(57)【要約】【課題】耐火被覆厚さを増すことなく、所定の耐火性能を有する鉄骨梁を構築するための鉄骨梁の耐火構造を提供する。【解決手段】Ｈ形鋼の鉄骨梁の耐火構造Ａであって、鉄骨梁１を内包するように被覆する耐火被覆材２と、鉄骨梁１の下フランジ３から上方に突設されてウェブ４との間に収容空間を形成する突出部材５と、収容空間内に配設され、火災時に所定の温度で加熱されるとともに水を放出する水冷層６とを備えて構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｈ形鋼の鉄骨梁の耐火構造であって、
前記鉄骨梁を内包するように被覆する耐火被覆材と、  
前記鉄骨梁の下フランジの上面に配設され、火災時に所定の温度で加熱されるとともに水を放出する水冷層とを備えて構成されていることを特徴とする鉄骨梁の耐火構造。
【請求項２】
請求項１記載の鉄骨梁の耐火構造において、
前記鉄骨梁の下フランジから上方に突設されてウェブとの間に収容空間を形成する突出部材を備え、前記収容空間内に前記水冷層が配設されていることを特徴とする鉄骨梁の耐火構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の鉄骨梁の耐火構造において、
火災時に所定の温度で加熱されて水冷層から放出した水の初期水位を段階的に増やした複数のケースに対して前記下フランジが５５０℃に達する時間を数値解析で求めるとともに、前記下フランジが５５０℃に達する時間が最も遅くなる初期水位を求め、
前記下フランジが５５０℃に達する時間が最も遅くなる初期水位となるように前記水冷層を構成したことを特徴とする鉄骨梁の耐火構造。
【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梁の耐火構造において、
前記水冷層の下面及び上面、あるいは前記水冷層の下面を被覆し、前記水冷層から放出された水を保持する無機質繊維ブランケットを備えて構成されていることを特徴とする鉄骨梁の耐火構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄骨梁の耐火構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、所定の耐火性能を有する鉄骨梁を構築するためには、ロックウールなどを吹き付ける吹付工法、ケイ酸カルシウム板などを取り付ける成形板工法、耐熱ロックウールなどを巻き付ける巻付け工法などを用い、鉄骨梁を耐火被覆材で被覆するようにしている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３２４４８号公報
【特許文献２】特開平５−２０９４４４号公報
【特許文献３】特開２００６−１４３８７５号公報
【特許文献４】特開２００９−２９３２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の鉄骨梁の耐火構造においては、鉄骨梁に要求される耐火時間が長くなるほど、耐火被覆材の厚さ（耐火被覆厚）を大きくしなければならない。これに対し、構造物内での鉄骨梁の納まり上、耐火被覆を所定の厚さにできない場合や、所定の耐火性能を得るための被覆厚さが非現実的な厚さ（鉄骨梁の断面寸法に比べて極端に厚い）になって施工が困難な場合など、耐火被覆を厚くすることが難しいケースが多々ある。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑み、耐火被覆厚さを増すことなく、所定の耐火性能を有する鉄骨梁を構築するための鉄骨梁の耐火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】
【０００６】
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。
【０００７】
本発明の鉄骨梁の耐火構造は、Ｈ形鋼の鉄骨梁の耐火構造であって、前記鉄骨梁を内包するように被覆する耐火被覆材と、前記鉄骨梁の下フランジの上面に配設され、火災時に所定の温度で加熱されるとともに水を放出する水冷層とを備えて構成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の鉄骨梁の耐火構造においては、前記鉄骨梁の下フランジから上方に突設されてウェブとの間に収容空間を形成する突出部材を備え、前記収容空間内に前記水冷層が配設されていることが望ましい。
【０００９】
さらに、本発明の鉄骨梁の耐火構造においては、火災時に所定の温度で加熱されて水冷層から放出した水の初期水位を段階的に増やした複数のケースに対して前記下フランジが５５０℃に達する時間を数値解析で求めるとともに、前記下フランジが５５０℃に達する時間が最も遅くなる初期水位を求め、前記下フランジが５５０℃に達する時間が最も遅くなる初期水位となるように前記水冷層を構成することがより望ましい。
【００１０】
また、本発明の鉄骨梁の耐火構造においては、前記水冷層の下面及び上面、あるいは前記水冷層の下面を被覆し、前記水冷層から放出された水を保持する無機質繊維ブランケットを備えて構成されていることがさらに望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の鉄骨梁の耐火構造においては、Ｈ形鋼の鉄骨梁の下フランジの上面に、火災時に所定の温度で加熱されるとともに水を放出する水冷層を設けることによって、火災時の最も高温に加熱される下フランジを放出した水で冷却することができる。これにより、耐火被覆材の厚さを増すことなく、鉄骨梁の耐火性能を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る鉄骨梁の耐火構造を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る鉄骨梁の耐火構造の変更例を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る鉄骨梁の耐火構造の変更例を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る鉄骨梁の耐火構造の優位性を確認するために行ったシミュレーションにおいて、水冷層の水温が１００℃に達する時間と、水量がゼロになる時間を求めた結果を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る鉄骨梁の耐火構造の優位性を確認するために行ったシミュレーション結果であり、水冷層の初期水位をパラメータとした場合の断面平均温度の数値解析結果を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る鉄骨梁の耐火構造の優位性を確認するために行ったシミュレーション結果であり、水冷層の初期水位をパラメータとした場合の下フランジ温度の数値解析結果を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る鉄骨梁の耐火構造の優位性を確認するために行ったシミュレーション結果であり、水冷層の初期水位をパラメータとして、鋼材温度が５５０℃に達する時間を求めた結果を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る鉄骨梁の耐火構造の優位性を確認するために行ったシミュレーション結果であり、水冷層の初期水位をパラメータとして、水冷層の水の温度が１００℃に達する時間、及び水が完全になくなるまでの時間を求めた結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図１から図８を参照し、本発明の一実施形態に係る鉄骨梁の耐火構造について説明する。
【００１４】
本実施形態の鉄骨梁の耐火構造Ａは、図１に示すように、Ｈ形鋼の鉄骨梁１を内包するように被覆する箱型の耐火被覆材２と、鉄骨梁１の下フランジ３の上面３ａから上方に突設され、ウェブ４と下フランジ３の一側端部３ｂ側の間、ウェブ４と下フランジ３の他側端部３ｃ側の間にそれぞれ収容空間を形成する突出部材５と、収容空間内に設けられる水冷層６とを備えて構成されている。
【００１５】
突出部材５は収容空間を形成することが可能であればその構成を限定する必要はないが、本実施形態の突出部材５は、例えばフラットバーやアングルなどを下フランジ３に溶接するなどして形成されている。
【００１６】
また、本実施形態の水冷層６は、水を封入した容器などの水パック７を収容空間に収容して構成されている。例えば、常温時は不透水性であるが、高温時には熱分解する外装材に水を封入して水パック７が構成されている。
【００１７】
なお、水冷層６は、ポリアクリル酸ナトリウムなどを含む高吸水性樹脂に水を吸水させ、ポリエチレン複合フィルムなどの外装材で水分の逸散を防ぐように構成してもよい。また、この水冷層６の外装材は、３００℃程度までに溶融する材料であればどのような材料を用いてもよい。すなわち、鋼材の高度が低下し始める温度が約３５０℃であるため、その前に水を放出させることが可能で、非加熱状態で確実に水分を保持することが可能な外装材であればどのような材料を用いて形成されていてもよい。
【００１８】
また、図２、図３に示すように、水冷層６の下面及び上面、あるいは水冷層６の下面を、例えば耐熱ロックウール、セラミックファイバーなどの繊維材を用いてなる無機質繊維ブランケット８で被覆（無機質繊維ブランケットを積層）するようにしてもよい。
【００１９】
ここで、Ｈ形鋼の鉄骨梁１において、火災加熱を受けた場合に最も鋼材温度が上昇しやすいのは下フランジ３である。これは、直接耐火被覆に接触し、また、下フランジ３の側面（側端部３ｂ、３ｃ）の小口も耐火被覆材２に接し、３面からの加熱を受けるためである。
【００２０】
一方、上フランジ９は、上面にコンクリート床１０が設置されるため、コンクリートの熱容量及びコンクリートの含有水によって、鋼材温度の上昇が緩やかになる。また、ウェブ４は、耐火被覆材２との間に空気層があり、この空気層が断熱層にもなるため、鋼材温度の上昇がやはり緩やかになる。
【００２１】
これに対し、本実施形態の鉄骨梁の耐火構造Ａにおいては、下フランジ３の上面３ａに水冷層６が設けられているため、火災時に下フランジ３の温度上昇が抑制される。
【００２２】
また、このとき、所定の温度、例えば、鋼材の強度が低下し始める約３５０℃よりも僅かに低い温度の３００℃程度で外装材が熱分解（溶融）し、水が放出されるように水冷層６が構成されている。これにより、水冷層６から漏れ出した水によって十分な水冷効果が得られ、火災によって下フランジ３ひいては鉄骨梁１全体の強度低下が生じることが防止される。また、水が完全に蒸発するまでその水冷効果が継続的に得られる。
【００２３】
さらに、本実施形態の鉄骨梁の耐火構造Ａにおいては、突出部材５を備えることで、ウェブ４と下フランジ３の一側端部３ｂ側の間、ウェブ４と下フランジ３の他側端部３ｃ側の間にそれぞれ収容空間が形成され、この収容空間内に水冷層６が設けられている。これにより、水冷層６の外装材が熱分解して水が流れ出した際に、この水を収容空間内に貯留することができ、確実に下フランジ３ひいては鉄骨梁１全体を冷却することができる。
【００２４】
さらに、水冷層６（水パック７）の下面及び上面、あるいは下面に無機質繊維ブランケット８が積層されていることによって、水冷層６から流出する水が繊維に含浸し保持される。これにより、より確実に水分を下フランジ３上にとどめ、確実に下フランジ３ひいては鉄骨梁１全体を冷却することができる。また、この無機質繊維ブランケット８を設けることによって、下フランジ３の断面が増すため、鉄骨梁１の断面係数が大きくなり、構造性能（荷重支持性能）も向上する。
【００２５】
［実施例］
ここで、本実施形態の鉄骨梁の耐火構造Ａの優位性を確認するために行ったシミュレーションについて説明する。
【００２６】
このシミュレーションでは、Ｈ−４００×２００×８×１３ｍｍの鉄骨梁１に対し、厚さ２０ｍｍの耐熱ロックウールを耐火被覆材２とし、この耐火被覆材２と水冷層６で耐火対策を講じた。そして、火災加熱を受けた場合の梁断面の平均温度及び下フランジの温度に関する数値解析を行い、本実施形態の鉄骨梁の耐火構造Ａの優位性を確認した。
【００２７】
また、水冷層６（水パック７）による初期水位は、０、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０ｍｍ、及び梁成の１／４（９３．５ｍｍ）とした。これらの水位は、下フランジ３の上面３ａの単位面積あたりの水量で表すと、０、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、９３．５ｋｇ／ｍ２となる。また、これら各ケースの数値解析において、水冷層６の水温が１００℃に達する時間と、水量がゼロになる時間はそれぞれ、図４のようになる。
【００２８】
図５は火災加熱を受けた場合の梁断面の平均温度、図６は下フランジ３の温度の解析結果を示している。
この結果から、水冷層６がある場合には、水冷層６がない場合に比べて鋼材温度上昇を抑制できることが実証された。また、鋼材温度の上昇勾配が急激に大きくなる時間は、図４との比較により、水冷層６の水量がゼロになった時間に一致する。
【００２９】
また、水冷層６の水量がゼロになる以前の鋼材温度は、水冷層６の初期水位が高い方が若干高くなる傾向が確認された。これは、水冷層６の水温が１００℃に達して蒸発潜熱により鋼材温度の上昇を抑制し始める時間が水冷層６の初期水位が高いほど遅くなるためであると言える。
【００３０】
ここで、Ｈ形鋼の鉄骨梁１が長期許容荷重を支持できなくなる温度（崩壊温度）は、経験的に概ね５５０℃程度であることが分かっている。そして、図７は、本実施形態の鉄骨梁の耐火構造Ａを備えた鉄骨梁１が５５０℃の崩壊温度に達するまでの時間を解析した結果を示している。また、図８は、水冷層６がない場合の鉄骨梁１の鋼材温度が５５０℃に達する時間を基準として、水冷層６がある場合の鉄骨梁１の鋼材温度が５５０℃に達するまでの時間の延長倍率を示している。
【００３１】
これら図７及び図８から、初期水位が５０ｍｍの場合に５５０℃に達する時間が最も延長され、初期水位が６０〜９３．５ｍｍでは鋼材温度が５５０℃に達するまでの時間が初期水位５０ｍｍの場合よりも早くなることが確認された。
【００３２】
この結果から、厚さ２０ｍｍの耐熱ロックウール２で耐火被覆した断面Ｈ−４００×２００×８×１３の鉄骨梁１に水冷層６を設ける場合、その最適水量（最適初期水位）は５０ｍｍということになる。
また、水冷層６の水温を上昇させる熱エネルギーの供給は下フランジ３からの入熱が支配的になるため、下フランジ３の温度性状は簡易的に１次元の伝熱問題として扱える。これにより、耐熱ロックウール２の厚さが２０ｍｍであることを前提とし、下フランジ３の鋼材温度が５５０℃に達するまでの時間を遅延させる場合には、他の断面寸法の鉄骨梁１についても最適な初期水位が５０ｍｍになると言える。
【００３３】
また、標準鋼材（Ｈ−４００×２００×８×１３）に対して厚さ２０ｍｍの耐熱ロックウール２で被覆した鉄骨梁１に長期許容応力度を作用させて載荷加熱実験を行ったところ、約９０分で梁が崩壊したという結果がある。この結果と、図７の結果から、下フランジ３の鋼材温度が５５０℃に達すると鉄骨梁１が崩壊すると言える。
【００３４】
一方、耐火被覆の厚さが等しい場合、鉄骨梁１の断面寸法がＨ−４００×２００×８×１３よりも大きければ、Ｈ−４００×２００×８×１３よりも崩壊までの時間が長くなることが一般的に知られている。そこで、厚さ２０ｍｍの耐熱ロックウール２で被覆した断面寸法がＨ−４００×２００×８×１３以上の鉄骨梁１に関して、下フランジ３の温度が５５０℃に達する時間、すなわち崩壊時間を延長して所定の耐火時間を得るためには、図８に示した最適初期水位５０ｍｍまでの範囲で水量を調整すればよい。
【００３５】
そして、その水量の目安を得るためには、図８の回帰式から得られる次の式（１）を用いればよい。例えば、耐火時間９０分の梁を耐火時間１２０分の梁にするには、式（１）においてｙ＝１２０／９０とすれば、ｘ＝２１．４ｍｍとなり、初期水位が２１．４ｍｍになるように水冷層６を設ければよい。
【００３６】
【数１】
2015209712.tif 000003
ここに、
ｘ：下フランジの上面の水冷層の水位（ｍｍ）
ただし、０ｍｍ≦ｘ≦５０ｍｍ
ｙ：崩壊時間延長倍率
【００３７】
したがって、本実施形態の鉄骨梁の耐火構造Ａにおいては、Ｈ形鋼の鉄骨梁１の下フランジ３の上面３ａに、火災時に所定の温度で加熱されるとともに水を放出する水冷層６を設けることによって、火災時の最も高温に加熱される下フランジ３を放出した水で冷却することができる。これにより、耐火被覆材２の厚さを増すことなく、鉄骨梁１の耐火性能を向上させることが可能になる。
【００３８】
また、火災時に所定の温度で加熱されて水冷層６から放出した水の初期水位を段階的に増やした複数のケースに対して下フランジ３が５５０℃に達する時間を数値解析で求め、この数値解析で得られた下フランジ３が５５０℃に達する時間が最も遅くなる初期水位をとなるように水冷層６を構成することにより、確実且つ効果的に（最適に）鉄骨梁１の耐火性能を向上させることが可能になる。
【００３９】
また、水冷層６の下面及び上面、あるいは水冷層６の下面を被覆し、水冷層６から放出された水を保持する無機質繊維ブランケット８を備えて構成すると、水冷層６から流出する水が繊維に含浸し保持される。これにより、より確実に水分を下フランジ３上にとどめ、確実に下フランジ３ひいては鉄骨梁１全体を冷却することができる。また、この無機質繊維ブランケット８を設けることによって、下フランジ３の断面が増すため、鉄骨梁１の断面係数が大きくなり、構造性能（荷重支持性能）を向上させることも可能になる。
【００４０】
以上、本発明による鉄骨梁の耐火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。
【符号の説明】
【００４１】
１      鉄骨梁
２      耐火被覆材
３      下フランジ
３ａ    上面
３ｂ    一側端部
３ｃ    他側端部
４      ウェブ
５      突出部材
６      水冷層
７      水パック
８      無機質繊維ブランケット
９      上フランジ
１０    コンクリート床
Ａ      鉄骨梁の耐火構造
【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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