JP6969984B2

JP6969984B2 - 鉄骨梁の耐火被覆構造

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Publication number: JP6969984B2
Application number: JP2017218894A
Authority: JP
Inventors: 武森田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2017-11-14
Filing date: 2017-11-14
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-11-14
Also published as: JP2019090212A

Description

本発明は、鉄骨梁の耐火被覆構造に関する。

鋼材は高温になると強度や剛性などの力学特性が低下することが知られている。鉄骨梁が火災などによって加熱されると、鋼材の力学特性が低下して耐力が低下し、荷重を支持できなくなる場合がある。このため、従来、火災加熱によって鉄骨梁が耐力低下し破壊することを防止するために、鉄骨梁に対して耐火被覆を施すようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−１２８８４４号公報

ここで、本願の発明者が鉄骨梁に対して耐火試験を実施した結果、積載荷重等によって鉄骨梁に曲げモーメントが作用した場合に引張応力負担の要となる下フランジ温度が鋼材断面の他の部分に比較して高くなることが明らかとなった。このため、これを考慮した耐火被覆構造、設計方法の確立が急務とされている。

本発明は、上記事情に鑑み、積載荷重等によって鉄骨梁に曲げモーメントが作用した場合に引張応力負担の要となる下フランジ温度が鋼材断面の他の部分に比較して高くなる状況に好適に対応可能な鉄骨梁の耐火被覆構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の鉄骨梁の耐火被覆構造は、上フランジと下フランジとウェブとを備える鉄骨梁の箱張り形式の耐火被覆構造であって、下フランジの耐火被覆の厚さを側面部の耐火被覆の厚さよりも厚くして構成され、且つ、側面部の耐火被覆厚さｔ_ｐ及び下フランジの耐火被覆厚さαｔ_ｐを設定し、鉄骨梁の最小断面と最大断面及びその中間的な断面の３種類の断面を決定し、決定した３種類の断面の鉄骨梁に関して、目標耐火時間あるいは鋼材温度が７００℃程度になる時間の加熱を受けた場合の鋼材最高温度を加熱試験、載荷加熱実験または伝熱解析によって把握し、被覆厚さ同等の場合の被覆厚さに対する下フランジ被覆増し厚の場合の等価被覆厚さの割合に応じて加熱周長が小さくなると仮定して修正加熱周長を求め、該修正加熱周長を用いて修正断面形状係数を求めるとともに、修正断面形状係数と鋼材最高温度の関係式を求め、許容鋼材最高温度を定めて修正断面形状係数と鋼材最高温度の関係式から、設置した耐火被覆を適用可能な鉄骨の修正断面形状係数を決定して、目標耐火時間に対する耐火被覆厚さｔ_ｐ、αｔ_ｐが修正断面形状係数に応じて設定されていることを特徴とする。

本発明の鉄骨梁の耐火被覆構造においては、積載荷重等によって鉄骨梁に曲げモーメントが作用した場合に引張応力負担の要となる下フランジ温度が鋼材断面の他の部分に比較して高くなる状況に好適に対応することができ、信頼性の高い耐火被覆構造を実現することが可能になる。

（ａ）が従来の鉄骨梁の耐火被覆構造、（ｂ）が本発明の一実施形態に係る鉄骨梁の耐火被覆構造を示す図である。断面形状係数の定義を示す図である。鉄骨梁の鋼材温度に関する伝熱計算の結果を示す図である。修正断面形状係数と鋼材最高温度の関係を示す図である。

以下、図１から図４を参照し、本発明の一実施形態に係る鉄骨梁の耐火被覆構造について説明する。

はじめに、本実施形態に係る鉄骨梁１は、図１に示すように、上フランジ１ａと下フランジ１ｂとウェブ１ｃとを備えて形成されている。

本実施形態の鉄骨梁の耐火被覆構造Ａは、火災加熱を受ける鉄骨梁１の高温時の耐力低下を抑制するために、下フランジ１ｂの温度上昇を抑制することに着目したものであり、図１に示すように、従来の箱張り形式の耐火被覆構造Ｂに対し、下フランジ１ｂの耐火被覆２の厚さを側面部の耐火被覆２の厚さよりも厚くし、下フランジ１ｂの温度上昇を抑制するように構成されている。

ここで、従来、箱張り工法によって耐火被覆を施された鉄骨梁の耐火性能（温度上昇特性）の評価方法の一つとして、図２に示す断面形状係数を用いて評価する方法がある。

断面形状係数は、加熱周長を鋼材断面積で除した値であり、被覆厚さが均一な箱張り形式の場合、次の式（１）で求められる。式（１）において、Ｈ_ｐは加熱周長、Ａは鋼材断面積、ｈは梁成、ｂは梁幅である。

鋼材断面積Ａは、実際の断面積が既知の場合はその値を用いる。フランジとウェブの接続部の入隅のコーナー部にはアール（円弧状の丸み）が付けられているが、これを考慮しないで保守的な評価をする場合には次の式（２）で求めればよい。なお、ｔ_ｆはフランジ厚さ、ｔ_ｗはウェブ厚さである。

一方、本実施形態の鉄骨梁の耐火被覆構造のように下フランジの耐火被覆の厚さを側面部の耐火被覆の厚さよりも厚くする場合には、上記の式（１）を用いて評価することができない。

このため、本実施形態の鉄骨梁の耐火被覆構造に対しては、以下に示すように修正断面係数を求めることとし、これを耐火被覆の厚さの設定に用いることとした。

［修正断面形状係数の導出］
被覆厚さ均一の場合（側面部の被覆厚さと下フランジの被覆厚さが同じ場合（図１の左図））の断面形状係数（Ｈ_ｐ／Ａ）は、次の式（３）、式（４）によって求まる。ここに、Ｈ_ｐは加熱周長、Ａは鋼材断面積、Ｈは梁成、ｂは梁幅である。

耐火被覆の体積（隅角部の体積は無視する）は、被覆厚さ均一の場合、次の式（５）を用いて求め、下フランジ被覆増し厚の場合（下フランジの被覆厚さを側面部のα倍とした場合（図１の右図））には、次の式（６）を用いて求める。ｔ_ｐは耐火被覆の厚さ、αは側面部の耐火被覆の厚さに対する下フランジの耐火被覆の厚さの比率である。

加熱周長を２ｈ＋ｂとした時の等価被覆厚さは、被覆厚さ均一の場合、次の式（７）を用い、下フランジ被覆増し厚の場合には、次の式（８）を用いて求めることができる。ｔ_ｐ’は等価被覆厚さである。

そして、本実施形態では、「被覆厚さ同等の場合」の被覆厚さに対する「下フランジ被覆増し厚の場合」の等価被覆厚さの割合に応じて加熱周長が小さくなると仮定して、加熱周長を式（９）のように修正する。ここに、Ｈ_ｐ’は修正加熱周長である。

これにより、修正断面形状係数は、次の式（１０）となる。

そして、下フランジの耐火被覆の厚さを増し厚した耐火被覆を設定する場合の手順は次の通りとする。

手順１）：箱張り工法における側面部の被覆厚さと下フランジの被覆厚さを設定（決定）
図１右図の側面部の耐火被覆厚さｔ_ｐおよび下フランジの耐火被覆厚さαｔ_ｐを設定（決定）する。

手順２）：３水準の鉄骨梁断面に関する鋼材温度の把握
下フランジ被覆増し厚工法を用いる鉄骨梁の最小断面と最大断面およびその中間的な断面の３種類の断面を、互いの断面形状係数が１０ｍ^−１程度異なるように決定する。決定した３種類の断面の鉄骨梁に関して、目標耐火時間あるいは鋼材温度が７００℃程度になる時間の加熱を受けた場合の鋼材最高温度を加熱試験、載荷加熱実験または伝熱解析によって把握する。

手順３）：修正断面形状係数と鋼材最高温度の関係を把握する。
式（３）と式（４）を用いて算定した修正断面形状係数と鋼材最高温度をグラフにプロットして、回帰式を導く。

手順４）：手順１）で定めた耐火被覆を適用できる鋼材の修正断面形状係数を決定する。
許容鋼材最高温度を定め、手順３）で求めた修正断面形状係数−鋼材最高温度関係から、手順１）で定めた耐火被覆を適用できる鋼材の修正断面形状係数を決定する。

手順５）：必要に応じて、手順１）〜手順４）を繰り返し、目標耐火時間−耐火被覆厚さ−修正断面形状係数の関係を得る。

図１右図のαを一定として、ｔ_ｐの水準を２以上設定し、手順１）〜手順４）を繰り返し実施することによって、目標耐火時間に対する耐火被覆厚さを修正断面形状係数に応じて決定する。

ここで、より具体的に、上記の手順１）〜手順５）の適用例について説明する。

手順１）：箱張り工法における側面部の被覆厚さと下フランジの被覆厚さを決定
ここでは、耐火被覆材料として耐熱ロックウールブランケットを使用し、側面部の耐火被覆の厚さを４０ｍｍ、下フランジの耐火被覆の厚さを２×４０ｍｍとした。

手順２）：３水準の鉄骨梁断面に関する鋼材温度の把握
鉄骨梁の断面を次の３水準とする。
Ｈ−５８８×２００×１２×２２（断面形状係数Ｈ_ｐ／Ａ＝８９．８ｍ^−１）
Ｈ−４００×２００×１２×２２（断面形状係数Ｈ_ｐ／Ａ＝７６．５ｍ^−１）
Ｈ−４００×２５０×１２×２２（断面形状係数Ｈ_ｐ／Ａ＝６８．８ｍ^−１）
また、目標耐火時間を１８０分として伝熱計算を実施し、図３に示す温度−時間関係と表１に示す鋼材最高温度を得た。

手順３）：修正断面形状係数と鋼材最高温度の関係を把握する。
鉄骨梁の修正断面形状係数の算定結果は次のとおりである。
Ｈ−５８８×２００×１２×２２（断面形状係数Ｈ_ｐ’／Ａ＝７８．４ｍ^−１）
Ｈ−４００×２００×１２×２２（断面形状係数Ｈ_ｐ’／Ａ＝６３．７ｍ^−１）
Ｈ−４００×２５０×１２×２２（断面形状係数Ｈ_ｐ’／Ａ＝５５．５ｍ^−１）
修正断面係数と鋼材最高温度をグラフにプロットして、回帰式を導いた結果を図４に示す。

手順４）：手順１）で定めた耐火被覆を適用できる鋼材の修正断面形状係数を決定する。
ここでは、許容鋼材最高温度を５２０℃とする。上フランジ，ウェブおよび下フランジの中で鋼材最高温度が高いのは下フランジであることから、下フランジが５２０℃以下となる修正断面形状係数を求めると、５９．１９ｍ^−１以下となる。
なお、修正断面形状係数が５９．１９ｍ^−１以下となる鋼材としては、例えば、Ｈ−１０００×３００×１９×２８などがある。

これにより、火災加熱を受ける鉄骨梁で温度がもっとも上昇しやすい部位である下フランジの温度上昇を抑制できるとともに、修正断面形状係数を用いることによって最適な耐火被覆厚さを設計することが可能になる。

したがって、本実施形態の鉄骨梁の耐火被覆構造においては、火災加熱を受ける鉄骨梁で温度がもっとも上昇しやすい部位である下フランジの温度上昇を抑制できるとともに、修正断面形状係数を用いることによって最適な耐火被覆厚さを設定することが可能になる。

すなわち、本実施形態の鉄骨梁の耐火被覆構造によれば、積載荷重等によって鉄骨梁に曲げモーメントが作用した場合に引張応力負担の要となる下フランジ温度が鋼材断面の他の部分に比較して高くなる状況に好適に対応することができ、信頼性の高い耐火被覆構造を実現することが可能になる。

以上、本発明に係る鉄骨梁の耐火被覆構造の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１鉄骨梁
１ａ上フランジ
１ｂ下フランジ
１ｃウェブ
２耐火被覆
Ａ鉄骨梁の耐火被覆構造
Ｂ従来の鉄骨梁の耐火被覆構造

Claims

上フランジと下フランジとウェブとを備える鉄骨梁の箱張り形式の耐火被覆構造であって、
下フランジの耐火被覆の厚さを側面部の耐火被覆の厚さよりも厚くして構成され、
且つ、側面部の耐火被覆厚さｔ_ｐ及び下フランジの耐火被覆厚さαｔ_ｐを設定し、
鉄骨梁の最小断面と最大断面及びその中間的な断面の３種類の断面を決定し、決定した３種類の断面の鉄骨梁に関して、目標耐火時間あるいは鋼材温度が７００℃程度になる時間の加熱を受けた場合の鋼材最高温度を加熱試験、載荷加熱実験または伝熱解析によって把握し、
被覆厚さ同等の場合の被覆厚さに対する下フランジ被覆増し厚の場合の等価被覆厚さの割合に応じて加熱周長が小さくなると仮定して修正加熱周長を求め、該修正加熱周長を用いて修正断面形状係数を求めるとともに、修正断面形状係数と鋼材最高温度の関係式を求め、
許容鋼材最高温度を定めて修正断面形状係数と鋼材最高温度の関係式から、設置した耐火被覆を適用可能な鉄骨の修正断面形状係数を決定して、
目標耐火時間に対する耐火被覆厚さｔ_ｐ、αｔ_ｐが修正断面形状係数に応じて設定されていることを特徴とする鉄骨梁の耐火被覆構造。