(57)【要約】【課題】木製軸組部材を構成する木材の試験体について小規模な燃焼試験を行うだけで、精度の良い非損傷性の検証を効率良く行うことのできる木製軸組部材の非損傷性検証方法を提供する。【解決手段】木製軸組部材として、例えば木造耐力壁を構成する柱の燃焼後の非損傷性を検証するための非損傷性検証方法であって、木製軸組部材の原材料の木材に対して加熱実験を行って、所定の温度における木材の変色状況を予め把握しておき、原材料の木材における内部温度の上昇と構造耐力の低下との相関関係を予め把握しておき、木製軸組部材を構成する木材の試験体について燃焼試験を行った後、該試験体の所定の断面において、炭化部分を除くと共に、測定された木材の変色部分から温度上昇範囲を設定し、内部温度の上昇と構造耐力の低下との相関関係から内部温度の上昇による構造耐力の低下を考慮して、木製軸組部材の燃焼後の非損傷性を検証する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱、梁等の木製軸組部材の燃焼後の非損傷性を検証するための木製軸組部材の非損傷性検証方法であって、
前記木製軸組部材の原材料の木材に対して加熱実験を行って、所定の温度における木材の変色状況を予め把握しておき、
前記木製軸組部材の原材料の木材における内部温度の上昇と構造耐力の低下との相関関係を予め把握しておき、
前記木製軸組部材を構成する木材の試験体について燃焼試験を行った後、該試験体の所定の断面において、炭化部分を除くと共に、測定された木材の変色部分から温度上昇範囲を設定し、前記相関関係から内部温度の上昇による構造耐力の低下を考慮して、前記木製軸組部材の燃焼後の非損傷性を検証する木製軸組部材の非損傷性検証方法。
【請求項２】
燃焼後の非損傷性が検証される前記木製軸組部材が柱であり、前記内部温度の上昇によって低下する構造耐力が、座屈耐力である請求項１記載の木製軸組部材の非損傷性検証方法。
【請求項３】
前記木製軸組部材の原材料が、ヒノキ、スギ、ベイマツ、又はＳＦＰ（スプルース・パイン・ファー）である請求項１又は２記載の木製軸組部材の非損傷性検証方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木製軸組部材の非損傷性検証方法に関し、特に柱、梁等の木製軸組部材の燃焼後の非損傷性を検証するための木製軸組部材の非損傷性検証方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
木材は、その表面が着火・炭化すると、燃焼部分に炭化層が形成される。この炭化層は、木材の燃焼に必要な酸素の供給を遮断すると共に、炭化層の内側にある健全部分を高温加熱から守る断熱性を備えることになる。また、木材自体の熱伝導率は、例えばコンクリートの約１／１０と小さく、木材は気乾状態でもかなりの量の水を含んでいることから、断面がある程度大きい木材では、燃焼がその深部まで及ぶにはかなりの時間を要することになる。
【０００３】
さらに、木材は、その表面が一定の加熱を受けたときに、内部の温度上昇が表面側から中心側に向けて小さくなるようにバラツクことが判明しており、また内部の温度上昇に伴って構造耐力が低下することも判明している（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
一方、例えば木造耐力壁の防耐火性能の評価は、例えば１階分の高さの試験用壁体に所定の荷重を載荷した状態で耐火加熱し、所定の時間、遮熱性、遮炎性及び非損傷性が、夫々の許容限界を超えないかどうかを確認することによって行われているが（実大載荷加熱試験）、このような耐火加熱試験を行う施設を設けることのできる地域が限られるうえに、その費用や労力の負担も大きいことから、小規模な実験や計算等によって防耐火性能を効果的に予測できるようにすることが望まれている。
【０００５】
そして、例えば軸組木造建築物の壁の防耐火性能については、一般に遮熱性、遮炎性及び非損傷性のうち、特に非損傷性に支配されるものと考えられ、また例えば軸組木造真壁の非損傷性は火炎加熱による柱の座屈に支配されると考えられることから、柱のみを試験体とする圧縮試験によって防耐火性能を予測する方法が考えられる。このような方法として、例えば木造真壁の耐火加熱時の非損傷性について予想される、耐火加熱後の力学的状態を再現した柱の試験体を作成すると共に、作成した試験体に対する圧縮実験によって得られた結果から、オイラーの座屈荷重式に一定の係数をかけることで、下記の式（１）によって、防火３０分や準耐火４５分の真壁柱の座屈荷重を予測する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
【数１】
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【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「木造建築の防火設計」中村覧一・山田誠著、１９９８年１０月、産調出版発行
【非特許文献２】「木造真壁の耐火性能予測」清水真理子他、日本建築学会構造系論文集第６１１号Ｐ１６５−１７０、２００７年１月、社団法人日本建築学会発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献２の木造真壁の耐火性能予測では、例えば加熱後４５分の炭化深さを３０ｍｍと仮定し、加熱面正面と両側面の３方向からその炭化深さ分の断面を削ると共に、燃焼している柱内部の温度分布を、炭化端（未炭化の加熱側最外部）からの深さ毎に設定し、設定された温度分布の等温線で囲まれた各範囲でのヤング係数残存率を各断面の断面積の減少分に置き換えて、柱の燃えこみを想定した試験体の断面設計を行うようになっているが、このように柱の燃えこみを想定した断面について予測計算をしても、実際の実大載荷加熱試験において想定したものとは異なる燃えこみが柱に生じた場合には、試験結果が合格であれ不合格であれ、予測が正しかったかどうかの判断がつき難い。また、計算の最初に耐火加熱時の燃えこみの状態を想定するときは、炭化位置や温度上昇位置を単純化すると共に、安全をみて不利側のモデルに設定することが常であったため、仕様の実力値が分かり難く、また精度の良い非損傷性の検証を行うことが難しかった。
【０００９】
本発明は、実大載荷加熱試験を行うことなく、木製軸組部材を構成する木材の試験体について小規模な燃焼試験を行うだけで、精度の良い非損傷性の検証を効率良く行うことのできる木製軸組部材の非損傷性検証方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、柱、梁等の木製軸組部材の燃焼後の非損傷性を検証するための木製軸組部材の非損傷性検証方法であって、前記木製軸組部材の原材料の木材に対して加熱実験を行って、所定の温度における木材の変色状況を予め把握しておき、前記木製軸組部材の原材料の木材における内部温度の上昇と構造耐力の低下との相関関係を予め把握しておき、前記木製軸組部材を構成する木材の試験体について燃焼試験を行った後、該試験体の所定の断面において、炭化部分を除くと共に、測定された木材の変色部分から温度上昇範囲を設定し、前記相関関係から内部温度の上昇による構造耐力の低下を考慮して、前記木製軸組部材の燃焼後の非損傷性を検証する木製軸組部材の非損傷性検証方法を提供することにより、上記目的を達成したものである。
【００１１】
そして、本発明の木製軸組部材の非損傷性検証方法は、燃焼後の非損傷性が検証される前記木製軸組部材が柱であり、前記内部温度の上昇によって低下する構造耐力が、座屈耐力であることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の木製軸組部材の非損傷性検証方法は、前記木製軸組部材の原材料が、ヒノキ、スギ、ベイマツ、又はＳＦＰ（スプルース・パイン・ファー）であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の木製軸組部材の非損傷性検証方法によれば、実大載荷加熱試験を行うことなく、木製軸組部材を構成する木材の試験体について小規模な燃焼試験を行うだけで、精度の良い非損傷性の検証を効率良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】木製軸組部材の原材料の木材における内部温度の上昇と構造耐力（残存耐力）の低下との相関関係を説明するチャートである。
【図２】燃焼後の試験体から木製軸組部材の非損傷性を検証する手順を説明するフローチャートである。
【図３】実施例において実大載荷加熱試験に用いた試験用壁体の、（ａ）は部分破断正面図、（ｂ）は垂直断面図、（ｃ）は水平断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、実施例において実大載荷加熱試験に用いた試験用壁体における燃焼後の柱を試験体として、本発明の検証方法によって非損傷性を検証する状況を説明する、図３（ｃ）のＡ部の断面図及び等価断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の好ましい一実施形態に係る木製軸組部材の非損傷性検証方法は、木製軸組部材として、例えば真壁造の木造耐力壁を構成する柱について、火災加熱を受けても建物を支える荷重に耐え、構造耐力上支障のある変形、溶融、破壊、その他の損傷を生じない性能である非損傷性を検証する方法として採用されたものである。すなわち、例えば柱を現した真壁造の木造耐力壁の防耐火性能の評価は、遮熱性、遮炎性及び非損傷性のうちの非損傷性に支配されるものと考えられ、また真壁造の木造耐力壁の非損傷性は、火炎加熱による柱の座屈に支配されるものと考えられることから、上述の式（１）のオイラーの座屈荷重式に基づいて火災加熱後に予想される座屈荷重を算出することによって、木製軸組部材の非損傷性を検証するようにしたものである。
【００１６】
また、本実施形態の木製軸組部材の非損傷性検証方法は、木製軸組部材を構成する木材の試験体について燃焼試験を行って、実際に残存した断面における燃えこみ、炭化、変色状態から温度分布や強度分布を割り出すことにより、節穴、乾燥割れや、その他の様々な要因によって不規則な燃えこみが生じた断面に対しても、これらの影響を含んだ実際の残存耐力として、非損傷性を精度良く検証することを可能にするものである。
【００１７】
そして、本実施形態の木製軸組部材の非損傷性検証方法は、木製軸組部材として、例えば真壁造の木造耐力壁を構成する柱の燃焼後の非損傷性を検証するための検証方法であって、木製軸組部材の原材料の木材に対して加熱実験を行って、所定の温度における木材の変色状況を予め把握しておき、木製軸組部材の原材料の木材における内部温度の上昇と構造耐力の低下との相関関係を予め把握しておき、木製軸組部材を構成する木材の試験体について燃焼試験を行った後、該試験体の所定の断面において、炭化部分を除くと共に、測定された木材の変色部分から温度上昇範囲を設定し、上述の内部温度の上昇と構造耐力の低下との相関関係から内部温度の上昇による構造耐力の低下を考慮して、木製軸組部材の燃焼後の非損傷性を検証するようになっている。
【００１８】
また、本実施形態では、木製軸組部材が柱であることから、内部温度の上昇によって低下する構造耐力として、座屈耐力を介して非損傷性を検証するようになっている。
【００１９】
本実施形態では、柱を構成する木材の試験体について燃焼試験を行うのに先立って、柱の原材料の木材に対して加熱実験を行って、所定の温度における木材の変色状況を予め把握しておく。すなわち、柱の原材料の木材として、好ましくはヒノキ、スギ、ベイマツ、又はＳＦＰを、例えば巾１０５ｍｍ、厚さ５２ｍｍ、長さ５００ｍｍ程度の変色試験体として裁断して、例えば電気炉の内部に配置し、例えば１００℃、１５０℃、１８０℃、２２０℃、及び２５０℃の温度で、各々加熱温度と木材温度とが等しくなるまで例えば２〜７時間程度加熱して変色させた後に、電気炉から取り出す。取り出したこれらの変色試験体は、後述する燃焼試験を行った後の試験体の所定の断面において、変色部分から温度上昇範囲を設定する際の色見本として使用する。
【００２０】
また、本実施形態では、柱を構成する木材の試験体について燃焼試験を行うのに先立って、柱の原材料の木材における内部温度の上昇と、構造耐力の一要因として、例えばヤング係数の低下との相関関係を予め把握しておく。このよう木材における内部温度の上昇とヤング係数の低下との相関関係は、例えば上述の非特許文献１の記載内容から容易に把握することができる。例えば上述の非特許文献１の第４０頁の表３−３に記載された弾性係数（ヤング係数）と破壊荷重の残存率（％）の結果から、図１に示すような内部温度と残存耐力との関係を得ることができる。
【００２１】
そして、図１に示す内部温度と残存耐力との関係から、図１に示す近似線を描くことができ、またこれによって、表１に示すような、断面位置とヤング係数との関係を得ることができる。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
さらに、本実施形態では、柱を構成する木材による、例えば縦横１０５ｍｍ、長さ５００〜３５００ｍｍ程度の大きさの４角柱形状を有する試験体について、実際の火災加熱を想定した例えばＩＳＯ８３４による標準加熱などの条件で燃焼試験を行った後に、あるいは実際の火災による被害を受けた後に、図２に示す残存断面から非損傷性を検証する方法の手順に従って、燃焼後の試験体の所定の残存断面から、柱の非損傷性を検証する。
【００２４】
すなわち、ＳＴＥＰ１において、燃焼後の試験体における検証したい部分の断面を採取した後に、ＳＴＥＰ２において、採取した断面の炭化部分（黒色で容易に剥落する部分）と変色部分（炭化はしていないが、健全部分と色の差異が認められる部分。上述の変色試験体による色見本によれば、例えば目視で判別がつく変色はおよそ１５０〜１８０℃の範囲で発生し、往々にして黄色や茶褐色を有している。）を測定し、これらを手がかりとして温度の上昇範囲を設定すると共に、温度分布を設定する。
【００２５】
ここで、上述の非特許文献１により、木材が一定時間、加熱を受けた時の内部温度のバラツキの状況はわかっていて、例えばＩＳＯ８３４の標準加熱曲線に準拠した加熱を直接３０〜４５分受けると、炭化端（炭化部分の炭を落とした断面縁）から変色部分を含めたおよそ３０ｍｍ以内の範囲で温度上昇が認められ、炭化端に近いほどその値は大きくなっている。これらのデータを利用すると、目視確認できる炭化部分や変色部分を基準に、それらの離隔距離に応じて温度上昇範囲の設定を行うことが可能になる。
【００２６】
次に、ＳＴＥＰ３において、温度分布と木材の高温時強度とを照合して、強度分布を設定する。すなわち、上述の非特許文献１から得られた図１に示す内部温度と残存耐力との関係によれば、木材は温度上昇に伴ってその構造耐力が低下することは明らかであり、これをＳＴＥＰ２で設定した温度上昇範囲と合わせると、採取した断面内の強度分布を設定することが可能になる。
【００２７】
さらに、ＳＴＥＰ４において、採取した断面内の部分的な強度の低下を断面積の低下に置き換えて積算することにより、等価断面を算出する。ここで、材料の強度は、一般的に弾性係数（ヤング係数）Ｅと断面二次モーメントＩを使用した剛性ＥＩで表され、オイラーの長柱の座屈荷重式においても、座屈荷重式はＥＩに比例しているため、非損傷性はこのＥＩの大きさによって評価することができる。矩形断面ではＥＩ＝Ｅｂｈ3／１２（ｂ＝弱軸方向の幅、ｈ＝強軸方向の幅）であり、全ての断面は微小な矩形断面の集まりと考えると、各微小断面で温度上昇により減少したＥはそれぞれの断面積ｂｈの減少に置き換えることができる。このようにして温度上昇により強度低下した断面部分についてはその断面積を減少させて積算すると、力学的に等価な等価断面を得ることが可能になる。
【００２８】
さらにまた、ＳＴＥＰ５において、等価断面の断面二次モーメントに基づいて非損傷性の検証を行う。すなわち、等価断面の断面二次モーメントＩtを算出して、その大きさや中立軸と載荷点との離隔距離、縁応力度等の関係から、多様な部材の非損傷性を評価することが可能になる。なお、木造真壁造の防火構造３０分や準耐火構造４５分については、上述の式（１）の予測式が存在するため、50%ＩkにＩtを入力することにより、直接、加熱中に耐えうる座屈荷重を知ることが可能になる。
【００２９】
そして、上述の構成を有する本実施形態の木製軸組部材の非損傷性検証方法によれば、実大載荷加熱試験を行うことなく、柱を構成する木材の試験体について小規模な燃焼試験を行うだけで、精度の良い非損傷性の検証を効率良く行うことが可能になる。
【００３０】
すなわち、本実施形態によれば、木製軸組部材の原材料の木材に対して加熱実験を行って、所定の温度における木材の変色状況を予め把握しておき、木製軸組部材の原材料の木材における内部温度の上昇と構造耐力の低下との相関関係を予め把握しておき、木製軸組部材を構成する木材の試験体について燃焼試験を行った後、該試験体の所定の断面において、炭化部分を除くと共に、測定された木材の変色部分から温度上昇範囲を設定し、上述の内部温度の上昇と構造耐力の低下との相関関係から内部温度の上昇による構造耐力の低下を考慮して、木製軸組部材の燃焼後の非損傷性を検証するようになっているので、柱を構成する木材の試験体について小規模な燃焼試験を行って、実際に残存した断面における燃えこみ、炭化、変色状態から温度分布や強度分布を割り出すことにより、非損傷性を精度良く検証することが可能になる。
【００３１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々の変更が可能である。例えば燃焼後の非損傷性が検証される木製軸組部材は、真壁造の木造耐力壁の柱である必要は必ずしも無く、その他柱や、梁、土台等の木製軸組部材であっても良い。また、木製軸組部材の原材料は、ヒノキ、スギ、ベイマツ、又はＳＦＰである必要は必ずしも無く、その他の種々の木材であっても良い。
【００３２】
以下、実施例により、本発明の木製軸組部材の非損傷性検証方法をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３３】
〔実施例〕
図３（ａ）〜（ｃ）に示す実大規模の間仕切り壁に対して実大載荷加熱試験を行うと共に、燃焼後の柱を試験体として採取して、非損傷性の検証を行った。間仕切り壁の外寸はＨ３２００（柱のみ３２３０）×Ｗ３０００ｍｍとし、１０５ｍｍ角の柱を中央に配置した。柱の両側面には１０５×７５ｍｍの補助材を柱と一体となって動くようにエポキシ樹脂系接着剤で接合した。柱も補助材もいずれもＥＷＳＰＦ（Ｅ９５−Ｆ３１５）を使用した。壁面は両面とも強化石膏ボード１２．５ｍｍ仕上げとし、加熱側は真壁納まり、非加熱側は大壁納まりとした。
【００３４】
燃焼方法としては、（財）建材試験センターの「防耐火性能試験・評価業務方法書」に従い、ＩＳ０８３４に準拠した過熱を４５分間行った。載荷荷重は柱材の長期許容応力度に相当する荷重２７．７５ｋＮ（座屈長さＬ＝３２３０ｍｍ、基準強度Ｆｃ＝２６．３Ｎ／ｍｍ2）とした。測定項目は試験体温度、軸方向収縮量とし、さらに、試験後の柱を異なる３箇所で切断してその断面の炭化、変色状態を調査した。
【００３５】
試験結果としては、下記の性能評価機関の評価項目に従って、遮炎性、遮熱性、及び非損傷性を評価したところ、これらの全ての規定値を満足し、準耐火構造４５分の性能を確認することができた。非損傷性については、さらに、後述するように残存断面からもその性能の確認を行った。なお、注水消火の開始時間は加熱を終了した４分後であった。
遮炎性の確認→裏面への火炎貫通なし
遮熱性の確認→最高裏面温度：１１１℃（規定値１５７℃）、
最高平均裏面温度：８６℃（規定値１９７℃）
非損傷性の確認→最高軸方向収縮量：０．４５ｍｍ（規定値３２．３ｍｍ）、
収縮速度：０．１５ｍｍ／分（規定値９．６９ｍｍ／分）
【００３６】
残存断面から非損傷性を検証する方法として、図４（ａ）〜（ｃ）に、実験終了後に柱を異なる位置で切断した３種類の残存断面の写真と、残存断面から得られる等価断面図を示す。図４の写真を見ると、炭化して断面欠損した部分は明らかで、その炭化端から５ｍｍ程度内側の範囲で変色が生じていた。上述のとおり、３０分や４５分の耐火加熱を受けると炭化端から３０ｍｍの間では伝熱による温度上昇が生じ、そのうち１５０〜１８０℃以上に達したものは変色し、さらに、一般的に木材の着火温度といわれる２４０〜２６０℃以上に達すると炭化が進行していくことがわかっている。これらを踏まえて図１に示した木材の内部温度と残存耐力との関係を合わせると、断面位置と弾性係数（ヤング係数）の関係を表１のように近似的に設定でき、設定した弾性係数の低下率を断面積の低下率におきかえて積算して等価断面を得ることができる（図４（ａ）〜（ｃ）の下図）。
【００３７】
等価断面には、燃焼後も柱に強固に密着したままであった補助材も加えて算出した。この柱と補助材を合わせた断面二次モーメントＩtを算出すると、断面ＡはＩt＝５６２ｃｍ4、断面ＢはＩt＝５４５ｃｍ4、断面ＡはＩt＝４４９ｃｍ4という結果が得られた。この値と、他の、座屈に関わるパラメータで実大試験時に用いた値（強度Ｅ９５−Ｆ３１５の１０５ｍｍ角の柱材としてＥ＝９５ｔｆ／ｃｍ2、Ｌ＝３２３０ｍｍ）を上述の真壁の耐火性能予測式［１］に入力すると、予想される座屈荷重50%Ｐkが断面Ａは３４．１ｋＮ、断面Ｂは３３．０ｋＮ、断面Ｃは２７．２ｋＮで、断面Ａと断面Ｂは実際に試験時に積荷された長期許容応力度に相当する荷重２７．７５ｋＮを上回る値となった。一方、断面Ｃは長期許容応力度に相当する荷重２７．７５ｋＮを２％ほど下回っていたが、算出に用いた式［１］の中の端末条件係数Ｋは引用文献の中で実験の平均値をとって０．８３としていて、さらにその標準偏差は０．１１と読み取れるため、このようなＫを用いた式［１］には１３％程度の誤差が生じる可能性があると考えられた。このため断面Ｃの不足分は誤差範囲に含まれ、非損傷性確保に必要な断面は保有していたといえる。
【００３８】
以上の方法によって、準耐火４５分加熱において、残存断面から表１の設定値を利用して等価断面の断面二次モーメントを算出することで、非損傷性を検証することができた。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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