JP2012149435A - 耐火設計方法および建築物 - Google Patents

Abstract

【課題】必要な耐火性能を確保しつつ、耐火処理のための費用を低減できる耐火設計方法および建築物を提供すること。
【解決手段】対象室の耐火設計を行う耐火設計方法であって、対象室の収納可燃物のうち実際に燃焼する割合を燃焼率φ_ｂとして、この燃焼率φ_ｂを用いて収納可燃物の総実効発熱量Ｑ_{ｒ，ｅｆｆ}および実効発熱速度ｑ_{ｂ，ｅｆｆ}を算定し、これら総実効発熱量Ｑ_{ｒ，ｅｆｆ}および実効発熱速度ｑ_{ｂ，ｅｆｆ}を用いて屋内火災の継続時間ｔ_ｆおよび火災温度上昇係数αを算定し、対象室内の部材近傍火災温度上昇係数α_ｌを算定し、対象室を構成する部材について、火災温度上昇係数αおよび部材近傍火災温度上昇係数α_ｌを用いて屋内火災保有耐火時間ｔ_ｆｒを算定し、屋内火災の継続時間ｔ_ｆが屋内火災保有耐火時間ｔ_ｆｒ以下となるように、対象室を設計する。
【選択図】図２

Description

本発明は、耐火設計方法および建築物に関する。

従来より、耐火性能の検証法として、平成１２年建設省告示第１４３３号の耐火性能検証法が知られている（以下「告示検証法」と呼ぶ）（非特許文献１参照）。この告示検証法では、まず、対象室（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算定する。その後に、対象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、すなわ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する。この検証を、建築物を構成する全ての主要構造部について行う。

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

ところで、告示検証法では、燃焼率低下に関する知見が不十分であるため、安全側の評価を与えるために、燃焼率の低下を考慮せずに火災室温度を算定している。

しかしながら、実際には、開口が少ない室では、燃焼に必要な空気（酸素）の流入量が少なく、必ずしも室内の可燃物が完全燃焼するわけではない。このような場合、告示検証法では、実際よりも燃焼率が高くなり、火災室温度上昇係数が高めに算定されることになる。よって、部材の耐火仕様が重厚になり、コストが高くなる、という問題点があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、必要な耐火性能を確保しつつ、耐火処理のための費用を低減できる耐火設計方法および建築物を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、対象室の耐火設計を行う耐火設計方法であって、対象室の収納可燃物や内装用建築材料（以下、収納可燃物等と呼ぶ）が完全燃焼すると仮定した場合の発熱量に対する実際の発熱量の比を燃焼率として、当該燃焼率を用いて前記収納可燃物等の総実効発熱量および実効発熱速度を算定し、当該総実効発熱量および実効発熱速度を用いて屋内火災の継続時間および火災温度上昇係数を算定し、前記対象室内の部材近傍火災温度上昇係数を算定し、前記対象室を構成する部材について、前記火災温度上昇係数および部材近傍火災温度上昇係数を用いて屋内火災保有耐火時間を算定し、前記屋内火災の継続時間が当該屋内火災保有耐火時間以下となるように、前記対象室を設計することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、燃焼率を用いて対象室の収納可燃物等の総実効発熱量および実効発熱速度を算定し、この総実効発熱量および実効発熱速度を用いて屋内火災の継続時間および火災温度上昇係数を算定することで、実情に合った屋内火災の継続時間および火災温度上昇係数を算定できる。特に、火災温度上昇係数を従来に比べて小さくできる。
よって、耐火被覆厚さや構造部材のサイズや強度を下げても、適正な耐火性を確保できるから、必要な耐火性能を確保しつつ、耐火処理のための費用を低減できる。

請求項２に記載の発明は、前記対象室の縮小模型を製作し、当該縮小模型で火災実験を行って、当該縮小模型の燃焼率を前記対象室の燃焼率とすることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、縮小模型の燃焼率を前記対象室の燃焼率とした。よって、実物大の模型を製作して火災実験を行う必要がないので、火災実験にかかるコストを低減できる。

請求項３に記載の発明は、予め、特性が異なる複数の室について、縮小模型を用いて火災実験を行ってそれぞれの燃焼率を求めておき、前記複数の室の中から前記対象室に近似する特性を有する室を選択し、当該選択した室の燃焼率を用いることを特徴とする。

請求項３の発明によれば、予め、特性が異なる複数の室の燃焼率を求めておき、これら複数の室の中から対象室に近似する特性を有する室を選択し、この選択した室の燃焼率を用いた。よって、火災実験の実施回数を大幅に削減できるから、火災実験にかかるコストを大幅に低減できる。

請求項４に記載の発明は、上述の耐火設計方法に基づいて耐火処理された室を備えることを特徴とする。

請求項４に係る発明によれば、耐火被覆の厚さや建築物の構造部材のサイズや強度を低減できるので、建築コストを低減したり、建物内の有効面積を大きく確保したりすることが可能となる。

本発明によれば、燃焼率を用いて対象室の収納可燃物等の総実効発熱量および実効発熱速度を算定し、この総実効発熱量および実効発熱速度を用いて屋内火災の継続時間および火災温度上昇係数を算定することで、実情に合った屋内火災の継続時間および火災温度上昇係数を算定できる。特に、火災温度上昇係数を従来に比べて小さくできる。よって、耐火被覆厚さや構造部材のサイズや強度を下げても、適正な耐火性を確保できるから、必要な耐火性能を確保しつつ、耐火処理のための費用を低減できる。

本発明の一実施形態に係る耐火設計方法を実行する設計システムのブロック図である。 前記実施形態に係る設計システムの動作を示すフローチャートである。 前記実施形態に係る耐火設計方法に用いられるマップを作成するための縮小模型の斜視図である。 前記のマップを作成する実験に用いられる区画模型の正面図、横断面図、および縦断面図である。 前記マップを作成する実験の結果を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る耐火設計方法を実行する設計システム１のブロック図である。
設計システム１は、建物の基本情報に基づいて耐火設計を行うためのものであり、入力装置２、表示装置３、および演算処理装置４、および記憶装置５を備える。
入力装置２は、演算処理装置４に情報を入力する装置であり、キーボードやマウス等で構成される。また、表示装置３は、入力装置２で入力された情報や演算処理装置４から出力された情報を表示する装置であり、例えば、モニタである。記憶装置５は、種々の情報を記憶する装置であり、例えばハードディスクである。
演算処理装置４は、記憶装置５に記憶されたプログラムを読み出して、動作制御を行うＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）上に展開して実行するものである。

具体的には、演算処理装置４は、建物の室ごとに、屋内火災の継続時間、火災温度上昇係数、部材近傍火災温度上昇係数を求める。そして、各室を構成する部材について、火災温度上昇係数および部材近傍火災温度上昇係数を用いて屋内火災保有耐火時間を算定し、屋内火災の継続時間が屋内火災保有耐火時間以下となるように、対象室を設計する。

図２は、対象室の設計を行う動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１では、入力装置２を用いて、防火区画、対象室の床面積および天井高、対象室の開口部の位置や形状等の室条件を演算処理装置４に入力する。この入力された値は、演算処理装置４のＲＡＭに記憶される。

ステップＳ２では、演算処理装置４により、有効開口因子ｆ_ｏｐおよび燃焼型支配因子χを算定する。
具体的には、対象室の開口部の形状に基づいて、式（１）に従い、有効開口因子ｆ_ｏｐを算定する。

ここで、Ａ_ｏｐは各開口部の面積であり、Ｈ_ｏｐは各開口部の上端から下端までの寸法（開口丈）である。

ただし、開口が十分に小さい場合には、告示検証法にならって、室の形状に基づいて以下の式（２）に従い、有効開口因子ｆ_ｏｐを算定してもよい。

ここで、Ａ_ｒは対象室内の床面積であり、Ｈ_ｒは対象室の床から天井までの平均高さである。

また、告示検証法と同様に、以下の式（３）に従い、燃焼型支配因子χを算定する。

ここで、Ａ_ｆｕｅｌは室内の収納可燃物等の表面積の合計である。
燃焼型支配因子χについては、以下のことがいえる。
すなわち、火災時に可燃物に対して十分な空気量が供給される場合には、可燃物表面積Ａ_ｆｕｅｌに対して有効開口因子ｆ_ｏｐが大きくなるので、燃料支配型の燃焼となり、燃焼型支配因子χの値は大きくなる。

一方、火災時に可燃物に対して十分な空気量が供給されない場合には、可燃物表面積Ａ_ｆｕｅｌに対して有効開口因子ｆ_ｏｐが小さくなるので、換気支配型の燃焼となり、燃焼型支配因子χの値は小さくなる。
具体的には、χが０．１を超える場合を燃料支配型の燃焼とし、０．０８１以下の場合を換気支配型の燃焼とし、χが０．０８１を超えて０．１未満の場合を中間型の燃焼としている。

次に、ステップＳ３では、演算処理装置４により、火災時に燃焼率が低下するような構造であるか否かを判定する。具体的には、以下の式（４）および式（５）を両方とも満たすか否かを判定する。

この判定がＹｅｓである場合には、開口が十分に小さくかつ換気支配型の燃焼であるので、燃焼率が低下する可能性があると判断してステップＳ４に移り、この判定がＮｏである場合には、ステップＳ１０に移る。

ステップＳ４では、演算処理装置４により、公称発熱速度ｑ_ｂおよび最大発熱速度ｑ_ｂｍａｘを求める。
公称発熱速度ｑ_ｂとは、対象室の収納可燃物が完全燃焼すると仮定して、収納可燃物の表面積および燃焼型支配因子χに基づいて求めた発熱速度である。発熱速度は、１秒間に発生する熱量で表される。具体的には、以下の式（６）に従って、公称発熱速度ｑ_ｂを算定する。

また、最大発熱速度ｑ_ｂｍａｘは、開口因子（開口面積および開口丈）から計算される換気量に基づいて決定される発熱速度の上限値である。具体的には、以下の式（７）に従って、最大発熱速度ｑ_ｂｍａｘを算定する。

ステップＳ５では、演算処理装置４により、燃焼率φ_ｂを求める。すなわち、記憶装置５には、室の特性に応じた複数のマップが記憶されている。演算処理装置４は、複数のマップの中から対象室の特性に対応したマップを読み出し、このマップに従って、公称発熱速度ｑ_ｂおよび最大発熱速度ｑ_ｂｍａｘに対応する燃焼率φ_ｂを求める。

ステップＳ６では、式（８）に従い、検証対象室の可燃物の総実効発熱量Ｑ_{ｒ，ｅｆｆ}を算定する。

ここで、ｑ_ｌは、当該対象室の床面積１ｍ^２あたりの発熱量であり、ｑ_ｆは、当該対象室の壁、床、天井の室内に面する部分の内装用建築材料の表面積１ｍ^２、厚さ１ｍｍあたりの発熱量である。また、Ａ_ｆは、当該対象室の内装用建築材料の種類毎の各部分の表面積であり、ｄ_ｆは、当該対象室の内装用建築材料の厚さである。
また、ｆ_ａは熱侵入係数であり、添字ａは、対象室の隣接室を意味する。

ステップＳ７では、式（９）に従い、検証対象室の可燃物の１秒間当たりの実効発熱量（実効発熱速度）ｑ_{ｂ，ｅｆｆ}を求める。

また、式（１０）に従い、屋内火災の継続時間ｔ_ｆを求める。

ステップＳ８では、式（１１）に従い、火災温度上昇係数αを求める。

ここで、Ａ_Ｃは、当該対象室の壁、床、天井毎の表面積であり、Ｉ_ｈは、当該対象室の壁、床、天井毎の熱慣性である。

ステップＳ９では、無被覆鉄骨および木造の柱や梁について、式（１２）に従い、部材近傍火災温度上昇係数α_ｌを求める。

ここで、ｚは、部材の床面からの高さである。

ステップＳ１０では、従来の告示検証法に従って、屋内火災の継続時間ｔ_ｆ、火災温度上昇係数α、部材近傍火災温度上昇係数α_ｌを算定する。
ステップＳ１１では、従来の告示検証法に従って、対象室の部材ごとに屋内火災保有耐火時間ｔ_ｆｒを算定する。

ステップＳ１２では、部材毎の屋内火災保有耐火時間ｔ_ｆｒが屋内火災の継続時間ｔ_ｆ以上であるか否かを判定する。この判定がＹｅｓである場合には終了し、Ｎｏである場合には、ステップＳ１に戻り、火災室の床面積、天井高さ、開口等を設計変更したり、部材の耐火性能を変更したり、内装材料や用途に応じた可燃物量等を変更する。
このようにして、対象室の部材ごとの屋内火災保有耐火時間ｔ_ｆｒが屋内火災の継続時間ｔ_ｆ以上と判定されるまで、各ステップを繰返す。

次に、記憶装置５に記憶された、燃焼率φ_ｂと公称発熱速度ｑ_ｂ／最大発熱速度ｑ_ｂｍａｘとの関係を示すマップの作成手順について説明する。

対象室と同一形状かつ同じ大きさの実物大模型を構築し、火災実験を行って、マップを作成する。ただし、対象室の実物大の模型を構築できない場合には、対象室を縮小した縮小模型を構築し、この縮小模型で火災実験を行う。

図３は、火災実験用の縮小模型の斜視図である。
対象室の幅をＷ_ｒ、奥行きをＤ_ｒ、室高さをＨ_ｒ、床面積をＡ_ｒとし、縮小模型の幅をＷ_ｒｍ、奥行きをＤ_ｒｍ、室高さをＨ_ｒｍ、床面積をＡ_ｒｍとする。実験用模型の各寸法を、検討対象室の各寸法のＳ（０＜Ｓ＜１）倍とする。

ここで、実際の対象室は、壁面に柱形の凹凸が現れたり、入口が室の外方向に突出したり、あるいは平面形状が矩形ではなく複雑な多角形状であったりするため、対象室の縮小模型を構築することが難しい場合がある。この場合、対象室の幅の平均値をＷ_Ａとし、奥行きの平均値をＤ_Ａとして、縮小模型の幅Ｗ_ｒｍと奥行きＤ_ｒｍをそれぞれ式（１３）、式（１４）のように設定する。

すると、縮小模型の床面積Ａ_ｒｍについて、以下の式（１５）が成立する。

また、対象室の開口因子をｆ_ｏｐとし、縮小模型の有効開口因子をｆ_ｏｐｍとすると、以下の式（１６）が成立する。

火災実験では、以上の縮小模型に対して、単位時間当たりの燃料供給量および発熱速度を計測する。
単位時間当たりの燃料供給量は、以下の手法で計測する。燃料が気体や液体である場合には、例えば流量計で燃料の流量を計測する。また、燃料が固体である場合には、例えばロードセルを用いて燃料の重量の減少を計測する。
また、酸素消費法を用いて発熱速度を計測し、この計測した発熱速度を実効発熱速度ｑ_{ｍ，ｅｆｆ}とする。

さらに、この縮小模型における公称発熱速度ｑ_ｍを、単位時間あたりの燃料供給量に完全燃焼時の単位重量発熱量を乗じて求める。
また、この縮小模型における最大発熱速度ｑ_ｍｍａｘを、上述の式（７）を用いて求める。
そして、実効発熱速度ｑ_{ｍ，ｅｆｆ}を公称発熱速度ｑ_ｍで除算した値を燃焼率φ_ｂとし、ｑ_ｍ／ｑ_ｍｍａｘと燃焼率φ_ｂとの対応関係を示すマップを作成する。

実際に、公称発熱速度ｑ_ｍ／最大発熱速度ｑ_ｍｍａｘと燃焼率φ_ｂとの関係を示すマップを作成するため、区画模型を用いて実験１〜３を行った。
図４は、実験１〜３で用いた区画模型の正面図、横断面図、および縦断面図である。
区画模型は、箱状であり、一側面に開口が形成されている。この模型の内部には１２点のＫ型熱電対が設けられている。実験２、３の区画模型は、実験１の１／２の大きさとした。

壁・床・天井（以降、周壁と呼ぶ）を、厚さ３ｍｍの鉄板又は厚さ５ｍｍのケイ酸カルシウム板の下地に、セラミックファイバーボードを貼りつけて制作した。
また、床の中央にはプロパンを燃料とするガスバーナーを設置した。
実験１〜３における区画模型の各寸法を表１に示す。

実験１、２では、最大発熱速度ｑ_ｍｍａｘの５０％、７５％、１００％に相当する燃料を供給した。実験３では、最大発熱速度ｑ_ｍｍａｘの６０％、９０％、１１０％、１２０％、１３０％に相当する燃料を供給した。
実験１〜３の最大発熱速度ｑ_ｍｍａｘおよび公称発熱速度ｑ_ｍを表２に示す。

燃料供給は、実験１ではマスフローコントローラを使用し、実験２、３ではマスフローメータで流量計測しながら手動で流量制御を行った。
そして、Ｋ型熱電対により区画内温度を計測し、発熱速度を酸素消費法で求める。この発熱速度の実測値を実効発熱速度ｑ_{ｍ，ｅｆｆ}とする。
なお、開口が小さいため分析対象となる煙が少量であり、ガス分析装置の計測誤差（スパンドリフト）の影響に配慮する必要があった。そこで実験の前後や実験中に計測した新鮮空気濃度を用いて、煙濃度計測値の補正を行った。

実験１〜３の実験結果を図５に示す。
図５は、燃焼率φ_ｂと公称発熱速度ｑ_ｍ／最大発熱速度ｑ_ｍｍａｘとの関係を示すマップを視覚化したグラフの一例である。

図５のグラフの縦軸は、燃焼率φ_ｂであり、横軸は、ｑ_ｍ／ｑ_ｍｍａｘである。
ｑ_ｍ／ｑ_ｍｍａｘが０．６以下である場合、燃焼率φ_ｂは０．９〜１．０である。これは、供給された燃料が完全燃焼するのに十分な空気が開口から流入しており、供給された燃料が実際にほぼ完全燃焼している状態である。
ｑ_ｍ／ｑ_ｍｍａｘが０．６を超えると、燃焼率φ_ｂが下がっていく。つまり、開口から流入する空気が徐々に減ってゆき、供給された燃料が完全燃焼しなくなる。

この実験により、全ての実験において、公称発熱速度ｑ_ｍの増加に伴い燃焼率φ_ｂの低下が観察された。よって、燃焼率φ_ｂを用いて総実効発熱量Ｑ_{ｒ，ｅｆｆ}および実効発熱速度ｑ_{ｂ，ｅｆｆ}を算定することが極めて有効であることが判る。また、燃焼率φ_ｂは、模型の縮尺が異なってもほぼ同一の値であり、縮小模型を用いても、実物大模型と同様の実験結果を得られることが判る。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）燃焼率を用いて対象室の収納可燃物等の総実効発熱量Ｑ_{ｒ，ｅｆｆ}および実効発熱速度ｑ_{ｂ，ｅｆｆ}を算定し、これら総実効発熱量Ｑ_{ｒ，ｅｆｆ}および実効発熱速度ｑ_{ｂ，ｅｆｆ}を用いて屋内火災の継続時間ｔ_ｆおよび火災温度上昇係数αを算定することで、実情に合った屋内火災の継続時間ｔ_ｆおよび火災温度上昇係数αを算定できる。特に、火災温度上昇係数αを小さくできる。
よって、耐火被覆厚さや構造部材のサイズや強度を下げても、適正な耐火性を確保できるから、必要な耐火性能を確保しつつ、耐火処理のための費用を低減できる。

（２）縮小模型の燃焼率φ_ｂを対象室の燃焼率φ_ｂとした。よって、実物大の模型を製作して火災実験を行う必要がないので、火災実験にかかるコストを低減できる。

（３）予め、特性が異なる複数の室の燃焼率φ_ｂを求めて記憶装置５に記憶させておき、これら複数の室の中から対象室に近似する特性を有する室を選択し、この選択した室の燃焼率φ_ｂを記憶装置５から読み出して用いた。よって、火災実験の実施回数を大幅に削減できるから、火災実験にかかるコストを大幅に低減できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

１…設計システム
２…入力装置
３…表示装置
４…演算処理装置
５…記憶装置

Claims (4)

1. 対象室の耐火設計を行う耐火設計方法であって、
   対象室の収納可燃物が完全燃焼すると仮定した場合の発熱量に対する実際の発熱量の比を燃焼率として、当該燃焼率を用いて前記収納可燃物の総実効発熱量および実効発熱速度を算定し、
   当該総実効発熱量および実効発熱速度を用いて屋内火災の継続時間および火災温度上昇係数を算定し、
   前記対象室内の部材近傍火災温度上昇係数を算定し、
   前記対象室を構成する部材について、前記火災温度上昇係数および部材近傍火災温度上昇係数を用いて屋内火災保有耐火時間を算定し、
   前記屋内火災の継続時間が当該屋内火災保有耐火時間以下となるように、前記対象室を設計することを特徴とする耐火設計方法。
2. 前記対象室の縮小模型を製作し、当該縮小模型で火災実験を行って、当該縮小模型の燃焼率を前記対象室の燃焼率とすることを特徴とする請求項１に記載の耐火設計方法。
3. 予め、特性が異なる複数の室について、縮小模型を用いて火災実験を行ってそれぞれの燃焼率を求めておき、
   前記複数の室の中から前記対象室に近似する特性を有する室を選択し、当該選択した室の燃焼率を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の耐火設計方法。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の耐火設計方法に基づいて耐火処理された室を備えることを特徴とする建築物。

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