ＢＲＩ−Ｈ１７講演会テキスト

木材を利用した耐火構造の技術開発
防火研究グループ

目Ⅰ

はじめに

Ⅱ

「木質複合建築構造技術の開発」

上席研究員

萩原一郎

次

１）技術開発プロジェクトの研究目的
２）防火分野の目標
３）耐火試験方法と耐火構造の部材開発
４）研究成果Ⅲ「木質複合建築構造技術の開発フォローアップ」
１）フォローアップの研究目的
２）接合部、詳細部の耐火性能
３）実大火災実験
４）実大火災実験の結果

Ⅳ

結語

Ⅰ はじめに

ここでは、総合技術開発プロジェクト「木質複合建築構造技

我が国では、木造建築物に対する愛着は根強い。従来、木材術の開発」（平成 11〜15 年度）、および当所で実施した「木質複では大断面部材の供給が困難であり構造材料としての限界、お合建築構造技術の開発フォローアップ」（平成 16〜17 年度）によび火災時の防火性、避難安全性、都市大火を誘発する市街地おける防火関係の研究成果を報告する。

火災等に対する法令上の規制があり、木材の利用は、住宅などの小規模建築物に限定される傾向があった。しかし、建設省総Ⅱ 「木質複合建築構造技術の開発」

合技術開発プロジェクト「新木造建築技術の開発」（昭和 61〜平１）技術開発プロジェクトの研究目的

成 2 年）による木製防火戸等の部材開発、木造３階建て共同住

従来、木材では大断面の構造部材の供給は困難であったが、宅および燃え代設計基準等々の技術開発により、建築基準法の近年、エンジニアリングウッド（集成材に代表される工業化木防火規定が改正された結果、一定の性能を有する木造建築物の質構造用材料）等の開発が行われ、大型部材の製造が可能とな建築が可能となり木材の有効活用の道が開かれた。ただし、こった。また、建築基準法の改正により、木材に対する従来の厳れらは防火木造、準耐火建築物に制限されてきた。２０００年

しい規制が緩和され、木材でも要求される性能を満たすことにの建築基準法の改正では建築基準法に性能基準が導入され、合より防火基準に適合させることが可能となった。すでに旧建築理的かつ自由度の広い防火設計が可能となり、建設省（後に国基準法第 38 条に基づく大臣認定により、木質構造によるドーム土交通省）総合技術開発プロジェクト「木質複合建築構造技術など、いくつかの大規模な木造構造物が建設されていたが、改の開発」（平成 11〜15 年度）において検討されてきた木材と他正された建築基準法では、これらの特殊なものだけではなく、の鉄骨、コンクリート等を複合した木質ハイブリッド部材を利一般的な建築物にも木材の利用可能性が拡大している。

用した耐火建築物が実現可能となった。

技術開発プロジェクトでは、これまでに主として構造、及び

1

防火分野で開発されてきた要素技術に加え、

２）防火分野の目標①木質材料と他の材料を複合化した木質ハイブリッド部材、防火分野では、次の 3 項目を目標とした。

②木材と木材を他の材料により接合した木質ハイブリッド接①市街化区域（防火地域、準防火地域等）で、5 階建て以上の木合部、並びに木材と他の材料のハイブリッド接合部、質ハイブリッド構造の事務所ビル、都市型ホテル、及び共同住③木造と他の構造を複合化した木質ハイブリッド構造

宅等が、本プロジェクト終了時（現行建築基準法に適合）に建といった高性能でかつ信頼性の高い要素技術を開発するととも築可能となるような構造方法を見いだすとともに、性能に基づに、設計自由度の高い 2 方向ラーメン構造等を一般化し、中層く評価法を開発する。

事務所や大規模、大空間の木質構造建築物を構造的及び防火的②構造造分科会で検討されている各種構造に対して、防火規制に可能とすることを目的とした。木質ハイブリッド構造の普及の観点からの実現可能性を評価し、本プロジェクト終了時まで促進を促すことになるとともに、開発技術の応用により、既存に建築可能な構造方式を選択する。

木造建築物の補強に資することが期待でき、木質構造の新たな③木質ハイブリッド構造の普及に関して、将来の法令改正等に産業基盤の発掘、さらには木材を基盤とする地域産業の活性化役立つ資料を整備し、具体案を提言する。に貢献できる。また、木材の利用促進は二酸化炭素の削減、地球温暖化の防止にも貢献することが期待されている。防火分野の研究開発の体制を図 1 に示す。

日本建築センター
委託・外注
建築研究振興協会

国土交通省
国土技術政策総合研究所
独立行政法人建築研究所

共同研究

日本建築構造技術者協会日本集成材工業協同組合
日本住宅・木材技術センター
都市基盤整備公団
建築業協会
日本木造住宅産業協会
日本ツーバイフォー建築協会

研究調整委員会

防火分科会

構造分科会
共同住宅
試 設 計 WG

部材・構造耐火性
WG

区画火災
制 御 WG

詳細設計
SWG

シ ナ リ オ 検 討 SWG
区 画 火 災 実 験 SWG

燃え止まり
SWG
研究協力等
防災科学技術研究所

大学

森林総合研究所

その他

図１ 技術開発プロジェクト研究体制

2３）耐火試験方法と耐火構造の部材開発

法の断面とし、長さ 1m の短柱とした。試験体に用いた被覆材ま実験による耐火性能の検証を通じて耐火構造の部材開発を行った。建築基準法の性能規定化に対応して、耐火性能の評価基

たは集成材の樹種は、杉、ベイマツ、カラマツおよびヒノキである。樹種の密度と含水率を表 2 に示す。

準が定められたが、木材のような可燃材料を含む部材に対して試験の結果、「燃え止まり工法」では、鉄骨にカラマツ集成材適切な試験方法が用意されていなかったため、具体的な手順をとベイマツ集成材で厚 60mm を被覆したものが 1 時間耐火の性能整備した。火災による加熱終了後も可燃材料の燃焼が継続するを得ることができたが、杉およびヒノキ集成材では燃え止まりことを考慮し、試験では要求される耐火時間（表 1 参照）終了の効果が得られなかった。一方「被覆工法」では、杉集成材部後も加熱した時間の 3 倍の時間、部材を加熱炉にそのまま放置

材の表面に強化石こうボード厚 12.5mm を 3 層に合板厚 12mm でし、その後炉外に出して、炭化の進行の停止状況を観察した。

被覆したものは 1 時間耐火を有し、更に同じ杉集成材部材に強化石こうボード厚21mm の3 層＋強化石こうボード厚12.5mm の2

表 1 耐火構造に要求される耐火時間
建築物の階建築物の部分

壁

間仕切り
壁
( 耐力壁に限る。)
外壁( 耐力壁に限る。)

層貼りの被覆したものは 2 時間の耐火性能を得ることができた。
加熱試験前後の試験体の様子を図 3 に示す。

最上階及び最上階から数えた階数
が 2 以上で4 以内の階最上階から数えた階数
が 5 以上で14 以内の階最上階から数えた階数
が 15 以上の階

1 時間

2 時間

2 時間

1 時間

2 時間

2 時間

柱

1 時間

2 時間

3 時間

床

1 時間

2 時間

2 時間

はり

1 時間

2 時間

3 時間

屋根30 分間

階段30 分間

表 2 使用した木材の樹種の密度と含水率
樹 種

密 度(g/cm3)

含水率(％)

杉

0.39

12.0

ベイマツ

0.51

12.8

カラマツ

0.56

11.5

ヒノキ

0.47

15.3

燃え止まり工法(1) 柱等の構造部材の開発

被覆工法

図 2 短柱試験体の例

部材の開発は大きく２つの工法について実施した。大断面集成材の部材を不燃材料で被覆した「被覆工法」と、集成材被覆による鉄骨構造の「燃え止まり工法」である。後者は、火災時において形成される木材の炭化層の断熱効果と鉄骨の熱容量を期待している。それぞれの工法に対して１時間、又は２時間の耐火性能を有する仕様を検討した。
①短柱試験体を用いた実験
検討対象となる部材には多種多様な材料の組み合わせが考えられるため、数多くの火災実験が必要になる。そこで実大規模の試験体を用いた実験を行う前に、簡便な評価として短柱の試験体を用いた実験を行った。図 2 に示すように、試験体は実寸
図 3 加熱試験前後の短柱試験体

3

②実大部材を用いた実験
短柱試験体による実験で所定の性能が得られた仕様について、
図 4〜7 に示すような実大規模の試験体による実験を行った。通常行なわれる耐火構造の大臣認定と同様に、実寸法の柱、はり等の部材を用いて載荷加熱試験により性能を確認している。

図 7 載荷加熱後のはり壁、床、階段は、木材の断面が小さいことから燃え止まり効果を期待することができない。図 8、9 に示す枠組壁工法の部材を不燃材料で覆ったメンブレン工法の部材を用いて耐火性能を確かめる実験を行った。

図 4 柱試験体の例

図 5 載荷加熱前後の柱図 6 はり試験体の例

図 8 床試験体の例

4

この状態で加熱炉の中に設置し、耐火試験を行った試験体の様子が図 12 である。散水により十分な水膜が形成された部分は炭化を防止する効果が現れている。

図 10 火災抑制効果の概念図

図 9 載荷加熱後の階段

図 11 散水ノズル(2) 散水設備による炭化抑制効果の検討
防火設備あるいは消火設備により建物内で発生した火災の拡大を防ぐことは、火災安全上重要な意味を持つ。このような設備は多種多様であるが、火災抑制などの効果を概念的に整理す
ると図 10 に示すように、①可燃物の燃焼の抑制あるいは消火、②火炎からの輯射熱の低減、③区画内温度の低下による対流熱図 12 散水設備による炭化抑制効果の低減、④構造部材の冷却等があげられる。本研究では、特に②と④に着目し、散水設備の作動時における木質系構造部材の４）研究成果炭化性状などを明らかにすることを目的とした実験を実施した。

耐火建築物を構成する耐火構造の基本的な部材の仕様を明らここでいう散水設備とは、部材の表面に沿って水膜が形成さかにした。また、本稿では割愛したが、これらの部材を用いたれるよう散水する設備であり、木材の炭化を抑制し、木質構造共同住宅設計ケーススタディを行うとともに、燃え止まり現象部材の耐火性能を確保することを意図している。図 11 は、集成を明らかにするため熱伝導解析による予測手法等の検討を行っ

材柱の上部に散水ノズルを取り付けて、一定量の水を柱に沿っている。て流している状態である。

5

Ⅲ 「木質複合建築構造技術の開発フォローアップ」
１）フォローアップの研究目的
これまでの成果を踏まえ、主として「燃え止まり部材」の実用化に関する問題を解決するため、以下の 1)〜8)に示す研究開発課題を設定した。
1)燃え止まり部材の抵抗機構と破壊モードの検討
2)燃え止まり部材の接合部における耐火性能試験
3)燃え止まり部材及び接合部の典型的な仕様の開発
4)構造部材としての応力伝達機構や燃え止まるメカニズムを踏まえた製造管理手法や組み合わせる部材の条件の検討
5)燃え止まり部材の廃棄手法と再利用方法の開発
6)新規提案部材の評価法・試験法の開発と評価項目の同等性の検討
7)接着部分の耐久性などの長期的性能に関する検討
8)各部のおさまりを含む詳細設計と試設計例の作成

２）接合部、詳細部の耐火性能
一般の不燃材料で構成される耐火構造と異なり、木質ハイブリット構造の燃え止まり工法の特徴は、火災時に部材の炭化による断面欠損が進行する点である。柱、はり部材と壁構造部材

図 13 ボルト接合部分の耐火被覆若しくは床構造部材との取り合い部において、断面欠損が進行し、生じた隙間から燃え抜け、延焼拡大が生じることが危惧される。また、柱とはり部材の接合部、はり部材に生じるボルト接合の収まり、スイッチ、コンセントボックスのかき込み部等の防火処理対策が重要である。これらの防火対策の有効性については、実験により確認を行っている。
①ボルト接合部分の耐火性能
柱とはり部材間の接合部およびはり部材での接合部は、通常ボルトによる接合が用いられる。燃え代設計では、概ね厚さ 60mm以上の集成材による鉄骨被覆が行われるが、接合部ではボルトの頭およびプレートの厚み分だけ図 13 の様な切り込みが行われるため、耐火性能が十分に確保されない恐れがあり、燃え止まり効果も失われることが予想される。図 14 に示す実大はり部材にボルト接合を施し、載荷加熱に基づいて燃え止まりおよび構造耐力についての確認を行った。

図 14 はりボルト接合の試験体と載荷加熱後の炭化状況

6②コンセント、スイッチボックス部分の耐火性能コンセントやスイッチボックスが取り付けられた壁の場合、耐火被覆の切り込み部分などから壁内部に火炎が進入し、壁の耐火性能を著しく低下させたり、延焼拡大を助長させる恐れがある。取り付け部分には表 3 に示す防火処理を行い、耐火性能を確認する実験を行った。
図 15 はロックウールによって防火処理を行った例であるが、下地の枠組み部材の炭化は認められなかった。

図 16 耐火試験後の壁と柱の鳥合い部

３）実大火災実験
実大火災実験は、4 階建て事務所の１階部分を想定し、実火災
図 15 耐火試験後のコンセント部分における各部材の燃焼性状、火災終了後の被害状況、詳細部納まりの防火処理の有効性などを確認することを目的として実施

表 3 コンセントボックスの防火仕様した。また、鋼材断面寸法の異なる短柱部材を同時に燃焼させ、試験体No.

仕様

試験体No.

仕様

No.1

200-GW24K-ステー有り-配管

No.8

No.2

200-GW24K-ステーなし-配管

No.9

No.3

200-RW40K-ステー有り-配管

No.10

No.4

200-RW40K-ステーなし-配管

No.11

No.5

200-RW60K-ステー有り-配管

No.12

No.6

200-RW60K-ステーなし-配管

No.13

100-RW40K-ステー有り-配管
200-RW40K-ステー有り-配管プラスチックカバー
200-発泡黒鉛系-ステー有り配管-I社
200-発泡黒鉛系-ステー有り配管-S社
200-発泡黒鉛系-ステー有り配管-F社
比較用コンセントボックスなし

No.7
100-GW24K-ステー有り-配管
GW：グラスウール，RW：ロックウール

No.14

比較用コンセントボックスなし

熱伝導解析に必要なデータ収集も行った。
(1) 実験の概要①実験日時

2005 年 6 月 9 日（木）11：00 点火
6 月 10 日 火害調査

②場所 長野県小県郡長門町 S 木材工場敷地内③実験建物

4 階建て事務所の 1 階部分を想定した約 4×4m の平屋建てで、各部の仕様は表 4 の通りである。また、
建物概要を図 17〜20 示す。

③壁と柱の取り合い部の耐火性能
壁と柱の取り合い部分では、柱の被覆材（カラマツ集成材）

表 4 実験建物各部の仕様が炭化し、断面欠損して壁との間に隙間が生じることが危惧

柱、はりＨ形鋼にカラマツ集成材(厚さ 60mm)を被覆される。この部分には、壁の不燃層（石こうボードなど）を床、天井デッキプレート＋コンクリート打ち

柱にちり納まりを施した結果、延焼防止の効果があることが壁

2 面は ALC パネル(室内仕上げなし)、他 2 面は確かめられた。図 16 に試験体を示す。

枠組み壁工法(外壁側サイデｨング張り、室内側強化石こうボード張り)いずれも耐火 1 時間仕様
収納可燃物

事務所用途を想定し 木材 30kg/m2

7

(2)測定項目および火害調査①耐火試験と実火災における耐火性能の比較のための測定・火熱による集成材の炭化進行を調べるため、柱および梁構造部材の集成材の深さ方向にセンサーを埋め込んで内部温度ならびに鋼材温度履歴を測定
・耐火試験時の標準火災温度と実火災時の性状を比較するために火災室内の温度分布と火災室放射熱量を測定
図 17 実験建物の外観

・火災建物から周辺建物へ延焼、類焼の危険性を検討するため
開口部噴出火炎の熱流束、温度、圧力を測定②部材間の接合部などの火害状況把握のための測定・柱部材と壁構造の取り合い部における燃え抜け防止工法検証のための温度測定
・外壁および区画壁を考慮した壁面の温度性状（裏面：屋外側、表面、壁体内部温度：2×4）
・スイッチボックス、コンセントなどの防火上の弱点部の防火図 18 柱とはりの接合部（被覆前）処理の検討③構造部材の寸法など適用範囲拡大のための技術資料収集
・短柱試験体（鋼材断面大中小）を火災室に放置して、集成材と鋼材の温度を測定し耐火試験との炭化性状比較ならびに熱伝導解析用の技術資料を収集する④火災後の火害調査
・各部材および接合部などの燃え止まり状況調査
・実験建物から柱、梁、壁構造部材および短柱験体をサンプリングして炭化深さを測定（持ち帰り調査）

４）実大火災実験の結果(1)実験建物の火災性状
室内の温度変化は、耐火試験で用いられている標準的な加熱温度曲線に沿って上昇し、火災継続時間は図 21 に示す通り、概図 19 実験建物の平面図

ね 40 分間であった。
室内温度

開 口 部 上 部 た て 枠 (3 8× 8 9)1200

7 23 .5

上 枠 (3 8× 8 9)1000

ま ぐ さ ( 38 × 89 ,２ 枚 合 わ せ )ま ぐ さ 受 け (3 8× 8 9)
た て 枠 ( 38 ×8 9)800
Temp ［℃］

開 口 部 (≒ 2. 45 ㎡ )

1 ,3 53

1 ,3 53

2 ,8 00

こ ろ び 止 め ( 38 ×8 9)

1, 81 2
窓 枠 (3 8× 8 9)
開口 部 下 部 た て 枠 ( 38 × 89 )600

72 3. 5400

2 89

4 55

45 145 5455

3, 67 5

図 20 実験建物の断面図

4 51

45 52 89

GL200001020304050
Time ［min］

60708090

図 21 火災室内部の温度8(2)構造部材の温度温度測定の結果、金属製のボックス面で最高温度 120℃程度に抑

カラマツ集成材を用いた柱及び梁部材の代表例として、加熱が厳しいと考えられる ALC 板の外壁を取り付けた(内装材は取りえられた。また、火害調査により、壁内部への火熱の進入が防止されていることが確認できた。
（図 24 参照）

付けていない)火熱の二面が曝されるＣ柱と、噴出火炎により外部側と室内からの加熱を受ける開口部上部Ａ梁（図 19 平面図参照）の温度を図 22、23 に示す。
通常、耐火試験では、加熱時間に加えて３倍の時間加熱炉内部に放置し、さらに加熱炉から取り出して温度の上昇がないこと、燃え止まりの目視確認により性能評価が行われる。この実験では、点火後概ね一昼夜経過するまで温度測定を継続し、目視観察と併せて検討を行った。C 柱部材の集成材内部は、加熱面より深さ 30mm で最高温度約 375℃(40 分)を示した。また、鋼材

図 24 実験後のコンセントボックス

温度の最高は、82℃(150 分)であった。同様に、A はり部材の集成材内部では、加熱面より深さ 30mm で最高温度約 240℃
（60 分）、
鋼材温度の最高は、88℃(55 分)を示した。

(4)短柱試験体の炭化性状
構造部材の寸法など適用範囲を拡大するための技術資料を収集することを目的として、短柱試験体（H 形鋼材−断面大 400×C柱−温度400、中 250×250 および小 125×125mm）を火災室に配置した。

500

集成材と鋼材の温度を測定し、耐火試験との炭化性状の比較を

400

集成材内部30mm(ｳｴﾌﾞ部)

Temp [℃]行った。３つの試験体は、いずれも燃え止まりが確認された。
300（図 25 参照）

集成材内部60mm(ｳｴﾌﾞ部)

200

集成材内部90mm(ｳｴﾌﾞ部)
鋼材温度(ﾌﾗﾝｼﾞ部)

100
集成材内部120mm(ｳｴﾌﾞ部)

00123456Time [hour]

789108910

図 22 C 柱部材温度
Ａ梁−温度
500

Temp [℃]400

集成材内部30mm(ｳｴﾌﾞ部)
集成材内部60mm(ｳｴﾌﾞ部)

300

集成材内部90mm(ｳｴﾌﾞ部)

200
鋼材温度(ﾌﾗﾝｼﾞ部)

10000123456Time [hour]7

図 23 A はり部材温度(3)詳細部
壁構造にスイッチまたはコンセントボックスなどを取り付けた場合、火災時に損傷を受け壁体内に火熱が進入して区画が突破されて延焼拡大する恐れがある。実験では、コンセントボックスに加熱発泡黒鉛系シートなどを充填して防火処理を行った。

図 25 実験前後の短柱試験体

9(5)火害調査
実験開始から一昼夜経過した時点で火害調査を行った。外観調査では構造部材の燃え止まりが確認された。
（図 26 参照）

(6)まとめ実大火災実験においても、耐火試験と同様に構造部材の燃え止まりが確認された。被覆材として用いたカラマツ集成材の燃また、実験建物からサンプリングを行い、柱および梁部材のえ止まりまでの炭化は火熱を受ける状態によって異なるが、最集成材部分の炭化性状を図 27、28 に示す。
柱の集成材部分には、大で概ね 30〜35mm に達した。また、納まり部および詳細部の防鋼材に到達する燃え込みは認められなかった。柱Ａは二面が枠火対策では、壁構造と柱構造との接合部において、柱部にちり組み壁構造の芯納まりで、火熱に曝された左上隅角部のみの炭納まり加工を行い壁の不燃仕上げ材を挿入した結果、燃え抜け化(30mm 程度）が認められるが、壁との取り合い部からの火炎の防止効果の有効性が明らかとなった。さらに、枠組み壁メンブ貫通は防止された。また、Ｃ柱は ALC 板の外付け納まりのため

レン工法の火災室面に防火処理を施したスイッチボックスを取火熱に曝された右および下の２面が均一に 35mm 程度燃え込んでり付けて壁体内部への延焼を調べたが、火熱の進入は無く耐火いる。はりも火熱を受けた部分の炭化は鋼材まで達していない性能上の有効性が確認された。

ことが確かめられた。

5分

15 分

20 分

45 分

図 26 実験後の火災室内部

図 29 火災の進展状況

Ⅳ 結語
木質系耐火構造の部材が開発されたことにより、木材を利用した耐火建築物が可能となった。既に、実現されたものも少なくないが、試行錯誤をしながら進めており、技術的知見の蓄積
図 27 柱部材の断面が不十分な点は否めない。今後も、木質系の材料や部材が使われた空間における火災性状の解明を進めるとともに、具体的な防火対策を充実させ、標準施工マニュアルとして整備することが重要である。
火災分野では、現象の複雑さや法令による規制が障害となり、木材のような燃える材料を対象とした研究はあまり行なわれてこなかった。今回の木質系耐火構造の開発を契機として、今後は伝統的な木造建築物に潜んでいる防火技術など、木材の火災安全性能を評価し、利用の可能性を広げる新たな取り組みに期

図 28 はり部材の断面待したい。

10