JP6409396B2 - Ｈ形鋼梁 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリートスラブを支えるＨ形鋼梁に関し、耐火被覆の範囲を改善することで火災時のたわみ量を低減したＨ形鋼梁に関する。

図１６に示すように、鋼材の強度と剛性は、高温になると急激に低下するため、建築物の構造部材に鋼材を使用する場合は、居住者や利用者等が避難する間に建築物が崩壊しないよう耐火性能を確保する必要がある。そのため、従来、図１７に示すように、構造部材として梁にＨ形鋼などを使用する場合は、Ｈ形鋼の外表面を耐火被覆材で被覆している。

Ｈ形鋼の外表面を被覆する耐火被覆材としては、一般には、単位面積あたりの材料費及び施工費が安価で断熱性能に優れた無機繊維からなるロックウールが用いられており、このロックウールをＨ形鋼の外表面に吹付けてセメント等で固める、湿式工法の吹付けロックウールによる耐火被覆が主流となっている。しかし、この吹付けロックウールには、風などが入ってこないように建物開口部を封鎖した高温環境下で、防塵マスクやゴーグル，長袖衣類等を着用しつつ施工を強いられることや、吹付け後に養生期間等が必要であるため工期が長期間に及ぶなどの問題がある。

また、巻付けロックウール、耐火塗料、耐火シートなど他の耐火被覆材は、単位面積あたりの材料費及び施工費が吹付けロックウールに比べて高いという問題がある。そのため、耐火被覆範囲の削減に対するニーズは非常に高いものがあった。

一方、Ｈ形鋼を構造部材である床梁として使用する場合の耐火認定試験における主な評価項目は、梁直上に設置される床のたわみ量であり、床下から火炎により加熱を行って、１時間、２時間等の所定時間、たわみ量が制限値を超えないことが要求される。そのため、積載荷重が大きい場合や大スパン条件下ではたわみ量が過大となり、制限値を超えて耐火認定を得られないケースがあった。そこで、本願の発明者らは、たわみ量を低減することができれば床梁として使用されるＨ形鋼の耐火性能を確実に向上できると考えた。

床下から火災加熱を受けるＨ形鋼梁にたわみが生じる要因は、２つ挙げられる。一つ目は、鋼材が高温で材料劣化し、Ｈ形鋼梁の耐力と剛性が低下することである。二つ目は、熱容量の大きい床スラブが接合される上フランジ温度が下フランジ温度よりも低くなり、梁せい方向に温度差が生じるため、加熱面側である下方に凸に変形することである。特に、加熱初期においては、温度差によるたわみ量が全体に占める割合が大きく、温度差を小さくすることでたわみ量を低減できると考えられる。さらにこの考えを進めると、上フランジ温度を下フランジ温度より高くできれば、Ｈ形鋼梁が加熱裏面側である上方に凸に変形してたわみ量をより低減できると考えられる。

また、特許文献１には、鉄骨構造体１を構成する鉄骨柱２１が両側に接合されるＨ形鉄骨梁１１の耐火被覆構造において、Ｈ形鉄骨梁１１は、略鉛直に向けられたウェブ１２の上下端に上部フランジ１３と下部フランジ１４がそれぞれ形成され、上部フランジ１３は、上記Ｈ形鉄骨梁１１の軸線方向に沿って耐火被覆材２が被覆されており、火災時における梁の伸び出し量を大幅に低減することにより柱の部材角を抑制して鉄骨構造体の層崩壊を防ぐＨ形鉄骨梁の耐火被覆構造が開示されている（特許文献１の特許請求の範囲の請求項１、明細書の段落００２４〜００３１、図面の図２等参照）。

しかし、特許文献１に記載されているＨ形鉄骨梁の耐火被覆構造は、火災時における梁の伸び出し量を大幅に低減することで柱の部材角を抑制することができるが、火災時において上部フランジと下部フランジとの間で温度勾配を大きくするため、その結果、Ｈ形鉄骨梁が下に凸となるように変形、即ち、撓んでしまい、床梁として所定時間耐火性能を発揮できないという問題があった。

そして、特許文献２には、Ｈ形鋼を耐火被覆する耐火被覆材１４において、Ｈ形鋼の断面内の温度上昇率に応じて耐火被覆材１４の被覆厚を調整し、各断面における温度分布を均一にすることで、Ｈ形鋼１０の撓みによる床２２等の区画部材の損傷を無くし、区画部材との取合いにおいて、隙間が生じないようにした鉄骨材の表面を耐火被覆する方法、及びＨ形鋼梁が開示されている（特許文献２の特許請求の範囲の請求項１、明細書の段落００７２〜００７６、図面の図３等参照）。

しかし、特許文献２に記載のＨ形鋼梁は、Ｈ形鋼の断面内の温度上昇率に応じて耐火被覆材１４の被覆厚を調整するものであり、耐火被覆材として一般的な吹付けロックウールでは、Ｈ鋼材の部位ごとに被覆厚を調整する作業が困難であるという問題があった。また、他の耐火被覆材でも、被覆厚を調整することで材料費は多少安くなるが、施工面積は変わらないため、施工工数を省略して施工費を削減することはできないという問題があった。そのうえ、Ｈ形鋼１０の撓みによる床２２等の区画部材の損傷を無くし、区画部材との取合いにおいて、隙間が生じることを無くすことはできても、熱膨張差を利用して火災時におけるＨ形鋼梁のたわみ量を積極的に低減することはできないという問題があった。

特開２００６−２８３４３１号公報 特開２００２−１７３９９５号公報

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、熱膨張差を利用して火災時におけるＨ形鋼梁のたわみ量を低減して、耐火性能を向上させるとともに、耐火被覆の材料費及び施工費を削減できるＨ形鋼梁を提供することにある。

第１発明に係るＨ形鋼梁は、上フランジと、下フランジと、ウェブとを備え、上方のコンクリートスラブを支えるＨ形鋼梁であって、前記下フランジのみ、又は前記下フランジ、及び前記ウェブの一部あるいは全部だけが耐火被覆材で被覆されており、前記上フランジは、支持スパン全長に亘り耐火被覆材で被覆されておらず、火災時において前記下フランジ及び前記ウェブに対する相対的な熱膨張差により上に凸となるように変形することを特徴とする。

第２発明に係るＨ形鋼梁は、第１発明に係るＨ形鋼梁において、前記下フランジとともに、前記ウェブが、前記ウェブの下端を起点として、前記ウェブの設計用せん断力を伝達可能な高さにおいて前記耐火被覆材で被覆されていることを特徴とする。

第３発明に係るＨ形鋼梁は、第１発明又は第２発明に係るＨ形鋼梁において、前記ウェブには、貫通孔が穿設され、前記ウェブの下端から前記貫通孔の下端付近まで前記耐火被覆材で被覆されていることを特徴とする。

第４発明に係るＨ形鋼梁は、第１発明〜第３発明の何れかに係るＨ形鋼梁において、前記下フランジを被覆する前記耐火被覆材の厚さは、耐火試験において加熱開始３０分後の下フランジ温度が上フランジ温度より１００℃以上低くなる厚さ以上であることを特徴とする。

第５発明に係るＨ形鋼梁は、第１発明〜第４発明の何れかに係るＨ形鋼梁において、前記下フランジを被覆する前記耐火被覆材の厚さは、耐火試験において加熱開始６０分後の下フランジの温度が上フランジの温度より１００℃以上低くなる厚さ以上であることを特徴とする。

第６発明に係るＨ形鋼梁は、第１発明〜第５発明の何れかに係るＨ形鋼梁において、前記下フランジを被覆する前記耐火被覆材の厚さは、１００ｍｍ以下であることを特徴とする。

第７発明に係るＨ形鋼梁は、第１発明〜第６発明の何れかに係るＨ形鋼梁において、前記耐火被覆材は、石膏ボードや巻付けロックウールなどの乾式耐火被覆材であるか、又は、耐火塗料や耐火シートなどの熱膨張式耐火被覆材であることを特徴とする。

第１発明〜第７発明によれば、下前記下フランジのみ、又は前記下フランジ、及び前記ウェブの一部あるいは全部だけが耐火被覆材で被覆されており、前記上フランジは、支持スパン全長に亘り耐火被覆材で被覆されておらず、火災時において前記下フランジ及び前記ウェブに対する相対的な熱膨張差により上に凸となるように変形するので、Ｈ形鋼梁のたわみ量を低減することができる。それに加え、第１発明〜第７発明によれば、コンクリートスラブを支えるＨ形鋼梁として、２時間耐火程度の耐火性能を発揮することができるとともに、耐火被覆材を被覆する範囲が、下フランジのみ、又は下フランジ、及びウェブの一部あるいは全部だけで前記上フランジは、支持スパン全長に亘り耐火被覆材で被覆されていないので、耐火被覆の材料費及び施工費を削減できる。特に、吹付けロックウールに比べて、単位面積あたりの材料費及び施工費が高い耐火塗料や耐火シートを耐火被覆材に使用した場合には、被覆範囲を限定することで材料費及び施工費を大幅に削減できる。このため、第１発明〜第７発明によれば、Ｈ形鋼梁の耐火性能に対する費用対効果を大きくすることができる。

特に、第２発明によれば、前記ウェブが、前記ウェブの下端を起点として、前記ウェブの設計用せん断力を伝達可能な高さにおいて前記耐火被覆材で被覆されているので、火災時においても、所定時間、Ｈ形鋼梁がせん断力を伝達することができる。このため、第２発明によれば、より一層Ｈ形鋼梁の耐火性能を向上させることができる。

特に、第３発明によれば、前記ウェブには、貫通孔が穿設され、前記ウェブの下端から前記貫通孔の下端付近まで前記耐火被覆材で被覆されているので、従来のように、耐火被覆で貫通孔の有効径が小さくなり、電気ケーブルや空調配管などが貫通孔を通らなくなるおそれがない。また、第３発明によれば、耐火被覆の範囲が明確であり、施工管理がし易いため、耐火性能の高いＨ形鋼梁を安定して提供することができる。

特に、第４発明によれば、前記下フランジを被覆する前記耐火被覆材の厚さは、耐火試験において加熱開始３０分後の下フランジ温度が上フランジ温度より１００℃以上低くなる厚さ以上であるで、火災時における上フランジと下フランジの熱膨張差を利用して、載荷重により発生した初期たわみの１／２までたわみ量を低減することができる。このため、Ｈ形鋼梁の耐火性能を向上させることができる。

特に、第５発明によれば、前記下フランジを被覆する前記耐火被覆材の厚さは、耐火試験において加熱開始６０分後の下フランジ温度が上フランジ温度より１００℃以上低くなる厚さ以上であるで、火災発生から６０分経過した時点でも、上フランジと下フランジの熱膨張差を利用してＨ形鋼梁のたわみ量を低減することができる。このため、Ｈ形鋼梁の耐火性能を向上させることができる。

特に、第６発明によれば、前記下フランジを被覆する前記耐火被覆材の厚さは、１００ｍｍ以下であるので、天井材の設置位置を変更することなく下フランジに耐火被覆材を被覆することができる。

特に、第７発明によれば、前記耐火被覆材は、石膏ボードや巻付けロックウールなどの乾式耐火被覆材であるか、又は、耐火塗料や耐火シートなどの熱膨張式耐火被覆材であるので、耐火被覆材が吹付けロックウールである場合などと違って、風などが入ってこないように建物開口部を封鎖したり、耐火被覆作業以外に従事する作業者の出入りを制限したりする必要がなく、作業時間及び作業期間を短縮して耐火被覆の施工費を削減することができる。

本発明の第１実施形態に係るＨ形鋼梁の一部を鉛直断面で示す斜視図である。 同上のＨ形鋼梁を示す鉛直断面図である。 本発明の第２実施形態に係るＨ形鋼梁の一部を鉛直断面で示す斜視図である。 同上のＨ形鋼梁を示す鉛直断面図である。 同上のＨ形鋼梁において耐火被覆範囲が異なる例を示す鉛直断面図である。 同上のＨ形鋼梁において耐火被覆範囲が異なる別の例を示す鉛直断面図である。 本発明の第３実施形態に係るＨ形鋼梁の一部を鉛直断面で示す斜視図である。 同上のＨ形鋼梁を示す鉛直断面図である。 Ｈ形鋼梁に貫通孔がある場合における従来の耐火被覆状況を示す鉛直断面図である。 熱伝導解析より得られる、加熱開始３０分時における断面内温度分布を示す断面内温度分布図である。 熱伝導解析より得られる、Ｈ形鋼全体を耐火被覆した場合と下フランジのみを耐火被覆した場合を対比させて上下フランジ温度差の履歴を表した折れ線グラフである。 熱応力解析に用いた解析モデルを示す模式図である。 Ｈ形鋼全体を耐火被覆した場合と下フランジのみを耐火被覆した場合のたわみ履歴解析結果を示す折れ線グラフである。 耐火被覆材厚さが上下フランジ温度差に与える影響を示す棒グラフである。 Ｈ形鋼梁と天井材との間隔を模式的に示す鉛直断面図である。 鋼材の１．０％歪時応力と温度の関係を示す折れ線グラフである。 従来のＨ形鋼梁に対する耐火被覆の概要を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

[第１実施形態]
先ず、図１、図２を用いて、本発明の一実施形態である第１実施形態に係るＨ形鋼梁について説明する。符号Ｈ１が、第１実施形態に係るＨ形鋼梁であり、このＨ形鋼梁Ｈ１は、圧延鋼材からなる所定寸法（例えば、梁せい４００ｍｍ×梁幅２００ｍｍ（Ｈ−４００×２００×８×１３））のＨ形鋼であり、上フランジ２、下フランジ３、ウェブ４を有している。なお、図中のＸ方向が、Ｈ形鋼梁Ｈ１の長手方向、Ｙ方向が、Ｈ形鋼梁Ｈ１の幅方向、Ｚ方向が、上下方向である。

また、このＨ形鋼梁Ｈ１には、上フランジ２の上方に、所定のスラブ厚（例えば、スラブ厚１００ｍｍ〜３００ｍｍ程度）を有するコンクリートスラブ５が接続されており、Ｈ形鋼梁Ｈ１は、このコンクリートスラブ５を支える構造部材である床梁として用いられている。このコンクリートスラブ５は、所定の設計基準強度となるようにセメント、細骨材、粗骨材、水、混和材、添加剤などを調合した後、床梁の上方に打設され硬化したスラブ状の部材である。

そして、このＨ形鋼梁Ｈ１は、図１、図２に示すように、下フランジ３のみが耐火被覆材６で被覆されている。この耐火被覆材６は、一般的な耐火被覆材で構わないが、本実施形態では、巻付けロックウール６０が採用されている。巻付けロックウール６０は、乾式耐火被覆材の一種であり、鉄鋼スラグや玄武岩などの無機物を高温で溶融させ、遠心力で吹き飛ばして繊維状にしたロックウールに、粉塵飛散防止のため不織布を貼り合わせて２層構造とした部材である。この巻付けロックウール６０は、端部付近に溶接ピン６１が設置され、この溶接ピン６１をＨ形鋼梁Ｈ１にスタッド溶接することによりＨ形鋼梁Ｈ１に止め付けられている。なお、耐火被覆材の厚さについては、後で詳述する。

勿論、耐火被覆材としては、他の乾式耐火被覆材である石膏ボード、ケイ酸カルシウム板、ＡＬＣ、セメント板等、無機系の板状材を採用することができる他、熱膨張式耐火被覆材である耐火塗料や耐火シートを採用することもできる。また、湿式耐火被覆材である吹付けロックウールを採用することも可能である。但し、乾式耐火被覆材（耐火シートを含む。以下同じ。）を採用した場合は、乾燥期間や養生期間が不要となるうえ作業スペースを占有することがなく、施工期間を短縮することができるため好ましい。また、湿式でも熱膨張式耐火被覆材である耐火塗料などを採用した場合は、吹付けロックウールと比べて、養生期間等が短いうえ作業スペースを占有することがなく、同様に施工期間を短縮することができるため好ましい。

以上説明した第１実施形態に係るＨ形鋼梁Ｈ１によれば、下フランジ３のみが耐火被覆材６で被覆されているので、火災時において耐火被覆材で被覆されていない上フランジ２の温度が下フランジ３の温度より高くなり、熱膨張差により上に凸となるように変形しようとすることで、Ｈ形鋼梁Ｈ１のたわみ量を低減することができる。

また、上フランジ２は、熱容量の大きなコンクリートスラブ５に接続しており、上フランジ２が耐火被覆材で被覆されていなくても、Ｈ形鋼梁Ｈ１とコンクリートスラブ５が、所定時間、固定荷重と積載荷重を支えることができるため、火災時であっても避難に要する２時間程度は、崩壊には至らないと考えられる。即ち、Ｈ形鋼梁Ｈ１によれば、コンクリートスラブを支えるＨ形鋼梁として、２時間耐火程度の耐火性能を発揮することができる。

そのうえ、Ｈ形鋼梁Ｈ１では、耐火被覆材６を被覆する範囲が、下フランジ３のみであるため、耐火被覆に掛かる材料費及び施工費を削減することができる。このため、Ｈ形鋼梁の耐火性能に対する費用対効果を大きくすることができる。また、吹付けロックウールに比べて単位面積あたりの材料費及び施工費が高い耐火被覆材を採用したとしても、被覆範囲が限定されているため採算が取れるので、施工期間が短く作業性の良い他の耐火被覆材を採用し易くなる。特に、吹付けロックウールに比べて、単位面積あたりの材料費及び施工費が高い、巻付けロックウールや耐火塗料又は耐火シートを耐火被覆材に使用した場合には、被覆範囲を限定することで材料費及び施工費を大幅に削減できる。

［第２実施形態］
次に、図３、図４を用いて、本発明の一実施形態である第２実施形態に係るＨ形鋼梁Ｈ２について説明する。第１実施形態に係るＨ形鋼梁Ｈ１と相違する点は、Ｈ形鋼の被覆範囲なので、その点について主に説明し、同一構成は、同一符号を付し、説明を省略する。

第２実施形態に係るＨ形鋼梁Ｈ２は、Ｈ１と同様のＨ形鋼であり、上フランジ２、下フランジ３、ウェブ４を有しており、上方のコンクリートスラブ５を支える床梁として用いられている。

このＨ形鋼梁Ｈ２は、図３、図４に示すように、下フランジ３及びウェブ４の一部が耐火被覆材６’で被覆されている。本実施形態に係る耐火被覆材６’も、巻付けロックウール６０が採用されているが、ウェブ４の一部も被覆されている点でＨ形鋼梁Ｈ１とは相違している。

Ｈ形鋼梁Ｈ２のウェブ４は、ウェブ４の下端を起点として、ウェブ４の設計用せん断力を伝達可能な高さにおいて、その両側面が耐火被覆材６’で被覆されている。図３、図４は、ウェブ４の設計用せん断力を伝達可能な高さが、梁せいの半分である場合を例示している。勿論、図５に示すように、設計用せん断力が小さい場合には梁せいの１／４においてウェブ４を被覆すれば良い場合もあり得るし、図６に示すように、設計用せん断力が大きい場合にはウェブ４の全部を被覆しなければならない場合もあり得る。

以上説明した第２実施形態に係るＨ形鋼梁Ｈ２によれば、下フランジ３とともに、ウェブ４が、ウェブ４の下端を起点として、ウェブ４の設計用せん断力を伝達可能な高さにおいて、その両側面が耐火被覆材６’で被覆されているので、火災時において熱膨張差を利用してＨ形鋼梁Ｈ２のたわみ量を低減できるうえ、火災時においても、曲げモーメント及びせん断力を伝達できるため、崩壊の危険性がより低くなり、耐火性能が向上する。

［第３実施形態］
次に、図７、図８を用いて、本発明の一実施形態である第３実施形態に係るＨ形鋼梁Ｈ３について説明する。第１実施形態に係るＨ形鋼梁Ｈ１と相違する点は、Ｈ形鋼に電気ケーブルや空調配管等を設置するための貫通孔が設けられる点と、Ｈ形鋼の被覆範囲なので、その点について主に説明し、同一構成は、同一符号を付し、説明を省略する。

第３実施形態に係るＨ形鋼梁Ｈ３は、Ｈ１と同様のＨ形鋼であり、上フランジ２、下フランジ３、ウェブを有しており、上方のコンクリートスラブ５を支える床梁として用いられている。しかし、ウェブが、前述のウェブ４に貫通孔４ａ”が穿設されたウェブ４”となっている点においてウェブ４と相違する。

そして、このＨ形鋼梁Ｈ３は、図７、図８に示すように、下フランジ３及びウェブ４”の一部が耐火被覆材６”で被覆されている。本実施形態に係る耐火被覆材６”も、巻付けロックウール６０が採用されているが、ウェブ４”の被覆されている範囲が、ウェブ４”の下端から貫通孔４ａ”の下端付近までである点で、Ｈ形鋼梁Ｈ１及びＨ形鋼梁Ｈ２とは相違している。なお、ウェブ４”の設計用せん断力を伝達可能な高さは、ウェブ４”の下端から貫通孔４ａ”の下端付近までの高さより低い。

一方、Ｈ形鋼梁のウェブに電気ケーブルや空調配管等を設置するための貫通孔が設けられる場合、従来は、図９に示すように、貫通孔の内周面部分にも所定の耐火被覆厚さを確保して耐火被覆する必要があるため、耐火被覆の施工効率が低下するだけでなく、有効径が小さくなり、電気ケーブルや空調配管等が貫通孔を通らなくなるという問題があった。

しかし、以上説明した第３実施形態に係るＨ形鋼梁Ｈ３によれば、ウェブ４”の被覆されている範囲が、ウェブ４”の下端から貫通孔４ａ”の下端付近までであるので、火災時において熱膨張差を利用してＨ形鋼梁Ｈ３のたわみ量を低減できるうえ、施工効率を損なわずに実際の孔径を大きくできるので、耐火被覆で貫通孔の有効径が小さくなり、電気ケーブルや空調配管などが貫通孔を通らなくなるおそれがない。そのうえＨ形鋼梁Ｈ３によれば、耐火被覆の範囲が明確であり、施工管理がし易いため、耐火性能の高いＨ形鋼梁を安定して提供することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。特に、Ｈ形鋼やコンクリートスラブの断面寸法や材質（配合）などは、前述又は図示した形態に限られず、適宜設定すれば良いことは云うまでもない。

［耐火被覆材を下フランジのみに設置した場合の効果の検証］
次に、図１０、図１１を用いて、耐火被覆材を下フランジのみに設置した場合の効果について検証する。本願の発明者らは、耐火被覆材を下フランジのみに設置した場合の効果について検証するために、Ｈ形鋼梁の耐火認定試験を対象とした熱伝導解析を実施した。

解析断面のＨ形鋼梁寸法は、耐火認定試験の標準断面であるＨ−４００×２００×８×１３とし、梁直上に設置されるコンクリート床の厚さは１００ｍｍとした。また、耐火被覆材として石膏ボードを下フランジのみに設置した。

解析における加熱条件は、ＩＳＯ８３４標準加熱曲線に準拠した２時間加熱とし、解析変数は、耐火被覆材の厚さと設置範囲の２つに設定した。なお、解析に使用した各材料の熱物性値は、鋼構造耐火設計指針に掲載の値を使用した。

図１０は、加熱開始３０分時における断面内温度分布を示す断面内温度分布図であり、（ａ）が、Ｈ形鋼全体を耐火被覆した場合、（ｂ）が、下フランジのみを耐火被覆した場合である。図１０に示すように、下フランジに耐火被覆材を設置することで、狙い通り下フランジ温度を低減できることが分かる。

また、図１１が、Ｈ形鋼全体を耐火被覆した場合と下フランジのみを耐火被覆した場合を対比させて上下フランジ温度差の履歴を表した折れ線グラフである。縦軸は、下フランジに対する上フランジの温度差であり、横軸は時間である。図１１に示すように、下フランジのみに耐火被覆材を設置すると、例えば、加熱開始３０分時において、上下フランジ温度差は−１５６℃から１３１℃に変化することが分かる。即ち、加熱開始３０分時において、Ｈ形鋼全体を耐火被覆した場合は、火炎に近い下フランジの方が１５６℃高いが、下フランジのみを耐火被覆した場合は、逆に上フランジの方が１３１℃高くなることを示している。

次に、このような検証結果に基づき、Ｈ形鋼梁の耐火認定試験を対象とした熱応力解析を実施し、たわみ履歴を比較した。解析対象のＨ形鋼寸法及び断面分割状況は前述の熱伝導解析と同様である。本解析では、Ｈ形鋼梁に緊結されたコンクリート床及び耐火被覆材は応力を負担しないと仮定し、Ｈ形鋼梁のみを図１２に示すように線材にモデル化した。梁部材の支持スパンは５４００ｍｍであり、支持スパンの３等分点に位置する２箇所に長期荷重相当の２１５ｋＮ、２１５ｋＮをそれぞれ載荷した状態で、部材要素温度が時間の経過とともに上昇する状況を模擬して解析した。解析に使用した鋼材の応力―歪関係は、前述の図１６に示す実勢値である。

図１３が、Ｈ形鋼全体を耐火被覆した場合と下フランジのみを耐火被覆した場合のたわみ履歴解析結果である。縦軸はスパン中央位置におけるたわみ量、横軸は時間である。図１３に示すように、下フランジのみを耐火被覆すると、加熱初期においてはたわみを１０ｍｍ程度低減できることが分かる。なお、本解析は、加熱開始後１５分までしか数値計算を行っていないが、図１１に示したように温度差が維持されていることから、加熱開始後６０分、１２０分でも上フランジと下フランジの温度差を利用してたわみ量を低減できると考えられる。また、数値計算を簡略化するため、コンクリート床は応力を負担しないと仮定して解析を行っているが、実際はコンクリート床も応力を負担するので、実際のたわみ量は解析値より小さくなると考えられる。

以上説明した熱伝導解析及び熱応力解析により、本発明のように、Ｈ形鋼梁において、下フランジのみを耐火被覆材で被覆することにより、上フランジと下フランジの熱膨張差を利用して、Ｈ形鋼梁のたわみ量を低減できることを確認した。また、直接解析は行っていないが、下フランジだけでなく、ウェブの一部あるいは全部を耐火被覆した場合も、上フランジに耐火被覆がなく下フランジに耐火被覆がある状態は変わらないため、同様に、Ｈ形鋼梁のたわみ量を低減できると考えられる。

［耐火被覆材厚さが上下フランジの温度差に与える影響］
次に、図１４を用いて、耐火被覆材厚さが上下フランジの温度差に与える影響について考察する。本願の発明者らは、耐火被覆材厚さが上下フランジの温度差に与える影響を考察するため、前述と同様の熱伝導解析を実施した。なお、耐火被覆材は、前解析と同様、石膏ボードとした。

図１４は、耐火被覆材厚さが上下フランジ温度差に与える影響を示す棒グラフであり、縦軸が上下フランジ温度差、横軸が耐火被覆材厚さである。また、（ａ）が加熱開始３０分後、（ｂ）が、加熱開始後６０分後の解析結果を示している。図中の破線は、載荷重により発生した初期たわみの１／２までたわみ量を低減するために必要な上下フランジ温度差の目安である１００℃を示している。これは、図１３において、載荷重により発生した初期たわみの１／２までたわみ量が小さくなる時刻を求めると加熱開始１０分後であり、図１１において、加熱開始１０分後の上限フランジ温度差を求めると１００℃程度であることによる。

図１４の（ａ）に示すように、耐火被覆材厚さを１２．５ｍｍ以上とすることで、加熱開始３０分時における上下フランジ温度差を１００℃以上とすることができる。また、図１４の（ｂ）に示すように、耐火被覆材厚さを２５．０ｍｍ以上とすることで、加熱開始６０分時における上下フランジ温度差を１００℃以上とすることができる。

即ち、耐火被覆材が石膏ボードである場合、厚さを１２．５ｍｍ以上とすることで、加熱開始３０分時において、上下フランジの熱膨張差を利用して、載荷重により発生した初期たわみの１／２までたわみ量を低減することができ、厚さを２５．０ｍｍ以上とすることで、加熱開始６０分時において、載荷重により発生した初期たわみの１／２までたわみ量を低減することができる。

要するに、耐火被覆材の種類に応じて、その厚さを耐火試験において加熱開始３０分後の下フランジ温度が上フランジ温度より１００℃以上低くなる厚さ以上とすることで、火災時において、上フランジと下フランジの熱膨張差を利用して載荷重により発生した初期たわみの１／２までたわみ量を低減することができ、Ｈ形鋼梁の耐火性能を向上させることができる。但し、上フランジの温度が、図１６に示すように、鋼材の１．０％歪時応力実勢値が常温時の２／３まで低下して長期荷重を支持できないおそれのある５００℃を超えないことが条件となる。

また、耐火被覆材の種類に応じて、その厚さを耐火試験において加熱開始６０分後の下フランジの温度が上フランジの温度より１００℃以上低くなる厚さ以上とすることで、火災時において、上フランジと下フランジの熱膨張差を利用して載荷重により発生した初期たわみの１／２までたわみ量を低減することができ、Ｈ形鋼梁の耐火性能を向上させることができる。

［耐火被覆材厚さの上限値］
次に、図１５を用いて、耐火被覆材厚さの上限値について考察する。図１５は、Ｈ形鋼梁と天井材との間隔を模式的に示す鉛直断面図である。図１５に示すように、事務所ビルなどを想定した場合、通常、Ｈ形鋼梁の下方には天井材が設置される。天井裏には電気ケーブルや空調配管等が設置されるため、天井材はＨ形鋼梁の下フランジと間隔をあけて設置され、この間隔の値としては、１００．０〜３５０．０ｍｍ程度である。即ち、従来の天井材設置位置を変更することなく下フランジに耐火被覆材を設置するために好ましい耐火被覆材の厚さは１００．０ｍｍ以下であると考えられる。

Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３ ：Ｈ形鋼梁
２ ：上フランジ
３ ：下フランジ
４，４” ：ウェブ
４ａ” ：貫通孔
５ ：コンクリートスラブ
６，６’，６” ：耐火被覆材
６０ ：巻付けロックウール
６１ ：溶接ピン

Claims (7)

1. 上フランジと、下フランジと、ウェブとを備え、上方のコンクリートスラブを支えるＨ形鋼梁であって、
   前記下フランジのみ、又は前記下フランジ、及び前記ウェブの一部あるいは全部だけが耐火被覆材で被覆されており、
   前記上フランジは、支持スパン全長に亘り耐火被覆材で被覆されておらず、火災時において前記下フランジ及び前記ウェブに対する相対的な熱膨張差により上に凸となるように変形すること
   を特徴とするＨ形鋼梁。
2. 前記下フランジとともに、前記ウェブが、前記ウェブの下端を起点として、前記ウェブの設計用せん断力を伝達可能な高さにおいて前記耐火被覆材で被覆されていること
   を特徴とする請求項１に記載のＨ形鋼梁。
3. 前記ウェブには、貫通孔が穿設され、前記ウェブの下端から前記貫通孔の下端付近まで前記耐火被覆材で被覆されていること
   を特徴とする請求項１又は２に記載のＨ形鋼梁。
4. 前記下フランジを被覆する前記耐火被覆材の厚さは、耐火試験において加熱開始３０分後の下フランジ温度が上フランジ温度より１００℃以上低くなる厚さ以上であること
   を特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のＨ形鋼梁。
5. 前記下フランジを被覆する前記耐火被覆材の厚さは、耐火試験において加熱開始６０分後の下フランジ温度が上フランジ温度より１００℃以上低くなる厚さ以上であること
   を特徴とする請求項１〜４に記載のＨ形鋼梁。
6. 前記下フランジを被覆する前記耐火被覆材の厚さは、１００ｍｍ以下であること
   を特徴とする請求項１〜５に記載のＨ形鋼梁。
7. 前記耐火被覆材は、石膏ボードや巻付けロックウールなどの乾式耐火被覆材であるか、又は、耐火塗料や耐火シートなどの熱膨張式耐火被覆材であること
   を特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のＨ形鋼梁。