JP4070018B2 - 耐火構造部材および構造部材用給水装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は耐火構造部材および構造部材用給水装置に関し、特に火災時に構造部材の表面に水膜を形成することによって構造部材の耐火性能を向上させる構造部材用給水装置および火災時の耐火性能を向上させた耐火構造部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
構造物用構造材としては、金属、木材、合成樹脂等が様々な態様で用いられているが、木材には耐火性能が無く、金属および合成樹脂にも耐火性能を備えていない材質がある。これらの木材、合成樹脂、金属等を含む本来耐火性能を備えていない構造用部材に耐火性能を与えるために、構造部材の表面に珪酸カルシューム板を張り付けたり、耐熱性材料を吹き付けて被覆を形成したりすることが行われている。これらの手段は、構造部材の材質的な強度が火災により低下するのを防止するため、熱伝導率の悪い物質や空気層で構造部材を保護することで、一定時間耐火性能を確保しようとするものである。従って耐火構造部材としては、構造材の周囲が耐火物質で覆われた構造である。
【０００３】
また、構造物の延焼防止を目的として、建築物に対し、いわゆるドレンチャー設備を用いて放水することが従来から行われており、窓に対する散水によって火災の延焼を防止することが提案されている。（例えば特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２７７３０９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような耐火構造部材に於いては次のような問題があった。即ち、上述の構造によれば、本来耐火性能を持たない構造材の周りが耐火物質で覆われているため、耐火構造部材の仕上げ寸法が増加し、構造部材の重さが増加してしまう。また、その他の構造材自体の持つ望ましい特性も失われてしまうことが多く、例えば構造材が木質部材である場合には耐火物質で木目が覆われてしまい、木材の持つ質感、香り、雰囲気等の優れた特性が失われてしまう。このような理由から、これまでは木材の特質を生かした耐火木造構造物が実現できなかった。
【０００６】
スプリンクラ設備を設置すると、散水が火災の抑制・消火に効果的であり、間接的に構造部材を防護することができる。しかしながら、スプリンクラ設備は床面に対して均等に散水するよう設計・配置されているため、構造部材に対しては直接散水する仕組みになっていない。また、スプリンクラ設備は通常火災を２０分以内に消火できることが前提で、消火水槽の設計を行っているため、耐火設計のための１時間あるいは２時間の連続動作のためには消火水の容量が足りない。このため、構造部材の耐火性能を高める点では殆ど貢献できない。また、散水障害や火災の急激な成長で消火できず、消火水槽の水を使い切ってしまった場合には、構造部材が火災からの熱で高温になり、強度が低下して、倒壊のおそれが出てくる。特に、構造材に木材などの可燃性物質を使用している建築物では、スプリンクラ設備により消火できても内部の構造材の炭化などによる損傷が大きくなり、構造強度の面で問題が発生する。また、ドレンチャー設備は、外部からの延焼に対して建築物を保護する手段であり、自らの火災時に建築物の構造強度を維持するものではない。
【０００７】
従って、この発明の課題は本来は耐火性能を持たない木質の構造材にその構造材の特性を維持したまま耐火性能を与え得る耐火構造部材および構造部材用給水装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、この発明によれば、耐火構造部材は、構造物用の木質構造部材と、火災時に炭化層が形成される木質構造部材の表面部分の上部に水を供給して、この表面部分を濡らしながら自由流下して表面部分を覆う水膜を形成する水膜形成装置とを備え、もって火災時の木質構造部材の耐火性能を向上させた耐火構造部材である。
【０００９】
また、この発明の構造部材用給水装置は、構造物用の木質構造部材の近傍に設けられる支持装置と、支持装置によって支持されて、火災時に炭化層が形成される木質構造部材の表面部分の上部に水を供給して、この表面部分を濡らしながら自由流下して表面部分を覆う水膜を形成する水膜形成装置を備え、もって火災時の構造部材の耐火性能を向上させる構造部材用給水装置である。
【００１０】
即ち、木質構造部材の耐火性能低下の抑制方法として、構造部材の表面に水を流して水膜を形成することで、構造部材への熱侵入を抑制し、温度上昇の抑制を実現する。これにより柱、梁等の耐火構造部材の寸法を小さくできる。
【００１１】
具体的には、柱部材、梁部材、壁などの木質構造部材と水膜形成装置を一体化したハイブリッド構造部材を考案し、水膜によりそれら部材の表面を覆うことで、火災時の高温や熱放射による部材の燃焼や温度上昇を防止する。
【００１２】
水膜形成装置は、部材上部に散水用パイプを設置し、パイプの穴から水を滴下し水膜を形成する方式、または、部材の外周に配管を設け、配管から柱に向かいノズルを取り付けて柱の上部の一部分に水流を伝わせ、柱の下部に向け水膜を形成する方式の２つの方式があり、それぞれ次のような長所がある。
【００１３】
散水の圧力が少なくても基本的には重力により下方へ水が流れ落ちるため、適切な間隔に散水パイプの穴を設ければ、部材全体を水膜で覆うことができる。また、配管にノズルを設置し、散水幅を適切に調整することで、ノズルと散水幅を組合せることにより、部材の表面全体を水膜で覆うことができる。
【００１４】
自由落下による方式では、ほとんどの水は柱の表面を覆うのに使用され、水の利用効率が高い。柱に水を滴下もしくはノズルで注水するため、低い水圧でもよく、そのため水道直結方式でも水膜形成装置を構成できる。
【００１５】
また構造部材の水膜形成装置を配置させた位置よりも上方部分には水膜が形成されないので熱に弱くなるため、この部分は耐火被覆で柱を覆うとよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の構造部材用給水装置および耐火構造部材の一実施形態を給水設備と共に概略斜視図で示してある。即ち、構造部材用給水装置は、建物等の構造物用の柱等の木質の構造部材１の近傍に設けられた支持装置２と、この支持装置２によって支持されて、構造部材１の耐火性能が必要な表面部分３の上部に水を供給して、その上に表面部分３を濡らしながら自由流下する水膜４を形成する流水口５を持つ給水管６である水膜形成装置７とを備えており、火災時には構造部材１の表面部分３を水膜４によって覆って木質構造部材１の耐火性能を向上させる。
【００１７】
支持装置２は、図示のように例えば建物の天井８の上面（裏側）に配置されて、柱である構造部材１に固着された支持体３２（図２参照）で構成されている。天井８と構造部材１との間には間隙９が設けられている。構造部材用給水装置の水膜形成装置７の給水管６は、配管１１を介して一般給水用の給水源である水槽１２に接続され得て、水を流水口５から構造部材１上に供給することができる。水槽１２は一般水道に接続されている。配管１１には感熱開放継手１３が設けられていて、建物の天井８に取り付けられた感熱部分１４により火災発生時に作動して水膜形成装置７から水を流出させる。
【００１８】
このように、本発明によれば、構造物用の木質構造部材１と、この構造部材１に取り付けられた支持装置２と、支持装置２によって支持されて、構造部材１の耐火性能が必要な部分である、火災時に炭化層が形成される表面部分３の上部に水を供給して、表面部分３を濡らしながら自由流下する水膜４を形成する水膜形成装置７とを備えた耐火構造部材が提供され、このような耐火構造部材は火災時の木質の構造部材１の耐火性能が向上されている。耐火構造部材の構造材は、木質、金属、不燃物およびそれらの複合材料であっても良いし、ほぼ垂直方向に延びた柱状体であっても良い。
【００１９】
構造部材用給水装置のための給水設備としては、図１に関連して説明したような感熱開放継手方式の構造のシステムを用いることもできるし、火災発生時に作動する定温式熱感知器からの電気信号により制御盤から動作指令を出して電動弁を開放し、一般給水設備からの水を水膜形成装置により構造部材１の表面に沿って流下させる電動弁開放方式を用いることもできる。この場合の定温式熱感知器は、この設備専用でなくとも、自動火災報知設備に用いられている感知器を流用することができる。さらに、感知器として、定温式のものに限らず、例えばアナログ信号方式のものであってもよい。また、火災感知用ヘッド、感知用配管、一斉開放弁を用いた給水起動方式や、スプリンクラ設備の流水検知装置の信号に基づき起動する方式であってもよい。
【００２０】
図１に於いて、水膜形成装置７の給水管６は、図示の例では四角柱である構造部材１の４つの平坦な表面部分のうち耐火性能が要求される３つの表面部分３の上部に配置され、図示の例では上縁部近傍で上縁部に沿って延びるように配置されている。給水管６は図２に示すようにカバー状の支持体３２により覆われて、構造部材１の表面部分３に接して支持されている。支持体３２は給水管６を支持するとともに、水が表面部分３から離れて給水管６から直接滴下するのを防ぐ作用をする。給水管６には図３に示すような互いに離間した不連続な複数の孔１７である流水口５が設けられていて、流水口５から流れ出た水が構造部材１の表面部分３に接触して濡らし、重力により表面部分３を伝わって下方に流下して表面部分３上に比較的薄い水膜４を形成するようにしてある。図示の例では、構造部材である柱状体の最上部を囲むように給水管６が配置され、その給水管６に直径１ｍｍの孔１７を１０ｍｍ間隔で設けてある。柱の近傍の温度が所定の高温になると、それまでは閉止していた感熱開放継手１３が開放状態に移行し、配管１１から給水管６に水が給水され、流水口５から水が噴き出し、柱状体の表面を濡らしながら重力により下方に流下して比較的薄い水膜４を形成して、柱状体の表面部分３を水膜４で覆う。
【００２１】
流水口５の形、配置および寸法等は、後に詳述するが、構造部材１上に必要な耐火性能を与える水膜４を形成するために適切に設定することができる。流水口５を図３に示す複数の孔１７とする代わりに、図４に示すような連続したスリット１８で構成して流水口５としてもよいし、また、流水口５を図５に示すような複数のノズル１９で構成して必要な水膜４を形成することもできる。即ち、柱状体である構造部材１の周囲に設置した給水管６から複数のノズル１９を延ばしてその先端を表面部分の近傍に配置し、ノズル１９の放射パターンを調整して表面部分３に水を放出し、そこから流下して柱全体を水膜４で覆うようにしてある。必要があれば、ノズル１９の放出角度を変えて放出された水粒子が柱の表面部分３で跳ね返されないようにし、適切な水膜４が形成できるように調整する。５００ｍｍ角の柱では７個のノズルを等間隔に取り付け、ノズルからの放水で柱表面に４０ｍｍ×１０ｍｍの放水パターンを作ると、そのパターンから水が流下して厚さが均一に近い水膜を形成することができる。
【００２２】
このようにして形成された水膜４は、水平方向にも連続して柱状体の幅方向にいっぱいに広がった水の層であるが、火災時等周囲温度が高温である場合には、本来存在する流れのムラ、熱、柱状体の濡れ性等により水膜４の厚さが特に水平方向に一様でなくなり、縦縞模様となることが多い。このため、柱状体が木材であるので水膜４の薄い部分の表面部分が炭化して図６に示すようなパターンで炭化層が形成され、後に説明するように炭化した部分１５と炭化しない部分１６とが交互に形成されて縦縞模様が現れる。木材の柱である構造部材１の表面部分３に耐火水膜４を形成するために必要な水量は、後に詳しく説明する実験によれば、幅当たり水量（柱状体の単位幅当たりの毎分の水量）で少なくとも１０リットル／分・ｍである。
【００２３】
本発明の構造部材用給水装置の性能および耐火構造部材の耐火性能を確認するために、建築研究所防耐火実験棟内の水平耐火加熱炉を用いて、ＩＳＯ８３４標準加熱曲線による加熱をして、図５に示すような構造部材用給水装置７（但しノズル１９は各平面に７本ずつある）を取り付けたベイマツ、カラマツの木質柱状体について実験を行い、構造部材の表面部分の炭化層の割合を示す平均燃え残り幅率（柱状体の床上８００−１００ｍｍの位置に於いて水平方向に測定した炭化した部分１５の幅の合計に対する炭化しなかった部分１６の幅の合計の割合）を測定した。その結果を図７に示す。
【００２４】
３００ｍｍ角のベイマツおよびカラマツの柱状体にそれぞれ１時間の加熱試験を行った場合、幅当たり水量１８リットル／分・ｍのとき平均燃え残り幅率はそれぞれ４０．７％および３７．３％になり、水量２４リットル／分・ｍでは平均燃え残り幅率がそれぞれ５３．１％および５０．４％になり、水膜形成装置により柱状体表面に水膜を形成することによって炭化層の形成が大きく抑制できたことが明らかである。
【００２５】
同様に５００ｍｍ角のベイマツおよびカラマツの柱状体にそれぞれ水量２４リットル／分・ｍの散水を行い、１時間の加熱試験を行ったとき平均燃え残り幅率はそれぞれ３３．１％および３６．５％になり、また２時間の加熱試験を行ったとき平均燃え残り幅率がそれぞれ３３．２％および３３．６％になり、加熱時間を２時間にしても炭化層の形成を抑制できることが明らかになった。
【００２６】
加熱時間１時間の耐火試験を３００ｍｍ角ベイマツおよびカラマツの柱状体について、散水量を１８リットル／分・ｍとして行った場合には、縞状に炭化した層の平均炭化深さはそれぞれ１．６ｍｍおよび５．９ｍｍであった。また、散水量を２４リットル／分・ｍとした場合には、縞状に炭化した層の平均炭化深さはそれぞれ３．０ｍｍおよび４．５ｍｍであった。また、５００ｍｍ角ベイマツおよびカラマツの柱状体に対して２４リットル／分・ｍの散水をした場合の平均炭化層深さは、１時間の加熱時間ではそれぞれ３．７ｍｍおよび４．３ｍｍであり、加熱時間を２時間とした場合にはそれぞれ７．８ｍｍおよび４．１ｍｍであった。
【００２７】
５００ｍｍ角柱では、幅当たり散水量は１２リットル／分・ｍで図７の状態となり、上述の通り炭化層の進行を抑制できていた。幅当たり散水量は１０リットル／分・ｍ程度まで減少させても効果が得られる。
【００２８】
水膜形成装置を取り付けていないときあるいは表面に水膜が無い場合、１時間耐火試験では、３００ｍｍ角のベイマツおよびカラマツの柱状体の平均炭化層深さは、それぞれ３０．１ｍｍおよび３２．３ｍｍであった。２時間耐火試験では、５００ｍｍ角のベイマツおよびカラマツの柱状体の平均炭化層深さは、それぞれ６３．０ｍｍおよび６５．１ｍｍとなり、かなり深くまで炭化が進んでいた。
【００２９】
このように、水膜形成装置を取り付けた柱状体では、取り付けない柱状体に比べて、炭化層深さがおおよそ１／１０に抑制されて炭化しない部分がかなりの部分を占めていたことが明らかである。このことから、水膜形成装置７により、火災時においても柱等の構造部材１の炭化の進行を大幅に抑制でき、火災時の構造強度の低下を抑制できる。木材の外観については、実験終了時まで水膜に覆われている部分は、実験前と同じで退色は見られなかった。これらは、水膜形成装置により可燃物である木材の表面を水膜で覆うことにより、木材の燃焼温度２５０℃以下に表面温度を抑えることができることを示している。柱状体の上部に取り付けた水膜形成装置７で木材の表面部分に水膜をつくることにより、９５０℃を超える高温雰囲気中においても、可燃物である木材の柱状体の炭化が防止され、また炭化部分の成長を抑制でき、耐火性能を確保することができる。
【００３０】
以上の説明では、柱状体について水膜形成装置を作り耐火性能を確認したが、図８に示す梁状体２０のように水平方向に設置される構造部材についても、給水管２１を有する水膜形成装置２２を梁の鉛直方向の上面側に設け、そこに必要水量を流して耐火性能を必要とする梁状体２０の表面部分２１、例えば側面および下面にも水膜が回り込むようにすることができる。このようにして水膜を形成すれば、梁状体２０の耐火性能を維持することが可能になる。また、梁状体２０の下面への水量が不足の場合は、梁の鉛直方向の下部にも給水管２３を設置し、そこに上向きのノズルを取りつけて散水することにより梁状体の底面の耐火性能を確保することもできる。
【００３１】
必要な場合には、図９に示すように、梁状体２０の頂面２４、側面２５および底面２６などの各表面部分に緩やかな勾配を付けて、必要な表面部分の全てに水膜が回り込み水膜で覆われるようにすることもできる。換言すれば、梁状体の表面部分を、梁状体の頂面に供給された水が底面に回り込んで底面にも水膜を形成するように傾斜した面あるいは湾曲した面とするのである。また、構造部材２０の表面に細かな凸状あるいは溝状の表面仕上げを施して水流が細く分かれて表面部分が適当な幅の縞模様の水膜で覆われるようにし、耐火性能を高めることもできる。
【００３２】
また図１０および図１１に示すように、構造部材としての壁状体２８の上方に本発明の水膜形成装置２９を持つ構造部材用給水装置を取付て壁状の耐火構造部材とすることもできる。構造部材用給水装置の水膜形成装置は壁状体２８である構造部材の上縁部に配置されて、壁面に水膜を形成するものである。図示の例では水膜形成装置は壁の両側面に設けられているが、耐火性能がいずれか一方の側だけに要求される場合には、必要な側だけに設けてもよい。
【００３３】
柱等の重点設置部材は、水膜形成装置よりも上方の部分３０（図５参照）には水膜４が形成されないので、火災の高温に曝される。そこで柱の上部の表面は、断熱材により覆ったり、耐熱ペイントを塗ったりして耐火被覆で覆うことができる。また、水膜形成装置よりも上方の柱状体表面に含侵性の材料を設けて、水膜形成装置からの散水の一部を上向きに散水して水を含ませて濡らしておくことができるようにして水に対する濡れ性を高める表面処理をすることもできる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の如くこの発明の耐火構造部材は、構造物用の木質構造部材と、火災時に炭化層が形成される木質構造部材の表面部分の上部に水を供給して、表面部分を濡らしながら自由流下して表面部分を覆う水膜を形成する水膜形成装置とを備え、もって火災時の木質構造部材の耐火性能を向上させた耐火構造部材であるので、木質構造材の特性を維持したまま耐火性能を持つ構造部材を得ることができる。
【００３５】
また、この発明の構造部材用給水装置は、構造物用の木質構造部材の近傍に設けられる支持装置と、支持装置によって支持されて、火災時に炭化層が形成される木質構造部材の表面部分の上部に水を供給して、表面部分を濡らしながら自由流下して表面部分を覆う水膜を形成する水膜形成装置とを備え、もって火災時の木質構造部材の耐火性能を向上させる構造部材用給水装置であるので、本来は耐火性能を持たない木材等の木質構造材にその構造材の特性を維持したまま耐火性能を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の構造部材用給水装置を備えた耐火構造部材を示す概略斜視図である。
【図２】 図１の給水管と柱状体との関係を示す概略図である。
【図３】 図２の給水管を示す斜視図である。
【図４】 別の給水管を示す斜視図である。
【図５】 本発明の別の構造部材用給水装置を備えた耐火構造部材を示す概略斜視図である。
【図６】 図５の耐火構造部材の加熱実験後の表面状態を示す図である。
【図７】 図５の耐火構造部材の加熱実験の結果を示す表図である。
【図８】 本発明の構造部材用給水装置を備えた耐火構造部材を梁状体に適用した例を示す概略図である。
【図９】 図８の梁状体の断面図である。
【図１０】 本発明の構造部材用給水装置を備えた耐火構造部材を壁状体に適用した例を示す概略図である。
【図１１】 図１０の耐火構造部材の平面図である。
【符号の説明】
１ 構造部材（柱状体）、２ 支持装置、３ 表面部分、４ 水膜、５ 流水口、６ 給水管、７ 水膜形成装置、１７ 孔、１８ スリット、１９ ノズル、２０ 梁状体、２４、２５、２６ 傾斜した面、２８ 壁状体、３０ 水膜形成装置よりも上方の部分。

Claims (9)

1. 構造物用の木質構造部材と、
   火災時に炭化層が形成される上記木質構造部材の表面部分の上部に水を供給して、上記表面部分を濡らしながら自由流下して上記表面部分を覆う水膜を形成する水膜形成装置と、
   上記構造部材に取り付けられて上記水膜形成装置を支持する支持装置とを備え、
   上記水膜形成装置は流水口を持つ給水管であるとともに、上記支持装置は、上記給水管を覆うカバー状の支持体であり、
   もって火災時の木質構造部材の耐火性能を向上させた耐火構造部材。
2. 上記給水管は、配管を介して給水源に接続され、上記配管には、感熱開放継手が設けられていて、天井に取り付けられた感熱部分により火災発生時に作動して水膜形成装置から水を流出させることを特徴とする請求項１記載の耐火構造部材。
3. 上記耐火構造部材がほぼ垂直方向に延びた柱状体または壁状体であることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の耐火構造部材。
4. 上記耐火構造部材がほぼ水平方向に延びた梁状体または壁状体であることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の耐火構造部材。
5. 上記耐火構造部材の上記表面部分の上記水膜形成装置よりも上方の部分を耐火被覆で覆ったことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の耐火構造部材。
6. 上記梁状体の上記表面部分が、頂面、側面および底面に緩やかな勾配をつけて上記梁状体の頂面に供給された水が底面に回り込んで底面にも上記水膜を形成するように傾斜した面であることを特徴とする請求項４あるいは５記載の耐火構造部材。
7. 構造物用の木質構造部材の近傍に設けられる支持装置と、
   上記支持装置によって支持されて、火災時に炭化層が形成される上記木質構造部材の表面部分の上部に水を供給して、上記表面部分を濡らしながら自由流下して上記表面部分を覆う水膜を形成する水膜形成装置とを備え、
   上記水膜形成装置は、流水口を持つ給水管であるとともに、上記支持装置は、上記給水管を覆うカバー状の支持体であり、
   もって火災時の構造部材の耐火性能を向上させる構造部材用給水装置。
8. 上記水膜形成装置が上記表面部分上に少なくとも１０リットル／分・ｍの幅当たり水量の水を供給することを特徴とする請求項７記載の構造部材用給水装置。
9. 上記給水管は、配管を介して給水源に接続され、上記配管には感熱開放継手が設けられていて、天井に取り付け螺れた感熱部分により火災発生時に作動して水膜形成装置から水を流出させることを特徴とする請求項１記載の構造部材用給水装置。

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