JP6951840B2 - 木質構造部材 - Google Patents

Description

本発明は、横断面内に木材からなる荷重支持部を有し、その周囲に木材で形成される耐火被覆部を備えた木質構造部材に関する。

平成２２年に「公共建築物等における木材の利用の促進に関する法律」が施行されたことに伴い、建築物への木材利用の機運が高まっている。一方、可燃物である木材を柱材や梁材等の構造部材に使用する場合には、火災時等の安全性を確保するために耐火性を備えているのが望ましい。
木質構造部材の耐火性を確保することを目的として、荷重支持部に対して耐火被覆する耐火構造が多数開発されている。なお、耐火構造には、火災終了時においても荷重支持部が炭化しないことが求められている。
例えば、特許文献１には、木材で構成された荷重支持部と、荷重支持部にビス締結された外装部と、を備える木質構造部材が開示されている。この外装部は、荷重支持部の外側に配置される木材とモルタル板からなる燃止部材とで構成された燃止層と、燃止層の外側に配置された木材で構成された燃代層とを有している。
また、特許文献２には、難燃薬剤を実質的に含まない木材で構成された表面層と、表面層の内側に隣接する難燃薬剤が注入処理された難燃薬剤注入層とを備える木質構造部材が開示されている。

特開２０１５−０２５２４５号公報 特開２００８−０３１７４３号公報

特許文献１に記載の木質構造部材は、燃止層がセメント系材料により構成されているため、セメント製造にエネルギーが必要となり、低炭素社会への貢献度が低下してしまう。また、特許文献２に記載の木質構造部材のうち、難燃薬剤が注入処理された木材については、建物の解体後に破棄する際に産業廃棄物となってしまう。また、木材への難燃処理に手間と費用がかかってしまう。
そのため、本発明は、木材が持つ質感を外被部に備え、かつ、外荷重を負担する主要構造部分に木材を配置した耐火性能に優れた木質構造部材を提案することを課題とする。

本発明者らは、荷重支持部の周囲に耐火被覆部を備える木質構造部材として、荷重支持部を覆うように断熱木材層を設けるとともに、その外側の燃え代木材層との間に熱伝導率が非常に小さい空気層（遮断空気層）を設けることで、断熱木材層への燃焼および炭化を抑制できることに着眼して、本発明の木質構造部材に至った。
前記課題を解決するために、本発明は、荷重支持部と、前記荷重支持部の周囲に被覆された耐火被覆部とを備える木質構造部材であって、前記耐火被覆部は、断熱木材層、遮断空気層および燃え代木材層で構成され、前記遮断空気層は、前記断熱木材層と前記燃え代木材層との間に複数の平面視矩形状あるいは平面視Ｌ字状の連結部材が介設されていることにより形成されていて、前記連結部材の一方の面は、前記燃え代木材層に接着されていて、前記連結部材の他方の面は、前記燃え代木材層の延焼および炭化の範囲が拡大した際には、前記連結部材とともに前記燃え代木材層が前記断熱木材層から脱落するように、前記断熱木材層に非接着状態で当接しており、前記断熱木材層、前記遮断空気層および前記燃え代木材層は前記荷重支持部から外側に向って順に積層されてなることを特徴としている。
かかる木質構造部材によれば、火災時には燃え代木材層が外側表面から燃焼して炭化が進むが、燃え代木材層と断熱木材層との間に熱伝導率が小さい遮断空気層が設けられているため、断熱木材層の燃焼および炭化を防止し、ひいては、荷重支持部への影響を防止することができる。そのため、耐火性能を備えた木質耐火部材を構築することができ、ひいては、建築基準法を満足する耐火構造を実現することが可能となる。

また、燃え代木材層と断熱木材層との間に介設された連結部材が断熱木材層には接合されていないため、燃え代木材層の燃焼および炭化の範囲が拡大した際には、燃え代木材層とともに連結部材が断熱木材層から脱落する。そのため、炭化した燃え代木材層の内側面からの熱輻射がなくなり、荷重支持部および断熱木材層による構造体としての性能を維持することができる。

また、前記遮断空気層は、前記断熱木材層の外側の全周囲に形成されており、前記燃え代木材層は、複数の板材が積層されてなり、隣接する前記板材同士は、各板材の端部の位置をずらした状態で接合されているのが望ましい。
かかる木質構造部材によれば、燃え代木材層の表面（外面）から伝達される熱が、燃え代木材層の内側に直線的に伝達されることを防止することができ、ひいては、木質構造部材の耐火性能を向上させることができる。

本発明の木質構造部材によれば、木材が持つ質感を外被部に備え、かつ、外荷重を負担する主要構造部分に木材が配置されているため、木材のみを使用した耐火構造を実現することが可能である。また、木質構造部材は、建物解体後に産業廃棄物になることもなく、低炭素社会に貢献することができる。

（ａ）は第一実施形態に係る木質構造部材を示す平面図、（ｂ）は（ａ）に示す木質構造部材のＡ−Ａ部分拡大縦断面図である。 標準加熱温度曲線を示すグラフである。 （ａ）は熱伝導解析に使用した解析モデルの断面図、（ｂ）は熱伝導解析結果による加熱後１２０分経過時の温度分布図である。 第一実施形態の木質構造部材の熱伝導解析結果による燃え代木材層と、断熱木材層及び荷重支持部の表面温度の推移を示すグラフである。 （ａ）は遮断空気層が設けられていない耐火木質部材の加熱実験結果、（ｂ）および（ｃ）は加熱実験前後の試験体を示す外観写真である。 （ａ）および（ｂ）は２時間耐火性能を確保するための第一実施形態の木質構造部材の断面設計例である。 （ａ）および（ｂ）は他の形態に係る木質構造部材を示す断面図である。

〔第一実施形態〕
本発明は、燃え代部分に相当する燃え代木材層と、加熱終了後に燃え代部分の燃焼、炭化を止めることができる燃え止まり部分に相当する遮断空気層と、断熱木材層を備えた木質構造部材である。遮断空気層は、断熱木材層と燃え代木材層との間に連結部材を設置することにより確保した所定の隙間である。また、連結部材を燃え代木材層に接着させるとともに断熱木材層に非接着状態にて設置することで、燃え代木材層が延焼して炭化が進んだ際に連結部材とともに燃え代木材層を脱落させて、断熱木材層への燃焼または炭化を遮断し、耐火性能を確保するものである。
本発明の第一実施形態を図１に示し、断熱木材層及び燃え代木材層を形成する木材の断面形状が異なる変形例を図６に示す。
以下、添付図面を参照して、本発明による木質構造部材の実施形態と、耐火性能に関する検証解析結果について、説明する。
本実施形態の木質構造部材１は、建物の柱を構成する部材であって、図１（ａ）に示すように、断面視正方形を呈している。なお、木質構造部材１の断面形状は限定されるものではなく、例えば、矩形状や円形状であってもよい。
木質構造部材１は、中心部分を構成する荷重支持部２と、荷重支持部２の周囲に被覆された耐火被覆部３とを備えている。

荷重支持部２は、いわゆる構造部材であって、木質構造部材１に上載あるいは接続された屋根、梁、床等を支持することが可能な断面寸法を有している。本実施形態の荷重支持部２は、断面正方形の杉の集成材により構成されている。なお、荷重支持部２を構成する材料は、杉に限定されるものではなく、例えば、檜や栂等であってもよい。また、荷重支持部２は、集成材に限定されるものではなく、無垢材であってもよい。
耐火被覆部３は、荷重支持部２の外面を覆う部材であって、構造部材ではない。本実施形態の耐火被覆部３は、断熱木材層４、遮断空気層５および燃え代木材層６が積層されてなる。

断熱木材層４は、荷重支持部２の外面に当接している。すなわち、断熱木材層４は、耐火被覆部を構成する断熱木材層４、遮断空気層５および燃え代木材層６の中で最も荷重支持部２側に配設されている。断熱木材層４は、４枚の断熱板材４１，４１，…を組み合わせることにより断面視枠状に形成されている。各断熱板材４１は、荷重支持部２の表面に当接している。本実施形態の断熱板材４１は、厚さ２０ｍｍのカラマツ板により構成されている。断熱木材層４の角部（断熱板材４１同士の接合部）では、一方の断熱板材４１の端面が他方の断熱板材４１の板面に当接した状態で、他方の断熱板材４１を貫通した木ビス４２を介して接合されている。なお、断熱板材４１を構成する材料はカラマツに限定されるものではなく、例えば、杉や檜等であってもよい。また、断熱板材４１同士の接合方法は限定されるものではなく、例えば、接着剤により接着してもよい。また、断熱木材層４を構成する断熱板材４１の枚数は限定されるものではない。すなわち、枠状の断熱板材４１は、２層以上積層してもよい。また、断熱板材４１の板厚は、板の種類等に応じて適宜決定すればよい。なお、断熱板材４１を２層以上積層する場合には、積層された断熱板材４１の端部の位置をずらすのが望ましい。

遮断空気層５は、断熱木材層４の外側に形成された空気層である。すなわち、遮断空気層５は、断熱木材層４と燃え代木材層６との間に形成された断面視枠状の隙間（空間）である。遮断空気層５の角部には、連結部材７，７，…が配設されている。すなわち、遮断空気層５は、断熱木材層４と燃え代木材層６との間にスペーサーとしての連結部材７が介設されていることにより形成されている。連結部材７の一方の面は燃え代木材層６に接着されていて、連結部材７の他方の面は断熱木材層４に非接着状態で当接している。なお、連結部材７の燃え代木材層６への接合方法は限定されるものではなく、例えば、木ビス等により固定してもよい。また、連結部材７は、必ずしも燃え代木材層６に固定する必要はない。さらに、連結部材７は、必要に応じて設置すればよい。

連結部材７は、２枚の５０ｃｍ角、１０ｍｍ厚の連結板材７１，７１をＬ字状に組み合わせることにより形成されている。連結部材７は、図１（ｂ）に示すように、高さ方向に所定の間隔をあけて複数配設されている。なお、連結部材７同士の高さ間隔は限定されるものではないが、本実施形態では５００ｍｍとする。また、連結部材７を構成する板材の寸法も限定されるものではない。また、連結部材７は、必ずしも平面視Ｌ字状である必要はなく、例えば、平面視矩形状であってもよい。また、連結部材７は、予めＬ字状に加工された部材であってもよい。本実施形態の連結部材７は、カラマツにより構成されているが、連結部材７を構成する材料は限定されるものではなく、他の木材、不燃材料、準不燃材料、難燃材料等により構成してもよい。例えば、鋼材、石膏ボード、ケイ酸カルシウム等により連結部材７を構成してもよい。

燃え代木材層６は、断熱木材層４の外側に隙間（遮断空気層５）を介して積層されている。本実施形態の燃え代木材層６は、４枚の燃え代板材６１，６１，…を角部において接合することにより断面視枠状に形成されている。本実施形態では、枠状の燃え代板材６１が４枚積層されている。積層された燃え代板材６１同士は、角部において板材の端部の位置をずらした状態で接合されている。燃え代木材層６の角部では、一方の燃え代板材６１の端面が他方の燃え代板材６１の板面に当接した状態で、他方の燃え代板材６１を貫通した木ビス６２を介して接合されている。本実施形態の燃え代板材６１には、厚さ２０ｍｍのカラマツ板を使用する。なお、燃え代板材６１を構成する材料はカラマツに限定さえるものではない。また、燃え代板材６１同士の接合方法は限定されるものではなく、例えば、接着剤により接着してもよい。また、断熱板材４１の板厚は、板の種類や燃え代木材層６の層厚等に応じて適宜決定すればよい。例えば、カラマツよりも炭化速度が大きい杉を燃え代板材６１として使用する場合には板厚を大きくする。また、燃え代板材６１の角部の構造は限定されるものではなく、必ずしも積層された燃え代板材６１の端部同士をずらしておく必要はない。

燃え代木材層６の層厚（燃え代板材６１の板厚や積層数）は、想定される火災時の加熱温度および加熱時間に応じて決定する。以下、図２に示すＩＳＯ８３４の標準加熱温度曲線に基づき、本実施形態の木質構造部材１の外被部分に、１時間加熱温度を加えた場合について、燃え代木材層６の層厚を決定する手順を示す。
先ず始めに、燃え代木材層６の層厚は、加熱温度が木の発火温度（約５００℃）以下に下がるまで、燃え代木材層６の裏面（遮断空気層５との境界面）が炭化しないように設定する。次に、図２では、加熱温度が約５００℃に下がるまでに１００分程度経過するため、本実施形態では、燃え代木材層６の裏面が２６０℃（炭化する温度）に達するまで１００分以上確保できるように、厚さを８０ｍｍとした。なお、より長い耐火時間が必要となることが予想される場合には、燃え代木材層６の厚さを大きくすればよい。

本実施形態の木質構造部材１によれば、木材のみを利用した耐火構造を実現することで、低炭素社会に貢献することができる。また、当該木質構造部材１は、建物の解体、廃棄時に産業廃棄物になることもない。
また、火災時には燃え代木材層６が外側表面から燃焼し、炭化が進むが、燃え代木材層６と断熱木材層４との間に熱伝導率が小さい遮断空気層５が設けられているため、断熱木材層４の燃焼および炭化を防止し、ひいては、荷重支持部２への影響を防止することができる。そのため、耐火性能を備えた木質耐火部材を構築することができ、ひいては、建築基準法を満足する耐火構造を実現することが可能となる。また、燃え代木材層６が炭化後に脱落するので燃焼が荷重支持部２に燃え移ることを防止できる。そのため、火災が発生した場合であっても、構造部材としての機能を維持することができる。また、燃え代板材６１同士は、端部の位置をずらした状態で接合されているため、燃え代木材層６の表面（外面）から伝達される熱が、燃え代木材層６の内側に直線的に伝達されることを防止することができる。

断熱木材層４と燃え代木材層６との間に形成された遮断空気層５は、燃え代木材層６が燃焼している際には断熱層として機能するとともに、燃え代木材層６と断熱木材層４が分断されていることで、燃え代木材層６から断熱木材層４への連続的な炭化を防止できる。連結部材７が断熱木材層４には接合されていないため、燃え代木材層６の燃焼および炭化の範囲が拡大した際には、燃え代木材層６とともに連結部材７が断熱木材層４から脱落する。そのため、炭化した燃え代木材層６の内側面からの熱輻射がなくなるとともに、燃え代木材層６から断熱木材層４に燃え移ることが無くなり、荷重支持部２および断熱木材層４による構造体としての性能を維持することができる。

断熱木材層４が荷重支持部２の表面を覆っているため、燃え代木材層６からの輻射熱や、燃え代木材層６が脱落した後の加熱温度による荷重支持部２の炭化を抑制する。
荷重支持部２と耐火被覆部３とが別部材により構成されているため、地震や火災等よって耐火被覆部３に損傷が生じた場合は、耐火被覆部３のみを修復すればよく、したがって、補修が容易である。また、荷重支持部２と耐火被覆部３とが別部材により構成されているので、運搬時や施工時に各部材を取扱いやすい。

以下、本実施形態の木質構造部材１にＩＳＯ８３４の標準加熱温度曲線（図２参照）の１時間加熱温度を与えた場合の熱伝導解析結果を示す。なお、本解析では、燃え代木材層６の脱落を考慮していない。
熱伝導解析には、汎用ＦＥＭプログラムであるＡＢＡＱＵＳを使用した。解析モデルは、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、１０ｍｍ角のメッシュに分割し、２次元平面伝熱要素を配置した。図３（ｂ）は、熱伝導解析結果による加熱後１２０分経過時の温度分布図である。解析では、図３（ａ）に示す解析モデルの最外縁部分に、標準加熱温度曲線に基づく加熱温度を加えた後、３６０分経過後までの温度分布を確認した。また、加熱面の熱的境界条件については、有効輻射率を０．８２、対流熱伝達率を２３．２Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）とした。板材は全てカラマツ材を想定し、密度は５３９ｋｇ／ｍ^３、熱伝導率は０．１０７Ｗ／（ｍ・Ｋ）、比熱は１．３６ｋＪ（ｋｇ・Ｋ）、含水率は０．０％（絶乾状態）とした。さらに、空気層は熱伝導率が０.０２４１（Ｗ／ｍ・Ｋ）と非常に小さいので完全断熱としてモデル化を行い、遮断空気層５における熱の移動は輻射の影響のみを考慮して形態係数を１．０とした。なお、輻射は、燃え代木材層６の裏面において最も温度が高くなる角部（測点Ｐ_１）の温度を用いた。

図４に示すように、加熱開始後６０分までに９００℃を上回る温度を本実施形態の木質構造部材１の外縁部分に加えた後、加熱開始後１２０分経過時には加熱温度が最大加熱時より４５０℃付近まで低下した状態であっても、断熱木材層４の表面温度（測点Ｐ_２）は、燃え代木材層６の裏面からの輻射熱の影響で上昇している。一方、荷重支持部２の表面（測点Ｐ_３）の温度は、断熱木材層４の表面温度が２９０℃程度まで上昇した場合でも、炭化温度である２６０℃を下回っていた。なお、本解析では、木材が燃焼した後に炭化が進んだ段階で脱落する現象等は解析モデルに取り込んでいないが、加熱温度が十分に下がった後に燃え代木材層６が脱落した場合は、断熱木材層４および荷重支持部２の温度はさらに低下すると推定される。したがって、本実施形態の木質構造部材１は、本解析結果により、燃え代木材層６と断熱木材層４の間に遮断空気層５を設けられていることで、断熱木材層４で覆われた荷重支持部２の表面温度は加熱後２４０分経過後であっても炭化温度２６０℃を下回り、耐火性能に優れた木質構造部材１であることが確認できた。

次に、図５に、遮断空気層５を備えた本実施形態の木質構造部材１（図４参照）と比較するために、遮断空気層を設けることなく、荷重支持部２の周囲に、断熱木材層４が設置された耐火木質部材の加熱実験で得られた各木材層の裏面温度と加熱時間の関係（図５（ａ））と、加熱実験前後の試験体の外観写真（図５（ｂ）、（ｃ））を示す。加熱実験は、６０分間加熱した後、加熱を停止して２４０分後（４時間後）まで放置した。炉内平均温度は、加熱を停止してから６０分経過した加熱開始から１２０分の時点には２３０℃程度まで低下した。しかし、断熱木材層４の裏面温度は、炉内の燃焼火を停止した後であっても温度が上昇し、燃焼終了１８０分後（３時間後）には、断熱木材層４の残火が荷重支持部２の集成材に着火し、集成材が燃え尽きた。
断熱木材層４の裏面温度は、図５（ａ）に示すように、燃焼停止後であっても上昇するものの、隅部の裏面温度が、中央部の裏面温度より早く上昇した。また、加熱実験終了時には、図５（ｃ）に示すように、断熱木材を構成する荷重支持部２と断熱木材層４の各木材層は全て燃え尽きた。よって、本加熱実験では、荷重支持部２と断熱木材層４で構成される断熱木材においては、断熱木材の表面を焼く燃焼火が停止されても、断熱木材層内に留まる残火の進展を止めることは困難であり、荷重支持部２に着火した。
したがって、木質構造部材では、木材表面層の燃焼または炭化、或いは残火の進展を止める層が必要であり、燃え止まり層に相当する本発明による遮断空気層５が有効である点が確認できた。

実施例の木質構造部材１によれば、燃え代木材層６と断熱木材層４との間に遮断空気層５が形成されているため、燃え代木材層６が加熱により燃焼した場合であっても、連続的な燃焼を防ぐことができる。
また、実施例の木質構造部材１によれば、燃え代木材層６を早期に燃焼させて、木質構造部材１から脱落させることで、熱源（燃焼している木）を荷重支持部２から離隔させて、荷重支持部２に燃焼による影響が及ぶことを防止できる。

〔実施例〕
図６に、２時間耐火が必要な中低層事務所ビルの１階柱を対象とした木質構造部材１の断面設計例（実施例１、実施例２）を示す。
図６（ａ）は実施例１であり、柱が梁と剛接合された柱梁架構において、柱断面が９４０ｍｍ×９４０ｍｍの正方形状の場合で、荷重支持部２が６００ｍｍ×６００ｍｍである。実施例１では、荷重支持部２はカラマツ材で形成し、当該荷重支持部２から外側に向って、断熱木材層４、遮断空気層５、燃え代木材層６を順に積層した。断熱木材層４は、厚さ２０ｍｍの平板を荷重支持部２の外側面に接着させた。遮断空気層５は、隙間を１０ｍｍ確保した。燃え代木材層６は、厚さ２０ｍｍの平板を７層に積層化を行い、厚さを１４０ｍｍとした。
また、図６（ｂ）は実施例２であり、柱断面が１５４０ｍｍ×６４０ｍｍの長方形状で、荷重支持部２が１２００ｍｍ×３００ｍｍである。断熱木材層４、遮断空気層５、及び燃え代木材層６は、実施例１と同様の厚さを確保した。本実施例（実施例１、実施例２）の木質構造部材１では、２時間の耐火性能を確保するために、自ら燃焼し炭化することで断熱層を形成する燃え代層に相当する燃え代木材層６の厚さを１４０ｍｍとした。よって、１時間耐火の木質構造部材１の場合、燃え代木材層６の厚さが７０ｍｍに薄層化されるが、他の荷重支持部２とともに、遮断空気層５、及び断熱木材層４の厚さには変化はない。
荷重支持部２を形成するカラマツ材は、日本では北海道から本州北部にかけて分布する針葉樹であり、乾燥時の比重は０.５３程度で、其々の強度特性として、圧縮強度Ｆｃは４５Ｎ/ｍｍ^２、引張強度は８５Ｎ/ｍｍ^２、せん断強度８Ｎ/ｍｍ^２程度である。また、カラマツ材と圧縮強度が同等のコンクリートと比較した場合、木材であるカラマツ材は、芯材の有無や乾燥状態で強度のバラツキがあるものの、コンクリートに比べて、引張強度、せん断強度ともに約１０倍を上回る強度特性を示す構造材である。よって、実施例１、及び実施例２によるカラマツ材を荷重支持部に用いた木質構造部材１は、Ｆｃ＝４５Ｎ/ｍｍ^２程度のコンクリート柱に相当する鉛直荷重程度まで負担できる。

〔その他の変形例〕
以上、本発明の実施形態について説明したが本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
前記実施形態では、柱について説明したが、木質構造部材１の用途は柱に限定されるものではなく、例えば、梁であってもよい。
前記実施形態では、断熱板材４１および燃え代板材６１として平板を使用したが、断熱板材４１および燃え代板材６１は平板に限定されるものではない。例えば、図７（ａ）に示すように、断面視コ字状の成形木材を組み合わせることにより断熱木材層４または燃え代木材層６を形成してもよいし、図７（ｂ）に示すように、断面視Ｌ字状の成形木材を組み合わせることにより断熱木材層４または燃え代木材層６を形成してもよい。

１ 木質構造部材
２ 荷重支持部
３ 耐火被覆部
４ 断熱木材層
４１ 断熱板材
５ 遮断空気層
６ 燃え代木材層
６１ 燃え代板材
６２ 木ビス
７ 連結部材

Claims (2)

1. 荷重支持部と、前記荷重支持部の周囲に被覆された耐火被覆部と、を備える木質構造部材であって、
   前記耐火被覆部は、断熱木材層、遮断空気層および燃え代木材層で構成され、
   前記遮断空気層は、前記断熱木材層と前記燃え代木材層との間に複数の平面視矩形状あるいは平面視Ｌ字状の連結部材が介設されていることにより形成されていて、
   前記連結部材の一方の面は、前記燃え代木材層に接着されていて、
   前記連結部材の他方の面は、前記燃え代木材層の延焼および炭化の範囲が拡大した際には、前記連結部材とともに前記燃え代木材層が前記断熱木材層から脱落するように、前記断熱木材層に非接着状態で当接しており、
   前記断熱木材層、前記遮断空気層および前記燃え代木材層は、前記荷重支持部から外側に向って順に積層されてなることを特徴とする、木質構造部材。
2. 前記遮断空気層は、前記断熱木材層の外側の全周囲に形成されており、
   前記燃え代木材層は、複数の板材が積層されてなり、
   隣接する前記板材同士は、各板材の端部の位置をずらした状態で接合されていることを特徴とする、請求項１に記載の木質構造部材。

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