平成 26 年度に終了した研究開発【運営費交付金による研究開発】

３）－２ 耐火試験環境下における熱拡散率の実効値の把握と同値を用いた設計条件下での耐火性能の推定に関する研究【基盤】
Study on Engineering Calculation Method for Fire Resistance of Wall with Different Thicknesses（研究期間平成 25～26 年度）

防火研究グループ

水上点晴

吉田正志

増田秀昭

茂木武

Dept. of Fire Protection Engineering

Tensei Mizukami

Masashi Yoshida

Hideaki Masuda

Takeshi Motegi

In the long history of prescriptive fire safety design, the database of structural fire resistance (FR) ranked by FR test has been
compiled. On the other hand, Performance-based fire safety design (P-b FSD) allows assuming different fire scenarios depending
upon the design conditions of a space and fire load, and the structural response under certain fire condition is estimated by computermodel. It sounds like efficient process, but in reality, it requires detailed thermo-physical properties which are measured byseparately setting up a steady-state, linear flow of heat through the materials to apply Fourier’s equation. Moreover, it is different
from those in realistic fire conditions and not enough to evaluate the effect of cracking and ablation.
In this research, a simple equation is proposed to evaluate the FR under designed conditions. The key parameter, thermal diffusivity,
can be obtained as temperature-dependent effective value including the effect of cracking and ablation by existing FR test result
using the same equation.
上記で求めた熱拡散率の実効値を用いて、材料毎の［研究目的及び経過］必要被覆厚を推定する手法を提案した。推定値を耐火試

防火被覆材として用いられる材料は、多岐に渡っている。これは建築部材の表面に露出することが多く、経済験結果と比較して推定手法の妥当性を検証した。

性はもちろんのこと、意匠性や調湿などの機能性もその［研究結果］選択に影響するためである。火災からの熱を遮るという

１）熱物性値の測定手法の開発

耐火性の観点からは、被覆厚を増せばそれだけ高い効果

本研究ではまず、耐火構造の既認定仕様の構成材料が得られることが多い。ただし熱伝導性は材料によってについて、9 割を超える仕様で、石膏ボードの使用を確異なるほか、材料が含む水分量や熱に対する劣化のしや認した。次にこれらの被覆材に共通な材料物性を特定すすさも関係するため、同じ耐火性能を得るために必要なるため、石膏ボードの小規模加熱実験を行い、材料内部被覆厚は、用いる材料によって異なる。の熱伝導に加え、水和物による蒸発潜熱と、無機繊維お性能的耐火設計法では、建物の設計条件に応じて算定よび骨材による収縮防止が、耐火性能に寄与しているこされる加熱条件に耐えうるよう、部材の防火被覆厚を算とを確認した（図２）。これに対し、少量のサンプルを定する必要がある。算定手法としては様々なものが開発試験体とし、定常状態で加熱する既存の材料分析手法でされているが、入力値として、対象とする部材の熱物性は、亀裂や脱落などの形態変化の影響を評価できない。

値を必要とする点は同じである。しかしその測定手法がTemp1200
80 DTA(μV)(℃) 100060統一されておらず、またその信頼性にも問題があった。
本研究では、まず部材レベルでの熱物性値の測定手法

800を開発し、同値を用いた必要被覆厚推定手法を提案する。

40［研究内容］

20-10-30TEMP（℃）-40

TG: GB-F(V)(%)

200-50存の測定手法における問題点を整理した。代替測定手法-20として、非定常状態での熱物性値を把握するため、理論-400

実効値を測定し、その有効性を確認した。

00400

構築を行った。実際に数種の材料について、熱拡散率の10-20Sample size: 5～30mg

600

耐火性能に寄与する材料物性値の測定について、既TG(％)

0-60
2000 4000 6000 8000 10000

TG: GB-F(%)
DTA: GB-F(V)(μV)
DTA: GB-F(μV)

図 1 既存測定手法（図 2 の性能差が表れない）- 11 -平成 26 年度に終了した研究開発【運営費交付金による研究開発】
表 1 実効熱拡散率（140K 温度上昇時）
上から順に、材料

組成式

等価含水率

実効熱拡散率x10-6 [m2/s]

石膏ボード

CaSO 4 ･2H 2 O

0.270.29

ケイカル板(A 社)

Ca 5 ・(Si 6 O 18 H 2 ）・
4H 2 O0.12①無機繊維0.2％ 無機骨材0％②無機繊維0.2％ 無機骨材2.5％④無機繊維0.4％ 無機骨材0％③無機繊維0.4％ 無機骨材2.5％

ケイカル板(B 社)

0.280.36２）耐火性能の推定と妥当性の検証
得られた熱拡散率の実効値を用いて、材厚・含水率の水分蒸発による温度停滞異なる材料条件下における、耐火性能の推定を行った。
また、それらの材料条件を変化させた耐火試験を行い、比較した結果を図４に示す。簡易予測式は実験結果と良
図 2 水分蒸発と亀裂が耐火性能に及ぼす影響い一致を見せ、その妥当性を示すことができた。

そこで、面材のままで非定常状態における熱物性値

Required thickness (mm)の把握を目的として、半無限固体の熱伝導理論解に着目した。これを水分を含んだ壁に適用可能な形へと修正し、実効熱拡散率の算定式を提案した（図３）。同式を用いて、標準加熱曲線下での熱拡散率の実効値を測定した結果を表に示す。同じ材料でも、実効熱拡散率の値が異なる結果が得られ、亀裂が熱伝導に及ぼす影響を評価することができた。
単層不燃壁の解析的な取扱い
乾燥部分

含湿部分

無次元温度上昇：ΔT(x,t)/ΔTf

50454035302520151050

Gypsum board: Type-F(V)CaSO4･2H2O
Equivalent φe=0.27
Effective αe=0.29x10-6

Proposed equation
Experimental data
Input data
020406080
Design FRT (min.)100120③水分蒸発による温度上昇遅延効果④含湿壁の非定常温度分布
 ΔT(x, t ) x 
f =  φ,ΔTf 2 αt 

ΔTv/ΔTf①蒸発到達点ξφ(解析解の得られる特異点）④含湿壁x

フーリエ数：2 αt②乾燥壁 － ③水分蒸発による温度上昇遅延効果∆Tv  x∆Twet ( x, t )1  x = erfc
 −
erfc(ζ φ ) −ζ φ 
∆T f  2 αt
∆T f
 2 αt ①蒸発到達点C w (T f − Tv ) 1
 + 0.81
 2 Lwφ + C w (Tv − T0 ) ξ φ = 0.26 log e 

Required thickness (mm)

②乾燥壁の非定常温度分布（半無限固体の熱伝導理論解）

Calsium silicate board
Ca5・ (Si6O18H2）・4H2O
Equivalent φe=0.12αe(Company A)=0.28x10-6αe(Company B)=0.36x10-650454035302520151050

Proposed equation (A)Experimental data (A)Input data (A)Proposed equation (B)Experimental data (B)Input data (B)2030405060
Design FRT (min.)

010

図５

耐火性能推定値と実験値の比較

実効熱拡散率の算定式

 {∆T f − ∆T (x, t )} ∆T ( x, t )   − erfc −1  ∆Tv  − ξφ  ⋅ (∆T f − ∆Tv )  ∆T f  ∆T f  

α = erfc −1 −2 x 
2 t 

2［参考文献］
1）T. Mizukami，Simple calculation method for estimating
thermal resistance of wall under designed conditions, Fire

図 3 非定常状態での熱物性値算定手法

Technology- 12 -