平成 26 年度に終了した研究開発【運営費交付金による研究開発】

３）防火研究グループ
３）－１

多様な加熱強度を被る鋼部材の耐火性能と耐火試験結果の工学的評価に関する研究【基盤】

Study on Assessment and Fire Resistance of Protected Steel Elements Exposed to VariousFire Severities
防火研究グループ
Dept. of Fire Engineering（研究期間 平成 25～26 年度）
萩原 一郎
茂木武
Ichiro Hagiwara
Takeshi Motegi

成瀬 友宏
Tomohiro Naruse

The objective of this research is to assess the fire resistance of protected steel structural elements exposed to various fireseverities in realistic fire. The degree of the deterioration of several fire protections at high temperatures was inspected using
TG/DTA (Thermogravimetry / Differential Thermal Analysis) and DSC (Differential Scanning Calorimetry) methods. A series ofheating tests of protected steel plates was conducted to obtain the temperature rise characteristics of the steel elements exposed tothree different levels of fire severities, which covered the maximum fire temperature up to 1250 degrees observed in real scale fireexperiments. As the result, the ordinary fire protections except for ceramic fiber did not have the expected resistance over 1150
degrees. Extrapolation of fire severities and fire duration should be limited to the maximum temperature which fire protection
materials were able to retain the expected performance. The optimal condition of specimens in fire resistance tests was also
provided based on the mechanical properties of steel material and thermal properties of fire protections.
［研究目的及び経過］

高温時熱物性把握
高温加熱実験(電気炉)

建築物の構造体の耐火性能は、火災の激しさ・継続

熱伝導率、比熱密度、亀裂・溶融
鋼材の温度上昇特性
.
技術資料
熱抵抗係数
火災外力の適用条件

時間、高温時耐力に基づき評価されるが、性能評価技術の向上・高度化にあたっては、工学的評価の導入と実火災時の耐火被覆の健全性把握が必要である。特に鋼構造の部材においては、柱・梁等の部位、耐火時間(1、2、3部材の耐火実験(耐火炉)

鋼板、柱、梁鋼材の温度上昇特性
ISO834関連規格
ISO834-10,11等時間)毎、鋼材断面に応じて個別に耐火試験を実施して、耐火構造として国土交通大臣認定を取得する必要があるなど、新材料・新技術を導入するのに多くのコストを要ては、火災の激しさや高温時耐力等に基づき、耐火構造大臣認定の合理化
耐火試験結果の工学的評価
試験体の選定の標準化と適用範囲の明確化
耐火性能検証法への適用方法の検討の構造体の耐火性能を工学的に評価しているが、試験時

図 1 耐火試験結果の工学的評価の枠組する。一方、耐火性能検証法等の性能設計ルートにおいの加熱温度を大きく超える条件へ外挿されているにも係

1600
1400

本研究では、火災時における防火被覆された鋼構造

1200

部材に関して、防火被覆の適用限界の明確化、性能評価の合理化に向けて ISO 等で検討されている新しい試験法の導入等のための技術資料の構築(図 1)を目的とした。
［研究内容］

Temperature (℃)

わらず、その適用限界については十分確認されていない。

1000
800
600
400

Standard Fire(ISO834)
Hydrocarbon Modified Curve
RABT-ZTV(car)Experimental results

200

多様な激しさの火災(図 2)における主要構造部への熱00

入力を適切に評価するため、防火被覆材の高温物性値と10203040

Hydrocarbon Curve(Eurocode1)
RABT-ZTV(train)
RWS (Rijkswaterstaat)
S2-A avg.

50 60 70time (min)80

90 100 110 120

その劣化の程度を熱物性試験(TG/TDA, DSC 法)、電気炉

図 2 火災温度-時間関係を用いた加熱試験、耐火試験によって把握し、構造体にを適切に解釈し、その結果の適用範囲を工学的に拡張で対する火災外力等価性評価法の適用範囲の明確化を行っきるように ISO834-10, 11 等の方法論を耐火性能検証法た。また、耐火設計時の性能評価において、任意の防火等の枠組に取り入れるために必要となる条件や合理的な被覆材料で被覆した複数の試験体に対する耐火試験結果試験体の選定方法等について検討した。

-9-平成 26 年度に終了した研究開発【運営費交付金による研究開発】［研究結果］

20(1) 耐火被覆材の高温熱物性特性

1510

ロックウールフェルト、ALC、せっこうボード等の高温

5
Cp (J/g.K)

代表的な耐火被覆材として、けい酸カルシウム板、時重量減少、見かけの比熱を TG/DTA(図 3)、DSC 法(図4)により把握した。これにより、火災温度が 1200℃程

0-5度では溶融、熱分解が進行するものもあることが明らか-10となった。防火被覆材料の高温物性分析により、せっこ-15

うボードでは脱硫による 1050℃以上での急激な熱分解、-20

セラミックファイバー（128kg/m2)
GB-F(V)GB-F(X)
ALC
けい酸カルシウム板(0.5TK)
高耐熱ロックウールフェルト

けい酸質材料ではトバモライト結晶、ゾノトライト結晶

400 600 800 1000 1200 1400
Temperature (℃)の分解が確認された。また、耐熱ロックウールフェルト

図 4 加熱温度と見かけの比熱関係(DSC 法)

0200

では、1150℃以上での溶融による潜熱が確認された。これらの方法により、防火被覆の適用限界温度を把握することができた。
(2) 加熱強度を変化させた加熱実験
耐火被覆材の劣化状況を踏まえた、多様な加熱強度を被る被覆鋼材の入熱を適切に評価するため、高速昇温電気炉、耐火炉を用いた鋼板の加熱実験を実施した（図図 5 加熱後の防火被覆材の状況（耐熱ロックウールフェルト、けい酸カルシウム板）0.55）。試験結果を工学的に拡張するため、加熱強度と被覆材の劣化状況を踏まえた、熱伝導率の同定方法の構築を行った(図 6)。また、小・中規模加熱実験を比較する

α=650（上限1250℃）

熱伝導率[W/ｍ・K]と、同一の防火被覆であれば、非加熱面の断熱条件を高く設定した小型実験によって、中規模実験の結果を設計上安全側に評価できることがわかった。
3）評価用試験体の選定に関する分析
ISO834 に則った耐火試験法においては、載荷加熱試
験装置の寸法・載荷能力を踏まえて、細長比が 15～700.40.3α=4600.20.1α=350の鋼材寸法(小断面、大断面等)を試験体とすることが適0当であることがわかった。また、試験体の熱的分析に加0200 400 600 800 1000 1200
被覆材温度[℃]
図 6 加熱強度に応じた熱伝導率の同定えて、部材の崩壊温度特性を考慮すると、試験結果の拡張可能範囲は図 7 のようになり、これを踏まえた試験体

50-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50

断面径D (mm)TG (%)

選定が可能となった。

セラミックファイバー（128kg/m2)
GB-F(V)GB-F(X）
ALC
ケイ酸カルシウム(タイプ3)
高耐熱ロックウールフェルト

0200800
750700650600550500450400350300250200150100500

D/ts=41(FC)λ=9.2□-300x9
L=3000 mm
λ =24.5
D/ts=33.3
490級

λ=10.5

D/ts=27(FA)D/ts=32(FB)

ts =9λ=12.3
λ=14.7λ=18.4

Box dimension
Hp/A (= 1/ts)
λ(0.4D)
耐火設計指針耐火性能検証法
局部座屈発生温度n=1.9

λ=24.5λ=36.8λ=73.5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
鋼材厚さ ts (mm)

図 7 試験体の選定条件の概要［参考文献］
1) ISO834 Fire-Resistance tests –Elements of building

400 600 800 1000 1200 1400
Temperature (℃)

図 3 加熱温度と重量減少の関係(TG)construction Part1-11- 10 -