Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
Network）を利用してAE源の位置標定をシミュレーションで行い、位置標定精度がどの程度であるか、また位置標定結果への入力誤差の影響などについて検討した $ ^{5)} $ 。

今回は模型タンクを作製し、模型タンク底板の裏面から擬似AEを発生させ、タンク内の液中を伝播するAEを計測し、ニューラルネットワークを用いてAE源の位置標定を行った。そして、前報のシミュレーション結果との比較を行った。

### 2. AEの計測について

### 2.1 擬似AE源

AEによる検査方法は、超音波探傷法などの能動的な非破壊検査方法と異なり、試験体にAEが発生しない限りAEを計測することができない受動的な方法である。

そこで、センサや計測装置の校正あるいは動作の確認を行う場合には基準となるAEを人工的に発生させる必要がある。また、所定の位置でAEを発生させたい場合も同様である。

このようなときに人工的にAEを発生させるものを擬似AE源（Artificial AE Source）という。擬似AE源にはシャープペンシルの芯やガラス細管の圧折 $ ^{6.7} $ 、鋼球の落下、電気パルス $ ^{8} $ などが提案

Fig.1 AE Measurement System.

Fig.2 Sensor Arrangement of Model Tank.

れている。

最もよく用いられる擬似AE源は、シャープペンシルの芯の圧折である。擬似AEを発生させるにはシャープペンシルの芯の先端を試験体に接触させた状態で垂直方向に力を加えて芯を折ればよく、簡便で再現性も良い。

本研究では擬似AE源にシャープペンシルの芯の圧折を採用した。

### 2.2 計測方法

試験体上でシャープペンシルの芯を圧折して擬似AEを発生させ、AE信号をAEセンサ（φ17.4mm、150kHz共振型）で検出した。AEセンサは試験体上に真空グリス（信越化学工業、HIVAC-G）を介して粘着テープで押しつけて取り付けた。

AEセンサで検出したAE信号は、プリアンプで増幅して、パーソナルコンピュータに組み込まれたAE-DSPボード（Physical Acoustics社、PACMISTRAS）に取り込みコンピュータのハードディスクに記録した。

Fig.1に実験装置を、Table 1にこれらの装置の仕様を示す。

### 3. 模型タンクについて

### 3.1 鉄製模型タンク

Fig.2に示すような直径1 m、高さ0.75mの模型タンクを厚さ1.6mmの鉄板を溶接して作製した。センサは底板から0.25mの高さの側板外側に取り付けた。

空の模型タンクの側板外側でシャープペンシルの芯の圧折を行い、擬似AEを発生させて鉄板を伝

Table 1 Specification of the AE Measurement System.

AE Measurement Device	Physical Acoustics, PAC-MISTRAS Sample rate 1M, Resolving Power 16bit
AE Sensor	Physical Acoustics, R15 100-500kHz, $ \phi $ 17.4mm
Preamplifier	Physical Acoustics, 1220A Gain 40/60dB, 20-1200kHz(-3dB)
播するAE波の速度を計測したところ5252.7m/sであった。

次に水道水を底板から0.5m程度の高さまで満たした模型タンクの側板外側でシャープペンシルの芯の圧折を行い、AE波の速度を求めた。Fig.3(a)に示すようにAE波の伝搬経路をタンクを構成する鉄板（Route 1）としたときの速度は5236.0m/s、タンク内の水中（Route 2）としたときの速度は4713.3m/sであった。

さらにFig.3(b)に示すように模型タンクの底板裏面でシャープペンシルの芯を圧折して側板外側に取り付けたセンサでAE波を計測してAE波の速度を求めた。AE波の伝搬経路をタンクを構成する鉄板（Route1）としたときの速度は5010.2m/s、タンク内の水中（Route2）としたときは4898.0m/sであった。

水（蒸留）を伝播する縦波の速度は常温で1500m/sであり、鉄板を伝播するAE波の速度（実測値）は5252.7m/sであるので計測されたAE波はタンクを構成する鉄板を伝播したものであると推測される。実際のタンクのAE試験では、タンク部材を伝播するAEは減衰のため検出できないとされ、タンク内の液中を伝播するAE波で位置標定が行われる。そこで、模型タンクの材料を鉄よりも

(a)

(b)

Fig.3 The Propagation Route of AE Wave. (a) In Case Artificial AE Wave is Generated by Shell Plate, (b) In Case Artificial AE Wave is Generated by Bottom Plate.

AE波の減衰の大きいものに変える必要がある。

### 3.2 アクリル樹脂（PMMA）製模型タンク

模型タンクの材料としてPMMAが使用可能かどうか検討した。鉄板（厚さ1.6mm）およびPMMA板（厚さ1.5mm）上にそれぞれFig.4のようにAEセンサを配置してシャープペンシルの芯の圧折を行った。鉄板上に配置したセンサで検出されたAE波形をFig.5に、PMMA板上でのAE検出波形をFig.6に示す。Fig.5(a)，Fig.6(a)は1ch、Fig5(b)，Fig6(b)は2ch、Fig5(c)，Fig6(c)は3chで検出された波形を示す。これによりPMMAの方がAE波の減衰が大きいということが明らかである。

そこでPMMAを用いて直径0.79m、高さ0.45mの模型タンクを作製した。模型タンクはエポキシ樹脂系接着剤で接着して作製した。側板の厚さは1.5mm、底板の厚さは10mmである。センサは底板から0.1mの高さの側板外側に取り付けた。

鉄製の模型タンクと同様にして空の模型タンクの側板外側でシャープペンシルの芯の圧折を行い、側板を伝播するAE波の速度を計測したところ2281.1m/sであった。

次に水道水を底板から0.25m程度の高さまで満たした模型タンクの側板外側でシャープペンシルの芯の圧折を行い、AE波の速度を求めた。AE波の伝播経路を側板としたときの速度は1597.9m/s、タンク内の水中としたときの速度は1440.7m/sであった。

さらに模型タンクの底板裏面でシャープペンシルの芯を圧折して側板外側に取り付けたセンサでAE波を計測してAE波の速度を求めた。AE波の伝播経路を底板および側板としたときは1597.6m/s、

Fig.4 Artificial AE Source and Sensor Arrangement on Steel and PMMA Plate.
Fig.5 Measurement AE Wave Form(Steel Plate). (a)1ch, (b)2ch, (c)3ch.

Fig.6 Measurement AE Wave Form(PMMA Plate). (a)1ch, (b)2ch, (c)3ch.

タンク内の水中としたときは1432.5m/sであった。

水（蒸留）を伝播する縦波の速度は常温で1500m/sであり、厚さ10mmおよび1.5mmのPMMA板を伝播するAE波の速度（実測値）は2417.2m/sおよび2281.8m/sであるので計測されたAE波はタンク内の水中を伝播したものであると考えられる。今後の実験にはPMMA製模型タンクを採用した。

### 4. 模型タンクの位置標定

### 4.1 AE源の位置標定手順

Fig.7に示すように、階層型ニューラルネットワークを用いたAE源の位置標定の手順は以下の通り

Fig.7 I/O Relation of AE Source Location Using Neural Network.

である。

(1) 位置標定範囲であるタンク底板内に任意に配置したAE源の位置座標を出力データ、そのAE源から各センサへのAE波到達時刻の差を入力データとした入出力の組を複数個用意する。

(2) (1)の入出力の組を学習データとして未学習のニューラルネットワークの学習を行う。

(3) (2)の学習済みのニューラルネットワークに未知の入力データ（Fig.7におけるT1-T1, T2-T1, T3-T1）を入力して出力データ（Fig.7における(X,Y)）を得る。

なお、AEおよびニューラルネットワークについては前報 $ ^{5} $ を参照されたい。

### 4.2 ニューラルネットワークの学習

ニューラルネットワークの学習は誤差逆伝播学習則（error back propagation） $ ^{9} $ を用いてシミュレーションデータで行った。誤差逆伝播学習則とは、ニューラルネットワークの出力層の出力誤差を一つ前の層に逆向きに伝播させ、出力誤差を減らすように学習パラメータを修正させていく学習方法である。

Fig.8に、模型タンクの底板に設定した学習のた
めのAE源（43点）の位置を示す。Fig.8(a)はセンサ配置が正三角形（3チャンネル）の場合、Fig.8(b)はセンサ配置が正方形（4チャンネル）の場合である。AE波の速度は蒸留水の理論値（常温）である1500m/sを用い、それぞれのセンサ配置で43個の学習データの組を作成した。

学習パラメータをTable 2に示す。ニューラルネットワークの出力値と学習データの出力値との二乗誤差（学習誤差）の値がタンク直径の2％程度を目標としてそれ以下になるまで学習を行い、その後、学習誤差が安定した値になるまで学習を重ねた時点（収束）で学習を終了させた。

センサ配置が正三角形の場合は100,000回、正方形の場合は150,000回で学習が収束した。

この学習済みニューラルネットワークでFig.8(a)，(b)の学習データの位置の推定を行ったところ、Fig.9(a)，(b)に示す結果となった。センサ範囲が正三角形の場合、外周の点の位置標定結果にばらつきがみられるが内側の点は両センサ範囲とも学習位置とほぼ一致している。

学習位置とニューラルネットワークの推定位置との距離に対するタンク直径との割合を位置標定誤差と定義すると、位置標定誤差の平均は、タンクの直径に対してセンサ配置が正三角形の場合は1.32%、正方形の場合は1.61%である。

### 4.3 圧折位置の推定結果

Fig.10に模型タンク底板裏面上に設定した62点の擬似AE源の位置を示す。擬似AE源にはシャープペンシルの芯（φ0.3mm、HB）の圧折を用いた。

Table 2 Learning Parameter.

Sensor Arrangement	Regular Triangle	Square
Number of Sensor	3	4
Number of Unit (Input Layer)	3	4
Number of Unit (Intermediate Layer)	5	7
Number of Unit (Output Layer)	2	2

前節の学習済みニューラルネットワークを用いて各圧折点について位置の推定を行った。

各圧折点の位置の推定手順は以下の通りである。

(1) Fig.10に示す模型タンク底板裏面上に設定した圧折点上でシャープペンシルの芯を圧折して、各センサへ伝わるAE波を測定する。

(2) 計測した波形の振幅にある一定のしきい値を設定して、その値を超えたときの時刻をAE波到達時刻として各センサ間のAE波到達時間差を求める。

(3) (2)のAE波到達時間差を未知の入力データとして4.2節の学習済みニューラルネットワークに入力し、出力値（位置座標）を得る。

(4) (1)の圧折点の位置座標と(3)で得られた出力値

(a)

(b)

Fig.8 Sensor and Learning Data Arrangement on Bottom Plate of Model Tank.○Sensor(i-ch), ◆Learning Data, (a)Regular Triangle, (b)Square.

(a)

(b)

Fig.9 Presumed Location of Learning Data. ○Sensor(i-ch), ●Presumed Location of Learning Data, (a)Regular Triangle, (b)Square.
の位置座標とを比較する。

しきい値は、まず、Fig.11に示すように振幅の大きいAE波の到達時刻が得られるよう±0.08(V)に設定した。

位置の推定結果をFig.12に示す。Fig.12(a)はセンサが3チャンネル、Fig.12(b)は4チャンネルの場合である。圧折点62点の位置標定誤差の平均は、Fig.12(a)のとき1.42%、(b)のとき1.39%である。最大でもFig.12(a)のときで4.67%、(b)のときで4.17%である。両チャンネル配置とも、模型タンクの外周上またはそれの近傍の点の位置標定誤差が大きいが、センサで囲まれた範囲内での位置標定誤差

Fig.10 Artificial AE Source Arrangement on Bottom Plate of Model Tank.×Artificial AE Source(Pencil Lead Breaking Location).

(a)

Fig.12 Presumed Results(Threshold Level:±0.08V).

は1％以下である。

### 4.4 入力誤差の影響

位置標定誤差の原因となる入力誤差の主な要因としてはAE波到達時刻の読み取り誤差がある。AE源の位置標定精度は、位置標定にニューラルネットワークを用いた場合でもAE波到達時刻の読み取り誤差の影響をある程度受けることが分かっている $ ^{10} $ 。

そこで、前節で設定したしきい値の値を変えてAE波到達時刻の値を変化させることにより入力誤差を発生させ、位置の推定を行った。しきい値は±0.04(V)および±0.02(V)に設定した。

例として、Fig.13にしきい値を変化させても(a)AE波到達時刻に差が出ない波形および(b)AE波の到達時刻に大きな差が生じる波形を示す。Fig.13(a)の場合、しきい値が±0.08と±0.04およ

Fig.11 AE Wave Form(Threshold Level:±0.08V).

(b)

○Sensor(i-ch), ●Presumed AE Source, ✗Pencil Lead Breaking Location, (a)Regular Triangle, (b)Square.
び±0.02との時間差はそれぞれ2（μs）であるが、Fig.13(b)の場合、しきい値が±0.08と±0.04との差は60（μs）、しきい値が±0.08と±0.02との差は62（μs）にもなる。

Fig.14にしきい値を±0.04に設定したときの圧折点の位置の推定結果を、Fig.15にしきい値を±0.02に設定したときの推定結果を示す。

しきい値が±0.04の場合、圧折点62点の位置標定誤差の平均は、Fig.14(a)のとき1.63%、(b)のとき1.51%である。最大ではFig.14(a)のときで7.10%、(b)のときで5.25%である。

しきい値が±0.02の場合、擬似AE源62点の位置標定誤差の平均は、Fig.15(a)のとき3.44%、(b)のとき2.77%である。最大ではFig.15(a)のときで19.33%、(b)のときで19.78%である。

実際のタンクでの許容誤差は直径の10%程度といわれているのでしきい値が±0.02の場合はいくつかの点が許容誤差を超えて推定された。これはしきい値を小さくしたことによりFig.13(b)のように振幅の小さなAE波を検出する場合が多くなるためであり、さらに外周および外周近傍の点では各センサへの距離の違いが大きいため、AE波が減衰してしまい、遠方のセンサの入力誤差が大きくなるためと考えられる。

Fig.14 Presumed Results(Threshold Level:±0.04V).

前報のシミュレーションでは、入力誤差が小さい場合は正方形（4チャンネル）配置、入力誤差が大きい場合は正三角形（3チャンネル）配置の方が位置標定誤差が小さいという結果が得られた。

Fig.13 Different Types of AE Wave. (a) Small Difference of AE Wave Arrival Time, (b) Large Difference of AE Wave Arrival Time.

(b)

○Sensor(i-ch), ●Presumed AE Source, ✗Pencil Lead Breaking Location, (a)Regular Triangle, (b)Square.
Fig.15 Presumed Results(Threshold Level:±0.02V).

(b)

○Sensor(i-ch), ●Presumed AE Source, ✗Pencil Lead Breaking Location, (a)Regular Triangle, (b)Square.

今回の実験では、全点の位置標定誤差の平均値はどちらの場合でも正方形（4チャンネル）配置の方が位置標定誤差がわずかではあるが小さいが、最大値は正三角形配置の方が小さいという結果が得られた。

### 5. おわりに

模型タンクを作製してタンク底板の裏面でシャープペンシルの芯を圧折し、AEを発生させ、側板外側に取り付けたAEセンサで計測した。その検出波形を用いてニューラルネットワークで位置標定を行った結果、以下のことが分かった。

(1) 規模の小さい模型タンクを用いてタンク内の液中を伝播するAEを計測するためには、タンクの材料を実タンクの材料である鉄よりもAE波の減衰が大きいものを使用する。

(2) しきい値を振幅の大きいAE波をとらえるように設定すればその位置標定誤差は実タンクの位置標定における許容誤差範囲内（タンク直径の10%程度）である。しきい値の設定は、ノイズや振幅の小さいAE波をとらえないよう注意して行う必要がある。

## 参考文献

1）亀井浅道：“石油タンクの腐食とその対策”、防食技術、33、pp.654-661(1984)

2）小林豊治：“石油タンク底板の腐食と腐食管理”、圧力技術、35、pp.358-362(1997)

3）湯山茂徳：“アコースティックエミッション（AE）に関する最近のおもしろい話題　一実構造物の腐食損傷評価—”、検査技術、6、pp.58-63(1997)

4）(社)日本高圧力技術協会：“平成11年度経年変化を考慮した長期備蓄タンクの診断・保全技術に関する調査研究委員会第2分科会資料”、(1999)

5）真家敦子ら："ニューラルネットワークを用いたAE源位置標定 - 石油タンク底板への適用について-”、消防研究所報告、89、pp. 26-34(2000)

6) N. N. Hsu, etc.: "An Approach to Acoustic Emission Signal Analysis - Theory and Experiment-", Materials Evaluation, 35-10, pp. 100-106 (1977)
7 ) J. E. Michaels, etc.: "Aprrication of Deconvolution to Acoustic Emission Signal Analysis", Material Evaluation, 39-10, pp. 1032-1036(1981)

8）高坪純治ら："AE原波形解析"、機論、51-468、pp.1982-1990、C(1985)

9) David E. Rumelhart, etc.: "Learning representation by back-propagation errors", Nature, 323-9, pp. 533-536 (1986)

10）真家敦子ら："ニューラルネットワークによるAE源の位置標定およびその標定誤差に関する研究"、機論、65-634、pp.1187-1192, A(1999)

## 謝 辞

AEセンサおよびAE計測装置を貸与してくださいました日本フィジカルアコースティクス株式会社に深く感謝いたします。
# AE Source Location on Bottom Plate of Model Tank Using Neural Network Technique

(Abstract)

Atsuko Maie, Minoru Yamada, and Kyoji Homma $ ^{*} $

(Recieved January 26, 2001)

We investigated the applicability of AE source location on bottom plate of model tank by neural network using AE wave which propagates the water inside the model tank.

Calculation was conducted by using the time as input data to the network, when the amplitude of the detected AE wave form first crossed over the threshold level.

It was found that high accuracy location could be achieved by setting the threshold level to the part with the high amplitude of the wave form.
# 文化財建物の植物性屋根の燃焼特性

高橋 哲，田村 裕之

(平成13年1月30日受理)

茅葺屋根、桧皮葺屋根、柿葺屋根に火種が落下した時の、着火（無炎、有炎燃焼を含む）から延焼に至るまでの燃焼上の経過、特徴を調べた。①茅では、一旦発炎すると鎮火することなく、有炎燃焼が急速に斜面上方に拡大する事、②桧皮では、発炎と燻焼を繰り返しながら、主に庇方向に延焼拡大する事、③柿では、燻焼と発炎を繰り返しながら、比較的早期に屋根を貫通し、裏側の有炎燃焼が先行しながら、裏面から急速に延焼拡大してゆく事、等が明らかとなった。さらにどの材種も古いものは、新しいものより着火しやすい事が確認できた。

### 1. まえがき

我国の重要文化財建造物の多くは木造建築である。その中、茅葺（かやぶき）、桧皮葺（ひわだぶき）、柿葺（こけらぶき）等植物性屋根材のものが45%程度 $ ^{1} $ を占め、これらの建造物は、どんど焼のようなたき火からの飛び火、花火などにより屋根から着火する率が高い $ ^{1-2} $ 。さらに近年、建物の過密化に伴って、文化財建造物の周囲環境が変わるとともに、放火火災が増加する傾向にある。このような実状に対応して、文化財建物の個別の事情を考慮した防火対策の見直しが求められている。従来、植物性屋根の燃焼に関してはほとんど研究されていないという状況を踏まえ、まず実物モデルを使って着火初期の燃焼の様相を把握することにした。これらは、建物の防火対策だけでなく、消火や火災感知のための基礎資料として役立たせるために行ったものである。さらに古い屋根は新しい屋根より着火しやすいと言われているので、この点に関しても着火性状を調べた。

### 2. 実験方法

### 2.1 建物模型と供試屋根

桧皮葺及び柿葺屋根は、現存の文化財建造物に使用されていたものを、葺替時に一部分を切り取り提供してもらった。桧皮葺屋根の大きさは幅100cm×長さ180cm×厚さ10cm、柿葺屋根は幅100cm×長さ180cm×厚さ3.5cmであった。これらの屋根については、使用状態に相当する傾斜角35度として実験を行なった。茅葺屋根については切り取りが困難であることから、茅葺職人に茅を提供して製作を依頼した。提供した茅には、未使用の1年間保管乾燥させたものと一度使用したものとがあり、出来あがった茅葺屋根の大きさは幅100cm×長さ180cm×厚さ35cmであった。茅葺屋根の燃焼実験は傾斜角を45度として行なった。燃焼実験は、それぞれ2回ずつ行った。
植物性屋根を取り付ける為の小屋は鋼材、鋼板、耐火ボード、および難燃処理したベニア板を張り合わせて仕上げ、屋根面はくりぬいてある。建物模型に屋根を取り付けた状態をFig.1に示す。また実験条件は後の実験結果と共にTable 1に示した。

### 2.2 火源

たき火の火の粉あるいは花火の落下による屋根表面からの着火を想定し、供試屋根の所定位置に小さな炭火をおいて着火と燃焼の拡大状況を観察した。初めに置く炭火の大きさは1cm×1cm×1cmの立方体形のものとしたが、屋根材が燻焼または発炎燃焼を起す前に燃え尽きてしまう場合には、より大きな1.5cm×1.5cm×1.5cmの炭火を同じ場所に置き直した。炭火は堅炭を上の大きさに削り出し、800℃に保った電気炉中で着火させたものを使用した。

### 2.3 風速と含水率

風速は1.5～4m/sの範囲で、点火側から吹き付けた。無風下においては炭火の燃焼が不活発で、供試屋根に着火させにくい。風速測定の基準点は、Fig.1の模型建物の前方1m、床上1mとし、その地点の風速を変化させた。供試屋根は実験開始約2ヶ月前から建物内に保管して乾燥させたもので、実験時の含水率はTable 1に示す通り10%前後であった。

### 2.4 燃焼特性の観測内容

観測は次の項目について行なった。

(1) 炭火周辺での燻焼領域の拡大状況。

(2) 発炎の時機、状態。

Fig.1 A Model house

(3) 発炎後の延焼拡大状況。

(4) 建物内部への煙の侵入状況。

(5) 屋根内部の温度変化の測定による燃焼拡大様相。

これらの時間変化を目視観測、カメラとビデオ、及び茅葺屋根についてはK型熱電対（100点）により記録した。なお本稿では(4)、(5)については別途報告する事として、ここには記さない。

### 2.5 電気炉中での着火テスト

電気炉中での着火時間（着火遅れ時間）は、主として熱放射、及び対流熱伝達（熱風）の混合した形態の加熱による着火性能を示すと考えられるが、相対的な着火容易性は火の粉の接触による着火と同じ傾向にあると考えられる。茅は新茅（1年、未使用）と古茅（15年、使用）の茎と集について、桧皮は生木の皮をはぎ取り乾燥させた新材と古材1及び古材2について、柿はサワラの新材と古材について試験した。電気炉はFig.2に示すように内径19cm、高さ30cmもので、天井部に5cmの開口部を設けた断熱レンガを乗せ、針金にサンプルを吊るして挿入し、設定温度を変えながら着

Fig.2 Ignition test ; Furnace & Sample
火時間を測定した。なお含水率の測定はサンプルを、乾燥剤としてシリカゲルを入れたデシケーター中に保管し、重量を測定して行なった。

### 3. 実験結果と考察

### 3.1 屋根の延焼速度

茅葺、桧皮葺及び柿葺屋根について、燃焼が屋根の斜面に対し上向き方向、下向き方向、横向き方向に拡大する延焼速度を写真とビデオから解析した。なお延焼速度はこのモデルの大きさ内での測定結果であって、屋根面がより広く発炎燃焼の場合、とくに茅ではさらに大きくなるものと考えられる。茅葺屋根、桧皮葺屋根及び柿葺屋根の延焼速度をFig.3～Fig.5に、燃焼拡大状況の概要を実験条件と合わせてTable 1に各々示す。

また延焼の様子を示す写真は、後のFig.9に一括して示した。

## (1) 茅葺屋根

## 実験1

未使用の茅を供した。Fig.3中の網掛け部分の延焼速度は小さくて読みにくいので、この図では縦軸を1/10倍して読む。1.0cm角の炭火では着火しないので、1.5cm角の火種を置いた後、わずか3分53秒で発炎し、以後発炎燃焼は急速に表面上方に向け拡大した。上向き方向の延焼拡大速度が大きく、次いで横方向であり、下方向速度はこれに次ぐ。Fig.9(1)に燻焼状態から、発炎し延焼してゆく経過を示す。

## 実験2

15年間使用の茅を供した。燻焼状態がかなり長く20分間余りも継続した。着炎後の燃焼速度は新茅に比べて遅いが、茅の新古の差より、風速が小さかったためであろう。茅屋根の場合、火種は定位置に止まりにくく、かつ小さな火種では着火しにくいものの、一旦発炎すると、発炎燃焼は中断することなく急激に拡大する。

なおFig.3の経過時間は、1.5cm角の火種を置いた後の経過を示す。実験回数が多くはないが、Table 1から、かなり早期の燻焼面積の小さいうちに着炎する事があるといえる。共通的な特徴として、次の現象が挙げられる。

① 他の二種類の屋根に比べ着火性が悪く、1 cm 角の炭火では着火せず、1.5 cm 角の炭火を必要とした。

② 数分ないし数十分間燻焼を続けるが、一旦発炎すると継続的に急激に上方に拡大する。

③ 燻焼時にパチパチ音を発生する。

## (2) 桧皮葺屋根

## 実験 1

Fig.4の様に下方向延焼速度が、上方向延焼速度を上回ることが特徴である。この点に関して、京

(1) 1st exp.

(2) 2nd exp.

Fig.3 Relationship between time after putting a kindling coal and burning rate ; In case of Thatch ※In 1st exp., the real velocity in netted area is one tenth of Y axis value.
都市消防局では既に確認しており、その理由として、桧皮が反り返り、持ち上がった部分への風通しがよくなる結果、下方向（ひさし方向）へ延焼すると説明している $ ^{3} $ 。筆者等の実験では、特段の反り返りは観察できなかった。しかし下方向への延焼速度が大きかった理由として、桧皮表面の激しい凹凸、亀裂、のような粗い表面が、流入空気に細かな乱気流、渦を発生させること、および下方向が酸素濃度の高い事とあいまった現象と考えられる。いわゆる“鈍い物体による火炎の安定化現象”が起きているのではないかと考えている $ ^{4} $ 。Fig.9(2)に下方向に延焼している状態を示す。さらに(2-4)は、棒状放水により表面の燃焼が鎮火し、おおよそ全体が消火したと見なされた後、表面の消火部分をめくった時、内部の燻焼火から発炎し炎上した瞬間を示す。

## 実験2

砂塵とコケの付着した桧皮である。燻焼状態が1時間程も拡大しながら継続した。着炎後も延焼速度が実験1より小さいのは、表面の付着物のせいと考えられる。やはり下方向に燻焼、発炎共延焼速度は大きい。

共通的な特徴として、次の現象が挙げられる。

① 小さな1 cm角の炭火でも無炎着火しやすく、かなり長い時間継続する。発炎はしにくい。

② 燻焼、発炎燃焼共有風、無風にかかわらず、主に斜面下方向に向けて拡大した。

③ 燻焼域の深部への進行速度が遅い。

④ 燻焼燃焼の継続の間、局所的、一時的な発炎が繰り返された。屋根表面で燻焼が数十分も継続することがある。

⑤ コケや砂塵に覆われていると燻焼が長く続き易く、発炎しにくい。おそらくは桧皮の表面状態の経年変化、例えば亀裂、繊維状の風化物、コケの発生、砂塵の蓄積などが最も燃焼に影響すると考えられる。

## (3) 柿葺屋根の燃焼

## 実験 1

腐敗防止と防火のための銅ベルトを、Fig.9(3)のように定間隔にはさんだ柿屋根である。(3-3)のように、銅ベルト部で下方向の燃焼拡大は大きく抑制される。火点を中心とし、表面を楕円状および垂直方向に主に燻焼が進行し、30mmほど（10枚重ね）の厚さの柿を貫通する。燻焼開始後、比較的早期に2～3分で小さな着炎があるが、すぐに消滅し、以後これを繰り返す。貫通した時点で開口周辺で小さな火炎が継続的に発生する。とくに開口部裏側に大きな炎を発生して、しばらく周囲で燃焼した後、裏面上方に向けて急速に拡大延焼する。

特に(3-2)には、穴が開いた時点で、裏側に火炎の発生している様子が写されている。また(3-3)には屋根上部の板の重ね合わせの隙間から煙が吹き出

(1) 1st exp.

(2) 2nd exp.

Fig.4 Relationship between time after putting a kindling coal and burning rate ; In case of Bark
している様子が良く映っている。

## 実験2

柿実験1とほぼ同様である。

Fig.5の延焼速度に見られるように、上、横、下方向に速度は大きい。

全体的な特徴として、

① 小さな1 cm角の炭火でも容易に無炎着火が起きる。

② 20分前後で燻焼領域が屋根（厚さ3.5cm）を貫通する。

③ 局所的、一時的発炎を繰り返しながら燻焼状態を続ける。

(1) 1st exp.

(2) 2nd exp.

Fig.5 Relationship between time after putting a kindling coal and burning rate ; In case of Shingle

④ 燻焼燃焼が屋根を貫通した後、開口部周辺でしばらく発炎燃焼を続け、その後、特に裏面で急速に成長して、上方に向け急激に拡大する。表面側では、これに遅れて拡大する。上方向延焼速度が大きい。

⑤ 柿屋根は、特に炭火が定置しにくく、定置しないと着火しない。

以上の燃焼実験から、各種屋根材の内部に火が食い込んでいく速度を測定すると、おおよそTable 2の結果が得られた。

Heating Temperature(℃)

Fig.6 Relationship between heating temperature and ignition time in an electric furnace ; In case of Thatch

(1) Comparison of ignitability of new and old materials

(2) Ignitability vs stem diameter
Table 1 Conditions of experiments and the aspects of fire spread

Thatch	Bark	Shingle
1st exp.	2nd exp.	1st exp.	2nd exp.	1st exp.	2nd exp.
Roof Angle	45°	45°	35°	35°	35°	35°
Width(cm)	100	100	100	100	120	150
Length(cm)	200	200	180	180	190	180
Thickness(cm)	35	35	15	15	3.5	3.5
Used Years	unused, 1	15	25	25 (moss on surface)	28	28
Temperature(℃)	12	15.5	10.0	11.0	11.7	11.0
Relative Humidity(%)	33	63	37	55	33	55
Wind Velocity(m/s)	4.0	2.5	2.0	1.5	2.0	2.0
Moisture Content(%)	11.5	9.6	13.8	9.5	7.5	8.6
Process of	0'00"	0'00"	0'00"	0'00"	0'00"	0'00"
Fire Spread (minute; "second)	put Charcoal	put Charcoal	put Charcoal	put Charcoal	put Charcoal	put Charcoal
(1.0cm square)	(1.0cm square)	(1.0cm square)	(1.0cm square)	(1.0cm square)	(1.0cm square)
5'00"	10'00"	8'43"	56'45"	2'55"	2'30"
put Charcoal again	put Charcoal again	flaming & smoldering	flaming & smoldering	flaming & smoldering	flaming & smoldering
(1.5cm square)	(1.5cm square)
smoldering	smoldering
8'53"	30'47"	22'40"	18'34"
flaming ignition	flaming ignition	the fire made	the fire made
(3'53")	(20'47")	a hole in the roof	a hole in the roof
Smoldering Area at Flaming Ignition(cm²)	15	160	32	180	11	128

Table 2 Spreading and penetrating velocity for each roof materials

Roof Materials	Burning Condition	Maximum Spreading Velocity (cm/min)	Penetrating Velocity (cm/min)
upward	downward	sideward
Thatch	smoldering flaming	4	3	2	1.0
200	15	20	--
Bark	smoldering flaming	0.5	1.0	0.5	0.10
1.5	2.5	1.5	--
Shingle	smoldering flaming	1.0	0.5	0.5	0.19
24	2.5	2.0	--
### 3.2 電気炉加熱による茅、桧皮、柿の着火容易性の比較

Fig.6、Fig.7、Fig.8に茅、桧皮、柿の電気炉加熱による着火時間を調べた結果を示す。

Fig.6(1)は特にサイズを厳密に揃えて、同一直径（5.5±0.5mm）の茎、及び同一サイズ（10mm×30mm）の葉について、新材と古材の違いを比べたものである。茎、葉とも古い材料ほど着火しやすい。また薄い材料である葉は、茎と比べ著しく着火容易である。Fig.6(2)では、茎の径は太いものほど着火時間が長く（着火しにくく）なっている。また弾力性を失った古茅では、着火はするが発炎しないものが散在した。

Fig.7の桧皮、Fig.8の柿、いずれも古材の方が、着火しやすい傾向が明らかである。建材に使われた古い木材に関して、森本等 $ ^{5)} $ は着火温度の高い

Fig.7 Comparison of ignitability of new and old materials in natural and absolutely dry state in an electric furnace; In case of Bark

new material : 2mm(H)×10mm(W)×20mm(L)

old one 1 : 0.5mm(H)×10mm(W)×20mm(L)

old one 2 : 1mm(H)×10mm(W)×20mm(L)

※ D : dry in air, (moisture content≠10%)

AD : absolutely dry, (moisture content $ \neq $ 0%)

セルロース系成分の腐朽により、より低温着火性の成分が多く残存するためであろうと推察している。これらの植物性屋根材に関する具体的検討は見当たらないが、腐朽、風化を含めて、高分子のセルロース、リグニンがより重合度の低い成分に分解されて熱分解を起こしやすい成分比率が多くなり、着火しやすくなる事が考えられる $ ^{6)} $ 。次にこれまでの燃焼実験の写真をFig.9に一括して示す。

### 4. おわりに

茅葺、桧皮、柿葺屋根の燃焼上の特徴を調べ、本文記載のような材種別の観察結果を得た。これを契機として、今後この方面の研究と対策が進展する事を念願する次第である。

Fig.8 Comparison of ignitability of new and old materials in natural and absolutely dry state in an electric furnace; In case of Shingle

2.7mm(H)×10mm(W)×20mm(L)

※ D : dry in air, (moisture content $ \neq $ 10%)

AD : absolutely dry, (moisture content $ \neq $ 0%)
(1-1)

(1-3)

(1-2)

(2-2)

(2-1)

(2-3)
(2-4)

(3-1)

(3-2)

(3-3)

Fig.9 Burning tests using miniature of real roofs

(1-1) Smoldering condition (27 minutes after ignition)

(1-2) Flaming broke out (31 minutes –)

(2) Bark Roof

1st exp.

(1-3) Burning spread rapidly upward (35 minutes-)

(2-1) Smoldering condition (7 minutes after ignition)

(2-2) Flaming broke out (19 minutes –)

(2-3) Burning spread mainly downward (33 minutes –)

(3) Shingle Roof

1st exp.

(2-4) When turned over the extinguished surface, reflashing took place

(3-1) Smoldering condition (9 minutes after ignition)

(3-2) The fire penetrated the roof and a flaming ignition broke out backside (24 minutes –)

(3-3) The flaming ignition mainly spread backside and the smoke leaked out at upper part of the roof (39 minutes –)
## 謝 辞

最後にこの実験は、文化庁の、「文化財建造物の防火対策手法に関する調査研究—桧皮葺屋根、茅葺き屋根の防火」の一環として行ったものであることを付記し、関係各位にお礼申し上げる。また新しい柿板は、京都府教育庁文化財保護課、鶴岡典慶氏に提供して頂いた事を付記し、謝辞にかえたい。

## 参考文献

1）消防庁：文化財建造物保護のための総合的防火対策の推進に係わる調査・検討報告書(1996)

2）研究代表 村上 處直：文化財建造物の防火対策手法に関する調査研究—茅葺、桧皮葺及び柿葺屋根の防火—、平成6年度科学研究費補助金（総合研究A）研究成果報告書(1995)

3）京都市消防局：“桧皮ぶきの燃焼について”

(1977)

4）疋田強、秋田一雄：改訂燃燒概論、p70(1982)

5）森本博、斎藤文春：“桧皮の防火処理実験報告書”宮内庁管理部業務課依頼、建築研究所(1956)

6）右田伸彦他：木材化学（下）、共立出版、p33(1968)
# Burning Properties of Botanical Roofs of Cultural Heritage Old Buildings

(Abstract)

Satoshi Takahashi and Hiroyuki Tamura

(Received January 30, 2001)

In recent years, not a few fires are damaging cultural heritage buildings. In particular, the buildings which has botanical roofs take fires on the surface very often by flying sparks and fire works. Until today, we have had little knowledge on the process of getting fires and burning properties. These knowledge are not only valuable to make measures for preventing fires, but also dedicate for extinguishment and detection.

In our experiments, three types of botanical roofs, a Thatch, a Bark and a Thingle were used for observing the fire process. There were some unique characters for each as follows.

## (1) Thatched Roof

It was a little difficult to settle a kindling coal(a charcoal fire) on the slanting surface due to slide down. The smoldering continued for short period of time and after that, once a flaming burning broke out, it never disappeared and continued growing and spread rapidly toward mainly upward.

## (2) Bark Roof

It was relatively easy to get the smoldering ignition and this smoldering continued for pretty long period of time with intermittent small flaming. After the smoldering grew to a pretty big size, a continuous flaming burning started. The unique property of this material is, the burning mainly advance downward regardless there is wind or not. The burning style was largely influenced by the surface conditions such as, if it is covered with moss, dust soil, cracks, etc.

(3) Thingle Roof

It was very easy to start the smoldering burning, although a kindling coal rolled down too easily the surface and an oval charred area grew with intermittent flaming and a hole was formed at the fire point to penetrate the roof with moderate speed. This hole penetrated the roof within about twenty minutes. Then continuous flaming took place at the backside corner and spread rapidly along the backside surface upward. The flaming burning also took place on the front surface too, with some delay of time and spread.
# 1 次・2 次溶融痕の判別に関する研究

李 義平，松原 美之，大谷 英雄 $ ^{*} $ ，関 勉 $ ^{**} $ ，長谷川 秀夫 $ ^{**} $ ，今田 修二 $ ^{**} $ ，矢代 勲 $ ^{**} $

(平成13年1月30日受理)

出火した個所の発火部には電気溶融痕が存在することが多いので、電気溶融痕は火災原因調査の際、発火（出火）原因を解明する大きな手がかりになる可能性がある。そこで、1次・2次溶融痕を実験的に作製して、1次・2次溶融痕にどのような差があるか研究した。その結果、次のことが分かった。

2）溶融痕の酸化組織中のDAS（Dendrite Arm Spacing）は雰囲気温度（冷却速度）と酸素濃度の関数であり、火災によって再溶融しない限り、DASは変化しない。そこで、酸化組織中の酸素濃度とDASを測定することにより、溶融痕が生成した時の雰囲気温度が推定できる。

3）1次溶融痕の中にはグラファイト化炭素とアモルファス炭素が巻き込まれているが、2次溶融痕の中にはアモルファス炭素しか巻き込まれていないので、巻き込み炭化残渣からグラファイト化炭素が検出されると、その溶融痕は1次溶融痕である。

4）非溶融部の銅線の結晶粒度は、最高到達温度のみに依存し、被熱履歴（温度維持時間、冷却速度、加熱等）は残さないので、1次・2次溶融痕の判別には利用できない。

### 1. はじめに

屋内配線に使用されるVVF（600Vビニル絶縁シースケーブル形、通称Fケーブル）等は、短絡するとその回路に取付けてある分電盤の電流遮断器が作動して「断」になったり、「カットアウトスイッチ」のヒューズがきれたり、ときには電流制限器が作動する。このようにVVFケーブルで短絡が発生すると、通電が停止されるので、その後は短絡して溶融痕が発生することはない。したがって、「Fケーブルに短絡による電気溶融痕が発生した個所は、出火点かまたはその付近である。」ということができ、Fケーブルの短絡痕は出火個所判定上の根拠となりうる。

一方、このことをビニルコードに当てはめてみ
ると、ビニルコードは短絡してもブレーカが作動したりヒューズが切れる場合が少ないため、1回路の系統の2個所以上に溶融痕が発生することが多い。しかし、出火してビニルコードに短絡痕が発生した後火災が天井裏や小屋裏に拡大し、Fケーブルが短絡して通電が停止されると、その後は他の個所に短絡痕を生じないため、1回路に2個所以上の短絡痕が発生してもその範囲が限られていれば、出火個所の判定根拠にすることができる。しかもビニルコードは建物の床に沿って使用されることが多く、また火災は床面から発生することが多いため、ビニルコードの短絡痕は火災の初期に発生しやすい。このため、発生範囲が限られていれば建物内の上方で使用されているFケーブルよりもビニルコードの溶融痕の方が信頼性の高い出火個所の判定根拠となる $ ^{1)} $ 。

このように、溶融痕は火災原因調査の際、出火した個所を特定するのに大きな手がかりになる。しかしながら、その電気溶融痕には通電状態（電圧が印加状態）で短絡等を起こし火災を引き起こしたもの（以下、1次溶融痕（PMM）という。）と電圧が印加された電気コード類の被覆が火災の炎で燃やされてその影響で2次的に短絡した場合の短絡痕（以下、2次溶融痕（SMM）という。）がある。この識別方法に関する研究としては、外観 $ ^{2} $ 、溶融痕中のボイド $ ^{3,4} $ 、炭化残渣巻き込み $ ^{5} $ 、表面分析 $ ^{6-8} $ などの方法が検討されてきた

(a) Wound wiring

(b) Twisted jointing

Fig.1 Schematic diagram of model cord.

が、まだ精度の高い判別方法は確立されていないのが現状である。

そこで、本研究では、1次・2次溶融痕の生成までの過程の差と生成時の雰囲気の差などに着目して、1次・2次溶融痕にどのような差があるかを検討した。

本論文は日本火災学会論文集に3回にかけて投稿した論文に、実際の火災現場のサンプルに対する検証に関する結果を加えてまとめたものである。

### 2. 実験

電線の試料としてはビニル平行コード0.18mm×30本（定格電流7A）及び0.18mm×50本（定格電流12A）を使用した。主な実験は次のとおりである。

### 2.1 1 次溶融痕

1 次溶融痕はビニル平行コードを束線または捻回（手より）接続して作製した $ ^{9} $

#### 2.1.1 束線

束線の形状・寸法はFig.1(a)による。0.18mm×30本、2mのコードは下巻3回、上巻15回して束線を作製し、14、17.5、21、28Aを通電した。0.18mm×50本のコードの試料長は2m（下巻3回、上巻15回）、3m（下巻6回、上巻13回）、5m（下巻10回、上巻17回）であり、12、14、16、18、21、24A等の負荷をかけた。いずれも下巻部分の長さは15cmである。負荷回路はFig.2による。ただし、リレータイマー回路を付加して100分ON・20分OFFを短絡に至るまで繰り返した。各々の形状について、各々の電流値で3個ずつ試料を作製した。

#### 2.1.2 捻回接続

捻回形状はFig.1(b)により、捻回部はより戻しを加えたゆるみのある状態とした。負荷回路は

Fig.2 Experimental Circuit.