JP3775395B2

JP3775395B2 - Synthetic beam design method

Info

Publication number: JP3775395B2
Application number: JP2003069417A
Authority: JP
Inventors: 太郎西垣; 真太郎道越
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2023-03-14
Also published as: JP2004278080A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンクリートスラブとこれを支持する鉄骨梁とがスタッドで相互に接合された合成ばりの設計方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、コンクリートスラブと鉄骨梁とがスタッド等で緊結されて両者が一体となって曲げに抵抗できるように構成された梁として、合成ばりが知られている。このような合成ばりを、耐火性が要求される建築物に適用する場合には、鉄骨の表面にロックウール等の耐火被覆を施すのが一般的であるが、上記鉄骨梁として、例えば、６００℃で常温規格値の２／３以上の耐力を有するＦＲ鋼等の耐火鋼を用いる場合には、鋼材自身が耐火性を有することから、上記耐火被覆を省略或いは低減することが可能となっている。
【０００３】
このように鉄骨梁に対する耐火被覆を省略或いは低減する場合においては、建築学会発行の「合成ばりの構造設計指針・同解説」に記載の全塑性モーメントの算定式を用いて、合成ばりの常温時おける終局曲げ耐力Ｍｐを求めることが可能となっている。すなわち、終局曲げ耐力Ｍｐは、図５に示すように、塑性中立軸Ｌがスラブ１０内にある場合、数１の数式を用いて導き出すことができる。
【０００４】
【数１】
Ｍｐ＝_Sａ・_sσ_y・ｊ
【０００５】
数１の数式において、_Sａは鉄骨梁１１の全断面積、_Sσ_yは鉄骨梁１１の降伏点、ｊは応力中心間距離である。また、数１の数式が成立するには、コンクリートスラブ１０と鉄骨梁１１の一体性が確保されている必要があり、それには、スタッド１２に作用する剪断耐力が鉄骨耐力を上回る必要がある。このため、上記合成ばりを構成する各部材の諸元を決定する際には、上記条件（スタッド１２の剪断耐力＞鉄骨耐力）を満足するように、スタッド周りのコンクリート支圧強度やスタッド１２の必要設置本数等を設定した後で、数１の数式を用いて、常温時における終局曲げ耐力Ｍｐを導き出すようにしている。
【０００６】
一方、上記合成ばりの高温時（火災時）における終局曲げ耐力Ｍｐ’を求める従来の方法としては、例えば、次の数式を用いた算定方法が知られている。
【０００７】
【数２】
Ｍｐ’＝ｋ・_Sａ・_sσ_y（Ｔ）・ｊ
【０００８】
数２の数式において、ｋは安全率、_Sσ_y（Ｔ）は鉄骨梁１１の高温強度である。この数２の数式を用いた算定方法においては、コンクリートスラブ１０と鉄骨梁１１との一体性を検討せずに、両者の一体性が保たれた状態にあるときの高温時終局曲げ耐力（_Sａ・_sσ_y（Ｔ）・ｊ）に対して、一律に安全率ｋ（０．７５〜１）を乗じることで、上記合成ばりの高温時終局曲げ耐力Ｍｐ’を導き出すようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、火災時においては、熱の影響でスタッド１２の剪断耐力や鉄骨耐力がそれぞれ変化することとなるので、コンクリートスラブ１０と鉄骨梁１１との一体性が保たれる（すなわち、スタッド１２の剪断耐力＞鉄骨耐力となる）という保証はなく、よって数２の数式が成立する保証も無い。このため、数２の数式から高温時終局曲げ耐力Ｍｐ’を導き出すようにした場合には、高温時終局曲げ耐力Ｍｐ’を過大評価してしまう可能性があり、火災時における合成ばりの構造安定性を担保することができないという問題点があった。
【００１０】
また、数２の数式を用いた従来の算定方法では、一律に安全率ｋを乗じることで、高温時終局曲げ耐力Ｍｐ’を導き出すようにしているために、上記とは反対に、コンクリートスラブ１０と鉄骨梁１１との一体性が保たれた状態にあるときには、安全率ｋで減じた分だけ高温時終局曲げ耐力Ｍｐ’に余裕が生じて、鉄骨量を必要以上に大きく設定してしまうという問題点があった。
【００１１】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、鉄骨梁に対する耐火被覆を省略或いは低減した場合においても、合成ばりの火災時における構造安定性を担保することができるとともに、鉄骨量を適正化して合成ばりの軽量化を図ることができる合成ばりの設計方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る合成ばりの設計方法は、コンクリートスラブとこれを支持する鉄骨梁とがスタッドで相互に接合された合成ばりの設計方法であって、上記合成ばりを構成する各部材の諸元を設定する第１ステップと、火災時における各部材の温度を解析により求める第２ステップと、当該第２ステップの解析結果を用いて火災時における上記スタッドの剪断耐力を導き出す第３ステップと、当該第３ステップで導き出した上記スタッドの剪断耐力と火災時における鉄骨耐力との比較により、上記コンクリートスラブと上記鉄骨梁との一体性を判定し、当該判定結果に応じて上記合成ばりの高温時終局曲げ耐力を導き出す第４ステップと、当該第４ステップで導き出した上記高温時終局曲げ耐力を用いて、上記合成ばりが火災時に破壊するか否かを判定する第５ステップとを有し、当該第５ステップにおいて上記合成ばりが火災時に破壊しないと判定されるまで上記第１〜第５ステップを繰り返した後、上記第１ステップにおける設定内容に基づいて各部材の諸元を決定することを特徴とするものである。
【００１３】
上記第３ステップにおいては、火災時におけるコンクリートの圧縮強度をＦｃ’、火災時におけるコンクリートのヤング係数をＥｃ’、スタッド１本当たりの剪断耐力を_Bｑ’スタッドの軸部断面積を_Bａ、火災時におけるスタッドの剪断強度を_Bσ_y’、スタッド溶接部の温度を_BＴ、スタッドの剪断強度が低下を開始するときの温度を_SＴ₁として、５０００kgf／cm²＜（Ｆｃ’・Ｅｃ’）^1/2＜９０００kgf／cm²という条件式が満たされ、且つ_BＴ≦_SＴ₁のときには、上記剪断耐力_Bｑ’を、_Bｑ’＝０．５・_Bａ・（Ｆｃ’・Ｅｃ’）^1/2によって導き出す一方、_BＴ＞_SＴ₁のときには、上記剪断耐力_Bｑ’を、_Bｑ’＝ｍｉｎ（０．５・_Bａ・（Ｆｃ’・Ｅｃ’）^1/2、_Bσ_y’・_Bａ）によって導き出すことが可能である。
【００１４】
上記第４ステップにおいては、鉄骨梁の全断面積を _S ａ、高温時における鉄骨梁の降伏点を _S σ _y ’、応力中心間距離をｊ、剪断スパンに配されるスタッドの本数をｎ _p 、スタッド１本当たりの剪断耐力を _B ｑ’、コンクリートスラブと鉄骨梁の一体性の程度をαとして、上記スタッドの剪断耐力が上記鉄骨耐力以上である場合には、α＝１、上記スタッドの剪断耐力が上記鉄骨耐力を下回る場合には、剪断スパンに配されるスタッド本数をｎ_p、α＝_Bｑ’・ｎ_p／（_Sａ・_Sσ_y’）として、上記合成ばりの高温時終局曲げ耐力Ｍｐ’を、Ｍｐ’＝α・_Sａ・_Sσ_y’・ｊによって導き出すことにより、コンクリートスラブと鉄骨梁の一体性の程度αに応じて上記合成ばりの高温時終局曲げ耐力Ｍｐ’を導き出すことが可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の合成ばりの設計方法の一実施形態について説明する。この設計方法の適用対象となる合成ばりは、図２および図３に示すように、コンクリートスラブ１０とこれを支持する鉄骨梁１１とが複数のスタッド１２で相互に接合された合成ばりである。この図２および図３に示す合成ばりにおいては、デッキプレート１３の溝方向が鉄骨梁１１と直交する状態で、デッキプレート１３の端部が鉄骨梁１１の上フランジ１１ａの縁に載置されるとともに、その間の上フランジ１１ａに、軸線方向に沿って所定間隔毎にスタッド１２が溶接された状態となっている。上記スタッド１２には、ＪＩＳ−Ｂ１１９８の頭付きスタッドが用いられている。
【００１６】
図１のフローチャートに沿って、当該設計方法を説明すると、先ず、第１ステップ（Ｓ１）において、上記合成ばりを構成する各部材（コンクリートスラブ１０、鉄骨梁１１、スタッド１２）の諸元を設定する。具体的には、コンクリートスラブ１０の鉄筋量・厚さ・設計基準強度、鉄骨梁１１に用いる鋼材の種類・断面寸法、スタッド１２の径・長さ・数量等を設定する。この際に、塑性中立軸Ｌがコンクリートスラブ１０内にある条件（０．８５Ｆｃ・_ｃａ＞_Sσ_y・_Sａ）を常温時において満足することを確認しておく。なお、Ｆｃはコンクリートスラブ１０の圧縮強度、_cａはコンクリートスラブ１０の断面積、_Sａは鉄骨梁１１の断面積、_Sσ_yは鉄骨梁１１の降伏点であり、上記断面積_cａには、デッキプレート１３の溝中のコンクリート分が除かれている。
【００１７】
次いで、第２ステップ（Ｓ２）では、火災時における各部材の温度を解析により求める。ここでは、先ず、火災室に関する各種設定（例えば、火災室の用途、開口の状況、可燃物量、区画の形状等の設定）を行い、次いで、予め設定された火災モデル（例えば、告示１４３３号、川越モデル、２層ゾーンモデル、１層ゾーンモデルなど）を用いて、火災継続時間や火災温度等など、火災性状を解析した後、差分法や有限要素法等によって、火災時における部材温度（例えば、鉄骨梁１１の温度_SＴ、スタッド周辺のコンクリート温度_CＴ、スタッド溶接部１２ａの温度_BＴなど）を予測する。
【００１８】
次いで、第３ステップ（Ｓ３）では、上記第２ステップの解析結果を用いて、高温時（火災時）におけるスタッド１２の剪断耐力を実験または計算により求める。計算の場合には、コンクリートスラブ１０とスタッド１２の高温化に伴う強度低下を考慮して、数３の数式を用いてスタッド１本当たりの剪断耐力_Bｑ’を求める。但し、数３の数式が成立するには、数４の条件式を満足する必要がある。
【００１９】
【数３】
（１）_BＴ≦_SＴ₁のとき
_Bｑ’＝０．５・_Bａ・（Ｆｃ’・Ｅｃ’）^1/2
（２）_BＴ＞_SＴ₁のとき
_Bｑ’＝ｍｉｎ（０．５・_Bａ・（Ｆｃ’・Ｅｃ’）^1/2 、_Bσ_y’・_Bａ）
【数４】
５０００kgf／cm²＜（Ｆｃ’・Ｅｃ’）^1/2＜９０００kgf／cm²
【００２０】
ここで、_Bａはスタッド１２の軸部断面積、Ｆｃ’は高温時におけるコンクリートの圧縮強度、Ｅｃ’は高温時におけるコンクリートのヤング係数、_Bσ_y’は高温時におけるスタッド１２の剪断強度、_BＴはスタッド溶接部１２ａの温度、_SＴ₁はスタッド１２の剪断強度が低下を開始するときの温度である。上記算定方法では、_BＴ≦_SＴ₁のときに数３の（１）式、_BＴ＞_SＴ₁のときに数３の（２）式を用いて、高温時におけるスタッド１本当たりの剪断耐力_Bｑ’を求めるようにしている。
【００２１】
すなわち、スタッド１２の剪断強度が低下を開始する温度_SＴ₁（約３５０℃）までは、常温時と同様に、溶接部１２ａでの破断は生じないと考えられるため、コンクリートの支圧強度がスタッド１２の剪断強度となる。本実施形態のスタッド１２の機械的性質・化学成分はＳＳ４００と同等であることから、高温時の強度もＳＳ４００と同等といえ、高温時において溶接部１２ａの強度は母材の強度を下回らないと考えられる。このため、スタッド１２の溶接部１２ａの温度が常温時のＳＳ４００材と同等の強度を有する温度_SＴ₁以下であれば、溶接部１２ａに破壊が生じることはなく、よってコンクリートの支圧強度がスタッド１２の剪断強度となる。
一方、スタッド溶接部１２ａの温度が_SＴ₁を超える場合には、溶接部１２ａにおけるスタッド１２の剪断強度とコンクリートの支圧強度の内、何れか低い方がスタッド１２の剪断強度となる。
【００２２】
なお、数３の数式に含まれるＦｃ’・Ｅｃ’、_Bσ_y’は、図４に示すように、温度に依存することが知られている。スタッド周辺のコンクリートは、図２および図３に示すように、スタッド１２のヒートブリッジ効果により、比較的暖まり易いので、このコンクリートの温度上昇を考慮して、数４の条件式の成立の可否を検討する必要がある。例えば、上記ヒートブリッジ効果を考慮して解析した結果、スタッド周辺のコンクリート温度_CＴが２２０℃となる場合、当該温度におけるコンクリートの圧縮強度Ｆｃ’とヤング係数Ｅｃ’は、ＲＩＬＥＭ（国際材料構造試験研究機関連合）の報告書（CEB Bulletin D'Information No.208(RILEM-Committee 44 PHT)）の数値を用いれば、常温時におけるコンクリートの圧縮強度をＦｃ、ヤング係数をＥｃとして、Ｆｃ’＝０．９５Ｆｃ、Ｅｃ’＝０．７５Ｅｃで表される。この際に、例えば、Ｆｃ＝２４０ｋｇｆ／ｃｍ²、Ｅｃ＝２１００００ｋｇｆ／ｃｍ²である場合には、数４の条件式中の（Ｆｃ’・Ｅｃ’）^1/2が５９９２ｋｇｆ／ｃｍ²となって、数４の条件式が成立することとなる。
【００２３】
上記のように、数４の条件式を満たす場合には、数３の数式を用いてスタッド１２の上記剪断耐力_Bｑ’を求めた後、次の第４ステップに移行する。一方、数４の条件式を満たさない場合には、第１ステップに戻ってコンクリートスラブ１０の圧縮強度Ｆｃの設定を大きくしたり、或いは第２ステップに戻って、部材温度が低くなるように耐火被覆をしたり、火災室に関する設定を変更したりするなどして、数４の条件式を満足するまで、第１ステップおよび第２ステップを繰り返す。
【００２４】
第４ステップ（Ｓ４）では、上記第３ステップで導き出したスタッド１２の剪断耐力と鉄骨耐力との比較により、コンクリートスラブ１０と鉄骨梁１１との一体性を判定し、当該判定結果に応じて合成ばりの高温時終局曲げ耐力Ｍｐ’を導き出す。この第４ステップでは、先ず、数５の条件式を満足するか否かに基づいて、コンクリートスラブ１０と鉄骨梁１１との一体性を判定する。
【００２５】
【数５】
_Bｑ’・ｎ_p＞_Sａ・_Sσ_y’
【００２６】
上記条件式において、ｎ_pは剪断スパンに配されるスタッド１２の本数、_Sσ_y’は高温時における鉄骨梁１１の降伏点である。ここで、スタッド１２の剪断耐力_Bｑ’・ｎ_pが鉄骨耐力_Sａ・_Sσ_y’を上回って、数５の条件式が満たされる場合には、高温時において、鉄骨梁１１が降伏するまでコンクリートスラブ１０と鉄骨梁１１との一体性が保たれると判断できる。一方、スタッド１２の剪断耐力_Bｑ’・ｎ_pが鉄骨耐力_Sａ・_Sσ_y’を下回って、数５の条件式が満たされない場合には、高温時において、鉄骨梁１１が降伏する前段階でスタッド１２に剪断破壊が生じると判断できる。
【００２７】
したがって、数５の条件式が満たされる場合には、鉄骨梁１１の高温強度をフルに利用できると考えられるので、α＝１、数５の条件式が満たされない場合には、高温時において両部材１０、１１の一体性が損なわれると考えられるので、α＝_Bｑ’・ｎ_p／（_Sａ・_Sσ_y’）として、数６の数式から合成ばりの高温時終局曲げ耐力Ｍｐ’を導き出す。
【００２８】
【数６】
Ｍｐ’＝α・_Sａ・_sσ_y’・ｊ
【００２９】
数６の数式において、ｊは応力中心間距離である。この数６の数式によれば、数５の条件式に基づいて高温時に両部材１０、１１の一体性が保たれると判定される場合に、建築学会発行の「合成ばりの構造設計指針・同解説」に記載の全塑性モーメントの算定式に従って、高温時終局曲げ耐力Ｍｐ’を導き出すことができ、一方、高温時に両部材１０、１１の一体性が損なわれると判定される場合には、両部材１０、１１の一体性の程度α（０＜α＜１）に応じて、高温時終局曲げ耐力Ｍｐ’を導き出すことができる。
【００３０】
なお、塑性中立軸Ｌがコンクリートスラブ１０内にある条件（０．８５Ｆｃ’・_cａ＞_Sσ_y’・_Sａ）は、常温時において成立すれば、火災時においても成立することとなるので、このステップではその確認を省略することが可能である。つまり、鉄骨は、熱伝導率が大きくかつ無被覆であるために、火災時には、コンクリートよりも温度が高くなって必然的に強度低下も大きくなる。よって、常温時における条件（０．８５Ｆｃ・_cａ＞_Sσ_y・_Sａ）が成立するならば、上記条件（０．８５Ｆｃ’・_cａ＞_Sσ_y’・_Sａ）が成立するのは明らかである。すなわち、火災の進行に伴う温度上昇とともに塑性中立軸Ｌの位置は、コンクリートスラブ１０の上縁に向かって徐々に移動し、それに応じて応力中心間距離ｊも長くなる。
【００３１】
次いで、第５ステップ（Ｓ５）では、架構の端部支持条件を考慮し、上記第４ステップで導き出した高温時終局曲げ耐力Ｍｐ’を用いて合成ばりの火災時における構造安定性を検証する。ここで、例えば、合成ばりが火災時に破壊しないと判定される場合には、第１ステップにおける設定内容に基づいて各部材の諸元を決定し、当該ステップを以て耐火設計に係る処理を終了する。一方、合成ばりが火災時に破壊すると判定される場合には、第１ステップに戻って、鉄骨梁１１の断面寸法や鉄骨梁１１の強度設定を大きくしたり、或いは第２ステップに戻って、部材温度が低くなるように火災室に関する設定を変更したり、また、α＜１のときには、スタッド１２の軸部断面積_Bａや本数ｎ_pを増加させたりするなどして、当該第５ステップにおいて合成ばりが火災時に破壊しないと判定されるまで第１〜第５ステップを繰り返す。
【００３２】
以上のように、上記合成ばりの設計方法によれば、第１ステップにおいて、合成ばりを構成する各部材の諸元を設定し、第２ステップにおいて、火災時における各部材の温度を解析し、第３ステップにおいて、上記第２ステップの解析結果を用いて火災時におけるスタッド１２の剪断耐力を導き出し、第４ステップにおいて、上記第３ステップで導き出したスタッド１２の剪断耐力と火災時における鉄骨耐力との比較により、コンクリートスラブ１０と鉄骨梁１１との一体性を判定し、当該判定結果に応じて合成ばりの高温時終局曲げ耐力を導き出し、第５ステップにおいて、上記第４ステップで導き出した高温時終局曲げ耐力を用いて合成ばりの火災時における構造安定性を検証することとし、当該第５ステップにおいて、合成ばりが火災時に破壊しないと判定されるまで上記第１〜第５ステップを繰り返した後、上記第１ステップにおける設定内容に基づいて各部材の諸元を決定するようにしたので、火災時におけるコンクリートスラブ１０と鉄骨梁１１との一体性を考慮して、合成ばりの諸元を最適設計することが可能になる。したがって、鉄骨梁１１に対する耐火被覆を省略或いは低減した場合においても、合成ばりの火災時における構造安定性を担保することができるとともに、鉄骨量を適正化して合成ばりの軽量化を図ることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る合成ばりの設計方法によれば、火災時におけるコンクリートスラブと鉄骨梁との一体性を検証した上で、合成ばりの高温時終局曲げ耐力を導き出すようにしたので、高温時終局曲げ耐力の信頼性を向上させることが可能となり、その結果、合成ばりの諸元を最適設計することが可能となる。したがって、鉄骨梁に対する耐火被覆を省略或いは低減した場合においても、従来のように高温時終局曲げ耐力を過大評価する虞がなく、よって合成ばりの火災時における構造安定性を担保することができるとともに、鉄骨量を適正化して合成ばりの軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る合成ばりの設計方法の一実施形態を説明するためのフローチャートである。
【図２】図１の設計方法の適用対象となる合成ばりの概略構成を示す縦断面図である。
【図３】図２の合成ばりを示す正面図である。
【図４】図２の合成ばりを構成する各部材の温度特性を示すグラフで、（ａ）はコンクリートの圧縮強度Ｆｃ’、（ｂ）はコンクリートのヤング係数Ｅｃ’、（ｃ）はスタッドの剪断強度_Bσ_y’、（ｄ）は鉄骨梁の降伏点_Sσ_y’をそれぞれ示している。
【図５】従来の合成ばりの設計方法を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１０コンクリートスラブ
１１鉄骨梁
１２スタッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for designing a composite beam in which a concrete slab and a steel beam supporting the slab are joined to each other by a stud.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a composite beam is known as a beam configured such that a concrete slab and a steel beam are tightly coupled with a stud or the like so that both can be integrated and resist bending. When such a composite beam is applied to a building that requires fire resistance, it is common to apply a fireproof coating such as rock wool on the surface of the steel frame. When using a refractory steel such as FR steel having a proof strength of 2/3 or more of the normal temperature standard value at ℃, the steel material itself has a fire resistance, so that the above refractory coating can be omitted or reduced. Yes.
[0003]
In this way, when omitting or reducing the fire-resistant coating on steel beams, use the formula for total plastic moment described in “Structural Design Guidelines and Explanations for Composite Beams” published by the Architectural Institute of Japan. The ultimate bending strength Mp can be obtained. That is, the ultimate bending strength Mp can be derived using the mathematical formula 1 when the plastic neutral axis L is in the slab 10, as shown in FIG.
[0004]
[Expression 1]
Mp = _S a · _s σ _y · j
[0005]
In Equation 1, _S a is the total cross-sectional area of the steel beam 11, _S σ _y is the yield point of the steel beam 11, and j is the stress center distance. Further, in order for the mathematical formula 1 to be established, it is necessary to ensure the integrity of the concrete slab 10 and the steel beam 11, and for that purpose, the shear strength acting on the stud 12 needs to exceed the steel strength. For this reason, when determining the specifications of each member constituting the composite beam, the concrete bearing strength around the stud and the stud 12 are set so as to satisfy the above condition (shear strength of the stud 12> steel strength). After setting the required number of installations and the like, the ultimate bending strength Mp at normal temperature is derived using the mathematical formula of Formula 1.
[0006]
On the other hand, as a conventional method for obtaining the ultimate bending strength Mp ′ of the synthetic beam at a high temperature (fire), for example, a calculation method using the following formula is known.
[0007]
[Expression 2]
Mp ′ = k · _S a · _s σ _y (T) · j
[0008]
In Equation 2, k is the safety factor, and _S σ _y (T) is the high-temperature strength of the steel beam 11. In the calculation method using the mathematical formula of Equation 2, the ultimate bending strength at high temperature ( _S ) when the integrity of the concrete slab 10 and the steel beam 11 is maintained without considering the integrity of the concrete slab 10 and the steel beam 11. By multiplying a · _s σ _y (T) · j) by a uniform safety factor k (0.75 to 1), the ultimate bending resistance Mp ′ of the composite beam at high temperature is derived.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the event of a fire, since the shear strength and the steel frame strength of the stud 12 change due to the influence of heat, the integrity of the concrete slab 10 and the steel beam 11 is maintained (that is, the shearing of the stud 12). There is no guarantee that the proof stress is greater than the steel proof stress. For this reason, if the ultimate bending strength Mp ′ at high temperature is derived from the mathematical formula 2, the ultimate bending strength Mp ′ at high temperature may be overestimated, and the structural stability of the composite beam in the event of a fire There was a problem that it was not possible to guarantee the sex.
[0010]
In addition, in the conventional calculation method using the mathematical formula 2, the ultimate bending strength Mp ′ at high temperature is derived by uniformly multiplying by the safety factor k. Therefore, the concrete slab 10 is contrary to the above. When the integrity between the steel beam 11 and the steel beam 11 is maintained, there is a margin in the high-temperature ultimate bending strength Mp ′ by the amount reduced by the safety factor k, and the amount of steel frame is set larger than necessary. There was a problem.
[0011]
The present invention has been made in view of such circumstances, and even when the fireproof coating on the steel beam is omitted or reduced, the structural stability of the composite beam during a fire can be ensured and the amount of the steel frame can be optimized. It is an object of the present invention to provide a method for designing a composite beam that can reduce the weight of the composite beam.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
A method for designing a composite beam according to the present invention is a method for designing a composite beam in which a concrete slab and a steel beam that supports the concrete slab are joined to each other by studs. A first step to set, a second step to obtain the temperature of each member at the time of the analysis by analysis, a third step to derive the shear strength of the stud at the time of fire using the analysis result of the second step, By comparing the shear strength of the stud derived in 3 steps with the steel strength in the event of a fire, the integrity of the concrete slab and the steel beam is determined, and the ultimate bending of the composite beam at high temperature is determined according to the determination result. Whether or not the composite beam is destroyed in the event of a fire using the fourth step of deriving the yield strength and the ultimate bending strength at high temperatures derived in the fourth step. And after repeating the first to fifth steps until it is determined in the fifth step that the composite beam is not destroyed in the event of a fire, based on the setting contents in the first step The feature of each member is determined.
[0013]
In the third step, Fc ′ is the compressive strength of the concrete at the time of fire, Ec ′ is the Young's modulus of the concrete at the time of fire, _{B is} the shearing strength per stud, and _B a is the shaft cross-sectional area of the stud. the shear strength of the stud in the case of fire _B sigma _y ', the temperature of the stud welding portion _B T, as _S T ₁ the temperature at which the shear strength of the stud starts to ^{decrease, 5000kgf / cm 2 <(Fc} ' · Ec ') When the conditional expression ^1/2 <9000 kgf / cm ² is satisfied and _B T ≤ _S T ₁ , the shear strength _B q' is set to _B q '= 0.5 · _B a · (Fc' · Ec ′) ^1/2 , and when _B T> _S T ₁ , the shear strength _B q ′ is calculated as follows: _B q ′ = min (0.5 · _B a · (Fc ′ · Ec ′) ^1/2 it is possible to derive the _{_{_{B σ y '· B a)}}} .
[0014]
In the above-described fourth step, the total cross-sectional area of _{_S} a, _{S σ} _y 'the yield point of the steel beam at a high temperature, a stress center distance j, a number of studs arranged on the shear span n _p of steel beam When the shear strength per stud is _B q ′, the degree of integrity of the concrete slab and the steel beam is α, and when the shear strength of the stud is greater than or equal to the steel strength, α = 1, If the shear strength is lower than the above steel yield strength, the stud number n _p, as _{_{α = B q '· n p}} / (S a · S σ y') which is arranged in the shear span, at a high temperature of the composite beam By deriving the ultimate bending strength Mp ′ by Mp ′ = α · _S a · _S σ _y '· j, the ultimate bending strength Mp of the composite beam at high temperature according to the degree of integration α between the concrete slab and the steel beam It is possible to derive ' .
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a method for designing a composite beam of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIGS. 2 and 3, the composite beam to which this design method is applied is a composite beam in which a concrete slab 10 and a steel beam 11 that supports the concrete slab 10 are joined together by a plurality of studs 12. In the composite beam shown in FIGS. 2 and 3, the end of the deck plate 13 is placed on the edge of the upper flange 11 a of the steel beam 11 with the groove direction of the deck plate 13 orthogonal to the steel beam 11. At the same time, the studs 12 are welded to the upper flange 11a therebetween at predetermined intervals along the axial direction. As the stud 12, a stud with a head of JIS-B1198 is used.
[0016]
The design method will be described with reference to the flowchart of FIG. 1. First, in the first step (S1), specifications of each member (concrete slab 10, steel beam 11, stud 12) constituting the composite beam are set. To do. Specifically, the amount of reinforcing bars, the thickness, the design standard strength of the concrete slab 10, the type and cross-sectional dimensions of the steel used for the steel beam 11, the diameter, length, and quantity of the stud 12 are set. At this time, it is confirmed that the condition that the plastic neutral axis L is in the concrete slab 10 (0.85 Fc · _c a> _S σ _y · _S a) is satisfied at room temperature. Fc is the compressive strength of the concrete slab 10, _c a is the cross-sectional area of the concrete slab 10, _S a is the cross-sectional area of the steel beam 11, and _S σ _y is the yield point of the steel beam 11, and the cross-sectional area _c a The concrete part in the groove | channel of the deck plate 13 is removed.
[0017]
Next, in the second step (S2), the temperature of each member at the time of a fire is obtained by analysis. Here, first, various settings related to the fire room (for example, settings of the fire room use, opening conditions, combustible amount, compartment shape, etc.) are made, and then a preset fire model (for example, Notification No. 1433, After analyzing fire properties such as fire duration, fire temperature, etc. using Kawagoe model, 2-layer zone model, 1-layer zone model, etc., the member temperature at the time of fire (for example, by difference method or finite element method) , the temperature _S T of steel beam 11, the concrete temperature _C T around the stud, such as temperature _B T stud welds 12a) to predict.
[0018]
Next, in the third step (S3), the shear strength of the stud 12 at the time of high temperature (at the time of fire) is obtained by experiment or calculation using the analysis result of the second step. In the case of calculation, the shear strength _B q ′ per stud is obtained using the mathematical formula 3 in consideration of the strength decrease accompanying the high temperature of the concrete slab 10 and the stud 12. However, it is necessary to satisfy the conditional expression (4) in order to satisfy the mathematical expression (3).
[0019]
[Equation 3]
(1) When _B T ≤ _S T ₁
_B q ′ = 0.5 · _B a · (Fc ′ · Ec ′) ^1/2
(2) When _B T> _S T ₁
_B q ′ = min (0.5 · _B a · (Fc ′ · Ec ′) ^1/2 , _B σ _y '· _B a)
[Expression 4]
5000 kgf / cm ² <(Fc ′ · Ec ′) ^1/2 <9000 kgf / cm ²
[0020]
Here, _B a is the axial cross-sectional area of the stud 12, Fc 'is the compressive strength of the concrete at high temperatures, Ec' is the Young's modulus of the concrete at high temperatures, _B sigma _y 'is the shear strength of the stud 12 at a high temperature, _B T is the temperature of the stud weld 12a, and _S T ₁ is the temperature at which the shear strength of the stud 12 starts to decrease. In the above calculation method, the number 3 of (1) when _{_{_{_{B T ≦ S T 1, B}}}} T> using _S T ₁ number 3 when (2), per one stud at a high temperature The shear strength _B q ′ is obtained.
[0021]
That is, until the temperature _S T ₁ (about 350 ° C.) at which the shear strength of the stud 12 starts to decrease, it is considered that the fracture at the welded portion 12a does not occur as in normal temperature. The shear strength of the stud 12 is obtained. Since the mechanical properties and chemical components of the stud 12 of the present embodiment are equivalent to SS400, it can be said that the strength at high temperature is equivalent to SS400, and the strength of the welded portion 12a must be less than the strength of the base material at high temperature. Conceivable. Therefore, if the following temperature _S T ₁ to the temperature of the welded portion 12a of the stud 12 with the equal strength and SS400 material at the normal temperature, never breaking occurs in the welded portion 12a, thus bearing capacity of concrete The shear strength of the stud 12 is obtained.
On the other hand, when the temperature of the stud welding portion 12a is greater than _S T _1, of the bearing capacity of the shear strength and the concrete of the stud 12 in the weld portion 12a, lower one is the shear strength of the stud 12.
[0022]
It is known that Fc ′ · Ec ′ and _B σ _y ′ included in Equation 3 depend on temperature as shown in FIG. As shown in FIGS. 2 and 3, the concrete around the stud is relatively easy to warm due to the heat bridge effect of the stud 12, so whether or not the conditional expression of Formula 4 is satisfied in consideration of the temperature rise of the concrete. It is necessary to consider. For example, the results of the analysis in view of the above heat bridge effect, when the concrete temperature _C T around the stud becomes 220 ° C., the 'Young's modulus Ec and' compressive strength of the concrete Fc at that temperature, RILEM (International material structure testing By using the values in the report of the Research Organization (CEB Bulletin D'Information No.208 (RILEM-Committee 44 PHT)), Fc '= 0 when the compressive strength of concrete at normal temperature is Fc and Young's modulus is Ec. .95Fc, Ec ′ = 0.75Ec. In this case, for example, in the case of ^{Fc = 240kgf / cm 2, Ec} = 210000kgf / cm 2 , the number 4 in a condition expression of (Fc '· Ec') ^1/2 is turned 5992kgf / cm ² Therefore, the conditional expression of Equation 4 is established.
[0023]
As described above, when the conditional expression (4) is satisfied, the shear strength _B q ′ of the stud 12 is obtained using the mathematical expression (3), and then the process proceeds to the next fourth step. On the other hand, if the conditional expression (4) is not satisfied, the process returns to the first step and the setting of the compressive strength Fc of the concrete slab 10 is increased, or the process returns to the second step so that the member temperature is lowered. The first step and the second step are repeated until the conditional expression (4) is satisfied by covering or changing the setting related to the fire room.
[0024]
In the fourth step (S4), the integrity of the concrete slab 10 and the steel beam 11 is determined by comparing the shear strength and the steel frame strength of the stud 12 derived in the third step, and the synthesis is performed according to the determination result. The ultimate bending strength Mp ′ of the beam at high temperature is derived. In this fourth step, first, the integrity of the concrete slab 10 and the steel beam 11 is determined based on whether or not the conditional expression (5) is satisfied.
[0025]
[Equation 5]
_B q ′ · n _p > _S a · _S σ _y '
[0026]
In the above conditional expression, n _p is the number of studs 12 arranged in the shear span, and _S σ _y ′ is the yield point of the steel beam 11 at a high temperature. Here, when the shear strength _B q ′ · n _p of the stud 12 exceeds the steel strength _S a · _S σ _y ′ and the conditional expression (5) is satisfied, the steel beam 11 yields at a high temperature. It can be determined that the integrity of the concrete slab 10 and the steel beam 11 is maintained. On the other hand, when the shear strength _B q ′ · n _{p of} the stud 12 is less than the steel strength _S a · _S σ _y ′ and the conditional expression 5 is not satisfied, the steel beam 11 is not yielded at a high temperature. It can be determined that shear failure occurs in the stud 12 at a stage.
[0027]
Therefore, when the conditional expression (5) is satisfied, the high-temperature strength of the steel beam 11 can be fully utilized. Therefore, if the conditional expression (α = 1) and (5) are not satisfied, Since it is considered that the integrity of the members 10 and 11 is impaired, α = _B q ′ · n _p / ( _S a · _S σ _y ′), and the ultimate bending resistance Mp ′ of the composite beam at a high temperature is calculated from the formula (6). To derive.
[0028]
[Formula 6]
Mp ′ = α · _S a · _s σ _y '· j
[0029]
In Equation (6), j is the stress center distance. According to the formula of Formula 6, when it is determined that the integrity of the members 10 and 11 is maintained at a high temperature based on the conditional formula of Formula 5, “Structural design guideline for composite beam / According to the calculation formula of the total plastic moment described in the same description, the ultimate bending strength Mp ′ at high temperature can be derived, while when it is determined that the integrity of the members 10 and 11 is impaired at high temperature, Depending on the degree of integrity α (0 <α <1) between the members 10 and 11, the ultimate bending strength Mp ′ at high temperatures can be derived.
[0030]
If the plastic neutral axis L is in the concrete slab 10 (0.85Fc ′ · _c a> _S σ _y '· _S a), if it is satisfied at room temperature, it will also be satisfied in the event of a fire. This confirmation can be omitted in this step. That is, since the steel frame has a high thermal conductivity and is uncovered, in the event of a fire, the temperature is higher than that of concrete and inevitably the strength decreases. Therefore, if the condition at normal temperature (0.85Fc · _c a> _S σ _y · _S a) is satisfied, the above condition (0.85Fc ′ · _c a> _S σ _y '· _S a) is satisfied. Is clear. That is, the position of the plastic neutral axis L gradually moves toward the upper edge of the concrete slab 10 as the temperature rises as the fire progresses, and the stress center distance j increases accordingly.
[0031]
Next, in the fifth step (S5), the structural stability of the composite beam at the time of fire is verified using the high temperature ultimate bending strength Mp ′ derived in the fourth step in consideration of the frame end support conditions. Here, for example, when it is determined that the composite beam will not be destroyed in the event of a fire, the specifications of each member are determined based on the setting contents in the first step, and the process related to fireproof design is terminated with this step. On the other hand, when it is determined that the composite beam is destroyed in the event of a fire, the process returns to the first step, and the cross-sectional dimension of the steel beam 11 and the strength setting of the steel beam 11 are increased, or the process returns to the second step. temperature change settings relating to fire chamber to be lower, also when alpha <1, and the like or by increasing the axial cross-sectional area _B a and the number n _p of the stud 12, in the fifth step The first to fifth steps are repeated until it is determined that the composite beam will not be destroyed in the event of a fire.
[0032]
As described above, according to the design method of the composite beam, in the first step, the specifications of each member constituting the composite beam are set, and in the second step, the temperature of each member at the time of fire is analyzed, In the third step, the shear strength of the stud 12 at the time of fire is derived using the analysis result of the second step. In the fourth step, the shear strength of the stud 12 derived in the third step and the steel frame strength at the time of fire are calculated. , The integrity of the concrete slab 10 and the steel beam 11 is determined, the ultimate bending strength of the composite beam at high temperature is derived according to the determination result, and in the fifth step, at the high temperature derived in the fourth step. We will verify the structural stability of the composite beam at the time of fire using the ultimate bending strength, and in the fifth step, the composite beam will fire. After repeating the first to fifth steps until it is determined not to break down, the specifications of each member are determined based on the setting contents in the first step. Considering the integrity with the steel beam 11, it is possible to optimally design the specifications of the composite beam. Therefore, even when the fireproof coating for the steel beam 11 is omitted or reduced, the structural stability of the composite beam at the time of fire can be ensured, and the weight of the composite beam can be reduced by optimizing the amount of the steel frame. .
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for designing a composite beam according to the present invention, after verifying the integrity of a concrete slab and a steel beam in the event of a fire, the ultimate bending strength of the composite beam at high temperatures is derived. Therefore, it is possible to improve the reliability of the ultimate bending strength at high temperatures, and as a result, it is possible to optimally design the specifications of the composite beam. Therefore, even when the fireproof coating for the steel beam is omitted or reduced, there is no risk of overestimating the ultimate bending strength at high temperatures as in the prior art, and thus the structural stability of the composite beam during a fire can be ensured. The weight of the composite beam can be reduced by optimizing the amount of steel frames.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart for explaining an embodiment of a method for designing a composite beam according to the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of a composite beam to which the design method of FIG. 1 is applied.
FIG. 3 is a front view showing the composite beam of FIG. 2;
4 is a graph showing the temperature characteristics of each member constituting the composite beam of FIG. 2, wherein (a) is the compressive strength Fc ′ of the concrete, (b) is the Young's modulus Ec ′ of the concrete, and (c) is the stud. The shear strengths _B σ _y ′ and (d) indicate the yield point _S σ _y ′ of the steel beam.
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a conventional method for designing a composite beam.
[Explanation of symbols]
10 Concrete slab 11 Steel beam 12 Stud

Claims

A method for designing a composite beam in which a concrete slab and a steel beam supporting the concrete slab are joined together by studs,
A first step for setting the specifications of each member constituting the composite beam; a second step for analyzing the temperature of each member at the time of fire; and the stud at the time of fire using the analysis result of the second step. Determining the integrity of the concrete slab and the steel beam by comparing the third step of deriving the shear strength of the steel and the shear strength of the stud derived in the third step and the steel frame strength in the event of a fire. The fourth step of deriving the high temperature ultimate bending strength of the composite beam according to the result and the high temperature ultimate bending strength derived in the fourth step are used to determine whether or not the synthetic beam is destroyed in the event of a fire. And repeat the first to fifth steps until it is determined in the fifth step that the composite beam is not destroyed in the event of a fire. After, and determining the specifications of each member on the basis of the set contents in the first step,
In the third step, Fc ′ is the compressive strength of the concrete in the event of a fire, Ec ′ is the Young's modulus of the concrete in the event of a fire , _B a is the cross-sectional area of the shaft of the _B q ′ stud, _B a The stud shear strength at the time is _B σ _y ′, the temperature of the stud weld is _B T, and the temperature at which the stud shear strength starts decreasing is _S T ₁ ,
5000 kgf / cm ² <(Fc ′ · Ec ′) ^1/2 <9000 kgf / cm ²
Conditional expression is satisfied that, and when the _B T ≦ _S T ₁ is the shear strength _B q ',
_B q ′ = 0.5 · _B a · (Fc ′ · Ec ′) ^1/2
On the other hand, when _B T> _S T ₁ , the shear strength _B q ′ is
_B q ′ = min (0.5 · _B a · (Fc ′ · Ec ′) ^1/2 , _B σ _y '· _B a)
A method of designing a composite beam, characterized by being derived by

A method for designing a composite beam in which a concrete slab and a steel beam supporting the concrete slab are joined together by studs,
A first step for setting the specifications of each member constituting the composite beam; a second step for analyzing the temperature of each member during a fire; and the stud during a fire using an analysis result of the second step. Determining the integrity of the concrete slab and the steel beam by comparing the third step of deriving the shear strength of the steel and the shear strength of the stud derived in the third step and the steel strength in the event of a fire. The fourth step of deriving the high temperature ultimate bending strength of the composite beam according to the result and the high temperature ultimate bending strength derived in the fourth step are used to determine whether or not the synthetic beam is destroyed in the event of a fire. And repeat the first to fifth steps until it is determined in the fifth step that the composite beam is not destroyed in the event of a fire. After, and determining the specifications of each member on the basis of the set contents in the first step,
In the fourth step, the total cross-sectional area of the steel beam _SS a, the yield point of a steel beam at high temperatures _SS σ _yy ', J is the distance between stress centers, and n is the number of studs arranged in the shear span. _pp , Shear strength per stud _BB q ′, where α is the degree of integration between the concrete slab and the steel beam.
When the shear strength of the stud is equal to or greater than the steel strength, α = 1, and when the shear strength of the stud is lower than the steel strength, α = _BB q ’· n _pp / ( _SS a _SS σ _yy ′), The ultimate bending strength Mp ′ of the above composite beam at high temperature,
Mp ’= α · _SS a _SS σ _yy ′ ・ J
The composite beam design method is characterized in that the ultimate bending strength Mp ′ of the composite beam at high temperature is derived according to the degree of integrity α between the concrete slab and the steel beam.