JP7380737B2

JP7380737B2 - 構造体の耐火被覆構造

Info

Publication number: JP7380737B2
Application number: JP2022055137A
Authority: JP
Inventors: 義仁坂本
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2039-02-08
Also published as: JP7088060B2; JP2020128636A; JP2022091908A

Description

本発明は、建築構造物を構成する柱または梁等の構造体の耐火被覆構造に関し、特に発泡性の耐火塗料を用いた構造体の耐火被覆構造に関する。

耐火塗料は、１～３ミリ程度の塗膜厚さが、高温時（火災時）に３０倍程度に発泡して断熱層を形成し、耐火被覆となるものであり、そのデザイン性から、アトリウムや大空間建築等で使用実績が増加している。
発泡する前の塗膜の熱抵抗は通常の塗料と変わらないが、薄膜のため空間を広く利用できる、素材の形状を生かすことができる、上塗により意匠、色彩、耐候性を選択できる、塗装のため、継ぎ目がなく、地震時等の剥離、脱落の危険がない、などの多くのメリットがある。

耐火塗料は、一般に鉄骨造の構造部材の表面に施工するが、特許文献１に示すように、耐火塗料を表面に塗装した建材を施工する方法も考案されている。
また、特許文献２に示すように、木質の薄板と発泡耐火材による積層構造も提案されている。

特開平８－１０４９６８号公報特開２０１３－１４２２４６号公報

「耐火塗料の性能評価（その１）既往の文献調査」日本建築学会大会学術講演梗概集（中国）2008年9月

耐火塗料は多くのメリットがある一方で、耐久性上の観点から、上塗り（保護層）を必要とし、また、膜厚管理に手間がかかることが知られている。
特許文献１によれば、塗膜の耐久性が向上しているが、硬いものがぶつかるなどして剥がれる危険は存在している。また、特許文献２によれば、表面は木質材であるため、塗膜は保護されているが、加熱時の発泡を阻害しないように、表面材の厚さの制約や、切込みを入れるなど対処が必要になっている。

また、耐火試験による検証では、鉄骨の板厚（熱容量）によって、耐火塗料は発泡膜厚、発泡速度が異なり、早期に高温化して発泡倍率が大きくなると、鋼材への付着性が低下し、加熱中に脱落したり、亀裂が発生して予測した性能が得られない場合があるとの報告がある。（例えば、非特許文献１）。
また、発泡後、表面が高温のガス流に曝露され続けるため、発泡層が損耗して熱コンダクタンスが上昇することも知られている。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、上塗り工程を必要とせず、発泡層が脱落することなく長時間耐火性能を維持できる構造体の耐火被覆構造を提供することを目的としている。

（１）本発明に係る構造体の耐火被覆構造は、耐火被覆の対象となる構造体の周囲に、前記構造体に対向する面に発泡性の耐火塗料からなる塗膜層が形成された板状体からなる仕上げ材を、前記構造体の表面から前記塗膜層の発泡厚さ以下の空間を設けて配置し、前記仕上げ材が加熱されて前記塗膜層が発泡して発泡層となった際に該発泡層が前記仕上げ材と前記構造体の表面によって挟持されるようにしたことを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記塗膜層と前記構造体表面との間の空間に網状体を配設したことを特徴とするものである。

（３）また、本発明に係る構造体の耐火被覆構造は、耐火被覆の対象となる構造体の周囲に、前記構造体に対向する面に発泡性の耐火塗料からなる塗膜層が形成された板状体からなる仕上げ材を、前記構造体の表面から前記塗膜層の発泡厚さ超えの空間を設けて配置すると共に、前記塗膜層と前記構造体表面との間の空間に前記塗膜層に非接触で、かつ前記塗膜層の発泡厚さ以下の位置に網状体を配設し、
前記仕上げ材が加熱されて前記塗膜層が発泡して発泡層となった際に該発泡層が前記仕上げ材と前記網状体によって挟持され、発泡層と前記構造体との間に空気層が形成されるようにしたことを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記仕上げ材を鋼板、または鋼板と有機質材または無機質材との積層構造とし、前記塗膜層を鋼板に形成したことを特徴とするものである。

（５）また、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のものにおいて、前記構造体は、床スラブを支持する梁であり、前記仕上げ材は前記床スラブに固定され、前記梁との固定部を有していないことを特徴とするものである。

本発明に係る構造体の耐火被覆構造は、耐火被覆の対象となる構造体の周囲に、前記構造体に対向する面に発泡性の耐火塗料からなる塗膜層が形成された板状体からなる仕上げ材を、前記構造体の表面から前記塗膜層の発泡厚さ以下の空間を設けて配置し、前記仕上げ材が加熱されて前記塗膜層が発泡して発泡層となった際に該発泡層が前記仕上げ材と前記構造体の表面によって挟持されるようにしたことにより、塗膜層が構造体に対向する面に形成され、表面に露出することがなく外部損傷から保護されており、上塗りの必要がなく、また、火災時において、仕上げ材表面から加熱され、空間内で塗膜層が発泡して発泡層を形成し、この発泡層が構造体と仕上げ材とで挟持されて耐火構造体として機能する。このように、発泡層は、構造体と仕上げ材とで挟持されるので、脱落することはなく長時間耐火性能を維持できる。

実施の形態１に係る構造体の耐火被覆構造の説明図であり、発泡前の状態を示す平断面図である。図１に使用される仕上げ材の斜視図である。図１に示した構造体の耐火被覆構造の発泡後の状態を示す平断面図である。実施の形態２に係る構造体の耐火被覆構造の説明図であり、発泡後の状態を示す平断面図である。実施の形態３に係る構造体の耐火被覆構造の説明図であり、発泡前の状態を示す平断面図である。図５に示した構造体の耐火被覆構造の発泡後の状態を示す平断面図である。実施の形態４に係る構造体の耐火被覆構造の説明図であり、発泡前の状態を示す断面図である。実施の形態４に係る構造体の耐火被覆構造の他の態様の説明図であり、発泡前の状態を示す断面図である（その１）。実施の形態４に係る構造体の耐火被覆構造の他の態様の説明図であり、発泡前の状態を示す断面図である（その２）。

［実施の形態１］
本実施の形態に係る構造体の耐火被覆構造１は、図１に示すように、耐火被覆の対象となる鋼管柱３の周囲に、鋼管柱３に対向する面に発泡性の耐火塗料からなる塗膜層５が形成された板状体７からなる仕上げ材９を、鋼管柱３の表面から塗膜層５の発泡厚さ以下の空間Ｓを設けて配置して構成され、図３に示すように、仕上げ材９が加熱されて塗膜層５が発泡して発泡層１３となった際に発泡層１３が仕上げ材９と鋼管柱３の表面によって挟持されるようにしたことを特徴とするものである。
以下、各構成を詳細に説明する。

＜鋼管柱＞
鋼管柱３は、本発明の構造体に相当するものであり、外径寸法３００ミリ、板厚９ミリの角形鋼管である。
なお、本発明の構造体は、鋼管柱３のような鉄骨造以外の木造でも適用可能であり、また柱の他に梁、床など建築物の種々の構造物が含まれる。

＜仕上げ材＞
仕上げ材９は、鋼管柱３に対向する面に発泡性の耐火塗料からなる塗膜層５が形成された板状体７からなるものである。
本実施の形態の板状体７を構成する材料は、板厚１．６ミリの亜鉛アルミ合金めっき鋼板製であり、幅４５０ミリの原板を長辺４００ミリ、短辺５０ミリとして、図２に示すように、Ｌ型に加工したものである。

板状体７における鋼管柱３に対向する面側（内面側）には予め発泡性の耐火塗料が施工されている。耐火塗料は発泡性のもので、温度２５０℃でおよそ２０倍に発泡するものを選択し、厚さ３ミリの塗膜層５をＬ型の折り曲げ内面側に形成している。そして、これらを４枚組み合わせて、例えばビス止め、嵌合、接着（図示せず）により相互を固定して自立可能な箱形を形成している。なお、仕上げ材９の成形加工は、耐火塗料の施工前後のどちらでも構わない。

耐火塗料の塗膜層５は、板状体７に刷毛、ローラー、スプレーなど、任意の手段で施工できるが、本実施の形態では予めフィルム状に形成し、金属板にラミネート加工を行っている。フィルム状の耐火塗料と金属板とは、熱硬化性接着剤又は熱融着性接着剤で接着しているが、当該加熱温度は２００℃未満である。フィルム状の耐火塗料は、片面不織布張りとしており、発泡層１３を形成する段階では焼失する。
塗膜厚さは、耐火塗料の仕様および要求耐火時間によって任意に決定することができる。
塗膜層５は、図２（ａ）に示すように長辺側に形成されていればよいが、図２（ｂ）に示すように、短辺側にも形成すれば隙間充てんがなされ、耐火構造上より好ましい。

通常、耐火塗料は構造体に塗布されるが、本実施の形態では板状体７の表面に塗布していることで、以下のような効果が得られている。
構造体に耐火塗料を塗布した場合、発泡層１３が形成される時点での構造材表面温度は構造体のサイズによって熱容量が異なるが２００～３００℃を超えている可能性が高い。しかし、耐火塗料を板状体７に塗布した場合、板状体７は、熱伝導率が大きく、熱容量も小さいため、火災時には直ちに温度上昇し、面内の熱分布も小さくなっている。そのため、構造体の温度が低い状態で発泡層１３をほぼ均一な条件で形成することができ、耐火時間を長くする、すなわち、耐火性能を高めることができる。

板状体７を構成する材料は、亜鉛アルミ合金めっき鋼板製に限定しないが、熱伝導率の大きな金属板（鋼板、アルミ等）が好適であり、それにより、面内温度分布が緩和され、発泡の均一化がはかられ、安定した耐火性能を確保できる。
板状体７を単層とする場合には、金属板の他、石膏ボード、けい酸カルシウム板、押出成形セメント板、コンクリートパネルなど、無機系の材料が好適である。

厚さ２０ミリのけい酸カルシウム板を用いた場合、鋼管柱３との空間Ｓを１００ミリとしたとき、加熱１２０分時の空間Ｓ内の温度は、６５０℃を超え、鋼材温度も崩壊温度を超えてしまうが、内面に塗膜層５を形成することにより、５００℃以下に抑制できる。
一般に、無機材料は、高温に加熱されると大きく収縮変形を生ずるため、目地が開く問題があり、裏面側にバックアップ材を配して、目地が開いても貫通しないようにするなど、種々対策が施されるが、本実施形態では、突き付け目地のまま対策を行わなくても、発泡層１３により閉塞されるため対策は不要である。すなわち、耐火上の弱点となる目地部においては、単純な突き付け目地としても発泡層１３が形成され隙間が充てんされるため、耐火目地処理が不要となり、施工の簡略化が期待できる。

また、板状体７は、単層に限定されず、金属板の表面に耐火塗料を施工しても、別途、化粧材を施工してもよく、これらは、耐火性のある材料に限らず、可燃性の材料でも一定の耐火性能向上に資する効果がある。特に、石膏ボード、けい酸カルシウム板などは極めて好適であり、板状体７の剛性向上と、耐火性能向上がなされる。
なお、板状体７を複層とするときは、内面すなわち塗膜層５が形成される面を金属板にすると、面内温度分布を緩和する効果があるので望ましい。

板状体７の板厚や補強の有無などは強度設計により決定するが、板厚に関しては０．５ミリから３．２ミリ程度が最も用いられる。
また、仕上げ材９の形状は、略Ｌ型あるいはコ型の２分割としても、平板４枚で構成してもよい。必要に応じて、各角部および平板部の幅方向の中間部に、上下方向に延伸する下地材を配置してもよい。

＜構造体と仕上げ材の配置＞
仕上げ材９は、塗膜層５側を鋼管柱３に対向させ、その表面から塗膜層５の発泡厚さ以下の空間Ｓを設けて配置されている。本実施の形態では、仕上げ材９と鋼管柱３は５０ミリの空間Ｓを保持して配置されている。空間Ｓは、発泡後の厚さ以下として、鋼管柱３と仕上げ材９とで挟持できるようにすれば任意に定めることができるが、使用する鋼材の高温時の強度低下を考慮して、要求耐火時間の加熱における鋼材温度の上限を設定し、設定した鋼材温度の上限を超えないように、断熱性能を確保できる寸法を設定する。仕上げ材９を鋼管柱３と離隔して配置するのに際し、下地材を対象となる構造体と独立させても、支持部材を介して連結させてもよい。
この段階では、耐火性はないが、耐火塗料が仕上げ材９の裏面（内面）に施工されているので、外部損傷のおそれはなく、上塗材も不要である。

上記のように構成された本実施の形態における、加熱時の作用について、耐火試験時の挙動に基づいて説明する。
炉内温度の上昇により、仕上げ材９が昇温され、２５０℃に到達した段階で塗膜層５が発泡し、発泡層１３を形成する。ＩＳＯ８３４標準加熱温度によれば、炉内温度は、加熱開始から１分後に３５０℃程度になるため、数分以内に発泡が始まり、発泡倍率は２０倍のため、最終的には、図３に示すように、空間Ｓは完全に発泡層１３で充てんされ、鋼管柱３と仕上げ材９とで挟持されて耐火構造体として機能する。

鋼管柱３は、塗膜層５から鋼管柱３への輻射熱伝達と空間Ｓ内の対流熱伝達により加熱されるが、仕上げ材９の温度が２５０℃程度で塗膜が発泡して断熱的に作用するため、その段階での鋼管柱３の温度は２５０℃よりもはるかに低いことは明白であり、対流熱伝達がなくなり、さらに、高温ガス流による発泡層１３の損耗もないため、その後の昇温速度は、柱に耐火塗料を塗布する従来技術よりも緩やかである。

以上のように、本実施の形態の構造体の耐火被覆構造１によれば、仕上げ材９の表面から加熱されることによって、空間Ｓ内で発泡層１３を形成し、この発泡層１３が構造体と仕上げ材９とで挟持されて耐火構造体として機能する。このとき、発泡層１３は、構造体と仕上げ材９とで挟持するようにしたので脱落することはない。

［実施の形態２］
本実施の形態に係る構造体の耐火被覆構造１５を、図４に基づいて説明する。図４において、図１～３と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。図４は、実施の形態１における図３と同様に、塗膜層５が発泡して発泡層１３を形成した状態を示している。
本実施の形態の構造体の耐火被覆構造１５は、実施の形態１に示したものに、仕上げ材９と鋼管柱３との間の空間Ｓに、鋼管柱３の外周を囲むように、メタルラスによる網状体１７を配設したものである。

本実施の形態においては、塗膜層５は仕上げ材９側からの加熱によって発泡層１３を形成する過程において、網状体１７を内包して成長し、保持されるため、発泡層１３がより強固に保持されて脱落することはない。
網状体１７は、金網、ラスが好適だが、不燃性のメッシュ、ガラス繊維シート、あるいはフェノール樹脂のように炭化層を形成する耐熱樹脂板でも類似の効果が期待できる。網状体１７に予め耐火塗料を施工しておくと、より効果が高まる。

［実施の形態３］
本実施の形態に係る構造体の耐火被覆構造１９を、図５、６に基づいて説明する。図５、６において、図１～４と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。
実施の形態２では、実施の形態１と同様に、仕上げ材９と鋼管柱３との空間Ｓを塗膜層５の発泡厚さ以下としていたが、本実施の形態の構造体の耐火被覆構造１９においては、空間Ｓを塗膜層５との発泡厚さ超えとし、塗膜層５と鋼管柱３との間の空間Ｓに塗膜層５に非接触で、かつ塗膜層５の発泡厚さ以下の位置に、実施の形態２で示した網状体１７を配設したものである。
図５、図６に示す例は、鋼管柱３と仕上げ材９との空間Ｓの寸法を７０ミリとして、鋼管柱３から２０ミリの位置に、メタルラスによる網状体１７を配したものである。

仕上げ材９が加熱されると、塗膜層５が発泡して発泡層１３を形成する。ここで、図６に示すように、発泡層１３は、網状体１７を内包しながら形成され、空間Ｓ内で保持される。発泡層１３と鋼管柱３との間にはおよそ２０ミリの中空層２１が残っており、断熱的に作用する。
ここで、鋼管柱３と網状体１７の距離は、適宜設定することができるが、２０ミリ以下であれば静止空気層として機能するため、断熱性が向上する。

このように、本実施の形態によれば、発泡層１３は、網状体１７に食い込む形態で保持されるため、脱落することはなく、さらに発泡層１３と構造体の間の空気層が断熱的に作用するので、より耐火性能を高めることができる。

なお、網状体１７は、実施の形態２と同様に、メタルラスのほか、金網よく、耐熱性があれば、ガラス繊維や樹脂などでもよく、必ずしも金属である必要はない。フェノール樹脂のように炭化層を形成するものであれば、シート状のものでも適用可能であり、発泡層１３の表面を、発泡層１３よりも高密度の炭化層あるいは炭化層を形成するもので被覆するとより断熱性が高まるので好ましい。

［実施の形態４］
上記の実施の形態１～３は、耐火被覆の対象となる構造体として、鋼管柱３を例に説明したが、本実施の形態では、構造体として梁を例に挙げて、図７、図８に基づいて説明する。

本実施の形態の構造体の耐火被覆構造２３は、耐火被覆の対象となる構造体が、床スラブ２５を支持する梁２７であり、仕上げ材２９は床スラブ２５に固定され、梁２７との固定部を有していないことを特徴とするものである。

本実施の形態において、梁２７はＨ形鋼からなり、その寸法は、Ｈ－４００×２００×８×１３である。
仕上げ材２９は、図７に示すように、上端両側に外方に張り出す上フランジ部３１を有し、断面形状がＨ形鋼に沿ってこれを囲むＨ形に成形されている。上フランジ部３１は床スラブ２５との固定部となるものであり、その幅は５０ミリである。また、仕上げ材２９の高さは４５０ミリ、下面の幅は３００ミリである。

仕上げ材２９は、上フランジ部３１を、床スラブ２５の捨て型枠である、デッキプレート３３に予めファスナーを下向きに突出させるように配置（図示せず）した。もっとも、デッキプレート３３を用いなければ直接床スラブ２５からファスナーを突出させて接合すればよい。また、あと施工アンカーを用いたり、コンクリート釘を打ち込んだりして固定してもよい。

仕上げ材２９を設置した状態では、梁フランジ２７ａ両端に、各５０ミリ、梁２７の下側の梁フランジ２７ａの下面と５０ミリの空間Ｓを有している。
仕上げ材２９は、床スラブ２５とのみ固定され、梁２７とは固定されていないので、発泡層の形成を阻害しない。

上記のように構成された本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
なお、図８に示すように、仕上げ材２９を断面ハット形状にして、上下の梁フランジ２７ａの端部に亘るように網状体３５を配設してもよい。これにより、発泡層が形成された際には、実施の形態３と同様に、発泡層を確実に保持し、耐火性能を維持することができる。

なお、火災時には、梁２７の下側の梁フランジ２７ａの温度が最も高くなるため、当該部分に仕上げ材２９との接合部を設けないほうがよく、上述したように、仕上げ材２９の固定部を梁２７には設けないのが好ましい。
仮に、仕上げ材２９との固定部を梁２７に設けるとしても、仕上げ材２９を平板の端部で接合して組み立てるよりも、上部をＬ型、下部をコ型として梁ウェブ部分で接合するのが好ましい。

なお、図９に示すように、床スラブ２５の片側に壁３７があるような壁３７との合成耐火構造とする場合も同様に考えればよく、この場合、仕上げ材２９は、壁３７側にはＺ型部材３９を固定し、床スラブ２５側にはＬ型部材４１を固定し、両部材を梁ウェブ部分で接合して組み立てるようにすればよい。そして、網状体３５を、図９に示すように、梁２７の上下の梁フランジ２７ａ間と、下側の梁フランジ２７ａと壁３７に亘るように配設する。
また、仕上げ材２９は、２部材から構成するのではなく、矩形を半割した形状のものを一体成形した１部材から構成してもよい。

１構造体の耐火被覆構造（実施の形態１）
３鋼管柱
５塗膜層
７板状体
９仕上げ材
１３発泡層
１５構造体の耐火被覆構造（実施の形態２）
１７網状体
１９構造体の耐火被覆構造（実施の形態３）
２１中空層
２３構造体の耐火被覆構造（実施の形態４）
２５床スラブ
２７梁
２７ａ梁フランジ
２９仕上げ材
３１上フランジ部
３３デッキプレート
３５網状体
３７壁
３９Ｚ型部材
４１Ｌ型部材
Ｓ空間

Claims

耐火被覆の対象となる構造体である柱の周囲に、前記柱に対向する面に発泡性の耐火塗料からなる塗膜層が形成された板状体からなる仕上げ材を、前記柱の表面から前記塗膜層の発泡厚さ以下の空間を設けて配置し、前記仕上げ材が加熱されて前記塗膜層が発泡して発泡層となった際に該発泡層が前記仕上げ材と前記柱の表面によって挟持されることにより脱落しないようにしたことを特徴とする構造体の耐火被覆構造。
耐火被覆の対象となる構造体である床スラブを支持する梁の周囲に、前記梁に対向する面に発泡性の耐火塗料からなる塗膜層が形成された板状体からなる仕上げ材を、前記梁の表面から前記塗膜層の発泡厚さ以下の空間を設けて配置し、かつ前記仕上げ材は前記床スラブに固定され、前記梁との固定部を有しておらず、前記仕上げ材が加熱されて前記塗膜層が発泡して発泡層となった際に該発泡層が前記仕上げ材と前記構造体の表面によって挟持されることにより脱落しないようにしたことを特徴とする構造体の耐火被覆構造。
前記塗膜層と前記構造体表面との間の空間に網状体を配設したことを特徴とする請求項１又は２記載の構造体の耐火被覆構造。
前記仕上げ材を鋼板、または鋼板と有機質材または無機質材との積層構造とし、前記塗膜層を鋼板に形成したことを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項に記載の構造体の耐火被覆構造。