JPH0360894A - 鉄骨建築用溶接構造物及びその溶接施工法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、溶接部の靭性が高く、しかも例えば火災等
によって溶接部の温度上昇が起きたとしても該部分の弾
性率及び強度の低下が少ない鉄骨建築用溶接構造物、並
びにその溶接施工法に関するものである。

〈従来技術とその課題〉 近年、超高層ビル用として鉄骨建築物が増加しているが
、これは高強度で且つ柔軟性を有した鉄骨が大型構造物
の建造に適していることや、柱。

梁の大きさを小さくすることができるため居住面積を大
きくできる等、数々の利点を有することによるものであ
る。

ところで、このような鉄骨建築物用の鋼材構造物につい
ては、従来、建築基準法により耐火工法が一律に厳しく
定められていたが、昭和５７年〜６１年の建設省総合技
術プロジェクト“建築物の防災設計法の開発”の成果に
より、「“火災時の構造安定性“が数値シュミレーショ
ン及び実験で確認できること」を条件に「耐火被覆厚さ
を小さくすること」や更には「鉄骨を無被覆で使用する
こと」が可能となり、従来よりも鉄骨造りの耐火工法の
自由度が大幅に改善された。

しかしながら、現在使用されている鋼材では、例えば６
００℃を超える高温域での強度の低下が著しくて火災時
に高温に曝された際の構造安定性を保証することができ
ないため、実際には主としてロックウールを吹きつける
耐火工法を採用せざるを得ないのが実情である。ただ、
このロソクウルを吹付ける耐火工法は低価格で行えると
されてはいるものの、建築現場で養生シートを巡らした
吹付は作業を施す必要があるため工期の延長につながる
ばかりでなく、劣悪環境を醸し出すと言う不都合をもた
らすため、その改善の必要性が強く認識されつつあった
。

なお、このロックウールの吹付は作業を回避する手段と
しては、 ａ）　ロックウール吹付けに代えて耐火ボードを貼着す
る方法。

ｂ）高温に曝されても強度が低下しない構造用鋼材を使
用する方法。

が考えられる。しかし、前者では、鋼材端面が露出する
のを手当てしなければならないため何らかの部分被覆を
施す付加作業が必要となる上、耐火ボードそのものの価
格が高いので施工上の便益が少ないと言う問題がある。

これに対して、後者の“火災時に高温に曝されても高温
強度の低下しない鋼材の適用”がなされるならば、前記
耐火工法を採用することなく　“火災時の構造安定性”
を保証することができるため、その検討が急がれていた
。

高温強度が要求される用途に供される鋼としては、これ
までにも例えば特公昭５７−１９７３１号公報或いは特
公昭５９−４２７４５号公報等に示される如きＭｏを含
有した圧力容器用低合金鋼が開発されている。しかし、
圧力容器用鋼として使用される鋼材は、高温における強
度保証といっても高々５００°Ｃ未満の温度域であるの
が常識であり、５００℃を超える温度域、更には６００
　’Ｃ程度での高温強度を保証しようとする試みはこれ
まで皆無と言っても良かった。

しかも、高温での強度低下を抑制できる調材が開発され
たとしても、それだけでは鉄骨建築物の構造部材として
十分であるとは言えない面も考慮しなければならない。

即ち、建築構造用鋼材は柱や梁に使用されることが前提
となるため、“座屈”を生じないことも極めて重要な要
求特性となっている。そのため火災時のような高温に加
熱された際の強度低下が抑えられることの他に、高温域
での弾性率低下が少ないことも極めて重要な要件となる
。従って、このような用途の鋼材は、単に上述した如き
圧力容器用鋼での知識だけでは開発が困難で、観点を異
にした数多くの実験・検討を踏まえた上での研究開発が
是非とも必要であった。

更に、鉄骨建築物は一般に溶接構造を採っており、従っ
て構造物全体の安全性を考慮した場合には、火災時のよ
うな高温に曝された際にも強度低下や弾性率の低下が抑
えられる“溶接部”を実現することが最大のポイントと
なってくる。それにもかかわらず、溶接部に上述の所要
性能を維持できるようにするための材質的な検討は殊更
になされていないのが実情であった。

もっとも、鋼材（母材〉自体については、化学組成を調
整する手段以外にも、圧延条件を工夫したり熱処理を施
したりして特性改善に寄与する微細析出物を確保し所望
性能を達成することが比較的容易に行える場合が多いが
、溶接部の場合には、通常、溶接後に圧延等の加工を施
すことがないので凝固のままの組織となっており、その
ため高性能を得ることは一般的に困難である。また、溶
接後熱処理については、コストアップにつながるばかり
か、鉄骨建築用溶接構造物における溶接個所は非常に複
雑な形状であるのが普通であるため実質的には実施する
ことが不可能であった。

このような事情から、鉄骨建築用溶接構造物においては
、火災時の如き高温に曝された場合にも強度低下や弾性
率低下が少なく、しかも靭性値の高い溶接部を実現する
ことが急務であった。

そこで、本発明者等は、鉄骨建築用溶接構造物において
特に性能確保が困難な溶接部の所要特性を種々の実験を
通じて検討し、「室温での機械的性質がＪＩＳ　Ｇ３１
０　Ｉニ規定される５Ｓ４１或いはＪＩＳＣ；３１０６
に規定される３Ｍ５０の性能を満足する鋼材の溶接部に
おいて、６００℃における引張強さが室温における目標
値の６割を確保でき、かつ弾性率が１５０００ｋｇｆ／
−以上であって、しかも十分な靭性が備わっておれば、
耐火被覆の軽減或いは省略下であっても火災時の昇温に
耐え得る優れた構造安定性を有した鉄骨建築用溶接構造
物が実現できる」ことを確認した。

従って、本発明の目的は、室温における機械的性質がＪ
ＩＳに規定される上記５Ｓ４１或いは５Ｍ５０の性能を
満足すると共に、６００℃における機械的性質（引張強
度）が室温における目標値の６割を確保し、かつ弾性率
が１５０００ｋｇｆ／−以上の性能を有する溶接部を備
えた鉄骨建築用溶接構造物の実現手段を見出すことに置
がれた。

く課題を解決するための手段〉 そして、本発明者等は、上記目的を達成すべく行われた
数多くの実験・研究の結果から次に示す如き知見を得る
に至ったのである。

＜８＋　　高温における溶接部の強度２弾性率上昇のた
めには溶着金属中にＣｒ＋　Ｍｏ、　　ｖ、　Ｎｂ等を
添加することが有効である。しかし、多量の添加は不経
済である上、室温での強度を著しく上昇させるので鋼材
（母材）とのバランスの崩れを招き、しかも溶着金属の
靭性劣化にもつながるため、上記元素の添加は細心の制
御の下で実施する必要がある。

（ｂ）　　室温での要求機械的性質を満足し、かつ高温
における所望特性を獲得するためには、溶着金属中にフ
ェライトが生成するのを抑え、かつ溶着金属の組織を、
室温における強度上昇につながるマルテンサイトの導入
を抑えたベイナイト組織とすることが重要である。

（Ｃ）また、通常、鉄骨建築用溶接構造物の溶着金属部
は凝固のままの組織であることを余儀無くされがちであ
るため、特性の改善には化学組成を工夫する手段を導入
するのが最も実際的であるが、鉄骨建築物が火災に逼っ
た際の昇温温度域での強度２弾性率の低下防止には、こ
の昇温を逆に利用してＣｒ、　Ｍｏの微細析出が起きる
ように成分調整を行うことが極めて有効である。

本発明は、上記知見等に基づいてなされたものであり、 「鉄骨建築用溶接構造物を、 Ｃ：　０．０４〜０．１５％（以降、成分割合を表わす
％は重量％とする）。

Ｓｔ　：　０．０１〜０．９０％、　　Ｍｎ　：　０．
３０〜０．９０％。

Ｓｉ：０．０５％以下、　　　Ｃｒ　：　０．１０〜０
．９０％。

Ｍｏ　：　０．０３〜１．００％、　　ｓｏｌ、　Ａｉ
’　：　０．１０％以下。

０：０．０８％以下、　　　Ｎ　？　０．０５％以下、
或いは、更に Ｎｂ　：　０．０８％以下、　　　Ｖ：０．１０％以下
。

Ｃｕ　：　０．５０％以下、　　　Ｎｉ　：　０．１０
％以下。

Ｔｉ　：　０５０％以下、　　　Ｎｉ：１．５％以下の
１種以上をも含み、残部がＦｅ及び不可避不純物から戒
ると共に、式 で表わされるＰｏが０．３０％以下なる化学組成を有す
るところの高靭性溶着金属部を有して成る構成とするこ
とにより、６００℃に加熱された際の溶着金属部の弾性
率が１５０００ｋｇｆ／−以上、引張強さが常温強度の
６割以上を示す良好な“火災時の構造安定性”を備えし
めた点」 に特徴を有し、更には 「鉄骨建築用鋼材の溶接を、 入熱量：　８〜５０ｋＪ／ｃｍ で実施して所定化学組成並びにＰＣ，４の溶着金属を生
成させることにより、前記良好な“火災時の構造安定性
”を備えた鉄骨建築用溶接構造物を安定して実現し得る
ようにした点」 をも特徴とするものである。

以下、本発明において、鉄骨建築用溶接構造物の溶着金
属部組成並びに溶接施工時の入熱量を前記の如くに数値
限定した理由を、その作用と共に詳述する。

く作用〉 Ａ）溶着金属部組成 Ｃには所望強度を確保する作用があるが、その含有量が
０．０４％未満では前記作用による所望の効果が得られ
ず、一方、０．１５％を超えて含有させると割れ発生等
が懸念されるようになることから、Ｃ含有量は０．０４
〜０．１５％と限定した。

Ｓｉ Ｓｉは脱酸剤として有用な成分であるが、その含有量が
０．０１％未満では十分な脱酸が行えず、一方、０．９
０％を超えて含有させると著しい靭性劣化を招くことか
らＳｉ含有量は０．０１〜０．９０％と定めたが、より
優れた靭性を確保するためには０．５０％以下に抑える
のが好ましい。

Ｍｎ Ｍｎには強度及び靭性を向上する作用があるが、その含
有量が０．３０％未満では前記作用による所望の効果が
得られず、一方、０．９０％を超えて含有させても該効
果が飽和するばかりか、逆に靭性は劣化傾向を見せるこ
とから、Ｍｎ含有量は０．３０〜０．９０％と定めた。

Ｐは不可避不純物として溶着金属中に随伴される元素で
あるが、その含有量が０．０５％を超えると割れ感受性
が顕著に高まることから、Ｐ含有量の上限を０．０５％
と定めた。

Ｃｒ Ｃｒには凝固・冷却Ｍｉ織のベイナイト化を促進して室
温時及び高温加熱時の所要特性（強度１弾性率）を改善
する作用があるが、その含有量が０．１０％未満では前
記作用による所望の効果が得られず、−方、０．９０％
を超えて含有させても該効果が飽和してしまうことから
、Ｃｒ含有量は０．１０〜０．９０％と限定した。

Ｏ Ｍｏにも、Ｃｒと同様に凝固・冷却ｍ織のベイナイト化
を促進して室温時及び高温加熱時の所要特性（強度９弾
性率）を改善する作用があるが、その含有量が０．０３
％未満では前記作用による所望の効果が得られず、一方
、１．００％を超えて含有させると必要以上の強度上昇
がもたらされて経済性を欠くこととなるため、阿０含有
量は０．０３〜１．００％と定めた。

ｓｏｌ、　Ａｌ ５ｏ１．Ａｌｌも脱酸剤として不可欠な成分であるが、
０．１０％を超えて含有させると靭性劣化を招くことか
ら、ｓｏｌ、ＡＩ含有量は０．１０％以下と定めた。

旦工盈０旦 Ｏ及びＮは、両者とも溶接により形成される溶着金属中
に多量に混入する不純物元素であって焼入れ性の低下や
靭性劣化を招くが、０を０．０８％以下に、モしてＮを
０．０５％以下にそれぞれ抑えることによって前記不都
合を容認できる程度に軽減できることから、０含有量は
０．０８％以下、Ｎ含有量は０．０５％以下と限定した
。

ヱ■ なる式で表わされるＰｅ、（溶接割れ（低温割れ）感受
性指数）は、硬さ１強度、靭性等をも示す一般に有用な
指数であるが、その値が０．３０％を超えると溶着金属
の硬さ９強度が著しく上昇して母材とのバランスを欠く
ようになる上、靭性劣化を招いて建築用構造物として不
適となることから、ＰＣＭは０．３０％以下と定めた。

Ｎｂ、　　Ｖ、　Ｃｕ、　Ｎｉ、　Ｔｉ、及びＢ一般に
、鋼材の靭性及び強度を高めるためこれら成分の１種又
は２種以上を含有させることが行われているが、本発明
に係る建築用溶接構造物の溶着金属部においても同様の
効果が得られることから、必要に応じてＮｂ、　Ｖ、　
Ｃｕ、　Ｎｉ＋　Ｔｉ及びＢの１種以上を含有させて良
い。なお、これらの成分は溶接の際に故意に添加される
場合もあるが、母材希釈を通して含有させても構わない
。ただ、これらの成分は、過剰に含有量されると溶着金
属の割れ感受性を高めたり靭性劣化や強度の著しい上昇
を招く等の問題を引き起こす懸念があることから、それ
ぞれの含有量の上限を、Ｎｂは０．０８％、■は０．１
０％、　Ｃｕは０．５０％、　Ｎｉは０．１０％、　Ｔ
ｊは０５０％。

Ｂは０．００３％と定めた。

なお、上記溶着金属の化学ｍ戒の実現には、鉄骨建築用
鋼材を溶接する際に必要に応じて追加的な成分元素の添
加を行っても良いし、また母材希釈を利用しても良いこ
とは言うまでもない。

Ｂ）溶接施工時の入熱量 前述したように、通常、鉄骨建築用溶接構造物の溶着金
属部は凝固のままの組織であることが殆んどであるため
、組成の調整のみでは性能の確保が安定せず、施工条件
によってマルテンサイト或いはフェライトの生成が促進
される場合がある。

しかしながら、鉄骨建築用鋼材の溶接に際して溶着金属
の化学組成を前記の如くに調整すると共に溶接入熱量を
８〜５０ｋＪ／ｃｍに調整すると、ベイナイト化が円滑
に起こり、建築用溶接構造物としての所要性能が安定し
て達成されるようになる。

なお、溶接入熱量が８　ｋＪ／ｃｍ未満では冷却速度が
速くてマルテンサイトが生成し硬度が高くなり過ぎ、一
方５０ｋＪ／ａｍを超える大人熱の場合にはフェライト
の生成が促進されて高温性能が得られるなくなる。

次に、本発明を実施例によって更に具体的に説明する。

〈実施例〉 まず、ＪＩＳＧ３１０６に規定される５Ｍ５０相当鋼板
（板厚：２０ｍｍ）を準備すると共に、これを第１図に
示す開先に仕上げた。

次いで、心線がＪＩＳＧ３５２３に規定される５ＷＹ１
１相当材（４，０φ）で被覆剤中の成分を種々変更した
溶接棒を用い、前記鋼板を第１表に示す入熱量で溶接し
て、同じく第１表に示す如き目標の溶着金属組成を有す
る溶接構造材を得た。

このようにして得られた溶接構造材の溶着金属について
、“室温及び６００℃での溶着金属の強度並びに弾性率
”、“室温における側曲げ特性”及び“０℃における靭
性”を調査し、その結果を第２表に示した。

ここで、「弾性率」は熱間共振型弾性率測定装置を用い
て測定したが、これは試験片を振動させて固有振動数を
求め、次式から弾性率を測定する手法である。

１１ｒ百 ｆ　　＝−−Ｘ−Ｘ− ２ａ　　　ρ 第２表に示される結果からも、本発明に従えば、常温並
びに６００℃の高温での特性とも建築用構造物として十
分満足できる溶着金属部を有した溶接構造材が実現され
ることが明らかである。

なお、この実施例では本発明に係る溶着金属を得る方法
として被覆アーク溶接を適用した例のみを示したが、そ
の他、ＣＯ２溶接、ＭＩＧ溶接。

サブマージアーク溶接或いはＴＩＧ溶接等、アクを利用
する溶接方法であれば特にその種類が限定されるもので
ないことは言うまでもない。

く効果の総括） 上述のように、この発明によると、例え火災時において
構造物の温度が上昇したとしても溶接部の弾性率や強度
の低下が極めて少ない鉄骨建築用溶接構造物を、コスト
安く安定して提供することが可能となるなど、 産業上極めて有用な効果かも たらされる。

４、

【図面の簡単な説明】

第１図は、 実施例で適用された開先形状を示す 概略図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量割合にて Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜０．９０
   ％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ：０．０５％以下
   、Ｃｒ：０．１０〜２．００％、Ｍｏ：０．０３〜１．
   ００％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．１０％以下、Ｏ：０．０８
   ％以下、Ｎ：０．０５％以下、 Ｆｅ及び不可避不純物：残り にて構成されると共に、下記式で表わされるＰ＿Ｃ＿Ｍ
   が０．３０％以下なる化学組成を有するところの、高温
   弾性率及び高温引張強さの高い高靭性溶着金属部を有し
   て成る、鉄骨建築用溶接構造物。 Ｐ＿Ｃ＿Ｍ＝▲数式、化学式、表等があります▼
2. （２）重量割合にて Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜０．９０
   ％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ：０．０５％以下
   、Ｃｒ：０．１０〜２．００％，Ｍｏ：０．０３〜１．
   ００％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．１０％以下、Ｏ：０．０８
   ％以下、Ｎ：０．０５％以下 で、更に Ｎｂ：０．０８％以下、Ｖ：０．１０％以下、Ｃｕ：０
   ．５０％以下、Ｎｉ：１．５％以下、Ｔｉ：０．０９％
   以下、Ｂ：０．００３％以下の１種以上をも含み、残部
   がＦｅ及び不可避不純物にて構成されると共に、下記式
   で表わされるＰ＿Ｃ＿Ｍが０．３０％以下なる化学組成
   を有するところの、高温弾性率及び高温引張強さの高い
   高靭性溶着金属部を有して成る、鉄骨建築用溶接構造物
   。 Ｐ＿Ｃ＿Ｍ＝▲数式、化学式、表等があります▼
3. （３）鉄骨建築用鋼材の溶接を、 入熱量：８〜５０ｋＪ／ｃｍ で実施して所定化学組成並びにＰ＿Ｃ＿Ｍの溶着金属を
   生成させることを特徴とする、請求項１又は２記載の鉄
   骨建築用溶接構造物を得るための溶接施工法。