特許 7499063 耐火部材の施工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-05

(45)【発行日】2024-06-13

(54)【発明の名称】耐火部材の施工方法

(51)【国際特許分類】

   E04B 1/94 20060101AFI20240606BHJP

   B23K 9/20 20060101ALI20240606BHJP

【ＦＩ】

E04B1/94 E

B23K9/20 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020082128

(22)【出願日】2020-05-07

(65)【公開番号】P2021177031

(43)【公開日】2021-11-11

【審査請求日】2023-03-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000002299

【氏名又は名称】清水建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】森田 武

(72)【発明者】

【氏名】奥山 孝之

【審査官】須永 聡

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１１２７９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００５／００６６６１４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ０４Ｂ １／６２－１／９９

Ｂ２３Ｋ ９／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鋼材の被溶接板要素の非溶接面に、加熱により所定の発泡温度で発泡する発泡性の耐火塗料が設けられた耐火部材に対して、耐火塗料非塗装面である被溶接板要素の溶接面からスタッドを溶接する際に、鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御することを特徴とする耐火部材の施工方法。

【請求項2】

スタッドの径、鋼材の厚さ、耐火塗料の塗膜の厚さに基づいて、鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御するための溶接エネルギーを設定し、設定した溶接エネルギーに基づいて、スタッドを溶接することを特徴とする請求項１に記載の耐火部材の施工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、耐火部材の施工方法および耐火部材に関し、特に耐火塗料を先行施工した部材にスタッド溶接する耐火部材の施工方法および耐火部材に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、鋼構造建築物などの鋼材を使った構造物が火災に曝された場合、鋼材は温度上昇によって強度や剛性が低下して、構造物が崩壊するおそれがある。そのため、鉄骨造の梁や柱には、火災加熱による温度上昇を抑制するために、耐火被覆が施される（例えば、特許文献１を参照）。

【0003】

耐火被覆材料の一つとして、ポリリン酸アンモニウムを主成分とする耐火塗料がある。この耐火塗料は、火災時に熱を受けると２５０℃前後で発泡を開始して、２０～３０倍に発泡して断熱層を形成し、鋼材の温度上昇を抑制する。

【0004】

鉄骨梁に対して、床等が設置される上フランジ上面以外に耐火塗料を工場等で先行塗装した梁（以下、プレコート梁という。）を、建設現場に運搬して建方を行った場合、デッキプレートを用いた鉄筋コンクリート床あるいはデッキプレートを用いない鉄筋コンクリート床等を一体化するために当該梁の上フランジ上面に頭付きスタッドを溶接（以下、スタッド溶接という。）することが一般的である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平２－３０８０４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、耐火塗料を工場で先行塗装したプレコート梁のようなプレコート部材に対して耐火塗料が塗装されていない上フランジ上面にスタッド溶接を行うと、工場で先行塗装した耐火塗料の塗膜（特に上フランジ下面の塗装や上フランジに近いウェブ面の塗装）が、溶接時に発生する熱によって悪影響を受けることが懸念される。特に、鋼材にスタッド溶接した際に鋼材温度が前述した耐火塗料の発泡温度である２５０℃程度に達すると、火災を受けていないにも関わらず耐火塗料が発泡してしまい、火災時に所要の性能を発揮できなくなるおそれがある。このため、プレコート部材に対してスタッド溶接を行う際に、溶接熱が耐火塗料の塗膜に悪影響を及ぼすことなく、火災時に耐火塗料が所要の性能を発揮することができる技術が求められていた。

【0007】

このような問題を解決するために、本発明者は、プレコート部材に対するスタッド溶接に関して鋭意検討を行った。これによれば、スタッド溶接において発生する熱に影響する要因と考えられる現象は次のとおりである。
・溶接時に電気的に与えるエネルギーが大きいほど被溶接板要素の鋼材温度が高くなる。
・頭付きスタッドの径が太いと溶接時に要するエネルギーは大きくなる。
・被溶接板要素の厚さが厚いほど熱容量が大きくなるため、被溶接板要素の鋼材温度の上昇量が抑制される。
・耐火塗料の塗膜はあたかも断熱材のような働きをするため、耐火塗料の塗膜厚さが厚いほど被溶接板要素の鋼材温度が上昇しやすくなる。

【0008】

本発明者は、以上の検討結果に基づいて、被溶接部材の被溶接板要素の鋼材温度を耐火塗料の発泡温度である２５０℃以下好ましくは２００℃以下にするために、頭付きスタッドをプレコート部材に溶接する際のエネルギーを頭付きスタッドの径、被溶接部材の被溶接板要素の厚さ、および耐火塗料の主材の塗膜厚さによって制限する本発明に至った。

【0009】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、スタッド溶接の熱が耐火塗料に悪影響を及ぼすことがない耐火部材の施工方法および耐火部材を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る耐火部材の施工方法は、鋼材の被溶接板要素の非溶接面に、加熱により所定の発泡温度で発泡する発泡性の耐火塗料が設けられた耐火部材に対して、耐火塗料非塗装面である被溶接板要素の溶接面からスタッドを溶接する際に、鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御することを特徴とする。

【0011】

また、本発明に係る他の耐火部材の施工方法は、上述した発明において、スタッドの径、鋼材の厚さ、耐火塗料の塗膜の厚さに基づいて、鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御するための溶接エネルギーを設定し、設定した溶接エネルギーに基づいて、スタッドを溶接することを特徴とする。

【0012】

また、本発明に係る耐火部材は、鋼材と、この鋼材の表面に設けられ、加熱により所定の発泡温度で発泡する発泡性の耐火塗料と、鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御したスタッド溶接により鋼材の耐火塗料非塗装面に溶接されたスタッドとを備えることを特徴とする。

【0013】

また、本発明に係る他の耐火部材は、上述した発明において、鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御するために、スタッドの径、鋼材の厚さ、耐火塗料の塗膜の厚さに基づいて設定された溶接エネルギーでスタッドが溶接されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明に係る耐火部材の施工方法によれば、鋼材の被溶接板要素の非溶接面に、加熱により所定の発泡温度で発泡する発泡性の耐火塗料が設けられた耐火部材に対して、耐火塗料非塗装面である被溶接板要素の溶接面からスタッドを溶接する際に、鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御するので、スタッド溶接の熱が耐火塗料に悪影響を及ぼすことがない。このため、火災時に耐火塗料は所要の性能を発揮することができるという効果を奏する。

【0015】

また、本発明に係る他の耐火部材の施工方法によれば、スタッドの径、鋼材の厚さ、耐火塗料の塗膜の厚さに基づいて、鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御するための溶接エネルギーを設定し、設定した溶接エネルギーに基づいて、スタッドを溶接するので、スタッド溶接の際に鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御することができるという効果を奏する。

【0016】

また、本発明に係る耐火部材によれば、鋼材と、この鋼材の表面に設けられ、加熱により所定の発泡温度で発泡する発泡性の耐火塗料と、鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御したスタッド溶接により鋼材の耐火塗料非塗装面に溶接されたスタッドとを備えるので、スタッド溶接の熱は耐火塗料に悪影響を及ぼしていない。このため、火災時に耐火塗料は所要の性能を発揮することができるという効果を奏する。

【0017】

また、本発明に係る他の耐火部材によれば、鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御するために、スタッドの径、鋼材の厚さ、耐火塗料の塗膜の厚さに基づいて設定された溶接エネルギーでスタッドが溶接されているので、スタッド溶接の際に鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、本発明に係る耐火部材の施工方法および耐火部材の実施の形態を示す断面図である。

【図2】図２は、スタッド溶接の条件の一例を示す図である。

【図3】図３は、溶接エネルギーを実現するための条件の一例を示す図である。

【図4】図４は、試験体の使用材料を示す図である。

【図5】図５は、試験体種類ごとの鋼板最高温度と最高温度到達時間を示す図である。

【図6】図６は、スタッド溶接時の鋼板温度の時間変化を示す図である。

【図7】図７は、鋼板最高温度と鋼板厚さの関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に、本発明に係る耐火部材の施工方法および耐火部材の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0020】

図１に示すように、本発明の実施の形態に係る耐火部材１０は、鋼板１２（鋼材）と、この鋼板１２の非溶接面に設けられた耐火塗料１４とを備える。耐火塗料１４は、火災時に熱を受けると２５０℃前後（発泡温度）で発泡を開始して、２０～３０倍に発泡して断熱層を形成し、鋼板１２の温度上昇を抑制する。この耐火塗料１４は、例えばポリリン酸アンモニウムを主成分とする耐火塗料で構成することができる。

【0021】

耐火部材１０には、鋼板１２の耐火塗料非塗装面に頭付きスタッド１６が溶接されている。耐火塗料非塗装面は、耐火塗料１４が塗装されていない面である。スタッド１６の溶接は、鋼板１２の温度を耐火塗料１４の発泡温度である２５０℃以下、より好ましくは２００℃以下に制御して施工することが望ましい。このように溶接すれば、スタッド溶接の熱が耐火塗料に悪影響を及ぼすことがない。したがって、スタッド１６が溶接された耐火部材１０の非溶接面に設けられた耐火塗料１４は、火災時に所要の性能を発揮することができる。

【0022】

鋼板１２の温度を耐火塗料１４の発泡温度である２５０℃以下、好ましくは２００℃以下に制御するためのスタッド溶接の条件の一例を図２に示す。この図に示すように、スタッド溶接の溶接エネルギーを、スタッドの軸径、鋼板の厚さ、耐火塗料の主材の塗膜厚さに応じた溶接エネルギーに制限する。例えば、スタッドの軸径が１６ｍｍの場合は、鋼板の厚さを１２ｍｍ以上、耐火塗料の主材の塗膜厚さを４．８ｍｍ以下にするとともに溶接エネルギーを２５２００Ｊに制限する。また、スタッドの軸径が１９ｍｍの場合は、鋼板の厚さを１６ｍｍ以上、耐火塗料の主材の塗膜厚さを４．８ｍｍ以下にするとともに溶接エネルギーを３８４００Ｊに制限する。図３に、図２の溶接エネルギーとするための電圧・電流・溶接時間の一例を示す。

【0023】

本実施の形態によれば、耐火塗料１４を施した鋼板１２に対してスタッド溶接をする場合において、スタッド溶接後の耐火塗料１４の塗膜が所定の耐火性能を発揮することができる。これにより、スタッド溶接によって発生する熱影響に対する制限を緩和でき、耐火塗料のプレコートの汎用性を広げることができる。

【0024】

上記の実施の形態においては、耐火塗料の発泡温度が２５０℃前後である場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限るものではなく、発泡温度がこれ以外の温度である耐火塗料の場合にも同様に適用可能である。いずれにしても、スタッドの軸径、鋼板の厚さ、耐火塗料の主材の塗膜厚さに応じて溶接エネルギーを設定し、この溶接エネルギーに基づいてスタッド溶接すればよい。このようにしても、上記と同様の作用効果を奏することができる。

【0025】

（本発明の効果の検証）
次に、本発明の効果を検証するために行った実験およびその結果について説明する。本実験は、耐火塗料を塗布した鋼板に対して耐火塗料非塗装面から頭付きスタッドを溶接し、溶接時の鋼板温度を測定した後、当該鋼板の耐火塗装面を加熱面として火災を想定した加熱を行い耐火塗装の発泡による断熱性能を検討したものである。

【0026】

まず、耐火塗装後のスタッド溶接を模擬して、厚さ１２ｍｍ、１６ｍｍおよび２２ｍｍの鋼板に主材厚さ１．７５ｍｍおよび４．８ｍｍの耐火塗装を施して、非塗装面からスタッド溶接を行った次の試験体を製作した。
・耐火塗料主材厚さを１．７５ｍｍとしてφ１６ｍｍの頭付きスタッドを１本溶接した試験体
・耐火塗料主材厚さを１．７５ｍｍとしてφ１９ｍｍの頭付きスタッドを２本溶接した試験体
・耐火塗料主材厚さを４．８ｍｍとしてφ１６ｍｍの頭付きスタッドを１本溶接した試験体
・耐火塗料主材厚さを４．８ｍｍとしてφ１９ｍｍの頭付きスタッドを１本溶接した試験体

【0027】

図４に、試験体の使用材料を示す。耐火塗料の下塗りにエポキシ系樹脂塗料を使用し、上塗りには耐火テクトＥ（エポキシ系樹脂塗料）／耐火テクトＦ（フッ素系樹脂塗料）の組合せを選定した（「耐火テクト」は登録商標）。頭付きスタッドには、建築用の主要サイズであるφ１６ｍｍおよびφ１９ｍｍを使用した。スタッドの使用目的はデッキプレートの固定用およびずれ止め用の２種類であり、両者の違いはスタッドの本数が設計上異なるだけである。頭付きスタッドの溶接姿勢とスタッドの軸径に関しては一般的に制限があり、下向きはφ２５ｍｍ以下、横向きはφ１６ｍｍ以下、上向きはφ１６ｍｍ以下とされている。フェルールは、無水ケイ酸および酸化アルミニウム等を主成分としたセラミックで成形されており、安定した溶接品質を得ることを目的とした補助部材である。

【0028】

試験体には、熱電対を取付けて溶接時の鋼材温度を測定した。スタッド溶接の条件には、上記の図３を用いた。図５に、試験体の種類、鋼材最高温度、最高温度到達時間を示す。図６に、スタッド溶接時の鋼材温度測定結果を示す。図７に、各試験体の結果に基づく鋼材最高温度と鋼板厚さの関係を示す。

【0029】

図５および図６から、鋼材温度の測定結果は次の傾向を示している。
・鋼材最高温度は、スタッド径φ１６ｍｍよりスタッド径φ１９ｍｍの方が高い。
・鋼材最高温度は、鋼板厚さが薄いほど高い（２２ｍｍ＜１６ｍｍ＜１２ｍｍ）。
・鋼材最高温度は、耐火塗料の主材厚さが厚い方が若干高い。

【0030】

上記の鋼材最高温度の傾向については、図７からも確認することができ、スタッド径が太いほど、鋼板厚さが薄いほど、そして耐火塗料の主材厚さが厚いほど、鋼材最高温度が高くなる傾向を示している。耐火塗料（主材）は、約２５０℃で発泡する（「日本建築学会：構造材料の耐火性ガイドブック、２０１７」を参照）ことから、本実験のスタッド溶接で測定された温度範囲では耐火塗料は発泡しないといえる。

【0031】

また、上記のスタッド溶接の試験体に対して加熱実験を行った。その結果、スタッド溶接の試験体の鋼材温度上昇量および鋼材温度上昇速度は、いずれもスタッド溶接なしよりも低くなった。この理由として、頭付きスタッドを溶接したことによって熱容量が増加したことが考えられた。本結果から、径がφ１６ｍｍおよびφ１９ｍｍの頭付スタッドを耐火塗料が施工された厚さ１２ｍｍ以上の鋼板の非塗装面に対して溶接しても、所要の耐火性能（１時間耐火、２時間耐火）を確保できるといえる。

【0032】

以上説明したように、本発明に係る耐火部材の施工方法によれば、鋼材の被溶接板要素の非溶接面に、加熱により所定の発泡温度で発泡する発泡性の耐火塗料が設けられた耐火部材に対して、耐火塗料非塗装面である被溶接板要素の溶接面からスタッドを溶接する際に、鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御するので、スタッド溶接の熱が耐火塗料に悪影響を及ぼすことがない。このため、火災時に耐火塗料は所要の性能を発揮することができる。

【0033】

また、本発明に係る他の耐火部材の施工方法によれば、スタッドの径、鋼材の厚さ、耐火塗料の塗膜の厚さに基づいて、鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御するための溶接エネルギーを設定し、設定した溶接エネルギーに基づいて、スタッドを溶接するので、スタッド溶接の際に鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御することができる。

【0034】

また、本発明に係る耐火部材によれば、鋼材と、この鋼材の表面に設けられ、加熱により所定の発泡温度で発泡する発泡性の耐火塗料と、鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御したスタッド溶接により鋼材の耐火塗料非塗装面に溶接されたスタッドとを備えるので、スタッド溶接の熱は耐火塗料に悪影響を及ぼしていない。このため、火災時に耐火塗料は所要の性能を発揮することができる。

【0035】

また、本発明に係る他の耐火部材によれば、鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御するために、スタッドの径、鋼材の厚さ、耐火塗料の塗膜の厚さに基づいて設定された溶接エネルギーでスタッドが溶接されているので、スタッド溶接の際に鋼材の温度を耐火塗料の発泡温度以下に制御することができる。

【産業上の利用可能性】

【0036】

以上のように、本発明に係る耐火部材の施工方法および耐火部材は、耐火塗料を工場で先行塗装したプレコート部材に対してスタッドを溶接施工する場合に有用であり、特に、スタッド溶接の熱が耐火塗料に悪影響を及ぼすおそれをなくすのに適している。

【符号の説明】

【0037】

１０ 耐火部材
１２ 鋼板（鋼材）
１４ 耐火塗料
１６ スタッド

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】