木結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計

1、木結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計第一節(jié)木結(jié)構(gòu)防火設(shè)計原則及防火理念一、木結(jié)構(gòu)防火設(shè)計原則國家標(biāo)準(zhǔn)木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB500052003第一章總則中1.0.6條規(guī)定：木結(jié)構(gòu)的設(shè)計，除應(yīng)遵守本規(guī)范外，尚應(yīng)符合國家現(xiàn)行有關(guān)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。第十章第10.1.1條規(guī)定：木結(jié)構(gòu)建筑的防火設(shè)計，應(yīng)按照本章規(guī)定執(zhí)行。本章為規(guī)定的應(yīng)遵照建筑設(shè)計防火規(guī)范GBJ1687的規(guī)定執(zhí)行上述規(guī)定是木結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計的根本指導(dǎo)原則。設(shè)計人員或?qū)張D人員在進(jìn)行工程設(shè)計、審查時必須遵守該條規(guī)定，以維護(hù)國家標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)威性和公正性。二、木材的燃燒特性木材為可燃燃料，品種不同發(fā)熱量各異。木材受熱，溫度在100c以下時，只蒸發(fā)水分不發(fā)生分解。繼續(xù)加熱，溫度

2、在100200c時，開始分解，但其速度很慢。分解出的主要是水蒸氣和CO2,同時，還有少量的有機(jī)酸砌體。因此，在200c以下，是木材的吸熱過程，一般不會發(fā)生燃燒，僅有少數(shù)木材產(chǎn)品最低著火點為157c在沒有空氣條件下，木材加熱超過200c即開始分節(jié)。最初比較緩慢，隨著溫度的提高，分解加速。當(dāng)溫度達(dá)到260330c時分解到達(dá)最高峰。木材急劇分解時，放出可燃?xì)怏w，如：CO、甲烷、甲醇以及高燃點的焦油成分等，而剩余物為木炭。木材在其溫度達(dá)到400450c的時候完全碳化，并在急劇分解過程中放出大量的反應(yīng)熱，故此過程為放熱反應(yīng)過程。木材受熱分解時，放出的可燃?xì)怏w和產(chǎn)生的剩余物，若與氧氣或氧化劑相遇，則發(fā)生氧

3、化反應(yīng)，放出熱和光，俗稱燃燒。氣體燃燒過程中產(chǎn)生的固體剩余物一木炭，繼續(xù)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，即稱之為煨燒，其過程產(chǎn)生大量的熱又使內(nèi)層木材發(fā)生分解，進(jìn)一步分解出的可燃?xì)怏w，又繼續(xù)燃燒，周而復(fù)始，使燃燒往復(fù)交替形成火勢。在木材受熱分解而急速放出可燃?xì)怏w時，氧氣在木材表面碳化層的擴(kuò)散收到阻礙，因而氣相燃燒通常是在離木材表面一定距離處進(jìn)行的。由于碳化層傳熱性能差，故當(dāng)表面形成碳化層后，對碳化層下面的木材與其愛面的氣相燃燒起到了一定的隔離作用，這不僅延緩了內(nèi)層的木材達(dá)到熱解溫度，而且也降低了熱分解速度，導(dǎo)致分解出的可燃?xì)怏w透過碳化層參加外表面與空氣混合的燃燒速度減慢，當(dāng)然，木材深層的碳化速度亦隨之減慢。這就

4、是常見的大截面木構(gòu)件雖然沒有經(jīng)過防火處理但仍然有比較長的耐火極限的原因三、木構(gòu)件的防火特性木結(jié)構(gòu)分為普通木結(jié)構(gòu)、膠合木結(jié)構(gòu)和輕型木結(jié)構(gòu)三種由于各自的結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同其防火性能也有著各自的特點。1普通木結(jié)構(gòu)未經(jīng)防火處理的普通木結(jié)構(gòu)構(gòu)件較為容易被火引燃。但是，由于木材的導(dǎo)熱性能較低，且構(gòu)件在燃燒時，表面形成的碳化層起到很好的隔熱效果，從而有效的減緩碳化層下未燃燒木材的燃燒速度。這就是普通木結(jié)構(gòu)構(gòu)件雖然是可燃材料，但其耐火極限卻比普通鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件高的多的原因。北美的建筑規(guī)范指出。對于普通木結(jié)構(gòu)設(shè)計中隨著截面尺寸的增加，構(gòu)件耐火極限也相應(yīng)提高。所以，在普通木結(jié)構(gòu)設(shè)計中，選取適當(dāng)?shù)慕孛娉叽缫彩菨M足耐火極限要求

5、的措施之一。鑒于普通木結(jié)構(gòu)較之膠合木結(jié)構(gòu)、輕型木結(jié)構(gòu)的耐火性能差的特點，故對一些耐火極限要求高、截面尺寸又不能過大的構(gòu)件則必須采取阻燃劑浸泡或防火涂料噴刷的輔助措施。2膠合木結(jié)構(gòu)膠合木結(jié)構(gòu)主要采用鋸木材或結(jié)構(gòu)膠合木等工程木產(chǎn)品建造，結(jié)構(gòu)體系主要為梁柱體系。膠合木結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計是通過規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最小尺寸（包括梁、柱的截面尺寸以及樓面板和屋面板的厚度等），將所有構(gòu)件外露，利用木構(gòu)件本省的耐火性能達(dá)到規(guī)定的耐火極限。木材的導(dǎo)熱性很低，構(gòu)件燃燒時，表面形成的碳化層起到了很好的隔熱效果，有效地減緩了碳化層下未燃燒木材的燃燒速度。截面尺寸較大的膠合木結(jié)構(gòu)構(gòu)件，據(jù)國外資料介紹，火災(zāi)時，一般能達(dá)到一小時或一

6、小時以上的耐火極限，由于我國目前尚未發(fā)展膠合木結(jié)構(gòu)建筑，有關(guān)構(gòu)件的防火性能極其耐火極限亦未進(jìn)行研究和實驗。木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB500052003沒給出膠合木結(jié)構(gòu)設(shè)計的有關(guān)設(shè)計方法和構(gòu)造規(guī)定。為了使設(shè)計人員對木結(jié)構(gòu)建筑的防火了解更全面，本章以北美情況為例，介紹膠合木結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計的有關(guān)內(nèi)容，供設(shè)計人員參考。3輕型木結(jié)構(gòu)輕型木結(jié)構(gòu)主要采用規(guī)格材和木基結(jié)構(gòu)板材建造，墻體、樓蓋板的結(jié)構(gòu)體系類似箱行結(jié)構(gòu)，其防火設(shè)計主要通過在結(jié)構(gòu)構(gòu)件外部覆蓋耐火材料例如防火石膏板，以達(dá)到增加構(gòu)件耐火極限及阻擋火焰和高溫氣體傳播的作用第二節(jié)建筑構(gòu)件的燃燒性能和耐火極限一、建筑構(gòu)件的燃燒性能建筑物由許多建筑構(gòu)件組成，建筑構(gòu)件

7、在火災(zāi)高溫下的耐火性，即建筑構(gòu)件的燃燒性能和耐火極限，對建筑物的耐火程度有很大的影響建筑構(gòu)件的燃燒性能，反映了建筑構(gòu)件遇火燒或高溫作用時的燃燒特點，由構(gòu)件材料的燃燒性能決定，不同燃燒性能建筑材料制成的建筑構(gòu)件，分成三類：1不燃燒體用通過國家標(biāo)準(zhǔn)建筑材料不燃性試驗方法GB546485試驗合格材料，即不燃性材料制成的建筑構(gòu)件稱為不燃燒體。這種構(gòu)件在空氣中國受到火燒或高溫作用時，不起火，不微燃，不碳化2難燃燒體用通過國家標(biāo)準(zhǔn)建筑材料難燃性試驗方法GB546485試驗合格的材料制成的構(gòu)件，或用可燃性材料做基層，而用不燃性材料做保護(hù)層的構(gòu)件稱為難燃燒體。這類構(gòu)件在空氣中受到火燒及高溫作用時，難起火、難微

8、燃、難碳化，當(dāng)火源移走后，燃燒或微燃立即停止。3燃燒體用普通可燃性或易燃性材料制成建筑構(gòu)件稱為燃燒體。這類構(gòu)件在明火或高溫作用下，能立即著火燃燒，且火源移走后，仍能繼續(xù)燃燒或微燃二建筑構(gòu)件的耐火極限1設(shè)計原則建筑構(gòu)件的耐火極限的高低，是決定木結(jié)構(gòu)建筑防火安全程度的關(guān)鍵因素。建筑構(gòu)件的耐火極限是指在標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗中，從受到火的作用時算起，到失去支持能力或完整性被破壞或失去隔火作用為止，這段抵抗火作用的時間，一般以h計對構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗，測定其耐火極限是通過燃燒試驗爐進(jìn)行的，耐火試驗采用明火加熱，使試驗構(gòu)件受到與實際火災(zāi)相似的火焰作用。為了模擬一般室內(nèi)的火災(zāi)全面發(fā)展階段，實驗時，爐內(nèi)溫度隨時間而

9、上升并呈一定的關(guān)系。按這種關(guān)系得出的曲線稱作火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。目前，世界上大多數(shù)國家都采用火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線來升溫，例如，美國材料與試驗協(xié)會的ASTME119等這就在基本試驗條件上趨于一致，對于耐火極限的判定，我國按國家標(biāo)準(zhǔn)建筑構(gòu)件防火試驗方法GB997888規(guī)定根據(jù)木結(jié)構(gòu)建筑特點木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB500052003規(guī)定了對木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的選用原則，其耐火極限不應(yīng)低于表10.2.1的規(guī)定木結(jié)構(gòu)建筑中構(gòu)件的燃燒性能和耐火極限構(gòu)件名稱耐火極限(h)防火墻不燃燒體3.00h承重墻、分戶墻、樓梯和電梯井墻體難燃燒體1.00h非承重外墻、疏散走道兩側(cè)的隔墻難燃燒體1.00h分室隔墻難燃燒體0.50h多層承

10、重墻難燃燒體1.00單層承重墻難燃燒體1.00梁難燃燒體1.00樓蓋難燃燒體1.00屋頂承重構(gòu)件難燃燒體1.00疏散樓梯難燃燒體0.50室內(nèi)吊頂難燃燒體0.25注：1屋頂表層采用不可燃材料2當(dāng)同一座木結(jié)構(gòu)建筑由不同高度組成，較低部分的屋頂承重構(gòu)件必須是難燃燒體，耐火極限不應(yīng)小于1.00h目前可采納的國外數(shù)據(jù)鑒于我國對木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限試驗數(shù)據(jù)較少，所以木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范gb500052003所采用的數(shù)據(jù)主要是由北美的主要消防研究所及火災(zāi)實驗室提供。數(shù)十年來，這些機(jī)構(gòu)開展了大量的木構(gòu)件和實際木結(jié)構(gòu)房屋火災(zāi)試驗，數(shù)據(jù)可信度較高(見表)各類構(gòu)件的燃燒性能和耐火極限構(gòu)件名稱構(gòu)件組合描述(mm)耐火極限(

11、h)燃燒性能墻體1墻骨柱：間距為400600;截面為40X90;2墻體構(gòu)造：(1) 普通石膏板+空心隔層+普通石膏板=15+90+15(2) 防火石膏板+空心隔層+防火石膏板=12+90+12(3) 防火石膏板+絕熱材料+防火石膏板=12+90+12(4) 防火石膏板+空心隔層+防火石膏板=158+90+15(5) 防火石膏板+絕熱材料+防火石膏板=15+90+15(6) 普通石膏板+空心隔層+普通石膏板=25+90+25(7) 普通石膏板+絕熱材料+普通石膏板=25+90+250.500.750.751.001.001.001.00難燃難燃難燃難燃難燃難燃難燃樓蓋頂棚樓蓋頂棚采用規(guī)格材擱柵或

12、工字型擱柵，擱柵中心距離400-600,樓面板厚度為15的結(jié)構(gòu)膠合板或定向木片板(OSB)1格柵底部有12厚的防火石膏板，擱柵之間空腔內(nèi)絕熱材料2擱柵底部有兩層12厚的防火石膏板，擱柵之間的空腔內(nèi)無絕熱材料0.751.00難燃難燃柱1僅支撐屋頂?shù)闹?1) 由截面不小于140X190實心鋸木制成(2) 由截面不小于130X190膠合木制成2支撐屋頂及地板的柱(1) 由不小于190X190實心鋸木制成(2) 由不小于180X190膠合木制成0.750.750.750.75可燃可燃可燃可燃梁1僅支撐屋頂?shù)臋M梁0.75可燃(1)由截面不小于90X140實心鋸木制成（2）由截面不小于80X160膠合木制

13、成2支撐屋頂及地板的橫梁組成0.75可燃(1)由截面不小于140X240實心鋸木制成0.75可燃(2)由截面不小于190X190實心鋸木制成0.75可燃(3)由截面不小于130X230膠合木制成0.75可燃(4)由截面不小于180X190膠合木制成0.75可燃2003年11月，我國國家防火建筑材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對歐洲木業(yè)協(xié)會送檢的各種木結(jié)構(gòu)隔墻進(jìn)行了檢測，其實驗結(jié)果可供設(shè)計參考?xì)W洲木業(yè)協(xié)會送檢的各類木龍骨符合墻耐火極限檢測結(jié)果構(gòu)件檢測編號構(gòu)建組合描述檢驗結(jié)論耐火極限（h）200320444#1試件由六塊3000mmx1220mm12mm三塊3000mmx560mm12mn#通石膏板相互拼接而

14、成。隔墻豎龍骨采用4根3000mmX38mm<89mm骨，邊框亦為同規(guī)格木骨制作。隔墻受火面為雙層普通石膏板錯縫拼接，其中內(nèi)層板材背火面敷0.1mm厚塑膠膜；背火面為單層普通石膏板拼接。板材與龍骨之間用41mmtI釘連接固定。墻體內(nèi)填充90mm?礦棉（25g/m3）耐火試驗時試件垂直安裝目前，一些國際認(rèn)可的實驗室，例如美國安全監(jiān)測試驗公司，均在其頒布的標(biāo)準(zhǔn)或文件中給出了輕型木結(jié)構(gòu)構(gòu)件在滿足不同耐火極限要求下構(gòu)架組合。這些構(gòu)件的耐火試驗均按照美國材料與試驗協(xié)會3膠合木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限作為木結(jié)構(gòu)建筑的一個主要結(jié)構(gòu)形式，膠合木結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)被廣泛地用在工業(yè)和民用建筑中。設(shè)計過程中，一項很重要的內(nèi)容就是構(gòu)件耐火極限的計算。這部分內(nèi)容，在我國的木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB500052003和建筑設(shè)計防火規(guī)范GBJ1687中均未提及。迄今為止，世界上許多國家的工程技術(shù)人員和科學(xué)家在這方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，建立了許多膠合木結(jié)構(gòu)防火設(shè)計的方法和理論。本節(jié)將介紹北美膠合木結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計的計算方法在北美，膠合木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限主要采用建立在試驗基礎(chǔ)上的經(jīng)驗公式和建立在力學(xué)理論上的理論公式(1)膠合木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限計算方法截面尺寸較大的木構(gòu)件在火災(zāi)中的表現(xiàn)證明大構(gòu)件本身具有很好的耐火性能。大型木構(gòu)件之所以有良好的耐火性能，是因為木材的碳化作用。當(dāng)木構(gòu)件暴露在火中時