JP2022179717A - Ｆｒｐ柱梁架構 - Google Patents

Abstract

【課題】仕上部と、高い剛性を備えた繊維強化プラスチック部を備え、繊維強化プラスチック部の耐火性能を向上可能なＦＲＰ柱梁架構を提供する。【解決手段】柱部材５と、繊維強化プラスチックと仕上材を組み合わせたＦＲＰ梁部材３とが連結されたＦＲＰ柱梁架構２であって、前記ＦＲＰ梁部材３は、断面形状が、矩形状、Ｉ形状、Ｔ形状、Ｈ形状のいずれかに形成された繊維強化プラスチック部１１と、前記繊維強化プラスチック部１１の外周囲に設けられる仕上部２０と、前記繊維強化プラスチック部１１と前記仕上部２０との間に設けられる、吸熱材が密閉されてなる耐火被覆部３０と、を備え、前記柱部材５は、前記仕上部２０及び前記耐火被覆部３０を外方から貫通し、前記繊維強化プラスチック部１１と接合されていることを特徴とするＦＲＰ柱梁架構２を提供する。【選択図】図３

Description

本発明は、柱部材と、繊維強化プラスチックを有する梁部材とが連結されたＦＲＰ柱梁架構に関する。

建物の構造材として、あるいは建物の構造を強化、補強する部材として、繊維強化樹脂が注目されている。例えば、建物の柱や梁等を構成する部材の強度を高めるために部材の断面積を大きくすると、部材の大型化や重量増加に繋がってしまう。そこで、強度を確保しつつ、部材の大型化や重量増加を抑えるため、繊維強化樹脂と木材等の他の部材とを組み合わせた複合構造が提案されている。
例えば特許文献１には、複数層の木材素材の層間に、炭素繊維束を配置して接合して形成された、繊維強化集成材が開示されている。炭素繊維束は、繊維強化集成材の外表面から所定の値以上の深さの内部に配置されている。
また、特許文献２には、接着一体とされた五層以上の角材状をなす構造用集成材が開示されている。本構造用集成材は、最も外側に位置する外側層と、当該外側層に隣り合う強化層と、前記外側層との間に当該強化層を挟む内側隣接層とを備えており、前記強化層は並設された複数本の角状材と強化繊維シートを備えてなり、この強化繊維シートが、前記角状材と外側層又は内側隣接層との間と、互いに隣り合う角状材間とに屈曲されて挟み込まれて前記強化層の幅方向の一方端から他方端にわたるように備えられている。
また、特許文献３には、上下に設けた一対の平板状炭素繊維強化樹脂複合材層と、一対の平板状炭素繊維強化樹脂複合材層の間を接続する別個の平板状炭素繊維強化樹脂複合材層とを、Ｈ字型となるように構成し、一対の平板状炭素繊維強化樹脂複合材層の間において、別個の平板状炭素繊維強化樹脂複合材層の両側に、集成材を設けた炭素繊維強化集成材が開示されている。

上記のような集成材等を例えば梁として使用する場合には、何らかの柱部材により、これを支持しなければならない。
特許文献１や特許文献２に開示されたような集成材においては、火災が生じ外部温度が上昇した際に、柱部材を介して外部の温度が梁に伝達し、炭素繊維束や強化繊維シートの温度が上昇して溶融、燃焼する可能性がある。このため、耐火性能が求められる建物には採用することができない。また、特許文献３に開示されたような炭素繊維強化集成材では、一対の平板状炭素繊維強化樹脂複合材層が外部に露出しているため、耐火性能が低く、特許文献１や特許文献２と同様に、耐火性能が求められる建物には採用することができない。
このような背景より、耐火性能をより向上可能な、柱梁架構が望まれている。

特開２００７－２４５４３１号公報 特開２０１０－２２１５１４号公報 特開平４－２７９３３４号公報

本発明が解決しようとする課題は、仕上部と、高い剛性を備えた繊維強化プラスチック部を備え、繊維強化プラスチック部の耐火性能を向上可能なＦＲＰ柱梁架構を提供することである。

本発明者らは、柱部材と繊維強化プラスチックを有するＦＲＰ梁部材とを連結させたＦＲＰ柱梁架構として、柱部材の柱頭部を、仕上部及び耐火被覆部を外方から貫通するように設けて、ＦＲＰ梁部材を構成する構造抵抗要素である、繊維強化プラスチック部の底面、または側面と直接、接合させることで、耐火性能を向上しつつ、柱部材と繊維強化プラスチックを強固に連結できる点に着眼して、本発明に至った。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、柱部材と、繊維強化プラスチックと仕上材を組み合わせたＦＲＰ梁部材とが連結されたＦＲＰ柱梁架構であって、前記ＦＲＰ梁部材は、断面形状が、矩形状、Ｉ形状、Ｔ形状、Ｈ形状のいずれかに形成された繊維強化プラスチック部と、前記繊維強化プラスチック部の外周囲に設けられる仕上部と、前記繊維強化プラスチック部と前記仕上部との間に設けられる、吸熱材が密閉されてなる耐火被覆部と、を備え、前記柱部材は、前記仕上部及び前記耐火被覆部を外方から貫通し、前記繊維強化プラスチック部と接合されていることを特徴とするＦＲＰ柱梁架構を提供する。
上記のような構成によれば、繊維強化プラスチック部の外周囲には仕上部が設けられ、繊維強化プラスチック部と仕上部との間には、吸熱材が密閉されてなる耐火被覆部が設けられている。火災時に外部温度が上昇しても、外部から仕上部等を介して繊維強化プラスチック部に伝達しようとする熱エネルギーは、耐火被覆部の吸熱材により吸収される。また、柱部材は、吸熱材が密閉されてなる耐火被覆部を外方から貫通し、繊維強化プラスチック部と接合されているため、火災時に柱部材を介して熱がＦＲＰ梁部材に伝達しようとしても、同様に、耐火被覆部の吸熱材により吸収される。
したがって、繊維強化プラスチック部の温度上昇を抑制可能であり、これにより、繊維強化プラスチック部の耐火性能を向上可能である。

本発明の一態様においては、前記柱部材は、前記繊維強化プラスチック部の底面を支持し、及び側面を挟持することを特徴とする。
上記のような構成によれば、柱部材によって、ＦＲＰ梁部材を構成する繊維強化プラスチック部を支持することができる。

本発明の別の態様においては、前記仕上部を貫通する部分には、耐火被覆層を有する前記柱部材が設けられることを特徴とする。
上記のような構成によれば、仕上部を貫通する部分の柱部材にあっては、耐火被覆層を有する柱部材が配置されていることで、貫通部分が耐火被覆層を有する柱部材で塞がれているために、火災時に柱部材からＦＲＰ梁部材に伝達する延焼熱の伝搬を防止できる。なわち、火災時に柱部材を介してＦＲＰ梁部材の内部に伝達しようとする熱の量が低減するため、更に効果的に、繊維強化プラスチック部の温度上昇を抑制可能である。

本発明によれば、仕上部と、高い剛性を備えた繊維強化プラスチック部を備え、繊維強化プラスチック部の耐火性能を向上可能なＦＲＰ柱梁架構を提供することができる。

本発明の実施形態におけるＦＲＰ柱梁架構の模式的な側面図である。 図１のＡ矢視部分の拡大図である。 図２のＢ－Ｂ部分の縦断面図である。 上記ＦＲＰ柱梁架構に用いられている耐火被覆部材の、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図、及び（ｃ）は当該耐火被覆部材内に設けられた吸熱シート部の斜視図である。 耐火被覆部の有効性を検証するための加熱実験における、実験環境の正面図、上面図、及び側面図である。 上記加熱実験の実験結果を示すグラフである。 柱部材を対象とした熱伝導解析における、解析モデルの説明図である。 図７の熱伝導解析における、柱部材本体の温度変化を示すグラフである。 図７の熱伝導解析における、柱接合部の温度変化を示すグラフである。 図７の熱伝導解析における、解析結果を示す表である。 耐火被覆層を有する柱部材を対象とする加熱実験試験体の説明図である。 図１１に示す柱部材の加熱実験試験体の一覧表である。 柱部材の加熱実験結果（発砲層厚さと柱表面温度）の比較表である。 実施形態の変形例によるＦＲＰ柱梁架構を構成するＦＲＰ梁部材の縦断面図である。

本発明は、柱部材と繊維強化プラスチックを有するＦＲＰ梁部材が接合されたＦＲＰ柱梁架構である。本発明の特徴の１つは、耐火被覆層を備えた柱部材が、ＦＲＰ梁部材を構成する木質部（仕上部）を貫通し、繊維強化プラスチック部の底面、及び側面を支持させる点である。仕上部の貫通部分は、耐火被覆層を備えた柱部材で隙間なく塞がれている。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態におけるＦＲＰ柱梁架構を用いた構造物の模式的な側面図である。本構造物は、建物１の屋外に設置されている。建物１は、上部構造１ａと、下部構造１ｂとを有している。上部構造１ａは、下部構造１ｂの上方に設けられている。上部構造１ａは、下部構造１ｂよりも水平面内における設置面積が小さく、これによって、下部構造１ｂ上には、上部構造１ａが設けられた以外の部分にルーフ部４が設けられている。
構造物は、建物１のルーフ部４上に設置されている。構造物は、ＦＲＰ柱梁架構２を用いて形成されている。ＦＲＰ柱梁架構２は、柱部材５と梁（ＦＲＰ梁部材）３を備えている。梁３は、複数本の柱部材５Ａ～５Ｆに支持されている。本実施形態において、柱部材５Ａ～５Ｆは、ルーフ部４及びルーフ部４上に敷設された鉄製の下地材４ｓ上に設けられている。柱部材５Ａ～５Ｆのうち、上部構造１ａに最も近い柱部材５Ａは、鉛直上下方向に延びている。柱部材５Ａに対し、上部構造１ａから離れる側の２本の柱部材５Ｂ、５Ｃは、上方に向かって上部構造１ａ側に傾斜して延びている。ルーフ部４上において、上部構造１ａから最も離れた側の２本の柱部材５Ｄ、５Ｅは、上方に向かって上部構造１ａから離間する方向に傾斜して延びている。柱部材５Ｆは、柱部材５Ｄの中間部分から、上方に向かって上部構造１ａに向かう方向に傾斜して延びている。
梁３は、これらの柱部材５Ａ～５Ｆ上に設けられている。梁３は、上部構造１ａ側から離間するにしたがって、漸次上方に延びるよう、湾曲して設けられている。
このような柱部材５Ａ～５Ｆ及び梁３は、図１の紙面に直交する方向に間隔をあけて複数組が設けられている。
上記のようなＦＲＰ柱梁架構２の、複数本の梁３の上に、屋根部１０が設けられている。

図２は、図１のＡ矢視部分の拡大図である。図２においては、梁３に関しては、後に説明する繊維強化プラスチック部１１及び仕上部２０のみが、それぞれ実線及び破線で描かれており、他の構成要素は省略されている。柱部材５は、柱部材本体６と、柱部材本体６の上方に接合されて梁３を接合、支持する接合部材７を備えている。本実施形態においては、仕上部２０は、木材である。柱部材本体６は、長尺の管体６ａにより形成されている。本実施形態においては、管体６ａはアルミニウム合金により形成されている。管体６ａの表面には、発砲性耐火塗料を塗布することで、所定の層厚さの耐火被覆層６ｂが形成されている。耐火被覆材としては、例えばエスケー化研株式会社のＳＫタイカコート（登録商標）、ＳＫタイカシート（登録商標）や、アクゾノーベル株式会社のＩＮＴＥＲＨＡＮＥ（登録商標）、ＩＮＴＥＲＣＨＡＲ（登録商標）、ＩＮＴＥＲＧＡＲＤ（登録商標）等が使用可能であるが、これに限られない。柱部材本体６は、図１に示されるルーフ部４や下地材４ｓから、梁３の直下まで、上下に延在するように設けられている。
接合部材７は、柱部材本体６に接合される柱接合部８と、柱接合部８の上端に接合されて、梁３に接合される梁接合部９を備えている。柱接合部８は、板体８ａにより形成されている。本実施形態においては、板体８ａは鋼材である。板体８ａの表面には、耐火被覆材を塗布すること等により、所定の厚さ以上の耐火被覆層８ｂが形成されている。耐火被覆材としては、柱部材本体６の耐火被覆層６ｂと同様なものが使用され得る。板体８ａの上端近傍には、耐火被覆層８ｂは設けられておらず、板体８ａが露出する構成となっている。
柱部材５Ｄにおいては、柱部材本体６と接合部材７の柱接合部８は、これらの表面を跨って沿うようにスプライスプレート５ａが設けられて、スプライスプレート５ａと柱部材本体６及び柱接合部８との間にハイテンションボルト５ｂが緊締されることで接合されている。柱部材５Ｅにおいては、柱部材本体６と柱接合部８は、フォークエンドピン５ｃを介して接合されている。
鋼製の柱接合部８は、許容温度２００℃の繊維強化プラスチック部１１と、許容温度２６０℃のアルミ製の柱部材本体６が接合する柱部材本体６の上端側には、アルミ柱側から伝わる伝熱温度を２００℃以下に抑え、かつアルミ柱と繊維強化プラスチック部との間に所定の距離を確保するために設けられている。柱接合部８の材長は、後述の繊維強化プラスチック梁部材の耐火性能確認実験、及び熱伝導解析結果を踏まえて、２００ｍｍとした。

図３は、図２のＢ－Ｂ部分の断面図である。梁接合部９は、下側に位置するように設けられた底板９ａと、一対の側板９ｂを備えている。底板９ａは、矩形形状に形成されており、柱接合部８の上端において、柱接合部８に対して垂直に設けられて接合されている。底板９ａは、底板９ａの幅方向における中央部分が柱接合部８の上端に位置するように設けられている。側板９ｂは、底板９ａの幅方向における両側辺に接続されて上方に延在するように設けられている。このように、一対の側板９ｂは互いに対向するように設けられており、これら対向する側板９ｂの間隔は、後述する梁３の繊維強化プラスチック部１１の幅と略一致するように、梁接合部９は形成されている。

梁３は、断面形状が矩形状に形成された繊維強化プラスチック部１１と、仕上部２０と、を備えており、繊維強化プラスチックと木材（仕上材）が組み合わされて構成されている。
繊維強化プラスチック部１１は、例えば炭素繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維等の強化繊維に樹脂を含浸させて上記形状に成形された繊維強化プラスチックにより形成されている。
繊維強化プラスチック部１１は、中心軸に交差する断面形状が、矩形状をなしている。すなわち、繊維強化プラスチック部１１は、上下方向に間隔をあけて設けられた上板部１１ａ、下板部１１ｂと、これらを連結する一対の側板部１１ｃを備えている。側板部１１ｃは、図３に示されるように繊維強化プラスチック部１１を断面視したときに、上板部１１ａと下板部１１ｂの各々の側端部に接合されて上下間でこれらを連結するように設けられている。これら上板部１１ａ、下板部１１ｂ、及び一対の側板部１１ｃによって、繊維強化プラスチック部１１の胴体部１１ｄが形成され、この胴体部１１ｄの中央には、上板部１１ａ、下板部１１ｂ、及び一対の側板部１１ｃによって囲われた中空部Ｓが形成されている。
後述のように、繊維強化プラスチック部１１は、柱部材５に接合される。下板部１１ｂ及び側板部１１ｃの、柱部材５に接合される部分には、長さ方向に所定の間隔をおいて、柱部材５との接合用の貫通孔１１ｒが設けられている。
繊維強化プラスチック部１１の胴体部１１ｄは、梁３の長手方向に延びる中心軸に交差する断面において、梁３の中央部に内蔵（埋設）されている。すなわち、繊維強化プラスチック部１１の胴体部１１ｄは、梁３の外部に露出していない。

繊維強化プラスチック部１１は、柱部材５の梁接合部９に接合されて支持されている。繊維強化プラスチック部１１は、梁接合部９の側板９ｂ間に挟まれるように位置づけられて、底板９ａ上に載置されている。
このように、柱部材５は、繊維強化プラスチック部１１の底面１１ｑを支持し、側面１１ｕを挟持するように設けられている。
繊維強化プラスチック部１１の下板部１１ｂ及び側板部１１ｃの各々に対向して接触する梁接合部９の底板９ａ及び側板９ｂの、柱接合貫通孔１１ｒに対応する位置には、貫通孔９ｓが開設されている。これら対応するように設けられた貫通孔９ｓと柱接合貫通孔１１ｒを挿通するように、梁接合部９の外側から繊維強化プラスチック部１１に向けてボルト９ｃが羅着され、緊締されている。

繊維強化プラスチック部１１の外周囲には、胴体部１１ｄから外方へと突出する突出体１１ｐが設けられている。特に本実施形態においては、突出体１１ｐは、上板部１１ａの上面から上方に突出するように設けられている。突出体１１ｐは平板状に形成されており、梁３の長手方向に延在するように設けられている。
突出体１１ｐには、第１及び第２の貫通孔１１ｓ、１１ｔが設けられている。これらの貫通孔１１ｓ、１１ｔは、第１貫通孔１１ｓが第２貫通孔１１ｔの下方に位置するように、互いに間隔をあけて設けられている。第１及び第２の貫通孔１１ｓ、１１ｔは、それぞれ、梁３の長手方向に所定の間隔をあけて、複数個が開設されている。

突出体１１ｐの２つの側面の各々には、内側接合具１２が接合されている。内側接合具１２は、２つの板部１２ａ、１２ｂを備えており、これらが互いの側辺において垂直に接合されることで、断面がＬ字状になるように形成されている。内側接合具１２は、一方の板部１２ａが突出体１１ｐに沿い、他方の板部１２ｂが板部１２ａの上側に位置して繊維強化プラスチック部１１の上板部１１ａと略平行になるように設けられている。内側接合具１２は、突出体１１ｐの両側面に沿って設けられた２つの板部１２ａにそれぞれ設けられた貫通孔１２ｄと、突出体１１ｐの第１貫通孔１１ｓを挿通するボルト１２ｃにより、突出体１１ｐに接合されている。
内側接合具１２の各々には、外側接合具１３が接合されている。外側接合具１３も内側接合具１２と同様に、２つの板部１３ａ、１３ｂにより断面がＬ字状になるように形成されている。外側接合具１３は、一方の板部１３ｂが内側接合具１２の板部１２ｂの上に接触して沿い、他方の板部１３ａが板部１３ｂよりも外側に位置して繊維強化プラスチック部１１の側板部１１ｃと略平行になるように設けられ、内側接合具１２に接合されている。

外側接合具１３の板部１３ａの外側表面には、それぞれ、これに沿って下方に延在するように、平板状の鉛直連結部材１４が接合されている。
鉛直連結部材１４の各々の下端には、下側接合具１５が接合されている。下側接合具１５も内側接合具１２と同様に、２つの板部１５ａ、１５ｂにより断面がＬ字状になるように形成されている。下側接合具１５は、一方の板部１５ａが鉛直連結部材１４の内側表面に沿うように接合され、他方の板部１５ｂが板部１５ａよりも内側に位置して繊維強化プラスチック部１１の下板部１１ｂと略平行になるように設けられ、鉛直連結部材１４に接合されている。
このように、内側接合具１２、外側接合具１３、鉛直連結部材１４、及び下側接合具１５により、梁３の長手方向に延びる中心軸に交差する断面において、繊維強化プラスチック部１１の胴体部１１ｄを外側から囲う、矩形状の外郭部１６が形成されている。
内側接合具１２、外側接合具１３、鉛直連結部材１４、及び下側接合具１５のうち、少なくとも内側接合具１２と外側接合具１３は、梁３の長手方向において短尺に形成されており、梁３の長手方向に間隔を置いて設けられている。

仕上部２０は、繊維強化プラスチック部１１の外周囲に設けられている。仕上部２０は、２つの側板部２０ａと、２つの下板部２０ｂを備えている。
側板部２０ａは、それぞれ、鉛直連結部材１４の外側に、鉛直連結部材１４に沿うように設けられて、ねじビス２１を外郭部１６の内側から外側に位置する側板部２０ａに向けて締めることにより、鉛直連結部材１４に固定されている。
２つの下板部２０ｂは、それぞれ、下側接合具１５の板部１５ｂの下方に、板部１５ｂに沿うように設けられて、ボルト・ナット２２により板部１５ｂに固定されている。下板部２０ｂは、このように、内側を向くように設けられている。これら２つの下板部２０ｂの内側端面２０ｄは、柱接合部８の、特に耐火被覆層８ｂの表面に近接または接触して対向するように設けられている。このように、柱部材５の柱接合部８は、仕上部２０の下板部２０ｂ間に設けられた間隔Ｇを貫通するように設けられ、この間隔Ｇを貫通する部分には、柱接合部８の耐火被覆層８ｂが被覆されている。
このように側板部２０ａ、下板部２０ｂが設けられることにより、繊維強化プラスチック部１１の胴体部１１ｄの側方及び下方は、仕上部２０により覆われる構造となっている。
また、仕上部２０は、内側接合具１２、外側接合具１３、鉛直連結部材１４、及び下側接合具１５と、及び突出体１１ｐの第１貫通孔１１ｓを挿通するボルト１２ｃを介在させて、繊維強化プラスチック部１１に固定されている。

繊維強化プラスチック部１１の胴体部１１ｄと、外郭部１６及び仕上部２０の間には、耐火被覆部３０が設けられている。本実施形態においては、耐火被覆部３０には、例えばアクアカバー（登録商標）等の耐火被覆部材３０Ａが設けられている。図４（ａ）は耐火被覆部材の斜視図、図４（ｂ）は耐火被覆部材の断面図、及び図４（ｃ）は耐火被覆部材内に設けられた吸熱シート部の斜視図である。耐火被覆部材３０Ａは、マット部３１、吸熱シート部３２、及びこれらを外側から梱包、被覆する外側被覆材３５を備えている。
マット部３１は、例えばリフラクトリーセラミックファイバーにより形成されている。
吸熱シート部３２は、吸熱材３３と被覆材３４を備えている。被覆材３４は、例えばポリエチレン、アルミ箔、及びナイロンが積層されることによりフィルム状に形成されている。この被覆材３４を２枚対向させ、この間に吸熱材３３を密閉、封止することにより、吸熱シート部３２は形成されている。吸熱材３３は、例えば水や、水を保持させた高分子吸収ポリマー等である。
耐火被覆部材３０Ａは、火災が生じ外部温度が上昇した際に、吸熱材３３内の水が蒸発することで熱を奪い、この吸熱により周囲の部材の温度上昇を抑制する。
耐火被覆部材３０Ａは、複数枚が重ねられて、繊維強化プラスチック部１１の胴体部１１ｄと仕上部２０の間の空間Ｓ１に収まるように曲げられている。特に、耐火被覆部３０は、繊維強化プラスチック部１１の下方においては、これに接合されている柱部材５の柱接合部８により貫通されるように設けられている。耐火被覆部３０は、特に吸熱シート部３２が空間Ｓ１を形成する各部材に密着するように、設けられている。既に説明したように、柱接合部８の上端近傍には耐火被覆層８ｂは設けられておらず板体８ａが露出しているため、耐火被覆部３０は板体８ａに直接密着するように設けられている。

図３に示されるように、屋根部１０が、上記のように形成されたＦＲＰ柱梁架構２に支持されている。屋根部１０は、骨材８１、屋根接続部材８２、屋根材８４、及びカバー部材８６を備えている。
骨材８１は、梁３の上方に設けられて、屋根部１０を支持している。骨材８１は、上側に位置するように設けられた上板部８１ａと、一対の側板部８１ｃを備えている。側板部８１ｃは、上板部８１ａの側端部に接続されて下方に延在するように設けられている。このように、上板部８１ａ及び一対の側板部８１ｃは、中心軸に交差する断面形状がＣ字形状をなすように形成され、これによって形成される空間Ｓ２内に、繊維強化プラスチック部１１の突出体１１ｐが収容されて、側板部８１ｃの各下端が外側接合具１３の板部１３ｂ上に位置するように、骨材８１は位置づけられている。
骨材８１の内側には、梁３の長手方向に所定の間隔をあけて、屋根接続部材８２が接合されて設けられている。屋根接続部材８２は、突出体１１ｐに、部分的に接触して沿うように形成されている。この屋根接続部材８２に設けられた貫通孔８２ｄの各々と、突出体１１ｐの第２貫通孔１１ｔを挿通するボルト・ナット８３により、骨材８１は突出体１１ｐに接合されている。
骨材８１の上方には、パネル状に形成された屋根材８４が位置づけられて、ボルト・ナット８５等を介してこれらが互いに固定されている。

骨材８１の各板部８１ａ、８１ｃと、突出体１１ｐにより形成された空間Ｓ２内にも、上記耐火被覆部３０と同様な構成の、耐火被覆部４０が設けられている。耐火被覆部４０は、既に説明したような耐火被覆部材３０Ａが複数枚重ねられて、空間Ｓ２に収まるように曲げられ、特に吸熱シート部３２が空間Ｓ２を形成する各部材に密着するように、設けられている。
上記のように、内側接合具１２と外側接合具１３は、梁３の長手方向において短尺に形成されているため、内側接合具１２の下側の空間Ｓ１と上側の空間Ｓ２は、内側接合具１２と外側接合具１３が設けられていない梁３の長手方向の断面位置においては、連通した空間Ｓ１、Ｓ２となっている。例えばこのような部分においては、耐火被覆部３０、４０は、一体となって構成されている。
骨材８１の２つの側板部８１ｃの外側の表面の各々と、仕上部２０の側板部２０ａの上端をかけ渡すように、カバー部材８６が設けられている。これにより、側板部８１ｃの外側の表面と、外側接合具１３の板部１３ｂの上面、及びカバー部材８６で囲われた空間Ｓ３が形成されている。この空間Ｓ３内には、断熱材４１が設けられている。

上記のようなＦＲＰ柱梁架構２において火災が生じ、外部温度が上昇した場合に、仕上部２０の燃焼等により熱が梁３の内部に伝達しようとしても、空間Ｓ１に設けられた耐火被覆部３０内の水が蒸発しこの熱を吸熱するため、胴体部１１ｄの一定以上の温度上昇が抑制される。
また、外部の熱は、仕上部２０と繊維強化プラスチック部１１を接合する外側接合具１３の板部１３ｂと内側接合具１２の板部１２ｂを介しても、繊維強化プラスチック部１１の突出体１１ｐへと伝達し得る。この場合においては、まず、外側接合具１３の板部１３ｂ上に設けられた断熱材４１と、空間Ｓ１に、外側接合具１３に密着するように設けられた耐火被覆部３０により、外側接合具１３の板部１３ｂを介した熱の伝達が抑えられる。更に、外側接合具１３の板部１３ｂから内側接合具１２の板部１２ｂへと熱が伝達しても、空間Ｓ１と空間Ｓ２の各々に、内側接合具１２に密着するように設けられた耐火被覆部３０、４０により、熱の突出体１１ｐへの更なる伝達が抑えられる。

特に梁３の下方においては、アルミニウム合金により形成された柱部材本体６から、鋼製の接合部材７を介し、梁３の繊維強化プラスチック部１１へと熱が伝達する。この部分においては、アルミニウム合金と繊維強化プラスチックが鋼材を介して接合されており、アルミニウム合金と繊維強化プラスチックは火災時の許容温度が異なるため、許容温度が高い部材すなわちアルミニウム合金から熱が伝達することにより、許容温度が低い部材すなわち繊維強化プラスチックの温度が上昇し、繊維強化プラスチックが破壊する可能性がある。より具体的には、アルミニウム合金の許容温度を２６０℃、繊維強化プラスチックの許容温度が２００℃とすると、アルミニウム合金からの熱の伝達により繊維強化プラスチックの温度が２００℃以上となる可能性がある。
これに対し、本実施形態においては、柱部材本体６の管体６ａと、柱接合部８の板体８ａは、それぞれ、耐火被覆層６ｂ、８ｂで被覆されている。このため、火災時に、柱部材本体６の温度上昇が抑えられ、かつ、柱部材本体６から板体８ａを介した熱の伝達が抑えられる。
更に、梁３内の、柱接合部８が設けられた空間Ｓ１には耐火被覆部３０が設けられている。特に、柱接合部８の上端近傍においては、板体８ａは耐火被覆層８ｂにより被覆されておらず、板体８ａに接するように設けられた耐火被覆部３０が直接板体８ａから熱を吸収するため、柱接合部８を介した熱の伝達が抑えられる。
以上が相乗することにより、後に実験結果において詳細に説明するように、アルミニウム合金により形成された柱部材本体６が２６０℃まで上昇しても、柱接合部８の鋼材の温度を２００℃以下に抑え、繊維強化プラスチック部１１の温度を２００℃以下とすることができる。

（繊維強化プラスチック梁の耐火性能確認実験と、熱伝導解析）
繊維強化プラスチック製の梁部材を対象に、梁部材を構成する耐火被覆部の耐火性能について、要素実験を行い、性能確認を行った。
初めに、本実施形態として用いた耐火被覆部３０、４０の有効性に関する加熱実験及びその結果を説明する。図５は、加熱実験における、実験環境の正面図、上面図、及び側面図である。
本実験においては、幅６０ｍｍ、長さ９００ｍｍの繊維強化プラスチック部１００を用いた。この繊維強化プラスチック部１００を炉１０３に面して配し、繊維強化プラスチック部１００と炉１０３の間に耐火被覆部材１０１を設けた。耐火被覆部材１０１としては、厚さ１３ｍｍのアクアカバーを２枚重ね、２６ｍｍの構成とした。この状況下で、繊維強化プラスチック部１００を、耐火被覆部材１０１の反対側から、ＩＳＯ８３４に記載された標準加熱温度曲線に従って、３０分間、加熱１０２した。消火後、繊維強化プラスチック部１００の最高温度を確認するまで、温度の計測を続けた。温度は、繊維強化プラスチック部１００上の、南位置Ｐ１１、中央位置Ｐ１２、北位置Ｐ１３の３か所において計測した。
図６は、上記加熱実験の実験結果を示すグラフである。線１０５として示されるように、炉１０３内の温度が８００℃を超えるように加熱した場合であっても、線１０４として示されるように、繊維強化プラスチック部１００の最高温度は、１０５℃程度であった。繊維強化プラスチック部は、概ね２００℃以下程度に維持できれば、構造体として使用した場合の強度を発揮できるが、最高温度はこの許容温度を大きく下回る結果となった。
よって、繊維強化プラスチック梁部材として、梁断面の中央部に設ける繊維強化プラスチック部と、その外周面に設ける耐火被覆部と、仕上部と、で設置する構成について、必要な耐火性能を満足できる点が確認できた。

次に、繊維強化プラスチック製の梁部材に対して、熱伝導解析を行い、繊維強化プラスチック梁部材の耐火性能、及び耐火構造性能を確認した。図７（ａ）に示されるようなＦＲＰ柱梁架構１１０の柱部材部分を、図７（ｂ）に示されるようにモデル化した。
この解析モデル１１０Ａにおいては、柱部材本体１１１の管体１１１ａを、密度が２７００ｋｇ／ｍ^３、比熱が９０３Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）、熱伝導率が１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）のアルミニウム合金製とした。管体１１１ａの長さと幅は、それぞれ、８０００ｍｍと１５０ｍｍとした。管体１１１ａには、アクゾノーベル社の耐火塗料であるＩｎｔｅｒｃｈａｒ２１２を、厚さが１２．９ｍｍとなるように設定した。このような管体１１１ａに対し、ＩＳＯ８３４の標準加熱温度曲線による加熱を３０分実施した場合の温度変化を図８に示す。最高温度は、アルミニウム合金の許容温度である２６０℃を下回っている。
また、柱接合部１１２の板体１１２ａを、密度が７８５０ｋｇ／ｍ^３、比熱が４８１Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）、熱伝導率が５２Ｗ／（ｍ・Ｋ）の鋼材とした。板体１１２ａの幅は管体１１１ａと同じく１５０ｍｍとし、長さＬは可変とした。柱接合部１１２には、セラミックブランケットにより厚さが１５ｍｍとなるように耐火被覆層１１２ｂを設定した。このような板体１１２ａに対し、ＩＳＯ８３４の標準加熱温度曲線による加熱を３０分実施した場合の温度変化を図９に示す。
上記の解析モデル１１０Ａに対し、上記のような温度変化を各部材に適用し、板体１１２ａの長さＬをパラメータとして変化させて、各部分の温度変化を、ＦＥＭ熱伝導解析により解析した。
図１０に、解析結果を示す。板体１１２ａの長さＬが２００ｍｍ以上であれば、板体１１２ａの上端部１１２ｃの温度が２００℃以下となり、繊維強化プラスチック部１１３の温度が許容値である２００℃以下となることがわかった。

次に、ＦＲＰ柱梁架構を構成する耐火被覆層を有する柱部材に対して、加熱実験を行い、柱部材の耐火性能、及び耐火構造性能を確認した。
図１１は、加熱実験における、試験体の説明図である。また、図１２は、試験体の一覧表である。柱部材本体６の試験体１２０は、いずれも高さを１．２ｍ、加熱範囲の長さを１ｍとした。試験体１２０の断面形状としては、断面が丸形である断面丸形試験体１２０Ａと、断面がＨ形である断面Ｈ形試験体１２０Ｂを用いた。この断面形状に加え、耐火被覆材及び被覆厚をパラメータとし、この１種類につき２体の、計１２体の試験体１２０を用意した。すべての試験体１２０の種類で、ＩＳＯ８３４に規定された標準加熱温度曲線と、火災温度上昇係数αを２９５とした場合に相当する加熱温度曲線の各々に、１つの試験体１２０を使用した。
いずれの場合にも、アルミニウム合金の最高温度が確認できるまで計測を続けた。火災温度上昇係数αを２９５とした場合に相当する加熱温度曲線においては、火災継続時間は２２分であったが、より長い３０分の加熱を実施した。
図１３は、加熱試験の結果を示す表である。本表において、発泡層の厚さは、図１１（ｃ）にａ、ｂ、ｃとして示される３か所において計測した。標準加熱温度曲線の試験では、断面形状が丸形のＡ１において、アルミニウム合金の温度が許容値（２６０度）を超えたが、他の試験体は許容値未満となった。火災温度上昇係数αを２９５とした場合に相当する加熱温度曲線の試験では、全ての試験体１２０において、許容値未満となった。
よって、本発明のＦＲＰ柱梁架構を構成するアルミニウム合金製の柱部材において、発砲性耐火塗料を所定厚さ塗布して耐火被覆層を形成することで、ＦＲＰ柱梁架構に求められる必要な耐火性能を確保できることが確認できた。

次に、上記のＦＲＰ柱梁架構の効果について説明する。

上記の実施形態のＦＲＰ柱梁架構２は、柱部材５と、繊維強化プラスチックと仕上材を組み合わせたＦＲＰ梁部材（梁）３とが連結されたＦＲＰ柱梁架構２であって、ＦＲＰ梁部材３は、断面形状が、矩形状に形成された繊維強化プラスチック部１１と、繊維強化プラスチック部１１の外周囲に設けられる仕上部２０と、繊維強化プラスチック部１１と仕上部２０との間に設けられる、吸熱材３３が密閉されてなる耐火被覆部３０と、を備え、柱部材５は、仕上部２０及び耐火被覆部３０を外方から貫通し、繊維強化プラスチック部１１と接合されていることを特徴とする。
上記のような構成によれば、繊維強化プラスチック部１１の外周囲には仕上部２０が設けられ、繊維強化プラスチック部１１と仕上部２０との間には、吸熱材３３が密閉されてなる耐火被覆部３０が設けられている。火災時に外部温度が上昇しても、外部から仕上部２０等を介して繊維強化プラスチック部１１に伝達しようとする熱エネルギーは、耐火被覆部３０の吸熱材３３により吸収される。また、柱部材５は、吸熱材３３が密閉されてなる耐火被覆部３０を外方から貫通し、繊維強化プラスチック部１１と接合されているため、火災時に柱部材５を介して熱がＦＲＰ梁部材３の内部に伝達しようとしても、同様に、耐火被覆部３０の吸熱材３３により吸収される。
したがって、繊維強化プラスチック部１１の温度上昇を抑制可能であり、これにより、繊維強化プラスチック部１１の耐火性能を向上可能である。

また、柱部材５は、繊維強化プラスチック部１１の底面１１ｑを支持し、及び側面１１ｕを挟持することを特徴とする。
上記のような構成によれば、繊維強化プラスチック部１１を柱部材５に強固に固定することができる。

また、仕上部２０を貫通する部分には、耐火被覆層８ｂを有する柱部材５が設けられることを特徴とする。
上記のような構成によれば、仕上部２０を貫通する部分の柱部材５にあっては、耐火被覆層８ｂを有する柱部材５が配置されていることで、貫通部分が耐火被覆層８ｂを有する柱部材５で塞がれているために、火災時に柱部材５からＦＲＰ梁部材３に伝達する延焼熱の伝搬を防止できる。すなわち、火災時の柱部材５を介してＦＲＰ梁部材３の内部に伝達しようとする熱の総量が低減するため、更に効果的に、繊維強化プラスチック部１１の温度上昇を抑制可能である。

また、繊維強化プラスチック部１１の、柱部材５によって支持されている部分には、貫通孔１１ｒが設けられ、繊維強化プラスチック部１１は柱部材５にボルト９ｃを用いて接合されている。
繊維強化プラスチック部は一般に、釘等を打ち込むのが容易ではないところ、上記のような構成によれば、貫通孔１１ｒが繊維強化プラスチック部１１に形成され、これに対して柱部材５の、接合部材７の梁接合部９がボルト９ｃにより接合されているため、これらを容易かつ確実に接合可能である。

なお、本発明のＦＲＰ柱梁架構は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において他の様々な変形例が考えられる。
例えば、繊維強化プラスチック部１１の断面形状は、矩形状に限られない。繊維強化プラスチック部１１の断面形状の様々な変形例を、図１４に示す。
図１４（ａ）の繊維強化プラスチック部１１Ａは、上下方向に間隔をあけて設けられた、幅の短い一対のフランジ部１１ｅ、１１ｆと、これらフランジ部１１ｅ、１１ｆとを連結するウェブ部１１ｇと、を備えており、断面形状がＩ形状となるように形成されている。このような繊維強化プラスチック部１１Ａを支持するＦＲＰ柱梁架構２Ａの梁接合部９Ａは、これに対応する形状を成している。すなわち、梁接合部９Ａは、一対のフランジ挟持部９ｅと、一対のウェブ挟持部９ｆを備えている。一対のフランジ挟持部９ｅの各々は、フランジ部１１ｆの両端辺側において、柱接合部８Ａの上端から外方に膨らんだ後に上方へ延び、その後内側へ向かうような形状を成しており、互いに対向する一対のフランジ挟持部９ｅの間にフランジ部１１ｆが収容されて固定されるように形成されている。一対のウェブ挟持部９ｆの各々は、各フランジ挟持部９ｅの内端から上方に延在するように設けられており、これら一対のウェブ挟持部９ｆの間にウェブ部１１ｇが収容されるように形成されている。ウェブ部１１ｇと一対のウェブ挟持部９ｆの各々には、対応する位置に図示されない貫通孔が開設されており、この貫通孔を挿通するように図示されないボルトが緊締されて、固定されている。

図１４（ｂ）の繊維強化プラスチック部１１Ｂは、１つのフランジ部１１ｈと、このフランジ部１１ｈの上方へと延在するように設けられたウェブ部１１ｉと、を備えており、断面形状がＴ形状となるように形成されている。
また、図１４（ｃ）の繊維強化プラスチック部１１Ｃは、上下方向に間隔をあけて設けられた、繊維強化プラスチック部１１Ａのフランジ部１１ｅ、１１ｆよりも幅の長い一対のフランジ部１１ｊ、１１ｋと、これらフランジ部１１ｊ、１１ｋとを連結するウェブ部１１ｌと、を備えており、断面形状がＨ形状となるように形成されている。
このような繊維強化プラスチック部１１Ｂ、１１Ｃを支持するＦＲＰ柱梁架構２Ｂの梁接合部９Ｂは、これに対応する、共通した形状を備えている。梁接合部９Ｂは、梁接合部９Ａと同様に、一対のフランジ挟持部９ｇと、一対のウェブ挟持部９ｆを備えている。梁接合部９Ｂのフランジ挟持部９ｇは、これが挟持するフランジ部１１ｈ、１１ｋの形状にあわせて、梁接合部９Ａのフランジ挟持部９ｅよりも外方に長く延在するように設けられている。

上記以外にも、繊維強化プラスチック部１１が十分な強度を有するようであれば、その形状は上記に限られない。例えば、断面形状は円形や楕円形であってもよい。この場合において、繊維強化プラスチック部１１の内部は、上記実施形態のように中空であってもよいし、中実に、すなわち空間の無いように形成されていてもよい。
この場合においては、梁接合部９は対応する形状に形成されるのは、言うまでもない。
同様に、繊維強化プラスチック部１１は、上記実施形態のような矩形断面を有しつつも、中実に形成されていてもよい。
また、上記実施形態では、繊維強化プラスチックと仕上材（木材）を組み合わせてＦＲＰ梁部材を形成しているが、仕上材として、木材に限定することなく、石膏ボード、ケイカル板、金属板、或いはプラスチック板を用いてもよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

２ ＦＲＰ柱梁架構 １１、１１Ａ～１１Ｃ 繊維強化プラスチック部
３ 梁（ＦＲＰ梁部材） １１ｐ 突出体
５、５Ａ～５Ｆ 柱部材 １１ｑ 底面
６ 柱部材本体 １１ｕ 側面
６ｂ、８ｂ 耐火被覆層 ２０ 木質部（仕上部）
７ 接合部材 ３０、４０ 耐火被覆部
８ 柱接合部 ３３ 吸熱材
９ 梁接合部

Claims (2)

1. 柱部材と、繊維強化プラスチックと仕上材を組み合わせたＦＲＰ梁部材とが連結されたＦＲＰ柱梁架構であって、
   前記ＦＲＰ梁部材は、断面形状が、矩形状、Ｉ形状、Ｔ形状、Ｈ形状のいずれかに形成された繊維強化プラスチック部と、
   前記繊維強化プラスチック部の外周囲に設けられる仕上部と、
   前記繊維強化プラスチック部と前記仕上部との間に設けられる、吸熱材が密閉されてなる耐火被覆部と、を備え、
   前記柱部材は、前記繊維強化プラスチック部と接合されていることを特徴とするＦＲＰ柱梁架構。
2. 前記仕上部を貫通する部分には、耐火被覆層を有する前記柱部材が設けられることを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ柱梁架構。
   

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