(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製部材の表面を耐火被覆材で被覆し、前記耐火被覆材の表面に木質材を積層してなる耐火被覆構造であって、
前記木質材の厚さが下記の式（１）によって設定されていることを特徴とする耐火被覆構造。
【数１】
0006439980.tif 000012
ここに、ｘ：木質材の必要被覆厚さ（ｍｍ）、ｔ：要求耐火時間（分）、ａ：定数、ｂ：定数である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼製部材の耐火被覆構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
火災によって鉄骨造が損傷・倒壊することを防止するため、従来から鉄骨部材を断熱性のある耐火被覆で覆う対策が講じられている。また、実際に建築される建物では、耐火被覆鉄骨部材の表面にさらに仕上げ塗装などを施こすことが行われており、仕上げ材にある程度の厚さがあれば断熱性能を期待することができる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、鉄骨部材（建築部材）の表面に、火災時に燃焼して炭化層を形成する木材の耐火被覆材を設けて構成した耐火被覆構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０２−５８６５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、現状では仕上げ材を耐火被覆の一部とする工法は普及していない。この理由としては、耐火被覆効果を元来期待していない仕上げ材が火災加熱を受けた時の性状や断熱性能が明確になっていないことや、耐火被覆工事と仕上げ工事の工種が別であるため、耐火被覆性能を担保するための施工管理が難しいことなどが挙げられる。
【０００６】
上記事情に鑑み、本発明は、仕上げ材の火災時性状・性能を明確にして耐火被覆対策として適用することを可能にし、且つ耐火被覆性能を担保するための施工管理を容易に行えるようにした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】
【０００７】
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。
【０００８】
本発明の耐火被覆構造は、鋼製部材の表面を耐火被覆材で被覆し、前記耐火被覆材の表面に木質材を積層してなる耐火被覆構造であって、前記木質材の厚さが下記の式（１）によって設定されていることを特徴とする耐火被覆構造。
【０００９】
【数１】
0006439980.tif 000002
ここに、ｘ：木質材の必要被覆厚さ（ｍｍ）、ｔ：要求耐火時間（分）、ａ：定数、ｂ：定数である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の耐火被覆構造によれば、仕上げ材の被覆効果を期待していなかった従来の耐火被覆構造（耐火被覆構法）よりも耐火被覆厚さを薄くできる。また、木質材は一般に仕上げ材としても使用できることから、仕上げを兼ねた耐火被覆を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る耐火被覆構造を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る耐火被覆構造の断面分割モデルを示す図である。
【図３】鋼管柱に対する従来の耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、鋼管の肉厚を６ｍｍ、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、鋼管の肉厚を６ｍｍ、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍ、木質材の厚さを１０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、鋼管の肉厚を６ｍｍ、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍ、木質材の厚さを２０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、鋼管の肉厚を６ｍｍ、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍ、木質材の厚さを３０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、鋼管の肉厚を６ｍｍ、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍ、木質材の厚さを４０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、鋼管の肉厚を６ｍｍ、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍ、木質材の厚さを５０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図９】従来の耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、鋼管の肉厚を９ｍｍ、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、鋼管の肉厚を９ｍｍ、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍ、木質材の厚さを１０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、鋼管の肉厚を９ｍｍ、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍ、木質材の厚さを２０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図１２】本発明の第１実施形態に係る耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、鋼管の肉厚を９ｍｍ、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍ、木質材の厚さを３０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図１３】本発明の第１実施形態に係る耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、鋼管の肉厚を９ｍｍ、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍ、木質材の厚さを４０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図１４】本発明の第１実施形態に係る耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、鋼管の肉厚を９ｍｍ、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍ、木質材の厚さを５０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図１５】第１実施形態の鋼管の肉厚が６ｍｍの場合の木質材の厚さと耐火時間の関係を示す図である。
【図１６】第１実施形態の鋼管の肉厚が９ｍｍの場合の木質材の厚さと耐火時間の関係を示す図である。
【図１７】本発明の第２実施形態に係る耐火被覆構造を示す図である。
【図１８】本発明の第２実施形態に係る耐火被覆構造の断面分割モデルを示す図である。
【図１９】鉄骨梁のＨ形鋼に対する従来の耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図２０】本発明の第２実施形態に係る耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍ、木質材の厚さを１０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図２１】本発明の第２実施形態に係る耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍ、木質材の厚さを２０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図２２】本発明の第２実施形態に係る耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍ、木質材の厚さを３０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図２３】本発明の第２実施形態に係る耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍ、木質材の厚さを４０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図２４】本発明の第２実施形態に係る耐火被覆構造のシミュレーション結果を示す図であり、耐火被覆材の厚さを２０ｍｍ、木質材の厚さを５０ｍｍにした場合の結果を示す図である。
【図２５】第２実施形態における木質材の厚さと耐火時間の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図１及び図１６を参照し、本発明の第１実施形態に係る耐火被覆構造について説明する。ここで、本実施形態では、耐火被覆を施す構成部材が鋼管柱であるものとして説明を行う。
【００１３】
本実施形態の耐火被覆構造Ａは、図１に示すように、火災加熱を受けた時の炭化速度が０．６〜０．７ｍｍ／分と言われている木質材１を耐火被覆層の構成材とし、鋼管柱２の表層を従来の耐熱ロックウールなどの耐火被覆材３で被覆し、さらにその表層を木質材１で被覆して構成したものである。
【００１４】
また、鋼管柱２の表面に溶接ピン４を植設し、この溶接ピン４で耐火被覆材３を固定するとともに、仕上げ材の木質材１の位置決めを行うように構成されている。
【００１５】
具体的な構成例としては次のａ）〜ｆ）が挙げられる。
ａ）［鋼材側］：耐熱ロックウールフェルト＋［表層側（仕上側）］：木質パネル（スギ、カラマツ等）
ｂ）［鋼材側］：吹付けロックウール＋［表層側（仕上側）］：木質パネル（スギ、カラマツ等）
ｃ）［鋼材側］：けい酸カルシウム板＋［表層側（仕上側）］：木質パネル（スギ、カラマツ等）
ｄ）［鋼材側］：発泡性耐火塗料＋［表層側（仕上側）］：木質パネル（スギ、カラマツ等）
ｅ）［鋼材側］：発泡性耐火シート＋［表層側（仕上側）］：木質パネル（スギ、カラマツ等）
ｆ）［鋼材側］：モルタル＋［表層側（仕上側）］：木質パネル（スギ、カラマツ等）
【００１６】
ここで、本実施形態の耐火被覆構造に対し行ったシミュレーションについて説明する。
【００１７】
本シミュレーションの鋼材温度の計算モデルと計算条件は、図１に示す断面構成の鋼管柱に関して、厚さ２０ｍｍの耐熱ロックウールフェルト（例えば、鉄骨部材の耐火被覆としてニチアス（株）のマキベエが厚さ２０ｍｍで１時間、４０ｍｍで２時間、６０又は６５ｍｍで３時間の耐火認定を取得している）によって耐火被覆された鉄骨柱（□３００ｍｍ、ｔ＝６，９ｍｍ）をさらに木質材（板厚０、１０、２０、３０、４０、５０ｍｍ）で被覆した各ケースに対し、鋼材温度上昇の抑制効果を数値解析によって確認した。
【００１８】
数値解析における部材の断面分割モデルは図２に示す通りである。また、数値解析では部材断面における各構成材料を厚さ２ｍｍの層で分割した。
【００１９】
次に、解析における主な条件は次の通りとした。
１）加熱温度はＩＳＯ８３４に規定される標準加熱温度時間曲線に準ずる。
２）耐火被覆鋼管柱はその４周から加熱する。
３）溶接ピンの影響は無視する。
４）鋼材の密度は７８５０ｋｇ／ｍ３とし、熱伝導率と比熱はＥＵＲＯＣＯＤＥ４に規定される温度依存性を考慮した値を用いる。
５）耐熱ロックウールフェルトの密度は９５ｋｇ／ｍ３とし、熱伝導率と比熱はこれまでの耐火試験結果を比較的良く再現できるものとして提案されている値を用いる。
６）木質材の密度は３８０ｋｇ／ｍ３、含水率は１０％とし、熱伝導率と比熱は「一般社団法人性能基準推進協会、防耐火構造・材料部会、木造耐火燃え止まりＷＧ」発行の「木質耐火構造部材の燃え止まり解析とその利用法に関する報告書（平成２６年３月７日 プレ講習会版）」 に掲載の温度依存性を考慮した値を用いる。
７）木質材の炭化速度は０．７ｍｍ／分とする。木材が炭化しても炭化層が残り多少の断熱効果が期待されるかもしれないが、ここでは炭化層は消失するものとする。表層から数えて第１層から第２５層までの断面消失時間は表１の通りである。
【００２０】
【表１】
0006439980.tif 000003
【００２１】
解析結果を図３から図１４に示す。
図３から図８は鋼管の肉厚が６ｍｍの場合、図９から図１４は鋼管の肉厚が９ｍｍの場合を示している。
【００２２】
これらの図に示すように、木質材の層温度がある時間に突如急上昇して跳ね上がっている。これは表１に示した層消失時間となって木質材の層が消失したことを示している。また、各計算結果から、明らかに木質材による被覆厚さが厚いほど鋼材温度の 上昇が抑制されることが確認された。さらに、木質材による被覆層が４０ｍｍの場合は６０分以内に木質材が消失することが確認された。
【００２３】
次に、耐火時間の検討について説明する。
鉄骨梁に長期許容応力度相当の荷重を負荷した（支持させた）状態で加熱を行う試験の場合、荷重を支持できる許容鋼材温度として５５０℃が一つの目安となる。
【００２４】
これに対し、図３から図１４の結果から鋼材温度が５５０℃になる加熱時間を読み取ることができる。そして、ここでは、加熱を終了した後にも荷重を支持し続けることができるよう、加熱時間に１．２倍の安全率を見込んで許容される加熱時間を算定した。また、耐熱ロックウールフェルトのみの被覆であれば加熱終了とほぼ同時に鋼材温度も低下し始めることから、 木質材による被覆層が完全に消失した後は安全率を１．０５倍として、許容される加熱時間を算定した（以下、許容される加熱時間を「耐火時間」と称する）。
【００２５】
これらの安全率を見込んだ耐火時間の算定結果を表２及び表３に示す。また、表２及び表３に示した木質材の被覆層厚さと耐火時間の関係を回帰分析した結果を図１５及び図１６に示す。
【００２６】
【表２】
0006439980.tif 000004
【００２７】
【表３】
0006439980.tif 000005
【００２８】
そして、これら図１５及び図１６に示した結果から、耐熱ロックウールフェルト２０ｍｍ被覆と木質材による被覆を組み合わせた耐火被覆構造では、要求耐火時間と木質材の必要被覆厚さの関係として式（２）を得ることができる。
なお、定数ａ、ｂの値は表４のようになる。
【００２９】
【数２】
0006439980.tif 000006
ここに、ｘ：木質材の必要被覆厚さ（ｍｍ）、ｔ：要求耐火時間（分）、ａ：定数、ｂ：定数である。
【００３０】
【表４】
0006439980.tif 000007
【００３１】
これにより、耐火被覆の種類と厚さを耐熱ロックウールフェルト（例えば、マキベエ（ニチアス（株）））、厚さ２０ｍｍ以上とし、鉄骨造柱の断面寸法を３００ｍｍ、肉厚６ｍｍ又は９ｍｍ以上の角形鋼管柱または円形鋼管柱とし、鋼管内を必要に応じてコンクリートで充填して構成すると、非常に優れた耐火性能を付与することができる。
【００３２】
なお、鋼材温度上昇の支配因子である（鋼材の加熱周長／鋼材の断面積）は角形鋼管と円形鋼管で同じである。また、コンクリート が鋼管内に充填されると熱容量が増し、鋼材温度上昇の抑制に有効である。
【００３３】
また、要求耐火時間に応じた木質材による必要被覆厚さを式（２）と表４によって求めたり、要求耐火時間が３０分、６０分、９０分、１２０分を得るための鋼管サイズと木質材による被覆厚さを表５のように組み合わせることで、確実に優れた耐火性能を付与することが可能になる。
なお、本検討に用いた耐熱ロックウールフェルトと同等以上の断熱性能となるような耐火被覆材を用いても勿論構わない。
【００３４】
【表５】
0006439980.tif 000008
【００３５】
したがって、本実施形態の耐火被覆構造においては、鋼管柱の表層を従来の耐火被覆材で被覆し、さらにその表層を木質材で被覆した際に、仕上げ材としての木質材の火災時性状・性能を明確にでき、耐火被覆対策として適用することが可能になるとともに、耐火被覆性能を担保するための施工管理を容易に行うことが可能になる。
【００３６】
これにより、仕上げ材としての木質材に耐火性能を期待することができ、従来の耐火被覆構造（耐火被覆構法）よりも耐火被覆厚さを薄くできる。また、木質材は一般に仕上げ材としても使用できることから、仕上げを兼ねた耐火被覆を実現することが可能になる。
【００３７】
次に、図１７から図２５を参照し、本発明の第２実施形態に係る耐火被覆構造について説明する。
【００３８】
本実施形態の耐火被覆構造Ｂは、火災加熱を受けた時の炭化速度が０．６〜０．７ｍｍ／分と言われている木質材１を耐火被覆層の構成材とし、第１実施形態の鋼管柱ではなく、鉄骨梁（鋼製部材／鉄骨部材）５の表層を従来の耐火被覆材３で被覆し、さらにその表層を木質材１で被覆して構成したものである。
【００３９】
具体的な構成例としては、第１実施形態と同様、次のａ）〜ｆ）が挙げられる。
ａ）［鋼材側］：耐熱ロックウールフェルト＋［表層側（仕上側）］：木質パネル（スギ、カラマツ等）
ｂ）［鋼材側］：吹付けロックウール＋［表層側（仕上側）］：木質パネル（スギ、カラマツ等）
ｃ）［鋼材側］：けい酸カルシウム板＋［表層側（仕上側）］：木質パネル（スギ、カラマツ等）
ｄ）［鋼材側］：発泡性耐火塗料＋［表層側（仕上側）］：木質パネル（スギ、カラマツ等）
ｅ）［鋼材側］：発泡性耐火シート＋［表層側（仕上側）］：木質パネル（スギ、カラマツ等）
ｆ）［鋼材側］：モルタル＋［表層側（仕上側）］：木質パネル（スギ、カラマツ等）
【００４０】
ここで、第１実施形態と同様に本実施形態の耐火被覆構造に対して行ったシミュレーションについて説明する。
【００４１】
本シミュレーションの鋼材温度の計算モデルと計算条件は、図１７に示すような断面構成の鉄骨梁（鋼製部材／鉄骨部材）に関して、厚さ２０ｍｍの耐熱ロックウールフェルト（例えば、鉄骨部材の耐火被覆としてニチアス（株）のマキベエが厚さ２０ｍｍで１時間、４０ｍｍで２時間、６０又は６５ｍｍで３時間の耐火認定を取得している）によって耐火被覆された鉄骨梁（鉄骨柱Ｈ−４００×２００×８×１３ｍｍのＨ形鋼）をさらに木質材（板厚０、１０、２０、３０、４０、５０ｍｍ）で被覆した各ケースに対し、鋼材温度上昇の抑制効果を数値解析によって確認した。
【００４２】
数値解析における部材の断面分割モデルは図１８に示す通りである。また、数値解析では部材断面における各構成材料を厚さ２ｍｍの層で分割した。
【００４３】
解析における主な条件は次の通りとした。
１）加熱温度はＩＳＯ８３４に規定される標準加熱温度時間曲線に準ずる。
２）耐火被覆鉄骨梁はその３周から加熱する。
３）溶接ピンの影響は無視する。
４）鋼材の密度は７８５０ｋｇ／ｍ３とし、熱伝導率と比熱はＥＵＲＯＣＯＤＥ４に規定される温度依存性を考慮した値を用いる。
５）耐熱ロックウールフェルトの密度は９５ｋｇ／ｍ３とし、熱伝導率と比熱はこれまでの耐火試験結果を比較的良く再現できるものとして提案されている値を用いる。
６）木質材の密度は３８０ｋｇ／ｍ３、含水率は１０％とし、熱伝導率と比熱は「一般社団法人性能基準推進協会、防耐火構造・材料部会、木造耐火燃え止まりＷＧ」発行の「木質耐火構造部材の燃え止まり解析とその利用法に関する報告書（平成２６年３月７日 プレ講習会版）」 に掲載の温度依存性を考慮した値を用いる。
７）木質材の炭化速度は０．７ｍｍ／分とする。木材が炭化しても炭化層が残り多少の断熱効果が期待されるかもしれないが、ここでは炭化層は消失するものとする。表層から数えて第１層から第２５層までの断面消失時間は、第１実施形態で示した表１の通りである。
【００４４】
解析結果を図１９から図２４に示す。
図１９から図２４に示すように、木質材の層温度がある時間に突如急上昇して跳ね上がっており、表１に示した層消失時間となって木質材の層が消失したことを示している。また、各計算結果から、明らかに木質材による被覆厚さが厚いほど鋼材温度の上昇が抑制されることが確認された。さらに、木質材による被覆層が４０ｍｍの場合は６０分以内に木質材が消失することが確認された。
【００４５】
次に、耐火時間の検討について説明する。
第１実施形態と同様、図１９から図２４の結果から鋼材温度が５５０℃になる加熱時間を読み取ることができる。そして、加熱を終了した後にも荷重を支持し続けることができるよう、加熱時間に１．２倍の安全率を見込んで許容される加熱時間を算定する。また、耐熱ロックウールフェルトのみの被覆であれば加熱終了とほぼ同時に鋼材温度も低下し始めることから、 木質材による被覆層が完全に消失した後は安全率を１．０５倍として、許容される加熱時間を算定する。
【００４６】
これらの安全率を見込んだ耐火時間の算定結果を表６に示す。また、表６に示した木質材の被覆層厚さと耐火時間の関係を回帰分析した結果を図２５に示す。
【００４７】
【表６】
0006439980.tif 000009
【００４８】
この図２５に示した結果から、耐熱ロックウールフェルト２０ｍｍ被覆と木質材による被覆を組み合わせた耐火被覆構造では、要求耐火時間と木質材の必要被覆厚さの関係として、第１実施形態に示した式（２）を得ることができる。
なお、本実施形態の鉄骨梁では、定数ａ、ｂの値が表７のようになる。
【００４９】
【表７】
0006439980.tif 000010
【００５０】
これにより、耐火被覆の種類と厚さを耐熱ロックウールフェルト（例えば、マキベエ（ニチアス（株）））、厚さ２０ｍｍ以上とし、鉄骨梁の断面寸法をＨ−４００×２００×８×１３以上のＨ形鋼として構成すると、非常に優れた耐火性能を付与することができる。
【００５１】
また、このとき、要求耐火時間に応じた木質材による必要被覆厚さを式（２）と表７によって求めたり、要求耐火時間が３０分、６０分、９０分、１２０分を得るための鋼管サイズと木質材による被覆厚さを表８のように組み合わせることで、確実に優れた耐火性能を付与することが可能になる。
なお、本検討に用いた耐熱ロックウールフェルトと同等以上の断熱性能となるような耐火被覆材を用いても勿論構わない。
【００５２】
【表８】
0006439980.tif 000011
【００５３】
したがって、本実施形態の耐火被覆構造においては、鉄骨梁の表層を従来の耐火被覆材で被覆し、さらにその表層を木質材で被覆した際に、仕上げ材としての木質材の火災時性状・性能を明確にでき、耐火被覆対策として適用することが可能になるとともに、耐火被覆性能を担保するための施工管理を容易に行うことが可能になる。
【００５４】
これにより、仕上げ材としての木質材に耐火性能を期待することができ、従来の耐火被覆構造（耐火被覆構法）よりも耐火被覆厚さを薄くできる。また、木質材は一般に仕上げ材としても使用できることから、仕上げを兼ねた耐火被覆を実現することが可能になる。
【００５５】
以上、本発明に係る耐火被覆構造の第１、第２実施形態について説明したが、本発明は上記の第１、第２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】
【００５６】
１    木質材
２    鋼管柱（鋼製部材）
３    耐火被覆材
４    溶接ピン
５    鉄骨梁（鋼製部材）
Ａ    耐火被覆構造
Ｂ    耐火被覆構造
【図１】
0006439980.tif 000013
【図２】
0006439980.tif 000014
【図３】
0006439980.tif 000015
【図４】
0006439980.tif 000016
【図５】
0006439980.tif 000017
【図６】
0006439980.tif 000018
【図７】
0006439980.tif 000019
【図８】
0006439980.tif 000020
【図９】
0006439980.tif 000021
【図１０】
0006439980.tif 000022
【図１１】
0006439980.tif 000023
【図１２】
0006439980.tif 000024
【図１３】
0006439980.tif 000025
【図１４】
0006439980.tif 000026
【図１５】
0006439980.tif 000027
【図１６】
0006439980.tif 000028
【図１７】
0006439980.tif 000029
【図１８】
0006439980.tif 000030
【図１９】
0006439980.tif 000031
【図２０】
0006439980.tif 000032
【図２１】
0006439980.tif 000033
【図２２】
0006439980.tif 000034
【図２３】
0006439980.tif 000035
【図２４】
0006439980.tif 000036
【図２５】
0006439980.tif 000037