【報 告
1
UDG ；614
．
841．
41 ：691．
71日本建 築 学 会 構 造 系論文報告 集 第427号
・
L991年9月Journai of Stfuct Constr Engng
、
A1J、
No．
427，
Sep、
，
lgg］建
築
構
造 用
耐
火
鋼材
の
高
温
強
度特性
ELEVATED
TEMPERATURE
MECHANICAL
PROPERTIES
OF
FIRE
RESISTANT
STEEL
FOR
BUILDING
STRUCTURAL
USE
作 本 好 文
＊ ，大 橋
守
＊ ＊，計 良光
一
郎
＊ ＊ ＊，斎 藤
光
＊ ＊ ＊＊Yoshifumi
SAKUMOTO
，
Mamoru
OlllASffl
，Kouichiro
KEIRA
砌 ゴ 伍 肋 プ〃S41TO
This
paper presen［s properties of newlydeveloped
fire
resistan 亡steel （Ff
之steel ｝f
（）rb
田［ding
structural use．
Because of the e且ements contained，
FR
steel excels，
compared to conventionalg
．
tructural steels，
in
strength al elevated tempe 田 tures．
Elevated
t已mperature tensile tests were car．
rled ・ut and thelr results wcre expressed in numencat values，
Fuil
scale c・lumn
fire
tests withloading were also carried out and it was confirmed that
FR
steelloadbearing
members candisplay
the elevated temperature charac 【eristics of
FR
steel ltself．
Als（， actual examples of building usmgFR
steel，
where a reduction and el皿 inatLQnりr fire protection materials，
were presented．
Keywor 〔
ts
：fire
resistanc’
e，
steel，
high
temPerature，
strength，4
駒 厂mation，
fit
’
eProtection
耐火， 鋼 材， 高 温， 強 度
，
変 形，
被 覆 §1．
序 鋼 構 造 建 築 物は，
火 災 時に熱で鋼 材 強 度が低 下す るこ とか ら，
鉄骨を耐 火 被 覆で保 護す る こと が建 築基準法で 厳し く規 定さ れ てい る が，一
［事 費 低 減・
工期 短 縮・
室 面 積 有 効 利用 などの面か ら， 耐 火 被 覆工事 軽 減のニー
ズは 極めて高い もの が あ る。
鋼 材の 降 伏 耐 力 （高温時はO．
2
％ 耐力。
以 ド， 耐 力 とい う）は金属 原 子の固有 抵抗 と転 位運動に 対する摩 擦 力か ら定まるが，
高温時に は，
金属原 了．
の 内 部エ ネル ギー
・
が増 大し抵 抗が少な くな る こと，
摩 擦 力が低 下す ること な どか ら，
低い応 力 度で降 伏 を起こ す。
Fig．
ユ の点線は，．
一
・
般 建 築 用 鋼 材 （以下，一
般 鋼とい う ＞SM
50A
の 降 伏 耐 力の温 度 依 存 性を示す、
、
350℃ 近 辺で常 温に お ける規 格 最小 値 （以 ト，
常温規 格 値とい う｝ の 2／3 〔＝
長 期 許 容 応 力 度 ：2Zkgf
／mm2 ）ま で低 下し，
800
℃ で常温値の約10
％程度と な る。
建 築 基 準 法で は，
こ の よう な一
般 鋼の 高温 引 張 試 験 と 柱・
梁の 載 荷 加 熱 試 験に基．
つい て，
耐 火 試 験 時の一・
般 鋼の許 容温度を平 均 350℃，
最 高450°
C
と規 定して いる11．
．
｝lc．
一
・
方， 許 容 温 度に基づ く仕 様 規 定を前 提とした耐火 試 験 方 法に対して，
1982〜
1987年，
建 設 省 総 合 技 術 開発 プロ ジェ ク ト 「建 築 物の防 火 設 計 法の開 発 」0）完 成に よ り， 火災 時の鋼 材 混 度と高温強 度 特 性 （高｝111L
時σ）耐 力・
引 張 強さ な どの機 械 的 性 質の総称）か ら鉄骨架 構の耐 火 性 能を評 価す るいわ ゆ る性能規定に よ る耐火設 計 手 法が 実 用 化された。
建 築 構 造 用［
Ill
†火 鋼 材 （Fire Resistant steel，
以 下，FR
鋼とい う〕は，
こ の よ うな背 景か ら，
高温強 度 特 性 特に高 温耐 力を向 上させ る ことで，
耐 火 被 覆の 大幅な削 減や無被覆 鉄 骨構造の実 現 を 目標 として開 発した新しい 建 築 用 鋼 材であ る。
40蕈
3°ヨ
賢
？e 10SM50A −NFR ，
SM50A
口 EO lOO 200 300 400 50日 600 700日00 温度 （℃） 22 （k8fノ Fig．
1−一
・
般 鋼・
FR 鋼のrlE冴温1耐力の温1斐依 存性 ＊ 新日本 製鉄・
L修 林 壁斤日本 製 鉄 承 楙 斬日衣製鉄 榊 林．
「 蘖 大 学 教 授・
i’
h．
？NIPP〔川 Steel C〔｝rp〔，ratlon
、
M、
Eng、
N監ppr川 Sτeel CorPDrntiom
Nlppr♪n Ste（
：
l C⇔ 「Pora しL〔丿
nP「ef
．
，
C｝］1bu Univer5ity，
Dr．
Eng、
鋼材の高 温 耐 力を向上 さ せ る方 法と し て
，
固 溶 体 強 化 （摩擦 面の粗度をh
げて転 位運動を妨げ る）と析 出・
分 散 強 化 （転 位の通り道 に分 散し た析 出 物が転 位 運 動を妨 げ る｝が あ る が，
FR 鋼は，
クロ ム 嶂）モ リブデンなどの 合金元 素によ る析 出・
固 溶 強 化 を狙っ た鋼 材で ある。
鋼 材の高 温 強 度 特 性そ の もの を向一
ヒさせ る こ の 種の試 み は，
フラン ス の鉄 鋼メー
カー
， クル ゾー
ロ ワー
一
ル社に おける モ リブデン鋼の研 究 例4】．
51 がある が，
実用 化に は 至っ てい ない。
本 報 告では，FR
鋼の高温強度特性にっ い て の試 験 結 果と その定 式 化に つ いて述べ る と と もに，
部 材 実 験お よ び実建築 物へ の適用事例につ い て も合わ せて報 告す る、
，
§2．
FR 鋼の特 性 〔1） FR 鋼の特 徴 FR 鋼の特 徴 を以 ドに示す。
FR
鋼は，
高温時，一
般鋼 と 比較 して極め て高い耐 力を有す る。
す な わ ち，600
℃ にお け る耐 力は，
溶 接 構 造 用 圧延鋼 材 （JIS
G
3ユ06）に規 定す る常温規 格1
直の 2／3以 ヒを保 持ず る。
常温 時の性 能は，
同規 格に合 致 する。
．
般 鋼と同 等の溶 接 性を有す る。
Fig．
1の実 線は，
FR 鋼 （50 kgf／mm2 鋼 冫の高温耐力 の温 度 依 イ丁性を示 す。
600°
C
まで常 温 規 格 値の2
／3
（≧ 22kgf〆mm う 以 上 を保 持 してい る。
火 災 温度は一
般に約1000
℃ であ るこ と か ら，
従 来，
一
般 鋼で は 350°
C
まで断 熱す る耐 火 被 覆が 必要で あっ たが，
FR 鋼で は こ れを 600℃ まで断 熱す ればよ く， 耐 火 被 覆が大 幅に軽 減で きる。
また，
建築 物の火 災 条 件・
設 計 条 件に より，
火 災 時に鋼 材 温 度が 600℃ を 超え な い場 合は， 無 被覆で使用 する こ とも可 能で ある。
（2 ）FR
鋼の開 発 FR 鋼の開 発のポイン ト は，一
般 鋼と 同等の耐 震 性（低 降 伏 比1
や溶 接 性な どの材 質 を確 保し，
かつ，
短時 間 （火 100 日o 60 40 径 巨 ＼ 一 望）
R 趁 20塵
一
・ト
ー
1
鬻
x
齶
岑
翫
ス 圧延ま ま1
圧 延 ま ま 加速 冷却 DQ ＆T 符号 ● △＼
▲．
」 0 20 400 600 eDD IODO 温 度 （℃ ） Fig．
2 従 来鋼のFX温 耐 力の温度 任く存 性一
108
．
一
災継続 時 間は一
般に3
時 間 以 内 ）にお け る高温 強 度 をい かに向上さ せ る かにあ る。
目標 温 度 （耐 熱 温 度 ）の設 定 を目的に実 施し た従 来の鋼 材 （圧 力 容 器 用・
ボ イラー
用 鋼材な ど）の 高 温 引 張 試 験 結 果 をFig，
2に示す （試 験 方 法 等は後 述 〉。
い ずれ も，
600−
700℃ で耐 力が 急 激に 低 下する。
こ れ以 上の温 度 を目標と す れ ば合金の添 加量 を格 段に増す必 要が あ り，
溶 接 性を劣 化させ るこ と か ら，
目標 温 度は 600℃ と し た。
§3．
常 温およ び高温強度特性fi） 以下に，FR
鋼の 常 温 お よ び高温強 度 特 性を厚 板の50kgf
／mm2 鋼を例に一
般 鋼との比 較で示す。
なお， 試 験はク リー
プ試験を除き各 2体 実 施，
平 均 値を 記載 しtt
（規 格 記 号は，
FR 鋼 ：SM
50A −NFR
，一
般 鋼 ：SM
50A ）。 〔1＞ 常 温 特 性 Table 1に化学成 分を，
Table
2
に常 温 時の機 械 的 性 Table 1 化学成 分 規 格記号 板厚 化 学 成 分 （wt ％） （） CSiMnPSC 醐 PCM SM50A
−
NFR32 0．
100．
201．
110，
0190，
0030．
420．
20 SM50A32 0．
160．
361．
450．
0190．
OO60．
40O．
25SM50A規格馴覃
一
≦0．
20 ≦D，
55≦1、
60≦0、
035≦0．
035一
c鯛
＝
c十Mn／6十si／24十Ni140十cr15 十Me／4十v／14 P。駟＝
c十Si13G十Mn／20十Cu／20十Ni！60＋Cr／20十Mo／15十v110＋5B〔％｝ a）JISG3106 Table 2 機 械 臼勺」
F
仁質 （％） 規 格記号 板 厚 （ ） 降伏 点 （kgf／mm2 ） 引張強さ （kgf／mm2） 伸び （％） 降伏比 （％） SM50A−
NFR32 41 553175 SM50A 32 38 553169 ≦16 ≧33 ≧口 SM50A 規格“
｝ ＞16≦40 ≧3250〜
62 ≧21一
＞4D ≧3D ≧23 a） JIS G 3106 SD 50 40 30（
暮、
←
豊｝
遡 R 腰 20 01 SM50A−
NFR！
一
一
一
一
一
3E四 12 卩 0 5 10 丁5 20 歪（％） Flg．
3 常 温 時 応 カー
ひずみ曲 線 CFR 鋼｝50e
¢ ta 着4aoe
＞ 工 300 胆20a
畷100
Fig．
425
50
100
板の初 温 （℃ ） 溶 接 熱 影 響 部の最 高 硬さ試 験 田o DD 6
4
（
択V
隣 ＃ 跖 即 囗 一 ルー
ト割 れ⊂
》
＿
＿＿
−
o断面割 れ獸
匙。．
N，R 、譌
諤。A、 犠、
Ns k s
丶
、
R 丶、
、 丶 x 、 、、
丶
丶 RT 5D 75 100 1E5 150 予 熟 温 風 〔℃ 》 Fig．
5 斜めY形 溶 接 割れ試 験 質の 例を 示 す。
い ずれ もJIS
規 格 を 満 足 して い る。
Table lに記 載し た 5元素以 外 に クロ ム （Cr
）・
モ リ ブ デン 1：Mo ）な ど高 温 強 度特性を向上さ せ る 元素を含有 さ せ，
炭 素 （C），
マ ンガン （Mn
）な ど常温強 度 特 性 を 高め るが溶 接 性を阻 害す る元素を軽減 す る な どによ り，
P，m 値 を 低 減し て いる。
Fig．
3に，
常温時o）応 カー
ひずみ曲 線の例を示すeFig．
4に溶接 熱 影 響 部の最 高 硬さ試 験 （Jls
z 3101） の結果を示す （COa
溶 接の例 ）。一
般に 最 高 硬さHv
≦ 350程 度であれ ば，
溶 接 性に 問 題は な く．
一
般 鋼と同等で あ る。 Fig．
5に斜めY
形 溶 接 割れ試 験 （Jls
z
3158）の 結 果 を 示す 〔CO2
溶 接の例〕、 割れ率が0％ と な る温 度 （割れ 停 止 温 度 ）は一・
般 鋼 と 比 較 して 50℃ 程 度 低 く，
溶接 性は良好で あ る。
本試 験は， 斜めY形の非 常に厳 し い掬 東 条件を与え た結果であ り，
一
般に本 試 験の割れ停 止 温度か ら70DC 以 下で も実施T．
で割れ は 生 じ ない こ と か ら，
FR 鋼の厚 板 （32 mm ｝に お い て は鉄骨 製 作 時に 予熱が 不要であ る。
（ 2 ｝ rl：”i
温牛寺」
陛 高 温引張試 験は，
「鉄鋼 材料お よ び1耐熱 合 金の 高 温 引 張 試 験 方 法」 〔JISGO567
） お よ び．
文献了1 に準拠 し．
ζ実 施 し た。
試 験 機は 「島 津オー
一
ト グラ フ AG 形JIS
高 温 引 張 試 験 装 置 」で あ る。
試 験 体の形状お よび寸 法をFig．
6 L［
7
雨
一
匸
コ
．
t・
・一
．
・
1
趾
．
．
GL＝
5D，
Pd＝
B，
PL＝
57．
5，
L＝
145 M＝
18，
R；
15（ ） Fig．
6 高 温引張試験 片の形 状・
寸 法 Table 3 高 温 引 張 試 験 片の形 状・
寸 法 板厚 （m而） 寸 法 （mm） GLPd M PLL R ↑2306 ±0．
5M10P−
1．
540 ±1．
0100 ±5．
O15 十5，
−
0 326012 ±O．
5M18P−
2．
570 土1．
D130 ±5．
015 十5，
−
0 60 50 240s粤
3D 榎？O 10SM50A −NFR ，
SM50A
、
、
ノ
丶
、
、
，
ノ
、一
7＿
一
’
Ts 、丶
、
、 丶Ts、
、
、
、
、
、
、
、
、
、
Yp 、 、 、 ＼丶
Yp 、、
、
、
．
一 」
一 ．
、
、．
、
一．
、
、丶
丶
一
SM50A−
NFR−一
一
＄M50A丶
、、
丶
丶
丶、 丶、
丶
、
、
、
、
「
、
噛
＿
2E （kgflm雨〕 D20100 2DO 300400 5DO 6DD］OO eOD 温 度 （℃ ） Yp ：降伏 点 T5 ：引 張 強さ Fig
，
7 高 温 強 度の温 度 依 存性 お よびTable
3に示すc 試 験 条 件は，
昇温速 度 保 定 時 間 引張速度loo
℃／10分 15分 o．
3
％ ／分 ：ぴずみ ≦5％ 7．
5 ％／分 ： ひずみ ＞5％，
破 断まで と した。
ひずみ が 5％ に達す るまで引 張 速 度を一一
定と す ることで （JISGO567
で は，
耐 力まで一・
定と規 定1
，
後述ず る定 式 化 用 応 カー
ひd
’
み 曲 線 をi
「確に求めて い る。
高 温 強 度の 温度依 存性をFig，
7に， ま た， 高温時 応 カー
ひずみ曲線をFig．
8
に，
一
般 鋼との比 較で示す。
一
般 鋼の 高温耐力 は，
500℃ 近 辺 まで緩やか に低．
ト し，
500−
600℃ か ら低 トが激 しく な り，
800℃ で常温値の 約 10％程 度と な る。FR
鋼は一
一
般 鋼と比 較して 500〜
6eO℃ まで の低下が少な く、
600DC か らの低 ドが激 しい。
8〔X，°
C で は・
般 鋼とほぼ等しい 。 前述の よ うに，一
・
般鋼 は 350°
C
近辺で．
常 温 規 格 催〔の 2／3ま で低 下弓．
る が，
FR 鋼で は 600℃ ま で こ σ）値を保 持し てい る。
引 張 強さ の低下は，．．
般 鋼・
FR 鋼ともほ ぼ同 様の傾一．
109
−一
蕈
・・摯
3。翼
2。 10 歪 （％） SM50A （32 ） RT’
3田「o．
一．＿．
＿
彡 彡簔
鸚
．
‘
一
60＾
50辱
曼
40）
30 囲癢
2・ m仁
そ
＝
二
．
蓄
一
5団．
．
二 o ／三
一 一
．
＿
＿
靄
，。一
−
oo一
皿
一 150 0』 0．
5 1．
O l．
5 2．
0 2，
5 3．
0 3．
5 4．
0 歪 （％） Fig．
8
高 温時応 カー
ひずみ曲線 Table4 セ ミキル ド鋼とキル ド鋼の成分 比較 化 学 成 分 （wt ％） CSiMnPSAI セ ミキル ド鍜 ：昭和4D年 代 文 献8， 例10．
220．
040，
88D．
0120．
0140，
005 例20．
160、
0451，
140、
0140．
0230．
007 キ ル ド鋼 （現 在 ）0．
160．
170．
670．
0130．
0030．
025 1．
D2
ジ
1
≧o．
5 趁 4S5d − 已 馴 hS1°
ト d34認
S5 団 凸凸
60 6 凸 6 6 ‘凸
06（
∩ 亀 6凸
O ‘ 0 20 100 200 300 400 50D 600 700 BO囗 温度 （℃） Fig．
9 セ ミキル ド鋼とキル ド鋼の高温 耐 力 比 較 向を示す が，FR
鋼が一
般 鋼よ り 400℃ 以上の低 トの度 合いが少ない こ と，
600℃ に おける残 存 値が約 2倍で あ ること な どが特 微で ある。
応 カー
ひずみ 曲 線 も同 様の傾 向で，一
．
一
般 鋼は 400℃ を 超え る と耐．
力お よび硬 化 勾 配が大き く低 下す るが，
FR 鋼は 400〜
501）℃ まで の低．
．
ドの 度 合い が 比較 的 少な い、
t一 11
〔｝一
60 50 40 30 20〔
崔 ＼ ← 望）
遡 R 麌 0 ［SM50A −NFR
020 100 200 300 400 500 600 700 日00、
、
一
，
一、
” T6、
丶、
Ts丶
丶、
、 、站
、
丶鞭
、
、
、、
」
、
、
，曹
、
、
、
鳩
「
32mm 、、
一
一
一
12m飛、
丶、 、、
SM50A
温度 （℃ ） 22．
o （ f／m市） OE 50琶 4D ≧
） 30
腰 20 10 口ノ
tへ
、 ＼．
／や
Ts ＼丶 、 1 s
、
1ヒ
s 、 、 xYp NYp
＼、
丶
、
丶 丶、
N し
一
32mm 、 、一
一
一
13mm、
？2．
e （ f〆廟）100
200 3DO 40D 5目0 600700
日0囗 温度 （℃） Fig．
10 高 温 耐 力と板 厚の関 係 こ の よ うな建 築 用 鋼 材の高 温 引 張 試 験は，
過 去に お い て も数 多く行わ れ て い る。
昭 和40年 代に実 施さ れ た試 騨 1で は，
特に 40kgf／mm 巳 鋼 （一
般 鋼）の 耐 力が本 試 験の値よ り 大 き く なっ てい る。
これ は，
当時の鉄 鋼製造 方 法が現在と異な るこ とによ る。 現 在の製 鋼工程は 連続 鋳 造が主流で，
鋼 材は従 来の セ ミキル ド鋼か らキル ド鋼に移 行し て い るn
キル ド鋼は， セ ミキル ド鋼と比 較し て溶 鋼の脱 酸 用の ア ル ミニ ウム の 添 加 量が多い こと か ら，
高 温 耐 力の向 上に寄 与 する固 溶 窒素量が少な く な り， 現 在の 40kgf／mmZ 鋼が結果的に 高温耐 力の低下の度 合いが 大き く なっ て い る。Table
4 に，
セ ミキル ド鋼とキル ド鋼の成 分比 較 を，Fig．
9 に高 温而寸力の比 較を示す。
ま たt 鋼 材の 常 温・
高 温 強 度は板 厚に よ り異な る。
Fig．
10に FR 鋼・．
一
・
般 鋼の耐 力・
引 張 強さの温 度 依 存 性を異な る板 厚につ い て示ずu一
般 鋼は， 板厚が厚 く な る と常温耐 力が低 下し，
高 温 耐 力 もほ ぼ比 例し て低下i
る。
．
・
力「
，FR
鋼 は60〔〕°
C
に お け る高温耐 力を保 証して い るこ と から，
板厚による常 温 而寸力 で直に か かわ らず 高 温 耐 力は一一
定である．
15D
（
訳）
b
50 SM50A−
NFR，
SM50A一
SM50A−
NFR−一
一
一
SM50A ノ ノ’
〆
！」
’
厂
「
「
t 「 厂 02D IOO 200 300 400 500 600 ］OO 800 温 度 （℃ ） Fig，
11 高 温 伸びの 温度依存 性 21％ 20，
eOU SMsDA−
NFR，
SM50A （32 ） ▽ o ワ o▽
▽
Table 5 クリー
プ試 験 条 件SM50A −NFR
（32
》 售 9−
15，
0囗0 畧 黙 10，
000 ハ 5．
ooo toワ
〜゜
丶ワ 丶 o 丶 ♂ワ一 ，
▽ SMMA−
NFR−一
一・
OSM50A o D 20 100 200 300 400 500 600 フ00 600 温度 〔’
o） Fig，
12 高 温 時 弾 性 係数の温 度 依 存 性 応 力 水 準 〔kgf／2） 試 験 温 度 2
．
55．
o7．
5 旧．
OI2．
515 』 17，
20、
022，
25．
0 〜7．
30．
o32．
35』37．
5ψo．
o 400℃ ○ ○ ○ ○ 450℃ ○ ○ ○ o 500℃ o ○ ○ ○ 550℃o
○ ○ ○ 600℃ 0 ○ ○ ○ 650℃ o00 ○ 700℃ ○ 0 ○ ○ SM50A−
NFR，
3M50A 〔60M⊃） 1・
5 12嶼厂
ee ’凵
Is l t enロ r ／ 10
．
Ol 1／
厂 8 戸 I F I ’ コ t l t 175 監08
’皿1
／
・
騨
1
tの
−
SMfiaA嚇
一
5囎
酬 FR °・
5，
1
∫
；ノ 員，
F
” 瓢0，
〆ノ’
＿
旦旦 ハJ
’
一
＿
＿
＿
レ
＿
＿
＿
＿
岬
」一
一
一
一
一
噸
r−
4厘
0 0 120 細 時 冏［分 ） Fig．
13 SM5 自A−
NFR，
SM50A （65『C） li魄xt層 厂一
．
早
SM50A i7s
1
−
5M蹠 NFR1
レ
・1
漣
哩／
i 〆 50
，
’
高 温 時 伸び を Fig．
llに一
般 鋼との比較で示す。一
般 鋼・
FR 鋼と も500℃ 近辺 まで は常温値とほ ぼ等し く，
500℃ を超え ると急 激に増 大する。
高 温時弾性 係 数は，
共 振 法に より求め た。
試 験 装 置はMS −Fyme
高温 ヤン グ係 数・
内 部 摩 擦 測 定 装 置で， 試 験 温度領域は一
150〜
1500℃，
剃 波 数 領 域は 100Hz 〜
20 kHz で あ るv こ こ で は， 幅 9mm，
長 さ150 mm，
厚み 3mm の平 板試験片 を真空中で両 端自由な横振 動を生じ る よ うに装着し，
音 波領域200〜
2000
Hz
で強制 振動を 与え， 共 振 周 波 数f
を 電気 的に測 定 し，
式 （1） か ら 弾 性 係 数を算 定し た。
Fig．
12に測 定 結 果を一
一
般 鋼との ⊥．
ヒ．
較でホす。
高 温 時 弾 性 係 数の低 下が著し く な る温度は，
．
．
．
般 鋼 が600
℃，FR
鋼が 700℃ 近 辺であ る。E
＝ o．
96535x10−
8×（L／α＞3×（M
／b
）×fz
…
〔1）f
−
（πしヲ2π五2｝X 研 こ こ で，
／：共振 周 波 数 （Hz）
E
；弾k
係 数 （kgf／mlnZ ＞S
；断 面 積 （cm2 ） ρ ：密 度 （9／cm う 7パ 定 数 α ：厚さ （cm ）sem o lan 24a
時聞 〔分） ク リ
ー
フ ひずみ一
時 間 曲 線 お 囗 ∬：横 断 面の 慣 性 率 （cmO M ：質量 （9） L ：長さ （cm ）b
：幅 （cm ） また，
高 温 時 応 カー
ひ ずみ曲 線 （Fig．
8＞ の初期勾配 か ら求め た弾 性係 数 を合わせ て示しt：．
この 初期 勾配はIF
確な測定が困難なこ と か ら，
共振法との誤 差が か なり児られ る。
しか し な が ら，
部材や架構の高温 時 挙 動はこ こ で示し た初 期 弾 性 係数 よりも 応 カー
ひずみ 曲 線の硬 化 勾 配 域に左 右さ れると考え ら れ る ことか ら，
こ こ で の測 定 誤 差は後 述する解 析に大きな影 響を 及 ぼ さ ない と考え ら れ る。
高 温 時の ク リー
プひず み一
時 間 曲 線は，
文 献1．
LO．
に準 拠し て第一
期ク リー
プ試 験 〔短時 間ク リー
プ試 蜘 に よ り求めた。
本 試 験は，
・
般に火 災の継 続 時 間が最 大 3時 間で ある こ とか ら，
通 常の耐 熱 鋼で実 施 する ク リー
プ破 断強度試 験と異な る。
試 験 片， 試 験 装 置は高 温 引張 試 験と同 様である。
．
試 験 条 件につ い て も，
高 温 引 張 試 験に準 拠し，
昇 温速 度 loo［
℃／10分 保 定 時 間 15分 とし，
荷 重は，
各 温 度ごとにTable
5に示す応 力 度にホ目 当ずる値を一
定で載 荷し たttFig．
13に 50 kgf／mmZ 鋼の 結 果を一
般 鋼とσ）比 較で示す。一・
般 鋼の デー
タにつ い て は，
600℃ 以 下は文献1「
’Jを 参照 し，
600DC を 超 え る 温度111
−．
一
6 5 4
3
0 匚〔
霍、
曼
）
四R
擡 1SM50A
−
NFR
篇
、mh
〕 6・ 5033
？0 60070e eOO 温 度 （℃ ） Fig．
14 加 熱 後常 温 強 度 応 力度σ σ，，
Jt 」−
d＝
σ．
T ， 50醤 40 ≧ 望
）
30 罐20 IDSM50A −NFR
（600
℃ ） 2E （ f／面 ） oE 囗 6007囗Osoa 温 度 （℃ ） Fig．
15 加1熱 彳ま…高 温 弓孟度／ ／
「
一
ノ
／
σ
＝
ET’
ε1
ノ ’ σ＝
駈’
ε 丶、
t己n−，
E，
、
（
1＋1
留
εln
り
よ
＋E。
〒・
ε 囗 Fig．
16 歪 度ε 高 温 時 応 カー
ひずみ曲 線の構 成方 程 式 につ いて は新た に試 験 を 実 施し た。
600℃ を例に と る と，一
般鋼では わずか な荷重 〔例： lekgf
／mmZ ）で も 短 時間に急 激に ク リー
プひ ず み が 生 じ る が，FR
鋼で は 15kgf
／mm2 で もひ ずみの増 大は極 めて少ない。
こ の こ と か ら，FR
鋼を使用する ことで火 災時に架 構の 熱変形 を少な く す るこ と がで き る と考え ら れ る。 （3） 熱 履歴後の常 温 強 度 特 性 火 災 後の再 使 用の 可否の検 討を口的と し て，
熱 履 歴 を 加え た試 験 片の常 温 引 張 試 験 を実 施 し た。
試 験 片の 形 状・
寸 法お よ び試 験 条 件は高温引 張 試 験と 同様と し，
加 熱後空冷し た後， 常温引 張 試 験 （Jls
z
2241＞ を実 施 し た。Fig．
14に試 験 結果を 示す。
700℃ 以 下の 温度履歴 で は，
冷 却後，
降 伏 点・
引 張 強 さ と もJIS
規 格の 範 囲 内で あ V） t 常温強 度 特性を唐現で き る。 ま た，
熱 履 歴 後の高温強度特性につ い て も同 様の試 験 片・
熱 履 歴 条件を加え た後，
高温 引 張 試 験 を 実 施 し た。
Fig，
⊥5に結果を 示す。
同 様に， 700°
C
以下の 温 度 で高 温強 度 特 性につ い て も再 現 可 能である。
§4．
高 温 強 度 特 性の定 式 化11） 応 カー
ひ ずみ曲線の定 式 化は，
文 献12） の構 成 方 程 式 〔2 ）を採用 し た。
式 （2）（Fig．
16）は，
200℃ 以下．
一
一112一
Table6 定式化応 カー
ひずみ曲線の各 係 数 SM50A−
NFR 〔32）
1
温度
！
Er σyTEPTσ
OI nIi
RT21，
26236．
10221．
9641．
22 1．
30 广 1DO℃ 20β7D35．
DO209．
6941．
731 1．
29 200℃ 20313厂
30．
6022D．
3143，
971．
39 300℃ 19、
632一
332．
3｝ 140，
651．
48 400℃ ，8，
778一
259、
85 廾 40、
441．
21 500℃ i7，
900一
151，
2436、
231．
42 500℃ 17β83一
108．
0632．
191．
72 600℃ 16，
992一
19，
9525，
941．
呂8 500℃ 16，
185一
123．
6318，
521．
75 700℃ 15，
D41一
L τ4．
5112．
931，
75 700℃ 10，
285一
1．
698．
3G2．
27 800℃ 7，
060一
1．
015．
275，
05SM50A −NFR
（32ffm） Fig．
17 高 温 時応 カー
ひずみ曲線の定 式 化 で の降 伏 棚も含め て応 力とひずみ の関 係を厳 密に与え る こと ができる。
初 期 弾 性 係 数E
τは，
前 述の共 振 法か ら 測定し た値を 用 い た。
そ の他の 独 立 係 数で あ る Epr，
a。T，
nT は，
測定し た応カー
ひずみ デー
タに直 接 最 小 自 乗法を適 用す るこ とで求め た。 弾性 域 σ＝E
，×ε ひずみ硬 化 域EIT
×ε σ；
［
・・［
鷺手
ε 降伏棚 域：σ＝
σyT 十EPTX
ε鬥
吻・
甲
・
・
・
・
・
・
・
…
一・
一鹽
」
・
・
・
・
・
・
…
一・
・
（2）一〕
ぐ，
E
，τ＝E
τ一EPT
Eγ
1温 度 Tec に お け る弾 性 係 数Ep−
，．
；温度TaC
にお ける plastic modulusσoτ：温度
T
℃ に お け る reterence plastic stressTable 6に
，
係 数E
， tEFT，
σo’
t およびパ ラ メT・
ター
nτを示す
，
，
ま た，Fig．
17に実験 デー
タ と定 式 化 曲 線の比 較を示す，
、
定 式 化は良い近 似 を示し ているv
クリ
ー
プひ ずみ一
時 問 関 係の定式 化は，
文iaf，’i／
・
’「
”
Tableア 定式化ク リ
ー
プひずみ一
時間曲線の各係数 SM50A−
NFR ｛ ） 1・
5ぎ
』潤
亠
D．
i mo o O』 1即0 24囗』 跚 『 0 120 脚 時闡 〔分｝ 闢 【分 ， Fig．
18 ク リー
プひずみ一
時 間 曲線の定 式f
ヒ SM50A−
NFR （閃D’
O） 15．
−UtN 151
＝講 1−
1
、．
．
ン 」 藍 l r ／ 1、レ
／ t厂
ノ ’ ！ 腰 ’ ／ ’・
亠 t〆
’
ノ
ノ
， ゴ 10』厂
1！
es 〆 ／1 ’ ノ 5．
ol
”ノ
／
ブ
ー
彡
乙
．
＿∠
L
鋤 反 力フ レー
ム「
「
L
P 加 熱 炉 バー
ナー
試 験 体ご
厂
F
、
、
〕
：： ψ1、
200 舅」
鉛 直 変 位 測 定 〔4ヶ所）「
敢 荷 用 シ リ ン ダー
Fig，
19 季．
｝−
1ew1苛ノ川委〜」試 験〔D概 要 づ き式 〔3）で表 現 しt。
材 料 定数 α一
／は，
前 述の ク リー
プ試験結果か ら最小 自乗法に より算：定し た。
ε、＝
上oa
／” b ×σ c／ T’
d ×teT＋
∫…・
7………・
…『
7
《3） こ こ で，
εc ：ク リー
プひずみ （％ ）t
：時間 〔分 ） σ ：応 力度 〔kgf
／mmZ ）T
：絶 対温度 （°
K
） 各 係 数 を，
Table 7にホ す。
ま た，
Fig．
18に 実 験 値 との比較を示す。
同様に良い 近 似 を示し てい る，
、
Photol 柱 載荷加熱試 験 Table 8 柱 載 荷 加 熱 試 験 結 果 試験 体 名 称 紐長 比 弱 軸 λ 許 容座 屈 応 力度 （ f〆2） 被 覆厚 （
） 崩壊 時 間 〔分｝ 崩壌時釧材 平均温度 （℃） 崩壌時鯛 温度上昇 〔
’
C／分〕 崩壌時 鉛直変位 （m ） CW1046，
018，
610666299．
517，
8 CW2046．
118．
6201206485．
415．
9 CW3046．
118．
6302025253．
115、
0 Fig．
2G 柱 加 熱 温度・
鋼 材温度 §5．
FR 鋼 部 材 の 耐 火 性 能FR
鋼の 高温強度特性が，
柱・
梁な どの部 材と して も 発揮で き ることの確認 は，
載荷加 熱試験に よっ た。
柱を 例 に試 験 結 果 を 示 す 肌，
試 験 装置は， 脚 口本 建 築 総 合 試 験 所の柱用耐火 炉で，．
一
．
．
ll3
−．
一
．
〔
冨）
融 馴 3．
0 2．
o 1．
口 変 形 量 〔被 覆 厚：m ｝ e．
0 0齟
O IOO．
0 200．
0 300『
0 400．
0 目．
0 60O．
0 ア00．
0 試 験 温 度 （℃ ） 9 17 26 36 a7 61 時 間 〔分） Fig．
21 柱：変形 量 Photo2 S ビル全 景 300tonfの 自動 定 荷 重 装 置 付の連 動 式オイル ジャ ッキ，
油圧装 置，
ロー
ドセ ル お よ び 反 力フ レー
ムか ら構 成さ れ て い る。
概 要をFig．
19 に示す。
試 験 体は，H −300
×300
×10
×15
（SM50A −
NFR ）で 長さ 〔支 点間距 離 ）は3，
5m，
加 熱 有 効 長さ は 3、
Om で あ る。
長 期 許 容 座 屈 応 力度に相 当する荷 重 〔約 213 tonf｝ を加え，
告示 第 2999号に規 定する加 熱 を 行い，
柱が崩 壊 （座屈〉するまで載 荷 加 熱を継 続し た。
柱の熱膨 張に よ る伸び が停止 し，
伸びの減 少が急 激と なっ た時 点で試 験を中止 し，
崩 壊と判 断し た。
な お，
耐 火 被 覆は混式ロ ッ ク ウー
ルである。
Photo
l に 試 験 風 景 を，
Table 8 に 試 験 結 果を，
Fig．
20，21
に試験 体CW
亅0
を例に加 熱・
鋼 材 温 度と軸 変形 （鉛直伸び）を示す、
，
また，
§4で定 式 化し た鋼 材 の高 温 強 度特性 を 基に高 温弾塑性熱変 形ク リー
プ解 析1’
i1 に よ り変形 を シミ）、
レー
一
ト し た結 果を Fig．
21 に合わせ て示す、
こ れ ら の結果か ら，FR
鋼は 600℃ を 超える まで座 屈 は生 じず，
通 常の耐 火 被 覆30mm に婦して．
10mm で 1一114 −一
Fig．
22 建 築 物の熱変形シミュ レー
ショ ン Table9 耐’
火被覆σ）肖ll減 効果』
耐 火 部 位 部 材 時 間一 ．
1 ロー
600×500XI6 柱 2 ロー
600×600×253
’
ロー
600×600x32 ］ 梁 2 3 （：il）耐火 被覆は 「湿 式ロ ッ ク ウー
ル」 （注2＞ （ ）内は、
標 準試 験 体での被 覆 厚み 耐 火 被 覆 厚み（mm ）1 サ イ ズ．
．
一
般 鋼 FR 鋼 500XI6600 ×25600x32 304D50［0（10） 10（20） 15（30） 300XI2x22 300X回 x25 350Xl4x32 25354510（10）i20 （20）1 ・・・…」
Photo 3 Y ビル全景 時 聞 耐 火相当の性 能を有す ること が確 認さ れ た。 ま た，
鋼 材の 高 温 強 度 特 性と解 析に より，
部 材 実 験をシ ミュ レー
トし，
変 形と崩 壊 時 間 く崩 壊 温 度 ）を予 測で き る こ とも確 認で き た、
§6．FR
鋼を使用し た建 築物の設計 事例 （D
耐火被 覆の軽 減例Photo
2に 小すS
ビル は， 15 階 建て の 事 務 所 ビル で，
FR
鋼を柱・
梁に使用 し，
耐火被覆 （吹付けロ ッ クウー
一
ル ）の軽減に よ り経済的な建設 を実現 している。
火災時 の架 構の構 造 安 定 性 は，
§4，
5で示 し た 高 温 弾 塑 性 熱 変 形 ク リー
プ解析に よ り，
架構が倒 壊し ない こと、
変形 量 が過 大と な ら ない こ と な ど か ら確証 し た。Fig．
22
に，
解 析 例を，
Table9 に耐火被覆の削減 効果 を 示 す。
な お，
耐 火 被 覆 厚は， 前 述a）新しい 耐火 設計手法に基づい て 柱・
梁の 実 際の 断 面 熱容量に応 じて解 忻に より求め た も の で あ る。
§5に 示 し た 載荷加 熱 試 験 （試 験体は標 準断 面で ， 柱 ：H −
300× 300× 10Xl5，
梁 ：H −
400x200x8 ×13〕に対 応す る耐 火 被 覆 厚 を，Table
9．
の括 弧 内に参1133 矚 出火 炎 旡 端 温腰5ヨ8
、
1℃一
一
． ．
酒
」
凾一
’
I l濕
二
1
羅 「 鉄 碍 温 展5衄
．
5℃ 火 炎温 度 078．
4℃ 室 円 火 翼 温 匿11聞．
2℃ 一 開口 面 火 炎 温度992．
4℃ 外部 鉄 骨 8冖
i
fI
＝ 圃鞠
窓 圜 壁 ‘一
．
型 團 墾F
−一
MOD驪
嵯
匣 三 朏 火Pt’
Fig．
23 噴 出 火 炎の形 状・
温 度お よ び鋼 材 温 度 考に示し た。
（2） 無 被 覆の例 Photo 3に示すY ビル は，
8階建ての事務 所 ビル で，
柱や梁を建物の 外に配i
した架 構 （外 部鉄骨 架 構 〉にFR
鋼 を 使 用して い る。
外 部 鉄 骨 架 構は，
露 出し た鉄 骨 を建築 物の意匠と して表現す ること を目的と して近年 多 く設 計さ れて いる が，
耐 火 設計の観点か ら は，
柱・
梁が 室内にある場 合と異な e／，
窓か らの 噴 出火炎に よる加 熱 しか受けな い ことか ら，
温 度L
昇が比 較 的 小さい。Fig．
23に文 献L5： に基づ い た噴 出火 炎の形 状・
温 度お よび鋼 材温度の予 測結果 を 示 す。
こ こ で は，
542．
5℃ と 600℃ 以下 と な ること か ら無 被 覆と し た。 §7，
結 び 建 築 構 造 用耐火鋼材 （FR
鋼 ）は，
その成分並 び に製 造 法に より，
析 出・
分散強 化に よ る高温耐力の 向上を 図っ た鋼 材で ある。 FR 鋼の 高温特 性試 験 に より，
高温 時の 耐 力・
応 カー
ひずみ曲 線・
弾 性 係 数・
ク リー
プ性 能 の いずれ も 般 鋼と比 較して極めて優れ てい る こ と を．
ま た，
熱履 歴後の常温・
高 温 引 張 試 験により， 火 災後も 冉 使 用が可 能で あ るこ とを確 証し た．
な お，
常温時 性 能 は，
成 分・
機 械 的 性 質・
各 種 溶 接 試 験 に よ り，JIS
規 格 の範 囲 内にあ ること，．
．
般 鋼と 同等の溶接 性を有す るこ と を合わ せて確 証し た。
また， 部 材 実 験に より FR 鋼の 柱・
梁が600°
C まで 長 期 許 容 応 力 度に相 当す る荷 重を支 持で きる こと，
定 式 化 し た高 温 特 性と高 温 弾 塑 性 熱 変 形ク リー
プ解 析に よ り，
試 験 結果をシ ミュ レー
トで き る こ とも合わ せ て確 証 し た。
さ らに，FR
鋼 を使 用し た実 建 築 物の 耐 火 設 計に より，
耐火被 覆の大 幅な軽 減や無 被 覆 を 実 現し た，
，
参 考 文 献 1） 高 野 孝 次，
吉田 昭夫 ：高温 時の鉄 骨 柱の座屈 温度に関す る実 験，
日本 建築学会論文報 告 集，
第103号，
p、
385，
昭 和 39年10月 2＞ 斎 藤 光 ：鉄 骨 構 造の火 災に対す る安 全 率，H
本建築 学 会 大 会学 術講 演 要 旨 集，
p．
139，
昭 和 37年 9月 3「
1 斎 藤 光 ：鋼 構 造の耐 火 設計，
建 築 技 術，
1969年2月号，
No．
210，
pp．
187−
2054）Recherce et Mise au point
d’
Acier Moyennment AHi6s aResistancc au Feu Renforc6e
，
Etude Th60riquedes
Caract壱ristiques Opt且mals
，
Creusot−
Loife，
Usine du
Creusot
，
Raport Techniques No．
1，
September 19765）Recherce et Mise au polnt d
’
Acier Moyennment ALIiξs aResistance au Feu Renforc壱e
，
Etude Th色orique des Caract壱ristiques Optimals，
CreusQt−
Leire，
Usine du Creusot，
Rap⊂）rt Techniques No，
2，
August 19776） 計 良 光
一
郎，
作 本 好 文，
山口種 美，
大 橋 守，
吉田 譲 ：高温強 度に優れ た建 築 用 鋼 材の利 用 技 術に関； る研 究，
を の 1 鋼 材の 高 温 強 度 特 性，
口本建築 学会 大会学 術 講 演梗 概 集，
pp．
1041−
104Z，
1989．
10 7） 原 田 有，
古村福 次郎二高 温 度に お ける建築用 鋼材の力 学 的 性 質に関す る研 究 ：口本 建 築 学 会 論 文 報 告 集，
第 185号，
pp．
］−
7，
昭 和46 年7月 8） 「特 集 ／ 構 造 用 鋼 材の高 温 時な らびに加熱 後の機 械 的性 質」，
H本 鋼 構 造 協 会 枝 術 委 員 会 安 全 性 分科 会 耐 火 小 委員 会 高温強 度 班，
JSSC，
Voi．
4，
No．
33，
pp．
5〜
74，
19689 ） 藤 本 盛 久，
古 村 福 次 郎，
安部武 雄，
篠 原 保二 ：高 温 度に お け る構 造用鋼材 （SS 41）の 第一
期クリー
プに関す る 実験 ：日本建 築 学 会 論 文 報 告 集，
第296号，
pp．
145−
157，
昭和 55年10 月 10｝ 藤 本盛久，
古 村 福次郎，
安 部 武 雄 ：高 温 度 に お け る構 造 用 鋼材 （SM 50｝の第一
期クリー
プに関する実 験 ：口本 建築学会 論 文 報 告 集，
第：1〔｝6号，
pp．
148−
156，
昭 和56 年8月 ll） 計 良 光．
郎，
作 本 好 文，
山口種美 ：高 温 強度に優れた建 築 用 鋼 材の 利 用 技 術に関す る 研 究 その 3，
載 荷 加 熱 試 験結 果と 解 析の比 較，
日 本 建 築 学会 大 会学術 講 演 梗 概 集，
pp．
1035〜
1036，
］990．
10 12） 古 村 福 次 郎，
安 部 武 雄，
岡 部 猛，
金 和 中 ：火 災によ る加 熱 温 度 域を考 慮し た建築 用鋼材の応 カー
歪関係 実 験 式 ：日本建築 学 会 大 会 学 術 講 演 梗 概 集，
pp．
621〜
622，
昭和60 年10月 13〕 14｝ 15） 山口種 美、
吉 出IE友，
田 坂 茂 樹，
計良光一
郎，
作 本好文，
千々岩 力 雄，
片 島 昭 ：高 温 強 度 特 性に優れ た 建築構 造 用 鋼 材 （FR 鋼 〕を使用 し た 実 大 柱の 載 荷 加 熱 試 験 ： GBRC，
Vol．
57，
pp．
9〜
16，
1990．
1 占村 福 次 郎，右田健 児，
安 部 武 雄，
岡 部 艦，
金 和 中 塑性 設 計さ れ た 鋼構 造骨組の弾 塑 性ク リー
プ熱変形 挙 剿丿 ： 匚1本 建 築 学「
会 論 文報 告 集，
第368号，
pp．
68〜
77，
昭和61年i〔1月Margaret Law l Fire Safety Qf External Buildlng Ele
．
ments−
The Design Approach ：American tnstitute ofSteel Constructlon Engineering
Journal
VoL．
〕5，
PP．
59〜
74
，
NQ．
2，
1978L1991 年監月ID 日原 稿 受理
