10木结构的防火设计

第十章木结构的防火设计第一节木结构防火设计原则及防火理念一、木结构防火设计原则国家标准《木结构设计规范》GB50005-2003第一章“总则”中第1.0.6条规定：木结构的设计，除应遵守本规范外，尚应符合国家现行有关强制性标准的规定。第十章第10.1.1规定：木结构建筑的防火设计，应按本章规定执行。本章未规定的应遵照《建筑设计防火规范》GB50016的规定执行。上述规定是木结构建筑防火设计的根本指导原则。设计人员或审图人员在进行工程设计、审查时必须遵守该条规定，以维护国家标准的权威性和公正性。二、木材的燃烧特性木材为可燃材料，品种不同发热量各异。木材受热，温度在100℃以下时，只蒸发水分，不发生分解。继续加热，温度在100~200℃时，开始分解。但其速度很慢。分解出的主要是水蒸气和CO2，同时，还有少量的有机酸气体。因此，在200℃以下，是木材的吸热过程，一般不会发生燃烧，仅有少数木材品种的昀低着火点为157℃。在没有空气的条件下，木材加热超过200℃时，即开始分解。昀初比较缓慢，随着温度的提高，分解加速。当温度达到260℃～330℃时，分解到达昀高峰。木材急剧分解时，放出可燃气体，如：CO、甲烷（CH4）、甲醇（CH3OH）以及高燃点的焦油成分等，而剩余物为木碳。木材在其温度达到400℃～450℃的时候完全碳化，并在急剧分解的过程中放出大量的反应热，故此过程为放热反应过程。木材受热分解时，放出的可燃气体和产生的剩余物，若与氧气或氧化剂相遇，则发生氧化反应，放出热和光，俗称为燃烧。气体燃烧过程中产生的固体剩余物——木碳，继续与氧气发生反应，即称之为煅烧，其过程产生大量的热又使内层木材发生分解，进一步分解出的可燃气体，又继续燃烧，周而复始，使燃烧煅烧往复交替形成火势。在木材受热分解而急速放出可燃气体时，氧气在木材表面碳化层的扩散受到阻碍，因而气相燃烧通常是在离木材表面一定距离处进行的。由于木碳层传热性能较差，故当木材表面形成碳化层后，对木碳层下面的木材与其外面的气相燃烧起到了一定的隔离作用，这不仅延缓了内层的木材达到热解温度，而且也降低了热分解速度，导致分解出的可燃气体透过碳化层参加外表面与空气混合的燃烧速度减慢，当然，木材深层的碳化速度亦随之减慢。这就是常见的大截面木构件虽然没有经过防火处理但仍然有比较长的耐火极限的原因。三、木结构的防火特性木结构分为普通木结构、胶合木结构和轻型木结构三种。由于各自的结构性质不同，其防火性能也有着各自的特点。（一）普通木结构未经防火处理的普通木结构构件较为容易被火引燃。但是，由于木材的导热性较低，且构件338在燃烧时，表面形成的碳化层起到很好的隔热效果，从而有效地减缓碳化层下未燃烧木材的燃烧速度。这就是普通木结构构件虽然是可燃材料，但其耐火极限却比普通钢结构构件（耐火极限为14分钟）高得多的原因。北美的建筑规范指出，对于普通木结构，随着构件截面尺寸的增加，构件的耐火极限也相应提高。所以，在普通木结构设计中，选取适当的截面尺寸也是满足耐火极限要求的措施之一。鉴于普通木结构较之胶合木结构、轻型木结构的耐火性能差的特点，故对一些耐火极限要求较高、截面尺寸又不能过大的构件则必须采取阻燃剂浸泡或防火涂料喷刷的辅助措施。（二）胶合木结构胶合木结构主要采用锯材或结构胶合木等工程木产品建造，结构体系主要为梁柱体系。胶合木结构的防火设计是通过规定结构构件的昀小尺寸（包括梁、柱的截面尺寸以及楼面板和屋面板的厚度等），将所有构件外露，利用木构件本身的耐火性达到规定的耐火极限。木材的导热性很低，构件燃烧时，表面形成的碳化层起到了很好的隔热效果，有效地减缓了碳化层下未燃烧木材的燃烧速度。截面尺寸较大的胶合木结构构件，据国外资料介绍，火灾时，一般能达到一小时或一小时以上的耐火极限，由于我国目前尚未发展胶合木结构建筑，有关构件的防火性能及其耐火极限亦未进行研究和试验。《木结构设计规范》（GB50005-2003）没有给出胶合木结构防火设计的有关设计方法和构造规定。为了使设计人员对木结构建筑的防火了解更加全面，本章以北美情况为例，介绍了胶合木结构建筑防火设计的有关内容，供设计人员参考。（三）轻型木结构轻型木结构主要采用规格材和木基结构板材建造，墙体、楼屋盖的结构体系类似箱型结构，其防火设计主要通过在结构构件外部覆耐火材料，例如防火石膏板等，以达到增加构件耐火极限及阻挡火焰和高温气体传播的作用。第二节建筑构件的燃烧性能和耐火极限一、建筑构件的燃烧性能建筑物由许多建筑构件组成，建筑构件在火灾高温下的耐火性，即建筑构件的燃烧性能和耐火极限，对建筑物的耐火程度有很大的影响。建筑构件的燃烧性能，反映了建筑构件遇火烧或高温作用时的燃烧特点，由构件材料的燃烧性能决定，不同燃烧性能建筑材料制成的建筑构件，分成三类：(一)不燃烧体用通过国家标准《建筑材料不燃性试验方法》（GB5464-85）试验合格的材料，即不燃性材料制成建筑构件称为不燃烧体。这种构件在空气中受到火烧或高温作用时，不起火，不微燃，不碳化。(二)难燃烧体用通过国家标准《建筑材料难燃性试验方法》（GB5464-85）试验合格的材料制成的构件，或用可燃性材料作基层，而用不燃性材料作保护层（或隔热层）的构件称为难燃烧体。这类构件在空气中受到火烧及高温作用时，难起火，难微燃，难碳化，当火源移走后，燃烧或微燃立即停止。339(三)燃烧体用普通可燃性或易燃性材料制成的建筑构件成为燃烧体。这类构件在明火或高温作用下，能立即着火燃烧，且火源移走后，仍能继续燃烧和微燃。二、建筑构件的耐火极限（一）设计原则建筑构件的耐火极限的高低,是决定木结构建筑防火安全程度的关键因素。建筑构件的耐火极限是指构件在标准耐火试验中，从受到火的作用时算起，到失去支持能力或完整性被破坏或失去隔火作用为止，这段抵抗火作用的时间，一般以小时计。对构件进行标准耐火试验，测定其耐火极限是通过燃烧试验炉进行的。耐火试验采用明火加热，使试验构件受到与实际火灾相似的火焰作用。为了模拟一般室内火灾的全面发展阶段，实验时，炉内温度随时间推移而上升并呈一定的关系。按这种关系得出的曲线称作火灾标准升温曲线。目前，世界上大多数国家都采用火灾标准升温曲线来升温，例如，美国材料与试验协会的ASTME119等。这就在基本试验条件上趋于一致。对于耐火极限的判定，我国按国家标准《建筑构件耐火试验方法》（GB9978-88）规定。根据木结构建筑的特点，《木结构设计规范》GB50005-2003规定了对木结构建筑构件的选用原则,其耐火极限不应低于表10.2.1的规定。表10.2.1木结构建筑中构件的燃烧性能和耐火极限构件名称耐火极限(h)防火墙不燃烧体3.00承重墙、分户墙、楼梯和电梯井墙体难燃烧体1.00非承重外墙、疏散走道两侧的隔墙难燃烧体1.00分室隔墙难燃烧体0.50多层承重柱难燃烧体1.00单层承重柱难燃烧体1.00梁难燃烧体1.00楼盖难燃烧体1.00屋顶承重构件难燃烧体1.00疏散楼梯难燃烧体0.50室内吊顶难燃烧体0.25注：1.屋顶表层应采用不可燃材料；2.当同一座木结构建筑由不同高度组成，较低部分的屋顶承重构件必须是难燃烧体，耐火极限不应小于1.00h。（二）目前可采纳的国外数据㈠鉴于我国对木结构构件的耐火极限试验数据较少,所以《木结构设计规范》GB50005-2003所采用的数据主要是由北美的主要消防研究所及火灾实验室提供。数十年来，这些机构开展了大量的木构件和实际木结构房屋火灾试验，数据可信度较高（见表10.2.2）。注一：本节部分插图由美国APA工程木协会（APA-theEngineeredWoodAssociation）和美国木业学会（AmericanWoodCouncil）提供。340表10.2.2各类构件的燃烧性能和耐火极限构件名称构件组合描述(mm)耐火极限(h)燃烧性能墙体1.墙骨柱:间距为400～600;截面为40x90;2.墙体构造：(1).普通石膏板+空心隔层+普通石膏板=15+90+15(2).防火石膏板+空心隔层+防火石膏板=12+90+12(3).防火石膏板+绝热材料+防火石膏板=12+90+12(4).防火石膏板+空心隔层+防火石膏板=15+90+15(5).防火石膏板+绝热材料+防火石膏板=15+90+15(6).普通石膏板+空心隔层+普通石膏板=25+90+25(7).普通石膏板+绝热材料+普通石膏板=25+90+250.500.750.751.001.001.001.00难燃难燃难燃难燃难燃难燃难燃楼盖顶棚楼盖顶棚采用规格材搁栅或工字形搁栅，搁栅中心间距400～600，楼面板厚度为15的结构胶合板或定向木片板(OSB);1搁栅底部有12厚的防火石膏板,搁栅之间空腔内填充绝热材料。2.搁栅底部有两层12厚的防火石膏板，搁栅之间的空腔内无绝热材料。0.751.00难燃难燃柱1.仅支撑屋顶的柱：(1).由截面不小于140×190实心锯木制成(2).由截面不小于130×190胶合木制成2.支撑屋顶及地板的柱：(1).由不小于190X190实心锯木制成(2).由不小于180×190胶合木制成0.750.750.750.75可燃可燃可燃可燃梁1.仅支撑屋顶的横梁:(1).由截面不小于90×140实心锯木制成(2).由截面不小于80×160胶合木制成2.支撑屋顶及地板的横梁:(1).由截面不小于140×240实心锯木制成(2).由截面不小于190×190实心锯木制成(3).由截面不小于130×230胶合木制成(4).由截面不小于180×190胶合木制成0.750.750.750.750.750.75可燃可燃可燃可燃可燃可燃2003年11月，我国国家防火建筑材料质量监督检验中心对欧洲木业协会送检的各种木结构隔墙进行了检测，其实验结果可供设计参考（见表10.2..3）。341表10.2.3欧洲木业协会送检的各类木龙骨复合墙耐火极限检测结果构件检测编号构件组合描述检验结论耐火极限(h)200320444#1试件由6块3000mm×1220mm×12mm、三块3000mm×560mm×12mm普通石膏板相互拼接而成。隔墙竖龙骨采用4根3000mm×38mm×89mm木骨，边框亦为同规格木骨制作。隔墙受火面为双层普通石膏板错缝拼接，其中内层板材背火表面敷0.1mm厚塑胶膜;背火面为单层普通石膏板拼接。板材与龙骨之间用41mm长螺钉连接固定。墙体内填充90mm厚矿棉（25Kg/m3）。耐火试验时试件垂直安装。试件受火尺寸：3000mm×3000mm，墙厚125mm。1.12h200320445#2试件由6块3000mm×1220mm×12mm、三块3000mm×560mm×12mm普通石膏板相互拼接而成。隔墙竖龙骨采用4根3000mm×38mm×89mm木骨，边框亦为同规格木骨制作。隔墙受火面为双层普通石膏板错缝拼接，其中内层板材背火表面敷0.1mm厚塑胶膜;背火面为单层普通石膏板拼接。板材与龙骨之间用41mm长螺钉连接固定。耐火试验时试件垂直安装。试件受火尺寸：3000mm×3000mm，墙厚125mm。0.67h200320446#3试件由4块3000mm×1220mm×12mm、2块3000mm×560mm×12mm石膏板相互拼接而成。隔墙竖龙骨采用4根3000mm×38mm×89mm木骨，边框亦为同规格木骨制作。隔墙受火面为单层防火石膏板拼接，板材背火表面敷0.1mm厚塑胶膜;背火面为单层普通石膏板拼接。板材与龙骨之间用57mm长螺钉连接固定。墙体内填充90mm厚矿棉（25Kg/m3）耐火试验时试件垂直安装。试件受火尺寸：3000mm×3000mm，墙厚113mm。0.85h200320447#4试件由4块3000mm×1220mm×12mm、2块3000mm×560mm×12mm石膏板相互拼接而成。隔墙竖龙骨采用4根3000mm×38mm×89mm木骨，边框亦为同规格木骨制作。隔墙受火面为单层防火石膏板拼接，板材背火表面敷0.1mm厚塑胶膜;背火面为单层普通石膏板拼接。板材与龙骨之间用57mm长螺钉