【研 究 論 文
1
UDC ：624．
075．
2．
014 ：624．
078．
2 日本 建 築 学会構 造系論文報告 集 第 350 号・
昭和 60 年 4 月 コン
ク
リ
ー
ト
充
て
ん
角 形 鋼管 柱
の
耐 火 性 能
に
関
す
る
実 験 的 研 究
一 定
軸
力
下 に お け る加 熱時挙 動
につ い て一
正 会 員 正 会 員 正 会 員 正 会 員鈴
木
古
伏
木
村
平
見
敏
章
光
郎
＊衛
＊＊夫
＊ ＊ ＊雅
＊ ＊ ＊＊ §1．
緒 言 コ ン ク リー
ト充て ん鋼 管 構 造に は一
般に鉄 骨 造と同 等 な耐 火 被 覆 が 施さ れて いる が，
その 火 災 時の性 状は充て んコ ン クリー
トの熱 容 量の影 響や軸 力 分 担な ど に よ り通 常の鉄 骨 造と大き く異な ること が予想 さ れる。 した がっ て， コ ンクリー
ト充てん鋼 管 構 造に対して適 切な耐 火 性 能 を付 与 する ためには，
まず火災時の熱的・
・
力学的性状 を明らか にする必 要が あ る。 1977年に斎 藤， 上杉は加 熱 実 験に より温 度 性 状 を 求 め1），
さ らに 1978年に解 析 的な検 討 を加えて2耐火 被 覆 軽 減の可 能 性を示 唆して い る。
1981年にGrandjean，
G．
等は加 熱 実 験で得ら れ た 温度 デー
タや 耐 火 性 能に影 響を及ぼす 各 種パ ラメー
タ を 分 析し，
軸 力 下で の柱の挙 動を解 析 的に シ ミュ レー
ト し て い る3｝。
し か し，
コ ン クリー
ト充てん鋼 管 構 造の 耐火 性 能に関 する研 究は ま だ少な く，
適切な耐火性 能評価を 困 難に して いるの が現 状で あ る。 こ のよ うな観 点か ら，
コ ンク リー
ト充て ん角形 鋼 管柱 の火 災 時の基 本 性 状 を把 握するた めに， 定 軸 力平押し載 荷 加 熱に よる基本実 験 を行っ た。
さ ら に耐 火被 覆の施し て い な い柱を対 象に，
は りか ら柱へ の現実的 な 力の流 れ を考慮して， 外 ダ イヤフラム接 合部を介し ての定軸力導 入加 熱 実 験 を 行い，
基 本 実 験 結 果の妥 当 性 を確 認し た。
なお， 火 災 後の曲 げ性 能に もふ れ， 冷 却 後の試 験 体に対 し て，一
部 曲げ加 力 実 験を実 施し た。
§2．
基 本 実 験の概 要 2，
1 実 験変数の設 定 火 災時お よ び冷 却 後の 基本 性状に影 響 す る要因 と して 部 材の形状 寸法，
使用材料の材質，
加 熱条件，
耐火被覆，
載 荷 条件お よび材 端 条 件など 数多くの要因 が考え ら れ 本 研 究の一
部は昭 和57．
58年 度 関 東 支 部 研 究 発 表 会6L9 ）お よ び秋 季 大 会7Ls ），
］o ）で 発表し た。
・ 東京工業大学 教 授・
工博 “ 竹 中 技 術 研 究 所 主 任 研 究 員 串 “ ＊ 竹 中 技 術 研 究 所 研 究 員 ＃ ＃ 東 京工業 大学 大学院生 （現 新 日本製鐵株式会社） （昭 和 59年6 月14日原 稿 受 理日，
昭 和 59 年 10月30 日改 訂 原 稿 受埋 日，
討 論 期 限 昭 和 60 年 7 月 宋 印 る。
その中か ら，
本 実 験で は，
実 際の設 計・
施工に おけ る実 情 を 考 慮し， 実 験 要 因 として表一
2．
1に示す加 熱 時 間，
鋼 管 幅，
耐 火 被 覆 厚および軸 力の 4要 因 を採り上 げ，
それぞれ 2水 準に設 定し た。
2．
2 試 験 体 試験 体は表一2．2
に示 す よ うに，
表一
2．
1の要 因の組 み合わ せにより合 計 8体 製 作し た （付一
1参照）。
断 面 寸 法 ロー
300×300，
ロー
200×200の コ ンクリー
ト充て ん角形 鋼 管 柱で，
実 大の1
／2．
5〜
1／1．
5に相 当 する。 そ の 形状 寸法を 図一
2，
1に示す。
鋼 管はSS
41鋼 を 用い た 溶 接 組 立で，
板 厚は そ れ ぞ れ 9mm，
6mm とし て幅 厚 比 を常温時に十 分な変形 能 力の期 待で きる 33に合わ せ た。
充てんコンク リー
ト は早 強セ メ ン トを用い た普 通コ ンク リー
ト と し，
設 計強 度210kg／cm2，
スランプ18c皿 表一
2．
1 実験 要 因と水準 要 因 水準 加 熟時間 （min．
） 鋼 管 幅 （m皿） 耐 火被覆厚lc （皿m） 荷重レ ペル （P／sPy ） 1 60 200 0 G2 2 120 300 30 0．
4 注 1）耐 火 被 覆 は湿式吹付け岩 綿 2｝P ：定軸 力 3 ＞、pアー
（SS41 鋼F値2、
4 t ／Ul〕x 〔鋼 管 断面積a・f・
） 表一
2．
2 試験体 試 験 体 晦 加 熱 時 間 （min ） 鋼 管 幅 （mm ） 耐 火被覆厚 （皿m） 軸力 比 （P／8Py ） 1 60 200 0 0．
2 2 60 200 30 0．
4 3 60 300 0 0．
4 4 60 300 30 0．
2 5 120 200 0 0．
2 6 120 200 30 0．
4 7 120 300 0 0．
4 8 120 300 30 α2 注 1）Pは 定 軸 力 2 ） sPy＝
（SS41 鋼 F 値 2、
4 t imf）x （su管断 面 積αi 〕一
77
一
表
一
2．
3 使用 鋼 材の機 槭 的 性 質 鋼 種 板 厚 （m囗） 降 伏 応 力 度 σy （tfnf） 引 張 強 度 σb（t／衂 伸 び δ（％） 備 考 SS416 3ユ34．
5631．
6 常 温 SS419 3．
274．
52323・
常 温 表一
2．
4 コ ンク リー
トの調合表 セ メン ト （ ／艀 ） 水 （ ／mi） 卿 C 〔％） 細 骨 材 〔 ／艀） 粗 骨 材 （ ／耐） 細 骨材 率 （％ ） 混 和剤憑 （ng／ml） 2791746237811049層
43．
10．
689 豪AE 減 水剤標 準 型 表一
2．
5 コ ンク リー
トの機械的性質 養 生 圧縮 強 度 （ ／面 ） 引 張強 度 （ ／ed ） ヤン グ率 〔kg／げ ） 空 中 246．
7 2．
19XlO5 密 封 279．
6 20．
32．
95×105 水 中 302．
4 3、
ogx105 と し た。
使用 鋼 材の機 械 的性 質，
コ ンク リー
トの調合表 お よび機 械 的 性 質を表一
2．
3− 2．5
に示す。
耐 火 被 覆は 湿式 吹付け岩 綿とし， 被 覆 厚は鉄 骨 柱の1
時間 耐火に相 当す る30mm
とし た。 基 本 実 験 時の コ ンク リー
トの材 令は51〜
72 日，
耐 火 被 覆の養 生 期 間は50〜58
日 であっ た。
2．
3
実 験 装 置 基 本 実 験に は竹 中 技 術 研 究 所の耐火試 験用加 熱 炉 を用 い た。 実験装置の概 要を図一
2．
2に示 す。
試験体は加 熱 炉の中 央に垂 直に設 置し，
加 力 位 置は炉 蓋よ り上 部で加 熱 を 受け ない柱 頭 部と し た。
載荷は，
定荷重 式 油 圧 ポン プに接続さ れた 200t 油 圧ジャッ キ を用い たe 試験体と 油圧 ジャ ッキの間に は，
鋼 管 部 分とコ ンク リー
ト部分に 作用す る圧 縮 力 を別々 に検 出す る こ と が で き る特 殊 な ロー
ドセル を設 置し た。
そ の詳 細を図一
2．
3に示 す。
充 てんコンクリー
トには中央の 円 筒 型ロー
ドセル を介し て，
鋼 管には4
本のボル ト型ロー
ドセル を介し て， そ れ ぞ れ荷重が伝 達さ れ る。
ロー
ドセルは高 温に対 応 可 能 な よ う に考慮さ れ ている。
歪検 出部は外部か らの輻 射 熱 や対流に よ る熱伝達を防止す る た め， ガラス クロステー
プ を巻き付け た。
またひずみ検 出 部 と 同位 置にお ける温 度を検 出す る た め，CA
熱 電対をてん付し てい る。
なお， ひずみゲー
ジ は耐熱330
℃ 高温 ゲー
ジ を用い た。
リー
ド線はポリイミ ド線 （耐 熱300
℃）を 使 用し，
引 出し 部は水蒸 気の浸入 を防止する ため， 銅パ イ プによ り保 護 さ れて い る。 ま た試験 体との接点を冷 却す る た め，
，
部に水を箔環さ せ た。
鋼管と充て んコ ン ク リー
トの初 期 軸力 分 担 は，
ロー
ドセル ， の ね じ調整によ り 可 能 と して い る。 な お，
本ロー
ドセル部の剛性は試 験体の鋼 管 部分お よびコ ンク リー
ト部分の剛性に比べ 十 分 大き く，
平 押の仮 定 を 満 足 す る もの で ある。
載 荷 装置の全 景 を写 真一2．1
に示す。2．
4
実験 方 法’
試 験 体の加 熱 は，
JIS
− A −
1304 に規 定さ れ てい る標 準 加 熱 温 度曲線に沿っ て所定の時間加熱し た。
加 熱終了 後の冷 却は自然冷却と し た。
軸 力は加 熱 開 始 前， 鋼 管に ほ ぼ所定の 荷 重を載荷し た後，
実 験 終了 まで トー
タル軸 力を一
定に保持し た。
2，
5
測 定 項目 お よび測 定 方 法 温度測定項 目は， 炉 内の加 熱温度 （12点 ），
鋼 管 温 度 （24点）， コ ン ク リー
ト温 度 （鋼 管 幅300m 皿 で 34点，
200
mm で 26点）とし， 実 験 開 始から終 了までCA
熱 電対を 用い て測 定し た。
鋼 管 部分とコ ン ク リー
ト部 分が 分担し た 圧縮力の検 出は前 述の ロー
ドセ ル （図一
2．
3， ）に よ る。
試 験 体の変 形 とし て材 長の伸 縮 を測 定し たe’
炉 内 試 験 体ベー
ス上 に熱 膨 脹の無 視で き る 石英 管ロ
r
丶 9宀
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．
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2，．
8 霧噛
鋤「
ー
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己
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且．
3ゴ
．
「1 L 』一
」一
ロー
300×300×9 図一
2．
1」
L 、，。
一
」
ロー
200×20ex6 試験 体の形状寸 法 図一
2．
2 実 験 装置の概要 油 圧 ジャッキ 囗一
ドセ ル ■一
ドセ ル （鋼 管 用〉一
ド セ ル り一
卜用）．
球 座 冷 却 水 冷 却 水 循環 部 循 環 部 ク リー
ト 図一
2．
3 ロー
ドセル の詳 細一
78
一
写 真
一
Zl 載 荷 装置の全 景 （φ15mm
， 熱 膨 脹 係 数 5x10−
7 ／℃ ） をたて，
炉外で鋼 管 加力点 間 （2900mm
）の相 対 変 位 を耐 熱 耐 水変位計 （ス トn一
ク20Gmm ， 2000μ）に よ り測 定し た。 §3．
基 本性状 3．
1 温 度 性 状 炉内の加熱温度を 図一
3．
1に示す。 ほ ぼ，
標 準 加熱 温 度 曲線を満足し てい る。 各 試 験 体の鋼 管 平 均 温 度を図一3．2
に示す。
耐火被覆 を施 した試 験 体で は 60分 加 熱で最高100
°
C ，120
分加 熱で最 高180℃ とJIS
−
A− 1304
に よ る鉄 骨 柱の許 容 鋼 材 平 均 温 度350℃ に比べ 極めて低い値を示して い る。 し たがっ て鋼 材 温 度で耐 火 性 能を評 価し た場 合，
コンク リー
ト充てん鋼 管柱におい ては大 幅な耐 火 被 覆 厚 低 減の 可 能 性が認められ る （付一
3参 照 ）。 耐 火 被 覆を施して い な い試 験 体で は鋼 管温度は 炉内温度にや や 遅 れて上 昇 するが，
ほ ぼ そ れに近い値を示してい る。 コ ンク リー
ト温 度の う ち，
試験 体の ぐ う角 部で鋼 管 内 表面 か ら25mm の位置 に おける測 定 結果の平 均 値を 図一
3．
3に示す。
耐 火 被 覆 を施して い な い試 験 体で は， 加 熱 時 間 が 長い ほど，
また鋼 管 幅 が 小 さい ほ ど高 温 となっ て いる。
耐 火 被 覆 を 施し た試 験 体で も同様な傾 向が認め られ る。
コ ン クリー
ト中 心 部 温 度 を 図一
3，
4に示 す。
耐 火 被 覆 を施 し てい ない試 験 体では， コ ン ク リー
ト温 度が 150 ℃ 前 後でい っ たん停滞し， そ の後 再び温 度上昇 し て い る。
こ の停 滞はコ ン クリー
ト内 部に含 まれ る自 由 水の影 響によるもの と推 定され る が，
停 滞 時 間は鋼 管の幅に よ り大き く異な っ て い る。
ま た， そ の後の最 高 到 達温度は， 加 熱 時 間と鋼 管の幅に より大き な差が見ら れる。 耐 火被 覆を施 し た試験体で は温度上 昇が極め てゆる や か であ り，
最 高到 達 温 度 も 低い値を 示 してい る。
3．2
力学性状 3．
2．
1 鋼 管の軸 変 形論
枷 靭 勘 0 20 4e 60 80 100 120 140 図一
3．
1 炉 内 加 熱 温 度 ｛℃ 10050
160（m5冖．
） 図一
3．
2 鋼 管 平 均 温 度 （℃ ） 1000 500 0 図一
3．
3 コ ンク リー
ト隅 角 部 平 均 温 度 図一
3．
4 コ ンク リー
ト中心部 平 均温度 図一
3．
5に，
鋼 管の伸 縮 変 形の経 時変化を示す。
縦軸 の 変形 量は鋼 材の 降 伏ひずみ に加 熱 部長 さ を乗じ た δ” で無 次元化 して い る。
耐 火 被 覆の 施さ れて い な い もの は， 加 熱後， 鋼 管の熱 膨 脹による変 形が急 激に生じ， 18−
20分でその伸 びが最大になる。 こ の 時 点で鋼 管 温 度 は 600℃ に まで上昇 して い る。
以降，
鋼 管の局 部 座 屈 に より急 激な縮み変 形 を起こす が， そ の割合は除々に小 さ く なる。 軸 力 比の大きい鋼 管 幅300mm
の試験体の 方一
79
一
（ 図
一3．
5
鋼 管の伸 縮 変 形 図一
3．
6 コ ンク リー
トの軸力分担率 が 局 部 座 屈 前の 伸び量は少な く，
局 部座屈 後の収 縮量は 大きい。 加 熱 終 了後は試 験体温度の低 下によ り長 時 間に 渡り収縮 変形が生じ た。
耐 火 被 覆の施さ れ てい るもの は，
鋼 管 温 度の 上昇に よ り若干の伸び変形が見ら れ た。
』
3．
2．
2 鋼管と充て んコ ン ク リー
トの軸力分担 図一
3．
6は充てんコ ン ク リー
トの全 軸 力に対する分 担 率 α の経 時 変 化を表し た もの で ある。
耐 火 被 覆 を 施し て いない もの では，
加熱初 期に は当初の軸力 分 担 率が ほ ぼ維 持さ れ る が，
加熱開始後20
分前後で鋼 管に局部
座 屈が発 生 すると，
鋼 管の耐 荷 能 力が大 幅に低 減する ため に充てんコ ンク リー
トの軸 力分 担率が急 激に増 大する二 鋼 管の 降 伏 軸 力 sPy に対す る軸力の比 が0．2
の場 合， 加 熱 時 間60分で分 担 率は約 40％，0．
4で 70・
％の値を示 す。 120分 加 熱では以 降ほ ぼ その値が維 持さ れ る。
こ の と き，
そ れ ぞ れ の鋼管の軸 力分担は，
いずれ も応 力 度で 0．
288
t／cmt と なる。
こ の値は常 温の 引張 強さ比で 6 ％ 程度で， 鋼 材 温 度900“
C
時の 残 存 強 度に ほ ぼ対 応し て い る41。
所 定の加 熱 時 間 終 了 後，
炉 内温度の急 激な低 下 に よ り鋼 管に収 縮が 生 じ，
充てんコ ンク リー
トの軸 力 分 担 率 を さ らに急 増さ せ る。 最 終 的には 1 時間加熱で ほ ぼ 全 軸 力が 充てんコ ンク リー
トに移 行する。
2時 間 加 熱で は全 軸 力の 20％弱を鋼 管が負 担し て おり，
鋼管の回復 がコ ン ク リー
トの劣 化 をカバー
する もの と思わ れ る。
た だ し， 試 験 体 No．
7につ い て は加 熱 開 始 後 106分で柱の一
一
一
圧壊に よ り軸 力維持が不可能と なっ た。 この時 点で加 力 制御を中止し加熱の み120分まで継 続し た。 な お，
実験 終 了 後，
鋼 管 を 切 断 し 充てんコ ン ク リー
トを観 察し た が，
鋼管の局部座 屈発生部分 に おいて充て んコンク リー
トの 圧壊が認め ら れ たが，
その他の部分におい て は認め ら れ なか っ た。
耐 火被覆 を施し た もの で は 鋼 管 温 度で 100〜
200
℃ ， 充て ん コ ンク リー
ト内部温度で100
℃ 程 度ま で に し か上 昇 し ない た め，
終 始 軸 力の 変 動は見 ら れ な か っ た。
§4．
局 部座屈の検 討 4．
1
試験体 鋼管 幅厚比の検 討と して断面 寸法ロー
200×200×4．
5 （幅 厚 比44，
4）の試 験 体，
局 部 座 屈 変 形の補 剛の検 討 と し て鋼 管 柱 内 部に ス タッ ドボル ト を埋め込ん だ試 験 体 （幅厚比33．
3 ）を用 意した。
ス タッ ドボル トは 9mm φ，
長 さ50mm の もの を 用い，
ス タッ ドボ ル トピッチ は 100mm お よ び200
mm で，
全 軸 力ま た は そ の1
／2
が階 高の 間で鋼管からコ ン ク リー
トへ 移行す る と して求め た。 これ らの試 験 体 形 状を図一
4．
1
に示す。 使用鋼 材の 機 械的性質を表一4．1
に， 使用コ ンク リー
トの調合 表・
機 械的性質を表一
4．
2，
4．
3
に そ れ ぞ れ示す。
ま た試 験 体 リス トを 表一
4．
4に示す。 な お， 試験 体No ．10，11
に っ い ては，
加 熱を標 準 的な階高に相当す る部分 と す る た め，
下 部に耐 火 被 覆を施しでい る。 加 力測定方法は前節 と 同様で ある。 表一
4．
1 使 用 鋼 材の機 械 的 性 質、
鋼 種 板 厚 （m ） 降伏 応 力度 σγ（t ／ ） 引 張強 度 σb（t・
伸 び δ （％） 備 考 SS414．
52．
934，
60「
36．
6 常 温 SS416．
03，
254．
6127，
4 常 温 表一
4．
2
コ ン クリー
トの調 合 表 セ メン ト （kg／ne） 水 （ ／艀） W／C・
〔％）．
細 骨 材 （ ／mi ） 粗 骨 材 （kg／mi） 細 骨材率・
混 和 剤張 （％） （ ／ ） 28218364、
9821991’
46．
0．
0，
705 藤 AE 減 水剤標 準 型 表一4．3
コ ンクリー
トの機 械 的 性質 養 生属驫 界
引 張 強 度、
〔kg／・虻） ヤ ン グ率 （kg／孵 ） 空 中 281．
0 2．
33 ×105 密 封 287，
723．
82．
93x105 水 中 305．
5 2、
97x105’
表一
4．
4・
試 験 体 試験体 配 加熱 時 間 （min．
） 鋼 管 幅 （mm） 耐 火被 覆厚 （田m） 軸 力 比 （P〆sPy） 備 考 9 60200 00．
2FC テンク 10 602001 0．
02 スタツド＠2 m 11 60200 00．
2．
ス殉 ド＠ o即 注 1）Pは 定 軸 力 2｝sPy；
〔SS41 鋼F値 2．
4ttUl ｝x〔鋼 管断面 積Ut ）2900 1040
ll
＠
［
⊇．
「cau
o
A2 B」 め ほ ロふ A−
5ectlonl （ケイ酸カ ルシ ウム板 ） B−
sectionl
スV．
」
ド勅 卜ノ
ー一
一
｛日
一
le
−
tfi°睡
覲
腿
450 図一
4．
1 試 験 体の形状 寸 法 図一
4．
2 鋼 管の伸縮 変形 スタッ ドボ ルト無 し ス タッ ド ボ ルト間 隔200mm ス タッ ド ボ ル』
卜間 隔10Dmm 写真一
4．
1 加 熱 後の局 部座屈 変 形 4．
2 鋼管 幅厚比の検 討試 験体
No ．
9の 幅 厚 比は 44．
4， その他の試 験 体はす べ て33．
0
であ る。 常 温 下におけ る幅厚比評価に よ れば，
前 者は塑性 変形 能 力に とぼ し く， 後 者は 十分な塑 性 変 形 能 力を有す る。 試 験 体 No．
1とNo ，
9
を性 状 比 較した も のが 図一4．2
で あ る。 いずれ も標 準 的 階 高 （1320mm，
1／2．
5モ デル ）に対す る変 形 量に換 算 して あ る。 （付2 参 照）。
図中， 縦 軸は鋼 材の常 温 時の 降伏ひずみ に階 高 を乗 じた Ssで無 次元化 して いる。 幅 厚 比の大きい ほ う が最 大 伸び変 形は若 干 大き く，
局部座 屈 発 生 以 降の縮 み 変 形 は若 干 小さいがそ の差はわずかであ る。 幅 厚 比 以 上 に鋼 管の 温度上昇に伴う降 伏 応 力度， ヤング率の低 下の 影 響 が 非 常に大きい ものと思わ れ る。
ま た幅 厚比 が大き く な る と鋼 管 耐力 に対す る充てんコ ンク リー
ト耐 力の割 合が増 大 する から， 導 入軸 力を鋼 管の降 伏 比で評 価す れ ばよ り安定した挙 動へ 移行す ることになる 6 4．
3 座屈補剛 座 屈補剛 効 果 を 検 討 する ため，
ス タッ ドボル ト間 隔200
皿 m お よび100mm の 試験 体No．
10，
11をNo ．
1．
12 と 比 較 す る。
NQ．
12試験 体は次 節で述べ る現 実 的に軸 力の導入 さ れ た試験体で， 座 屈補剛さ れて いないもの で ある。
図一
4．
2
よ りス タッ ドボル トを設けた試 験 体で は，
若 干， 充て んコ ン ク リー
トとの一
体 性が み ら れ，
伸び・
収 縮性 状と も試験 体N
。．
1，12
に比べ て緩 漫と なっ て い る。
ただし， 加 熱 終了後の収縮 変形量 は大き く，
ス タッ ドボル トによ る変形性状の改 善は あ まり認め られな か っ た。
写真一4．1
は， 加 熱後の局部座屈変形で ある。 鋼 管 幅に 等 しい 間 隔に ス タッ ド ボル ト を配 し た試 験 体No ．
10はNo ．
12と ほ ぼ 同様の 変 形を示し て い る が， 鋼 管 幅の1
／2
の間 隔に配し た NQ．
11で は か な りの面 外 変 形拘束効果が み ら れ た。 §5．
現 実的 な軸 力の 流 れ 5．
1 試 験体耐火被覆を施して い ない試 験 体 を対 象 として
，
柱へ の 現 実 的な力の流れ を考 慮し た外ダイヤフ ラム接合 形 式の 試験 体に よ り，
長 期 軸 力 を導入 し た場合の加熱 時の挙 動 を検討し た 』加 力治具と して試 験 体に外 ダ イヤフ ラム接 合 部を設 け
，
さ ら に，
上 階 非 加 熱 部の柱の影響を検 討する ために，
上 部に一
層 分の階 高 まで考 慮し た柱形状と して い る。
鋼 管断 面 寸 法は，
ロー
200×200×6mm で ある。 試 験 体 形 状および寸 法 を 図一
5．
1
に示す。
な お，
外ダ イヤフ ラ ム 接 合 部は，
すべて耐 火 被 覆 材 （ケイ酸カル シウム板 ）で 被覆して熱影 響を避けて い る。
素材の機 械 的 性 質は， 前節， 表
一4．1−
4．
3と同 様で あ る。 試験 体 リス トを表一5．1
に示す。
5．
2 実 験 装 置お よ び実 験 方 法外 ダ イヤフラム接 合 形 式の試験 体の加 力は
，
2基の反 力フ レー
ム と4基の 50 トン油 圧ジャ ッ キ お よ び2台の 電動 油圧 ポンプ （定 荷 重 装置付き）を用い，
外ダイヤフ ラム 接 合 部か ら試 験 体 柱部に定荷重を導 入 した。 ロー
ド セルは前 節で用い た耐 熱ロー
ドセル を使 用し た。
載 荷 方法は試験 体の 底 部 を 平 押 し状態 と し，
4基の 油圧 ジ ャッキに よる中 心 圧 縮 とし た。
加熱炉上 部および加 熱 炉内部の状 態を写 真一
5．
1，
5．
2に示す。
表一
5．
1 試 験 体 試 験 体 晦 加 熱 時 間 （min．
） 鋼 管 幅 （皿
皿） 耐 火被 覆厚 （血 皿） 軸力 比 （P／sp ） 12 60 200 0 0，
2 13 120 2GO 0 0．
4 注 1）P＝
定 軸 力 2）sPy＝
（SS41 鋼F値2．
4t ！bl ｝×（鋼管断 面積衄 〉一
81
一
図
一
5．
1 外 ダ イアフラム接 合 形 式 試験 体 写 真一
5．
1 加 熱 炉上部 5．
3 軸 力 導入形 式の比 較 図一
4．
2中に試 験 体No ．
12の変 形 性 状を 示 し ている。
軸力 導 入 方 法の異な る試 験体 No，
1と12
の伸縮 変形の 経 時 変 化は，
最 大伸び付近で若 干の差が み られ る が， ほ ぼ良い対応 を示 して いる。 外 ダ イヤフ ラ ム接 合 形 式の試験体で は， いずれも上 階 の柱 頭 部に相 当する最上部で鋼管と充てんコ ン クリー
ト の相 対変位を測 定し た が，
ほ と ん ど その変動は認め ら れ な かっ た。
加 熱 時，
鋼 管と充て んコ ン ク リー
ト間よ り，
か な りの水 分の上昇が み ら れ た が，
ほと ん ど両 者は最「ヒ 部で一
体に挙 動して いる。 し た がっ て， 加熱部で は， 鋼 管の急 激な熱 膨 脹に対して，
充てんコ ン ク リー
トに は引 張 ひ び割れ が生じ て い る もの と 思 わ れ る。
これ は加 熱 後 の試 験体よ り鋼 管 部 を切 取り，
充て んコ ンクリー
ト部を 観 察し た結 果でも認 めら れて いる。 いずれに し ても平 押 し実 験 結果が外ダイヤフ ラ ム形 式の 試 験体の挙 動によ く 対 応し て お り， 現 実 的な軸 力 導入の 場合と して の評 価が 可 能と思わ れ る。5，
4 荷 重レベ ル と耐 火 時 間図
一
5．
2は 2時間加 熱の場 合で，
鋼 管に対 する軸 力 比 で0．
4
と し た試 験 体 No，
13の 結 果で あ る。
前 節でPtし た軸 力 比が0．
2の試 験 体No ．
5
と鋼 管 幅300 mm，
軸 力 比0．
4の試 験 体No，
7を と も｝
こ示 した。
試 験 体No．
7
の 実 験 結 果は相 似 則に従っ て換 算し，無 次元 化し ている（付一
2参 照〉。
鋼 管 幅
200mm
で は，
軸 力 比 0．
4の高軸力下におい て，
加 熱 開 始 後88分で軸 力 負担 能 力 を失う。
鋼 管幅q
）増大 に よ り耐火時 間の 向上 を は か るこ とができ る が，
鋼管 幅 300mm で 28分の差であっ た。 耐火 被 覆の省 略は，
む し ろ 軸 力 比が 0，
2以 下の低 層 建 物を対 象と し た場 合に効 果が あ る もの．
と 思わ れ る。 試 験 体No ．
5の実 験 結 果か ら 写 真一
5．
2 加 熱炉内 部 ｛6
向 5 0一
5一
10 ∠1「
！丶
1
” 丶＼．
＼s ’
〜 ・
丶 ．
加 熱 時 間 鯛管幅 定 軸 力 5 110min 200mm O．
2SPV 1 120min 300図
．
O．
4珥｝
y 13 1ZOmin 200m剛
04spy 60．
＼ 120 （min ）丶
’
x＼
’
＼
＼1
＼
i ＼、
1 ＼ ＼ 5 13 』 図一
5、
2 鋼 管の伸 縮 変形 軸 力比0．
2
の場 合，
2時 間 以 上の荷 重 支 持 力を有してい る といえ る。
な お， 外ダイヤフ ラ ム接 合 試 験 体で は
，
上層階の温 度 は常温 に近 く，
熱 伝 導の影 響は非 常に小さい こ と が わ かっ た。
§6．
加熱 後の曲げ性 能6，1
試 験 体・
実 験 方法、
火 災 を受 けた柱の曲げ性 能を検 討 する。 試 験 体は基本 実 験で加 熱 履 歴を受けた もの をそ の ま ま使 用し た
。
加 熱 履歴 を受けた鋼 材の 機械的 性 質は，
曲げ
加力実験 後， 耐 火 被 覆の施さ れ ていない試 験 体の 曲げ影響 の無
視で き る 部 分か ら切 り出され た 5号 試 験 片による引張 試 験 結 果に 表一
6．
1 加熱 履 歴を受け た鋼 材の引 張 試 験結果 鋼 種 板 厚 （皿m） 降 伏 応力 度 （し／げ） 引張強 度 〔t／Ut ） 伸 び （％ ） 加 熱 時間※ （min．
） 6 2．
333．
8226、
9 60 SS41 2．
0639422，
8120 9 2．
734，
0735．
7 60 2．
054、
0434．
4．
120 va § 2基 本 笑 験va ts ける加 熟時 間一
一
図
一
も．
1 荷 重一
変形 曲線 よ る もので表一
6．
1に示 す。
載荷形 式は，
単純ばり中央集 中加力形式と し，
支持 点 間の寸 法は標準 的な階高を想定し，
鋼 管幅 200mm の も の で 1320mm，
鋼 管 幅300
mm の もの で1980
mm と し た。 加 力 装 置は竹 中 技 術 研 究 所の300t
お よ び 1000 t万 能 試 験機を用い た。
6’
．
2 曲げ性 状 図一
6．
1に荷 重一
変 形 曲 線 を示す。
耐 火 被覆の施さ れ てい な い試 験 体No ．
1，
3，
5は，
6Vp 変 形 時 耐 力で耐 火 被 覆の施さ れ た もの に比べ，
60〜
75％の耐 力 評 価と な る。 こ こ に，
耐 火被 覆の施 され た試 験 体は加 熱 履 歴 を受 けて いない性 状と考える こと がで きる。
また6Vp は中 央の鋼 管 断 面が全 塑 性モー
メ ン トMp に到 達する荷 重Pp
に対 応す る弾 性 変 形の6
倍にあた る変 形 位置で あ る。
試 験 体No ，
1，
No ．
5の結 果か ら， 加 熱 時 間 が 長い ほど 耐 力の低く な る こ と が わ か る。
図中に短 期 許 容耐 力に相 当す る荷 重Pa
を 示し た。
こ こ にPa
は降伏 応 力度をF
値 とした時のM
ρに対 応す る荷 重で ある。
実 験 結 果はこ の荷 重 P。に対し て いずれ も上回っ て い る。
§7．
結 語 コ ンク リー
ト充てん角形鋼管柱の 火 災時の 温度 性 状，
力学 性状お よ び冷 却 後の曲げ性状を検討す る た めに，
定 軸 力 加 熱 実 験および冷 却 後の曲 げ加 力 実 験 を行っ た。 そ の結 果，
以 下の事 柄が明ら か と なっ た。 1） 鉄 骨 柱の ユ時 間 耐 火に相当する耐 火 被 覆 （湿 式 吹 付 け岩 綿30mm 厚 ） を施 し たコ ンクリー
ト充てん鋼 管 柱の鋼 管 温 度は，
JIS
−
A−
1304に規 定さ れて いる鉄 骨 柱 の許 容 鋼材温度（350℃ ）に比べ極め て低い値を示し た。
し た がっ て耐 火 被 覆の養生期 間が や や短か かっ たこ と を 考慮し て も，
鉄骨造と同等な耐火被覆を施し た場 合には，
余 剰な性 能を有す る といえる。
2｝ し たがっ て，
耐 火 被 覆を施し た場 合の載 荷 加 熱 時 の 力 学 的 性 状に は，
加 熱の影 響が ほ と ん ど み ら れ なか っ た。一
方，
耐火被 覆を施し てい ない 試 験体は，
加 熱 開 始 後20
分 前 後で鋼 管に局部 座屈 が 発生し 急 激 な収 縮を示 した が， 鋼 管 （SS
41鋼 ）か らコ ン クリー
ト （呼び強 度 210kg／cm2 ）へ の 荷 重の移 行に よ り，
荷 重 レベ ル0．
2 。Py の 場 合に は 2時 間 以上，
O．
4sPy の場 合には加 熱 1時 間 以上の荷 重 支 持 力を有する。
3） 現 実 的な外 力の流れを想 定し た外 ダ イヤ フ ラム接 合 形 式の試 験 体に よる実 験 より， 長 期 軸 力 を受け る場 合 の加 熱 時 性 状は， 平押し加 熱実験で現状を よ く把握で き る と ともに，
は りか らの柱 軸 力の導入に対 し て， 本実 験 におい て は上 層 階の存 在により十 分 充てんコ ンクリー
ト へ の力の伝 達が可 能で ある こ と が わ か っ た。 4） 鋼 管 内部に取り付け たス タッ ドボル トは軸 変 形 性 状に あ ま り影 響を及ぼ さ ないが，
局 部 座 屈に伴 う面 外変 形に対して拘 束 効 果が大きい。
5
｝ 冷 却 後の曲 げ加 力 実 験におい て， 耐 火 被 覆の施 さ れて いない試 験 体で は曲 げ耐 力の低 下がみ ら れるが，
本 実 験で用い た SS 41鋼の場 合， いずれ も短 期 許 容 耐 力 以 上の値 を示 した。 参考文献 1＞ 斎 藤 光，
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8）鈴木敏郎，
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1 鈴 木 敏 郎，
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ト充て ん角 形 鋼 管 柱の耐 火 性 能に関 する研 究 そ の 3 耐 火 被 覆の無い場 合につ い て， 日本建築学会 大 会学術 講 演 梗 概 集，
昭和58．
9．
pp．
25e7〜
2508．
一
83
一
§付
．
．
』
付一
1 分 散 分 析 実 験 要 因が実 験 結 果に ど の 程度 影 響を与え る かを検 討するた め に，
表一
2．
1に示 し た加 熱 時 間 （A），
鋼 管 幅 （B
），
耐 火 被 覆 厚 （C），
荷 重レベ ル （D＞の 4要 因に対して測走結果の分散 分 析 を行っ た。
これ らの要 因のうち，
A とBお よ びA とC の間 には交 互作 用 も考え ら れ る の で基 本 実 験 用 試 験 体は直交 表 （Ls） を用い て割り付け が行われて いる。
加熱時の各 部 温 度に対 する分 散 分 析の結 果を付表一
1に示す。
鋼 管温 度お よ びコ ンク リー
ト隅角 部温度に対して は耐 火 被 覆の 影 響が き わ めて大き く，
寄 与 率も90％ を 超え て いる。
ま た，
加 熱 時 間，
加 熱 時 間 と耐火被 覆の交 互 作 用な ども有意と なっ て いる。一
方，
コ ンクリー
ト中心部 温度は種々な要因 に影 響さ れ，
特 定の要 因による影 響が顕著に は 認 め ら れ ないが， 被 覆 厚の他 鋼 管 幅の影響も受け てい る。 コ ンク リー
ト軸 力分 担率と鋼 管 柱の伸 縮量につ い て の 分散分 析を付 表一
2に示す。
コ ン クリー
ト軸 力 分担 率，
鋼管 柱の伸 縮 量は，
いずれも耐 火 被 覆 厚と と も に，
鋼 管 幅，
荷 重レベ ルop
影 響の大きい こと が わ か る。
付一
2 鋼管伸縮変 形 量の修 正 鋼 管の 伸 縮 変 形 量δは，
試 験 体No，
12の階高に相 当する 1320mm の長さに対応 さ せ た。
試 験 体No4 につ い て は，
炉 内 の試 験 体長 さ に 相当す る2100mm に より，
δ＝
1320δ．
／2100 試験体No．
10，
11につ い ては，
被 覆 部の平均 温度をT と して次 式 よ り換 算し た。
δ＝
δe−
kT ‘c十plcん4E， こ こ に δ，
は計測値，
k，
lc，
A はそ れぞれ熱 膨 脹 係 数，
（1．
2x lo−
5／℃），
被覆部長さ ，鋼 管 断 面 積であ り．
Pは導入軸力（22 t）， E，は 温度 変 化に伴 う ヤング率で次 式を用い た 5 E，＝
E／［1十3．
8×10−
9tS ］ 試 験 体．
No．
10，
llの耐火被覆 （ケイ 酸 カルシ ウム板厚 50 mm ） された部 分の 鋼管表 面 温 度 を 付 図一
1に示す。
1時 間 加 熱 時 鋼 管温度900°
C に対し耐 火 被 覆 境 界か ら5cm で300℃ ， 中 央52 cm で 90℃ とかな り低い。
鋼 管 幅300mm 試 験 体の変 形 量は次 式により 200 mm 試験 体 変 形 量に換 算し た。
δ冨 1980δe／2100 付一
3 被覆 厚さ別 鋼 管 平均温 度 コ ンク リー
ト充て ん鋼 管 柱に種々な厚さ の耐火 被 覆 を施 した 場合の加 熱 実 験 を別 途 実施し て い る。
耐 火 被 覆 材は本 論と同じ 湿 式 吹 付 け岩 綿と し，
厚さを10mm か ら25 mm まで 5mm 間 隔で変 化さ せ た。 鋼管の断 面 寸 法はいず れ も ロー
300×300×9 であ り，
充てんコ ン ク リー
トの種 別は普通コ ン クリー
トであ る。
鋼 管 平 均 温 度の経 時 変化 を付図一
2に示 す。
被 覆 厚10mm で 1時間加 熱の場 合，
鋼 管 平 均 温度は最高285℃， 被 覆 厚 20mm で2時 間 加 熱の場 合，
最 高255℃ と，
JIS−
A−
1304 に規 定さ れ て いる鉄 骨 柱の許 容 鋼 材平 均 温 度350℃ に 比べ 十 分 低い値を示 し てい る。
一
84
一
付 表一
1 各 部 温度に関 す る 分散分 析 結 果 鋼 管 温 度コ
ンク リー
ト懸 〔偶角部｝コ
ンクリー
ト温度 （中 』部 測 果 要 因 分 散 比 寄 与 率鮒 分 散 比 寄 与 率 鯛 分 散 比 寄 与 率 鮒 A886 鳳91．
L951L7 ヂ 証05 1．
7514．
94 B 351．
550臻．
0司761．
170，
59 2301980 A×B28．
正90、
004a260 1．
231q49 C73642 ＆1998、
699204，
91．
醇0 3．
543 α31 A×
C ※ 426330．
05723a8 評 2．
30 0．
50542 D 7＆3 工 Q．
014L44 α39 1、
201 駄47 号 0．
001．
α07 ＆5δ 計 99，
999 100、
DO ga駐9 注 1》m嵌：1 ％の危 険率 で有 意．
2）遜 ：5 ％ の 危 険 率 で有 意 3）各 部 偈廣は 加 熱 終了時の 測定 結果を用い た 付 表一
2 軸力 分 担 比，
鋼管の伸 縮量に関する分 散 分 析 結 果 「．
結 果コ
ン
クリー
ト軸 力分 担比 鋼 管 最大伸 び 鋼管 収 縮 量 錮 分散比 寄与 率鱒 分 散比 寄与塞囲 分散比 寄 与 率附 A36．
67o．
514．
680466、
260．
88 B84 η 3蛋 12．
0522．
10325152．
D62526 AXBo ユ 5 081 1．
070．
01 C ※ 53263675、
80558．
00楽 89．
17192．
52 爆 32．
D2 AxC 臥730．
070．
00 34．
905、
67 D80758 癌 11．
4837、
16．
5．
67210、
25療 34．
99 e 0．
10 1．
45 Ll7 100」〕0 lOOOO 100ρ0 言† 1 注 11 擾ff
：
1％の危 険 率で有 意 21 療；
5％ の危 険 率で有 意 3 ｝鞭力分 損 比 b ：ぴ収繦 量は 加 熱 時 間×〔106 ×120 ）の時 点 の測 定結果を 用い た。
（°C
）50
試験 体 ID，
11 加 熟 時問 鋼管幅 定 軸 力60min 2“Omm O
．
2spy．
・潮
a．
田 苧雀
綱管表 面 温度測定位置ロ
呂』
耐 火 披覆尊
0
60120
180240 300 付 図一
1 耐 火 被 覆が施さ れ た部分の鋼管 温 度500
鋼4QO
圏
ド300
．
均 温200tt
．
℃ 10000
（min ）30
付 図一
260 ．
90120
時 間 〔分 ｝ 鋼管平 均温度の経 時 変 化15d
SYNOPSIS
UDC:624.075.2.014:624.07B.2
'
EXPERIMENTAL
STUDY
ON
FIRE
RESISTANCE
OF
CONCRETE-FILLED
SQUARE
STEEL
COLUMNS
-Structural
behavior
under constant axialforce
in
by Dr.TOSHIRO SUZUKI, ProfessoTof Tokyo Instituteof
Technology, MAMORU KIMURA, Chief Reserch Engineer,TakenakaTechnicalResearchLaboratoTy, AK
IO KODAIRA, ReserchEngineer, TakenakaTechical
search Laboratory,and MITSUMASA FUSHIMI,
ate Studentof Tokyo Instituteof Technology,MembeTs
of A.LJ.
.
Steel
structures have many advantages, btitalsohave
thefollowing
drawbacks
inaddition to corrosion :1)Liability
tobuckle,
2) lowerelastic rigidity and 3)liability
tobe
deteriorated･by
high-temperatureheating.
Oneof the effective measure to
improve
thesedrawbacks
is
the concrete-stiffening of steel structural members.This
reporthas
investigatedthedevelopment
of the concrete-filled square steel pipestructuresfor
thispurpose, parti-cularlythe
fire
resistance of such columns.'
Filled
concreteis
effective
in
achieving excellentfire
resistancein
thefollowing
two points:(
1)
Whenfire
resistance isevaluatedby
the steel pipe temperature,theheat
capacity offilled
concrete contributes tothestip-pressionof a temperature rise of the steel pipe and
(2)
Whenfire
resistance isevaluatedby
the collapse of themember
load
burden
transfertofilled
concrete caribe
expected tocope with the loweri,ngof steel pipe strengthdue
tohigh-temperature
heating
infire,
This report clarifies mainly thebasic
behavior
of concrete-filled steelpipe
for
thelatter
case.Tests
performedinclude
thefollowing
twokinds
:(1) A heatingtestunder constant loadby
aloading
equip-ment whichhas
made itpossible
todetect
axialforce
transferfrom
thesteel pipe tothefilled
concrete,(2)a
heating
test under constantload
applied onbeam-to-column
connection, assuming the actualflow
of force.Through
thesetests,information
about the transfercharacteristics of axialforce
from
thesteel pipe tothefi11ed
concrete as well as thedeformation
characteristics andlocal
buckling
behavioT
of steel-pipe columnshave
been
obtained and ithas been confirmed that theload
bearing
capacity against a standard'fireheating
can bemain-tained
