Reliability of Mass Timber Buildings in Fire: A performance-based design method and its application to office buildings

木材は、現代都市のスカイラインに静かではあるが力強い復帰を果たしつつある。数十年にわたり、建設業界は燃えない材料である鉄鋼やコンクリートを好んできたが、木材はより小規模な構造物に限定されてきた。しかし今日、エンジニアたちはますますマス・ティンバー（直交集成板）へと目を向けている。これは、厚い木材パネルを層状に重ねることで、高層建築を支えるのに十分な強度を持つ梁や壁を作り出す素材である。この変化は、建設における炭素排出量を抑えたいという願いによって推進されている。木材は生産過程で炭素を放出するのではなく、炭素を貯蔵するからである。しかし、根本的な疑問が残っている。もし木造の建物が火災に見舞われた場合、それはどのように振る舞うのか。熱によって弱体化する鉄鋼とは異なり、木材は予測可能な形で燃焼し、表面に炭化層を形成することで、内部の芯の部分を断熱し、構造物が長時間立ち続けることを可能にする。安全規制当局にとっての課題は、室内の空気にさらされる木材の量を、室内の人々や周囲の建物の安全を損なうことなく、正確にどこまで設定できるかを判断することである。

フランス、カナダ、スウェーデンの研究チームは、これらの木造構造物のための火災安全性を算出する新しい手法を開発することで、この問題に取り組んだ。すべての木材を耐火性のプラスター（石膏）で覆うことを要求するような、硬直した一律のルールに頼るのではなく、彼らはコンピュータ・シミュレーションを用いて、数千通りの異なる火災シナリオをモデル化した。彼らは火災を単一のイベントとしてではなく、室内の家具や紙の量、窓の大きさ、消防隊がどれだけ迅速に到着するか、そして木材がどれだけ露出しているか、あるいは覆われているかといった、多くの変数に依存するランダムな事象として扱った。これらのシミュレーションを何度も実行することで、建物が崩壊したり、外側に炎が広がったりすることなく火災を生き延びる統計的な可能性を算出することができた。彼らの研究は、安全性と露出した木材の美学への欲求とのバランスが最も議論される一般的な類型である、オフィスビルに特化している。

研究者たちは、部屋の中での火災の物理現象を模倣するデジタルツールを構築した。彼らはまず、火災が予測不可能であることを認めることから始めた。シミュレーションにおいて、彼らは燃料の量、部屋のサイズ、そして消防士が到着するまでの時間を変化させた。また、マス・ティンバー特有の挙動も考慮に入れた。木材が燃えると炭化が進むが、この炭化層は盾として機能する。しかし、もし木材が石膏のような保護ボードで覆われていた場合、熱によってボードが脱落すると、その保護機能は失われる可能性がある。チームのモデルはこのプロセスを注意深く追跡し、保護層がいつ崩壊するか、そして露出した木材がその後どれほど火災の強度に寄与するかを計算する。さらに、火災が大きくなりすぎる前に制御できるスプリンクラーの役割や、火災がより高温で激しくなるにつれて低下する消防隊の活動能力についても組み込んだ。

この手法をテストするために、チームは標準的なオフィス区画に適用した。彼らは各シナリオに対して15,000回の個別のシミュレーションを実行し、実質的に、その建物の寿命の間にその部屋で15,000回の異なる火災が発生することをコンピュータに想像させた。彼らは厳格な安全目標を設定した。すなわち、建物の崩壊確率は、公衆安全のために許容される特定の閾値よりも低くなければならないというものである。この閾値は、人々が集まる建物に対してヨーロッパ全土で使用されている安全基準に対応している。彼らは、建物が火災中に耐えなければならない時間を示す、3つの異なる構造耐火時間（60分、90分、120分）をテストした。それぞれのレベルにおいて、壁面の露出した木材の割合を、スプリンクラーの有無を含めて30パーセントから90パーセントの範囲でテストした。

結果は、設計者に明確な道筋を示した。60分の耐火性を必要とする建物の場合、壁面の30パーセントを露出した木材にしても、スプリンクラーがなくても安全であることがシミュレーションで示された。スプリンクラーを追加すれば、この割合を60パーセントまで上げることができる。90分の耐火性を必要とする場合、スプリンクラーなしでの安全な露出限界は60パーセントであり、スプリンクラーがあれば75パーセントに上昇した。最も複雑なケースは、超高層ビルに典型的な120分の要求事項であった。ここで研究者たちは、スプリンクラーがあれば、壁面の75パーセントを露出させても安全であることを発見した。スプリンクラーがない場合、火災が建物の外側に広がるリスクが懸念されたが、スプリンクラーがあれば、システムは安全目標を維持できた。

研究の重要な知見は、計算された制限範囲内に露出した木材の量が収まっている限り、隣接する建物や建物の側面に火災が広がるリスクは一般的に低いということである。高層ビルのシミュレーションでは、窓からの輻射熱が周囲の構造物を発火させるレベルに達することが時折あったが、これは火災が例外的に大きく、スプリンクラーが制御に失敗した場合の極めて稀なシナリオにおいてのみ発生した。研究者が高層ビルに対してより現実的な15メートルという距離に調整したところ、リスクは許容できるレベルまで低下した。このことは、すべての木材を覆うことを要求する現在の厳格なルールが、必要以上に保守的である可能性を示唆している。本研究は、適切なスプリンクラーの組み合わせと計算された木材の露出量があれば、高層の木造建築が従来の構造物と同じ高い安全基準を満たせることを示している。

研究者たちは、自分たちの仕事がすべてのシナナリオにおける物理的な火災実験ではなく、コンピュータモデルに基づいていることに注意を払った。彼らは世界中で行われた54件の実世界の火災実験に対してこのツールを検証しており、コンピュータによる予測は実世界の結末と密接に一致し、しばしば慎重な側に寄る（安全側に倒れる）傾向があった。これにより結果への信頼性が得られたが、同時に将来の改善点も特定している。例えば、保護ボードの挙動や、火災の冷却段階における熱の木材への伝わり方を、より精密にモデル化できる可能性があると指摘した。また、風速や建物内の火災の具体的な位置など、消防隊の介入速度に影響を与える要因を将来のルールとして考慮すべきであるとも提案した。

最終的に、この研究は、木造建築に対するより柔軟なアプローチのための科学的根拠を提供するものである。それは、安全性の確保には素材を隠す必要はなく、むしろその素材がストレス下でどのように振る舞うかを理解することが重要であることを証明している。確率論的な手法を用いることで、エンジニアは今や、美しい持続可能な木材を露出させつつ、構造が崩壊せず火災が広がらないことを保証しながら、建物を設計することができるようになった。この研究は、オフィスビルにおいて、スプリンクラーのような能動的な安全措置が講じられていれば、かなりの割合の木製の壁や天井を露出させることが可能であることを示唆している。これは、建築家が、公衆を守る厳格な安全基準を犠牲にすることなく、より温かみがあり自然を感じられる空間を創造するための扉を開くものである。