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研究生： 黃喬俊
Huang, Chiau-Jiun
論文名稱： 消防撒水系統耐震問題研究
A Study on the Earthquake Performance of Fire Sprinkler Systems
指導教授： 姚昭智
Yao, George C.
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 規劃與設計學院 - 建築學系
Department of Architecture
論文出版年： 2003
畢業學年度： 91
語文別： 中文
論文頁數： 108
中文關鍵詞： 振動台實驗 、耐震措施 、相對運動量 、消防系統
外文關鍵詞： Method Improving the Earthquake Performance of t, Shaking Table Test, Fire System, Relative Movement
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    • 從國外歷年來的地震經驗中可發現：消防系統對於重要建築物在震後能否正常營運有非常重要的影響。國內在九二一地震後，國人對建築物耐震性能的要求已明顯提高，對於其內設備物的耐震能力也愈趨重視。但由於國內消防系統的耐震能力一直未獲足夠的重視，故相關之耐震規範亦付之闕如。本論文在這樣的背景下，希望能對消防系統的耐震能力作一基礎研究，期能提供國內相關單位一些參考建議。
    本論文首先蒐集國內外的震損經驗，期能找出消防系統的震損特性，以便能進一步找出合適的耐震措施。國外的部分主要為美、日兩國近年來數場重大地震之調查資料的文獻回顧；國內的部分則為埔里立體停車場的實地震損調查。此停車場在九二一地震前已峻工，不過在地震發生時仍尚未啟用，其內的諸多破壞狀況提供本研究許多寶貴的一手資訊。經過以上國內外案例的調查分析後，本論文發現懸吊管線為消防系統的主要耐震弱點，若能降低懸吊管線與結構體間的相對運動量，即可有效提昇整體系統的耐震能力。
    接著，本論文並研閱美、日兩國相關的耐震規範，以了解此兩國所採取的耐震設計手法。美國的規範主要為其國家消防協會(NFPA)所制定的NFPA 13；日本的規範則為其國內的社團法人空氣調和．衛生工學會所編訂之HASS規範。其中NFPA 13的耐震措施為本論文耐震設計方法的主要依據，此規範的主要精神為：採取適當的構件以降低懸吊管線與樓版間之相對運動量。
    本論文以埔里立體停車場為例，參考NFPA 13規範以進行此停車場內的消防懸吊管線之耐震設計。並以振動台實驗探討此耐震設計有效與否，同時亦分析消防懸吊管線在地震中的運動特性，結果發現上述的耐震措施可以將實驗試體的相對位移量降低5～10倍。
    最後，本論文並利用電腦程式(SAP結構分析軟體)建立一套數值分析模型，並以之與實驗結果相互比較，發現若將吊桿、防震吊架等構件的斷面尺寸加以放大，與實驗結果有頗高的相似性。

    Global earthquake experiences indicated that: fire suppression system takes a critical role of the post-earthquake building function in important buildings. In Taiwan, there is a growing demand of higher seismic resistant capacity of buildings after 921 earthquake, and so of the equipment in them. But due to the scarce research on the fire suppression system, there is a lack of standards in Taiwan. This thesis performed a basic study of the fire suppression system, and provided conclusions to relevant institutions.
    To unearth the earthquake failure patterns of fire suppression system and to find a suitable method to improve its earthquake performance, this thesis investigated the earthquakes damage reports inside and outside Taiwan at first. A damage site survey of a parking building in Puli was performed. This building was completed but not operating yet before 921 earthquake. The damage situation of its fire system brings much valuable information. The analysis of reconnaissance reports of several earthquakes in the USA and Japan was performed next. These studies show that suspension systems are the main weak point of the whole fire system. That is, the function of the whole fire system could be improved effectively by reducing the relative movement of the suspension system alone.
    This thesis studies the relative standards in the USA and Japan. The standard in the USA is NFPA 13 which is formulated by NFPA, and the standard in Japan is HASS. This thesis uses NFPA 13 primarily to design a method improving the earthquake performance of the fire system. NFPA 13 requires installing appropriate elements to reduce the relative movement of the suspension pipes.
    In order to prove the NFPA 13 is good, this thesis performed a shaking table test which was designed according to Puli parking building’s fire system. The result of this test indicates that NFPA 13 method could reduce the relative displacement to a fifth to tenth. Finally, this thesis utilizes SAP 2000 to analyze the
    earthquake performance of the fire suspension system.

    第一章 緒論…………………………………………………………………………1 1.1 研究動機與目的…………………………………………………………1 1.2 研究方法與流程…………………………………………………………2 1.3 文獻回顧…………………………………………………………………3 第二章 消防系統說明………………………………………………………………7 2.1 火災的特性………………………………………………………………7 2.2 消防設備介紹……………………………………………………………9 2.3 自動滅火設備的類型……………………………………………………10 2.3.1 自動撒水設備………………………………………………10 2.3.2 泡沫滅火設備………………………………………………11 2.3.3 水霧滅火設備………………………………………………12 2.3.4 乾粉滅火設備………………………………………………12 2.3.5二氧化碳滅火設備與鹵化物滅火設備………………………12 第三章 消防系統之國內外震損經驗………………………………………………15 3.1 美國的震損經驗…………………………………………………………15 3.1.1 聖佛南多地震 ………………………………………………15 3.1.2 加州LOMA PRIETA地震………………………………………16 3.1.3 加州北嶺地震 ………………………………………………17 3.2 日本的震損經驗…………………………………………………………21 3.2.1 宮城縣海岸地震 ……………………………………………21 3.2.2神戶地震資料…………………………………………………22 3.3 國內的震損經驗…………………………………………………………25 3.3.1 埔里鎮立體停車場簡介……………………………………25 3.3.2 建物結構破壞介紹…………………………………………28 3.3.3 消防管線破壞資料…………………………………………29 3.3.4 吊桿破壞調查………………………………………………30 3.3.5 配管破壞調查………………………………………………36 3.3.6 相關設備震後情形…………………………………………38 3.4 小結………………………………………………………………………39 第四章 國內外消防安全設備耐震規範之說明……………………………………43 4.1 日本規範(HASS)…………………………………………………………43 4.2 美國規範(NFPA 13) ……………………………………………………43 4.2.1 NFPA 13規範條文的歷史演變 ……………………………44 4.3 台灣規範…………………………………………………………………45 4.4 耐震設計方法……………………………………………………………46 第五章 振動台及元件實驗…………………………………………………………51 5.1 振動台實驗………………………………………………………………51 5.1.1 實驗目的……………………………………………………51 5.1.2 實驗試體設計程序…………………………………………51 5.1.3 試體說明……………………………………………………65 5.1.4 實驗程序……………………………………………………65 5.1.5 實驗結果分析………………………………………………66 5.1.5.1 各實驗試體的自振頻率分析……………………66 5.1.5.2 各點相對位移值分析……………………………75 5.2 振動台實驗結果與IBC 2000、現行規範之比較………………………84 5.3 量測滾溝接頭之旋轉剛度的實驗………………………………………86 5.4 小結………………………………………………………………………89 第六章 電腦模型動態分析…………………………………………………………91 6.1 前言 ………………………………………………………………………91 6.2 電腦分析之應用軟體……………………………………………………91 6.3 模型規劃…………………………………………………………………91 6.4 分析結果…………………………………………………………………95 6.5 小結 ………………………………………………………………………97 第七章 結論與建議…………………………………………………………………99 7.1 結論………………………………………………………………………99 7.2 建議………………………………………………………………………101 7.3 後續研究…………………………………………………………………102 參考文獻………………………………………………………………………………103 附錄(SAP 2000模態分析)……………………………………………………………105 圖 目 錄 圖2.1 火災溫度變化曲線 ………………………………………………………8 圖2.2 自動撒水設備構造圖……………………………………………………10 圖2.3 固定式泡沫滅火設備……………………………………………………11 圖3.1 各懸吊種類統計圖………………………………………………………32 圖3.2 配管與手動啟動閥相接處之破壞示意圖………………………………36 圖3.3 泡沫放射區域單元局部斷裂破壞示意圖………………………………37 圖3.4 撒水系統破壞原因樹狀圖………………………………………………41 圖4.1 配管名稱示意……………………………………………………………46 圖4.2 防震吊架角度示意圖……………………………………………………46 圖4.3 縱向防震吊架示意圖……………………………………………………47 圖4.4 側向防震吊架示意圖……………………………………………………47 圖4.5 防震吊架設計程序簡要說明圖…………………………………………49 圖5.1 埔里立體停車場七樓撒水系統平面圖…………………………………53 圖5.2 吊桿長度…………………………………………………………………54 圖5.3 吊桿角度…………………………………………………………………55 圖5.4 暫定防震吊架位置………………………………………………………55 圖5.5 X向防震吊架之荷重範圍 ………………………………………………56 圖5.6 Y向防震吊架之荷重範圍 ………………………………………………56 圖5.7 縱向防震吊架示意圖……………………………………………………58 圖5.8 側向防震吊架示意圖……………………………………………………58 圖5.9 NFPA 13的圖6-4.5.9……………………………………………………59 圖5.10 防震吊架最終配置圖……………………………………………………60 圖5.11 實驗試體施工圖…………………………………………………………61 圖5.12 接頭位置與耐震措施示意圖……………………………………………62 圖5.13 各點位移計編號圖………………………………………………………62 圖5.14 各點加速規編號圖………………………………………………………63 圖5.15 白噪聲歷時記錄…………………………………………………………66 圖5.16 白噪聲頻譜分佈…………………………………………………………66 圖5.17 滾溝接頭(X向)支管的快速富利葉轉換頻譜 …………………………67 圖5.18 滾溝接頭(X向)主管的快速富利葉轉換頻譜 …………………………67 圖5.19 焊接接頭(X向)支管的快速富利葉轉換頻譜 …………………………68 圖5.20 焊接接頭(X向)主管的快速富利葉轉換頻譜 …………………………68 圖5.21 焊接接頭(Y向)支管的快速富利葉轉換頻譜 …………………………69 圖5.22 焊接接頭(Y向)主管的快速富利葉轉換頻譜 …………………………69 圖5.23 滾溝接頭(Y向)支管的快速富利葉轉換頻譜 …………………………70 圖5.24 滾溝接頭(X向)主管的快速富利葉轉換頻譜 …………………………70 圖5.25 焊接吊架在主管處之傳遞函數(X向) …………………………………71 圖5.26 焊接吊架在主管處之傳遞函數(X向) …………………………………71 圖5.27 焊接吊架在支管處之傳遞函數(X向) …………………………………71 圖5.28 焊接吊架在支管處之傳遞函數(X向) …………………………………71 圖5.29 滾溝吊架在主管處之傳遞函數(X向) …………………………………72 圖5.30 滾溝吊架在主管處之傳遞函數(X向) …………………………………72 圖5.31 滾溝吊架在支管處之傳遞函數(X向) …………………………………72 圖5.32 滾溝吊架在支管處之傳遞函數(X向) …………………………………72 圖5.33 焊接吊架在主管處之傳遞函數(Y向) …………………………………73 圖5.34 焊接吊架在主管處之傳遞函數(Y向) …………………………………73 圖5.35 焊接吊架在支管處之傳遞函數(Y向) …………………………………73 圖5.36 焊接吊架在支管處之傳遞函數(Y向) …………………………………73 圖5.37 滾溝吊架在主管處之傳遞函數(Y向) …………………………………74 圖5.38 滾溝吊架在主管處之傳遞函數(Y向) …………………………………74 圖5.39 滾溝吊架在支管處之傳遞函數(Y向) …………………………………74 圖5.40 滾溝吊架在支管處之傳遞函數(Y向) …………………………………74 圖5.41 T1歷時記錄………………………………………………………………75 圖5.42 T1歷時記錄反應譜………………………………………………………75 圖5.43 T2歷時記錄………………………………………………………………76 圖5.44 T2歷時記錄反應譜………………………………………………………76 圖5.45 吊環束制方向……………………………………………………………77 圖5.46 各組試體主管相對位移比較(X向) ……………………………………78 圖5.47 各組試體分流主管相對位移比較(X向) ………………………………78 圖5.48 各組試體支管相對位移比較(X向) ……………………………………79 圖5.49 各組試體支管相對位移比較(X向) ……………………………………79 圖5.50 各組試體支管相對位移比較(X向) ……………………………………79 圖5.51 支管處無補強措施(焊接接頭)(X向相對位移) ………………………80 圖5.52 各組試體主管相對位移比較(Y向) ……………………………………81 圖5.53 各組試體分流主管相對位移比較(Y向) ………………………………81 圖5.54 各組試體支管相對位移比較(Y向) ……………………………………82 圖5.55 各組試體支管相對位移比較(Y向) ……………………………………82 圖5.56 焊接接頭各點之相對位移值(無防震吊架者)(Y向) …………………83 圖5.57 滾溝接頭各點之相對位移值(無防震吊架者)(Y向) …………………83 圖5.58 量測滾溝接頭之旋轉剛度的實驗試體規劃圖…………………………86 圖5.59 2英吋管的旋轉剛度……………………………………………………88 圖5.60 4英吋管的旋轉剛度……………………………………………………88 圖6.1 實際管線與SAP模型比較圖 ……………………………………………91 圖6.2 滾溝(F-un)模型…………………………………………………………92 圖6.3 滾溝加吊架(F-br)模型…………………………………………………92 圖6.4 焊接(R-un)模型…………………………………………………………92 圖6.5 焊接加吊架(R-br)模型…………………………………………………92 圖6.6 直接桿件法的自由度圖…………………………………………………93 圖6.7 滾溝接頭的模擬桿件示意圖……………………………………………94 表 目 錄 表3.1 消防用設備的受害狀況……………………………………………………21 表3.2 消防用設備等別被害狀況…………………………………………………22 表3.3 主要消防用設備等別的損傷狀況…………………………………………23 表3.4 肆樓至拾樓懸吊桿種類及個數統計表……………………………………32 表3.5 肆樓至拾樓之吊桿破壞統計表……………………………………………35 表3.6 各層配管斷裂數目統計表…………………………………………………37 表5.1 合適的防震吊架型式………………………………………………………55 表5.2 各防震吊架影響區域內之水平地震力計算表……………………………57 表5.3 實驗項目表…………………………………………………………………65 表6.1 電腦分析模型項目…………………………………………………………92 表6.2 直接桿件的剛度矩陣………………………………………………………93 表6.3 各組數值模型修正過之材料性質…………………………………………94 表6.4 系統識別實驗與數值分析模型之自振頻率比較表………………………95 表6.5 實驗與SAP分析之相對位移值比較 ………………………………………96 照 片 目 錄 照片3.1 建築物外觀……………………………………………………………27 照片3.2 建築物內部之自動滅火設備…………………………………………27 照片3.3 唯一一根可見內層鋼筋之柱破壞(肆樓)……………………………28 照片3.4 牆面之破壞及補強的情形……………………………………………28 照片3.5 預埋式吊桿……………………………………………………………30 照片3.6 預埋式吊桿細部………………………………………………………30 照片3.7 膨脹螺栓式吊桿………………………………………………………31 照片3.8 膨脹螺栓式吊桿細部…………………………………………………31 照片3.9 火藥擊釘式吊桿………………………………………………………31 照片3.10 火藥擊釘式吊桿細部…………………………………………………31 照片3.11 與上部天花板間啣接處造成剪斷……………………………………33 照片3.12 與吊環相接處斷裂……………………………………………………33 照片3.13 預埋拔出………………………………………………………………34 照片3.14 膨脹螺栓拔出…………………………………………………………34 照片3.15 火藥擊釘拔出…………………………………………………………34 照片3.16 連同混凝土塊一同拔出………………………………………………34 照片3.17 配管與手動啟動閥相接處之破壞照片………………………………36 照片3.18 泡沫放射區域單元局部斷裂照片……………………………………37 照片3.19 地下室機械設備………………………………………………………38 照片3.20 地下室機械設備………………………………………………………38 照片3.21 頂樓電梯捲揚機………………………………………………………39 照片5.1 滾溝接頭………………………………………………………………52 照片5.2 焊接接頭………………………………………………………………52 照片5.3 防震吊架………………………………………………………………52 照片5.4 支管末端束制…………………………………………………………52 照片5.5 SWIVEL SWAY BRACE FITTING ………………………………………58 照片5.6 實驗試體的防震吊架…………………………………………………58 照片5.7 支管末端角鐵束制……………………………………………………60 照片5.8 實驗試體安裝前放樣…………………………………………………61 照片5.9 實驗試體安裝後外觀…………………………………………………61 照片5.10 位移計…………………………………………………………………63 照片5.11 加速規…………………………………………………………………63 照片5.12 滾溝接頭施工過程……………………………………………………64 照片5.13 將滾溝接頭改裝為焊接接頭…………………………………………64 照片5.14 滾溝接頭旋轉剛度實驗………………………………………………87

    1.1 姚昭智，黃斌，賴榮平，曾俊達（1999），建築設備與非結構材之震害，1999年9月
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    1.2 姚昭智、莊佳璋、郭耕杖(2001)，醫院功能性設施損壞分析及改善措施研究，2001地
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    1.4 FLEMING,R.P. (1994), Sprinkler System Performance in the Northridge
    Earthquake, SPRINKLER QUARTERLY, USA.
    1.5 財團法人日本損害保險協會安全技術部，關於消防用設備地震時之信賴性調查、研究
    報告書，財團法人日本損害保險協會安全技術部，1995年。
    1.6 石川 正明(1996)，消防用設備的地震時受害事例—針對阪神、淡路大震災之前，消
    防設備等之地震受害實例與對策特集
    1.7 郭耕杖(2001)，醫院建築功能性設施耐震評估，國立成功大學建築系碩士論文，台南
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    1.8 美國消防協會(National Fire Protection Association)(1999)，Installation of
    Sprinkler System-NFPA13, NFPA, USA.
    1.9 日本財團法人空氣調和˙衛生工學會(1997)，建築設備之耐震設計˙施工法。
    1.10 姚昭智、賴榮平、林其璋、洪李陵(2000)，建築設備耐震規範條文與解說之研訂，內
    政部建築研究所，台北市。
    1.11 IBC 2000規範條文。
    1.12 FEMA規範條文。
    1.13 姚昭智、邱瑜燕、許茂雄，由強震資料檢討設備物測試反應譜之合理性。
    2.1 勞工安全衛生設施規則。
    2.2 周鼎金(1999)，建築設物，裕祥出版社，台北市。
    2.3 莊嘉文(1994)，建築設備概論，詹氏書局，台北市。
    6.1 Computer & Structures, Inc,(1997)“SAP2000 Analysis Reference”,Berkely,
    California, USA.
    6.2 Computer & Structures, Inc,(1998) “SAP2000 Input File Format”,Berkely,
    California, USA.

    下載圖示 校內：立即公開
    校外：2003-08-18公開
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