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木结构的防火设计


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 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 条规定:木 结构建筑的防火设计,应按照本章规定执行。本章为规定的应遵照《建筑设计防火规范》 GBJ16——87 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 木材为可燃燃料,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,还有少量的有机酸砌体。因此,在 200℃以下,是木材的吸热 过程,一般不会发生燃烧,仅有少数木材产品最低着火点为 157℃ 在没有空气条件下, 木材加热超过 200℃即开始分节。 最初比较缓慢, 随着温度的提高, 分解加速。当温度达到 260——330℃时分解到达最高峰。木材急剧分解时,放出可燃气体, 如:CO、甲烷、甲醇以及高燃点的焦油成分等,而剩余物为木炭。木材在其温度达到 400 ——450℃的时候完全碳化,并在急剧分解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,俗称燃烧。气体燃烧过程中产生的固体剩余物—木炭,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收到阻碍,因 而气相燃烧通常是在离木材表面一定距离处进行的。 由于碳化层传热性能差, 故当表面形成 碳化层后, 对碳化层下面的木材与其爱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、木构件的防火特性 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。 1 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,由于木材的导热性能较低, 且构件在燃烧时, 表面形成的碳化层起到很好的隔热效果, 从而有效的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 件高的多的原因。北美的建筑规范指出。对于普通木结构设计中随着截面尺寸的增加,构件 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。 2 胶合木结构 胶合木结构主要采用锯木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最小尺寸(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,利用木构件本省的耐火性能达到规定的耐火极 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极其耐火极限亦未进行研究和实验。 《木结构设计规范》GB50005——2003 没给出胶合木结构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全面,本章以北美情况为例,介绍胶合木 结构建筑防火设计的有关内容,供设计人员参考。 3 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、楼盖板的结构体系类似箱行 结构, 其防火设计主要通过在结构构件外部覆盖耐火材料例如防火石膏板, 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: 1 不燃烧体 用通过国家标准《建筑材料不燃性试验方法》GB5464——85 试验合格材料,即不燃性 材料制成的建筑构件称为不燃烧体。这种构件在空气中国受到火烧或高温作用时,不起火, 不微燃,不碳化 2 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,或用可燃性材料做基层,而用不燃性材料做保护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。 3 燃烧体 用普通可燃性或易燃性材料制成建筑构件称为燃烧体。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,仍能继续燃烧或微燃 二建筑构件的耐火极限 1 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 h 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。 为了模拟一般室内的火灾全面发展阶 段,实验时,炉内温度随时间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《建筑构件防火试验方法》GB9978——88 规定 根据木结构建筑特点《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
木结构建筑中构件的燃烧性能和耐火极限

构件名称 防火墙 承重墙、分户墙、楼梯和电梯井墙体 非承重外墙、疏散走道两侧的隔墙 分室隔墙 多层承重墙 单层承重墙 梁 楼盖 屋顶承重构件 疏散楼梯 室内吊顶

耐火极限(h) 不燃烧体 3.00h 难燃烧体 1.00h 难燃烧体 1.00h 难燃烧体 0.50h 难燃烧体 1.00 难燃烧体 1.00 难燃烧体 1.00 难燃烧体 1.00 难燃烧体 1.00 难燃烧体 0.50 难燃烧体 0.25

注:1 屋顶表层采用不可燃材料 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

目前可采纳的国外数据 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》gb——50005 ——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)
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) 1 墙骨柱:间距为 400——600;截面为 40×90; 2 墙体构造: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 楼盖顶棚 普通石膏板+空心隔层+普通石膏板=15+90+15 防火石膏板+空心隔层+防火石膏板=12+90+12 防火石膏板+绝热材料+防火石膏板=12+90+12 防火石膏板+空心隔层+防火石膏板=158+90+15 防火石膏板+绝热材料+防火石膏板=15+90+15 普通石膏板+空心隔层+普通石膏板=25+90+25 普通石膏板+绝热材料+普通石膏板=25+90+25 0.50 0.75 0.75 1.00 1.00 1.00 1.00 难燃 难燃 难燃 难燃 难燃 难燃 难燃 耐火极限(h) 燃烧性能

墙 体

楼盖顶棚采用规格材搁栅或工字型搁栅,搁栅中心距离 400-600,楼面板厚度为 15 的结构胶合板或定向木片板 (OSB) 1 格栅底部有 12 厚的防火石膏板,搁栅之间空腔内 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 1.00 难燃 0.75 难燃



1 仅支撑屋顶的柱 (1) (2) 由截面不小于 140×190 实心锯木制成 由截面不小于 130×190 胶合木制成 0.75 0.75 可燃 可燃

2 支撑屋顶及地板的柱 (1) (2) 由不小于 190×190 实心锯木制成 由不小于 180×190 胶合木制成 0.75 0.75 可燃 可燃



1 仅支撑屋顶的横梁 (1) (2) 由截面不小于 90×140 实心锯木制成 由截面不小于 80×160 胶合木制成 0.75 0.75 可燃 可燃

2 支撑屋顶及地板的横梁组成 (1) (2) (3) (4) 由截面不小于 140×240 实心锯木制成 由截面不小于 190×190 实心锯木制成 由截面不小于 130×230 胶合木制成 由截面不小于 180×190 胶合木制成 0.75 0.75 0..75 0.75 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
欧洲木业协会送检的各类木龙骨符合墙耐火极限检测结果 构件检测编号 200320444#1 构建组合描述 试件由六块 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(25g/m3)耐火试验时试件垂直安装 检验结论耐火极限(h)

目前,一些国际认可的实验室,例如美国安全监测试验公司,均在其颁布的标准或文件 中给出了轻型木结构构件在满足不同耐火极限要求下构架组合。 这些构件的耐火试验均按照 美国材料与试验协会

3 胶合木结构构件的耐火极限 作为木结构建筑的一个主要结构形式,胶合木结构在世界范围内被广泛地用在工业和民 用建筑中。设计过程中,一项很重要的内容就是构件耐火极限的计算。这部分内容,在我国 的《木结构设计规范》GB50005——2003 和《建筑设计防火规范》GBJ16——87 中均未提 及。 迄今为止, 世界上许多国家的工程技术人员和科学家在这方面已经进行了大量的研究工 作, 建立了许多胶合木结构防火设计的方法和理论。 本节将介绍北美胶合木结构的防火设计

的计算方法 在北美,胶合木结构构件的耐火极限主要采用建立在试验基础上的经验公式和建立在力 学理论上的理论公式 (1)胶合木结构构件的耐火极限计算方法 截面尺寸较大的木构件在火灾中的表现证明大构件本身具有很好的耐火性能。大型木构 件之所以有良好的耐火性能,是因为木材的碳化作用。当木构件暴露在火中时,表面形成的 碳化层起到了很好的隔热作用, 保护了构件内部受到火的进一步作用。 经过各国大量的实验 证明,木材碳化的速率是基本固定的。木材碳化的速率是指木材转化成碳的线性速率。在标 准耐火试验中,碳化的速率 在一开始经过较快的碳化过程后,随后的碳化速率基本保持常 数。这样,就可以根据需要的耐火极限和设计荷载设计出满足需要的梁和柱的截面尺寸。在 北美,标准耐火试验根据的要求,其他许多国家采用 iso834,尽管各国之间采用的试验标准 有所不同,在世界不同实验室中的测得的碳化速率是基本一致的


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