JP4335828B2 - 耐火試験体構造および耐火試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐火壁に沿って設けられる鉄骨梁の耐火試験体構造および耐火試験方法に関するものである。

図１は、壁に沿って設けられる鉄骨梁の耐火構造を示す斜視図（ａ）および断面図（ｂ）である。図示するように、Ｈ形鋼からなる鉄骨梁１０が、隣り合う壁（以下、「耐火壁」という）５０と、鉄骨梁１０の上フランジ１１上部に設けられたフロア板６０と、鉄骨梁１０の反耐火壁側および鉄骨梁１０の下フランジ１４側を被覆する耐火被覆材２０とによって囲繞される。なお、耐火被覆材２０は、固定ピン（スタッドピン）７０やビス７１によって鉄骨梁１０または耐火壁５０に確実に固定されている。

本来であれば、鉄骨梁１０は耐火被覆材２０によって被覆されるのが原則である。
しかし、耐火壁５０に沿って設けられる鉄骨梁１０では、この被覆作業が非常に困難である。そのため、耐火壁５０の一部も耐火被覆とみなして、耐火壁５０と耐火被覆材２０とによって鉄骨梁１０を被覆することとしたのが、図１に示す耐火構造である。

現在、この耐火壁に沿って設けられる鉄骨梁の耐火構造は、次の２試験方法（耐火認定試験）の何れかにより評価し合格することが義務付けられている。
第一の試験方法は、試験体（鉄骨梁と耐火壁を一体化させたもの）の上部から荷重を掛けながら規定温度に加熱し、更に規定時間内で鉄骨梁が座屈しないことを試験するものである（以下、「座屈試験」という）。
第二の試験方法は、試験体には荷重を掛けずに加熱し、鉄骨梁の表面温度が規定温度を超えないことを試験するものである（以下、「加熱試験」という）。

実際に、図２に示す従来の試験体（鉄骨梁１０と耐火壁５０に見立てた耐火壁５１とを接合させ、耐火梁１０の上フランジ上部１２へフロア板６０に見立てたフロア板６１を設けるとともに、耐火被覆材２０を取り付けたもの）で前記「座屈試験」を実施した場合、試験体のバランスが崩れ易く（重心が耐火壁５１側にあるため）、図３に示すような試験設備３５を破損する可能性があった。そのため、耐火壁に沿って設けられる鉄骨梁の耐火認定試験で「座屈試験」を実施することは困難であるとして、従来は専ら「加熱試験」により評価を行っていた。特許文献１で説明されている合成耐火はり（耐火壁に沿って設けられる鉄骨梁）の耐火性能試験も、この「加熱試験」を指している（特許文献１の段落［０００４］及び［０００５］参照）。

ここで、「加熱試験」の場合、鉄骨梁の構造にもよるが、耐火被覆された鉄骨梁の表面温度は約３５０℃以下となることが規定されている。
一方で、「座屈試験」の場合、経験上耐火被覆された鉄骨梁の表面温度は５００〜６００℃まで加熱することが可能となる。
従って、「加熱試験」に合格するためには、「座屈試験」に比べて耐火被覆材の厚さを厚くしなければならないことになる。逆に言えば、「座屈試験」に合格するためには、「加熱試験」に比べて耐火被覆材の厚さが薄くてもよいことになる。

特開２００３−２０７４１号公報

しかしながら、上記のように「座屈試験」については、鉄骨梁と耐火壁の一部を接合させた試験体のバランスをとることが困難であった。そのため、耐火壁に沿って設けられる鉄骨梁の耐火認定試験において「座屈試験」は実施されていなかった。
そこで、本発明は、耐火壁に沿って設けられる鉄骨梁の耐火認定試験において、「座屈試験」を実施できるような耐火試験体構造および耐火試験方法を提供するものである。

上記目的を達成するために、第一の発明は、耐火壁に沿って設けられる鉄骨梁の耐火認定試験における座屈試験用の耐火試験体構造であって、該鉄骨梁が、該耐火壁と、該鉄骨梁の上部に設けられたフロア板と、該鉄骨梁の反耐火壁側および該鉄骨梁の下部を被覆する耐火被覆材とによって囲繞されると共に、該耐火試験体構造の耐火壁側とフロア板先端部側の間における重心位置を鉄骨梁の重心を通る略垂直線上に位置させたことを特徴とするものである。
第二の発明は、前記鉄骨梁の上部に設けられたフロア板に、該耐火試験体構造の重心位置を調整する調整用のバランサーを設けたことを特徴とするものである。

第三の発明は、耐火壁に沿って設けられる鉄骨梁の耐火認定試験における座屈試験用の耐火試験体構造の耐火試験方法であって、該鉄骨梁が、該耐火壁と、該鉄骨梁の上部に設けられたフロア板と、該鉄骨梁の反耐火壁側および該鉄骨梁の下部を被覆する耐火被覆材とによって囲繞されると共に、該耐火試験体構造の耐火壁側とフロア板先端部側の間における重心位置を鉄骨梁の重心を通る略垂直線上に位置させたことを特徴とするものである。
第四の発明は、前記鉄骨梁の上部に設けられたフロア板に、該耐火試験体構造の重心位置を調整する調整用のバランサーを設けたことを特徴とするものである。
第五の発明は、両端を支持させた耐火試験体構造の長手方向を略等分に３分割する位置で且つ、該耐火試験体構造の重心位置に対して垂直荷重を掛けた状態で加熱させることを特徴とするものである。
第六の発明は、少なくとも前記耐火試験体構造の長手方向中央に、前記鉄骨梁のたわみ量を測定する変位計を取り付けると共に、該鉄骨梁の表面の複数箇所に温度測定装置を取り付けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果を有する。
（１）耐火試験体構造の重心位置を鉄骨梁の重心を通る略垂直線上に位置させたことで耐火試験体構造のバランスが良くなり、試験炉における試験体の設置や耐火試験中にバランスを崩して、試験炉を破壊することを防止できる。このため、従来実施されていなかった「座屈試験」が可能となる（かりに試験体の座屈変形時においても、試験炉を破損する可能性が無くなる）。
（２）「座屈試験」が可能となることにより、耐火被覆材の厚さを適正化することが出来るため、従来の「加熱試験」による耐火被覆材の厚さに比べて薄くすることが可能となる。これにより、まず、材料のコストダウン及び施工作業の改善が図れる。
（３）また、耐火被覆材の厚さを薄くすることにより、鉄骨梁の位置する空間のスペースが広くなり、有効活用することが出来る。
（４）耐火試験体構造のバランスが良くなることで、試験時の作業（クレーン吊下げ、試験体セット等）が改善される（例えば、効率よく・安全に実施される等）。

まず、本発明の耐火試験体（以下、「試験体」という）の構造を図面に基づいて説明する。なお、図２に示す従来例と同じものについては、同一の符号を付すこととする。
図４は、本発明の試験体を示す断面図である。この試験体は、鉄骨梁１０を、耐火壁５１と、鉄骨梁１０の上フランジ１１上部へ設けられたフロア板６２と、鉄骨梁の反耐火壁側および鉄骨梁の下フランジ１４側を被覆する耐火被覆材２０とによって囲繞させている。ここで、本実施形態では、鉄骨梁としてＨ形鋼を使用しているが、これに限るものではない。図５（ａ）に示す角形鋼１８，同（ｂ）に示す溝形鋼１９など広く鉄骨梁に使用されるものであれば、これに含まれる。

この試験体は、鉄骨梁１０とフロア板６２を連結ボルト６６によって連結し、鉄骨梁１０と耐火壁５１を連結具５３によって連結している。なお、符号５４は、この連結具５３を耐火壁５１へ固定するための固定ボルトである。また、フロア板６２と耐火壁５１の間には不燃性断熱材７９を、耐火壁５１の目地部分には目地材８０をそれぞれ用いている。

フロア板６０に見立てたフロア板６２は、反耐火壁側へ延伸している。これにより、試験体の重心位置を鉄骨梁１０に、詳しくは鉄骨梁１０のウエブ１６の略中心線上に位置させている。そして、この試験体の移動が安全かつ容易になり、試験設備にこの試験体を効率良く設置できるようになる。また、「座屈試験」を実施し、万一鉄骨梁１０が座屈した場合でも、試験体が耐火壁５１側に横倒することがなくなるので、試験設備（試験炉）の破壊を防止でき、安全に「座屈試験」を実施できる。

この試験体の重心位置を鉄骨梁１０のウエブ１６の中心を通る略垂直線上に位置させるために、微妙な調整が必要になることがある。そのために、フロア板６２へ試験体の重心位置を調整する調整用のバランサー６５を設けると良い。なお、図示では、バランサー６５は、フロア板６２の先端部分に取り付けられているが、これに限らず、例えば、フロア板６２の表面側や裏面側などに取り付けても良く、また、耐火壁５１側へ取り付ける場合も考えられる。

符号８１は、「座屈試験」において荷重を掛けるための加力点である。図４に示す試験体をＸ−Ｘ方向から図示した図６およびＹ−Ｙ方向から図示した図７に示すように、この加力点８１は、試験体の長手方向を略等分に３分割する位置（２箇所）に設けられている。
なお、符号Ａは、この試験体を支持する支持点、符号Ｂは、この試験体を移動させる場合の吊り用フックである。

また、符号８２は、「座屈試験」において、鉄骨梁１０のたわみ量を測定するための巻き取り式変位形（図示省略）を取り付けるためのフックである。このフック８２は、少なくとも試験体の長手方向中央に設けられるが（１箇所）、その他に参考値を得るために、同長手方向の略等分に３分割する位置（２箇所）および同長手方向の両端部にある支持点上（２箇所）にそれぞれ設けてもよい（計５箇所）。

さらに、図４に示す符号８３は、「座屈試験」において鉄骨梁１０の温度を測定するための温度測定装置（熱電対）である。熱電対８３は、鉄骨梁１０の表面の複数箇所、具体的には、上フランジ１１の下面先端部分，ウエブ１６の中心，下フランジ１４の下面先端付近及び中央などに取り付けられる。

次に本発明の実施例（座屈試験）を比較例（加熱試験）と比較して説明する。
まず、試験の内容・条件は、以下の通りである。
［試験体と試験荷重について］（長期許容応力度→下フランジに鋼材基準強度（平成１２年建設省告示第２４６４号）の２／３がかかる荷重）
□鉄骨：Ｈ-400×200×8×13
断面係数：Ｚ＝1170cm³＝1170000mm³
単位質量：ｗ＝65.4kg/m＝0.641574N/mm
□鋼種：SS400
鋼材基準強度：Ｆ＝235N/mm²
長期許容応力度：σ＝２/３Ｆ＝156.67N/mm²
□試験装置
支点間距離：4200mm
□片側加力点の荷重
３σＺ／Ｌ−３ｗＬ／８＝129.9kN
Ｌ：支点間距離（mm）
□両側の荷重
129.9×2＝259.8kN
［載荷位置とたわみ測定位置について］
□載荷位置：支点間を３等分した位置(1400mm)
□たわみ測定位置：中央
［合格基準値について］
□載荷加熱試験の場合：たわみ量、たわみ速度が下記を越えないこと。
・最大たわみ量(mm)：Ｌ/400ｄ²＝110mm
・最大たわみ速度(mm/min)：Ｌ/9000ｄ²＝4.9mm/min
Ｌ：支点間距離(mm)
ｄ：梁高さ(mm)
□非載荷加熱試験の場合：温度が下記を超えないこと。
・最高温度：４５０℃
・平均温度：３５０℃
［加熱温度と加熱時間（図１２を参照）について］
・加熱温度：ISO834に規定されている加熱温度：Ｔ＝345log₁₀(8t+1)+20
Ｔ：加熱温度（℃）
ｔ：加熱時間（min）
・加熱時間：２時間（建築基準法施行令第107条に規定されている梁耐火２時間）

上記の内容に基づく試験の結果は、以下のようなものであった。
まず、本実施例（座屈試験）で判定した場合、下記により合格となった（図９，１０を参照）。
・たわみ量の最高値：17.2mm（規定110mm以下） → 合格
・たわみ速度の最高値：0.4mm/min（規定4.9mm/min以下） → 合格
次に、比較例（加熱試験）で判定した場合、下記により不合格となった（図１１を参照）。
・最高温度のピーク：480℃（規定450℃以下） → 不合格
・平均温度のピーク：436℃（規定350℃以下） → 不合格

以上のことから、本実施例では、本発明に基づく試験体が座屈試験に十分に耐え得るものであることを証明している。また、本発明に基づく試験体が加熱試験で不合格になるもの、すなわち、耐火被覆材が従来よりも薄い場合であっても、座屈試験に合格でき、実際に現場で施工できる耐火構造であることを証明している。

本発明は、耐火壁に沿って設けられる鉄骨梁が、該耐火壁と、該鉄骨梁の上部に設けられたフロア板と、該鉄骨梁の反耐火壁側および該鉄骨梁の下部を被覆する耐火被覆材とによって囲繞される場合の耐火認定試験における耐火試験体構造および耐火試験方法に広く利用できるものである。

耐火壁に沿って設けられる鉄骨梁の耐火構造を示す斜視図（ａ）および断面図（ｂ）。 従来の試験体を示す断面図。 耐火試験体の試験設備を示す参考図。 本発明の試験体を示す断面図。 その他の鉄骨梁を示す断面図。 図４に示す試験体をＸ−Ｘ方向から図示した側面図。 図４に示す試験体をＹ−Ｙ方向から図示した側面図。 座屈試験におけるたわみ量を示すグラフ。 座屈試験におけるたわみ速度を示すグラフ。 加熱試験における最高温度と平均温度を示すグラフ。 加熱温度を示すグラフ。

符号の説明

１０ 鉄骨梁 １１ 上フランジ １４ 下フランジ １６ ウエブ
１８ 角形鋼 １９ 溝形鋼
２０ 耐火被覆材 ３５ 試験設備
５０ 耐火壁 ５１ 耐火壁 ５３ 連結具 ５４ 固定ボルト
６０，６１，６２ フロア板 ６５ バランサー ６６ 連結ボルト
７０ 固定ピン ７１ ビス
７９ 不燃性断熱材 ８０ 目地材 ８１ 加力点 ８２ フック
８３ 温度測定装置
Ａ 支持点 Ｂ 吊り用フック

Claims (6)

1. 耐火壁に沿って設けられる鉄骨梁の耐火認定試験における座屈試験用の耐火試験体構造であって、
   該鉄骨梁が、該耐火壁と、該鉄骨梁の上部に設けられたフロア板と、該鉄骨梁の反耐火壁側および該鉄骨梁の下部を被覆する耐火被覆材とによって囲繞されると共に、
   該耐火試験体構造の耐火壁側とフロア板先端部側の間における重心位置を鉄骨梁の重心を通る略垂直線上に位置させたことを特徴とする耐火試験体構造。
2. 前記鉄骨梁の上部に設けられたフロア板に、該耐火試験体構造の重心位置を調整する調整用のバランサーを設けたことを特徴とする請求項１記載の耐火試験体構造。
3. 耐火壁に沿って設けられる鉄骨梁の耐火認定試験における座屈試験用の耐火試験体構造の耐火試験方法であって、
   該鉄骨梁が、該耐火壁と、該鉄骨梁の上部に設けられたフロア板と、該鉄骨梁の反耐火壁側および該鉄骨梁の下部を被覆する耐火被覆材とによって囲繞されると共に、
   該耐火試験体構造の耐火壁側とフロア板先端部側の間における重心位置を鉄骨梁の重心を通る略垂直線上に位置させたことを特徴とする耐火試験方法。
4. 前記鉄骨梁の上部に設けられたフロア板に、該耐火試験体構造の重心位置を調整する調整用のバランサーを設けたことを特徴とする請求項３記載の耐火試験方法。
5. 両端を支持させた耐火試験体構造の長手方向を略等分に３分割する位置で且つ、該耐火試験体構造の重心位置に対して垂直荷重を掛けた状態で加熱させることを特徴とした請求項３又は４記載の耐火試験方法。
6. 少なくとも前記耐火試験体構造の長手方向中央に、前記鉄骨梁のたわみ量を測定する変位計を取り付けると共に、該鉄骨梁の表面の複数箇所に温度測定装置を取り付けたことを特徴とする請求項３ないし５いずれかに記載の耐火試験方法。

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