早大学位記番号:新8433早稲田大

伯耆原 智世

早稲田大学博士(工学)早大学位記番号:新8433doctoral thesi

Hokibara, Tomoyo

104180

伯耆原, 智世

Waseda University Repository

 早稲田大学大学院 創造理工学研究科     博 士 論 文 概 要       論  文  題  目   燃え止まり型木質耐火構造部材の 自消性能設計に関する研究 Control of the Self-extinguishability of Wood-based Protection Layers for Wooden Fireproof-Structural Elements       申  請  者  伯耆原  智世  Tomoyo  HOKIBARA  建築学専攻 建築防災研究      2019 年 12 月       No. 1  日本では、1998年に性能規定化を目指す建築基準法の改正が行われ、木質系材料についても、要求性能を満たせば、不燃材料や耐火建築物の構造部材にも使用できるようになった。木材の燃焼性状については、過去、長い間、化学分野や林業分野にて研究が進められてきた。しかし、木造で耐火建築物を実現しようとする場合に検証が必要な火災加熱終了後の自己消火（以下、自消）に関しては、いまだに不明瞭な点が多く、系統的な知見の整備が待たれている。耐火性能とは、「通常の火災が終了するまでの間、当該火災による建築物の倒壊及び延焼を防止するために当該建築物の部分に必要とされる性能」であり、建物の内部、外部で発生した火災に対して、火災終了後自然鎮火した後も自立することが求められる。特に、木質耐火構造部材では、構造部材自体が可燃物であるため、一度着火した場合でも構造支持部に引火せずに自消することが必要である。自消の有無には、加熱終了後の木材の赤熱燃焼の継続が大きく影響することが知られている。しかし、構造支持部を守る被覆層を厚くすれば加熱終了後の赤熱燃焼を誘発し、自消に至るとは限らないことが既往研究で把握されており、被覆層の設計と赤熱燃焼の継続の有無及び自消性状の関係の明確化が待たれている。建築基準法上、木造で耐火建築物を実現する方法には、木質材料による耐火構造部材で主要構造部を構成する設計と、耐火性能検証による設計の主に 2 通りがあるが、本研究では、汎用性が高いと考えられる木質耐火構造部材での設計をターゲットとし、その中でも部材断面全体を木質材料とする燃え止まり型を対象とする。燃え止まり型木質耐火構造とは、構造支持部の引火を防ぐために、その外側に燃え止まり層と、更に外側に燃えしろ層の 2 層の被覆を設けた耐火構造部材の総称で、本論文では、燃え止まり層に難燃薬剤を注入した木材とする他は、全て無処理の木材とする構成を想定している。本研究では、木材内部で起こる赤熱燃焼と自消性状の関係を定量的に明らかにしたうえで、火災加熱後の自消を確保するための被覆層の厚さや性能を明らかにしたい。対象樹種を、国内での需要拡大が最も望まれているものの、燃焼制御が困難で耐火木造の開発が遅れているスギとし、難燃薬剤処理木材に注入する難燃薬剤は最も汎用性の高い窒素リン酸系とする。 本論文は 5章より構成され、各章の概要を以下に述べる。  第１章「序論」では、日本における木造建築に関わる法整備やこれまでの木質耐火構造部材の開発・実現の状況を示し、本論文の目的と研究対象の位置づけを整理した上で、既往研究及び研究手順・構成を示した。本論文の研究対象である燃え止まり型木質耐火構造部材は、燃え止まり層に石こうやモルタル等の無機材料ではなく、難燃薬剤を注入した木材を用いることで、部材断面すべてを木質材料とすることが可能であるため、従来の集成材製造ラインで加工可能であり、他の構造部材より自重が軽く基礎や杭工事の負荷が軽減される等の施工上・設計上の利点を整理した。  第 2 章「木材平板の自消性状と難燃処理木材の難燃性能」では、これまで定量的な検討がほとんど行われていなかった木材の赤熱燃焼と自消の関係に見通しをつけるために、スギ平板を試験体として、コーンカロリーメータ試験装置を熱源とする定常加熱実験を行った。加えて、第 3 章以降の耐火試験の燃え止まり層に用いる難燃処理木材の難燃性能についても、難燃薬剤の注入量との相関関係を示した。これらの検討結果から、無処理木材が加熱された場合、自消に至るには、表面からの熱損失が大    No. 2  きな影響を与えることを明らかにした。表面から 20mm以上炭化すると、熱損失の影響は小さくなり、加熱終了後も赤熱燃焼が続き易いことを示した。これらより、無処理の木材単体では、耐火性能を確保することは困難であり、加熱終了後に赤熱燃焼を停止させる何らかの措置を講じる必要があることを明らかにした。以上から、木材平板を加熱した場合の自消は、表面からの熱損失に起因し、その自消の境界条件を定量的に明らかにした。以上、火災加熱を受けた後、無処理木材が表面からの熱損失で自消する材厚には限界があることを明らかにし、燃えしろ層のように厚い無処理木材を自消させるのに必要な非加熱面側の措置の条件を具体的に明らかにした。  第 3 章「燃え止まり型木質耐火構造部材における被覆層と自消の関係」では、1 時間耐火性能を目標とした燃え止まり型木質耐火構造部材の断面を模した試験体を製作し、小型耐火加熱試験及び実大梁耐火加熱実験を行った。本実験では、燃えしろ層厚さと燃え止まり層の難燃性能をパラメータとして、自消の達成の有無を確認した。この結果、自消に至った仕様があったことから、1時間耐火性能を持つ仕様の実現に見通しを得た。一方で、自消に至らなかった仕様から、加熱終了後も燃焼継続する要因を明らかにした。まず、燃えしろ層厚さが 10mmと薄い場合、薬剤注入量が難燃材料相当では自消せず赤熱燃焼が継続したことから、薬剤注入量が少ないと燃え止まり層への入熱の吸収不十分となり、赤熱燃焼を誘発しうる可能性があることを示した。次に、燃えしろ層厚さが 50mm と厚い場合、燃え止まり層の性能に関わらず、脱炉時に赤熱燃焼が継続した。燃え止まり層温度は 100℃にも満たずに加熱終了しているが、その後の炉内放置時には、燃え止まり層の内部温度は上昇して 195℃（難燃薬剤の分解温度）前後で停滞したことから、燃えしろ層が厚いと、表面からの熱損失の影響を受けにくい範囲が大きくなり、燃えしろ層深部の温度上昇の抑制と難燃薬剤による赤熱燃焼の持続の抑止の両面で不利になる場合があることを示した。以上より、自消を確実に達成するには、火災加熱中に燃え止まり層の表面が難燃薬剤の分解温度に達し、燃え止まり層の吸熱効果を発揮するように、燃えしろ層厚さを設計する必要があることを明らかにした。スギ集成材の燃え止まり層に窒素リン酸系の難燃薬剤を注入した場合、1 時間耐火性能を達成するための燃えしろ層厚さは 25mm程度であることを示した。これらより、火災加熱時間によって適切な燃えしろ層厚さが存在することを明らかにした。   第 4 章「要求耐火時間に依らない適正な燃えしろ層厚さ」では、今後さらに関心が高まるであろう木造の高層化に必要な、2時間以上の長時間木質耐火構造部材設計に対する課題及び解決法を提示した。第 3 章の結果から、無処理のスギ集成材を用いた燃えしろ層の厚さは、要求耐火時間ごとに適正値が存在すると考えられる。その値は、スギを例にすると、燃えしろ層厚さを 1時間耐火性能なら 25mm、2 時間耐火性能ならば 50mm程度が適切であるというように、要求耐火時間が長時間になるに従い厚くなる。一方で、実際の火災加熱は、要求されている耐火時間よりも短い可能性があるが、本来、耐火性能は、目標とする耐火時間より短い火災加熱を受けた場合でもその性能を発揮すべきである。ところが、火災加熱が要求耐火時間より短い場合、加熱中に燃え止まり層が薬剤分解温度に到達せず、火災後に却って燃えしろ層内での赤熱燃焼を誘発する可能性があることを明らかにした。これは燃えしろ層が実際の加熱時間に対して厚いために、加熱中に薬剤分解温度に達せず、加熱終了後には燃え    No. 3  しろ層深部で赤熱燃焼が持続しながら、その表面側では厚い炭化層が残存して熱損失を抑制するため、燃え止まり層に対して、却って薬剤の分解温度を超える加熱が長時間に渡り続くことが原因である。そこで本章では、スギ、薬剤処理スギで構成した燃え止まり型木質耐火構造部材の断面を模した小型試験体を用いて、要求耐火時間に依らない適正な燃えしろ層厚さを検討し、要求耐火時間よりも短い時間で加熱を受けた場合でも自消する燃えしろ層厚さが存在することを示した。スギにおいては、加熱時間および燃え止まり層の種類や性能に関わらず、自消する燃えしろ層の厚さは、25mm 以下であることを把握した。25mm までは木材表面からの熱損失により自消し、それ以遠は燃え止まり層の性能により自消する。燃え止まり層の種類によって性能発揮する温度帯が異なるため、その温度が低いほど加熱時間に依らず自消する燃えしろ層の厚さは厚くなる可能性がある。燃えしろ層は、加熱中に炭化が完了する範囲では難燃処理木材でなくても耐火性能に大きな影響がないことから、難燃薬剤処理木材の使用を最小限に抑えるには、燃えしろ層の無処理木材の厚さを加熱終了後に赤熱燃焼しない上限値とすることが、燃え止まり型木質耐火構造部材として最適な設計法と言える。以上から、要求耐火時間に依らない適正な燃えしろ層厚さを明らかにし、それを超えると火災加熱が目標耐火時間に達しない場合、却って必要な耐火性能を維持できなくなるという他の原理による耐火構造に見られない特質があることを明らかにした。  第 5 章「総括」では、本論文による知見の総括として、第４章までに行った実験結果から得られた木材の燃焼過程と加熱後の自消性状を整理した。さらに、本論文の成果をもとに燃えしろ層厚さと燃え止まり層の性能を設計した燃え止まり型木質耐火構造部材が国土交通大臣認定を取得し、実際の建築物への適用例を示した。  以上を通じて、本論文では、これまで明確に把握されていなかった木材の火災加熱終了後の自消条件を明確化し、燃えしろ層にスギ、燃え止まり層に窒素リン酸系の難燃薬剤処理したスギを用いた燃え止まり型木質耐火構造部材を対象として、1 時間及び 2 時間耐火仕様を明らかにした。これらにより、中・高層木造建築への活用を想定した木質耐火構造部材の設計法を誘導している。     Ｎｏ.1 早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書 氏 名  伯耆原 智世   印 （2019年 12月 現在） 種 類 別   題名、  発表・発行掲載誌名、  発表・発行年月、  連名者（申請者含む）   論文         講演 （発表）                         （○印は本論文を担う主要な業績を示す。）  ○ 燃え止まり型木質耐火構造部材における要求耐火時間に依らない適正な燃えしろ層厚さ，日本建築学会環境系論文集 第 84巻 第 761号，pp.607-614，2019年 7月，伯耆原智世・長谷見雄二・斉吉大河・高瀬椋・上川大輔・安井昇・宮林正幸  ○ 燃え止まり型木質耐火構造部材の工学的設計法に関する研究 小型試験に基づく燃えしろ・燃え止まり層の設計法の検討，日本建築学会環境系論文集 第 81巻 第 730号，pp.1065-1074，2016 年 12 月，山口智世・上川大輔・長谷見雄二・安井昇・高瀬椋・宮林正幸・鈴木淳一  ・ 石こう系材料を用いた燃え止まり型木質耐火構造に関する研究 1時間標準耐火加熱試験による燃えしろ層厚さと自消性状の関係の把握，日本建築学会大会学術講演梗概集（防火），pp181-182，2019年 9月，伯耆原智世・長岡勉・長谷見雄二  ・ 2時間耐火性能を有する燃え止まり型木質耐火構造に関する研究（その 1）適正な燃えしろ層厚さの把握，日本建築学会大会学術講演梗概集（防火），pp269-270，2018年 9月，山口智世・斉吉大河・長谷見雄二・上川大輔・高瀬椋・安井昇・遠藤智紀・渡辺秀太  ・ OPTIMIZATION OF THE WOOD-BASED FIRE PROTECTION LAYER─AN ENGINEERING APPROACH TO THE DESIGN OF FIRERESISTIVE BUILDING ELEMENTS BASED ON A SACRIFICE-LAYER CONCEPT, 15th World Conference on Timber Engineering（世界木質構造会議 2018），2018年 8月，Tomoyo YAMAGUCHI ・Yuji HASEMI・Daisuke KAMIKAWA・Jun-ichi SUZUKI  ・ 燃え止まり型木質耐火構造部材の工学的設計法に関する研究：その２実大部材への適用及び数値的設計手法の開発可能性の検証，日本建築学会大会学術講演梗概集（防火)，pp.109-110，2015年 9月，山口智世・長谷見雄二・安井昇・高瀬椋・板垣直行  ・ 木材の燃焼過程のモデル化に向けた熱物性値の把握, 日本建築学会大会学術講演梗概集(防火)，pp.155-156，2014 年 9 月，山口智世・小宮祐人・上川大輔・長谷見雄二・安井昇・宮林正幸  ・ 火災加熱される木質部材の熱分解・燃焼性状のモデル化に向けた基礎研究, 日本建築学会大会学術講演梗概集(防火)，pp.469-472，2013年 8月，山口智世・長谷見雄二・安井昇・小宮祐人・上川大輔・宮林正幸  ・ 木材の燃焼過程における吸発熱性状のモデル化に向けた基礎研究，日本建築学会関東支部研究報告集，pp613-616，2013 年 3 月，山口智世・長谷見雄二・小宮祐人・安井昇・上川大輔・宮林正幸      Ｎｏ.2 早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書  種 類 別   題名、  発表・発行掲載誌名、  発表・発行年月、  連名者（申請者含む） 講演 （連名）                           ・ 2 時間耐火性能を有する燃え止まり型木質耐火構造部材に関する研究 その 3 断面部位による加熱条件の不均一性を考慮した燃え止まり層の設計の検討, 日本建築学会大会学術講演梗概集(防火)，pp201-202，2019年 9月，斉吉大河・青山源・伯耆原智世・長谷見雄二・鈴木淳一  ・ 2 時間耐火性能を有する燃え止まり型木質耐火構造部材に関する研究 その 4 梁部材の隅角部を模した小型実験による全断面実験の再現，日本建築学会大会学術講演梗概集(防火)，pp203-204，2019年 9月，青山源・斉吉大河・伯耆原智世・長谷見雄二・上川大輔・高瀬椋  ・ 総木質燃え止まり型 2 時間耐火構造梁の開発研究-断面部位による加熱条件の不均一性を考慮した燃え止まり層の設計の検討-,日本建築学会関東支部研究報告集，pp641-644，2019年 3月，青山源・斉吉大河・伯耆原智世・長谷見雄二・上川大輔・高瀬椋  ・ 2 時間耐火性能を有する燃え止まり型木質耐火構造部材に関する研究(その 2)適正な燃えしろ層厚さに対応した燃え止まり層の必要性能の検討,日本建築学会大会学術講演梗概集(防火)，pp271-272，2018年 9月，斉吉大河・山口智世・長谷見雄二・上川大輔・高瀬椋・安井昇・遠藤智紀・渡辺秀太  ・ 2 時間耐火性能を有する燃え止まり型木質構造部材に関する研究-設計耐火時間より短時間の火災加熱での赤熱燃焼を制御できる燃えしろ・燃え止まり層の検討-，日本建築学会関東支部研究報告集，pp669-672，2018 年 3 月，斉吉大河・山口智世・長谷見雄二・上川大輔・高瀬椋・安井昇・遠藤智紀・渡辺秀太  ・ Development of Wood-based “Fireproof” Buildings in Japan,14th World Conference on Timber Engineering（世界木質構造会議 2016），2016年 8月，Yuji HASEMI・Naoyuki ITAGAKI・Tomoyo YAMAGUCHI  ・ 燃え止まり型木質耐火構造部材の工学的設計法に関する研究：その１木材の自消条件から見た燃えしろ・燃え止まり層の最適設計，日本建築学会大会学術講演梗概集(防火)，pp139-142，2015年 9月，高瀬椋・山口智世・上川大輔・長谷見雄二・安井昇・宮林正幸  ・ 燃え止まり型スギ耐火部材の適正設計に関する基礎研究：赤熱燃焼の定性的な予測とモデル化手法に関する検討，日本建築学会関東支部研究報告集，pp673-676，2015年 3月，高瀬椋・山口智世・上川大輔・長谷見雄二・安井昇・宮林正幸   

燃え止まり型木質耐火構造部材の自消性能設計に関する研究

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Control of the Self-extinguishability of Wood-based Protection Layers for Wooden Fireproof-Structural Elements

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