JP5907120B2

JP5907120B2 - 高温強度推定方法および高温強度推定装置

Info

Publication number: JP5907120B2
Application number: JP2013117131A
Authority: JP
Inventors: 智裕木下; 行夫村上
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2033-06-03
Also published as: JP2014235089A

Description

本発明は、建築構造躯体に使用される鋼材の耐火性能の指標である高温状態での鋼材の強度を推定する高温強度推定方法および高温強度推定装置に関する。

建築構造物に対しては、建築地域の防火区分や建設規模により、火災時には一定時間倒壊しないよう、構造躯体の耐火性能の確保が求められる。鉄骨構造物においては、その耐火性能を確保するために、例えば、柱や梁の表面にロックウールなどの耐火被覆材が施工される。また、立体駐車場などのように開口部が多い鉄骨構造物である場合には、特許文献１に記載されているように、雰囲気温度６００℃における１％歪時耐力（１％有効耐力）が常温降伏点の規格下限値の３分の２以上である強度が保障された耐火鋼が適用される。

鋼材が所定の耐火性能を確保できるかを検証する場合に重要な指標の一つとして、鋼材の高温状態での強度（高温強度）がある。この高温強度は、通常、ＪＩＳに規格されている高温引張試験により求められる。なお、非特許文献１では、引張強さ４９０Ｎ／ｍｍ^２級以下の建築構造用鋼材について、試験温度と１％歪時耐力との相関関係が統計的に検討されている。また、非特許文献２には、鋼材の設計基準強度Ｆ（Ｎ／ｍｍ^２）を用いて、雰囲気温度Ｔ℃における１％歪時耐力（以下、ＹＳ＠Ｔと表記する）を次式（１）により設計用強度を算出することができると記載されている。

特開平２−８５３３６号公報

日本建築学会「構造材料の耐火性ガイドブック」１２５〜１３０頁、２００９年３月日本建築センター「耐火性能検証法の解説及び計算例とその解説」１８８〜１８９頁、２００１年３月

しかしながら、非特許文献１，２に記載の技術の適用範囲は引張強さ４９０Ｎ／ｍｍ^２級以下の鋼材に限定され、熱加工制御が施されたＴＭＣＰ鋼については検討されていない。また、非特許文献２に記載された式（１）は、設計上の観点からより安全な評価を与えられるように配慮して規定されたものであって、実験結果との差異が大きい。

一方、鉄骨構造物の耐火設計を合理的かつ正確に行うためには、使用する鋼材の高温強度特性を正確に把握する必要がある。しかし、耐火鋼以外の建築構造用鋼材については、高温強度は保障されておらず製品検査証への記載もないため、使用者が個別に高温引張試験を行う必要がある。この高温引張試験を実施するには、専用の加熱炉付きの試験装置が必要であるため、この高温引張試験を実施できる試験機関は限られ、コストがかさむ。そのうえ、指定の温度での試験片の均熱に時間がかかるため、高温引張試験には長時間を要する。

また、冶金学的に鋼材の各成分元素が高温強度に及ぼす影響について検討されており、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ，Ｗなどの成分元素が鋼材の高温強度の向上に有効であることが知られている。しかしながら、とくにＴｉなどは、もし含有されていたとしても製品検査証に記載されない場合が多く、使用者が容易に入手できる情報とはいい難い。さらに、鋼材の製造時の仕上げ温度も高温強度に影響を及ぼすことが知られている。しかし、鋼材の製造時仕上げ温度も、製造者以外が把握することは困難な情報である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高温引張試験によらず、成分組成分析や製品検査表により容易に得られる情報に基づいて簡易に高温強度を推定できる高温強度推定方法および高温強度推定装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る高温強度推定方法は、建築構造用鋼材の高温強度を推定する高温強度推定方法であって、過去に高温引張試験および成分組成分析が実施された試験片についての高温強度の試験値と所定の成分元素の含有量と、対象製品についての所定の成分元素の含有量とを読み込む読込ステップと、前記読込ステップで読み込まれた情報に基づいて重回帰分析を行うことにより、該対象製品の高温強度の推定値を算出する高温強度推定ステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る高温強度推定方法は、上記発明において、前記読込ステップで読み込まれる試験片と対象製品との成分元素の含有量には、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，Ｃｒの含有量を含み、前記高温強度推定ステップで推定される高温強度は、雰囲気温度６００℃における１％歪時耐力であることを特徴とする。

また、本発明に係る高温強度推定方法は、上記発明において、前記高温強度推定ステップは、前記ＮｂおよびＭｏの含有量に代えて次式（２）により算出される［Ｎｂ］^＊と［Ｍｏ］^＊とのうちの少なくとも１つに基づいて重回帰分析を行うことを特徴とする。

ここで、ｕ＝ｍｉｎ（ｘ，ｙ）とは、ｘとｙのうちの小さい方の値をｕとすることを意味し、ｗ＝ｍａｘ（ｘ，ｙ）とは、ｘとｙのうちの大きい方の値をｗとすることを意味する。従って、上記式（２）の上段は、Ｎｂの含有量［Ｎｂ］と０．０２５のうちの小さい値を［Ｎｂ］^＊とする、ということを示している。また、上記式（２）の下段は、Ｃの含有量［Ｃ］からＮｂの含有量［Ｎｂ］を引いた値と０（ゼロ）のうちの大きい値を選択し、その選択した値を２倍した値とＭｏの含有量［Ｍｏ］とを比較し、小さい値を［Ｍｏ］^＊とする、ということを示している。さらに、各成分元素の含有量は、鋼材の全組成の合計を１００質量％とした場合に質量％で示される値である。

また、本発明に係る高温強度推定方法は、上記発明において、前記高温強度推定ステップは、次式（３）により高温強度を推定することを特徴とする。

また、本発明に係る高温強度推定装置は、建築構造用鋼材の高温強度を推定する高温強度推定装置であって、過去に高温引張試験および成分組成分析が実施された試験片についての高温強度の試験値と所定の成分元素の含有量と、対象製品についての所定の成分元素の含有量とを読み込む読込手段と、前記読込手段により読み込まれた情報に基づいて重回帰分析を行うことにより、該対象製品の高温強度の推定値を算出する高温強度推定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、高温引張試験によらず、成分組成分析や製品検査表により容易に得られる情報に基づいて簡易に高温強度を推定することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る高温強度推定装置の概略構成を示す模式図である。図２は、本実施の形態の高温強度推定処理手順を示すフローチャートである。図３は、本実施の形態の高温強度推定処理により推定された高温強度の推定値と高温引張試験結果の試験値との関係を例示した図である。図４は、本実施の形態の高温強度推定処理により推定された高温強度の推定値と高温引張試験結果の試験値との関係を例示した図である。図５は、本実施の形態の高温強度推定処理により推定された高温強度の推定値と高温引張試験結果の試験値との関係を例示した図である。図６は、本実施の形態の高温強度推定処理により推定された高温強度の推定値と高温引張試験結果の試験値との関係を例示した図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である高温強度推定装置および高温強度推定処理を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

まず、図１を参照して、本発明の一実施形態である高温強度推定装置の概略構成について説明する。図１に示すように、本発明の一実施形態である高温強度推定装置１は、ワークステーションやパーソナルコンピュータなどの情報処理装置によって構成され、電源スイッチおよび入力キーなどの入力デバイスである入力装置２と、表示装置や印刷装置などの出力装置３と、ＲＯＭやＲＡＭなどの各種メモリ、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体である記憶装置４とを備える。

記憶装置４には、過去に試験片に対して実施された高温引張試験と成分組成分析との結果のデータが格納されている。なお、高温引張試験は、ＪＩＳＧ０５６７「鉄鋼材料及び耐熱合金の高温引張試験方法」に従って実施された。高温引張試験の際、試験片にはこのＪＩＳ規格に規定されるＩＩ−１０形試験片を適用した。

高温強度推定装置１は、情報処理装置内部のＣＰＵなどの演算処理装置がメモリに記憶された制御プログラムを実行することによって、データ読込部１１、高温強度推定部１２として機能する。これら各部の機能については後述する。

次に、図２のフローチャートを参照して、高温強度推定装置１による高温強度推定処理手順について説明する。図２のフローチャートは、例えば、操作者により高温強度推定処理開始の指示入力があったタイミングで開始となり、高温強度推定処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、データ読込部１１が、各種データを読み込む。具体的には、データ読込部１１は、まず、記憶装置４から、試験片に対して実施された高温引張試験の結果の高温強度の試験値と成分組成分析の結果のデータとを抽出する。また、データ読込部１１は、高温強度推定処理の対象とする製品について、製品検査証（ミルシート）により把握される所定の成分元素の含有量のデータを読み込む。たとえば、操作者が対象製品について製品検査証から製品に含有される所定の成分元素の含有量のデータを読み取って、入力装置２を介してデータ読込部１１に入力する。ここでは、データ読込部１１は、試験片と対象製品との成分組成のうち、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，Ｃｒの含有量（以下、それぞれ、［Ｃ］，［Ｓｉ］，［Ｍｎ］，［Ｎｂ］，［Ｍｏ］，［Ｖ］，［Ｃｒ］と記載する。）のデータを読み込む。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、高温強度推定処理は、ステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、高温強度推定部１２が、ステップＳ１で読み込まれた情報に基づいて重回帰分析を行うことにより、高温強度としての雰囲気温度６００℃における１％歪時耐力（ＹＳ＠６００℃）を推定する。具体的には、高温強度推定部１２は、上記の情報を用いた重回帰分析により、高温強度（ＹＳ＠６００℃）と上記各成分元素の含有量との関係を示す重回帰モデルを作成し、作成された重回帰モデルに基づいて対象製品の高温強度（ＹＳ＠６００℃）の推定値を求める。

なお、上述の重回帰分析の際には、Ｎｂの含有量［Ｎｂ］に代えて次式（４）により算出される［Ｎｂ］^＊を適用し、および／または、Ｍｏの含有量［Ｍｏ］に代えて次式（５）により算出される［Ｍｏ］^＊を適用してもよい。その場合、このステップＳ２の処理として、ステップＳ１にて読み込んだＮｂの含有量［Ｎｂ］、Ｍｏの含有量［Ｍｏ］およびＣの含有量［Ｃ］を用いて［Ｎｂ］^＊および／または［Ｍｏ］^＊を算出した後、重回帰分析を行う。

ここで、Ｎｂは、０．０２５質量％以上含有されていてもＹＳ＠６００℃に及ぼす影響が小さいことが新たな知見として得られたため、式（４）において、０．０２５を上限とした。一方、Ｍｏは、単独で存在するＭｏよりも，Ｃと結合してＭｏ_２Ｃとして存在するＭｏがＹＳ＠６００℃に及ぼす影響が大きいことが新たな知見として得られている。このＭｏ_２Ｃとなり得るＣ量は、Ｃの含有量［Ｃ］からＮｂＣとなり得るＣ量を除いた残量であると仮定できるので、式（５）において、Ｃ含有量［Ｃ］からＮｂの含有量［Ｎｂ］を引いた値を用いた。以上により、ステップＳ２の処理は完了し、高温強度推定処理は、ステップＳ３の処理に進む。

なお、ｕ＝ｍｉｎ（ｘ，ｙ）とは、ｘとｙのうちの小さい方の値をｕとすることを意味し、ｗ＝ｍａｘ（ｘ，ｙ）とは、ｘとｙのうちの大きい方の値をｗとすることを意味する。従って、上記式（４）は、Ｎｂの含有量[Ｎｂ]と０．０２５のうちの小さい値を［Ｎｂ］^＊とする、ということを示している。また、上記式（５）は、Ｃの含有量［Ｃ］からＮｂの含有量［Ｎｂ］を引いた値と０（ゼロ）のうちの大きい値を選択し、その選択した値を２倍した値とＭｏの含有量［Ｍｏ］とを比較し、小さい値を［Ｍｏ］^＊とする、ということを示している。さらに、各成分元素の含有量は、鋼材の全組成の合計を１００質量％とした場合に質量％で示される値である。

ステップＳ３の処理では、高温強度推定部１２は、算出した高温強度の推定値を出力装置３としてのディスプレイなどに出力する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、一連の推定処理は終了する。

以上のように、本実施の形態によれば、成分組成分析や製品検査表により製造者以外にも容易に得られる情報を用いることによって、時間とコストとを要する高温引張試験によらずに、簡易に鋼材の高温強度を推定することができる。

なお、上記実施の形態では、６００℃における鋼材の強度を推定しているが、建築構造用鋼材の高温強度は、一般におよそ４００℃付近を基点として温度にほぼ反比例することが知られている（非特許文献１参照）。したがって、６００℃以外の高温での鋼材の強度についても、本発明により推定することができる。

上記実施の形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、仕様などに応じて種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは上記記載から自明である。

［実施例］
過去に実施した６３本の引張強さ４９０Ｎ／ｍｍ^２級〜７８０Ｎ／ｍｍ^２級の建築構造用鋼材についての高温引張試験結果と、各鋼材の製品検査証に記載されたＳｉ，Ｍｎ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，Ｃｒ，Ｃの含有量のデータとに基づいて重回帰分析を行って、次式（６）に示す重回帰モデルを作成した。また、作成された重回帰モデルに基づいて各鋼材の高温強度（ＹＳ＠６００℃）の推定値を算出した。

解析に使用した６３本の建築構造用鋼材について、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，Ｃｒ，Ｃ，Ｐ，Ｓの含有量の範囲を表１に示す。解析対象の鋼材は、これら成分元素の他に、各種性能を発揮する為の選択元素、不可避的不純物および残部Ｆｅからなる。そのため、これら成分元素の含有量は、全組成の合計を１００質量％とした場合に各鋼材に含まれる各成分元素の量を質量％にて示したものである。

図３は、上記式（６）について、上記式（４）により求められる［Ｎｂ］^＊の代わりに、製品検査証に記載されたＮｂの含有量［Ｎｂ］を適用して推定された高温強度（ＹＳ＠６００℃）の推定値と、高温引張試験結果の試験値との関係を例示した図である。図中の点線は、試験値／推定値＝１の一次直線であり、試験値と推定値が一致した場合を示している。図３に示すように、点線近傍にデータが集まっており推定値と試験値とはよく一致していることがわかる。

また、図４は、上記式（６）について、上記式（５）により求められる［Ｍｏ］^＊の代わりに、製品検査証に記載されたＭｏの含有量［Ｍｏ］を適用して推定された高温強度（ＹＳ＠６００℃）の推定値と、高温引張試験結果の試験値との関係を例示した図である。図中の点線は、試験値／推定値＝１の一次直線であり、試験値と推定値が一致した場合を示している。図４に示すように、点線付近にデータが集まっており推定値と試験値とはよく一致していることがわかる。

図５は、上記式（６）の重回帰モデルにより推定された高温強度（ＹＳ＠６００℃）の推定値と、高温引張試験結果の試験値との関係を例示した図である。図中の点線は、試験値／推定値＝１の一次直線であり、試験値と推定値が一致した場合を示している。図５に示すように、高温強度の推定値と試験値とは精度高く一致した。また、図３と図４の場合に比べると、点線からのばらつきが少ないことがわかった。すなわち、上記式（６）によれば、より精度高くＹＳ＠６００℃を推定できることがわかる。

なお、上記式（６）は、次式（７）の係数ｋ１〜ｋ６をすべて１．０としたものと言い換えることができる。

図６は、上記式（７）の係数ｋ１〜ｋ６をすべて０．９とした重回帰モデルにより推定された高温強度（ＹＳ＠６００℃）の推定値と高温引張試験結果の試験値との関係を例示した図である。図６に示すように、図５と同様に、高温強度の推定値と試験値とは精度高く一致した。すなわち、上記式（７）の係数ｋ１〜ｋ６をすべて０．９として、安全率を確保した設計を行った場合にも、上記式（７）の係数ｋ１〜ｋ６をすべて１．０とした上記式（６）によるＹＳ＠６００℃の推定と同様に、ＹＳ＠６００℃を精度高く推定できることがわかる。

Claims

建築構造用鋼材の高温強度を推定する高温強度推定方法であって、
過去に高温引張試験および成分組成分析が実施された試験片についての高温強度の試験値と所定の成分元素の含有量と、対象製品についての所定の成分元素の含有量とを読み込む読込ステップと、
前記読込ステップで読み込まれた情報に基づいて重回帰分析を行うことにより、該対象製品の高温強度の推定値を算出する高温強度推定ステップと、を含み、
前記読込ステップで読み込まれる試験片と対象製品との成分元素の含有量には、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，Ｃｒの含有量が含まれ、
前記高温強度推定ステップで推定される高温強度は、雰囲気温度６００℃における１％歪時耐力であり、
前記高温強度推定ステップは、前記ＮｂおよびＭｏの含有量に代えて、次式（１）により算出される［Ｎｂ］ ^＊と［Ｍｏ］ ^＊とのうちの少なくとも１つに基づいて重回帰分析を行うことを特徴とする高温強度推定方法。
前記高温強度推定ステップは、次式（２）により高温強度を推定することを特徴とする請求項１に記載の高温強度推定方法。
建築構造用鋼材の高温強度を推定する高温強度推定装置であって、
過去に高温引張試験および成分組成分析が実施された試験片についての高温強度の試験値と所定の成分元素の含有量と、対象製品についての所定の成分元素の含有量とを読み込む読込手段と、
前記読込手段により読み込まれた情報に基づいて重回帰分析を行うことにより、該対象製品の高温強度の推定値を算出する高温強度推定手段と、を備え、
前記読込手段によって読み込まれる試験片と対象製品との成分元素の含有量には、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，Ｃｒの含有量が含まれ、
前記高温強度推定手段によって推定される高温強度は、雰囲気温度６００℃における１％歪時耐力であり、
前記高温強度推定手段は、前記ＮｂおよびＭｏの含有量に代えて、次式（１）により算出される［Ｎｂ］ ^＊と［Ｍｏ］ ^＊とのうちの少なくとも１つに基づいて重回帰分析を行うことを特徴とする高温強度推定装置。