JP2009108620A - 建築物の耐火設計法及び耐火建築物 - Google Patents

Abstract

【課題】実際の火災においては網入ガラス等のガラスを用いた防火設備が脱落することに着目して、耐火処理のための費用を低減しつつ、必要とする耐火性能を得ること。
【解決手段】ガラスを用いた防火設備を有している火災室について、火災発生よりガラスを用いた防火設備が脱落するまでの時間を算定し、次いでガラスを用いた防火設備脱落後の屋内火災の継続時間を算定した後、火災発生よりガラスを用いた防火設備が脱落するまでの時間とガラスを用いた防火設備脱落後の屋内火災の継続時間とを合算して、火災室の合算屋内火災継続時間を算定する一方、火災室に面する部材の保有耐火時間を算定し、合算屋内火災継続時間が算定した保有耐火時間以下となるよう部材、耐火被覆厚さを適合させる。
【選択図】図１

Description

ガラスを用いた防火設備を用いた建築物の耐火設計法及び該設計法にて構築した建築物に関する。

例えば、建築基準法施行令が定める、平成１２年建設省告示第１４３３号の耐火性能検証法の手順は、まず火災室（単一室あるいは同時燃焼を想定する複数室）を設定し、屋内で発生する火災の継続時間を室ごとに算定する。しかる後に、火災室に面する主要構造部について、各々の主要構造部に要求される耐火性能（非損傷性・遮熱性・遮炎性）を保持できる限界時間、即ち保有耐火時間を部材単位に算定する。そして、主要構造部の保有耐火時間が火災継続時間以上であれば、性能が満たされると判断され、これらの検証を建築物を構成するすべての主要構造部について行うものである。

そして、有効開口因子の算定において有効な開口は、次のａ）及びｂ）の条件を満たすことが必要とされる。
ａ）火災時に破損するか、確実に開放されるもの。
ｂ）外気との通気経路が確保されるもの。
上記ａ）の条件において、防火設備、すなわち網入ガラスや耐熱強化ガラス等のガラスを用いた防火装備を設けた開口部は、有効開口因子には算入しないこととされている。
2001年版耐火性能検証法の解説及び計算例とその解説、国土交通省住宅局建築指導課

このように、上記耐火性能検証法（以下「告示検証法」という。）によれば、評価時にガラスを用いた防火設備は脱落しないとして取り扱うため、ガラスを用いた防火設備が設置されている室は外気からの流入空気量が少なくなり、燃焼が緩慢になり熱が篭る。そのため、火災継続時間は評価上長時間になり、評価対象室の部材には高い耐火性能が必要とされることから、耐火処理のための費用が高くなる。

本発明は、実際の火災においては網入ガラスや耐熱強化ガラス等のガラスを用いた防火装備が脱落することに着目して、上記の問題点を解決するためになされたもので、耐火処理のための費用を低減しつつ、必要とする耐火性能を得ることを目的としている。

請求項１に係る発明は、特定の火災室がガラスを用いた防火設備を有しているとき、当該火災室について、火災発生より前記ガラスを用いた防火設備が脱落するまでの時間を算定し、次いで前記ガラスを用いた防火設備脱落後の屋内火災の継続時間を算定した後、前記火災発生より前記ガラスを用いた防火設備が脱落するまでの時間と前記ガラスを用いた防火設備脱落後の屋内火災の継続時間とを合算して、前記特定の火災室の合算屋内火災継続時間を算定する一方、前記特定の火災室に面する部材の保有耐火時間を算定し、前記合算屋内火災継続時間が前記算定した保有耐火時間以下となるよう部材、耐火被覆厚さ、開口面積、内装材料等の室の諸条件を変更し適合させることとした。
請求項２に係る発明は、建築物の全ての火災室について、屋内火災継続時間が算定した保有耐火時間以下となるよう部材、耐火被覆厚さを適合させる建築物の耐火設計法において、特定の火災室がガラスを用いた防火設備を有しているとき、当該火災室について、火災温度上昇係数を算定し、火災発生より前記ガラスを用いた防火設備が脱落するまでの時間を算定し、前記ガラスを用いた防火設備が脱落した開口面積を再計算し、有効開口因子に算入して、ガラスを用いた防火設備脱落時の残可燃物の単位時間当たりの発熱量及びガラスを用いた防火設備脱落後の屋内火災の継続時間を算定した後、火災発生よりガラスを用いた防火設備が脱落するまでの時間とガラスを用いた防火設備脱落後の屋内火災の継続時間とを合算して、特定の火災室の合算屋内火災継続時間を算定する一方、特定の火災室に面する部材の保有耐火時間を算定し、合算屋内火災継続時間が算定した保有耐火時間以下となるよう部材、耐火被覆厚さ、開口面積、内装材料等の室の諸条件を変更し適合させることとした。
請求項３に係る発明は、ガラスを用いた防火設備を備えた開口部を有する室が、請求項１乃至請求項２のいずれかに記載されたに前記耐火設計法に基づいて、耐火処理された建築物である。

請求項１に係る発明によれば、火災発生より前記ガラスを用いた防火設備が脱落するまでの時間と前記ガラスを用いた防火設備脱落後の屋内火災の継続時間とを合算して、前記特定の火災室の合算屋内火災継続時間を算定する一方、前記特定の火災室に面する部材の保有耐火時間を算定し、前記合算屋内火災継続時間が前記算定した保有耐火時間以下となるよう部材、耐火被覆厚さを適合させているから、実情に合った火災継続時間を算出することができ、屋内火災の継続時間を従来のものより短くすることができる。
その結果、前記特定の火災室に面する部材の保有耐火時間を算定し、前記合算屋内火災継続時間が前記算定した保有耐火時間以下となるよう部材、耐火被覆厚さを適合させればよいので、耐火被覆厚さや構造部材の寸法や強度を下げても適正な耐火性を保つことが可能となる。
請求項２に係る発明によれば、告示検証法に準拠した耐火設計法であるので、屋内火災継続時間を合理的、短時間に算定することができるから、請求項１に係る発明に比し、より簡便に耐火性を保つことが可能となる。
また、請求項３に係る発明によれば、建築物の構造部材の寸法や強度や耐火被覆の厚さを必要以上に上げる必要がないので、建築コストの低減や、有効面積の拡大が可能になる。

請求項１に係る発明において、ガラスを用いた防火設備脱落前及び脱落後の火災継続時間を予測する手法としては、例えば、1層ゾーンモデル、火源とガラスの放射伝熱・対流熱伝達計算によるガラス温度予測などの予測手法を用いることが可能であるが、ここでは、耐火設計実績の最も豊富な上記の告示検証法の火災性状予測手法を用いることが、設計労務の省力化や法律的な根拠があることから有効である。

先ず、火災室の床面積、天井高さ、内装材料、用途に応じた可燃物量、開口などの諸条件よりガラスを用いた防火設備が脱落する前の火災性状を予測し、ガラスを用いた防火設備が脱落する時間を算出する。
次いで、ガラスを用いた防火設備脱落後は、ガラスを用いた防火設備が火災により脱落することが予測される面積を開口（ただし、後述するように開口率をｒとする。）として見込んで火災性状を再計算し、火災継続時間を算出する。

以下、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、告示検証法を使用した場合の計算フロー図、図２は、本実施例において、ガラスを用いた防火装備の１例として、網入ガラスが脱落しないとした場合の火災室温度を示す図、図３は、火災温度上昇係数αが４６０の室の火災室温度と網入ガラス脱落時間を示し、網入ガラスが脱落するときを丸印で示す図、図４は、網入ガラスが脱落したことを考慮したときとしないときの差に基づいて、火災継続時間が異なることを示す図、図５は、本発明を実施した集合住宅の室の平面概略図である。

以下、告示検証法を使用した場合の図１の計算フロー図に基づいて、実施例について説明する。
図１において使用される記号の意味について次に示す。
Q_r 当該室内の可燃物の発熱量［MJ］
q_l 当該室内の収納可燃物の床面積1m²あたりの発熱量［MJ/m²］
A_r 当該室内の床面積［m²］
q_f 当該室の壁、床、天井の室内に面する部分の内装用建築材料の表面積1m²、厚さ1mmあたりの発熱量［MJ/m²/mm］
A_f 当該室の内装用建築材料の種類ごとの各部分の表面積［m²］
d_f 当該室の内装用建築材料の厚さ［mm］
f_a 熱侵入係数［-］
q_la 当該室の隣接室の収納可燃物の床面積1m²あたりの発熱量［MJ/m²］
A_ra 当該室内の隣接室の床面積［m²］
q_fa 当該室の隣接室の内装用建築材料の表面積1m²、厚さ1mmあたりの発熱量［MJ/m²/mm］
A_fa 当該室の隣接室の内装用建築材料の種類ごとの各部分の表面積［m²］
d_fa 当該室の隣接室の内装用建築材料の厚さ［mm］
α 火災温度上昇係数［℃/分^1/6］
α_aft 網入ガラス脱落後の火災温度上昇係数［℃/分^1/6］
q_b 当該室内の可燃物の1秒あたりの発熱量［MW］
q_{b_aft} 網入ガラス脱落後の当該室内の可燃物の1秒あたりの発熱量［MW］
χ 燃焼型支配因子［m^1/2］
χ_aft 網入ガラス脱落後の燃焼型支配因子［m^1/2］
A_fuel 可燃物表面積［m²］
A_c 当該室の壁、床、天井の部分ごとの表面積［m²］
I_h 当該室の壁、床、天井の部分ごとの熱慣性［kWs^1/2/m²/K］
f_op 有効開口因子［m^5/2］
f_{op_aft} 網入ガラス脱落後の有効開口因子［m^5/2］
t_f 当該室における火災継続時間［分］
t_{f_fallout} 網入ガラス脱落後の当該室における火災継続時間［分］
t_fallout 網入ガラス脱落時間［分］
A_op 各開口部の面積［m²］
A_{op_aft} 網入ガラス脱落後の各開口部の面積［m²］
H_op 各開口部の上端から下端までの鉛直距離［m］
H_{op_aft} 網入ガラス脱落後の各開口部の上端から下端までの垂直距離［m］
r 網入ガラス脱落後の各開口部の高さ方向の開口比率 [-]
Q_{r_aft} 網入ガラス脱落後の当該室内の可燃物の発熱量［MJ］
H_r 当該室の床から天井までの平均高さ [m]
W_op ガラス幅 [m]
t_fr 屋内火災保有耐火時間［分］
T_{f_crit} 網入ガラス脱落時の火災室温度［℃］

本実施例は、図５に示される集合住宅の住戸に本発明を適用するものである。
この室は床面積８４．３ｍ²、室高さ２．７１ｍであり、図１の室条件設定の手順において、これらの値を含む室条件を設定する上で必要な値がコンピュータの入力手段によりに入力され、ＲＡＭに記憶される（手順１）。フロートガラス、網入ガラスなどの開口部の種類は手順１において入力する。

次に、手順２において、当該室の可燃物の総発熱量を次の式１にしたがって算出する。
なお、後述する式は全て上記ＲＡＭに記憶されており、演算手順はプログラム化されている。

計算の結果、総発熱量９９２０３ＭＪとなる。総発熱量を算出したら、まずは網入ガラスが脱落する前の状態において、室の床面積、天井高さ、開口高さ、開口幅、可燃物、内装材料等から、燃焼型支配因子χと当該室内の可燃物の1秒あたりの発熱量q_bを、次の式２の１、式３の１により算出する。
網入ガラスが脱落する前はA_op、H_opはフロートガラスの開口のみを考慮して計算する。

さらに、網入ガラス脱落前の火災温度上昇係数αと有効開口因子f_opについて、次の式４の１、式５の１により算出する。

計算の結果、燃焼型支配因子は、χ = max[0.0181, 0.0046] となり、当該室内の可燃物1秒あたりの発熱量は、q_b＝1.6×0.0181×428.6＝12.4と算出される。
f_opも同様に網入ガラスが脱落する前はフロートガラスの開口のみを考慮し、
ΣA_cI_h＝426の場合、αは460になり火災室温度T_fは図２、図３のようになる。

手順５においては、コンピュータのＣＰＵは、手順１においてＲＡＭに記憶されたデータから、開口部の種類は網入ガラスが用いられたものか否かを判断する。
その結果、網入ガラスは用いられていないと判断したときは、手順１３へジャンプして火災継続時間t_fを算出する。
このときＣＰＵは、網入ガラスが用いられていない室については、網入ガラスが脱落して開口面積が増えるようなことはないから、単純に式６の１を用いてt_fを次のようにする。
t_f＝Q_r／60q_b 式６の１
手順１４、１５については後述する。

上記手順５において、ＣＰＵが網入ガラスが用いられていると判断したときは、網入ガラスがどの時点で脱落するかを予測するために、次の手順６以降へ進む。
よく知られているように、火災室温度T_fは、温度上昇係数αを係数とする時間関数で表され、αの大きさにより決定付けられる。その式は次のとおりである。
T_f＝αt^1/6＋20 式６

本発明者らは、火災温度上昇係数αの値毎に網入ガラス等のガラスを用いた防火設備が脱落したときの火災室温度T_{f_crit}について実験的、解析的に求めたところ、ガラスを用いた防火設備が脱落するときの火災室温度は、温度上昇係数αに依拠するという知見を得た。
本発明はこの知見に基づいて創作されたもので、αの値毎にガラスを用いた防火設備脱落時間と炉内温度の関係について実験的に求め、これら値はデータベース化されている。
そして手順６では、火災温度上昇係数αと網入ガラスが脱落する耐火炉の炉内温度T_{f_crit}の関係を利用することとしている。
すなわち、上記式４の１により、火災温度上昇係数αの値は求められているから、網入ガラス脱落時の火災室温度は前記データべースを検索して得られ、この温度に達する時間を上記式６にて求めればよい。
実験の結果、図３に示すように、αが４６０の場合には、６．８ｍｍ厚の網入ガラスが脱落する火災室温度T_{f_crit}は８４３℃となることが究明されている。

［網入ガラス脱落時間の算定］
そこで、火災室温度が８４３℃になる網入ガラス脱落時間ｔ_falloutを、次の式７

により算出すると、（８２３／４６０）⁶＝３２．７(分)となる。

［網入ガラス脱落後の開口部面積］
手順８では、網入ガラスが脱落すると開口部面積が増加するので、次の式８にしたがって、開口部面積、開口部の上端から下端までの垂直距離を再度算出する。
A_{op_aft}＝W_op×H_{op_aft} ただし、H_{op_aft}＝H_op×r 式８
網入ガラス脱落後の開口部の上端から下端までの垂直距離H_{op_aft}を算出するにあたっては、係数ｒを掛けている。
この係数ｒは、網入ガラス全面積に対する脱落後の開口面積の割合が、実験により確認されているので、本実施例では安全をみて０．５としている。
なお、フロートガラスの場合は、ガラスが開口部全体に亘って脱落するのでｒ＝１としている。
よって、網入ガラス脱落後の開口は、
開口１〜５ H_{op_aft}＝1.0 A_{op_aft}＝1.4×1.0
開口６ H_{op_aft}＝1.0 A_{op_aft}＝0.74×1.0
開口７、８、１０ H_{op_aft}＝1.8×0.5＝0.9 A_{op_aft}＝1.8×0.9
開口９ H_{op_aft}＝1.8×0.5＝0.9 A_{op_aft}＝2.8×0.9
となる。

［網入ガラス脱落後に燃焼する熱量］
網入ガラス脱落後に残っている可燃物の発熱量Q_{r_aft}は、次の式９にて算出することができる。

住戸の総発熱量９９２０３ＭＪから網入ガラスが脱落するまでに燃焼した熱量を差し引くと、
Q_{r_aft} =９９２０３−q_b×ｔ_fallout×６０＝７４９０９
となる。

［網入ガラス脱落後のχ_aft、q_{b_aft}、t_{f_fallout}の再計算］
網入ガラス脱落後においては、開口部面積が増えるので燃焼性状が変化する。
このため、手順１０に進んで、網入ガラス脱落後の燃焼型因子χ_aftと、可燃物の燃焼による１秒あたりの発熱量q_{b_aft}を、次の式２の２、式３の２にて再計算する。

再計算の結果、

は、13.7/428.6＝0.0320であるから、
χ_aftは max[0.0320, 0.0046] となり、q_{b_aft}は1.6×0.0320×428.6＝21.9 MWと計算される。
次いで手順１１に進んで、α_aftとf_{op_aft}は、次の式５の２と式４の２により再計算され、

その結果、f_{op_aft} = max[13.7, 1.9830]

は、５５７ となる。
［脱落後の火災継続時間の計算］
さらに、網入ガラス脱落後の室内火災の継続時間t_{f_fallout}を式１０に基づいて算出する。

告示検証法の上記式３の２より網入ガラス脱落後のq_{b_aft}は２１．９ＭＷであるので、
t_{f_fallout} =７４９０９／２１．９／６０＝５６．９分となる。

手順１２において、網入ガラスの脱落を考慮した火災継続時間 t_f ［分］について、次の式６の２に基づいて算定すると、

t_f =t_fallout＋t_{f_fallout}＝８９．６（分）と算出する。
一方、網入ガラスの脱落を考慮しない火災継続時間は、
t_f＝９９２０３／１２．３８６／６０＝１３３．５（分）である。

図４を参照して、本実施例の室内火災継続時間について説明する。
網入ガラスが用いられた建築物の耐火設計において、網入ガラスが火災時に脱落しないとした場合、火災温度上昇係数αは、実際の火災に比べ小さな値を示す結果、
温度上昇は図４の下側細線の右上がりの曲線に表されるように緩やかとなり、右側細破線の垂線で示されるように火災継続時間は１３０分を越える。
これに対して網入ガラスが火災時に脱落するとした場合は、脱落後の火災温度上昇係数α_aftは、脱落しないとした場合に比し大きな値をとることとなり、温度上昇曲線は、図４の上側太線に示されるように急激となる。
この結果、火災継続時間は左側の太破線の垂線で示されるように90分を切り、大幅に短縮される。

［等価火災継続時間の算定］
ところで、耐火性能検証法で提示されている耐火構造として大臣認定を受けた部材を適用するために、標準加熱曲線による耐火試験で確認した耐火時間を室火災に補正する式を変換すると以下のようになる。
t_{f_ef}＝t_f×(α/460)^3/2
t_{f_ef}：標準加熱曲線による火災継続時間（等価火災継続時間）[分]
上記の式を網入ガラスの脱落を考慮した式に変形すると下記のようになる。
t_{f_ef}＝t_fallout×(α/460)^3/2+ t_{f_fallout}×(α_aft /460)^3/2
手順１４において上記換算を行った結果、網入ガラスの脱落を考慮した場合はt_{f_ef}＝１０８．５分、考慮しない場合はt_{f_ef}＝１３３．５分となる。
網入ガラスの脱落を考慮しない場合には、２時間の耐火性能を持つ部材を使用することができない。

次に手順１５において、網入ガラスの脱落を考慮した場合でも、t_fがt_frを超過するときは、設計変更や耐火性能を付加させた部材の採用が必要になる。
このため、手順１の前に戻って、火災室の床面積、天井高さ、開口等の設計を変更したり、耐火性能を変更した部材を採用したり、内装材料、用途に応じた可燃物量等を変更するなどして、再度各手順において計算し直し、当該室の部材ごとの保有耐火時間が火災継続時間を上回るまで繰り返す。
ここで、等価火災継続時間に対応する耐火構造について、表１に示す。

本実施例においては、図４に示されるように、網入ガラスが脱落した後は開口部面積が増大し、火災温度上昇係数αが４６０から５５７にアップされ、火災室温度上昇速度が上がって火災継続時間が短くなる。
以上、網入ガラスの実施例について説明したが、耐熱強化ガラスについても同様の作用効果を奏することが可能である。
したがって、火災時の網入ガラスや耐熱強化ガラスを含むガラスを用いた防火設備の脱落による開口形成を考慮することで、実情に合った火災継続時間を算出することができる。そのため、対象室の耐火時間を短くすることが可能となり、耐火被覆の削減や床スラブのコストダウンなどを図ることが可能となる。
具体的には、図５に示された集合住宅の住戸における実施例においては、告示検証法によれば、火災継続時間が１３３．５分と算定され、３時間耐火としなければならないところ、本実施例では、それが１０８．５分と短縮され、２時間耐火とすればよいこととなる。

図１は、告示検証法を使用した場合の計算フロー図である。 図２は、本実施例において、網入ガラスが脱落しないとした場合の火災室温度を示す図である。 図３は、αが４６０の室の火災室温度と火災継続時間を示し、網入ガラスが脱落するときを丸印で示す図である。 図４は、網入ガラスが脱落したことを考慮したときとしないときの差に基づいて、火災継続時間が異なることを示す図である。 図５は、本発明を実施した集合住宅の室の平面図である。

Claims (3)

1. 特定の火災室がガラスを用いた防火設備を有しているとき、当該火災室について、火災発生より前記ガラスを用いた防火設備が脱落するまでの時間を算定し、次いで前記ガラスを用いた防火設備脱落後の屋内火災の継続時間を算定した後、前記火災発生より前記ガラスを用いた防火設備が脱落するまでの時間と前記ガラスを用いた防火設備脱落後の屋内火災の継続時間とを合算して、前記特定の火災室の合算屋内火災継続時間を算定する一方、前記特定の火災室に面する部材の保有耐火時間を算定し、前記合算屋内火災継続時間が前記算定した保有耐火時間以下となるよう部材、耐火被覆厚さ、開口面積、内装材料等の室の諸条件を変更し適合させることを特徴とする建築物の耐火設計法。
2. 特定の火災室の床面積、天井高さ、内装材料、用途に応じた可燃物量、開口面積などの諸条件を設定し、前記特定の火災室の可燃物の総発熱量を算定し、前記可燃物の単位時間当たりの発熱量と屋内火災の継続時間を算定し、前記特定の火災室に面する部材の保有耐火時間を算定して、前記屋内火災の継続時間が前記算定した保有耐火時間以下となるよう部材、耐火被覆厚さ、開口面積、内装材料等の室の諸条件を変更し適合させ、その後火災室を順次変更しながら、前記建築物の全ての火災室について、前記屋内火災継続時間が前記算定した保有耐火時間以下となるよう部材、耐火被覆厚さ、開口面積、内装材料等の室の諸条件を変更し適合させる建築物の耐火設計法において、
   前記特定の火災室がガラスを用いた防火設備を有しているとき、当該火災室について、火災温度上昇係数を算定し、火災発生より前記ガラスを用いた防火設備が脱落するまでの時間を算定し、前記ガラスを用いた防火設備が脱落した開口面積を再計算し、有効開口因子に算入して、前記ガラスを用いた防火設備脱落時の残可燃物の単位時間当たりの発熱量及び前記ガラスを用いた防火設備脱落後の屋内火災の継続時間を算定した後、前記火災発生より前記ガラスを用いた防火設備が脱落するまでの時間と前記ガラスを用いた防火設備脱落後の屋内火災の継続時間とを合算して、前記特定の火災室の合算屋内火災継続時間を算定する一方、前記特定の火災室に面する部材の保有耐火時間を算定し、前記合算屋内火災継続時間が前記算定した保有耐火時間以下となるよう部材、耐火被覆厚さ、開口面積、内装材料等の室の諸条件を変更し適合させることを特徴とする建築物の耐火設計法。
3. 前記ガラスを用いた防火設備を備えた開口部を有する室が、請求項１乃至請求項２のいずれかに記載された前記耐火設計法に基づいて、耐火処理された建築物。