(57)【要約】【課題】  火災を受ける鉄骨構造物の柱材や梁材、ブレース材等の構成部材を、６００〜８００℃での高温強度が高く、かつ、高温ヤング係数も高く、高温時全体座屈強度（圧縮強度）や高温時局部座屈強度などの高温時座屈強度が高い鋼部材で構成した耐火被覆を省略または削減可能な鉄骨構造物を提供する。【解決手段】  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構成してなる耐火被覆を省略または削減可能な鉄骨構造物。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄骨構造物の柱材や梁材、ブレース材等の構成部材を、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構成したことを特徴とする、耐火被覆を省略または削減可能な鉄骨構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば火災などでその構成部材、柱、梁、ブレース等が高温にさらされる可能性のある鉄骨構造物に関し、より詳しくは６００℃以上８００℃以下での高温強度が高く、かつ高温ヤング係数も高い鋼材で構成した、耐火被覆を省略または削減可能な鉄骨構造物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば火災などで高温にさらされる可能性のある鉄骨構造物において柱材や梁材として用いる鋼材は、仕様規定により表面温度３５０℃以下で使用することが定められており、このため、吹き付けロックウール等の耐火被覆が必要となり、施工費用および工程、環境、美観上の問題などから鉄骨構造の競争力を著しく阻害していた。
昭和６２年の建設省総合技術開発プロジェクト「建築物の総合防災設計法の開発」の成果を受けて、近年、短時間の高温強度を高めた、いわゆる耐火鋼が多数開発されてきた。例えば、特許文献１を始めとして、６００℃での高温耐力が常温時の２／３以上となる鋼材（耐火鋼）が開示されている。また、特許文献２には、７００℃での高温耐力が常温時の２／３以上となる鋼材（耐火鋼）が開示されている。
【特許文献１】特開平２−７７５２３号公報
【特許文献２】特開平９−２０９０７７号公報
【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、上記の耐火鋼は、高温強度に優れたことを特徴とするものであるが、７００〜８００℃での高温強度が充分でないことに加え、６００℃以上８００℃以下での高温ヤング係数が充分でないため、鉄骨構造物の柱材やブレース材として用いた場合の高温時全体座屈強度（圧縮強度）、板要素で構成される柱材や梁材として用いた場合の高温時局部座屈強度など高温時座屈強度が充分ではなく、火災を受ける鉄骨構造物の柱材や梁材として用いる場合には充分に満足できるものではなかった。そのため、耐火被覆を省略することができなかった。
そこで、本発明は、例えば火災などで高温にさらされる可能性のある鉄骨構造物の柱材や梁材、ブレース材等として使用する鋼部材として、６００℃以上８００℃以下での高温強度が高く、かつ、高温ヤング係数も高く、高温時全体座屈強度（圧縮強度）や高温時局部座屈強度などの高温時座屈強度が高い鋼部材で構成した、耐火被覆を省略または削減可能な鉄骨構造物を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、上記問題を有利に解決するためのものであり、その要旨は以下の通りである。
（１）  鉄骨構造物の柱材や梁材、ブレース材等の構成部材を、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構成したことを特徴とする、耐火被覆を省略または削減可能な鉄骨構造物。
【発明の効果】
【０００５】
本発明では、６００℃以上８００℃以下での高温強度および高温ヤング係数が高く、高温時全体座屈強度（圧縮強度）、高温時局部座屈強度などの高温時座屈強度が高い鋼部材を、柱材や梁材、ブレース材等に用いるため、例えば火災時の高温にさらされても崩壊の懸念がない鉄骨構造物が容易に実現可能であり、耐火被覆を省略ないし削減することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は、鋼材温度Ｔ（℃）が６００℃以上８００℃以下の範囲で、高温降伏強度比ｐ（高温降伏強度／常温降伏強度）が、ｐ≧−０．００２９×Ｔ＋２．４８、かつ、高温ヤング係数比ｒ（高温ヤング係数／常温ヤング係数）が、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」ともいう。）を鉄骨構造物の構成部材に用いるものであり、例えば、柱材やブレース材として用いた場合には高温時全体座屈強度（圧縮強度）を高め、また、板要素で構成される柱材や梁材として用いた場合には高温時局部座屈強度を高めて、層崩壊の懸念のない鉄骨構造物が容易に実現可能とするとともに、鉄骨構造物の耐火被覆を省略または削減可能とするものである。
【０００７】
なお、本発明の鋼部材に好適な鋼材としては、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の範囲を満足する高温特性に優れた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。
【０００８】
しかし、必ずしもこの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，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。
【０００９】
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℃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℃の降伏強度は示されていない。
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、７００〜８００℃での高温強度を確保した実用的な鋼材ないしその鋼材を用いた鉄骨構造物は従来なかったといえる。
【００１０】
耐火設計においては、火災継続時間内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。
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。
【００１１】
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。
【００１２】
以下に、本発明の技術的思想についてさらに詳述する。
［１．柱材やブレース材の高温時全体座屈強度（圧縮強度）の確保］
柱材やブレース材として、鋼材温度Ｔ（℃）が６００℃以上８００℃以下の範囲で、高温降伏強度比ｐ（高温降伏強度／常温降伏強度）が、ｐ≧−０．００２９×Ｔ＋２．４８、かつ、高温ヤング係数比ｒ（高温ヤング係数／常温ヤング係数）が、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部材を用いることにより、６００℃以上８００℃以下での高温時全体座屈強度（圧縮強度）が高い柱材を実現できる。ここでの柱材やブレース材としては、角形（正方形）または円形（真円）の鋼管、Ｈ形鋼などの柱材やブレース材が該当する。
例えば、６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材（本発明に適合する鋼部材形成用鋼）と、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」中で示される一般鋼の高温時全体座屈強度を、７００℃、８００℃の場合について比較して図１、図２に、それぞれ示す。また、７００℃、８００℃におけるｐ、ｒを表１に示す。なお、ユーロコード３に示される一般鋼の高温降伏強度比および高温ヤング係数比は、図３に示すようになっている。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
高温時全体座屈強度は、常温時の座屈強度を定めた日本建築学会「鋼構造設計規準」を高温時にも準用して、式（１）、（２）で与えられるものとする。
λ≦Λのとき、σｃｒ＝Ｆ｛１．０−０．４×（λ／Λ）２｝・・（１）
λ＜Λのとき、σｃｒ＝０．６×Ｆ／（λ／Λ）２・・・・・・・（２）
ここに、λ：細長比
Λ：限界細長比［＝π×｛Ｅ／（０．６×Ｆ）｝１／２］
σｃｒ：許容座屈応力度
Ｆ：高温時の基準強度（ここでは降伏強度とし、常温時の降伏強度を３２５Ｎ              ／ｍｍ２とする。）
Ｅ：高温時のヤング係数（常温時のヤング係数を２０５０００Ｎ／ｍｍ２とす              る。）
図１に示す７００℃の場合、細長比（λ）＝０〜１８０の範囲において、本発明に適合する鋼部材形成用鋼は一般鋼より全体座屈強度が４．５〜６倍程度高くなっていることが分かる。また、図２に示す８００℃の場合、細長比（λ）＝０〜１８０の範囲において、本発明に適合する鋼部材形成用鋼は一般鋼より全体座屈強度が３．２〜４．６倍程度高くなっていることが分かる。
【００１５】
［２．板要素で構成される柱材や梁材の高温時局部座屈強度の確保］
板要素で構成される柱材や梁材として、Ｔ（℃）が６００℃以上８００℃以下の範囲で、高温降伏強度比ｐ（高温降伏強度／常温降伏強度）が、ｐ≧−０．００２９×Ｔ＋２．４８、かつ、高温ヤング係数比ｒ（高温ヤング係数／常温ヤング係数）が、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部材を用いることにより、６００℃以上８００℃以下での高温時局部座屈強度が高い柱材や梁材を実現できる。
ここで、板要素で構成される柱材としては、前項［１］の鋼管やＨ形鋼の柱材などが該当する。また、梁材としては、一般に用いられるＨ形鋼で代表される形鋼類が該当する。
例えば、６００〜８００℃での高温強度および高温ヤング係数が高い鋼材（本発明に適合する鋼部材形成用鋼）と、ユーロコード３に示される一般鋼の高温時局部座屈強度を、７００℃、８００℃の場合について比較して図４、図５に、それぞれ示す。また、７００℃、８００℃におけるｐ、ｒを表１に示す。
【００１６】
高温時局部座屈強度は、常温時の座屈強度を定めた日本建築学会「鋼構造設計規準」を高温時に準用して、式（３）で与えられるものとする。
σｃｒ＝ｋ×［π２×Ｅ／｛１２×（１−ν２）｝］×（ｔ／ｄ）２・・（３）
ここに、σｃｒ：許容座屈応力度
Ｅ：高温時のヤング係数（常温時のヤング係数を
２０５０００Ｎ／ｍｍ２とする。）
ν：ポアソン比（ここでは０．３とする。）
ｋ：板座屈係数（ここではボックス断面柱を仮定して４．０とする。）
ｄ／ｔ：幅厚比
ｔ：板厚
ｄ：板の幅
図４に示す７００℃の場合、幅厚比（ｄ／ｔ）＝０〜５０の範囲において、本発明に適合する鋼部材形成用鋼は一般鋼より局部座屈強度が４．５倍程度高くなっていることが分かる。また、図５に示す８００℃の場合、幅厚比（ｄ／ｔ）＝０〜５０の範囲において、本発明に適合する鋼部材形成用鋼は一般鋼より局部座屈強度が４．６倍程度高くなっていることが分かる。
【実施例】
【００１７】
本発明の鋼部材形成用鋼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）、ｒ（高温ヤング係数／常温ヤング係数）の測定例を図６、図７に示す。なお、高温降伏強度はＪＩＳ  Ｇ  ５６７−１９９８「金属材料および耐熱合金の高温引張試験方法」によっており、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」の押し当て式変位計法によっている。
【００１８】
図６より、本発明に適合する鋼部材形成用鋼（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年）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、本発明に適合する鋼部材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、本発明に適合する鋼部材形成用鋼（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年）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、本発明に適合する鋼部材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、本発明で鋼部材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、柱材やブレース材として用いた場合の高温時全体座屈強度（圧縮強度）や板要素で構成される柱材や梁材として用いた場合の高温時局部座屈強度などの高温時座屈強度が高いものであることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に適合する鋼部材形成用鋼と一般鋼における７００℃での細長比と全体座屈強度の関係を示す説明図。
【図２】本発明に適合する鋼部材形成用鋼と一般鋼における８００℃での細長比と全体座屈強度の関係を示す説明図。
【図３】一般鋼における試験温度と高温降伏強度比および高温ヤング係数比との関係を示す説明図。
【図４】本発明に適合する鋼部材形成用鋼と一般鋼における７００℃での幅厚比と局部座屈強度の関係を示す説明図。
【図５】本発明に適合する鋼部材形成用鋼と一般鋼における８００℃での幅厚比と局部座屈強度の関係を示す説明図。
【図６】本発明に適合する鋼部材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】本発明に適合する鋼部材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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