(57)【要約】【課題】鉄骨の耐火被覆を合理的に薄くすることを可能にする鉄骨の耐火被覆構造を提供する。【解決手段】上フランジ１ａと下フランジ１ｂとウェブ１ｃとを備える鉄骨１の耐火被覆構造Ａであって、耐火被覆材を複数積層（２ａ、２ｂ）して耐火被覆２を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上フランジと下フランジとウェブとを備える鉄骨の耐火被覆構造であって、
耐火被覆材を複数積層して耐火被覆が形成されていることを特徴とする鉄骨の耐火被覆構造。
【請求項２】
請求項１記載の鉄骨の耐火被覆構造において、
前記耐火被覆は、火災時に外側から耐火被覆材が加熱されるとともに隣り合う耐火被覆材の間に中空層となる空間が形成されるように構成されていることを特徴とする鉄骨の耐火被覆構造。
【請求項３】
請求項１記載の鉄骨の耐火被覆構造において、
隣り合う耐火被覆材の間に中空層となる空間を設けて、前記耐火被覆が形成されていることを特徴とする鉄骨の耐火被覆構造。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の鉄骨の耐火被覆構造において、
鉄骨側の内側の耐火被覆材の厚さに対し外側の耐火被覆材の厚さを小にして、前記耐火被覆が形成されていることを特徴とする鉄骨の耐火被覆構造。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の鉄骨の耐火被覆構造において、
火災時の加熱による外側且つ下側の耐火被覆材のたるみ量を制御するための下側耐火被覆材のたるみ制御機構を備えることを特徴とする鉄骨の耐火被覆構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄骨の耐火被覆構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１２８８４４号公報
【特許文献２】特開２０１３−０８７４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、火災時における鉄骨梁の鋼材の温度上昇の抑制効果は、鉄骨梁の周囲に施す断熱性能のある耐火被覆材の厚さを厚くするほど増すと言えるが、耐火被覆が厚いほど天井内の梁の占有高さが大きくなるため、天井高さが低くなり、使用性・居住性が低下する。
【０００５】
また、通常、梁貫通部の内周には、梁に施される耐火被覆と同じ厚さの被覆を施工するため、耐火被覆材を厚くするほど、貫通孔の有効径が小さくなってしまう。
【０００６】
さらに、耐火被覆が厚くなるほど、施工効率（単位時間あたりの施工面積など）が低下する。また、耐火被覆材料の使用量が増えるため、材料コストが増加する。
【０００７】
このような不都合を逆の側面から見ると、耐火被覆を合理的に薄くすることができれば、上記のデメリットを解決することができ、逆に天井高の増大、貫通孔の有効径の増大、施工の省力化、コスト縮減を図ることができることになる。よって、鉄骨梁の耐火被覆を合理的に薄くすることが可能な手法の開発が強く望まれていた。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑み、鉄骨の耐火被覆を合理的に薄くすることを可能にする鉄骨の耐火被覆構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
本発明の鉄骨の耐火被覆構造は、上フランジと下フランジとウェブとを備える鉄骨の耐火被覆構造であって、耐火被覆材を複数積層して耐火被覆が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の鉄骨の耐火被覆構造において、前記耐火被覆は、火災時に外側から耐火被覆材が加熱されるとともに隣り合う耐火被覆材の間に中空層となる空間が形成されるように構成されていることが望ましい。
【００１２】
本発明の鉄骨の耐火被覆構造においては、隣り合う耐火被覆材の間に中空層となる空間を設けて、前記耐火被覆が形成されていてもよい。
【００１３】
本発明の鉄骨の耐火被覆構造においては、鉄骨側の内側の耐火被覆材の厚さに対し外側の耐火被覆材の厚さを小にして、前記耐火被覆が形成されていることがより望ましい。
【００１４】
本発明の鉄骨の耐火被覆構造においては、火災時の加熱による外側且つ下側の耐火被覆材のたるみ量を制御するための下側耐火被覆材のたるみ制御機構を備えることがさらに望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の鉄骨の耐火被覆構造においては、鉄骨の耐火被覆を合理的に薄くすることができ、天井高の増大、貫通孔の有効径の増大、施工の省力化、コスト縮減を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る鉄骨の耐火被覆構造を示す断面図である。
【図２】従来の鉄骨の耐火被覆構造を示す断面図である。
【図３】実証実験で用いた鉄骨を示す正面図である。
【図４】図３のＸ１−Ｘ１線矢視図であり、実証実験で用いた鉄骨を示す断面図である。
【図５】実証実験で用いた本発明の一実施形態に係る鉄骨の耐火被覆構造を備える試験体を示す正面図であり、（ａ）が１層目（鉄骨側の内側）の耐火被覆層を被覆した状態、（ｂ）が２層目（外側）の耐火被覆層を被覆した状態を示す図である。
【図６】図５のＸ１−Ｘ１線矢視図であり、実証実験で用いた本発明の一実施形態に係る鉄骨の耐火被覆構造を備える試験体を示す断面図である。
【図７】実証実験における加熱曲線を示す図である。
【図８】実証実験の結果を示す図であり、炉内温度と時間の関係を示す図である。
【図９】実証実験の結果を示す図であり、加力点における試験体鋼材温度と時間の関係を示す図である。
【図１０】実証実験の結果を示す図であり、スパン中央における試験体鋼材温度と時間の関係を示す図である。
【図１１】実証実験の結果を示す図であり、加力点における試験体鋼材温度と時間の関係を示す図である。
【図１２】実証実験の結果を示す図であり、荷重の経時変化を示す図である。
【図１３】実証実験の結果を示す図であり、時間とたわみ量の関係を示す図である。
【図１４】実証実験の結果を示す図であり、時間とたわみ速度の関係を示す図である。
【図１５】鋼材温度の経時変化に関する実験結果と解析結果（厚さ５０ｍｍ×１層被覆）を比較した図である。
【図１６】耐火被覆の層間に中空層を設けた解析モデル（試験体の１／２断面）を示す図である。
【図１７】鋼材温度の経時変化に関する実験結果と解析結果（厚さ２５ｍｍ×２層被覆）を比較した図である。
【図１８】鋼材温度の経時変化に関する「厚さ５０ｍｍ×１層被覆」と「厚さ２５ｍｍ×２層被覆」の解析結果を比較した図である。
【図１９】耐火被覆の層間に中空層を設けた解析モデルを示す図である。
【図２０】中空層の層間距離Ｄ＝０ｍｍの場合の温度と時間の関係を示す図である。
【図２１】中空層の層間距離Ｄ＝２ｍｍの場合の温度と時間の関係を示す図である。
【図２２】中空層の層間距離Ｄ＝５ｍｍの場合の温度と時間の関係を示す図である。
【図２３】中空層の層間距離Ｄ＝１０ｍｍの場合の温度と時間の関係を示す図である。
【図２４】中空層の層間距離Ｄ＝２０ｍｍの場合の温度と時間の関係を示す図である。
【図２５】中空層の層間距離Ｄ＝３０ｍｍの場合の温度と時間の関係を示す図である。
【図２６】上フランジ・ウェブ・下フランジの鋼材最高温度と中空層の層間距離Ｄの関係を示す図である。
【図２７】中空層の形成メカニズムを示す図である。
【図２８】火災時の加熱による外側且つ下側の耐火被覆材のたるみ量を制御するための下側耐火被覆材のたるみ制御機構を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図１から図２８を参照し、本発明の一実施形態に係る鉄骨の耐火被覆構造について説明する。なお、本実施形態では、本発明に係る鉄骨が鉄骨梁であるものとして説明するが、勿論、本発明はあらゆる鉄骨の耐火被覆に適用可能である。
【００１８】
本実施形態に係る鉄骨梁（鋼材）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。
【００１９】
本実施形態の鉄骨の耐火被覆構造Ａは、箱張り形式の耐火被覆構造であって、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、耐火被覆を薄くし、且つ鋼材の温度上昇を抑制することを可能にしたものである。
【００２０】
具体的に、本実施形態の鉄骨の耐火被覆構造Ａにおいては、図１（及び図２７）に示すように、鉄骨梁１の周囲に施す耐火被覆２を２層またはそれ以上の複数層で構成し、加熱中に層間に中空層Ｓを形成することで断熱性能を増すように構成されている。これにより、同じ総厚さ１層巻きに比べて鉄骨梁１の温度上昇を抑制できる。
【００２１】
図１に本実施形態の耐火被覆構造（２層被覆の場合）Ａ／耐火被覆工法、図２に従来の耐火被覆構造Ｂ／耐火被覆工法を示す。
【００２２】
従来の耐火被覆構造Ｂの耐火被覆２の厚さをｔとしたとき、本実施形態の耐火被覆構造Ａは厚さｔ／２の被覆を２層施して構成されている。これにより、本実施形態の耐火被覆構造Ａは、火災加熱を受けた場合の材料の熱的性質（軟化・収縮）によって２層の耐火被覆２ａ、２ｂの層間に中空層Ｓが形成され、厚さｔの被覆を１層施した従来よりも鉄骨梁１の温度上昇を抑制することができる。
【００２３】
なお、本実施形態の鉄骨の耐火被覆構造Ａにおいて、耐火被覆材料の必要条件は次のａ）、ｂ）の通りである。
【００２４】
ａ）独立した層を形成でき、かつ火災加熱で焼失することがない材料であること。
既存の材料としては無機質繊維を使用したロックウールブランケットや生体溶解性繊維ブランケットなど、軽量で柔軟性に富み、断熱性、耐熱性を有するブランケット状の材料であることが望ましい。
【００２５】
ｂ）火災加熱によって収縮・軟化などの熱変形を生じ、層間に中空層Ｓを形成することができる材料であること。
【００２６】
［実施例］
ここで、試験体を作成し、耐火実験を行うことによって本実施形態の鉄骨の耐火被覆構造Ａの優位性を確認した実証実験について説明する。
【００２７】
［試験体］
本実施例では、図３及び図４に示す鉄骨梁１に耐火被覆２を施した試験体を製作して、耐火実験によって性能を確認した。なお、図３及び図４の□（四角）で囲った数字は鋼材温度の測定位置／測定番号を示している。
【００２８】
図５、図６は本実施形態の鉄骨の耐火被覆構造Ａを施した試験体を示している。なお、図５（ａ）は１層目の耐火被覆を施した状態、図５（ｂ）は２層目の耐火被覆を施した状態をそれぞれ示している。また、図５には、図３及び図４で示した鋼材温度の測定位置／測定番号を表記している。なお、図５の線分５０は、耐火被覆材の繋ぎ目（目地）を表したものである。
【００２９】
［試験体の構成材料］
耐火被覆材２ａ，２ｂは密度１００ｋｇ／ｍ３、厚さ２５ｍｍのロックウールブランケットを使用した。また、耐火被覆２の被覆層数を２層とした。鉄骨梁１にはＨ−４００×２００×１２×１９ｍｍ（ＳＭ４９０Ａ）を使用した。床はコンクリート製とした。
【００３０】
また、図６に示すように、ロックウールブランケットはワッシャー付き留め付けピンによって留め付けた。ワッシャーは、材質が溶融亜鉛メッキ鋼板で直径３０ｍｍ、厚さ０．４〜０．５ｍｍである。留め付けピンは材質が冷間圧造炭素鋼線材（銅めっき処理）で直径２ｍｍである。
【００３１】
［実験方法］
本耐火実験では、「防耐火性能試験・評価業務方法書」（例えば、一般財団法人 日本建築総合試験所）に則って、梁中央に長期許容曲げモーメントが作用するように支点間距離５４００ｍｍを３等分する２点に鉛直荷重を作用させ、図７に示す加熱温度−時間曲線によって３時間の加熱を行った。
【００３２】
［実験結果］
図８から図１４は、温度・荷重・変位の測定結果を示している。
【００３３】
図１３、図１４に示すように、測定したたわみ量とたわみ速度が「防耐火性能試験・評価業務方法書」に規定される最大たわみ量と最大たわみ速度を超えることがないことが確認できた。
【００３４】
また、耐火被覆の状況を観察した結果、耐火被覆材２ａ、２ｂの層間に中空層Ｓが形成されていることが確認できた。この中空層Ｓが断熱性能に寄与して、１層被覆の場合よりも鉄骨梁（鋼材）１の温度上昇を抑制したと言える。
【００３５】
さらに、本実施形態の鉄骨の耐火被覆構造Ａを備えた試験体による上記実験結果と、厚さｔ＝５０ｍｍの１層被覆を想定した従来の耐火被覆構造Ｂを備えた場合の解析結果との比較を行った。
【００３６】
ここでは、Ｈ−４００×２００×１２×１９ｍｍの鉄骨梁（鋼材）１に対して厚さｔ＝５０ｍｍのロックウールを１層巻きで被覆した従来の耐火被覆構造Ｂを備えた場合を仮定して鋼材温度の伝熱解析を行った。
【００３７】
図１５は、従来の耐火被覆構造Ｂを備えた場合の解析結果と、本実施形態の鉄骨の耐火被覆構造Ａを備えた試験体による実験結果（上フランジ・ウェブ・下フランジの各温度の平均値）を比較した結果である。
【００３８】
この図１５から、鋼材温度の解析結果は実験結果よりも高めの値を示すことが確認できる。なお、上フランジ温度では１００℃以上の温度差が生じている。これは、実験に供した試験体では上フランジにおいてロックウールをその被覆厚さ分の長さだけ折り返しているのに対し、解析ではその折返しを考慮していないためである。
【００３９】
次に、本実施形態の鉄骨の耐火被覆構造Ａを備えた試験体による実験結果と、厚さ２５ｍｍ×２層被覆（中空層あり：本発明）を想定した解析結果とを比較した。
【００４０】
目視観察によって、耐火実験に供した試験体の厚さ２５ｍｍのロックウールの内層と外層の間に、側面部で１０〜２０ｍｍ程度の中空層Ｓが形成されることが確認され、下部では最大で２５〜３０ｍｍ程度の中空層Ｓが形成されることが確認された。
【００４１】
そこで、この中空層Ｓの効果を確認するために、厚さ２５ｍｍ×２層の耐火被覆の間に厚さ１０ｍｍの中空層Ｓが生じていると仮定した図１６の解析モデルに対して伝熱解析を行った。
【００４２】
図１７に実験結果と厚さ２５ｍｍ×２層被覆の解析結果の比較を示し、図１８に厚さ５０ｍｍ×１層被覆と厚さ２５ｍｍ×２層被覆の解析結果の比較を示す。
【００４３】
図１７に示すように、図１５に示した厚さ５０ｍｍ×１層被覆（中空層なし）の場合よりも、中空層Ｓを考慮した厚さ２５ｍｍ×２層被覆の解析結果の方が実験結果に近い結果となった。
【００４４】
また、図１８に示すように、厚さ５０ｍｍ×１層被覆（中空層なし）に比較して、中空層を考慮した厚さ２５ｍｍ×２層被覆の鋼材最高温度がウェブで約３８℃、下フランジで約２９℃低くなることが確認された。この結果は、厚さ５０ｍｍ×１層被覆よりも厚さ２５ｍｍ×２層被覆の方が断熱性能は向上することを示しており、層間に形成される中空層の断熱効果であると言える。
【００４５】
ここで、従来、３時間耐火を必要とする鉄骨梁１では厚さｔ＝６５ｍｍのロックウールを１層被覆する必要があった。これに対し、実験における本実施形態の鉄骨の耐火被覆構造Ｂの具体的な実施例から以下の作用効果を奏功することが確認された。
【００４６】
従来の３時間耐火認定では密度９０〜１３０ｋｇ／ｍ３で厚さ６５ｍｍのロックウールが用いられているが、本実施形態の鉄骨の耐火被覆構造Ａによれば、密度１００ｋｇ／ｍ３で厚さ２５ｍｍの２層とした被覆で、総厚が６５ｍｍよりも１５ｍｍ薄いにもかかわらず良好な耐火性能を得ることが可能である。
【００４７】
また、梁一般部（付帯金物がない部分）の施工確認実験において、厚さ２５ｍｍ×１層被覆（以下、２５−１００−１と称す）と厚さ６５ｍｍ×３面張り被覆（以下、６５−１００−３と称す）の施工試験を行ったところ、「２５−１００−１」が９３秒／幅、「６５−１００−３」が２２５秒／幅となった。２５ｍｍ×２層巻きの施工時間が単純に「２５−１００−１」の２倍になるとしても１８６秒／幅であり、「６５−１００−３」の２２５秒／幅よりも速い。よって、本実施形態の鉄骨の耐火被覆構造Ａにおいては、梁一般部の施工効率の向上を図ることも可能になる。
【００４８】
さらに、２５ｍｍ×２層巻付け被覆は６５ｍｍ×１層巻付け被覆に比べて被覆の総厚が薄くなるため、天井高さの確保、梁貫通孔の有効径の増加などのメリットがある。
【００４９】
次に、本実施形態の鉄骨の耐火被覆構造Ａの優位性をさらに解析的に確認したシミュレーション結果について説明する。
【００５０】
解析モデルは、図１９に示す通りであり、鉄骨梁１をＨ−４００×２００×１２×１９ｍｍとし、耐火被覆２をロックウール、厚さ２５ｍｍ×２層とした。
【００５１】
また、本シミュレーションでは、中空層Ｓの厚さ／層間距離Ｄをパラメータとした。Ｄは、０ｍｍ（中空層なし）、２ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍの６水準とした。
【００５２】
図２０から図２５は各層間距離Ｄの解析結果を示している。
また、鉄骨梁１の上フランジ・ウェブ・下フランジの各部位の鋼材最高温度と中空層の層間距離Ｄの関係を図２６に示す。
【００５３】
これらの図から、中空層の層間距離Ｄが５ｍｍ程度まではＤが大きくなることによって中空層Ｓによる断熱効果が向上することが確認された。
【００５４】
また、層間距離Ｄが５ｍｍを超えると、層間距離Ｄが大きくなるに従って中空層Ｓによる断熱効果が低下することが確認された。これは、中空層Ｓが大きくなると、耐火被覆の外周長が大きくなるため、すなわち加熱周長（加熱面積）が大きくなるため、部材への流入熱量が大きくなり中空層の断熱効果が低下するものと考えられる。また、中空層Ｓの空間が大きくなると対流熱伝達の影響が大きくなることも断熱効果の低下の原因になると言える。
【００５５】
さらに、中空層Ｓありの場合の断熱効果が中空層なし（Ｄ＝０ｍｍ）と同程度に低下するときの中空層Ｓの層間距離Ｄは、上フランジで約１８ｍｍ、ウェブで約２５ｍｍ、下フランジで約２２ｍｍであった。
【００５６】
したがって、本実施形態の鉄骨の耐火被覆構造Ａにおいては、耐火被覆２を合理的に薄くすることができ、天井高の増大、貫通孔の有効径の増大、施工の省力化等を図ることが可能になる。
【００５７】
以上、本発明に係る鉄骨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。
【００５８】
例えば、本実施形態では、例えば１層目と２層目などの各層の耐火被覆の厚さｔを同じとして説明を行ったが、各層の耐火被覆の厚さｔを変えてもよい。また、耐火被覆を２層として説明を行ったが、３層またはそれ以上としてもよい。
【００５９】
さらに、図２７に示すように、中空層Ｓの形成を早めるためには、２層目の耐火被覆２ｂの厚さｔを１層目よりも薄くする（鉄骨側の耐火被覆２ａの厚さｔに対し外側の耐火被覆２ｂの厚さｔを小にする）。このように２層目の耐火被覆２ｂが薄いことで２層目が温度上昇しやすいことに加え、１層目の断熱効果がさらに２層目の温度上昇を助長する。この効果によって、２層目の耐火被覆２ｂの下側の自重による弛みが早く生じ中空層Ｓを形成する時間が早くなる。また、外側の１層目の非加熱面（裏面）への熱の到達も早くなるため、１層目の湾曲も早く生じて中空層Ｓを形成する時間が早くなる。
【００６０】
さらに、中空層Ｓの層間距離Ｄを最適な範囲内にするために、図２８に示すように、下フランジ１ｂの幅方向中央に２層目の耐火被覆材２ｂのたるみ（弛み）を制御するための留め付けピン３を打ち込んでもよい（すなわち、外側且つ下側の耐火被覆材２ｂのたるみ（弛み）量を制御するための下側耐火被覆材のたるみ制御機構３を備えて鉄骨の耐火被覆構造Ａを構成してもよい）。
厚さｔ＝２５ｍｍの耐火被覆材の２層被覆の場合には、例えば、下フランジの被覆の層間距離Ｄを２２ｍｍ以内とするために７２ｍｍ（２５ｍｍ×２＋２２ｍｍ）の留め付けピン３を打ち込めば、中空層Ｓの層間距離Ｄを最適な範囲内にすることができる。
【００６１】
また、上記では、下フランジ１ｂの幅方向中央に留め付けピン３を１本打ち込んでいるが、下フランジ１ｂの幅に応じて２本以上打ち込んでもよい。
【００６２】
また、耐火被覆材料としては、ロックウール繊維、セラミック繊維、ＡＥＳ繊維などをブランケット状にしたものが望ましい。
【００６３】
さらに、ブランケット状の耐火被覆材を留め付けピンで鉄骨梁（鋼材）に留め付ける場合、下側のブランケットの弛みを阻害しないようにするため、留め付けピンの位置は下フランジ底面ではなく、図６の番号：丸５、番号：丸６の留め付けピンのように下フランジ側面小口部にすることが望ましい。
【符号の説明】
【００６４】
１    鉄骨梁（鉄骨）
１ａ  上フランジ
１ｂ  下フランジ
１ｃ  ウェブ
２    耐火被覆
２ａ  耐火被覆材（１層目：内側）
２ｂ  耐火被覆材（２層目：外側）
３    下側耐火被覆材のたるみ制御機構（留め付けピン）
Ａ    鉄骨の耐火被覆構造
Ｂ    従来の鉄骨の耐火被覆構造
Ｓ    中空層（層間）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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