鉄骨構造物の防火対策

1. 鋼構造物の耐火限界と耐火性

高強度と高延性という利点により、鉄骨構造は軽量で耐震性能に優れ、高い耐荷重能力を備えています。また、鉄骨構造は現場での加工が可能で、工期が短く、材料のリサイクルもできるため、国内外を問わず鉄骨構造建築は広く利用されています。

しかし、鉄骨構造にはアキレス腱、すなわち耐火性の低さという弱点があります。火災時に鉄骨構造の強度と剛性を長期間維持し、人々の生命と財産の安全を確保するために、実際のプロジェクトではさまざまな防火対策が採用されています。防火対策は、防火原理の違いにより、耐熱法と水冷法に分けられます。耐熱法は、噴霧法と封入法（中空封入法と固体封入法）に分けられます。水冷法には、注水冷却法と水洗浄冷却法があります。本稿では、さまざまな防火対策を詳細に紹介し、その長所と短所を比較します。
鋼構造物の耐火限界とは、標準耐火試験において、部材が安定性または完全性を失い、断熱耐火性能が低下するまでの時間を指します。

鋼材自体は燃えませんが、鋼材の特性は温度によって大きく影響を受け、250℃では鋼材の衝撃靭性が低下し、300℃を超えると降伏点と極限強度が著しく低下します。実際の火災では、荷重条件は変化せず、鋼構造が静的平衡安定性を失う臨界温度は約500℃ですが、一般的な火災温度は800～1000℃に達します。その結果、鋼構造は高温の火災下で急速に塑性変形を起こし、局所的な破壊を引き起こし、最終的には鋼構造全体の崩壊につながります。鋼構造建築物では、建物が十分な耐火限界を持つように防火対策を講じる必要があります。火災時に鋼構造が急速に臨界温度まで加熱され、過度の変形によって建物が崩壊するのを防ぎ、消火活動と人員の安全避難のための貴重な時間を稼ぎ、火災による損失を回避または軽減します。

2. 鉄骨構造物の防火対策

鋼構造物の防火対策は、原理に基づいて耐熱方式と水冷方式の2種類に分けられます。これらの対策の目的は共通しており、部材の温度が特定の時間内に臨界温度を超えないようにすることです。違いは、耐熱方式は部材への熱伝達を防ぐのに対し、水冷方式は部材に熱を伝達してから放熱するという点です。

2.1 抵抗熱

耐熱法は、コーティング材料の耐熱性および耐熱性に応じて、スプレー法とコーティングスプレー法に分けられ、コーティングまたはスプレーコーティング法によって防火コーティングを形成し、中空コーティング法と固体コーティング法に分けられます。

2.1.1 噴霧方法

一般的に、鋼材表面に耐火塗料を塗布またはスプレーし、耐火絶縁保護層を形成して鋼構造物の耐火性を向上させます。この方法は非常に軽量で耐火性に優れ、鋼材部品の形状に制限がなく、経済性と実用性に優れ、幅広い用途があります。鋼構造物の難燃性コーティングの種類は多く、大きく分けて2種類あります。1つは薄膜タイプの難燃性コーティング（Bタイプ）、つまり鋼構造物膨張難燃材です。もう1つは厚膜コーティング（H）クラスBクラス難燃性コーティングで、コーティングの厚さは一般的に2～7mmで、有機樹脂を主成分とし、一定の装飾効果があります。高温膨張時の耐火物の厚みの限界は0.5～1.5Hです。薄型軽量コーティング鋼構造物難燃性コーティングは、耐振動性に優れ、屋内裸鋼構造物や軽量屋根鋼構造物に適しています。耐火限界が1.5H以下の場合は、適切なHタイプ鋼構造物難燃性コーティングを選択します。耐火塗料コーティングの厚さは8～50mmで、一般的に粒状表面の主成分です。無機断熱材の場合、低密度で熱伝導率が低い。耐火限界は0.5～3.0時間。厚手の鋼構造用難燃コーティングは一般的に不燃性で、耐老化性、耐久性、信頼性に優れている。屋内隠蔽鋼構造、全鋼構造、多層工場建物の鋼構造など、耐火限界が1.5時間を超える場合は、厚手の鋼構造用難燃コーティングを選択する必要がある。

2.1.2 コーティング方法

1) 中空被覆方法: 一般的に防火板またはレンガを使用し、鋼部材の外側の縁に沿って鋼構造のパッケージを上にします。国内の石油化学工業の鋼構造工場では、鋼構造の保護のためにレンガを敷き詰めて鋼部材を包む方法を採用することがほとんどです。この方法は、高強度、耐衝撃性という利点がありますが、場所を取ること、施工がより面倒なこと、耐火軽量板、例えば繊維強化セメント石膏ボード単層スラブなどの防火被覆方法は、ボックスパッケージの大型鋼部材の低コスト損失装飾表面の平滑化環境汚染なし耐老化性などの利点があり、普及の見込みがあります。 2) 固体被覆方法: 一般的にコンクリートを流し込んで鋼部材を包み込み、鋼構造の部品を完全に閉じます。上海浦東世界金融センターの鋼柱などのこの方法の利点は、高強度、耐衝撃性ですが、コンクリート被覆が場所を取ること、施工が面倒なこと、特に鋼梁や傾斜ブレースの場合です。

2.2 水冷方式

水冷方式には、注水冷却方式と注水冷却方式が含まれる。

2.2.1 水シャワー冷却方式

スプレー冷却方式とは、鉄骨構造の上部に自動または手動のスプレーシステムを設置する方式です。火災発生時には、スプレーシステムが作動し、鉄骨構造の表面に連続した水膜を形成します。炎が鉄骨構造の表面に広がると、水の蒸発によって熱が奪われ、鉄骨構造が限界温度に達するのを遅らせます。同済大学土木工学部の建物では、この水シャワー冷却方式が採用されています。

2.2.2 水冷方式

水冷方式とは、中空の鋼材部材に水を満たす冷却方法です。鋼構造物内で水が循環することで、鋼材自体が吸収した熱が放散されます。そのため、鋼構造物は火災時にも低温を保ち、過度の高温上昇による耐荷重能力の低下を防ぐことができます。錆や凍結を防ぐため、水には防錆剤と不凍液が添加されます。ピッツバーグにある64階建てのUSスチール社のビルの鋼柱は、水冷式となっています。

3．火災予防対策の比較

耐熱工法は、耐熱材を通して構造部材への熱伝導速度を遅くすることができます。一般的に、断熱工法は経済的で実用的であり、実際のプロジェクトで広く使用されています。水冷工法は火災に対する効果的な保護対策ですが、構造設計に特別な要件があり、コストが高いため、工学分野ではあまり普及していません。

耐熱工法は鋼構造物の防火対策において広く用いられているため、以下では耐熱対策におけるスプレー工法と被覆工法の長所と短所を比較検討する。

3.1 耐火性

耐火性に関して言えば、被覆工法はスプレー工法よりも優れています。コンクリート、耐火レンガなどの被覆材の耐火性は、一般的な耐火コーティングよりも優れています。さらに、新しい防火板の耐火性能も防火コーティングよりも優れています。その耐火限界は、同じ厚さの鋼構造用防火断熱材よりも明らかに高く、防火コーティングの膨張率よりも高くなっています。

3.2 耐久性

コンクリートなどの外装材は耐久性が高いため、時間の経過とともに劣化しにくい。しかし、耐久性は鉄骨構造の難燃性コーティングが解決できなかった問題である。屋外でも屋内でも、薄型および超薄型の耐火コーティングの有機成分は、分解、劣化、老化などの問題を引き起こす可能性があり、コーティングの粉状化や耐火性能の低下につながる。

3.3 建設

鉄骨構造物の防火におけるスプレー工法はシンプルで、複雑な工具を必要としません。しかし、スプレー防火コーティングの施工品質管理は不十分で、下地材の錆除去、防火コーティングの塗膜厚、施工環境の湿度などを制御するのは容易ではありません。一方、被覆工法は、特に傾斜ブレースや鋼梁の場合、施工が複雑ですが、施工は制御可能で、品質も容易に保証できます。被覆材の厚さを正確に変更することで、耐火限界を制御できます。

3.4 環境保護

噴霧工法は、施工中に環境を汚染し、特に高温下では有害ガスを揮発させる可能性があります。一方、本工法は施工時、通常使用環境、火災時の高温下でも有害物質の放出がなく、環境保護と火災時の人員安全に有益です。

3.5 経済

スプレー工法は、施工が簡単で工期が短く、施工コストも低い。しかし、耐火塗料の価格が高く、また塗料には経年劣化などの欠点があるため、維持管理コストが高くなる。一方、被覆工法は施工コストは高いが、材料費が安く、維持管理コストも低い。一般的に、被覆工法は経済効率が良い。

3.6 適用範囲

スプレー塗装法は部材の形状に制限されず、梁、柱、床、屋根などの部材の保護に広く用いられています。特に軽量鉄骨構造、格子構造、特殊形状鉄骨構造の防火に適しています。被覆塗装法は施工が複雑で、特に鉄骨梁や傾斜ブレース部材には適していません。被覆塗装法は一般的に柱に多く用いられ、スプレー塗装にはあまり用いられていません。

3.7 占有スペース

スプレー方式で使用される難燃性塗料の量は少なく、被覆方式ではコンクリートや耐火レンガなどの被覆材を使用するため、スペースを占有し、スペースの利用効率が低下します。また、被覆材の品質も高くなります。

4. 要約する

議論から以下の結論が導き出される。

1) 鉄骨構造物の防火対策の採用にあたっては、部材の種類、施工の難易度、施工品質の要件、耐久性の要件、経済的利益など、多くの要因の影響を考慮する必要があります。

2) スプレー工法とカプセル化工法を比較すると、スプレー工法の主な利点は施工工程が簡単で、スプレー後も部品の外観が大きく変化しないことです。一方、カプセル化工法の主な利点は、低コスト、優れた耐火性能、耐久性です。

3) あらゆる種類の防火対策にはそれぞれ長所と短所があります。工学的応用においては、互いに学び合い、それぞれの欠点を補い合うことができます。また、異なる対策を組み合わせることで、複数の防火線を構築することも可能です。

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