(57)【要約】【課題】良好な施工性や低廉な施工コストの下、確実な耐火性能を実現する。【解決手段】内側鋼製部材１１０と、この内側鋼製部材１１０の周囲を空間１５０を隔てて囲むように設けられた外側鋼製部材１２０とを備え、前記内側鋼製部材１１０の外周１１１、前記外側鋼製部材１２０の外周１２２または内周１２１の少なくともいずれかを、所定値以下の輻射率の被覆材料１３０で覆ってなる耐火構造。【選択図】  図１
2007023530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側鋼製部材と、この内側鋼製部材の周囲を空間を隔てて囲むように設けられた外側鋼製部材とを備え、
前記内側鋼製部材の外周、前記外側鋼製部材の外周または内周、の少なくともいずれかを、所定値以下の輻射率の被覆材料で覆ってなる耐火構造。
【請求項２】
内側鋼製部材と、この内側鋼製部材の周囲と接してまたは当該周囲と空間を隔てて、コンクリート製部材と共に囲むように設けられた外側鋼製部材とを備え、
前記内側鋼製部材の外周、前記外側鋼製部材の外周または内周、の少なくともいずれかを、所定値以下の輻射率の被覆材料で覆ってなる耐火構造。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記被覆材料が、０．５以下の輻射率を備えるものである耐火構造。
【請求項４】
請求項１または２において、
前記被覆材料が、前記内側鋼製部材または外側鋼製部材に対して、鍍金、塗布、融着、および貼付け、のいずれかにより加工処理されたものである耐火構造。
【請求項５】
請求項１または２において、
前記内側鋼製部材または外側鋼製部材が、丸型鋼管、角形鋼管、Ｈ型鋼、Ｉ型鋼、および鉄筋のいずれかまたはそれらの組合せである耐火構造。
【請求項６】
請求項１または２において、
前記被覆材料が、アルミ、亜鉛、ニッケル、および亜鉛ニッケル合金のいずれかである耐火構造。
【請求項７】
請求項１または２において、
前記内側鋼製部材外周と前記被覆材料との間に断熱材を配した耐火構造。
【請求項８】
請求項７において、
前記断熱材が、加熱により発泡する発泡断熱シートからなる耐火構造。
【請求項９】
請求項１または２において、
前記内側鋼製部材外周と外側鋼製部材内周との間に、前記被覆材料で表裏少なくともいずれかの表面を覆った補助部材を配置してなる耐火構造。
【請求項１０】
請求項１または２において、
前記内側鋼製部材または前記外側鋼製部材が、複数の鋼製部材からなる鋼製部材群であり、内側鋼製部材群の外周、外側鋼製部材群の外周または内周、の少なくともいずれかを、所定値以下の輻射率の被覆材料で覆ってなる耐火構造。
【請求項１１】
内側鋼製部材と、この内側鋼製部材の周囲を空間を隔てて囲むように設けられた外側鋼製部材とを備え、前記内側鋼製部材の外周、前記外側鋼製部材の外周または内周、の少なくともいずれかを、所定値以下の輻射率の被覆材料で覆ってなる耐火構造を備える構造物。
【請求項１２】
内側鋼製部材と、この内側鋼製部材の周囲と接してまたは当該周囲と空間を隔てて、コンクリート製部材と共に囲むように設けられた外側鋼製部材とを備え、前記内側鋼製部材の外周、前記外側鋼製部材の外周または内周、の少なくともいずれかを、所定値以下の輻射率の被覆材料で覆ってなる耐火構造を備える構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐火構造および耐火構造を備える構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
火災加熱等に対する鋼構造部材の耐火対策には、耐火被覆や水冷処理といった手法がとられてきた。しかしいずれの手法も、大きなコストや多くの施工時間等を要する難点があった。そこで前記鋼構造をなす鋼管等を内管と外管とからなる二重構造とし、この内管と外管との隙間にモルタル等を充填する方法が提案されている。こうした二重管構造については、例えば、柱を断面外側の外側鋼管と断面内側の内側鋼部材とで構成し、前記外側鋼管と前記内側鋼部材との間に、断熱空間としての中空部を設けたことを特徴とする耐火構造用鋼管柱（特許文献１参照）などが提案されている。  
【特許文献１】特開平５−３０２３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら従来方法においては、前記二重管構造での内管外管の間の隙間が小さい場合、前記モルタル等の充填施工が困難であり、多くの施工時間や施工コストがかかるという問題が残されていた。勿論、従来の水冷処理等の措置を構造物に適用するとしてもコストが高騰し実用性が薄い。
【０００４】
そこで本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、良好な施工性や低廉な施工コストの下、確実な耐火性能を実現する、耐火構造および耐火構造を備える構造物を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決する本発明の耐火構造は、内側鋼製部材と、この内側鋼製部材の周囲を空間を隔てて囲むように設けられた外側鋼製部材とを備え、前記内側鋼製部材の外周、前記外側鋼製部材の外周または内周、の少なくともいずれかを、所定値以下の輻射率の被覆材料で覆ってなる。
【０００６】
また、本発明の耐火構造は、内側鋼製部材と、この内側鋼製部材の周囲と接してまたは当該周囲と空間を隔てて、コンクリート製部材と共に囲むように設けられた外側鋼製部材とを備え、前記内側鋼製部材の外周、前記外側鋼製部材の外周または内周、の少なくともいずれかを、所定値以下の輻射率の被覆材料で覆ってなる。
【０００７】
また、本発明の耐火構造は、前記被覆材料が、０．５以下の輻射率を備えるものであるとすれば好適である。  
また、本発明の耐火構造は、前記被覆材料が、前記内側鋼製部材または外側鋼製部材に対して、鍍金、塗布、融着、および貼付け、のいずれかにより加工処理されたものであるとすれば好適である。  
また、本発明の耐火構造は、前記内側鋼製部材または外側鋼製部材が、丸型鋼管、角形鋼管、Ｈ型鋼、Ｉ型鋼、および鉄筋のいずれかまたはそれらの組合せであるとすれば好適である。  
また、本発明の耐火構造は、前記被覆材料が、アルミ、亜鉛、ニッケル、および亜鉛ニッケル合金のいずれかであるとすれば好適である。  
また、本発明の耐火構造は、前記内側鋼製部材外周と前記被覆材料との間に断熱材を配したものとすれば好適である。  
また、本発明の耐火構造は、前記断熱材が、加熱により発泡する発泡断熱シートからなるものとすれば好適である。  
また、本発明の耐火構造は、前記内側鋼製部材外周と外側鋼製部材内周との間に、前記被覆材料で表裏少なくともいずれかの表面を覆った補助部材を配置してなるとすれば好適である。
【０００８】
また、本発明の構造物は、前記内側鋼製部材または前記外側鋼製部材が、複数の鋼製部材からなる鋼製部材群であり、内側鋼製部材群の外周、外側鋼製部材群の外周または内周、の少なくともいずれかを、所定値以下の輻射率の被覆材料で覆ってなるとしてもよい。  
また、本発明の耐火構造は、内側鋼製部材と、この内側鋼製部材の周囲を空間を隔てて囲むように設けられた外側鋼製部材とを備え、前記内側鋼製部材の外周、前記外側鋼製部材の外周または内周、の少なくともいずれかを、所定値以下の輻射率の被覆材料で覆ってなる耐火構造を備える。  
また、本発明の構造物は、内側鋼製部材と、この内側鋼製部材の周囲と接してまたは当該周囲と空間を隔てて、コンクリート製部材と共に囲むように設けられた外側鋼製部材とを備え、前記内側鋼製部材の外周、前記外側鋼製部材の外周または内周、の少なくともいずれかを、所定値以下の輻射率の被覆材料で覆ってなる耐火構造を備える。
【０００９】
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明の実施の形態の欄、及び図面により明らかにされる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、良好な施工性や低廉な施工コストの下、確実な耐火性能を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。まず、本実施形態における耐火構造に関する説明の前提として、輻射現象について概説する。この輻射現象は、物体がその温度に応じて表面から電磁波（主に赤外線）の形でエネルギーを放出する現象を指しており、あるいは放射とも称している。また、ある温度の物体が発する輻射には上限があるが、この輻射の効率が最もよい仮想的な物体を黒体という。この黒体と同じ温度にある、現実の物体が発する輻射エネルギーと、黒体のそれとの比を輻射率と呼び、一般にこの輻射率は温度や波長によって変化する。
【００１２】
また、空力加熱を受けると物体の表面温度が上昇するが、これにつれて物体表面から外部へ放出される輻射エネルギーも増加する。この輻射エネルギーの流出率が、高温気流から物体に入ってくるエネルギーの流入率と等しくなるところまでくると物体表面の温度上昇は止まり、それ以上は温度が上がらなくなる。この状態を輻射平衡と呼び、この時の表面温度を輻射平衡温度と呼ぶ。
【００１３】
さてここで、他の性質は同じで輻射率のみ異なる２つの物体が同じ空力加熱を受けている場合を考える。２つとも次第に温度が上昇していくが、輻射率の大きな物体の方が先に、つまり低い温度で輻射平衡に達する。それは、まだこの温度では輻射率の小さい物体が放出するエネルギーは、入ってくるエネルギーより小さく、温度上昇が続くためである。結局、輻射率の小さな物体は、輻射率の大きな物体より高い平衡温度まで上がってしまうことになる。同じ加熱に曝されるのにもかかわらず、輻射率の小さな物体は高い温度に耐えなければならないのである。
【００１４】
そこで本発明では、内側鋼製部材とその外周を囲むように設置される外側鋼製部材との隙間空間における、内側鋼製部材外周面と外側鋼製部材内周面との間の輻射熱伝達量を低減し、耐力構造部材たる前記内側鋼製部材に作用する火災加熱を極力抑えるとの技術思想を提案する。これにより前記内側鋼製部材の温度上昇を抑制して耐火性能を従来より高めた耐火構造を得ることができるのである。
【００１５】
図１は、本実施形態の耐火構造および耐火構造を有する構造物を示す図である。こうした耐火構造を備える構造物１００の一例として、例えば図１に示すような鋼管柱１０１と鋼製梁１０２、ガラスウォール１０５などから主として構成される構造物を示した。近年、大型商業ビルなど各種構造物は、採光性や通気性、意匠性等に配慮し、構造躯体の一部、例えば前記鋼管柱１０１などをガラスウォール１０５などビル壁面部に近接させて露出させる構造が多く見受けられる。こうした構造を採用した構造物の場合、火災加熱等に対する配慮がコンクリートに比してより必要である鋼製部材が、コンクリート等に埋設されることもなくむき出しとなり火炎が直接及びやすいとも言える。そこで、本発明の耐火構造を前記鋼管柱１０１等に採用すれば、鋼管柱１０１の耐火性能は勿論のこと当該鋼管柱１０１が支持する構造物１００の耐火性能も高まることとなる。
【００１６】
本実施形態における耐火構造たる前記鋼管柱１０１は、内側鋼製部材たる内部鋼管１１０と外側鋼製部材たる外部鋼管１２０とから構成されている。前記内部鋼管１１０の外周１１１または、前記内部鋼管１１０を所定空間１５０を隔てて囲むように配置される外側鋼製部材たる外部鋼管１２０の外周１２２または内周１２１の少なくともいずれかには、所定値以下の輻射率の被覆材料１３０が被覆されている。この被覆材料１３０は、例えば鋼材の輻射率より低い０．５以下の輻射率を備えるものを想定でき、具体的には、アルミ、亜鉛、ニッケル、および亜鉛ニッケル合金などの低輻射率の金属が挙げられる。また、前記被覆材料１３０は、前記内部鋼管１１０または外部鋼管１２０の表面に対し、溶融した被覆材料１３０の鍍金、塗布、溶着、および貼付けといった加工処理を行うことで、耐火構造の形成処理を容易に実行できる。
【００１７】
なお、前記鋼管柱１０１の構造例としては、図２（ａ）〜（ｃ）の形態例に示すように、丸型鋼管、角形鋼管、およびＨ型鋼をそれぞれ組み合わせた構造を想定することもできる。図２（ａ）の耐火構造２００では、外側鋼製部材としての丸型鋼管２０１の内部に、空間２０５を介して内側鋼製部材としてのＨ型鋼２０２が配置され、丸型鋼管２０１の外周、内周、Ｈ型鋼２０２の外周、の少なくともいずれかには被覆材料２０３が被覆されている。
【００１８】
また、図２（ｂ）の耐火構造２１０では、外側鋼製部材としての角形鋼管２１１の内部に、空間２１５を介して内側鋼製部材としての角形鋼管２１２が配置され、角形鋼管２１１の外周、内周、角形鋼管２１２の外周、の少なくともいずれかには被覆材料２１３が被覆されている。
【００１９】
また、図２（ｃ）の耐火構造２２０では、外側鋼製部材としての角形鋼管２２１の内部に、空間２２５を介して内側鋼製部材としてのＨ型鋼２２２が配置され、角形鋼管２２１の外周、内周、Ｈ型鋼２２２の外周、の少なくともいずれかには被覆材料２２３が被覆されている。
【００２０】
また、図２（ｄ）の耐火構造２３０では、外側鋼製部材としての角形鋼管２３１の内部に、空間２３５を介して内側鋼製部材としてのＨ型鋼２３２が配置され、角形鋼管２３１の外周、内周、Ｈ型鋼２３２の外周の少なくともいずれかには被覆材料２３３が被覆されている。なお、この図の例で示すように、前記内側鋼製部材が、前記外側鋼製部材とコンクリート製部材（例：床版や壁体など）２４０とにより囲まれているとしてもよい。この例では、前記外側鋼製部材としての角形鋼管２３１の１つの側部がコンクリート製部材２４０となって両者一体となっている。
【００２１】
なお、内側鋼製部材としては、上記例の他にも、Ｉ型鋼などの構造用鋼材を想定するとしてもよい。前記内側鋼製部材または前記外側鋼製部材が、複数の鋼製部材からなる鋼製部材群である場合、内側鋼製部材群の外周、外側鋼製部材群の外周または内周の少なくともいずれかを、所定値以下の輻射率の被覆材料１３０で覆ってなる耐火構造１００を想定しても良い。
【００２２】
上述した耐火構造において更に、前記内側鋼製部材たる内部鋼管１１０の外周１１１に接して断熱材１６０を配し、その外周に前記被覆材料１３０を配するとしても好適である。このような構造とすることで、前記内部鋼管１１０の外周１１１へ伝搬される熱量がさらに低減されることとなる。なお、前記断熱材１６０としては、加熱されて発泡する発泡断熱シートを想定できる。
【００２３】
また、本実施形態における耐火構造たる前記鋼管柱１０１において、図３に示すように、内側鋼製部材たる内部鋼管１１０の外周１１１と、外側鋼製部材たる外部鋼管１２０の内周１２１との間の空間１５０に、前記被覆材料１３０で表３０１または裏３１１の少なくともいずれかの表面を覆った補助部材３００を配置するとすれば更に好適である。従って、この場合、前記補助部材３００の内空１５１に前記内部鋼管１１０が配置されることとなる。
【００２４】
この補助部材３００は、上記同様の所定値（例：０．５）以下の輻射率の被覆材料３３０（例：アルミ、亜鉛、ニッケル、および亜鉛ニッケル合金などの低輻射率の金属）が被覆されている。また、前記被覆材料３３０は、前記補助部材３００の表面に対し、溶融した被覆材料３３０の鍍金、塗布、溶着、貼付けといった加工処理を行うことで、耐火構造の形成処理を容易に実行できる。。
【００２５】
なお、前記内部鋼管１１０、外部鋼管１２０、補助部材３００の各部材間の固定は、例えば、各部材間の少なくともいずれか一方に各部材間を結ぶフランジ部を設けて、当該フランジ部を各部材間でボルト締結や溶接等の手段で固定する。勿論、前記各部材間の固定手段としてはその他、採用しうるいかなる技術を適用しても良い。
【００２６】
次に、上述した本実施形態の耐火構造についての、耐火性能の検証結果を説明する。図４は、本実施形態の等価輻射率と耐火時間との関係を示すグラフである。
【００２７】
上述したような二重鋼管構造の実用的耐火設計は、同部材が周囲から均一な加熱を受けると仮定し、鋼管断面の半径方向の１次元熱流場に関する温度計算モデルを用い、これに各部材表面の輻射率など関係要素を入力し、鋼管の各部温度を計算することによって行われる。  まず、本実施形態の耐火構造において、前記内部鋼管１１０におよぶ輻射熱が低減される効果は、各表面１２１、１２２、１１１の輻射率によって決まる。ここでは一例として、表面１２１、１１１を対象とする。この場合、外部鋼管１２０の断面中心から管外周面までの半径５００（ｒ１）、内部鋼管１１０の断面中心から管外周面までの半径５０１（ｒ２）の位置にある、各面１２１、１１１のそれぞれの輻射率をε１、ε２、絶対温度をＴ１、Ｔ２とすると、面１２１から面１１１への輻射熱伝達量Ｑは、Ｔ１、Ｔ２の４乗の差に比例し、以下の（式１）から求められる。  
2007023530.tif 000003
【００２８】
なお、ここにσ：ステファン−ボルツマン定数（σ＝５．６６７×１０−１１（ｋＷ／ｍ２Ｋ４））とする。この（式１）において、面１２１と面１１１との間の見かけの等価輻射率ε０は、次式の（式２）で表すことができる。  
2007023530.tif 000004
【００２９】
なお、前記輻射熱伝達量Ｑは、次式の（式３）のような簡易な式で表すことができる。  
2007023530.tif 000005
【００３０】
こうした式で算定できる等価輻射率によって、前記輻射熱伝達量Ｑが明示的に予測できる。実際の耐火設計は、以上から、各表面１２１、１１１に、耐熱性があって低い輻射率の被覆材料１３０を被覆して皮膜を形成した状況についての等価輻射率を求める。そしてこれを上述の温度計算モデルに入力し、鋼材温度が許容温度に達する時間を耐火時間として算定し、耐火性の評価を行うことになる。
【００３１】
例として、等価輻射率が耐火時間に及ぼす影響を温度計算モデルを用いて求めた結果を図４に示す。ここで、例えば面１２１や面１１１にアルミニウムや亜鉛の合金といった前記被覆材料１３０を塗布し、それらの輻射率がおのおの、ε１＝０．２５（アルミニウム）、およびε２＝０．２（亜鉛合金）とした場合、その等価輻射率ε０は、次式の（式４）の通りとなる。  
2007023530.tif 000006
【００３２】
この式で求めた通り、等価輻射率ε０は、“０．１１”となる。この場合、図４のグラフ４００において、等価輻射率ε０が“０．１１”である場合、内部鋼管１１０の厚さ５０５が１０ｍｍ、３０ｍｍ、５０ｍｍのとき、それぞれの耐火時間は４５分、９０分、１２５分となる。なお、図４のグラフ４００は、次式の（式５）に示す標準加熱温度曲線による加熱温度の式に基づくものである。  
2007023530.tif 000007
この場合、ＴＦ：加熱温度（℃）、ｔ：時間（分）、管外径（：外部鋼管＝５００ｍｍ、内部鋼管＝４００ｍｍ）、管肉厚（：外部鋼管の肉厚５０６＝５ｍｍ、内部鋼管の肉厚５０５＝１０、３０、５０ｍｍ）、耐火時間：内部鋼管１１０の温度が５５０℃になる時間、との条件が設定されている。
【００３３】
一方、前記被覆材料１３０の被覆といった耐火構造を採用しない場合、前記等価輻射率ε０は０．５程度であるので、図４のグラフ４００において、等価輻射率ε０が“０．５”である場合、内部鋼管１１０の各厚さ５０５についての耐火時間は２３分、４５分、６０分となる。つまり、耐火構造を採用した場合、前記内部鋼管１１０は、耐火構造を採用しない場合の２倍の耐火時間を備えることになる。したがって、耐火設計を行う場合、対象とする構造に対する要求耐火時間を充たすように、例えば前記内部鋼管１１０の厚み５０５に応じて、採用すべき被覆材料１３０をその輻射率に基づいて選定するといった設計を行う。
【００３４】
なお、前記輻射率は温度に依存するので、採用する被覆材料１３０の各種材料についての輻射率を温度の関数として実験値を得て、データ整理しておく必要がある。
【００３５】
また、図３に示した補助部材３００を内部鋼管１１０と外部鋼管１２０との間に配置し、高度な遮熱効果を導く場合、前記等価輻射率ε０は、各面１２１、１１１の輻射率を“０．２”と仮定し、補助部材３００の断面中心から補助部材外周面までの半径５０２とすると、ε０＝０．０６となる。従って、図４のグラフ４００において、等価輻射率ε０が０．０６である場合、内部鋼管１１０の耐火時間は、上記各厚さについて、６０分、１２０分、１８０分となり、耐火性能の大幅な向上が望める。
【００３６】
本発明によれば、良好な施工性や低廉な施工コストの下、確実な耐火性能を実現できる。
【００３７】
以上、本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施形態の耐火構造および耐火構造を有する構造物を示す図である。
【図２】本実施形態の耐火構造断面の（ａ）形態例１〜（ｃ）形態例４を示す図である。
【図３】本実施形態の耐火構造の他形態例を示す図である。
【図４】本実施形態の等価輻射率と耐火時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１００  構造物
１０１  鋼管柱（耐火構造）
１０２  鋼製梁
１０５  ガラスウォール
１１０  内部鋼管（内側鋼製部材）
１１１  内部鋼管の外周
１２０  外部鋼管（外側鋼製部材）
１２１  外部鋼管の内周
１２２  外部鋼管の外周
１３０  被覆材料
１５０  空間
１６０  断熱材
２０１  丸型鋼管
２０２、２２２、２３２  Ｈ型鋼
２１１、２１２、２２１、２３１  角形鋼管
２４０  コンクリート構造
３００  補助部材
５０５  内部鋼管の厚み
５０６  外部鋼管の厚み
【図４】
2007023530.tif 000008
【図１】
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【図２】
2007023530.tif 000010
【図３】
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