JP4156208B2 - Fireproof coated steel structure - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建築分野の鉄骨構造物に関し、より具体的には、高温降伏強度が高い耐火鋼材を用いた、無耐火被覆構造が可能な鉄骨構造物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、建築分野の鉄骨構造物に使用される鋼材については、仕様規定により表面温度３５０℃以下で使用することが定められている。
このため多くの場合、吹付けロックウール等の耐火被覆が必要となり、施工費用及び工程、環境・美観上の問題から鉄骨構造の競争力を著しく阻害している。
昭和６２年の防耐火総プロの成果を受けて（建築基準法・旧３８条認定により）性能型の設計が可能となった結果、鋼材の高温強度と、建物に実際に加わっている荷重により、耐火被覆の能力を決定できるようになり、場合によっては鋼材を無耐火被覆で使用することも可能になった。
【０００３】
上記防耐火総プロの成果を受けて、近年は短時間の高温強度を高めた、いわゆる耐火鋼が多数開発されており、例えば特開平２−７７５２３号公報を始めとして、６００℃での高温耐力が常温時の２／３以上となる鋼材（耐火鋼）が多数開示されている。また特開平９−２０９０７７号公報には、７００℃での高温耐力が常温時の２／３以上となる鋼材（耐火鋼）が開示されている。
【０００４】
これら従来の耐火鋼においては、経済性を失することなく鋼に耐火性を与えるため、Ｃ，Ｍｎ，Ｍｏ等の合金化を図っているが、成分元素の添加はコストアップに直結するだけでなく、溶接性や靭性、常温降伏強度にも大きく影響する。換言すると、高温降伏強度の上昇は必然的に溶接性や靭性の劣化、常温降伏強度の上昇を招くという問題がある。
【０００５】
一方、現行の耐震設計法では骨組の変形による地震エネルギー吸収を前提としていることから、設計で想定した骨組の崩壊形の確保や、部材の塑性変形能力の確保、部材性能を十分発揮させるための接合部耐力の確保が必要となり、これに用いる建築構造用の鋼材として、靭性下限や降伏強度の「ばらつき」の制限（つまり降伏強度上限）、降伏比上限などの耐震性の規定、Ｃｅｑ上限などの溶接性の規定が必要となる。
【０００６】
例えばＳＮ材（ＪＩＳ Ｇ ３１３６−１９９４）は、これらの耐震性・溶接性に関する規定がなされた鋼材であり、４００ＭＰａ級（降伏強度下限２３５ＭＰａ）の場合、靭性下限が０℃で２７Ｊ、降伏強度上限が３５５ＭＰａ、降伏比上限が８０％、Ｃｅｑ上限が０．３６質量％というように規定されている。
したがって、耐火性を有する建築構造用の鋼材には、耐火性（高温降伏強度確保）と、耐震性（靭性下限、常温降伏強度上限）、溶接性（Ｃｅｑ上限）という相反する性能を両立させる技術の確立が求められ、これこそが従来の耐火鋼開発すなわち無耐火被覆構造化の課題となっていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の７００℃耐火鋼材では、無耐火被覆構造が可能となるのは、比較的可燃物量が少ない立体駐車場や外部鉄骨のみに限られ、無耐火被覆範囲を拡大するには、７５０℃〜８５０℃程度の耐火性能が必要である。
例えば、柱材として用いられることの多い箱形断面部材について、ＩＳＯ８３４標準加熱を受けた場合の２次元熱伝導解析結果の例を図１に示す。図中の横軸１段目は鋼材の断面形状係数Ｈｐ／Ａ（Ｈｐは断面の周長、Ａは断面積）を、横軸２段目は正方形断面とした場合の換算板厚（ｍｍ）を表す。なお、石膏ボードは通常使用される仕上材である。
【０００８】
この図１では、
（１）耐火温度７５０℃以上の場合、鋼材裸使用ではＨｐ／Ａ≦８０（換算板厚≧１２．５ｍｍ）で３０分無耐火被覆構造が可能である。
さらに、石膏ボード９．５ｍｍとのセット使用では、すべての範囲で３０分無耐火被覆構造が可能である。
（２）耐火温度８００℃以上の場合、鋼材裸使用ではＨｐ／Ａ≦１００（換算板厚≧１１ｍｍ）で３０分無耐火被覆構造が可能である。さらに、石膏ボード９．５ｍｍとのセット使用では、すべての範囲で３０分無耐火被覆構造が可能である。
（３）耐火温度８５０℃以上の場合、鋼材裸使用ではＨｐ／Ａ≦３０（換算板厚≧３７．５ｍｍ）で６０分無耐火被覆構造が可能である。さらに石膏ボード９．５ｍｍとのセット使用では、すべての範囲で３０分無耐火被覆構造が可能である。
ことなどを示している。
【０００９】
一方、耐震性（常温降伏強度上限）の確保の点から合金元素量の制約があるため、耐火性（高温降伏強度確保）と耐震性を同時に満足させることは非常に困難である。
そこで本発明では、火災を受ける可能性のある鉄骨構造物において、耐震性に関する制約を緩和できる鉄骨構造とすると共に、鉄骨部材として７５０℃〜８５０℃の高温領域で十分な降伏強度を確保できる耐火鋼材を用いることによって、少なくとも３０分無耐火被覆構造が可能な鉄骨構造物を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、火災を受ける鉄骨構造物であって、損傷集中部材を介して柱に梁を接合する損傷制御構造専用として、この鉄骨構造物を構成する鉄骨部材を８５０℃での降伏強度が９４ＭＰａ（常温降伏強度の下限比の０．４）以上であって靭性が破面遷移温度ｖＴｒｓ５０で−１２℃以下の耐火鋼材で形成した、７５０〜８５０℃で３０分以上の無耐火被覆が可能な無耐火被覆鉄骨構造物である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明では、火災を受ける可能性のある鉄骨構造物において、特に耐震性の制約を緩和できる損傷制御専用の鉄骨構造を採用し、鉄骨部材として常温降伏強度が２３５ＭＰａ以上で、８５０℃における降伏強度が９４ＭＰａ（常温降伏強度の下限比の０．４）以上の耐火鋼材を用いるものであり、７５０〜８５０℃で少なくとも３０分無耐火被覆鉄骨構造を実現するものである。
本発明でいう鉄骨構造とは、柱、梁などの主部材および各種の接合金物（スプリットテイ、エンドプレート、スプライスプレートなど）、損傷集中部材、ボルトを構成部材として形成されるものであり、基本的には、これらの構成部材を本発明による耐火鋼材で形成するものである。
【００１２】
本発明の鉄骨構造物は、主として長期（常時荷重）および短期（常時荷重＋地震力）に、作用応力が大きくなる部材端あるいは部材端接合部の柱梁接合部や柱脚などの接合構造部に適用されるものであり、例えば、柱・梁接合構造にあっては、損傷制御構造専用とすることにより、柱・梁部材に求められる靭性下限や降伏強度の「ばらつき」の制限（つまり降伏強度上限）、降伏比上限などの耐震性に関する制限を緩和し、耐火性に寄与する合金元素量の制約を緩和するものである。
【００１３】
本発明の鉄骨部材を形成する耐火鋼材としては、例えば質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０８％、Ｓｉ：０．２〜２．０％、Ｍｎ：０．５％以下、Ａｌ：０．２５〜１．０％、Ｍｏ：０．５〜２．０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％、Ｎｂ：０．０２〜０．５０％、Ｔｉ：０．０５〜０．３０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる耐火鋼による鋼材、または、さらに質量％で、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜０．５％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、Ｂ：０．００５〜０．０１０％のうち１種または２種以上を含有する耐火鋼材が適性があり、このような鋼材で鉄骨部材を形成すれば、８５０℃において９４ＭＰａ以上の降伏強度（常温降伏強度下限比の０．４以上）の条件を満足する無耐火被覆構造の鉄骨構造物の実現が可能である。
【００１４】
本発明でいう「損傷制御構造（システム）」とは、地震などの外部入力エネルギーを吸収するための損傷集中部材を有する接合構造で、以下「損傷制御構造」という。
これらの部位での接合構造には、溶接接合以外の接合手段、例えば柱梁接合構造にあっては、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、損傷集中部材（軸力抵抗要素、軸力＋剪断力抵抗要素、軸力＋剪断力＋曲げ力抵抗要素など）を介して、柱に梁を接合する接合構造を損傷制御構造とするものである。この接合構造を採用することにより、損傷集中部材によって地震時の揺れや変形を低減させるだけではなく、この部分に集中的に地震エネルギーを集中させることにより、主架構部材である柱や梁の変形を弾性範囲内の変形に留め損傷を防ぐと同時に、鋼材に要求される常温降伏強度上限の制約を撤廃でき、耐火性に寄与する合金元素量の制約を緩和することができる。
【００１５】
損傷集中部材としては、各階配置型の制振ダンパーが一般的であり、鋼材や鉛、粘弾性体やオイルなどが用いられる。
また、損傷制御構造の鉄骨構造を採用し、柱や梁の変形を弾性範囲に留めることによって、構造部材の靭性下限（破面遷移温度に言い換えると破面遷移温度上限）の制約をさらに緩和できることで、高温降伏強度上昇代を確保し、経済性を失することなく耐火性を向上させることができる。
【００１６】
高温降伏強度については、従来の耐火鋼の場合では、常温降伏強度の２／３以上となるように性能を定めていたが、鉄骨構造物の実設計範囲が常温降伏強度下限の０．２〜０．４倍程度であることを勘案し、常温降伏強度下限比０．４以上であれば使用可能であることから、本発明では、このような降伏強度領域での使用も考慮する。
【００１７】
本発明では、耐震性に関する制約を緩和することを前提として、建築構造用として使用できる常温降伏強度の範囲内で、７５０〜８５０℃で保持時間が３０分以上で、常温降伏強度下限比の０．４以上の高温降伏強度を確保する方法について検討した。
その結果、Ｖを核としたＮｂ，Ｍｏの複合析出物を微細に析出させることで、７５０〜８５０℃においても短時間であれば十分強化に有効な微細析出状態を維持できることが判った。
【００１８】
この複合析出物は、単独の析出物や他の複合析出物に比べて高温における安定性が非常に高く、７５０〜８５０℃においても短時間であれば十分微細なまま安定である。
しかし、析出物自体は安定であっても、温度上昇によって素地が変態して析出物と素地の整合性が失われて非整合になると、析出物による強化作用が急激に低下する。すなわち、高温でも安定したＶを核としたＮｂ，Ｍｏの複合析出物による強化を利用するには、設計温度である７５０〜８５０℃においても素地組織を変態させないことが必須となる。
【００１９】
発明者らは、以下に述べる添加元素の工夫により変態温度を高くして、Ａｃ１変態温度を７５０℃以上または８５０℃以上とすることで、７５０〜８５０℃で３０分程度保持した場合にも、Ｖを核としたＮｂ，Ｍｏの複合析出物と素地との整合性が維持でき、十分な強化が可能であることを見出した。
Ａｃ１変態温度を効果的に高める元素としては、Ｓｉや５％以上のＣｒなどが上げられるが、これらは常温引張強度を上げ過ぎるため、４００ＭＰａ級および４９０ＭＰａ級鋼の規格値を満足する範囲では７５０℃以上のＡｃ１変態温度を得ることは困難である。
【００２０】
常温強度をあまり上げないでＡｃ1 変態温度を大幅に上げる元素としてはＡｌが有効である。しかしながら、Ａｌは多量に添加すると、特に溶接部の靭性を損なう場合があることから、その添加量は、脱酸のために必要な０．０１〜０．０５％程度であり、例えば０．１％を超えて添加されることは通常なかった。
本発明では、作用応力の大きな部位を溶接レス構造とすることを前提としており、溶接性をあまり要求しないことから、この制約に拘束されずにＡｌのＡｃ1 変態温度上昇効果を有効に利用することができる。
【００２１】
Ａｃ１変態温度を十分に高くするためには、０．２％以上の添加が特に有効である。さらに、常温強度を上げ過ぎない範囲でＳｉを添加すること、Ａｃ１変態温度を低下させ、かつ常温強度も上げる元素であるＣおよびＭｎの添加量を抑制することによって、常温温度を上げ過ぎずに７５０℃以上のＡｃ１変態温度を得ることができる。
一方、Ａｃ１変態温度が９００℃を超えると、圧延中に変態が進行するため析出サイトとして有効な圧延組織が得られないことから、却って高温強度は得にくくなる。したがって、７５０℃以上の高温強度を得るためにはＡｃ１変態温度が７５０℃以上、９００℃以下であることが必要条件となる。
【００２２】
以下に、本発明で用いる耐火鋼の各成分の限定理由を説明する。
Ｃは、常温での強度を得るために０．０１％が必要であるが、０．１０％を超える添加によりＡｃ１変態温度が上昇するために７５０℃〜８５０℃の高温強度が得にくく、靭性も低下する。このため添加量は、７５０℃の高温強度を得るためには０．０１％以上、０．１０％以下に限定し、８５０℃高温強度を得るためには０．０１％以上、０．０８％以下に限定する。
【００２３】
Ｓｉは、Ａｃ１変態温度を高めるために有効な元素であり、０．２％以上の添加が望ましい。しかし、２．０％を超えると母材靭性を低下させる場合があるため、０．２％以上、２．０％以下に限定する。なお、常温降伏強度上限を考慮する場合には、Ｓｉの上限は１．２％とすることが望ましい。
Ｍｎは、常温温度に対する強化元素であるが、高温強度にはあまり効果がない。却ってＡｃ１変態温度を低くするため、７５０℃〜８００℃の高温強度には有害となることから、添加量は、７５０℃の高温強度を得るためには０．６％以下に限定し、８５０℃高温強度を得るためには０．５％以下に限定する。
Ａｌは、常温強度をあまり高めずにＡｃ１変態温度を大きく上昇させる、本発明における重要な元素である。この目的のためには０．２％以上の添加が特に有効である。しかし、１．０％を超えて添加するとＡｃ１変態温度が高くなり過ぎて却って高温強度が得にくくなる。このため添加量は、７５０℃の高温強度を得るためには０．２％以上、１．０％以下に限定し、８５０℃高温強度を得るためには０．２５％以上、１．０％以下に限定する。
【００２４】
Ｍｏは、高温強度を高める複合析出物を構成する元素であり、固溶強化による高温強度向上効果もあることから、本発明においては必須元素である。こうした特性を発揮して７５０℃〜８５０℃の高温強度を高めるには、０．５％以上の添加が必要であるが、２．０％を超えて添加すると母材靭性を低下させる場合があるため、０．５％以上、２．０％以下に限定する。なお、常温降伏強度上限を考慮する場合には、Ｍｏの上限を１．５％とすることが望ましい。
Ｖは、高温強度を高める複合析出物を構成する基本元素として重要である。７５０℃〜８５０℃の高温強度を高めるためには、０．０５％以上の添加が有効である。しかし、０．５０％を超えて添加すると微細析出物が得にくくなり、また母材靭性を低下させる場合があるため、添加量は０．０５％以上、０．５０％以下に限定する。なお、常温降伏強度上限を考慮する場合には、Ｖの上限は０．２０％とすることが望ましい。
【００２５】
Ｎｂは、高温強度を高める複合析出物を構成する基本元素として重要である。７５０℃〜８５０℃の高温強度を高めるためには、０．０１％以上の添加が有効である。しかし、０．５０％を超えて添加すると微細析出物が得にくくなり、また母材靭性を低下させる場合があるため、添加量は、７５０℃高温強度を得るためには０．０１％以上、０．２０％以下に限定し、８５０℃高温強度を得るためには０．０２％以上、０．５０％以下に限定する。
Ｔｉは、析出強化により７５０℃〜８５０℃の高温強度を高める析出物を得る元素として重要であり、その目的で添加する場合には、０．０１％以上必要であるが、０．１０％を超えて添加すると母材靭性を低下させる場合がある。このため添加量は、７５０℃高温強度を得るためには０．０１％以上、０．１０％以下に限定し、８５０℃高温強度を得るためには、母材靭性下限（換言すれば破面遷移動温度上限）の制約の緩和を条件として０．０５％以上、０．３０％以下に限定する。
【００２６】
Ｃｕは、析出強化元素として添加する場合には０．１％以上の添加を必要とするが、２．０％を超えて添加しても効果は変わらず、また靭性を低下させることから、添加量は０．１％以上、２．０％以下に限定する。
Ｎｉは、母材靭性を高めるために添加する場合には０．１％以上を必要とするが、Ａｃ1変態温度を低下させるため、０．５％を超えて添加すると高温強度が低下することから、添加量は０．１％以上、０．５％以下に限定する。
Ｃｒは、焼入強化元素として添加する場合には０．１％以上を必要とするが、１．０％を超えて添加すると常温強度が高くなり過ぎ、またＡｃ1変態温度を低下させて高温強度を低下させることから、添加量は０．１％以上、１．０％以下に限定する。
Ｂは、焼入性を高め、強度を得るために添加する場合には０．００５％以上の添加を必要とするが、０．０１０％を超えて添加してもその効果が変わらないので、添加量は０．００５％以上、０．０１０％以下に限定する。
【００２７】
【実施例】
以下に、本発明で用いる鉄骨部材として適性のある耐火鋼材（以下「本耐火鋼材」という）の実施例について説明する。
表１に示すような化学組成を有する各種の圧延鋼板を供試鋼板とし、それぞれの鋼板から採取した長さ方向が圧延方向である試験片について、室温（常温）引張試験と８５０℃の高温引張試験を行った。この試験結果を表１に示す。
この実験に供された本耐火鋼材は、８５０℃の耐火特性、所要の靭性を有するものであり、耐火温度７５０℃、８００℃の耐火特性も兼ねる７５０℃〜８５０℃で少なくとも３０分無耐火被覆を可能とするものであり、ここでは実験例の評価は、８５０℃で少なくとも３０分無耐火被覆が可能かどうかの観点で行っている。
【００２８】
表１中、Ａ１〜Ａ１０は本耐火鋼材、Ｂ１〜Ｂ１４は化学組成が本耐火鋼材と異なる耐火鋼材（以下「比較鋼材」という）である。この比較鋼材で下線のあるところは、化学組成で本耐火鋼材と異なるところ、特性で本発明の鉄骨部材としての目標値に達していないところである。
なお、常温降伏強度の目標値は２３５ＭＰａ以上とし、Ａｃ1 変態温度の目標値は８５０℃以上、９００℃以下とした。
また、靭性は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２記載の方法により破面遷移温度ｖＴrs５０を測定し、目標値はｖＴrs５０≦−１０℃とした。
【００２９】
本耐火鋼材Ａ１〜Ａ１０は、いずれもＡｃ1 変態温度が８５０〜９００℃の範囲にあり、８５０℃での降伏強度が９４ＭＰａ以上、ｖＴrs５０が−１０℃以下である。
これに対して、比較鋼材Ｂ１はＣが高いため、比較鋼材Ｂ６はＭｏが高いため、比較鋼材Ｂ１２はＣｕが高いため、それぞれＡｃ1 変態温度が低く、８５０℃での降伏強度も低く、かつ靭性も低い。
比較鋼材Ｂ２はＳｉが低いため、比較鋼材Ｂ４はＭｎが高いため、比較鋼材Ｂ１３はＮｉが高いため、比較鋼材Ｂ１４はＣｒが高いため、それぞれＡｃ1 変態温度が低く、８５０℃降伏強度も低い。
【００３０】
比較鋼材Ｂ３はＳｉが高いため、Ａｃ1 変態温度が高過ぎて、８５０℃降伏強度が低く、かつ靭性が低い。
比較鋼材Ｂ５はＭｏが低いため、比較鋼材Ｂ７はＮｂが低いため、比較鋼材Ｂ９はＶが低いため、それぞれ８５０℃降伏強度が低い。
比較鋼材Ｂ８はＮｂが高いため、比較鋼材Ｂ１０はＶが高いため、比較鋼材Ｂ１１はＴｉが高いため、それぞれ靭性が低い。
なお、本耐火鋼材は、図２、図３に示す柱梁接合部を有する鉄骨構造の構造部材にのみ限定して用いるものではなく、作用応力が大きな部位に接合部を有する各種の構造部材にも広く用いることができる。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【発明の効果】
本発明の鉄骨構造物は、損傷制御構造にして耐震性に関する制約を緩和することによって、常温降伏強度、靭性、高温降伏強度に優れた鋼材の使用を可能とし、常温降伏強度および７５０℃〜８５０℃での高温降伏強度が高く、３０分以上の無耐火被覆構造が可能な鉄骨構造物を、経済性を失することなく市場に供給することが可能である。
３０分以上の無耐火被覆構造とすることにより、耐火被覆省略によるコストダウン、工期短縮を可能とし、さらには耐火被覆工程省略による環境負荷低減や、無耐火被覆による鉄骨構造物を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】箱形断面部材の温度と断面形状係数および正方形断面部材の換算板厚の関係を表す説明図。
【図２】本発明を適用する損傷制御構造の鉄骨構造例を示す側面説明図で、（ａ）図は、Ｈ形鋼柱にボルト接合された損傷集中部材にＨ形鋼梁をボルト接合した柱・梁接合構造を示す。（ｂ）図は、Ｈ形鋼柱にボルト接合した損傷集中部材にＨ形鋼梁をボルト接合した柱・梁接合構造の他の例を示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a steel structure in the field of architecture, and more specifically to a steel structure capable of a fireproof covering structure using a fireproof steel material having a high high temperature yield strength.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, it is stipulated that the steel material used for the steel structure in the building field is used at a surface temperature of 350 ° C. or less according to the specification.
For this reason, in many cases, a fireproof coating such as spray rock wool is necessary, and the competitiveness of the steel structure is remarkably hindered due to construction costs, processes, environmental and aesthetic problems.
As a result of the performance of the fireproof and fireproof professionals in 1987 (according to the Building Standards Law / former Article 38 certification), performance-type design has become possible. As a result, the high-temperature strength of the steel and the load actually applied to the building It has become possible to determine the ability of a fireproof coating, and in some cases it has become possible to use steel with a fireproof coating.
[0003]
In recent years, in response to the results of the above general fireproofing and fireproofing professionals, many so-called fireproof steels having high temperature strength for a short time have been developed. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-77523, high temperature resistance at 600 ° C. A large number of steel materials (refractory steels) having a temperature of 2/3 or more at normal temperature are disclosed. Japanese Patent Laid-Open No. 9-209077 discloses a steel material (refractory steel) having a high temperature proof stress at 700 ° C. of 2/3 or more at normal temperature.
[0004]
In these conventional refractory steels, alloying of C, Mn, Mo, etc. is attempted in order to give the steel fire resistance without losing economic efficiency, but the addition of the component elements only leads to an increase in cost. It also greatly affects weldability, toughness, and room temperature yield strength. In other words, there is a problem that an increase in high-temperature yield strength inevitably leads to deterioration of weldability and toughness, and an increase in normal-temperature yield strength.
[0005]
On the other hand, since the current seismic design method presupposes seismic energy absorption by deformation of the frame, it is necessary to ensure the collapsed shape of the frame assumed in the design, to ensure the plastic deformation capacity of the member, and to fully demonstrate the member performance It is necessary to secure joint strength, and as steel materials for building structures used for this, there are restrictions on toughness and "variation" of yield strength (that is, yield strength upper limit), earthquake resistance regulations such as yield ratio upper limit, Ceq upper limit, etc. It is necessary to define the weldability.
[0006]
For example, SN material (JIS G 3136-1994) is a steel material for which these rules regarding earthquake resistance and weldability are made, and in the case of 400 MPa class (yield strength lower limit 235 MPa), the toughness lower limit is 0 ° C. and 27 J, yield strength upper limit. Is 355 MPa, the yield ratio upper limit is 80%, and the Ceq upper limit is 0.36% by mass.
Therefore, the steel materials for building structures that have fire resistance have both conflicting performances of fire resistance (ensure high-temperature yield strength), seismic resistance (lower toughness, upper limit at room temperature yield strength), and weldability (upper limit of Ceq). This has been the subject of conventional fireproof steel development, that is, the construction of a fireproof coating.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the above 700 ° C. refractory steel, the free fire protection structure is possible, relatively combustible amount is limited to less steric parking and external steel, to enlarge free refractory coverage is 750 ° C. to 850 Fire resistance of about ℃ is required.
For example, FIG. 1 shows an example of a two-dimensional heat conduction analysis result when a box-shaped cross-section member often used as a column member is subjected to ISO 834 standard heating. In the figure, the first axis on the horizontal axis shows the cross-sectional shape factor Hp / A (Hp is the circumferential length of the cross section, A is the cross-sectional area), and the second plate on the horizontal axis shows the converted plate thickness (mm). Represents. Gypsum board is a finishing material usually used.
[0008]
In this FIG.
(1) In the case where the fireproof temperature is 750 ° C. or higher, a non-fireproof coating structure can be formed for 30 minutes with Hp / A ≦ 80 (converted plate thickness ≧ 12.5 mm ) when using bare steel.
Furthermore, when using a set with gypsum board 9.5 mm, a fire-resistant covering structure for 30 minutes is possible in the entire range.
(2) When the refractory temperature is 800 ° C. or more, a non-refractory coating structure can be formed for 30 minutes with Hp / A ≦ 100 (converted plate thickness ≧ 11 mm) when the steel material is used barely. Furthermore, when using a set with gypsum board 9.5 mm, a fire-resistant covering structure for 30 minutes is possible in the entire range.
(3) When the refractory temperature is 850 ° C. or higher, a non-refractory coating structure can be formed for 60 minutes with Hp / A ≦ 30 (equivalent plate thickness ≧ 37.5 mm) when using bare steel. Furthermore, when using a set with gypsum board 9.5 mm, a fire-resistant covering structure for 30 minutes is possible in the entire range.
It shows that.
[0009]
On the other hand, since there are restrictions on the amount of alloying elements from the viewpoint of ensuring earthquake resistance (room temperature yield strength upper limit), it is very difficult to satisfy fire resistance (high temperature yield strength ensured) and earthquake resistance at the same time.
Therefore, in the present invention, in a steel structure that is likely to receive a fire, a steel structure that can alleviate restrictions on earthquake resistance, and a fire resistance that can ensure sufficient yield strength in a high temperature region of 750 ° C. to 850 ° C. as a steel member. An object of the present invention is to provide a steel structure capable of a fireproof coating structure for at least 30 minutes by using a steel material.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a steel structure subjected to a fire, and is used exclusively for a damage control structure in which a beam is joined to a column via a damage concentrating member. The steel member constituting the steel structure has a yield strength at 850 ° C. of 94 MPa. (A lower limit ratio of room temperature yield strength is 0.4) or more , and toughness is formed with a refractory steel material having a fracture surface transition temperature vTrs50 of −12 ° C. or less , and refractory coating for 30 minutes or more is possible at 750 to 850 ° C. It is a fireproof coated steel structure.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, a steel structure for damage control that can alleviate the seismic resistance restriction is adopted in a steel structure that may receive a fire, and the yield strength at 850 ° C. is 235 MPa or more at a room temperature yield strength as a steel member. Uses a refractory steel material of 94 MPa (0.4, the lower limit ratio of normal temperature yield strength) or more, and realizes a fireproof coated steel structure at 750-850 ° C. for at least 30 minutes.
The steel structure referred to in the present invention is formed by using main members such as columns and beams, various joint hardware (split tee, end plate, splice plate, etc.), damage concentration members, and bolts as constituent members. Specifically, these constituent members are formed of the refractory steel material according to the present invention.
[0012]
The steel structure according to the present invention is a joint structure such as a column beam joint or a column base of a member end or a member end joint where the acting stress increases mainly in the long term (normal load) and in the short term (normal load + seismic force). For example, in the case of a column / beam joint structure, by using a dedicated damage control structure, the lower limit of toughness and yield strength “variation” required for the column / beam member (that is, yield) The upper limit of strength) and the upper limit of yield ratio are alleviated, and the restrictions on the amount of alloying elements that contribute to fire resistance are relaxed.
[0013]
As a refractory steel material which forms the steel frame member of the present invention, for example, in mass%, C: 0.01 to 0.08%, Si: 0.2 to 2.0%, Mn: 0.5% or less, Al: 0.25-1.0%, Mo: 0.5-2.0%, V: 0.05-0.50%, Nb: 0.02-0.50%, Ti: 0.05-0. A steel material made of refractory steel containing 30% and the balance being Fe and inevitable impurities, or further by mass, Cu: 0.1 to 2.0%, Ni: 0.1 to 0.5%, Cr: Refractory steel materials containing one or more of 0.1 to 1.0% and B: 0.005 to 0.010% are suitable. If a steel member is formed of such steel materials, 850 is obtained. ℃ realization of steel structure of the non-fire protection structure which satisfies the conditions of 94MPa or more yield strength (0.4 or more at room temperature yield strength lower ratio) in It is a function.
[0014]
The “damage control structure (system)” in the present invention is a joint structure having a damage concentrating member for absorbing external input energy such as an earthquake, and is hereinafter referred to as “damage control structure”.
In the joining structure at these parts, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), in the joining means other than the welding joining, for example, in the column beam joining structure, the damage concentration member (the axial force resistance element, (Axial force + shearing force resistance element, axial force + shearing force + bending force resistance element, etc.) is used as a damage control structure. Adopting this joint structure not only reduces the shaking and deformation at the time of the earthquake by the damage concentrating member, but also concentrates the seismic energy on this part, thereby deforming the columns and beams that are the main frame members. The deformation within the elastic range is retained to prevent damage, and at the same time, the upper limit of room temperature yield strength required for steel materials can be eliminated, and the restriction on the amount of alloy elements contributing to fire resistance can be relaxed.
[0015]
As the damage concentrating member, a vibration damper of each floor arrangement type is generally used, and steel material, lead, viscoelastic body, oil or the like is used.
In addition, by adopting a steel structure with a damage control structure and keeping the deformation of columns and beams within the elastic range, the restriction on the toughness lower limit of the structural member (in other words, the upper limit of the fracture surface transition temperature) can be further relaxed Thus, it is possible to secure a margin for increasing the high-temperature yield strength and improve fire resistance without losing economic efficiency.
[0016]
For high-temperature yield strength, in the case of conventional refractory steel, the performance was determined so that it would be 2/3 or more of the normal temperature yield strength, but the actual design range of the steel structure is 0.2 to the lower limit of the normal temperature yield strength. In consideration of the fact that it is about 0.4 times, it can be used if the room temperature yield strength lower limit ratio is 0.4 or more. Therefore, in the present invention, use in such a yield strength region is also considered.
[0017]
In the present invention, on the premise that the constraint on earthquake resistance is relaxed, the retention time is 30 minutes or more at 750 to 850 ° C. within the range of room temperature yield strength that can be used for building structures, and the room temperature yield strength lower limit ratio is 0. A method for securing a high temperature yield strength of 4 or more was examined.
As a result, it was found that fine precipitates effective for strengthening can be maintained for a short time even at 750 to 850 ° C. by finely depositing Nb and Mo composite precipitates with V as a nucleus.
[0018]
This composite precipitate has a very high stability at a high temperature as compared with a single precipitate and other composite precipitates, and is stable at a fine temperature even at 750 to 850 ° C. for a short time.
However, even if the precipitate itself is stable, the strengthening action due to the precipitate is drastically reduced if the substrate is transformed by the temperature rise and the consistency between the precipitate and the substrate is lost and becomes inconsistent. That is, in order to utilize the strengthening by the composite precipitate of Nb and Mo having V as a nucleus, which is stable even at a high temperature, it is essential that the base structure is not transformed even at the design temperature of 750 to 850 ° C.
[0019]
The inventors have raised the transformation temperature by devising the additive element described below, and by setting the Ac1 transformation temperature to 750 ° C. or higher or 850 ° C. or higher, even when the temperature is maintained at 750 to 850 ° C. for about 30 minutes, It has been found that the consistency between the composite precipitate of Nb and Mo with V as a nucleus and the substrate can be maintained, and sufficient strengthening is possible.
Examples of elements that effectively increase the Ac1 transformation temperature include Si and Cr of 5% or more. However, since these elements increase the room temperature tensile strength excessively, they are 750 within a range that satisfies the standard values of 400 MPa class and 490 MPa class steels. It is difficult to obtain an Ac1 transformation temperature of ℃ or higher .
[0020]
Al is effective as an element that greatly increases the Ac1 transformation temperature without significantly increasing the normal temperature strength. However, when Al is added in a large amount, the toughness of the welded portion may be impaired, so the addition amount is about 0.01 to 0.05% necessary for deoxidation, for example 0.1% It was usually not added in excess of%.
In the present invention, it is premised that a site having a large acting stress has a welding-less structure, and weldability is not so required. Therefore, the effect of increasing the Ac1 transformation temperature of Al is effectively used without being restricted by this restriction. Can do.
[0021]
In order to sufficiently increase the Ac1 transformation temperature, addition of 0.2% or more is particularly effective. Furthermore, by adding Si within a range that does not raise the room temperature strength excessively, by suppressing the addition amount of C and Mn, which are elements that lower the Ac1 transformation temperature and increase the room temperature strength, the room temperature temperature is not raised excessively. An Ac1 transformation temperature of 750 ° C. or higher can be obtained.
On the other hand, if the Ac1 transformation temperature exceeds 900 ° C., transformation progresses during rolling, and a rolling structure effective as a precipitation site cannot be obtained. Therefore, 750 ° C. or more in order to obtain a high temperature strength Ac1 transformation temperature 750 ° C. or higher, a necessary condition to be at 900 ° C. or less.
[0022]
Below, the reason for limitation of each component of the fireproof steel used by this invention is demonstrated.
C needs 0.01% in order to obtain the strength at room temperature, but the Ac1 transformation temperature rises by addition exceeding 0.10%, so that it is difficult to obtain a high temperature strength of 750 ° C. to 850 ° C. , and toughness Also decreases. Therefore, the addition amount is limited to 0.01% or more and 0.10% or less to obtain a high temperature strength of 750 ° C. , and 0.01% or more and 0.08% to obtain a high temperature strength of 850 ° C. Limited to:
[0023]
Si is an effective element for increasing the Ac1 transformation temperature, and is preferably added in an amount of 0.2% or more. However, if it exceeds 2.0%, the toughness of the base metal may be lowered, so it is limited to 0.2% or more and 2.0% or less. In addition, when considering the room temperature yield strength upper limit, the upper limit of Si is desirably 1.2%.
Mn is a strengthening element with respect to normal temperature, but has little effect on high temperature strength. On the other hand, since the Ac1 transformation temperature is lowered, it is harmful to the high temperature strength of 750 ° C. to 800 ° C. , so the addition amount is limited to 0.6% or less to obtain the high temperature strength of 750 ° C. In order to obtain high temperature strength, it is limited to 0.5% or less.
Al is an important element in the present invention that greatly increases the Ac1 transformation temperature without significantly increasing the normal temperature strength. For this purpose, addition of 0.2% or more is particularly effective. However, if added over 1.0%, the Ac1 transformation temperature becomes too high, making it difficult to obtain high-temperature strength. For this reason, the addition amount is limited to 0.2% or more and 1.0% or less to obtain a high temperature strength of 750 ° C. , and 0.25% or more and 1.0% to obtain a high temperature strength of 850 ° C. Limited to:
[0024]
Mo is an element constituting a composite precipitate that enhances the high-temperature strength, and is also an essential element in the present invention because it also has an effect of improving the high-temperature strength by solid solution strengthening. In order to exhibit such characteristics and increase the high temperature strength at 750 ° C. to 850 ° C. , addition of 0.5% or more is necessary, but if added over 2.0%, the base material toughness may be lowered. Therefore, it is limited to 0.5% or more and 2.0% or less. In addition, when considering the room temperature yield strength upper limit, it is desirable that the upper limit of Mo be 1.5%.
V is important as a basic element constituting a composite precipitate that increases the high-temperature strength. In order to increase the high-temperature strength at 750 ° C. to 850 ° C. , addition of 0.05% or more is effective. However, if added over 0.50%, it becomes difficult to obtain fine precipitates, and the toughness of the base metal may be lowered. Therefore, the addition amount is limited to 0.05% or more and 0.50% or less. In addition, when considering the room temperature yield strength upper limit, the upper limit of V is preferably 0.20%.
[0025]
Nb is important as a basic element constituting a composite precipitate that increases the high-temperature strength. In order to increase the high temperature strength at 750 ° C. to 850 ° C. , addition of 0.01% or more is effective. However, if added over 0.50%, it becomes difficult to obtain fine precipitates, and the base material toughness may be lowered. Therefore, the addition amount is 0.01% or more in order to obtain 750 ° C high temperature strength, It is limited to 0.20% or less, and in order to obtain 850 ° C. high temperature strength, it is limited to 0.02% or more and 0.50% or less.
Ti is important as an element for obtaining a precipitate that enhances the high-temperature strength of 750 ° C. to 850 ° C. by precipitation strengthening, and when added for that purpose, 0.01% or more is necessary, but 0.10% is required. If added in excess, the base material toughness may be reduced. For this reason, the addition amount is limited to 0.01% or more and 0.10% or less in order to obtain 750 ° C. high temperature strength, and in order to obtain 850 ° C. high temperature strength, the base material toughness lower limit (in other words, fracture surface) The upper limit of the transition dynamic temperature is limited to 0.05% or more and 0.30% or less on condition of relaxation of the constraint.
[0026]
When Cu is added as a precipitation strengthening element, it needs to be added in an amount of 0.1% or more, but even if added over 2.0%, the effect is not changed, and the toughness is reduced. The amount is limited to 0.1% or more and 2.0% or less.
When Ni is added in order to increase the base metal toughness, 0.1% or more is required. However, in order to reduce the Ac1 transformation temperature, if added over 0.5%, the high-temperature strength decreases. The addition amount is limited to 0.1% or more and 0.5% or less.
When Cr is added as a quenching strengthening element, 0.1% or more is required, but if added over 1.0%, the normal temperature strength becomes too high, and the Ac1 transformation temperature is lowered to increase the high temperature strength. Therefore, the addition amount is limited to 0.1% or more and 1.0% or less.
B increases the hardenability and needs to be added in an amount of 0.005% or more when added in order to obtain strength, but even if added over 0.010%, its effect does not change. The addition amount is limited to 0.005% or more and 0.010% or less.
[0027]
【Example】
Below, the Example of the fire-resistant steel material (henceforth "this fire-resistant steel material") suitable as a steel frame member used by this invention is described.
Various rolled steel plates having chemical compositions as shown in Table 1 are used as test steel plates, and a room temperature (room temperature) tensile test and a high temperature tensile at 850 ° C. are used for test pieces whose length direction is the rolling direction taken from each steel plate. A test was conducted. The test results are shown in Table 1.
The refractory steel material used in this experiment has a fire resistance of 850 ° C. and required toughness, and also has a fire resistance of 750 ° C. and 800 ° C. at 750 ° C. to 850 ° C. for at least 30 minutes. Here, the evaluation of the experimental example is performed from the viewpoint of whether or not the fire-proof coating is possible at 850 ° C. for at least 30 minutes.
[0028]
In Table 1, A1 to A10 are refractory steel materials, and B1 to B14 are refractory steel materials having chemical compositions different from those of the refractory steel materials (hereinafter referred to as “comparative steel materials”). The underlined portion of this comparative steel material is different from the present refractory steel material in chemical composition, and is not yet reached the target value as a steel member of the present invention due to its characteristics.
The target value for the normal temperature yield strength was 235 MPa or more, and the target value for the Ac1 transformation temperature was 850 ° C. or more and 900 ° C. or less.
As for toughness, the fracture surface transition temperature vTrs50 was measured by the method described in JIS Z 2242, and the target value was vTrs50 ≦ −10 ° C.
[0029]
All of the refractory steel materials A1 to A10 have an Ac1 transformation temperature in the range of 850 to 900 ° C, a yield strength at 850 ° C of 94 MPa or more, and vTrs50 of -10 ° C or less.
On the other hand, since the comparative steel B1 has a high C, the comparative steel B6 has a high Mo, and the comparative steel B12 has a high Cu, the Ac1 transformation temperature is low, the yield strength at 850 ° C. is low, and the toughness is low. Is also low.
Since the comparative steel material B2 is low in Si, the comparative steel material B4 is high in Mn, the comparative steel material B13 is high in Ni, and the comparative steel material B14 is high in Cr, so that the Ac1 transformation temperature is low and the yield strength at 850 ° C. is also low.
[0030]
Since the comparative steel material B3 is high in Si, the Ac1 transformation temperature is too high, the 850 ° C. yield strength is low, and the toughness is low.
Since comparative steel B5 has a low Mo, comparative steel B7 has a low Nb, and since comparative steel B9 has a low V, the yield strength at 850 ° C. is low.
Since the comparative steel material B8 has high Nb, the comparative steel material B10 has high V, and the comparative steel material B11 has high Ti, so the toughness is low.
Note that this refractory steel material is not limited to the steel structure structural member having the beam-column joint shown in FIGS. 2 and 3, and is used for various structural members having the joint at a portion having a large acting stress. Can also be widely used.
[0031]
[Table 1]

[0032]
【The invention's effect】
The steel structure of the present invention can use a steel material having excellent room temperature yield strength, toughness, and high temperature yield strength by relaxing damage control structure and seismic resistance restriction, and room temperature yield strength and 750 ° C. to 850 ° C. It is possible to supply to the market a steel structure having a high high-temperature yield strength at 0 ° C. and capable of a fire-resistant coating structure of 30 minutes or longer without losing economy.
It is possible to reduce the cost and shorten the work period by omitting the fireproof coating by making the fireproof coating structure for 30 minutes or more, and further to realize the steel structure by reducing the environmental load by omitting the fireproof coating process and the fireproof coating Is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the relationship between a temperature of a box-shaped cross-sectional member, a cross-sectional shape factor, and a converted plate thickness of a square cross-sectional member.
FIG. 2 is an explanatory side view showing an example of a steel structure of a damage control structure to which the present invention is applied. FIG. 2 (a) is a diagram showing an H-shaped steel beam bolted to a damage concentrating member bolted to an H-shaped steel column. The column-beam connection structure is shown. (B) The figure shows the other example of the column and beam junction structure which bolted the H-shaped steel beam to the damage concentration member bolted to the H-shaped steel column.

Claims (1)

火災を受ける鉄骨構造物であって、損傷集中部材を介して柱に梁を接合する損傷制御構造専用として、この鉄骨構造物を構成する鉄骨部材を８５０℃での降伏強度が９４ＭＰａ（常温降伏強度の下限比の０．４）以上であって靭性が破面遷移温度ｖＴｒｓ５０で−１２℃以下の耐火鋼材で形成した、７５０〜８５０℃で３０分以上の無耐火被覆が可能な無耐火被覆鉄骨構造物。A steel structure subject to fire, dedicated to a damage control structure that joins a beam to a column via a damage concentrating member, the steel member constituting this steel structure has a yield strength at 850 ° C. of 94 MPa (room temperature yield strength) 0.4) or more of the lower limit ratio of the above , and the toughness is formed of a refractory steel material having a fracture surface transition temperature vTrs50 of -12 ° C or less , and the refractory coated steel frame capable of fireproof coating at 750-850 ° C for 30 minutes or more Structure.

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