19試驗B-第二組溫度-時間曲線圖(3.1M) 95
    附錄圖1-20試驗B-第二組溫度-時間曲線圖(1.0M) 95
    附錄圖1-21試驗B-木地板A溫度/時間曲線圖 96
    附錄圖1-22試驗B-木地板B溫度/時間曲線圖 96
    附錄圖1-23試驗B-第三組試體溫度-時間曲線圖(3.1M) 96
    附錄圖1-24試驗B-第三組試體溫度-時間曲線圖(1.0M) 96
    附錄圖1-25試驗C-(火源位置於居室角落)第一組試體重量燒失變化量圖 97
    附錄圖1-26試驗C-(火源位置於居室角落)第一組試體重量變化圖 97
    附錄圖1-27試驗C-(火源位置於居室角落)第一組試體重量燒失變化率圖 97
    附錄圖1-28試驗C-(火源位置於居室角落)第二組試體重量燒失變化量圖 98
    附錄圖1-29試驗C-(火源位置於居室角落)第二組試體重量變化圖 98
    附錄圖1-30試驗C-(火源位置於居室角落)第二組試體重量燒失變化率圖 98
    附錄圖1-31試驗C-(火源位置於居室角落)第三組試體重量燒失變化量圖 99
    附錄圖1-32試驗C-(火源位置於居室角落)第三組試體重量變化圖 99
    附錄圖1-33試驗C-(火源位置於居室角落)第三組試體重量燒失變化率圖 99
    附錄圖1-34試驗C-汽油溫度-時間曲線圖 100
    附錄圖1-35試驗C-地坪溫度-時間曲線圖 100
    附錄圖1-36試驗C-防焰地坪溫度/時間曲線圖 100
    附錄圖1-37試驗C-止滑地毯溫度/時間曲線圖 100
    附錄圖1-38-試驗C-第一組溫度/時間曲線圖(3.1M) 100
    附錄圖1-39試驗C-第一組溫度/時間曲線圖(1.0M) 100
    附錄圖1-40試驗C-地毯溫度-時間曲線圖 101
    附錄圖1-41試驗C-防焰地毯溫度/時間曲線圖 101
    附錄圖1-42試驗C-塑膠巧拼溫度/時間曲線圖 101
    附錄圖1-43試驗C-第二組溫度-時間曲線圖(3.1M) 101
    附錄圖1-44試驗C-第二組溫度-時間曲線圖(1.0M) 101
    附錄圖1-45試驗C-木地板A溫度/時間曲線圖 102
    附錄圖1-46試驗C-木地板B溫度/時間曲線圖 102
    附錄圖1-47試驗B-第三組試體溫度-時間曲線圖(3.1M) 102
    附錄圖1-48試驗B-第三組試體溫度-時間曲線圖(1.0M) 102
    表目錄
    表2-1 火災逃生人員調查表 9
    表2-2 日本近10年縱火案件&火災案件及死亡人數總表 15
    表2-3 美國近10年縱火案件&火災案件及死亡人數總表 16
    表2-4 台灣近10年縱火案件&火災案件及死亡人數總表 18
    表3-1 常見物質之熱變化係數表 22
    表3-2 常見火源之溫度 24
    表3-3 常見物質之熔化溫度表 27
    表3-4 各種地板在實際火災中閃燃的預測時間 34
    表3-5 火災成長係數差異之比對表 35
    表4-1 地板材試體資料表 40
    表6-1 實驗溫度/重量紀錄表 83
    參考文獻 【1】Cox, G., The Challenge of Fire Modeling, Fire Safety Journal, 23(2), 1994.
    【2】Bilger, R. W., Computational Field Models in Fire Research and Engineering, Fire Safety Science Proceedings of the Fourth International Symposium, Hemisphere Publishing Corp., New York, 1994
    【3】National Fire Protection Association, NFPA 921 – Guide for Fire and explosion Investigations, 2001 edition
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    指導教授/口試委員
  • 林慶元 - 指導教授
  • 江維華 - 系主任
  • 沈子勝 - 委員
  • 簡賢文 - 委員
  • 繳交日期 2010-02-02


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