論文の公開元へ火災加熱を受ける木質部材内部の熱水分同時移動が力学的性能へ及ぼす影響の評価に関する研究
概要
近年、国内外で木造建築物の大規模化が急速に進んでいる。背景として、 建築物への木材の活用が、建材として使用されることによ る炭素の固定や 、 林業の健全化等の観点から重要な課題となっていることが 挙げられる。また、2020 年には 建築基準法が改正され 、 これまで耐 火建築 物 で しか建 築でき なかった規 模や 用途 の 建築 物が、耐火建築物以外でも建築可能となっている。よって、大規模化する木造建築物の火災安全に対する信頼性の確保や、適正な大きさの断面を設計する必要性 から、木質部材の耐火性能の予測・評価がより重要となっている。これまで、火災時の木質部材の力学的性能は、炭化による断面減少と、温度による耐力低下を加味して予測されてきた。しかし、木材は水分を含む材料であり、 常温時においても 含水率が上昇すると力学的性能が低下する。火災時に内部が高温となると、蒸発した水分が内部に移動、凝縮することで含水率が上昇するだけでなく、含水率の力学的性能への影響は高温時に増大する。よって、部材内部の水分移動による含水率の上昇は、力学的性能の顕著な低下を招いていると考えられ、その影響を評価することが望まれている 。
そこで、本論分では火災加熱を受ける木質部材内部で起こる熱水分移動に着目し、その力学的性能への影響の定量的な評価を目的とした。本論文は以下の 7 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、研究背景及び目的について述べた。火災加熱を受ける木質部材の力学的性能を変化させる要因を整理した上、既往研究やその中で用いられた解析手法の特徴を述べた。それらと比較して本論文は、木造部材内部の熱水分移動を実験・解析より明らかにし、温度と含水率の双方の依存性を考慮して力学的性能の変化を予測することが大きな特徴であることを述べた。最後に、本論文の構成を示した。
第 2 章「小型含水率計の開発」では、加熱実験時にも使用可能な、木質部材内部の局所的な含水率の変化を測定できる装置の開発を行った。これまで加熱実験時の部材内部の温度は、熱電対によって測定することが可能であったが、含水率を測定できる汎用的な装置はなく、水分移動の状況を把握するための大きな妨げとなっていた。そこで、熱電対が温度測定を行うのと同様に、部材内部の局所的な含水率を測定できる装置の開発を行った。含水率計の基本的な測定原理は、小型の電極を木材内部に埋設し、電気抵抗から含水率を逆算するものである。加熱実験時の高温に耐えうる仕様とするため、常温下での使用を想定した既往研究の使用に、耐熱性を向上させる仕様の改良を行った。さらに、電気抵抗から含水率を逆算するため、温度及び含水率による電気抵抗の変化を実験により測定し、実験結果を対象とした回帰分析により校正曲線を導出した。校正曲線は、スギ、カラマツ、ベイマツ及びケヤキについて導出された。最後に、測定可能範囲と精度について考察を行い、約10% ～ 30%で最も有効あることを示した 。
第 3 章 「小型含水率計による含水率の変化の測定」では、2 章にて開発した含水率計を用いて、定常加熱、または非定常過熱を受ける木材平板内部の含水率分布の変化を実際に測定した。樹種はいずれもスギとした 。定常加熱を与えた実験では、コーンカロリーメーターを用いて、熱電対及び含水率計を設置した試験体（ 100 mm 角 × 厚 45 mm ） に板目面から 4.5、または 20 kW/ m2 の加熱を与えた。4.5 kW / m2 の加熱では、試験体の表面でも炭化や熱分解が生じないような比較的低温であったが、部材内部では含水率が徐々に上昇したため、部材内部の加熱面から離れた入熱の小さい部分でも含水率が上昇する可能性があることを示した 。20 kW/ m2 の加熱では、内部で含水率が一時的に上昇したのち、低下する現象が確認された。これは、加熱面付近での水分の蒸発、水蒸気の移動 、再凝集によって含水率が増加したのち、加 熱面からの炭化の進行と内部温度の上昇に伴い蒸発が盛んになることで含水率が低下する現象 を測定できたものと考えられる。非定常加熱を与えた実験では、壁状の試験体（ 幅 600 mm × 高さ 480 mm × 厚 120 mm ）に、小型炉を用いて ISO 834 標準加熱曲線に準じた 90 分の加熱を与えた。実大の加熱実験時を想定して、ラミナ内部 に 熱電対及び含水率計を設置、配線したのち、ラミナ同士を接着することにより試験体を作成した。非定常加熱においても、加熱面付近における含水率の一時的な上昇、及び加熱面から比較的離れた箇所における含水率の緩やかな上昇が確認され、火災加熱を受ける部材内部で含水率が上昇することを実験により把握した。
第 4 章 「熱水分同時移動モデルによる温度・含水率分布の変化の予測」では、火災加熱時の木造部材内部の温度と含水率の変化を予測可能にするため、熱水分同時移動モデルにより解析を行い、第 3 章の実験結果と比較した。解析では、熱、水分、混合ガス（水蒸気と空気）及び水蒸気について収支式を立て、それぞれ、温度、含水率、全圧及び水蒸気圧の連成した差分式を導いた。内部の含水率の上昇は、加熱面付近での水分の蒸発による水蒸気の発生、非加熱面側への水蒸気の移動、水蒸気分圧が増加することによる相対湿度の増加、相対湿度の増加による平衡含水率の上昇、最後に、平衡含水率に近づくために含水率が上昇するというモデルにより再現されている。解析の結果、熱水分同時移動モデルにより含水率の上昇を再現することができ、実験結果とも概ね一致した。
第 5 章「高温時の力学的性能の温度・含水率依存性の定量化」では、温度・含水率依存性を考慮して、加熱前と比較した力学的性能の残存率を算出する式を導出した。これまで、火災加熱時を受けた残存断面の力学的性能の低下は、温度依存性のみが専ら考慮されてきた。しかし、高温時には、力学的性能の含水率依存性が増大することから、火災時に荷重を保持する残存断面の力学的性能を、含水率依存性を考慮して評価する必要があった。筆者らは、温度及び含水率をパラメータとした、小試験体（ 20 mm 角 × 320 mm ）を用いた曲げ試験結果によって、木材の力学的性能の温度・含水率依存性に関する基礎的なデータをこれまでに蓄積してきた。本章では、これらの小試験体の曲げ試験結果を対象に回帰分析を行い、加熱後の温度と含水率を引数として力学的性能の残存率を算出できる 式を導出した。力学的性能として、曲げ試験結果から算出できるヤング係数及び曲げ強度を対象とした。回帰式は、既往の知見と、温度を段階的に増加させながら、各温度でヤング係数を測定する曲げ試験を行った結果により決定した。回帰分析の結果、導出した回帰式と実験結果はよく一致し、温度・含水率依存性を考慮してヤング係数及び曲げ強度の残存率を算出できることとなった。
第 6 章「実大部材における熱水分同時移動解析による力学的性能予測のケーススタディ」では、第 4 章の熱水分同時移動解析と、第 5 章の力学的性能の残存率の計算式を用いて、火災加熱を受ける実大部材内部の、含水率の力学的性能への影響の評価例を示した。評価の手法として、まず、実大部材の断面を有限要素に分割し、熱水分同時移動解析を行って、各要素の温度及び含水率分布の推移を算出した。次に、各要素の力学的性能の残存率を、熱水分同時移動解析によって得られた温度及び含水率から算出した。最後に、断面全体で発揮できる耐力を求めた。本章では、評価例として、加熱実験の行われているスギ梁、ケヤキ柱の 2 例を対象とした。いずれの場合も、含水率を考慮した場合の解析結果では、実験結果よりも早く部材の崩壊時間を予測したのに対し、含水率を考慮しない場合は崩壊時間を実験よりも長く予測する結果となった。以上より、熱水分同時移動解析を用いて含水率を考慮した火災時耐力の予測が可能であること、含水率依存性を考慮して火災時耐力を予測する必要があることを示した。
第 7 章「 総括 」では、各章で得られた知見を整理し、本論分の成果を総括した。また、第 4 章及び第 6 章の熱水分同時移動モデルによる解析結果を踏まえ、今後の改良点をまとめた。
以上を要するに、本論文では、火災加熱を受ける木質部材内部の含水率の変化を開発した装置により実測した上、熱水分同時移動モデルによる再現と、その力学的性能への影響評価を可能とした。これまで明らかにされてこなかった火災加熱を受ける木質部材内部の水分移動の力学的性能への影響を定量的に評価できるようにしたことは、木造建築物の火災時の安全性の向上や、耐火性能の工学的な予測手法の確立に向けて大きな貢献をもたらしている。
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