西松建設技朝 vOL.24
新耐火言 受計法の開発
De ve l o pme nto fNe wFi r eRe s i s t a ntDe s i gn
高橋 孝二* 長谷部 贋行革* KojiTakahashi Hiroyukiliasebe
阿
世賀 宏***HiroshiAsega
要 約
近年,耐火設計法 は急速に発展 し,火災性状 を予測す ることによって,架構あるいは部材が崩壊 しないよう設計する,新 しい耐火設計法l'が提案 されている. しか し,高温時の鉄骨あるいは鉄筋 コンクリー ト部材の力学性状の解明は,未だ研究の余地 を残 している. ここでは,構造用鋼材の高 温部材実験 と高力 ボル ト摩擦接合継手の高温せん断実験の概要 を述べ,それ らの実験結果 を踏 まえ て開発 した ｢新耐火設計法｣ を自走式立体駐車場 に適用 した場合について解説する.
目 次
§1.は じめに
§2.高温時における鋼構造部材の耐力変形性能
§3.高温時における高力ボル ト摩擦接合継手の性能
§4.新耐火設計法の概要
§5.おわ りに
§1. は じめに
建設省総合開発 プロジェク ト ｢建築物の防火設計法の 開発 (1982年〜1986年)｣ (以下,防火総 プロ)で示 され た新 しい思想 に基づ く耐火設計法l)は,建築物 の開口条 件や可燃物量 に応 じて火災性状 を予測 し,その火災に対 して架構が崩壊 しない よう設計す る方法であった. この プロジェク トを転機 に,こゴ1までの仕様書的規定の設計 法か ら,少数ではあるが,耐火設計の分野 において も性 能設計が可能 とな り,構造設計 と同様 に構造技術者の 自 由な架構計画が可能になった.
そ こで,｢防火総 プロ｣で提案 された この新 しい耐火 設計法 を習得 し,建築構造部材の耐火性能の把握お よび 耐火設計技術 の実用化研究 を行 う目的で,6社 の共 同研 究 として ｢建築物の耐火設計法に関す る研究開発｣委員 会 を設置 した.
本報告では,本委員会で実施 した,溶接構造用鋼材(SM 材)の高温部材実験 と高力ボル ト摩擦接合継手の高温せ
* 技術研究所技術研究部建築技術研究課
**企画技術部企画技術課
**虫技術研究所技術研究部
ん断実験の成果の概要 を述べ,それ らの実験結果 を踏 ま えて開発 した ｢新耐火設計法｣ を自走式立体駐車場 に適 用 した場合の概要 について解説す る.
本研究は似初日本建築防災協会に設置 された共同研究会 (日本大学,千葉大学,ベ ター リビング,建設省建築研 究所,佐藤工業,戸 田建設,ハザマ,前田建設工業, フ ジタ,西松建設) によって実施 された.
$2.高温時における鋼構造部材の耐力変形性能
溶接構造用鋼材 の高温時 における耐力‑変形性状 を把 握す ることを目的 とした,角形鋼お よびH形鋼 を用いた 3種類 (鈍圧縮実験,純曲げ実験,曲げ圧縮実験)の実 験 について報告す る2).
2‑1 純圧縮実験 (1)実験概要
試験条件 を表‑1に示す.試験体変数 は断面形状,幅 厚比お よび鋼材温度である.試験体形状 を図‑1に,読 験装置 を図‑2に示す.
表‑1 純圧縮実験条件
断面 幅厚比 銅材温度(℃) 常温 400 500 600 [コ‑150×150×6 25 ● ● ● ●
[コ‑135×135×∠1.5 30 ● ● ● ● H‑135×135×6×9 7.5 ● ● ● ● H‑120×120×4.5×6 10 ● ● ● ●
新耐火設計法の開発
試験体形状 を図‑1に,試験 装 置 を図‑2に示 す.読 験体は箱型電気炉 によ り加熱 した.電気炉 は試験体 を覆 うように設置 し,鋼材温度は目
標
温度の±20℃に
収 まる ように調整 した.温度の測定は, シース型熱電対 を使用 し,試験部分の‑様な温度分布 を確認す る為に計8個の 熱電対 を図‑1に示す場所 に配置 した.変形測定 は,読 験部分の圧縮変形量 を測定 した.(2) 実験結果
H形鋼 の実験結果 を図‑3に示す.縦軸 は試験部分 の 平均圧縮応力である.横軸は標点区間の圧縮変形 を標点 距離で除 した平均歪みである.
角形鋼,
H
形鋼 とも600℃にお け る耐力 は,常温 に比 べ25%程 度 は 保 持 して い る こ とが 確 認 さ jtた. ま た,500℃においては,常温時 に比べ50%以上 の耐力 を 保持 している.幅厚比 による差異 は,角形鋼,H形鋼 と も幅厚比が大 きい試験体の方が どの温度条件においで も 耐力低下が早いことがわかった.2‑2 純曲げ実験 (1) 実験概要
試験条件 を表‑2に示す.試験体変数 は,幅厚比お よ び鋼材温度である.
実験方法 は,両端が ジャッキとローラーによって支持 されている加力梁に試験体 を取 り付 けて,加力梁の一端 をジャッキで上方 に持 ち上げることによ り,試験体 に純 闘 デを生 じさせ る.高温状態 にす る方法は,純圧縮実験 と同株に行 った.
表‑2 純曲げ実験条件
断 面 幅[!fZIlt 斜材施政 (℃)
'r;;iH1品 ∠iOO 500 600 }卜135×135×6×9 7,5 ㊨ ● ● ●
H‑120×120×4.5×6 10 ● ● ㊨ ●
(2)実験結果
実験結果 を図‑4に示す.縦軸 は,試験部分の 曲げモ ー メン トを公称値 (Gy‑330N mm2) を用いた降伏 曲げ モーメン トで無次元化 した倍である.横軸 は試験部分の 曲げ変形量 を降伏時のたわみ量で無次元化 した値 であ る.
実験結果は,いずれの幅厚比において も,常温の試験 体 を除いては,変形の増大 に伴 う耐｢力の低下は無 く,降 伏たわみの20倍以上の変形能力 を有 していた.各温度に おける曲げ耐力は,常温時における公称の降伏モーメン トに対 して,500℃で80%,600℃で40%程度であった.
LfU2
∴ ‑⁚
∵西松建設技報 vOL.24
i
̲ C 闇 書
簡革抗 i .○温度測定位だと
図‑1 純圧縮実験の試験体形状
i2帥l1･㈱ r l･OW̲L l･00' l l･00'1 一･㈱ l 7m I
図‑2 純圧縮実験の試験装置
600
500
rJ‑400 i■Zき≡｣≠ i 300
･R L9200
100
00
600
500
rJ‑400
iZ≡I
≠≠≠ i 300
‑R 哩
2 0 0
100
00
! l ‥ ∴
i ‑･‑s6o0o0℃OC
E ∃
7i/ ..㍗ .ラ .. ‑轟
....∴ノト ーー＼..一､.̲T 上
0.02 0.04 0.06 008 01 ひずみ e
H型鋼 b/t=75
喜 ≦ ≧N 常 温 j ∃ L" ̲400Oc
;
≡
i
iー ド
‑ ‑650000○oCcr
ゝ､
､.｣… 巨
を+ iliYーJ‑JrII■
一書 '‑ . I.
書千.､ ≧∃
喜 E t
■ i
l'
i ‑∵ 〜‑､丁
‑ . j ≧
0.02 004 0 0
6
0.08ひずみ E
H型鋼 b/t=10
図‑3 純圧縮実験の実験結果
西松 建設技朝 vOL.24
10 15 変形 ∂/∂y
H型鋼 b/t=75
20 25
110
碁＼芸FF甚
新耐火設計法の開発
メ 】≡≡ ●一一←■←
■ 一 一
‑‑I4‑‑‑.6常s0o0温0o0oo℃cc ノー∫
∫ ∃
≡ 】書 .
午 . 上 ∴
5 10 15 20 25 変形 ∂/∂y
H型鋼 b/七二75 図‑4 純曲げ実験の実験結果
2‑ 3 曲げ圧縮実験 (1) 実験概要
試験条件 を表‑3に示す.試験体変数は幅厚比 と軸力 比お よび鋼材温度である.
角形鋼 の純圧縮実験 で裏 当て金 の影響 が見 られたた め,裏当て金な しの試験体 を6体含めた.
試験装置 を図‑5に示す.試験部分が 目標 温度で一定 になることを確認 した後,水平アクチュエ‑タ‑によ り 所定の軸力 を与 える.軸力 を一定に保持 した状態で,ど ン支持側垂直 アクチュエー ターで加力梁 を固定 し,加力 側垂直アクチュエ‑ タ‑で加力梁 を下方 に変位 させて, 試験部分 に曲げを与 える.
表‑3 曲げ圧縮実験条件
断面 幅厚比 軸力比 銅材温度
( ℃)
常温 400 500 550 600
H‑135×135×6×9 7.5 0.0.34 ●● ●● ●● ● ● 0.5 ● ● ● ●
班‑120×120×4.5×6 10 00..34 ●● ●● ●● ● ● 0.5 ● ● ● ●
口‑150×150×6 25 00..34 ●● ●● ●● ● ⑳○
0.5 ● ● ◎○ ◎○
[コ‑135×135×4.5 30 00..3‑I. ●● ●● ●● ● ◎○
0.5 ● ● ⑳○ ⑳○
○裏当て金無 しの試験体
(2)実験結果
実験結果 を図‑6に示す. ここで は幅厚比 の小 さなH 形鋼bi‑7.5の結果 を示す. グラフの縦軸 は,モー メ ン トを常温時の公称値 (Gy‑330N mm2) を用いた塑性 モ ーメ ン トMpで無次元化 した値であ り,横軸は,測定 間
80 く⊂つ⊃
2400 594
】 】 貰E l 】】
水平アクチュエ‑タ‑ 電気炉芸式験体 l l 加力梁鮎,畢筆賢1加力梁 l l L上塗 戯
図‑5 曲げ圧縮実験の実験装置
軸力 比 :0.3
≦ 】
≡ ,聖も̲.
500〇
i 喜≡C rTつ′U 600℃ / ∃】i i
∴【300 11｣｣】】1155 11｣｣ll㌃ 1㌃ 1 メメ【【ーー55 11
傾斜角 8C
軸力 比 :0.4
;
≡
【 常温
̀†U Oo i 5009 【
∴1n 】】 川川一一
一ナ 一ナ ; ; 鵠 鵠 t h t h ̲ ̲ ′ ′
.i.i傾斜角
8 C
軸力 比 :0.5
傾斜角
∂ C
図一6 曲げ圧縮実験の実験結果 b/I‑7.5
新耐火設芸十法の開発
距離の傾斜角 を表す.
傾斜角の小 さい段 階で グラフが終了 しているものは, その時点で軸力 を保持で きないことを意味 している.
ヨーロ ッパ基準3‑に定め られ る柱 の限界水平変形h30 (図中では傾斜角115に相当) に達 して も軸力 を保持 で きたの はH形鋼 と角形鋼 とも,軸力比0.3で は600℃,刺 ヵ比o.4では550℃,軸力比0.5では500℃であった.
§3.高温時における高力ボル ト摩擦接合継手の性能
鉄骨架構 の耐火設計 を行 うには,火災時の高力ボル ト 接合部が応力 をどの程度伝達で きるか を把握す る必要が ある.高力 ボル トに関す る実験 で500℃以上のデー タは 未だ少 ないのが現状である.そ こで,650℃ までの高力 ボル ト摩擦接合継 ぎ手の引張試験 について報告す る1'.
3‑ 1 実験概要
供試ボル トには,SIOT‑M22の構造用 トル シア形高力 ボル ト(JSSⅡ09規格) を用 いた.本 実験 で は,2面 せ ん断面の うちの1両がね じ部 となるように,首下長 さを80 mmとし,締付 け長 さに加 える長 さを31mmとした (樵 準寸法は35mm).試験体形状 を図‑7に示す.使用鋼材 はSM490A (母材25mm厚,添板12mm厚)で,2両せ ん 断の摩擦接合形式の継手試験体である.
試験条件 を表‑4に示す. まず部材実験 と同 じ温度で あ る400℃,500℃,550℃,600℃,お よびRTにつ い て 3体 の実験 を行 ない, この結果 よ り200℃,300℃,650
℃について2体の実験 を行 なう事 とした.
試験体の加熱 には電気炉 を用 いた.外側が箱形 (500 mmx500mm),内側 が 円筒 形 (￠200mm),高 さが350 mmの二つ割型電気炉である.約10℃/分で温度 を上昇
させて,所定温度で1時間温度を保持 し,温度が±3℃で 安定 したのを確認 した後に加力 を開始 した. 載荷 には油 圧式200tf万能試験機 を用いた.
温度測定 につ いて は,供試 ボル トの穴芯 よ り上下40 mmの両面に計
4
個のK熱電対 を配置 し,供試ボル ト近傍 の添板表面温度 を測定 した.表‑4 実験条件
′削良I 200℃ 300℃ 400℃ soo℃ 550℃ 600℃ 650℃
● ● ● ● ● ● ● ●
● ● ● ● ● ● ● ●
3‑ 2 実験結果
実験 結果 を図‑8に示 す.すべ り荷 重 は,300℃ よ り 顕著 に低下 し,400℃〜500℃において長期許容せん断力 をT F司り,500℃ を超 えると耐力 はほ とん ど期待 で きな い.最大荷重 は,300℃を超 えると顕著 に低下 し,600℃
西松建設技報 voL24
図‑7 試験体形状
になると長期許容せん断力 を下回る.
常温,200℃,300℃,400℃の実験 で は,すべ り荷 重 に達 した後に小 さなすべ り音が して,最大荷重 に達 した 後 は破 断による大 きな衝撃音が した.500℃以上の実験 では,すべ り音お よび破断時の衝撃音 は確認で きなかっ た.
$4.新耐火言受計法の概要
これまでは,鋼構造の耐火性能 を満足 させ る方法 とし て,要求耐火時間に対 して鉄骨部材 の温度が平均350℃
以下になるように耐火被覆 を施 していました. しか し, 総 プロで開発 された,耐火設計法 を用いjtば,耐火被覆 を全 く用いずに,施工す ることが可能 とな り,その一例 として, 自走式の立体駐車場 に対 して,高温 に強い特殊 鋼材 (耐火鋼)の使用 によ り無耐火被覆工法が実用化 さ れている.
ここでは, これ まで述べて きた高温時の部材お よび接 合部の実験結果 を踏 まえて開発 した新耐火設計法 を解説 す る. この設計法によ り,自走式立体駐車場の一般鋼材 による無耐火被覆工法が可能 となる.
新 しい耐火設計法のフロー を図‑9に示す. この設計 法では,それぞれの建物 について,その設計条件 ･使用 条件 に基づいて,火災性状予測,鋼材温度予測,架構の 耐火性能,接合部の耐火性能,類焼被害防止性能,維持 管理 を予測 し,建物の耐火安全性 を総合的に検証で きる.
西松建設技報 voL.24
以下にそれぞれの項 目について概要 を述べる.
( 1
) 火災性状予測火災性状予測では,燃料支配型火災の確認 と部材温度 算定のための設計火源の設定を行 う.
燃料支配型火災の確認は,燃焼速度を算定 し,換気支 ll.火災性状う側 配型火災の燃焼速度 と比較することにより決定 される.
既往の実験結果5)か ら,十分 な開口を有す る開放型駐 車場では,多数の車が同時に燃焼するような火災が発生 する可能性は極めて小 さいと考えられている.ここでは, 乗用者2台が同時に燃焼 したもの と仮定 して設計火源 を 設定する.高 さ方向は火炎高 さを算定 し,火源の高 さを 加 えた催 となる.設計用火源形状 を図‑10に示す.
(2)鋼材温度予測
鋼材温度は,以下に示す .3手法のうち,いずれかの手 法で算定する.
1)定常状態での熱収支の釣合式
2)耐火鋼の 自走式駐車場一般認定資料 における部材温 度算定図
3)非定常解析等の特殊な解析.
部材温度算定位置 を図‑11に示す.ここで,火害 を 受ける柱,梁が規定 した評価基準値 を越えないことを確 認する.本委員会で実施 した実験結果に基づいて作成 さ れた評価基準を表‑5に示す.
(3)架構の耐火性能
架構の耐火性能では,火災時における架構の安定性 を 検討する為,(2)で決定 した部材温度 まで温度を上昇 させ, 架構が どんな変形状態になるか熱応力変形骨組み解析 に より予測する.解析対象架構の選択は,変形の大 きくな る部材 を含む架構,温度が高 くなると予想 される架構, 長期荷重を最 も多 く負担 している部材 を含む架構 などで ある.架構の耐火性能の評価 は,柱,梁が規定 した変形 量 を超 えていない ことを確認す る.解析例 を図‑12に 示す.
(4)接合部の耐火性能
接合部が,火災時において作用荷重により生 じる応力 を伝達で きる性能を有 しているか確認する.火災が発生 した場合,接合部は,高力ボル ト摩擦接合か ら,ボル ト の熱膨張によりボル トの張力が抜け,せん断接合に移行
表‑5 部材の耐火性能評価基準値
部位 耐火性能評価基 準
荏 軸力比の範関 れ≦o.3 0.3≦n≦0.4 0.4≦n≦0.5
鋼材温度制現価 600℃ 550℃ soo℃
i2.部材温度予測l
l3.架構の耐火性能 E
I4･接合部の耐火性百日
】6.維持管理計画l
新耐火設計法の開発
火災性状予測 解析
図‑9 耐火設計フロー
図‑10 設計用火源形状
図‑11 部材温度算定位置
新耐 火設計法の開発
す る場合 ,応力 は緩和 され る傾 向 にあ るので,常温 時の 長期荷 重 に よる応力 を高温 時の ボル トの耐力が超 えてい るか を確 認す る.摩擦接合 の種類 を図‑13に示す.
(5)類焼被害 防止性 能
建物 の周辺 で火災が発生す る と建物外周 部の部材 が火 炎 または癌射 に よる熱 に曝 され,架構 が倒壊 す る可能性 が あ る. ここで は,燐棟 火災や市街 地火災 を想定 して, 建物 の安全性 を確 認す る.
(6)維持管理
設計条件 (火災性状予測,鋼材温度予測 ,類焼被 害 防 止性 能 な ど) を維持管理計画 に基づ いて,所 有者 お よび 管理者 に徹底 させ る.
§5.おわ りに
溶接構造用鋼材 の高温 部材実験 と高力 ボル ト摩擦接合 継 手の高温せ ん断実験 の概 要 を述べ ,それ らの実験 結果 を踏 まえて開発 した ｢新耐火設計法｣ を 自走式立体駐 車 場 に適用 した場 合 につ いて解説 した.今後 は,用 途範 囲 を拡大 し,その他 の建物 につ いて も用 途 ･規模 に合 った 合理 的 ･経済 的 な耐火設計法 を提 案 して行 くつ も りであ
る.
最後 に本研 究 を共 同で進 めて まい りま した佐藤工業 , 戸 田建 設,ハザマ,前 閏建設工業 , フジタ,ベ ー タリビ ング,建設省建築研 究所 の皆様 , また,鉄骨部材 の実験 を遂行 して頂 いた千葉大学 ･上杉研 究室 の皆様 に深謝致 します .
参考 文献
1)H本建 築 セ ン ター :建 築 物 の総合 防火 設 計 法 第4 巻,財 団法 人 日本建築 セ ンター,1988.
2)平 島岳 夫,他 二高温 時 にお ける鋼構 造部材 の耐力変形 性 能 に関す る研 究,構 造工学論文集,vol.46B,pp.735
‑746,2000.
3)DesignManualontheEuropeanRecommendations for the Fire Safety of Steel Structure,ESSC‑
TechnicalCommittee3FireSafetyofSteelStructure, 1985
4)平 島岳 夫,他 :高力 ボル ト摩擦接合継手 の高温時 にお けるせ ん断耐力 に関す る実験 ,構 造工 学論 文集,vol. 47B"2001.
5)山本幸 一,吉 田正 友, 岡村 義 徳, 田中義 昭 :自走 式2 層3段 自動車 車庫 の実大 火災実験 , 日本建 築 学 会 大 会 学術 講演梗概 集,1997.9,pp133‑136.
西松 建設技報 VOL.24
t / ＼
I l
I ＼
蘭 / ＼
図‑12 解析例
1
梁の剛接合 梁の ピン接合 ブレースの剛接合
図‑13 高力 ボル ト摩 擦接合部の種類
