(57)【要約】【課題】火災時に高温にさらされる鉄骨部材を無耐火被覆とする鉄骨構造において、特殊な梁継手や骨組構造を用いることなく、火災時の梁の伸び出し量を低減できる、即ち柱部材角（δ／ｈ）を最終的に１／５０以下に抑制できる無耐火被覆鉄骨構造を提供する。【解決手段】鉄骨構造物を構成する無耐火被覆の柱を、常温時の降伏強度により高温時の降伏強度を無次元化した高温降伏強度比ｐが、鋼材温度Ｔ（℃）が６００〜８００℃の範囲で、ｐ≧−０．００２９×Ｔ＋２．４８を満足し、かつ、常温時のヤング係数により高温時のヤング係数を無次元化した高温ヤング係数比ｒが、鋼材温度Ｔ（℃）が６００〜８００℃の範囲で、ｒ≧−０．００１７×Ｔ＋１．７７を満足する高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材で形成し、この柱と接合する梁（合成梁を含む）を、柱形成用の鋼材より常に高温強度及び高温ヤング係数が低い鋼材で形成してなる無耐火被覆鉄骨構造物。【選択図】      図８
2006161275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
火災時に火炎を受けて高温にさらされる鉄骨部材を無耐火被覆とする鉄骨構造物であって、
該鉄骨構造物を構成する無耐火被覆の柱を、常温時の降伏強度により高温時の降伏強度を無次元化した高温降伏強度比ｐ（高温降伏強度／常温降伏強度）が、鋼材温度Ｔ（℃）が６００℃以上８００℃以下の範囲で、
ｐ≧−０．００２９×Ｔ＋２．４８
を満足し、かつ、常温時のヤング係数により高温時のヤング係数を無次元化した高温ヤング係数比ｒ（高温ヤング係数／常温ヤング係数）が、鋼材温度Ｔ（℃）が６００℃以上８００℃以下の範囲で、
ｒ≧−０．００１７×Ｔ＋１．７７
を満足する、高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材で形成し、
該柱と接合する梁を、該柱形成用の鋼材より常に高温強度および高温ヤング係数が低い鋼材で形成したことを特徴とする、無耐火被覆鉄骨構造物。
【請求項２】
前記梁の高温ヤング係数比をｒｂとし、前記柱の高温ヤング係数比をｒｃとするときのこれらの比ｒｂ／ｒｃが、鋼材温度Ｔ（℃）が６００℃以上８００℃以下の範囲で、
ｒｂ／ｒｃ＜０．０５
を満足することを特徴とする、請求項１に記載の無耐火被覆鉄骨構造物。
【請求項３】
前記梁を床スラブと一体化させた合成梁とするとともに、該床スラブに耐火補強筋を配したことを特徴とする、請求項１または２に記載の無耐火被覆鉄骨構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火災時の梁の伸び出し量を低減可能な無耐火被覆鉄骨構造物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄骨構造物が火災を受けた場合には、火災階の梁が熱膨張して、柱を押し出すことにより、柱に大きな部材角が生じ層崩壊に至る可能性がある。このため、平成１２年建設省告示第１４３３号として告示された「耐火性能検証法」において、柱の部材角δ／ｈ（ここで、δは梁の伸び出し量の総和、ｈは階の高さ）を１／５０以下にするために、火災区画の床面積Ｓの規模（火災区画の加熱梁の総延長Ｌ≒√Ｓ）に応じた温度制限を設けている。
また、欧州鋼構造協会（ＥＣＣＳ）が１９８０年に公表した「標準火災加熱に対する鋼構造耐力部材の耐火設計ヨーロッパ基準」や、特許文献１の例では、柱の部材角δ／ｈを１／３０以下とすることが開示されている。梁の伸び出し量を低減できる構造としては、例えば、特許文献２には、梁継手に形状記憶合金を用いて梁の伸び出しをキャンセルすることのできる熱変形吸収構造に関する発明が開示されている。また、特許文献３には、ブレース構面骨組の梁を長期曲げモーメントが小さくなる位置で分割し、この分割梁の分割側の端部を水平方向に摺動自在に接続するスライド継手を設けて梁の伸び出し量を低減させる構造に関する発明が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−３２６１４８号公報（ｐ４の記載）
【特許文献２】特開平０７−０１８７５８号公報（請求項１、図１の記載）
【特許文献３】特開平１０−２４５８８９号公報（請求項１、図１の記載）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献２に記載の発明の構造では、数十ｍｍ以上に達する梁の伸び出し量を吸収させることは困難であり、かつ、高価ということに加えて、梁上部の床スラブに拘束される場合では、熱変形吸収効果が十分に発揮されないなどの問題がある。
また、上記特許文献３に記載の発明の構造においても、対象がブレース構面骨組および分割梁構造に限定され、かつ特殊なスライド継手の採用によるコスト高に加えて、梁上部の床スラブに拘束される場合には、スライド継手の効果が十分に発揮されないなどの問題がある。このため、火災時の梁の伸び出し量を効果的に低減でき、高温強度および高温ヤング係数の高い無耐火被覆構造の鉄骨構造物の実現が課題となっていた。
【０００４】
そこで、本発明は、火災時に高温にさらされる鉄骨部材を無耐火被覆とする鉄骨構造物において、高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材を柱部材に用いることにより、特殊な梁継手や骨組構造を用いることなく、火災時の梁の伸び出し量を低減して、すなわち、柱部材角（δ／ｈ）を最終的に１／５０以下に抑制可能にして層崩壊を有利に防止できる、無耐火被覆鉄骨構造物を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下の（１）〜（３）を要旨とするものである。
（１）  火災時に火炎を受けて高温にさらされる鉄骨部材を無耐火被覆とする鉄骨構造物であって、該鉄骨構造物を構成する無耐火被覆の柱を、常温時の降伏強度により高温時の降伏強度を無次元化した高温降伏強度比ｐ（高温降伏強度／常温降伏強度）が、鋼材温度Ｔ（℃）が６００℃以上８００℃以下の範囲で、ｐ≧−０．００２９×Ｔ＋２．４８を満足し、かつ、常温時のヤング係数により高温時のヤング係数を無次元化した高温ヤング係数比ｒ（高温ヤング係数／常温ヤング係数）が、鋼材温度Ｔ（℃）が６００℃以上８００℃以下の範囲で、ｒ≧−０．００１７×Ｔ＋１．７７を満足する、高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材で形成し、該柱と接合する梁を、該柱形成用の鋼材より常に高温強度および高温ヤング係数が低い鋼材で形成したことを特徴とする、無耐火被覆鉄骨構造物。
（２）  前記梁の高温ヤング係数比をｒｂとし、前記柱の高温ヤング係数比をｒｃとするときのこれらの比ｒｂ／ｒｃが、鋼材温度Ｔ（℃）が６００℃以上８００℃以下の範囲で、ｒｂ／ｒｃ＜０．０５を満足することを特徴とする、上記（１）に記載の無耐火被覆鉄骨構造物。
（３）  前記梁を床スラブと一体化させた合成梁とするとともに、該床スラブに耐火補強筋を配したことを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の無耐火被覆鉄骨構造物。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、火災を受ける可能性のある鉄骨構造物において、柱を６００〜８００℃で十分な高温強度と高温ヤング係数を有する鋼材で形成して、梁を柱より高温強度、高温ヤング係数の低い鋼材、例えば従来鋼で形成することにより、特殊な梁継手や骨組構造を用いることなく火災時の梁の伸び出し量を低減して、柱部材角を最終的に１／５０以下に抑えることができ、火災による６００〜８００℃高温時においても層崩壊を生じない、無耐火被覆構造の鉄骨構造物を安定的に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、概念的には、火災を受ける可能性のある鉄骨構造物において、柱を６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数の高い鋼材で形成して無耐火被覆構造を可能にするとともに、この柱と接合する梁を、上記柱形成用の鋼材より常に高温強度および高温ヤング係数が低い鋼材で形成して、火災時に伸びる梁の端部を高温剛性の大きい柱によって拘束して梁を撓ませることにより、梁の伸び出しによる柱の強制変形を抑制し、柱部材角（δ／ｈ）を最終的に１／５０以下に抑制して層崩壊を防止するものである。
本発明者らは、本発明に至る事前検討において、火災により高温に加熱された場合でも無耐火被覆構造で十分に耐えられる鉄骨構造物を実現するためには、６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材が必要であるが、このような鋼材を柱と梁に同時に使用した場合には、火災時の梁の伸び出しによって、柱に大きな押出力が作用して柱が強制変形を受け、柱部材角（δ／ｈ）が１／５０以上、条件によってはさらに１／３０以上になって、層崩壊が生じやすくなるという知見を得た。
【０００８】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、より具体的には、以下の（１）〜（３）を要旨とするものである。
（１）  請求項１に記載の本発明では、鉄骨構造物を構成する無耐火被覆の柱を、常温時の降伏強度により高温時の降伏強度を無次元化した高温降伏強度比ｐ（高温降伏強度／常温降伏強度）が、鋼材温度Ｔ（℃）が６００℃以上８００℃以下の範囲で、ｐ≧−０．００２９×Ｔ＋２．４８を満足し、かつ、常温時のヤング係数により高温時のヤング係数を無次元化した高温ヤング係数比ｒ（高温ヤング係数／常温ヤング係数）が、鋼材温度Ｔ（℃）が６００℃以上８００℃以下の範囲で、ｒ≧−０．００１７×Ｔ＋１．７７を満足する高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材（以下、上記高温降伏強度比ｐおよび高温ヤング係数比ｒの条件を満たす本発明に適合した鋼材を、単に「（６００〜８００℃での）高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材」とも言う。）で形成し、この柱と接合する梁を、柱形成用の鋼材より常に高温強度および高温ヤング係数が低い鋼材、例えばＳＭ４９０Ａ（ＪＩＳ  Ｇ  ３１０６）、ＳＮ４９０Ｂ（ＪＩＳ  Ｇ  ３１３６）などの従来鋼材で形成することにより、火災時に伸びる梁の端部を柱によって拘束して梁を撓ませることにより、梁の伸び出し量を低減して、梁の伸び出しによる柱の強制変形を抑制し、柱部材角（δ／ｈ）を最終的に１／５０以下に抑制する。
ここで、ｐ≧−０．００２９×Ｔ＋２．４８、および、ｒ≧−０．００１７×Ｔ＋１．７７の条件は、火災により６００〜８００℃へ加熱された高温時でも十分な降伏強度および高温剛性を確保して無耐火被覆構造を実現する重要な条件となるものである。
【０００９】
この柱に接合する梁の条件としては、柱を上記の条件を満足する鋼材で形成した場合において、火災時の梁の伸び出しが、柱部材角（δ／ｈ）が最終的に１／５０以下になるように端部が柱で拘束される（梁が伸びても撓むことにより伸び出し量が低減する）必要があることから、梁は柱形成用の鋼材より常に高温強度および高温ヤング係数が低い鋼材で形成することが重要な条件になる。
なお、本発明で対象となる柱は、角形または円形の鋼管（溶接管を含む）やＨ形鋼などで構成され、また、梁は、Ｈ形鋼で構成される。この柱と梁の接合は、通常の場合、接合金物やダイアフラムを使用したボルト接合や、溶接接合またはボルト接合と溶接接合の併用により行われるが、いずれを組み合わせた場合にも本発明の適用は可能である。
【００１０】
（２）  さらに、請求項２に記載の本発明では、梁を、柱の高温ヤング係数比ｒｃにより梁の高温ヤング係数比ｒｂを除したｒｂ／ｒｃが、鋼材温度Ｔ（℃）が６００℃以上８００℃以下の範囲で、ｒｂ／ｒｃ＜０．０５となる温度域を有する（６００〜８００℃の範囲の、ある温度を境界にして、ｒｂ／ｒｃ≧０．０５からｒｂ／ｒｃ＜０．０５へ切り替わる）、柱形成用の鋼材より常に高温強度および高温ヤング係数が低い鋼材で形成することにより、火災時の梁の伸び出し量が、梁が自由膨張した場合の１割程度まで低減できる構造とすることができる。
【００１１】
（３）  請求項３に記載の本発明では、梁が、床スラブと合成梁｛コンクリートからなる床スラブと鉄骨梁とを頭付きスタッド（ＪＩＳ  Ｂ  １１９８）などの剪断ずれ止めで接合することにより、梁と床スラブが一体となって曲げに抵抗する構造（日本建築学会：各種合成構造設計指針・同解説、１９８５年）を有する梁を意味し、以下これを「合成梁」という。｝を形成する場合に、床スラブのコンクリートの熱容量により、梁の伸び出し量をさらに低減できる。さらに、床スラブに耐火補強筋を配して上階床に対する耐荷力を増すことにより、高温時に梁が強度喪失しても水平防火区画としての床の機能を損なわないようにして、伸び出し量をさらに低減できる構造とするものである。
【００１２】
なお、本発明の柱を形成する鋼材としては、一般的な火災で想定される１時間程度の比較的短時間の６００〜８００℃の高温暴露において、上記（１）に記載される高温降伏強度比ｐおよび高温ヤング係数比ｒの範囲を満足する鋼材を用いる必要がある。このような鋼材としては、例えば、国際特許公開ＷＯ０３／０８７４１４号公報記載の発明のような、「質量％で、Ｃ：０．００５％以上０．０８％未満、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．１〜１．６％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｎｂ：０．０３〜０．３％、Ｔｉ：０．０２５％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００３％、Ａｌ：０．０６％以下、Ｎ：０．００６％以下を含有し、さらに必要に応じて特定量のＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｍｇ等の強化元素を含有し、かつ、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材」が、溶接性、コスト上昇回避の観点から適性が高いものである。
【００１３】
しかし、必ずしもこのような鋼材に限定される訳ではなく、溶接性、コスト上昇がそれほど問題とならない場合には、例えば、オーステナイト系耐熱鋼であるＳＵＨ６６０（ＪＩＳ  Ｇ  ４３１２）のような、「質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：２．００％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：２４．００〜２７．００％、Ｍｏ：１．００〜１．５０％、Ｔｉ：１．９０〜２．３５％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ａｌ：０．３５％以下、Ｂ：０．００１〜０．０１０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材」を用いることも可能である。このＳＵＨ６６０規格の鋼材は、例えば特開昭６０−２２１５５６号公報ないし特開平７−２３８３４９号公報に記載の発明を参照すれば、本発明で規定する６００〜８００℃での高温降伏強度比ｐの範囲を満足するものであり、また、文献「ステンレス鋼便覧」（長谷川正義監修：日本工業新聞社、１９７３年、図２．１２）を参照すれば、本発明で規定する６００〜８００℃での高温ヤング係数比ｒの範囲を満足するものであることが分かる。
【００１４】
従来、６００℃以上での高温強度を有する鋼材は、一般に耐火鋼と呼称されており、例えば、特開平２−７７５２３号公報に記載の発明では、６００℃で常温降伏強度の２／３以上（約７０％）の高温強度を有する耐火鋼が提案されている。その他の耐火鋼に関する発明の例でも、６００℃での降伏強度を常温降伏強度の２／３以上とすることが一般的となっている。
しかしながら、７００℃の耐火鋼、８００℃の耐火鋼は、現時点では高温強度の設定（常温降伏強度との比率）に一般則が見られない。例えば、特開平１０−６８０４４号公報に記載の発明では、所定量のＭｏとＮｂを添加した鋼材でミクロ組織をベイナイトとすることにより、７００℃での降伏強度を、常温降伏強度の５６％以上にするものであるが、８００℃での降伏強度は示されていない。
【００１５】
すなわち、これらの例のように６００℃程度の高温強度を確保した鋼材は既に市場でも使用されており、７００℃程度の高温強度を確保する鋼材の発明もなされているが、火災時の梁の伸び出し量を低減し無耐火被覆構造を可能とすることを前提として、７００℃、８００℃での高温強度を確保した鋼材を用いた鉄骨構造物は従来なかったといえる。
耐火設計においては、火災継続時間内（１時間程度）で高い強度を維持すればよく、従来の耐熱鋼のように長時間の高温強度を維持する必要はなく、比較的短時間の高温強度を維持すればよい。例えば、８００℃での保持時間が３０分程度の短時間、降伏強度が確保できれば、本発明でいう８００℃耐火鋼として十分利用できる。
【００１６】
従来の６００℃耐火鋼では、高温降伏強度が常温時の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すれば、常温時の降伏強度から高温時の降伏強度を無次元化した高温降伏強度比ｐ（高温降伏強度／常温時降伏強度）が、鋼材温度Ｔ（℃）が６００℃以上８００℃以下の範囲でｐ≧−０．００２９×Ｔ＋２．４８を満足することが必要となる（後述する図６参照。）。言い換えると、実績の高温降伏強度比（ｐ）が、上式に基づけば、６００℃でｐ≧０．７４、７００℃でｐ≧０．４５、８００℃でｐ≧０．１６を満足すればよい。
また、高温降伏強度比ｐと、常温時のヤング係数から高温時のヤング係数を無次元化した高温ヤング係数比ｒ（高温ヤング係数／常温ヤング係数）を比較すると、同一温度ではｐよりｒの方が低下の割合が緩やか、すなわちｐ＜ｒの関係にあることが知られている。本発明では、ｒが６００℃でｐ≒ｒとし、さらにｐの降下勾配（０．００２９）とｒの降下勾配の比が３／５程度となるように仮定すると、ｒが、鋼材温度Ｔ℃が６００℃以上８００℃以下の範囲でｒ≧−０．００１７×Ｔ＋１．７７を満足することが必要となる（後述する図７参照。）。言い換えると、実績の高温ヤング係数比（ｒ）が、上式に基づけば、６００℃でｒ≧０．７５、７００℃でｒ≧０．５８、８００℃でｒ≧０．４１を満足すればよい。
【００１７】
本発明では、柱に６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材を用いる一方で、梁には前記鋼材より常に高温強度および高温ヤング係数が低い鋼材、例えばＳＭ４９０Ａ（ＪＩＳ  Ｇ  ３１０６）、ＳＮ４９０Ｂ（ＪＩＳ  Ｇ  ３１３６）などの従来鋼、ないしユーロコード３（１９９３年）「鉄骨造建築物の設計」の「耐火構造設計」中の「一般鋼」（以下、これらを総称して単に従来鋼とも言う。）を用いることも主要な発明特定事項である。例えば、柱、梁ともに６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材を用いた場合、梁が相対的に強く高温時の剛性も高くなるため、却って梁の伸び出し量が大きくなってしまい、火災による昇温過程の比較的早い段階で柱の部材角制限（例えば１／５０）を超過して層崩壊に至る懸念が大となる。また、柱に６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材を用い、梁に従来鋼を通常の被覆厚で耐火被覆して用いた場合でも、耐火被覆により梁鋼材温度の上昇が遅延することに伴い上記無耐火被覆の例以上に梁が強くなってしまう一方で、梁鋼材温度の上昇を全く回避できる訳ではないので梁の伸び出し問題を回避できない。この場合、梁の耐火被覆厚さを通常の被覆厚さよりさらに吹き増して梁の温度上昇に伴う伸び出しを抑制するなどの対策を施さざるを得ない。
そこで、本発明では、柱を６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材で形成し、梁を柱形成鋼材より高温強度および高温ヤング係数が低い、例えばＳＭ４９０Ａ、ＳＮ４９０Ｂや、ユーロコード３の一般鋼などの従来鋼材で形成し、特殊な梁継手や骨組構造を用いることなく、火災時の梁の伸び出し量を低減できる構造を、無耐火被覆構造として新たに提供するものである。
【００１８】
本発明が適用可能な火災時の室内雰囲気温度（火災温度）の上限は、鋼製柱に６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材を用い、かつ、鋼材の裸使用（無耐火被覆）であっても、鋼材の熱容量を考慮すれば、８００℃を大きく超える９５０℃程度とすることができる。さらに、仕上げボード材の熱遮蔽効果を期待できる場合の火災温度の上限は、鋼材の熱容量を考慮した火災温度適用範囲の拡大効果と相まって、１１５０℃程度とすることができる。なお、ここでの適用可能な火災温度の上限は、具体的な事例に即した部材実験や熱伝導解析等により確認することができる。
以下に、本発明の技術的思想についてさらに詳述する。
【００１９】
［１．梁の伸び出し量低減の考え方］
（１ａ）梁の伸び出しと高温時ヤング係数
火災時に建築物が層崩壊することは許容できないから、少なくとも柱の熱応力による損傷は極力回避する必要がある。そこで、本発明では、柱に許容できない強制変形が起こる以前に、梁に局部破壊を生じさせて柱の熱応力を緩和すればよいという耐火設計の考え方を採用する。
すなわち、火災時には、梁に対して柱が拘束を与えると考えられるので、柱の剛性を高めて梁の材端拘束度を大にして、梁を意図的に早期に局部破壊させて熱応力の緩和を図り、柱が外側に大きく押し出されるような強制変形を防止することが建築物の層崩壊を回避するうえで有効である。なお、この場合、望ましくは床スラブに耐火補強筋などを配しておき、梁の局部破壊後も、上階床に対する耐荷力を維持し、水平防火区画としての床の機能を損なわないようにする。このようにすれば、梁が高温時に強度喪失しても、床の荷重は柱に直接伝達されるため、床崩壊を回避することが可能となる。
【００２０】
図１（ａ）、（ｂ）に梁の材端拘束度と熱変形の関係を示す。まず、図１（ａ）は、柱に６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材を用い、梁に前記鋼材より常に高温強度および高温ヤング係数が低い従来鋼材を用いた場合を示す。同図より、柱による梁の材端拘束度を大きくして梁の伸び出しを小さくすることによって、柱の強制変形を小さくし柱部材角δ／ｈを１／５０以下に小さくして層崩壊を防止できることが分かる。
一方、図１（ｂ）は、柱と梁に同レベルの高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材を用いた場合を示す。この場合、柱による梁の材端拘束度が小さく、梁の伸び出しが大きくなり、柱の強制変形が大きくなることによって、柱部材角δ／ｈが１／５０より大幅に大きくなり、層崩壊が生じやすくなることが分かる。このような現象の発生を回避する必要があることは言うまでもない。
【００２１】
（１ｂ）梁の伸び出し量の算定方法
火災時の加熱により梁温度が均等にＴ℃まで上昇して、熱応力σｔを生じたとすると、この時の梁の歪εｔ、熱膨張による梁の見掛け上の伸び率ａの相互には下記式の関係が成り立つ。
σｔ＝Ｅｔｂ×εｔ                                        （１）
ａ＝ｂ×Ｔ−εｔ                                          （２）
ここに、σｔ：高温時の梁の熱応力（Ｎ／ｍｍ２）
εｔ：高温時の梁の歪
Ｅｔｂ：高温時の梁のヤング係数（＝ｒｂ×Ｅｂ）（Ｎ／ｍｍ２）
Ｅｂ：常温時のヤング係数（Ｎ／ｍｍ２）
ｒｂ：高温時の梁の高温ヤング係数比（ただし０＜ｒｂ≦１）
ａ：梁の見掛け上の伸び率
ｂ：線膨張係数（＝１．２×１０−５）
Ｔ：高温時の鋼材温度（℃）
【００２２】
一方、高温時の梁の材端弾性固定係数（バネ定数）をｋとすると、梁の熱応力σｔは、次式で表される。
σｔ＝ｋ×ｌ／Ａｂ×ａ                                    （３）
ここに、  ｋ：高温時の梁の材端弾性固定係数（バネ定数）（Ｎ／ｍｍ）
Ａｂ：梁の断面積（ｍｍ２）
ｌ：梁の長さ（ｍｍ）
ただし、ｋは、図２に示す火災時変形のモデルを基に式（４）で求める。なお、柱は高温時においても長期荷重に対して十分な軸耐力を有するものとする。
ｋ＝１／（１／ｋｕ＋１／ｋｄ）＝２４×Ｅｃ×Ｉｃ
×｛ｒｃ／（１＋ｒｃ）｝／［（ｈ−ｄｂ）×｛（ｈ−ｄｂ）２
＋１０．４×ｄｃ２｝］                                （４）
ここに、ｋｕ：火災階の上階柱（常温）による梁の材端拘束度（Ｎ／ｍｍ）
１／ｋｕ＝（ｈ−ｄｂ）３／（２４×Ｅｃ×Ｉｃ）
＋（ｈ−ｄｂ）／（Ｇｃ×Ａｃ）
＝（ｈ−ｄｂ）×｛（ｈ−ｄｂ）２＋１０．４×ｄｃ２｝
／（２４×Ｅｃ×Ｉｃ）
ｈ：階の高さ（ｍｍ）
ｄｂ：梁のせい（梁の上下フランジの中心間距離）（ｍｍ）
Ｅｃ：常温時の柱のヤング係数（Ｎ／ｍｍ２）
Ｉｃ：柱の断面二次モーメント（＝Ａｃ×ｄｃ２／６）（ｍｍ４）
Ｇｃ：常温時の柱の剪断弾性係数（＝Ｅｃ／２．６）（ｍｍ３）
Ａｃ：柱の断面積（ｍｍ２）
ｄｃ：柱のせい（柱の左右フランジの中心間距離）（ｍｍ）
ｋｄ：火災階の柱（高温）による梁の材端拘束度（Ｎ／ｍｍ）
１／ｋｄ＝（ｈ−ｄｂ）
×｛（ｈ−ｄｂ）２＋１０．４×ｄｃ２｝
／（２４×Ｅｔｃ×Ｉｃ）
Ｅｔｃ：高温時の柱のヤング係数（＝ｒｃ×Ｅｃ）（Ｎ／ｍｍ２）
ｒｃ：高温時の柱の高温ヤング係数比（ただし０＜ｒｃ≦１）
【００２３】
式（１）に式（２）〜（４）を代入して、火災時の梁の見掛け上の伸び率ａが求まる。
ａ＝ｂ×Ｔ／｛１＋ｋ×（ｌ／Ａｂ）／Ｅｔｂ｝
＝ｂ×Ｔ／（１＋２４×Ｉｃ×ＬＡＢ×ＲＣＢ／ＨＤＣ）    （５）
ここに、Ｅｃ／Ｅｄ＝１．０
また、式表現の簡略化のために、次のＬＡＢ、ＲＣＢ、ＨＤＣの符号を用いた。
ＬＡＢ＝ｌ／Ａｂ
ＲＣＢ＝ｒｃ／｛（１＋ｒｃ）×ｒｂ｝
ＨＤＣ＝（ｈ−ｄｂ）×｛（ｈ−ｄｂ）２＋１０．４×ｄｃ２｝
よって、火災時の梁の伸び出し量の総和δが、次のように求められる。
δ＝ａ×Ｌ
＝ｂ×Ｔ×Ｌ／（１＋２４×ｎ×Ｉｃ×ＬＡＢ×ＲＣＢ／ＨＤＣ）    （６）
ここに、Ｌ：火災区画の梁の総延長（＝ｎ×ｌ）（ｍｍ）
ｎ：火災区画の梁のスパン数（ここでは各梁の長さはすべて同一とする。）
【００２４】
例えば、柱、梁ともに従来鋼を用いた場合、柱：□−４００×１９、梁：Ｈ−６００×２００×１１×１７、階の高さ（ｈ）：４ｍ、各梁の長さ（ｌ）１２ｍ、火災区画の加熱梁の総延長（Ｌ）：２４ｍとすれば、ｄ＝３８．１ｃｍ、ｄｂ：５８．３ｃｍ、Ａｂ＝１３１．７ｃｍ２、Ｉｃ＝６６，６００ｃｍ４、ＬＡＢ＝９．１１／ｃｍ、ＨＤＣ＝４５，１００，０００ｃｍ３であり、５５０℃でｒｃ＝ｒｂ＝０．３２５（表１参照）であるから、ＲＣＢ＝０．７５となる。
よって、温度（Ｔ）が５５０℃の時点で梁の伸び出し量の総和δは、δ＝１０．６ｃｍとなり柱部材角１／５０（δ＝８．０ｃｍ）を大きく超えてしまう。
ちなみに、柱に高温強度および高温ヤング係数の高い鋼材、梁に従来鋼を用いた場合は、同じ５５０℃でｒｃ＝０．８３５、ｒｂ＝０．３２５（表１参照）であるから、ＲＣＢ＝１．４となる。この結果、梁の伸び出し量の総和δは、δ＝８．３ｃｍとなり柱部材角１／５０を僅かに超える程度となる。
【００２５】
これらのことは、以下のように説明できる。
式（６）の分子は、梁の自由膨張による伸び出し量を示す一方、分母は、１＋０．６４６×ＲＣＢとなる。このとき、次の２通りに分けて考える。
（ｉ）高温時にｒｃ＝ｒｂの場合（高温時に柱と梁のヤング係数が同じ場合）
ＲＣＢ＝１／（１＋ｒｃ）となり、０＜ｒｃ≦１であることから、０．５≦ＲＣＢ＜１．０となる。よって式（６）の分母は、１．３３≦分母＜１．６５となるため、梁の伸び出し量の総和δは、梁が自由膨張した場合の０．６１〜０．７５倍程度の低減（最大でも６割程度の低減）に留まる。
（ｉｉ）高温時にｒｃ＞ｒｂの場合（高温時に柱より常に梁のヤング係数が低い場合）
ＲＣＢ＝｛１／（１＋ｒｃ）｝／（ｒｂ／ｒｃ）となり、上記（ｉ）の場合をさらに、ｒｂ／ｒｃで除している点が異なる。このｒｂとｒｃとの比（ｒｂ／ｒｃ）は、一般に数％程度になると無視できるほど小さい値であると見なせることから、本発明ではこの判断境界を５％未満に設定することとする。そこで、高温時において、ｒｂ／ｒｃ＜０．０５となる温度域が存在する（ある温度を境界にして、ｒｂ／ｒｃ≧０．０５からｒｂ／ｒｃ＜０．０５へ切り替わる）とすれば、上記（ｉ）より０．５≦１／（１＋ｒｃ）＜１．０であることから、１０．０＜ＲＣＢ＜２０．０となる。よって式（６）の分母は、７．４６＜分母＜１３．９となるため、梁の伸び出し量の総和δは、梁が自由膨張した場合の０．０７〜０．１３倍程度（１割程度）まで低減されることになる。
このことは、柱を６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材で形成し、この柱と接合する梁を、柱形成用の鋼材より常に高温強度および高温ヤング係数の低い鋼材、ここでは６００〜８００℃の範囲でｒｂ／ｒｃ＜０．０５となる温度域を有する（６００〜８００℃の範囲のある温度を境界にして、ｒｂ／ｒｃ≧０．０５からｒｂ／ｒｃ＜０．０５へ切り替わる）鋼材で形成することにより、火災時の梁の伸び出し量が、梁が自由膨張した場合の１割程度まで低減できることを示している。
【００２６】
［２．合成梁による梁の伸び出し量の考え方］
梁を合成梁とした場合、床スラブのコンクリートの熱容量により、コンクリートの上昇温度は鉄骨梁より小さくなり、梁の伸び出し量は前述した場合より低減される。文献「ＦＲ鋼の耐熱性能とこれを用いた合成梁の耐火性能」（窪田伸ほか：日本建築学会大会学術講演梗概集、１９９９．９、ｐｐ．４３〜４６）より転載した、合成梁試験体の梁温度と床スラブ上面（スラブ裏面）温度の例を図３（ａ）に示す。図３（ｂ）は、ここで用いた合成梁試験体と加熱実験装置例を示すものである。図３（ａ）に示すように、梁（ここではＨ−４００×２００×８×１３）の下フランジおよびウエブの温度が約６００℃の場合でも床スラブ上面は約５０℃に留まっている。
【００２７】
また、一般に梁では全断面一様の温度上昇を仮定するが、合成梁の場合、床スラブの熱容量のため、梁の下フランジから上フランジにかけて、梁断面の高さ方向に温度勾配が生じる。このため、梁に全断面一様の鋼材温度を仮定した場合に比べて、実際の梁の鋼材温度（平均値）は低くなり、梁の伸び出し量は前述した場合よりさらに低減される。
図３（ａ）から、載荷開始時の梁の最高温度は、ウエブおよび下フランジの約６００℃であるが、上フランジが約４５０℃のため、その平均値は約５５０℃となっており、最高温度から約１０％低くなっていることが分かる。
梁断面の高さ方向での温度勾配を考慮した場合、梁には熱たわみが生じるため、梁端部には、この熱たわみを拘束する曲げモーメントが生じ、これより梁端部は温度勾配を配慮しない場合に比べ早期に塑性化（局部座屈発生）する。このため、梁のたわみは大きくなり、同時に柱が受ける梁からの押し出し量は小さくなる。
【００２８】
図４に、梁端部の座屈発生時の変形を示す。この図から局部座屈発生の結果、梁の伸び出し量は減少することが分かる。さらに梁温度が上昇すると、梁は大きく柱にぶら下がるような状態になり、一度外側に大きく押し出された柱は逆に内側に引き戻される。その後、温度を上昇させると、最終的に荷重を支えきれなくなり崩壊（３ヒンジ状態）に至る。図５に３ヒンジ形成時の変形を示す。この図から梁の伸び出し量がさらに減少することが分かる。
【実施例１】
【００２９】
本発明で柱形成用として適性が高いものとする６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材の一例として準備した０．０２％Ｃ−０．１％Ｓｉ−０．４％Ｍｎ−０．００４％Ｐ−０．００４％Ｓ−０．０１％Ａｌ−１．１％Ｍｏ−０．０５％Ｎｂ−０．０１％Ｔｉ−０．００１％Ｂ−０．００４％Ｎ、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼材に関して、ｐ（高温降伏強度／常温降伏強度）およびｒ（高温ヤング係数／常温ヤング係数）の測定例を図６、７に示す。なお、高温降伏強度はＪＩＳ  Ｇ  ０５６７−１９９８「金属材料および耐熱合金の高温引張試験方法」に、高温ヤング係数はＪＩＳ
Ｚ  ２２８０−１９９３「金属材料の高温ヤング率試験方法」の押し当て式変位法によっている。
【００３０】
図６より、本発明に適合する柱形成用鋼（図中●印）は、常温と高温の降伏強度比（ｐ）が、鋼材温度Ｔ（℃）が６００℃以上８００℃以下の範囲で、ｐ≧−０．００２９×Ｔ＋２．４８を満足している。一方、ユーロコード３（１９９３）に示される一般鋼（図中○印）は、同様にｐ≧−０．００１４×Ｔ＋１．０を満足しており、本発明に適合する柱形成用鋼は一般鋼より格段に高温降伏強度比が緩やかとなっていることが分かる。
図７より、本発明に適合する柱形成用鋼（図中●印）は、常温と高温のヤング係数比（ｒ）が、鋼材温度Ｔ（℃）が６００℃以上８００℃以下の範囲で、ｒ≧−０．００１７×Ｔ＋１．７７を満足している。一方、ユーロコード３（１９９３）に示される一般鋼（図中○印）は、同様にｒ≧−０．００１５×Ｔ＋１．１５を満足しており、本発明に適合する柱形成用鋼は一般鋼より格段に高温ヤング係数比が緩やかとなっていることが分かる。
以上のことは、本発明で柱形成用として適性が高いものとする鋼材が、高温強度が高く、かつ高温ヤング係数も高く、柱材として用いた場合に、火災時の梁の伸び出し量を低減し無耐火被覆構造とできることを示している。
【実施例２】
【００３１】
実施例１で示したような本発明で柱形成用として適性が高いものとする６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材と従来鋼を、柱、梁に用いた場合について、式（６）に基づく梁の伸び出し量δと鋼材温度（Ｔ℃）との関係を図８に示す。なお、ここでは、高温時の柱の高温降伏強度比ｐが０．２に達した時点で軸耐力の保持能力を喪失したとして計算をストップしている。
表１に、本発明例および比較例１、２で、柱と梁に使用した鋼材の高温降伏強度比ｐおよび高温ヤング係数比ｒを示す。なお、従来鋼のｐ、ｒは、ユーロコード３（１９９３）を参照して設定している。
【００３２】
【表１】
2006161275.tif 000003
【００３３】
図８は、柱：□−４００×１９、梁：Ｈ−６００×２００×１１×１７、階の高さ（ｈ）：４ｍ、各梁の長さ（ｌ）：１２ｍ、火災区画の加熱梁の総延長（Ｌ）：３６ｍの場合の鋼材温度と梁の伸び出し量δの関係を示すものである。図８より、柱、梁ともに従来鋼で形成した比較例１、柱、梁ともに６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材で形成した比較例２の場合いずれも、鋼材温度（Ｔ℃）が上昇するにつれて梁の伸び出し量δが増大して、温度が約３００℃で柱部材角が１／５０を、約５００℃で柱部材角が１／３０を超えることが分かる。
【００３４】
一方、柱を６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材で形成し梁を従来鋼で形成した本発明例は、鋼材温度の上昇につれて梁の伸び出し量δが増大して、一旦、柱部材角が１／５０を超えるものの、５００℃でピークを迎えた後、梁の剛性低下が顕著になって梁の伸び出し量δが急激に減少して、最終的に柱部材角がほぼゼロとなることが分かる。
このことは、柱を６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材で形成し、火災時による高温に対して無耐火被覆構造を可能にするとともに、梁を柱形成鋼より高温強度および高温ヤング係数が低い鋼材で形成し、火災時の梁の伸び出しによる柱の強制変形を抑制することによって、柱部材角を最終的に１／５０以下に抑制することができ、火災時の層崩壊を防止できることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】梁の材端拘束度と熱変形の関係を示す説明図で、（ａ）図は、梁の材端拘束度が大きい場合を示し、（ｂ）図は、梁の材端拘束度が小さい場合を示す。
【図２】火災時の梁の伸び出しによる柱−梁の変形モデルを示す側面説明図。
【図３】（ａ）図は、合成梁の各部位の温度例を示す説明図、（ｂ）図は、（ａ）図の温度を測定するために用いた加熱実験装置例と合成梁試験体例を示す断面説明図。
【図４】梁の伸び出し量を減少させる、梁端部の座屈発生時の変形例を示す説明図。
【図５】梁の伸び出し量をさらに減少させる、３ヒンジ形成時の変形例を示す説明図。
【図６】本発明に適合する柱形成用鋼と一般鋼における試験温度と高温降伏強度比との関係を示す説明図。
【図７】本発明に適合する柱形成用鋼と一般鋼における試験温度と高温ヤング係数比との関係を示す説明図。
【図８】実施例１における本発明例と比較例での鋼材の温度と梁の伸び出し量との関係を示す説明図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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