JP3954882B2

JP3954882B2 - Bolt joint structure with high heat shielding

Info

Publication number: JP3954882B2
Application number: JP2002093852A
Authority: JP
Inventors: 忠義岡田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP2003293475A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として、火災を受ける建築分野の鉄骨構造物に使用するボルト接合部構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、建築分野においては、例えば、図１０に示すような、スプリットティ２ａ、２ｂとボルト３、５を用いた角形鋼管柱１とＨ形鋼梁４のボルト接合構造が採用した鉄骨構造物があり、この鉄骨構造物が火災を受ける場合には、表面温度３５０℃以下で使用することが定められているため、多くの場合、吹付けロックウール等の耐火被覆が必要となり、施工費用および工程、環境・美観上の問題から鉄骨構造の競争力を著しく阻害することから、高温強度に優れ無耐火被覆使用が可能な鋼材（耐火鋼）が要請されていた。
【０００３】
近年、この要請に応えるために、鋼材の無耐火被覆使用を主な目的として、短時間の高温強度を高めた、いわゆる耐火鋼が多数開発されており、例えば特開平２ー７７５２３号公報に記載の発明をはじめとして、６００℃で高温強度に優れた鋼材（耐火鋼）が多数開示されている。また、特開平９−２０９０７７号の発明では、７００℃での高温強度に優れた鋼材（耐火鋼）が開示されている。さらに、特願２０００−２９７３３８号、特願２０００−２９７３３９号では本発明者らにより８００℃および８５０℃での高温強度に優れた鋼材（耐火鋼）が開示されている。
一方、ボルトは、特開平８−６７９４３号の発明に見られるように、６００℃で高温強度に優れたボルト（耐火ボルト）が知られているが、現状では耐火鋼に比べて高温強度に優れる温度領域が低いことから、無耐火被覆の鉄骨構造物の実現化のため、高温強度に優れる温度領域がさらに高い耐火ボルトが要請されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
鉄骨構造物が、火災によって３０分以上の加熱を受けた場合、部材断面にもよるが、一般に部材は７００℃超の高温にさらされることが知られている。よって、３０分以上の火災を受ける鉄骨構造物において無耐火被覆構造を可能にするためには、８００〜８５０℃での高温強度に優れた耐火鋼を使用すればよいことになるが、鉄骨構造物を構築する場合にボルト接合部が存在する場合、使用するボルトの高温強度も問題になる。耐火ボルトの材料として、上記の８００℃〜８５０℃での高温強度に優れた耐火鋼を用いても、８００℃〜８５０℃の高温領域で十分なボルト特性を確保できる耐火ボルトは得られない。
というのも、８００℃〜８５０℃の耐火鋼は、当該温度領域の降伏強度が９４MPa以上のものであるため、室温降伏強度が２３５MPa級の鋼材に対しては、０．４以上の降伏強度比（高温強度／室温強度）を与えるが、室温で９８０MPa以上の引っ張り強さ（９００MPa以上の降伏強度）が要求される高力ボルトに対しては０．１程度以上の降伏強度比（高温強度／室温強度）を与えるに過ぎず、高温強度としては不十分だからである。
【０００５】
高温強度に優れた耐火ボルトとしては、現状では、６００℃での高温強度に優れた耐火ボルトが知られているが、この耐火ボルトでは、無耐火被覆構造化の要請に十分に応えられない。
本発明は、火災を受ける建築分野のボルト接合部を有する鉄骨構造物において、基本的には、主部材に８００℃〜８５０℃での高温強度に優れた耐火鋼を用いて無耐火被覆構造を可能にするとともに、高強度が６００℃レベルの耐火ボルトを使用しても、この耐火ボルトに起因する鉄骨構造物全体の高温強度の低下を補えるボルト接合部構造を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、以下の（１）〜（２）を要旨とするものである。
（１）火災を受ける鉄骨構造物のボルト接合部構造において、火災を受ける鉄骨構造物に使用する、柱、梁部材および接合金物の一部または全部が耐火鋼であり、ボルト・ナット（および座金）を含む接合部領域、ボルト・ナット（および座金）の接合対象物から外面側に突出した部分を、熱輻射を遮蔽する熱遮蔽体で被覆し、前記熱遮蔽体が、耐火ブランケット、耐火モールド、金属製カバー、金属キャップおよび耐火塗料のいずれかであることを特徴とする熱遮蔽性の高いボルト接合部構造。
（２）火災を受ける鉄骨構造物に使用するボルト接合部が、柱−梁接合部、梁継手、柱継手の一部または全部であることを特徴とする（１）記載の熱遮蔽性の高いボルト接合部構造。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、建築の分野の鉄骨構造物が火災によって比較的短時間の高温にさらされる場合、鉄骨構造物を形成する鋼材の温度上昇は、熱伝導よりも熱輻射に支配されることから、鋼材の温度上昇を低減するためには、この熱輻射を遮蔽することが重要かつ効果的であるとの知見に基づいてなされたものである。
すなわち、本発明では、鉄骨構造物を形成するボルト接合部を、熱遮蔽体により部分的に熱輻射から遮蔽する、新たな「熱遮蔽性の高いボルト接合部」を採用するものであり、これによって例えば、６００℃での高温強度に優れた耐火ボルトの使用によっても、７００℃〜８５０℃での高温強度に優れた耐火鋼を使用して鉄骨構造物の無耐火被覆構造を実現することができる。
本発明でいう火災を受ける鉄骨構造物とは、主として、柱、梁などの耐火鋼による主部材を、各種の接合金物（スプリットテイ、アングル材、エンドプレート、スプライスプレートなど）と、ボルトを用いて接合して構築される建築分野の鋼構造物を意味する。
【０００８】
本発明は、この鉄骨構造物を構築する場合において、柱−梁接合部、梁継手、柱継手の一部または全部位におけるボルト接合部に適用されるものであり、基本的には、これらの主部材、各種の接合金物を、７００℃〜８５０℃の高温強度に優れた耐火鋼材で形成して、無耐火被覆構造の鉄骨構造物を実現する場合において、ボルト接合部、特にボルト・ナット（および座金）を、熱輻射を遮蔽する材料で遮蔽して高温強度不足をカバーできるボルト接合部構造である。
本発明で用いる、熱遮蔽材料としては、基本的には、火災時に溶融して遮蔽性能を失わない耐火材料、例えば、セラミック系の耐火物（ファイバーを含む）、その他の耐火物、耐火塗料（耐火接着材）、金属（鋼板、ステンレス鋼板が主体）が適性がある。
【０００９】
熱遮蔽対象となるのは、各ボルト・ナット（および座金）であり、高温の熱輻射を受ける主部材、接合金物から外部側に突出した部分（露出部分）を主体に遮蔽すればよい。熱遮蔽の最小単位としては、各ボルト・ナットおよび座金であるが、複数のボルト・ナットおよび座金からなる列単位または接合金物単位、すなわち、ボルト・ナット（および座金）を含む接合部領域全体、またはボルト・ナット（および座金）およびその周辺領域を遮蔽することも有効である。
熱遮蔽体の使用態様としては、熱遮蔽の単位、熱遮蔽の施工性などを考慮して、例えば、セラミックブランケット、セラミックモールド、セラミックシート、セラミック塗料、その他の耐火性塗料、金属製カバー（例えばキャップ）などを選択使用（併用を含む）することができる。
【００１０】
これらの熱遮蔽体のうち、セラミックブランケット、セラミックモールド、セラミックシート、金属製カバー（例えばキャップ）などは、クリップ、係止、係合（嵌合）、スタッド溶接あるいは接着などにより固定することができる。特にキャップを熱遮蔽体として用いる場合には、キャップと座金との間に係止構造を設けることが有効である。これらの熱遮蔽体と固定対象物との間に隙間がある場合には、耐火塗料を塗布して、気密性を高めることが有効である。
熱遮蔽体として適性がある公知の耐火物、耐火塗料としては、現状では例えば以下のようなものがある。
・高温用耐火断熱繊維・セラミックファイバー製品（エスファイバーＳＣ）（新日化サーマルセラミック株式会社）
・塗料型断熱材（セラミック・カバーＣＣ１００）エンウァイロトロウ社
・加熱発泡型耐火塗料（ナリファイア・システムＳ）ナリファイア（Nullifire）社
【００１１】
【実施例】
［実施例１］
以下に、本発明の実施例について、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に基づいて説明する。
この実施例１は、角形鋼管柱１の相対する２側面に上下スプリットティ２ａ、２ｂのフランジ２ｆをボルト３で接合し、Ｈ形鋼梁４の上フランジ４ａを上側スプリットティ２ａのウエブ２ｕにボルト５で接合し、Ｈ形鋼梁４の下フランジ４ｂを下側スプリットティ２ｂのウエブ２ｕにボルト５で接合してなる角形鋼管柱１とＨ形鋼梁４のボルト接合構造において、本発明を適用し、各ボルト接合部領域の外部側に、熱遮蔽体としてセラミックブランケット６ａ、６ｂ、６ｃを被覆し、各ボルト接合部領域に対する熱輻射を遮蔽するようにしたボルト接合部構造を示している。
【００１２】
このボルト接合構造でのボルト接合部は、角形鋼管柱１と上下スプリットティ２ａ、２ｂのフランジ２ｆの接合部、スプリットティ２ａ、２ｂのウエブ２ｕとＨ形鋼梁４のフランジ４ａ、４ｂとの接合部があるが、この実施例１では、上側スプリットティ２ａ側では下部側の左右一対の２単位として、それぞれの単位でセラミックブランケット６ａを被覆・固定し、下側スプリットティ２ｂ側では上部側の左右一対を２単位として、それぞれセラミックブランケット６ｂを被覆・固定し、また、下部側を１単位として、セラミックブランケット６ｃを被覆・固定してボルト接合部の熱遮蔽構造を形成するようにした。
【００１３】
より具体的には、上側スプリットティ２ａのフランジ２ｆの下部側と、このフランジ２ｆの外面から突出（露出）しているボルト・ナット３（および座金７）と、上側スプリットティ２ａのウエブ２ｕの下面と、このウエブ２ｕに当接したＨ形鋼梁４の上フランジ４ａ部（当接部領域のみ）と、Ｈ形鋼梁４の上フランジ４ａの下面から突出（露出）しているボルト・ナット５（および座金８）を１単位として、これらを同時に包み込むようにセラミックブランケット６ａを被覆・固定して、上側スプリットティ２ａの下部側のボルト接合部の熱遮蔽構造を形成した。
この上側スプリットティ２ａの下部側は、Ｈ形鋼梁４のウエブ４ｕの両側にあるので、それぞれの側に、同様に１単位のセラミックブランケット６ａを被覆・固定して上側スプリットティ２ａの下部側のボルト接合部の熱遮蔽構造を形成した。
【００１４】
一方、下側スプリットティ２ｂのフランジ２ｆの下部側と、このフランジ２ｆの外面から突出（露出）しているボルト・ナット３（および座金７）と、下側スプリットティ２ｂのウエブ２ｕの下面および側面側と、このウエブ２ｕの下面から突出（露出）しているボルト・ナット５（および座金８）を１単位として、これらを同時に包み込むようにセラミックブランケット６ｃを被覆・固定して、下側スプリットティ２ｂの下部側のボルト接合部の熱遮蔽構造を形成した。
また、下側スプリットティ２ｂのフランジ２ｆの上部側と、このフランジ２ｆの外面から突出（露出）しているボルト・ナット３（および座金７）と、下側スプリットティ２ｂのウエブ２ｕの上面と、このウエブ２ｕに当接したＨ形鋼梁４の下フランジ４ｂ部（当接部領域のみ）と、Ｈ形鋼梁４の下フランジ４ｂの上面から突出（露出）しているボルト・ナット５（および座金８）を１単位として、これらを同時に包み込むようにセラミックブランケット６ｂを被覆・固定して、下側スプリットティ２ｂの上部側のボルト接合部の熱遮蔽構造を形成した。
【００１５】
この下側スプリットティ２ｂの上部側は、Ｈ形鋼梁４のウエブ４ｕの両側にあるので、それぞれの側に、同様に１単位のセラミックブランケット６ｂを被覆・固定して、下側スプリットティ２ｂの上部側ボルト接合部の熱遮蔽構造を形成した。
各セラミックブランケット６ａ、６ｂ、６ｃの被覆・固定については、角形鋼管柱１に上下スプリットティ２ａ、２ｂのフランジ２ｆをボルト３で接合し、上下スプリットティ２ａ、２ｂのウエブ２ｕにＨ形鋼梁４の上下フランジ４ａ、４ｂをボルト５で接合した後に、被覆してスタッド溶接９で固定した。セラミックブランケット６ａ、６ｂ、６ｃの被覆による気密性を高めるために、耐火塗料などにより隙間を確実に埋めるようにすることも考慮する。
このようにして、セラミックブランケット６ａ、６ｂ、６ｃによって各ボルト接合部領域を熱遮蔽構造にすることにより、火災発生時に、熱遮蔽された部位の温度上昇を押さえることができるので、高温強度が主部材の高温強度以下のボルト・ナット３、５（および座金７、８）を用いることができ、また、上下スプリットティ２ａ、２ｂも熱遮蔽できるので、高温強度が主部材の高温強度以下の材料にすることもできる。
【００１６】
［実施例２］
以下に、本発明の実施例２について、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）、図３および図４（ａ）（ｂ）、図５に基づいて説明する。
この実施例２は、実施例１と同様、角形鋼管柱１の相対する２側面に上下スプリットティ２ａ、２ｂを介してＨ形鋼梁３をボルト接合する角形鋼管柱１とＨ形鋼梁４の接合構造において適用したものであるが、熱輻射を遮蔽する熱遮蔽体として、薄鋼板製のキャップ１２、１２ａを用い、各ボルト接合部の各ボルト・ナットおよび座金単位で被覆した点で、実施例１と異なるものである。実施例１と共通する部分については詳細説明を省略し、異なる部分を主体に以下に説明する。
【００１７】
この実施例２では、図２に示すように、各ボルト接合部で外部に突出（露出）している各ボルト・ナット３、５および座金７、８を熱遮蔽対象として、この各ボルト・ナットおよび座金を、薄鋼板製のキャップ１２、１２ａで被覆して、各ボルト・ナットおよび座金の熱遮蔽構造を形成した。
ナット側を被覆するキャップ１２は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、複数の段差を有する形状のものであり、基本的には、図３（ａ）に示すように、ボルト・ナット３、５に押し込んで嵌め込むものであるが、ここでは、容易に脱落しないように、座金７または座金８を図５（ａ）（ｂ）に示すように、外周部を切り欠いて、キャップ１２を押し込んだときに端部との結合力を高めるようにした。また、ボルト３または５の端部とキャップ１２内部の頂部間に耐火接着１４材で接着するようにした。
また、ボルト５の頭部側を被覆するキャップ１２ａは、図４（ｃ）（ｄ）に示すように、基本的には、図３（ｂ）に示すように、ボルト５の頭部に押し込んで嵌め込むものであるが、ここでは、容易に脱落しないように、座金８を図５（ａ）（ｂ）に示すように、外周部を切り欠いて、キャップ１２ａを押し込んだときに端部との結合力を高めるようにした。また、ボルト５の頭部とキャップ１２ａ内部の頂部間に耐火接着材１４で接着するようにした。
【００１８】
このようにして、各ボルト接合部の各ボルト・ナット３、５および座金７、８を局部的に熱遮蔽構造にすることにより、この熱遮蔽部の温度上昇を押さえることができ、高温強度が主部材の高温強度以下の耐火ボルト・ナットおよび座金を用いることができる。
この実施例２の場合には、熱遮蔽領域を各ボルト接合部の各ボルト単位の局部的領域にしているので、実施例１の場合に比して熱遮蔽範囲を狭くでき、また、スタッド溶接の必要もないので、熱遮蔽施工が簡易であり、熱遮蔽体コスト、熱遮蔽施工コストも節減できる。
【００１９】
［実施例３］
以下に、本発明の実施例３について、図６（ａ）（ｂ）に基づいて説明する。
この実施例３は、実施例２と同様、各ボルト接合部の各ボルト・ナットおよび座金単位で熱遮蔽体で被覆したものであるが、実施例２とは金属キャップに代えて、加熱発泡型耐火塗料（例えば、上記のナリファイア・システムＳ）を用いた点で異なるものである。ここでは、加熱発泡型耐火塗料１３を、各ボルト接合部で外部に突出（露出）している各ボルト・ナット３、５および座金７、８単位で、加熱発泡型耐火塗料１３を被覆して、各ボルト・ナットおよび座金の熱遮蔽構造を形成した。
図６（ａ）は、ナット側を示し、図６（ｂ）は、頭部側を示しており、いずれも加熱発泡型耐火塗料１３が加熱されて発泡した状態で示しいる。この実施例３によっても、実施例２と概ね同様の効果が得られる。
【００２０】
［実験例１］
本発明による熱遮蔽構造を有するボルト接合部の特性を評価するために、図７に示すように、実施例１、２で示したような角形鋼管柱１にスプリットティ２ａを介してＨ形鋼梁４をボルト３、５で接合する角形鋼管柱１とＨ形鋼梁４の接合構造を供試体とし、各部位に熱電対を配置して、火災発生相当の高温雰囲気になるように一定の条件で加熱する実験を行い、各部位の温度を測定した。
ただし、この実験では、角形鋼管柱１とスプリットティ２ａのフランジ２ｆとの接合部およびスプリットティ２ａのウエブ２ｕとＨ形鋼梁４の上フランジ４ａの上面側は露出状態とし、スプリットティ２ａのウエブ２ｆとＨ形鋼梁４の上フランジ４ａの下面側とのボルト接合部領域に、セラミックブランケット１５を被覆・固定して熱遮蔽構造を形成し、スプリットティ２ａの上面側に断熱ボード１６を配置して、断熱ボード１６の下面から角鋼管柱１、Ｈ形鋼梁およびボルト接合部を加熱した。
【００２１】
［実験条件］
試験体
角形鋼管柱４００×１９（ＢＣＲ２９５）
有効加熱長さ３ｍ
Ｈ形鋼梁６００×２００×１１×１７（ＳＳ４００）
有効加熱長さ３．２ｍで３面加熱
セラミックブランケット（厚さ２５mm）
（高温用耐火断熱繊維エスファイバーＳＣＳＣブランケット１２６０新日化サーマルセラミック社製）
加熱手段多目的加熱炉（バーナー加熱）
加熱方法加熱は、ＩＳＯ８３４に基づく１時間加熱とした。
温度測定試験体に取り付けた熱電対により測定した。
【００２２】
以下に、各部位の温度測定結果を図８、図９に基づいて説明する。図８は、角形鋼管柱１とＨ形鋼梁４の温度測定結果を示し、図９は露出した状態のボルト接合部と熱遮蔽構造にしたボルト接合部の温度測定結果を示したものである。
図８では、角形鋼管柱１とＨ形鋼梁４の露出部位の温度が、炉内雰囲気に漸近し、４５分加熱後で８２０℃以上に達し、６０分加熱後に９００℃以上に達することを示している。図９では、角形鋼管柱１とスプリットティ２ａのフランジ２ｆの露出状態のボルト３とスプリットティ２ａのフランジの温度が、４５分加熱後で７５０℃〜８００℃に達し、６０分加熱後で８５０℃〜９００℃に達することを示している。
【００２３】
一方、セラミックブランケット１５で熱遮蔽構造にしたスプリットティ２ａとＨ形鋼梁３のフランジ４ａとの接合部においては、スプリットティ２ａ、ボルト・ナット５の温度は、４５分加熱後で３５０〜４００℃程度、６０分加熱後でも５５０℃以下に留まっており、熱遮蔽効果が大きいことを示している。このことから、ボルト接合部を部分的に（例えばボルト・ナット（および座金）のみを局部的に）熱遮蔽することにより、前記した６００℃耐火ボルトを使用しても十分に火災時の高温に耐えられることが確認できる。
【００２４】
なお、実施例１の熱遮蔽構造を有するボルト接合部を試験体として同様の加熱実験を行った場合には、ボルト接合部領域は、熱遮蔽構造になっているため、実験例１での熱遮蔽構造を有するスプリットティ２ａおよびボルト・ナット５と同様の温度になり、前記した６００℃耐火ボルトを使用して火災時の高温に十分の耐えられる。
また、実施例２、３の熱遮蔽構造を有するボルト接合部を試験体として同様の加熱実験を行った場合には、熱遮蔽領域はボルト・ナット（および座金）単位であり、実施例１の場合より熱遮蔽領域が狭いため、角形鋼管柱１、スプリットティ２ａおよびＨ形鋼梁４の露出部から受ける熱影響により実施例１より熱遮蔽効果がやや小さくなるが、キャップ８の場合では隙間を耐火塗料などにより完全に埋め気密性を高めることにより、６０分加熱後で６００℃以下に留めることができ、前記した６００℃耐火ボルトを使用して火災時の高温に耐えられる。
【００２５】
なお、本発明は、上記の実施例、実験例の内容に限定されるものではない。例えば、柱がＨ形鋼柱や円形鋼管柱でもよく、梁材がＩ形鋼梁や溝形鋼梁等であってもよい。接合金物は、アングル材やスプライスプレートなどであってもよい。
また、熱遮蔽体としてセラミックブランケット、薄鋼板製のキャップを用いたが、この熱遮蔽体の材質、形状、固定手段などについては、鉄骨構造物条件、ボルト接合部条件に応じて変更のあるものである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のボルト接合部構造は、火災を受ける可能性のある鉄骨構造物において適用されるものであり、輻射熱を遮蔽する熱遮蔽体による熱遮蔽構造を有するものであり、例えば、主部材に８００〜８５０℃での高温強度に優れた耐火鋼を用いて、３０分以上の無耐火被覆構造の鉄骨構造物とする場合に、６００℃での高温強度に優れた耐火ボルトを用いることができ、無耐火被覆による鉄骨構造物を容易のかつ安価に実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）図は、本発明の実施例１のボルト接合部構造例を示す平面説明図、（ｂ）図は、（ａ）図のＡａ−Ａｂ矢視一部断面説明図、（ｃ）図は、（ｂ）図の一部切欠断面側面説明図。
【図２】（ａ）図は、本発明の実施例２のボルト接合部構造例を示す平面説明図、
（ｂ）図は、（ａ）図のＡａ−Ａｂ矢視一部断面説明図、（ｃ）図は、（ｂ）図の一部切欠断面側面説明図。
【図３】（ａ）図は、図２に示す本発明の実施例２のボルト接合部構造例でのボルト・ナット（および座金）とキャップとの結合例を示す側断面説明図、（ｂ）図は、図２に示す本発明の実施例２のボルト接合部構造例でのボルト頭部（および座金）とキャップとの結合例を示す側断面説明図。
【図４】（ａ）図は、図２に示す本発明の実施例２のボルト接合部構造例でのナット（および座金）側で用いるキャップの形状例を示す側断面説明図、（ｂ）図は、（ａ）図の側面説明図、（ｃ）図は、頭部側で用いるキャップの形状例を示す側断面説明図、（ｄ）図は、（ｃ）図の側面説明図。
【図５】（ａ）図は、図２に示す本発明の実施例２のボルト接合部構造例での座金の側断面説明図、（ｂ）図は、（ａ）図の側面説明図。
【図６】（ａ）図は、本発明の実施例３でのボルト・ナット（および座金）の加熱発泡型耐火塗料による熱遮蔽構造を示す側断面説明図。（ｂ）図は、ボルト頭部側の加熱発泡型耐火塗料による熱遮蔽構造を示す側断面説明図。
【図７】実験例１で加熱対象の供試体として用いたボルト接合部構造の一部切欠断面説明図。
【図８】柱−梁の胴体部の温度測定結果を示す説明図。
【図９】熱遮蔽構造を有しないボルト接合部の温度測定結果と本発明の実験例での熱遮蔽構造を有するボルト接合部の温度測定結果を示す説明図。
【図１０】公知の角形鋼管柱とＨ形鋼梁のボルト接合構造例を示す立体説明図。
【符号の説明】
１角形鋼管柱２ａ上側スプリットティ
２ｂ下側スプリットティ２ｆフランジ
２ｕウエブ３ボルト
４Ｈ形鋼梁４ａ上フランジ
４ｂ下フランジ４ｕウエブ
５ボルト
６ａ、６ｂ、６ｃセラミックブランケット
７、８座金９スタッド溶接
１２キャップ（ナット側）１２ａキャップ（ボルト頭部側）
１３加熱発泡型耐火塗料１４耐火接着材
１５セラミックブランケット１６断熱ボード[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention mainly relates to a bolt joint structure used for a steel structure in the building field subject to a fire.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in the construction field, for example, as shown in FIG. 10, there is a steel structure that employs a bolted joint structure of a square steel pipe column 1 and an H-shaped steel beam 4 using split tees 2 a and 2 b and bolts 3 and 5. Yes, when this steel structure is subject to fire, it is stipulated that it should be used at a surface temperature of 350 ° C or lower, and in many cases, a fireproof coating such as spray rock wool is required. In view of environmental and aesthetic problems, the steel structure is significantly impeded by the competitiveness of steel structures. Therefore, there has been a demand for a steel material (fireproof steel) that is excellent in high-temperature strength and can be used without fireproof coating.
[0003]
In recent years, in order to meet this demand, a large number of so-called refractory steels having increased high-temperature strength in a short time have been developed mainly for the purpose of using a fire-resistant coating of steel materials, for example, as described in JP-A-2-77523. A number of steel materials (refractory steel) having excellent high-temperature strength at 600 ° C. are disclosed. Further, in the invention of Japanese Patent Laid-Open No. 9-209077, a steel material (fire resistant steel) excellent in high temperature strength at 700 ° C. is disclosed. Furthermore, in Japanese Patent Application Nos. 2000-297338 and 2000-297339, the present inventors have disclosed a steel material (fireproof steel) excellent in high temperature strength at 800 ° C. and 850 ° C.
On the other hand, as shown in the invention of JP-A-8-67943, a bolt is known that has excellent high-temperature strength at 600 ° C. (fireproof bolt), but is currently superior in high-temperature strength compared to refractory steel. Since the temperature range is low, in order to realize a steel structure with a fireproof coating, a fireproof bolt having a higher temperature range with excellent high-temperature strength is required.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
When a steel structure is subjected to heating for 30 minutes or more due to a fire, it is generally known that the member is exposed to a high temperature exceeding 700 ° C., although it depends on the cross section of the member. Therefore, in order to enable a fireproof coating structure in a steel structure subjected to a fire of 30 minutes or more, it is only necessary to use a refractory steel excellent in high temperature strength at 800 to 850 ° C. If a bolt joint exists when constructing an object, the high-temperature strength of the bolt used also becomes a problem. Even if the above-mentioned refractory steel excellent in high-temperature strength at 800 ° C. to 850 ° C. is used as the material of the refractory bolt, a refractory bolt capable of ensuring sufficient bolt characteristics in a high temperature region of 800 ° C. to 850 ° C. cannot be obtained.
This is because the refractory steel at 800 ° C. to 850 ° C. has a yield strength of 94 MPa or more in the temperature region, and therefore, a yield strength ratio of 0.4 or more for steel materials having a room temperature yield strength of 235 MPa class. (High temperature strength / room temperature strength), but for high strength bolts that require a tensile strength of 980 MPa or more (yield strength of 900 MPa or more) at room temperature, a yield strength ratio (high temperature strength / This is because it only gives room temperature strength) and is insufficient as high temperature strength.
[0005]
As a fireproof bolt excellent in high temperature strength, a fireproof bolt excellent in high temperature strength at 600 ° C. is known at present, but this fireproof bolt cannot sufficiently meet the demand for a non-fireproof coating structure.
The present invention relates to a steel structure having a bolt joint in a building field subject to a fire. Basically, a fireproof steel having a high temperature strength at 800 ° C. to 850 ° C. is used as a main member to form a fireproof coating structure. An object of the present invention is to provide a bolt joint structure capable of making up for a decrease in the high-temperature strength of the entire steel structure caused by the refractory bolt even when a refractory bolt having a high strength of 600 ° C. is used. It is.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, in order to achieve the above object, is to the following (1) to (2) and gist.
(1) In the bolted joint structure of a steel structure subject to fire, some or all of the columns, beam members and joint hardware used for the steel structure subject to fire are fire-resistant steel, and bolts and nuts (and washers) ), The portion of the bolt / nut (and washer) that protrudes from the object to be joined to the outer surface side is covered with a heat shield that shields heat radiation, and the heat shield includes a fire-resistant blanket and a fire-resistant mold. A bolt joint structure having a high heat shielding property, characterized by being one of a metal cover, a metal cap, and a fireproof paint.
(2) A bolt joint used for a steel structure subjected to a fire is a part of or all of a column-beam joint, a beam joint, and a column joint. Bolt joint structure.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, when a steel structure in the field of construction is exposed to a high temperature for a relatively short time by a fire, the temperature rise of the steel material forming the steel structure is dominated by heat radiation rather than heat conduction. In order to reduce the temperature rise of the steel material, it has been made based on the knowledge that it is important and effective to shield this heat radiation.
That is, in the present invention, a new “bolt joint with high thermal shielding” is adopted, in which the bolt joint forming the steel structure is partially shielded from thermal radiation by the heat shield. For example, by using a refractory bolt excellent in high temperature strength at 600 ° C., it is possible to realize a fireproof coating structure of a steel structure using a refractory steel excellent in high temperature strength at 700 ° C. to 850 ° C. it can.
The steel structure subject to fire in the present invention is mainly composed of main members made of refractory steel such as columns and beams, various joint hardware (split tee, angle material, end plate, splice plate, etc.) and bolts. It means a steel structure in the construction field constructed by joining together.
[0008]
The present invention is applied to column-beam joints, beam joints, bolt joints at some or all parts of column joints when constructing this steel structure. In the case of forming a steel structure with a fire-resistant coating structure by forming the main member and various joining hardware from a fire-resistant steel material having an excellent high-temperature strength of 700 ° C. to 850 ° C., bolt joints, particularly bolts and nuts ( And a washer) are covered with a material that shields heat radiation to cover a lack of high-temperature strength.
As the heat shielding material used in the present invention, basically, a refractory material that melts in the event of a fire and does not lose its shielding performance, such as ceramic refractories (including fibers), other refractories, fire proof paint ( Refractory adhesives) and metals (mainly steel plates and stainless steel plates) are suitable.
[0009]
The bolts and nuts (and washers) to be thermally shielded may be mainly shielded from the main member that receives high-temperature heat radiation and the portion (exposed portion) protruding outward from the metal fitting. The minimum unit of heat shielding is each bolt / nut and washer, but a row unit or a joint hardware unit consisting of a plurality of bolts / nuts / washers, that is, the entire joint region including the bolt / nut (and washer), It is also effective to shield the bolt and nut (and the washer) and the surrounding area.
As the use mode of the heat shield, in consideration of the unit of heat shield, the workability of the heat shield, etc., for example, ceramic blanket, ceramic mold, ceramic sheet, ceramic paint, other fire resistant paint, metal cover (for example, (Cap) etc. can be used selectively (including combined use).
[0010]
Among these heat shields, ceramic blankets, ceramic molds, ceramic sheets, metal covers (for example, caps), etc. can be fixed by clips, locking, engagement (fitting), stud welding or adhesion. . In particular, when a cap is used as a heat shield, it is effective to provide a locking structure between the cap and the washer. In the case where there is a gap between these heat shields and the object to be fixed, it is effective to improve the airtightness by applying a fireproof paint.
Examples of known refractories and fire-resistant paints that are suitable as heat shields are as follows.
・ High temperature refractory insulation fiber ・ Ceramic fiber product (S Fiber SC)
・ Paint-type insulation (ceramic cover CC100) Enwairoto ・ Heat-foaming fire-resistant paint (Narifier System S) Nullifire [0011]
【Example】
[Example 1]
Below, the Example of this invention is described based on Fig.1 (a) (b) (c).
In the first embodiment, the flanges 2f of the upper and lower split tees 2a, 2b are joined to the two opposite side surfaces of the square steel pipe column 1 with bolts 3, and the upper flange 4a of the H-shaped steel beam 4 is attached to the web 2u of the upper split tee 2a. In the bolt joint structure of the square steel pipe column 1 and the H-shaped steel beam 4 which are joined by the bolt 5 and the lower flange 4b of the H-shaped steel beam 4 is joined to the web 2u of the lower split tee 2b by the bolt 5. A bolt joint structure is shown in which ceramic blankets 6a, 6b and 6c are coated on the outside of each bolt joint region as a heat shield so as to shield heat radiation to each bolt joint region. Yes.
[0012]
The bolt joint portion in this bolt joint structure includes a joint between the square steel pipe column 1 and the flange 2f of the upper and lower split tees 2a and 2b, the web 2u of the split tee 2a and 2b, and the flange 4a and 4b of the H-shaped steel beam 4. In the first embodiment, the upper split tee 2a has a pair of left and right units on the lower side, and covers and fixes the ceramic blanket 6a in each unit, while the lower split tee 2b has an upper side. The ceramic blanket 6b is covered and fixed with 2 pairs of left and right as a unit, and the ceramic blanket 6c is covered and fixed with the lower side as 1 unit to form a heat shielding structure of the bolt joint.
[0013]
More specifically, the lower side of the flange 2f of the upper split tee 2a, the bolt / nut 3 (and washer 7) protruding (exposed) from the outer surface of the flange 2f, and the web 2u of the upper split tee 2a Bolts protruding (exposed) from the lower surface, the upper flange 4a of the H-shaped steel beam 4 abutting against the web 2u (only the abutting area), and the lower surface of the upper flange 4a of the H-shaped steel beam 4 The nut 5 (and the washer 8) were taken as one unit, and the ceramic blanket 6a was covered and fixed so as to wrap them at the same time, thereby forming a heat shielding structure of the bolt joint portion on the lower side of the upper split tee 2a.
Since the lower side of the upper split tee 2a is on both sides of the web 4u of the H-shaped steel beam 4, a unit of ceramic blanket 6a is similarly coated and fixed on each side, and the lower side of the upper split tee 2a. The heat shielding structure of the bolt joint portion was formed.
[0014]
On the other hand, the lower side of the flange 2f of the lower split tee 2b, the bolt / nut 3 (and washer 7) protruding (exposed) from the outer surface of the flange 2f, the lower surface of the web 2u of the lower split tee 2b, and Covering and fixing the ceramic blanket 6c as a unit with the bolts and nuts 5 (and the washer 8) protruding (exposed) from the lower surface of the web 2u as a unit, the lower split The heat shielding structure of the bolt joint portion on the lower side of the tee 2b was formed.
Further, the upper side of the flange 2f of the lower split tee 2b, the bolt / nut 3 (and washer 7) protruding (exposed) from the outer surface of the flange 2f, and the upper surface of the web 2u of the lower split tee 2b The lower flange 4b of the H-shaped steel beam 4 abutted against the web 2u (only the contact area) and the bolt / nut 5 protruding (exposed) from the upper surface of the lower flange 4b of the H-shaped steel beam 4 (And washer 8) as one unit, the ceramic blanket 6b was covered and fixed so as to wrap them at the same time, thereby forming a heat shield structure of the bolt joint on the upper side of the lower split tee 2b.
[0015]
Since the upper side of the lower split tee 2b is on both sides of the web 4u of the H-shaped steel beam 4, a ceramic blanket 6b of one unit is similarly covered and fixed on each side, and the lower split tee 2b The heat shielding structure of the upper side bolt joint was formed.
For covering and fixing the ceramic blankets 6a, 6b and 6c, the flange 2f of the upper and lower split tees 2a and 2b is joined to the square steel pipe column 1 with the bolt 3, and the H-shaped steel beam is attached to the web 2u of the upper and lower split tees 2a and 2b. After the upper and lower flanges 4 a and 4 b of 4 were joined with the bolts 5, they were covered and fixed by stud welding 9. In order to improve the airtightness by covering the ceramic blankets 6a, 6b, 6c, it is also considered that the gap is surely filled with a fireproof paint or the like.
Thus, by making each bolt joint area into a heat shielding structure by the ceramic blankets 6a, 6b, 6c, it is possible to suppress the temperature rise of the heat shielded part in the event of a fire. Bolts and nuts 3 and 5 (and washers 7 and 8) less than the high temperature strength of the member can be used, and the upper and lower split tees 2a and 2b can also be thermally shielded, so that the high temperature strength is less than the high temperature strength of the main member. It can also be.
[0016]
[Example 2]
A second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 2 (a), (b), and (c), FIGS. 3, 4 (a), (b), and FIG.
In the second embodiment, as in the first embodiment, the rectangular steel pipe column 1 and the H-shaped steel beam 4 in which the H-shaped steel beam 3 is bolted to the two opposite side surfaces of the rectangular steel pipe column 1 via the upper and lower split ties 2a and 2b. As a heat shield that shields heat radiation, the caps 12 and 12a made of thin steel plates are used as the heat shields, and the bolts and nuts and the washers of each bolt joint are covered with the unit. This is different from the first embodiment. A detailed description of portions common to the first embodiment will be omitted, and different portions will be mainly described below.
[0017]
In the second embodiment, as shown in FIG. 2, the bolts and nuts 3 and 5 and the washers 7 and 8 protruding (exposed) to the outside at the respective bolt joints are subjected to heat shielding. And the washer was covered with caps 12 and 12a made of thin steel plates to form a heat shielding structure for each bolt / nut and washer.
The cap 12 covering the nut side has a shape having a plurality of steps as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). Basically, as shown in FIG. The nuts 3 and 5 are pushed in and fitted, but here, the washer 7 or the washer 8 is cut off at the outer periphery as shown in FIGS. Increased the bond strength with the end when was pushed. Moreover, it was made to adhere | attach with the refractory adhesive 14 material between the edge part of the volt | bolt 3 or 5 and the top part in the cap 12. FIG.
Further, the cap 12a covering the head side of the bolt 5 is basically pushed into the head of the bolt 5 as shown in FIGS. 3 (b) and 4 (d). In this case, the washer 8 is cut away from the outer periphery as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b) so that the cap 12a is pushed in so as not to easily fall off. Increased binding strength. In addition, the refractory adhesive 14 is bonded between the head of the bolt 5 and the top of the cap 12a.
[0018]
In this way, by making the bolts / nuts 3 and 5 and the washers 7 and 8 of each bolt joint portion locally have a heat shielding structure, the temperature rise of the heat shielding portion can be suppressed, and the high temperature strength can be reduced. Refractory bolts / nuts and washers below the high temperature strength of the main member can be used.
In the case of the second embodiment, since the heat shielding area is a local area for each bolt unit of each bolt joint portion, the heat shielding range can be narrowed compared to the case of the first embodiment, and stud welding is performed. Therefore, the heat shield construction is simple and the heat shield cost and the heat shield construction cost can be reduced.
[0019]
[Example 3]
The third embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 6 (a) and 6 (b).
In this third embodiment, as in the second embodiment, each bolt / nut and washer unit of each bolt joint is covered with a heat shield. However, in the second embodiment, instead of a metal cap, a heating foam type is used. This is different in that a fire-resistant paint (for example, the above-described noifier system S) is used. Here, the heat-foaming fire-resistant paint 13 is coated with the bolts / nuts 3 and 5 and the washers 7 and 8 protruding outward (exposed) at the respective bolt joints. The heat shielding structure of each bolt / nut and washer was formed.
6A shows the nut side, and FIG. 6B shows the head side, both of which are shown in a state where the heated foam type fireproof paint 13 is heated and foamed. The effect similar to that of the second embodiment can be obtained by the third embodiment.
[0020]
[Experimental Example 1]
In order to evaluate the characteristics of the bolt joint portion having the heat shielding structure according to the present invention, as shown in FIG. 7, a square steel pipe column 1 as shown in Examples 1 and 2 is connected to a H-shaped steel via a split tee 2a. The structure of the square steel pipe column 1 and the H-shaped steel beam 4 that join the beam 4 with bolts 3 and 5 is used as a specimen, and thermocouples are arranged in each part so that a high temperature atmosphere equivalent to the occurrence of a fire is obtained. An experiment of heating under conditions was performed and the temperature of each part was measured.
However, in this experiment, the joint between the square steel pipe column 1 and the flange 2f of the split tee 2a, the web 2u of the split tee 2a, and the upper surface side of the upper flange 4a of the H-shaped steel beam 4 are exposed, and the split tee 2a A ceramic blanket 15 is covered and fixed to a bolt joint region between the web 2f and the lower surface side of the upper flange 4a of the H-shaped steel beam 4 to form a heat shielding structure, and a heat insulating board 16 is formed on the upper surface side of the split tee 2a. It arrange | positioned and the square steel pipe pillar 1, the H-shaped steel beam, and the bolt junction part were heated from the lower surface of the heat insulation board 16.
[0021]
[Experimental conditions]
Specimen square steel pipe column 400 × 19 (BCR295)
Effective heating length 3m
H-shaped steel beam 600 × 200 × 11 × 17 (SS400)
Effective heating length 3.2m, 3 side heating ceramic blanket (thickness 25mm)
(High temperature refractory heat insulating fiber S fiber SC SC blanket 1260 made by Nikka Chemical Co., Ltd.)
Heating means Multipurpose furnace (burner heating)
Heating method Heating was performed for 1 hour based on ISO834.
Temperature measurement It measured with the thermocouple attached to the test body.
[0022]
Below, the temperature measurement result of each part is demonstrated based on FIG. 8, FIG. FIG. 8 shows the temperature measurement results of the square steel pipe column 1 and the H-shaped steel beam 4, and FIG. 9 shows the temperature measurement results of the bolt joint portion in an exposed state and the bolt joint portion having a heat shielding structure. .
In FIG. 8, the temperature of the exposed part of the square steel pipe column 1 and the H-shaped steel beam 4 gradually approaches the furnace atmosphere, reaches 820 ° C. or higher after 45 minutes of heating, and reaches 900 ° C. or higher after 60 minutes of heating. Show. In FIG. 9, the temperature of the exposed bolt 3 of the square steel pipe column 1 and the flange 2f of the split tee 2a and the flange of the split tee 2a reach 750-800 ° C. after heating for 45 minutes, and 850 after heating for 60 minutes. It shows that it reaches to 900 ° C.
[0023]
On the other hand, in the joint portion between the split tee 2a having a heat shielding structure with the ceramic blanket 15 and the flange 4a of the H-shaped steel beam 3, the temperatures of the split tee 2a, bolt and nut 5 are 350 to 400 after heating for 45 minutes. Even after heating for about 60 ° C. for 60 minutes, it remains below 550 ° C., indicating that the heat shielding effect is great. For this reason, the bolt joints are partially heat-shielded (for example, only the bolts and nuts (and washers) only locally), so that the high temperature at the time of fire can be sufficiently obtained even if the above-mentioned 600 ° C refractory bolts are used. It can be confirmed that it can withstand.
[0024]
In addition, when the same heating experiment was conducted using the bolt joint portion having the heat shielding structure of Example 1 as a test body, the bolt joint region has a heat shielding structure. The temperature is the same as that of the split tee 2a and the bolt / nut 5 having the shielding structure, and the above-described 600 ° C. refractory bolt can sufficiently withstand the high temperature during a fire.
Further, when the same heating experiment was performed using the bolt joint portion having the heat shielding structure of Examples 2 and 3 as a test body, the heat shielding region is a unit of bolt and nut (and washer). Since the heat shielding area is narrower than that in the case, the heat shielding effect is slightly smaller than that in the first embodiment due to the heat effect received from the exposed portions of the square steel pipe column 1, the split tee 2 a and the H-shaped steel beam 4. By completely filling the film with a fireproof paint and improving the airtightness, it can be kept at 600 ° C. or lower after heating for 60 minutes, and the above-mentioned 600 ° C. fireproof bolt can be used to withstand the high temperature at the time of fire.
[0025]
In addition, this invention is not limited to the content of said Example and experiment example. For example, the column may be an H-shaped steel column or a circular steel pipe column, and the beam material may be an I-shaped steel beam or a grooved steel beam. The joint hardware may be an angle material or a splice plate.
In addition, ceramic blanket and thin steel plate cap were used as the heat shield, but the material, shape, fixing means, etc. of this heat shield are subject to change depending on the steel structure conditions and bolt joint conditions. It is.
[0026]
【The invention's effect】
The bolt joint structure of the present invention is applied to a steel structure that may receive a fire, and has a heat shielding structure by a heat shield that shields radiant heat. When using a refractory steel excellent in high-temperature strength at ˜850 ° C. to make a steel structure having a non-refractory coating structure of 30 minutes or more, a refractory bolt excellent in high-temperature strength at 600 ° C. can be used, It becomes possible to easily and inexpensively realize a steel structure with a fireproof coating.
[Brief description of the drawings]
1A is a plan explanatory view showing an example of a bolt joint structure according to a first embodiment of the present invention, FIG. 1B is a partial cross-sectional explanatory view taken along arrow Aa-Ab in FIG. (C) The figure is a partially cutaway sectional side view of FIG.
FIG. 2A is an explanatory plan view showing an example of a bolt joint structure according to a second embodiment of the present invention;
(B) A figure is Aa-Ab arrow partial sectional explanatory drawing of (a) figure, (c) A figure is a partially notched cross-section side explanatory drawing of (b) figure.
FIG. 3A is a side cross-sectional explanatory view showing an example of a connection between a bolt / nut (and washer) and a cap in the example of the bolt joint structure of the second embodiment of the present invention shown in FIG. ) Is a side cross-sectional explanatory view showing an example of coupling of a bolt head (and washer) and a cap in the example of the bolt joint structure of the second embodiment of the present invention shown in FIG.
4A is an explanatory side sectional view showing an example of the shape of a cap used on the nut (and washer) side in the bolt joint structure example of the second embodiment of the present invention shown in FIG. 2; FIG. The figure is an explanatory side view of the figure (a), the figure (c) is an explanatory side sectional view showing an example of the shape of a cap used on the head side, and the figure (d) is an explanatory side view of the figure (c).
5A is a side sectional view of the washer in the example of the bolt joint structure of the second embodiment of the present invention shown in FIG. 2, and FIG. 5B is a side view of FIG.
6A is an explanatory side sectional view showing a heat shielding structure of a bolt / nut (and washer) with a heat-foaming fireproof paint in Embodiment 3 of the present invention. FIG. (B) The figure is a side cross-sectional explanatory drawing which shows the heat-shielding structure by the heating foaming type fireproof paint by the side of a bolt head.
7 is a partially cutaway cross-sectional explanatory diagram of a bolt joint structure used as a specimen to be heated in Experimental Example 1. FIG.
FIG. 8 is an explanatory view showing a temperature measurement result of a body portion of a column-beam.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a temperature measurement result of a bolt joint portion having no heat shielding structure and a temperature measurement result of a bolt joint portion having a heat shielding structure in an experimental example of the present invention.
FIG. 10 is a three-dimensional explanatory view showing an example of a bolt joint structure of a known square steel pipe column and an H-shaped steel beam.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Square steel pipe pillar 2a Upper split tee 2b Lower split tee 2f Flange 2u Web 3 Bolt 4 H-shaped steel beam 4a Upper flange 4b Lower flange 4u Web 5 Bolt 6a, 6b, 6c Ceramic blanket 7, 8 Washer 9 Stud weld 12 Cap (Nut side) 12a Cap (Bolt head side)
13 Heat-foaming fire-resistant paint 14 Fire-resistant adhesive 15 Ceramic blanket 16 Thermal insulation board

Claims

In bolted connection structure of the steel structure to receive a fire, used in steel structures under fire, including posts, some or all of the beam members and the joining hardware are refractory steel, bolts and nuts (and washers) Covering the joint area and the part of the bolt / nut (and washer) protruding from the object to be joined to the outer surface side with a heat shield that shields heat radiation, the heat shield is made of fire-resistant blanket, fire-resistant mold, metal A bolt joint structure having a high heat shielding property, characterized by being one of a cover, a metal cap and a fireproof paint.

The bolt joint having a high heat shielding property according to claim 1, wherein the bolt joint used for the steel structure subjected to a fire is a part or all of a column-beam joint, a beam joint, and a column joint. Construction.