JP6951840B2 - 木質構造部材 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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/(m2・K)とした。板材は全てカラマツ材を想定し、密度は539kg/m3、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P1)の温度を用いた。
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。
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。
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/mm2、引張強度は85N/mm2、せん断強度8N/mm2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/mm2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。
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。
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)
- 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。 - 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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