JP4156208B2

JP4156208B2 - 無耐火被覆鉄骨構造物

Info

Publication number: JP4156208B2
Application number: JP2001119815A
Authority: JP
Inventors: 忠義岡田; 達也熊谷
Original assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2021-04-18
Also published as: JP2002309671A

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（ＪＩＳＧ３１３６−１９９４）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、ＪＩＳＺ２２４２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。

Claims

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。