(57)【要約】【課題】高温時においても大幅な耐力低下を起こさない耐火性に優れた薄板軽量形鋼を提供する。【解決手段】常温におけるヤング係数が２１５．６ＧＰａ以下で、かつ７００℃におけるヤング係数が１４７ＧＰａ以上となる耐火鋼の薄板を冷間加工して成形してなる耐火性に優れた薄板軽量形鋼である。この薄板軽量形鋼の設計耐力Ｐは以下の式で規定される。2004036290.tif 000014Ｆ０＝常温時の降伏応力度Ｆ１＝７００℃における降伏応力度Ｅ０＝常温時のヤング係数Ｅ１＝７００℃におけるヤング係数ｂｅ＝形鋼の板要素の有効幅ｔ＝設計板厚【選択図】　図１
2004036290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
常温におけるヤング係数が２１５．６ＧＰａ以下で、かつ７００℃におけるヤング係数が１４７ＧＰａ以上となる板厚２．３ｍｍ未満の耐火鋼の薄板を冷間加工して成形してなる耐火性に優れた薄板軽量形鋼。
【請求項２】
設計耐力Ｐが以下の式で規定されてなる請求項１に記載の耐火性に優れた薄板軽量形鋼。
2004036290.tif 000012
Ｆ０＝常温時の降伏応力度
Ｆ１＝７００℃における降伏応力度
Ｅ０＝常温時のヤング係数
Ｅ１＝７００℃におけるヤング係数
ｂｅ＝形鋼の板要素の有効幅
ｔ＝設計板厚
【請求項３】
形鋼の板要素の有効幅ｂｅが以下の式で規定されてなる請求項２に記載の耐火性に優れた薄板軽量形鋼。
2004036290.tif 000013
Ｆ０＝常温時の降伏応力度
Ｅ０＝常温時のヤング係数
ｔ＝設計板厚
ｋ＝座屈係数
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スチールハウス（板厚１ｍｍ前後の薄板軽量形鋼による枠材と構造用面材による鉄鋼系パネル構造）の柱や梁などに用いられる薄板軽量形鋼であって、特に７００℃の高温時においても大幅な耐力低下を起こさない耐火性に優れた薄板軽量形鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年ではフリープラン対応型住宅の一例として、薄板軽量形鋼による枠材と構造用面材による壁枠組工法のスチールハウスが注目を集めている（図４参照）。このスチールハウスは枠材に鋼材を用いているため、従来の木造の壁枠組工法と比べて地震や強風に強く、高い安全性を確保できる。またスチールハウスでは高強度の壁枠組パネルが家全体を周囲から支持するため、建物内部の柱に依存しない大空間を確保できるなど、設計の自由度が非常に高い点でも優れている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、通常の鋼材の耐力は３５０℃程度で常温時の６０％〜７０％まで低下するため、建築物に鋼材を用いる場合にはその耐火性に十分考慮する必要がある。特にスチールハウスの枠材に用いられる薄板軽量形鋼は、板厚１ｍｍ前後の冷延鋼板に冷間加工を施して形成されており、火災発生時に高温によって薄板軽量形鋼のヤング係数が低下した場合、薄板軽量形鋼に局部座屈が生じて耐力低下を起こすおそれがある点で改善の余地がある。
【０００４】
本発明は上記従来技術の課題を解消するためにされたものであり、高温時においても大幅な耐力低下を起こさない耐火性に優れた薄板軽量形鋼を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の耐火性に優れた薄板軽量形鋼は、常温におけるヤング係数が２１５．６ＧＰａ（約２２０００ｋｇｆ／ｍｍ２）以下で、かつ７００℃におけるヤング係数が１４７ＧＰａ（約１５０００ｋｇｆ／ｍｍ２）以上となる板厚２．３ｍｍ未満の耐火鋼の薄板を冷間加工して成形される。ここで、本明細書において常温とは、２０℃から３０℃の範囲を意味する。
【０００６】
また、本発明の耐火性に優れた薄板軽量形鋼は、設計耐力Ｐが以下の式で規定される。
2004036290.tif 000003
Ｆ０＝常温時の降伏応力度
Ｆ１＝７００℃における降伏応力度
Ｅ０＝常温時のヤング係数
Ｅ１＝７００℃におけるヤング係数
ｂｅ＝形鋼の板要素の有効幅
ｔ＝設計板厚
【０００７】
さらに上記式における形鋼の板要素の有効幅ｂｅは以下の式で規定される。
2004036290.tif 000004
Ｆ０＝常温時の降伏応力度
Ｅ０＝常温時のヤング係数
ｔ＝設計板厚
ｋ＝座屈係数
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。
本発明の薄板軽量形鋼には、常温（２０℃から３０℃）におけるヤング係数が２１５．６ＧＰａ（約２２０００ｋｇｆ／ｍｍ２）以下で、かつ７００℃におけるヤング係数が１４７ＧＰａ（約１５０００ｋｇｆ／ｍｍ２）以上となる耐火鋼が用いられる。本発明において７００℃におけるヤング係数を規定するのは、火災時において建築物が崩壊しない実用的な基準となるからである。すなわち、火災時において柱や梁の温度が部分的にでも７００℃に達するには数十分程度の時間がかかり、この時間内に消火活動が完了することも多い。したがって、７００℃の条件下でも薄板軽量形鋼が大幅に耐力低下しなければ、耐火性能が十分実用的な水準に達しているといえるからである。
【０００９】
前記耐火鋼は、低Ｃ−低Ｍｎ鋼に微量のＮｂと適当量のＭｏとを複合添加することで高温領域での耐力を増加させたものである。前記耐火鋼は、図１に示すように７００℃を超えてから急激にヤング係数が低下し、７００℃の条件下でも比較的高いヤング係数［１４７ＧＰａ（約１５０００ｋｇｆ／ｍｍ２）］を確保できるという特徴を有する。一方、通常の普通鋼は、図１に示すように５００〜６００℃の領域でヤング係数は急激に低下する。
【００１０】
具体的には、前記耐火鋼は、重量比で、Ｃ０．０４〜０．１５％、Ｓｉ０．６％以上、Ｍｎ０．５〜１．６％、Ｎｂ０．００５〜０．０４％、Ｍｏ０．４〜０．７％、Ａｌ０．１％以下、Ｎ０．００１〜０．００６％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物（ＰおよびＳ）からなる鋼片を、１１００℃〜１３００℃の温度域で加熱した後、熱間圧延を８００℃〜１０００℃の温度範囲で終了して得ることができる。
【００１１】
ここで、前記耐火鋼に複合添加されたＮｂ、Ｍｏは微細な炭窒化物を形成し、さらにＭｏは固溶体強化によって高温強度を増加させる役目を果たす。しかも、前記耐火鋼ではミクロ組織がフェライト主体組織となっているため、常温耐力に対して７００℃の条件下での耐力の割合が大きい。
【００１２】
また前記耐火鋼については、重量比で、Ｃ０．０４〜０．１５％、Ｓｉ０．６％以上、Ｍｎ０．５〜１．６％、Ｎｂ０．００５〜０．０４％、Ｍｏ０．４〜０．７％、Ａｌ０．１％以下、Ｎ０．００１〜０．００６％に加えて、Ｔｉ０．００５〜０．１０％、Ｚｒ０．００５〜０．０３％、Ｖ０．００５〜０．１０％、Ｎｉ０．０５〜０．５％、Ｃｕ０．０５〜１．０％、Ｃｒ０．０５〜１．０％、Ｂ０．０００３〜０．００２％、Ｃａ０．０００５〜０．００５％、ＲＥＭ０．００１〜０．０２％のうち１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物（ＰおよびＳ）からなる鋼片を、１１００℃〜１３００℃の温度域で加熱した後、熱間圧延を８００℃〜１０００℃の温度範囲で終了して得るようにしてもよい。Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｂ、Ｃａ、ＲＥＭを選択的に添加することで、強度、靭性の向上についてさらに好ましい結果を得ることができる。
【００１３】
さらに、常温時における前記耐火鋼のヤング係数は、図１に示すように軟鋼とほぼ同じであるため、前記耐火鋼は軟鋼と同等の良好な加工性を有している。したがって、本発明の薄板軽量形鋼は、１ｍｍ前後の耐火鋼の薄板にロールフォーミングなどの冷間加工を施して成形することができる。本発明の薄板軽量形鋼としては、断面Ｃ形の溝形鋼あるいはリップ付溝形鋼の他、角形鋼（ＢＯＸ形鋼）、Ｚ形鋼、リップ付Ｚ形鋼などが含まれる。
【００１４】
なお、重量比で、Ｃ０．０３％以下、Ｓｉ１％以上、Ｍｎ０．１〜０．２％、Ａｌ０．０１％〜０．１％、Ｎｂ０．１〜１％を含む上記成分に加えて、Ｔｉ０．２５％以下、Ｂ０．０００１〜０．０１％のうち１種または２種を含む場合がある成分を有する鋼片を、１１００℃〜１３００℃の温度域で加熱した後、熱間圧延を８００℃〜１０００℃の温度範囲で終了して得た鋼を、前記の耐火鋼に替えて用いることもできる。かかる組成の場合にもＮｂの比率が高く、かつ再結晶温度も高いことから、常温耐力に対して７００℃の条件下での耐力の割合が大きいことが推察できる。
【００１５】
＜薄板軽量形鋼の設計耐力の決定＞
ここで、本発明の薄板軽量形鋼の設計耐力Ｐを決定する場合には、まず部材断面の板要素の有効幅ｂｅから部材断面の有効断面Σｂｅ×ｔを算出する必要がある。
【００１６】
設計耐力Ｐの決定において、部材断面の板要素の有効幅ｂｅを考慮するのは以下の理由による。すなわち、本発明の薄板軽量形鋼は部材断面を形成する板要素の板厚が１ｍｍ前後となり、ウエブの幅厚比やフランジの幅厚比が一般に使用される形鋼よりも大きい点に特徴がある。そのため、薄板軽量形鋼に圧縮応力度が作用する場合には、この圧縮応力度が一定以上になると部材が局部座屈を起こすため、座屈挙動を考慮する必要が生じるからである。
【００１７】
図２に示すように、両縁を支持された板が支持縁に平行な圧縮力を受ける場合、変形が拘束されている支持縁付近では応力が再分配され、座屈後にも耐力上昇が計測できる。この場合、応力度分布は板縁辺部の応力度が高く、中央部が低い凹状の応力度分布となる。そこで本発明では、板要素の支持縁に発生する最大応力度σｍａｘを基準強度（常温時の降伏応力度Ｆ０）として、形鋼の板要素の有効幅ｂｅを以下の式（１）で求める。
【００１８】
2004036290.tif 000005
Ｆ０＝常温時の降伏応力度
Ｅ０＝常温時のヤング係数
ｔ＝設計板厚
ｋ＝座屈係数
▲１▼二縁支持とする圧縮板要素　　　　　　ｋ＝４
▲２▼一縁支持、他縁自由の圧縮板要素　　　ｋ＝０．４２５
▲３▼両縁を単純支持とするせん断板要素　　ｋ＝８．９８
など
【００１９】
そして板要素の有効断面は、形鋼の板要素の有効幅ｂｅに設計板厚ｔを乗じた式（２）で求めることができる。
2004036290.tif 000006
【００２０】
図３（ａ）に示すように、例えば薄板軽量形鋼がリップ付溝形鋼の場合、ウエブおよびフランジは二縁支持とする圧縮板要素（ｋ＝４）として有効幅ｄｅ、ｂ１ｅが決定され、リップは一縁支持、他縁自由の圧縮板要素（ｋ＝０．４２５）として有効幅ｃｅが決定される。そして形鋼の有効断面は、ウエブの有効幅ｄｅと、２つのフランジの有効幅２ｂ１ｅと、２つのリップの有効幅ｃｅとを合計したものに設計板厚ｔを乗じて求められる。
【００２１】
また図３（ｂ）に示すように、例えば薄板軽量形鋼が断面Ｃ形の溝形鋼の場合、ウエブは二縁支持とする圧縮板要素（ｋ＝４）として有効幅ｄｅが決定され、フランジは一縁支持、他縁自由の圧縮板要素（ｋ＝０．４２５）として有効幅ｂ２ｅが決定される。そして形鋼の有効断面は、ウエブの有効幅ｄｅと、２つのフランジの有効幅２ｂ２ｅとを合計したものに設計板厚ｔを乗じて求められる。
【００２２】
薄板軽量形鋼の基本設計耐力Ｐ０は、以下の式（３）で求めることができる。なお、式（３）からも分かるように、形鋼の耐力はヤング係数Ｅと降伏応力度Ｆの平方根に比例する。
【００２３】
2004036290.tif 000007
α＝安全率
【００２４】
ところで火災等によって鋼材の温度が上昇した場合、降伏応力度およびヤング係数がともに低下することが知られている。したがって、火災時における安全性を向上させるためには、高温時（７００℃）での終局耐力Ｐ１が基本設計耐力Ｐ０と比較して大きく低下しないことが条件となる。
【００２５】
そこで本発明では、基本設計耐力Ｐ０から終局耐力Ｐ１での降伏応力度およびヤング係数の低下を見込んで最終的な設計耐力Ｐを決定することで、７００℃での安全性を大幅に向上させている。具体的には、７００℃での終局耐力Ｐ１と基本設計耐力Ｐ０との比率（Ｐ１／Ｐ０）を基本設計耐力Ｐ０に乗じることで、７００℃での設計耐力Ｐを決定すればよい。
【００２６】
ここで前記の式（３）で示したように、基本設計耐力Ｐ０および終局耐力Ｐ１はヤング係数Ｅと降伏応力度Ｆの平方根に比例するので、終局耐力Ｐ１と基本設計耐力Ｐ０との比率（Ｐ１／Ｐ０）は以下の式（４）で求めることができる。なお、式（４）では、終局耐力Ｐ１の安全率を最低値の１．０に設定している。
【００２７】
2004036290.tif 000008
Ｆ１＝７００℃における降伏応力度
Ｅ１＝７００℃におけるヤング係数
【００２８】
そして以下の式（５）に示すように、薄板軽量形鋼の最終的な設計耐力Ｐは、前記式（３）の基本設計耐力Ｐ０に、前記式（４）の終局耐力Ｐ１と基本設計耐力Ｐ０との比率（Ｐ１／Ｐ０）を乗じて決定される。
2004036290.tif 000009
【００２９】
＜実施例＞
一例として、耐火鋼での終局耐力Ｐ１と基本設計耐力Ｐ０との比率（Ｐ１／Ｐ０）は以下の式（６）に示すように０．８０９８となる。したがって、薄板軽量形鋼が７００℃でも安全にするためには、設計耐力Ｐを常温時の基本設計耐力Ｐ０の約８１％に設定すればよい。
【００３０】
2004036290.tif 000010
（実施例における耐火鋼のデータ）
常温時のヤング係数Ｅ０＝２１，０００ｋｇｆ／ｍｍ２
常温時の降伏応力度Ｆ０＝３０ｋｇｆ／ｍｍ２
安全率α＝１．５
７００℃におけるヤング係数Ｅ１＝１５，３００ｋｇｆ／ｍｍ２
７００℃における降伏応力度Ｆ１＝１２ｋｇｆ／ｍｍ２
【００３１】
＜比較例＞
また前記実施例の比較例として、普通鋼での終局耐力Ｐ１と基本設計耐力Ｐ０との比率（Ｐ１／Ｐ０）を以下の式（７）に示す。この場合、終局耐力Ｐ１と基本設計耐力Ｐ０との比率（Ｐ１／Ｐ０）は０．３６６０となる。すなわち、普通鋼の場合には、常温時の基本設計耐力Ｐ０の約３７％まで設計耐力Ｐを低下させなければ高温時での安全性を確保することが困難である。
【００３２】
2004036290.tif 000011
（比較例における普通鋼のデータ）
常温時のヤング係数Ｅ０＝２１，０００ｋｇｆ／ｍｍ２
常温時の降伏応力度Ｆ０＝２８ｋｇｆ／ｍｍ２
安全率α＝１．５
７００℃におけるヤング係数Ｅ１＝７，０００ｋｇｆ／ｍｍ２
７００℃における降伏応力度Ｆ１＝５ｋｇｆ／ｍｍ２
【００３３】
【発明の効果】
本発明の薄板軽量形鋼は、７００℃におけるヤング係数が１４７ＧＰａ（約１５０００ｋｇｆ／ｍｍ２）以上であって、高温時（７００℃）において通常の軟鋼よりも高いヤング係数を維持できる耐火鋼で形成される。したがって、７００℃の条件下でも薄板軽量形鋼が座屈する可能性は低く、耐火性能が非常に優れている。特に本発明の薄板軽量形鋼をスチールハウスに用いた場合、火災時において柱や梁の温度が部分的にでも７００℃に達するには数十分程度の時間がかかるので、十分な耐火性能が確保できる。さらに、薄板軽量形鋼の耐火性能が高いため、石膏ボード等の板厚を減少させた設計も可能となる。
【００３４】
また本発明の薄板軽量形鋼を形成する耐火鋼は、常温（２０℃〜３０℃）におけるヤング係数が２１５．６ＧＰａ（約２２０００ｋｇｆ／ｍｍ２）以下であり、軟鋼と同等の良好な加工性を有している。
【００３５】
さらに本発明の薄板軽量形鋼では、常温時における基本設計耐力Ｐ０から終局耐力Ｐ１での降伏応力度およびヤング係数の低下を見込んで最終的な設計耐力Ｐを決定している。このとき、高温時（７００℃）での終局耐力Ｐ１が基本設計耐力Ｐ０と比較して大きく低下せず、火災時における安全性が大幅に向上している。
【００３６】
また本発明の薄板軽量形鋼は、部材断面を形成する板要素の板厚が１ｍｍ前後となり、一般に使用される形鋼よりも幅厚比が大きい点に特徴がある。そのため応力度分布は板縁辺部の応力度が高く、中央部が低い凹状の応力度分布となる。そこで本発明では、薄板軽量形鋼の設計耐力Ｐにおいて、部材の座屈挙動を反映させるべく部材断面の有効幅ｂｅから板要素の有効断面を算出している。
【図面の簡単な説明】
【図１】耐火鋼および普通鋼のヤング係数と温度との関係をあらわしたグラフである。
【図２】（ａ）は両縁が支持された板要素が圧縮力を受けた場合の応力度分布を示した図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。
【図３】（ａ）は薄板軽量形鋼がリップ付溝形鋼の場合の有効断面を示した図であり、（ｂ）は薄板軽量形鋼が溝形鋼の場合の有効断面を示した図である。
【図４】（ａ）は薄板軽量形鋼を用いたスチールハウスの部分斜視図であり、（ｂ）は薄板軽量形鋼と面材との壁枠組を示す斜視図である。
【符号の説明】
１　　スチールハウス
２　　薄板軽量形鋼
３　　面材
【図１】
2004036290.tif 000015
【図２】
2004036290.tif 000016
【図３】
2004036290.tif 000017
【図４】
2004036290.tif 000018