JP2001525022A

JP2001525022A - スチールとコンクリートとの複合式支柱

Info

Publication number: JP2001525022A
Application number: JP54864498A
Authority: JP
Inventors: リチャード・ビンセント
Original assignee: ル・グルプ・カナム・マナク・インコーポレーテッド
Priority date: 1997-05-15
Filing date: 1998-05-14
Publication date: 2001-12-04
Also published as: AU7421798A; DE69802193T2; US6061992A; EP0996795A1; TR199902779T2; WO1998051883A1; CN1103848C; CA2206830A1; DE69802193D1; BR9808734A; KR20010012496A; EP0996795B1; CN1256735A; ATE207565T1; ES2146562T1; DE996795T1

Abstract

(57)【要約】スチールとコンクリートとの複合式支柱（２）は、実質的に平行な一対のフランジプレート（６）と、このフランジプレートと相互に連結され、２つの対向する溝形空間（１０）を区画するウエブプレート（８）を備えた長手方向に延びるＨ型スチール組立体（４）を備えている。ウエブプレートの両側にスチール組立体に沿って配置された複数の離間した横連結バー（１２）はフランジプレートを相互に連結している。コンクリート体（１４）は溝形空間に充填されている。このスチールとコンクリートとの複合式支柱は、スチール組立体の断面積の、スチールとコンクリートとの複合式支柱の全断面積に対する比率は９％以下、好ましくは２％から５％であることを特徴としている。支柱は主としてスチール構造の高層建築物に利用され、作業場での組立に有利で早期の敷地内建設が可能となる。支柱はコンクリートに対するスチールの比率が従来の複合式支柱に比べて著しく低減され、これにより、建設コスト、支柱のサイズおよび建設時間が著しく低減する。

Description

【発明の詳細な説明】スチールとコンクリートとの複合式支柱発明の分野本発明は、複合式のスチールおよびコンクリート構造、特に、重力荷重（grav ity loads）に起因する主軸荷重(primarily axial loads)、あるいは風または地震力に起因する重力荷重と主軸荷重との組み合わせに耐えるよう設計された高層支柱建物に関するものである。支柱は主として、早期の敷地内建設のための現場組立式工法に有効な構造用鋼高層建物に使用される。発明の背景重要な引張り力と圧縮力とに耐えるスチールとコンクリートとの複合式支柱は、従来技術において既に知られている。チューブまたはＨ型の自由空間にコンクリートを充填し、圧縮強さを高めることも既に知られている。これらの支柱は、米国特許第３，０５０，１６１号明細書や第４，１９６，５５８号明細書に開示されている。また、耐火コンクリートや、スチールの耐火性を高めるためにスチール梁材をコンクリートで覆ったスチール建築用の要素があることも従来技術において知られている。これら従来の梁材は例えば、米国特許第３，５１６，２１３号、第４，５７１，９１３号及び第４，７７９，３９５号明細書に開示されている。米国特許第９１５，２９５号；第９１８，６４３号；第１，８１３，１１８号；第２，６１８，１４８号；第２，８４４，０２３号；第２，９１２，８４９号；第３，１４７，５７１号；第３，２６７，６２７号；第３，３００，９１２号，第３，５９０，５４７号；第３，７９８，８６７号；第３，８９０，７５０号；第３，９１６，５９２号；第３，９３８，２９４号；第４，１２８，９８０号；第４，４０７，１０６号；第４，７２２，１５６号；第４，７８３，９４０号；第５，０１２，６２２号，第５，１１９，６１４号および第５，４１０，８４７号各明細書は従来技術のスチールとコンクリートとの支柱を開示している。一般に予想される公知の高耐力スチールとコンクリートとの複合式支柱の欠点は、単一の形鋼（steel section）から得られる支柱のスチール部がコンクリート部に比べてなお非常に重要であり、価格を考慮する限りこの支柱はさほど関心を持たれない。従来の複合式支柱に使用される、このような重い形鋼の他の欠点は、形鋼はその重量のために取り扱いが容易ではないため、形鋼を立てるために重く高価な設備を必要とすることである。発明の目的本発明の目的は、前述の欠点を解消する改良されたスチールとコンクリートとの支柱形鋼を提供するものである。特に、本発明の目的は、スチールのコンクリートに対する比率が従来の複合式の支柱に比べて著しく低減されるスチールとコンクリートとの支柱を提供するものであって、これにより製造コストと支柱サイズは著しく低減され、同様に支柱を設置するためのリフト設備のサイズとコストも低減されるものである。発明の概要本発明によれば、前述の目的が達成されるスチールとコンクリートとの複合式支柱は、所定断面積を有し、実質的に平行な一対のフランジプレートと、このフランジプレートと相互に連結され、２つの対向する溝形空間を区画するウエブプレートとを備えた長手方向に延びるＨ型スチール組立体と、ウエブプレートの両側にスチール組立体に沿って配置された複数の離間した横連結バーであって、この連結バーはフランジプレートを相互に連結し、溝形空間に充填されるコンクリート体とを備える。このスチールとコンクリートとの複合式支柱は、スチール組立体の断面積の、スチールとコンクリートとの複合式支柱の全断面積に対する比率は９％以下、好ましくは２％から５％であることを特徴としている。また、本発明はスチールとコンクリートとの支柱の組立方法に関し、所定断面積を有し、スチールは、支柱断面積の９％以下の断面積を有し、この方法は以下の連続したステップを備えている。ａ）次の構成を有する裸のスチール支柱を立てる。所定断面の表面を有し、実質的に平行な一対のフランジプレートと、このフランジプレートと相互に連結され、２つの対向する溝形空間を区画するウエブプレートとを有した長手方向に延びるスチール組立体、および、ウエブプレートの両側にスチール組立体（４）に沿って配置された複数の離間した横方向の連結バーであって、各々がフランジプレートを相互に連結する連結バー。ｂ）溝形空間を長手方向に閉鎖する型枠を設ける。ｃ）コンクリート体を溝形空間に注入する。ｄ）型枠を外す。スチール組立体は、３枚の比較的薄い板から実質的にＨ型へと組立式に作ることが好ましい。支柱のスチール部は、一部または全ての恒久的静荷重、可能であればある恒久的動荷重と同様に、全ての建造物静荷重および動荷重に耐えるよう設計されている。残りの恒久的静荷重、および動荷重はスチールとコンクリートとの複合式支柱で耐えうるものである。図面の簡単な説明図１は本発明の好ましい実施例に係る、敷地建設中の種々の建設段階に関する、代表的な３階以上の高層建築物の、スチールとコンクリートとの支柱の斜視図である。図２はコンクリートが注入され型枠が取り外された後の、図１に示されるII− II線に沿った支柱のスチール組立体の横断平面図である。図３はコンクリートが注入され型枠が取り付けられる前の、代表的な高層建築物のフロア間の、図１に示されるIII−III線に沿った支柱のスチール組立体の横断平面図である。図４はコンクリートが注入される前の、代表的なフロア階での、図１に示されるIV−IV線に沿った支柱のスチール組立体の横断平面図である。図５は適切な型枠を有し、コンクリートが注入される前の、代表的な高層建築のフロア間の、図１に示されるＶ−Ｖ線に沿った支柱のスチール組立体の横断平面図である。好適な実施態様の説明図１、図２を参照すると、好適な実施例によるスチールとコンクリートとの複合式支柱（２）は、実質的に平行な一対のフランジプレート（６）とこのフランジプレート（６）と相互に連結され、２つの対向する溝形空間を区画するウエブプレート（８）とを有する長手方向に延びるＨ型スチール組立体（４）とを備えている。各フランジプレート（６）は、ウエブプレート（８）の各々の端部（９）に溶接されていることが好ましい。離間した複数の横連結バー（１２）が、スチール組立体（４）に沿って、ウエブプレート（８）の両側に設けられている。各々の連結バー（１２）はフランジプレート（６）を相互に連結し支持する。各々の連結バーは、フランジプレート（６）をこのプレートの外側端近傍で相互に連結するのが好ましい。図１に詳細に示されるように、連結バー（１２）は、均一な支持を与えるよう支柱（２）に沿って一定の間隔を有していることが好ましい。コンクリート体（１４）は、溝形空間（１０）に充填されている。スチールとコンクリートとの複合式支柱の全表面積に対するスチール組立体（４）の断面積の比率は、９％以下であり、２％から５％であることが好ましい。従来の、フランジおよびウエブが相互に一体化され、単一のスチールバーで形成され得られたＨ型スチール部を有する複合式支柱では、このような低い比率を示さない。別体の薄板部、つまりフランジプレート（６）とウエブプレート（８）とでデザインされたスチール組立体（４）を使用することで、スチール組立体（４）の主軸荷重を大きく低下させることなく、前記の低い比率を得ることが可能になることが見出された。特に、スチール組立体（４）は、図２に示されるように、現場で溶接された３枚のプレート部であり、比較的薄いフランジプレート（６）と比較的薄いウエブプレート（８）から組み立てられている。フランジプレート（６）は、連結バー（１２）により、外端近傍を支持され、連結バー（１２）は支柱フランジプレート（６）に溶接され、支柱の高さ方向にほぼ等間隔離れている。この連結バー（１２）は丸形または平形バー状または補強バースチールで形成されるであろう。補強部は形状的に、切断面の特性と作用が全く異なる点を除いて従来の熱間圧延形状と同様のものである。フランジ（６）とウエブ（８）との幅厚さ比は、熱間圧延形状のものより極めて大きく、同一平面上の３枚プレート組立て断面は、基準限界値の１．５倍から５倍である。フランジの限界値は、American Institu te of Steel Constructionの“Specification for structural Steel Buildings ”や“Load and resistance Factor Designed Specification for Structural S teel Buildings”において９５／（Ｆｙ）^0.5で定義されている。ここでＦｙはスチールの設計基準降伏強度である。ウエブの限界値は、各々同符号の２５７／（Ｆｙ）^0.5、２５３／（Ｆｙ）^0.5である。この幅厚さ比は、極めて低い応力でフランジが早々に曲がるであろうから、通常の建築物の断面を作るような大きさではない。連結バー（１２）は、支柱の長さ方向に沿っていフランジ（６）間に追加され、断面の曲げ強度を増すようフランジ（６）の端近傍に設けられている。これらの新規な支柱断面は、形鋼で囲まれた全面積のわずか２％から５％のスチール面積を含むよう設計されている。これは、複合式支柱のコンクリート対スチールの比率を１９から４９の間にさせるものである。従来の高層熱間圧延支柱の包囲面積に対するスチール面積のパーセンテージは９％から５４％の間であり、通常、３枚プレート組立高層支柱のものよりも大きい。本発明の目的は、スチールとコンクリートとの支柱を使用するスチール高層建築物を建設するにあたり、面積が可能な限り小さなものとされたスチール支柱を使用することである。前述のように、連結バー（１２）はコンクリート（１４）が注入される前には、フランジ支持バーとして作用する。これは薄板（６）の横曲げを防ぎ、裸のスチール支柱（４）の荷重支持能力を大いに高める。さらに連結バー（１２）はコンクリート（１４）の横バーとして働き、コンクリート（１４）が、スチール組立体のフランジ（６）とウエブ（８）とによる他の３つの側面に完全に閉じこめられた際に、開放面の拘束を与える。この拘束は、複合式支柱（２）のコンクリート部（１４）の主軸耐力を増す。連結バー（１２）は一般的な平形、丸形および補強バーから作ることができる。バー（１２）の端部は、直接的に支柱フランジ（６）の内面に溶接可能である。また、図２、図３に示されるように、バーの端部をバー（１２）に対して９０度曲げ、支柱（２）のウエブ（８）方向および支柱の主軸に垂直な方向に配置し、このバー端部をコラム支柱の内面に溶接することも可能である。上述したように、本発明はさらに前述のスチールとコンクリートとの支柱の建設方法に関するものである。この方法は以下の連続したステップを備えている。ａ）前述の長手方向に延びるスチール組立体（４）を構成する、裸のスチール支柱を立てる。ｂ）溝形空間を長手方向に閉鎖する、型枠を設ける。ｃ）コンクリート体を溝形空間に注入する。ｄ）型枠を外す。図１をさらに参照すれば、３階建て図の最下階（Ａ）には、コンクリート（１４）が注入され、型枠が外された後のスチールとコンクリートとの複合式支柱が示されている。中間階（Ｂ）には、溝型空間、つまり図５に示されるスチール組立体（４）のフランジ（６）とウエブ（８）および型枠（１６）で形成される支柱キャビティ内にコンクリート（１４）が注入される前段階の、ベニヤ板型枠が取り付けられたスチール組立体（４）が示されている。最上階（Ｃ）には、図３に示される、現場で組み立てられた状態の支柱組立体（４）が示されている。支柱にフランジ結合される代表的な床梁（１８）は明瞭に示されていない。トラスや根太（図示されず）のような、支柱組立体（４）のウエブ側面（８）に向いた代表的な床梁（１９）や他の床支持部材はスチール結合プレート（２０）に結合されている。また、梁（１９）と結合プレート（２０）の標準的な結合は明瞭に示されていない。中間階（Ｂ）の仕上げ床として作用するコンクリート床板（２４）を支持する代表的なスチール床板（２２）が示されている。最上階（Ｃ）のスチール組立体（４）に連結バー（１２）を見ることができる。図４を参照すると、フロア階で支柱組立体（４）のウエブ（８）に向いたフロア部材（１９）との結合を容易にするため、スチール結合プレート（２０）が現場で支柱フランジ（６）の先端または縁に溶接される。図１に最もよく見られるように、型枠（１６）の取り付け、取り外しを容易にするために、結合プレート（２０）がフロア骨組み部材（１９）の下部フランジ（２６）の下方に突出していることが好ましい。図５を参照すると、型枠（１６）は、この図ではベニヤ板シートとして描写されているが、コンクリートの注入荷重に耐えるものであれば、いかなる材料であってもよい。ベニヤ板（１６）を適所に容易に取り外せるよう支持するために、ストラップ（２８）や適当な留め具が使用できる。コンクリート拘束を増やし、更なる垂直荷重を伝達するため、垂直補強スチールバー（３０）を追加することが望ましい。図１で理解されるように、支柱フランジ（６）の先端に溶接されたスチールプレート結合部（２０）は、従来のスチール結合部を、フロア骨組み部材（１９）として、支柱組立体（４）内に直接形成されることを許すものである。このプレート結合部（２０）は複合式支柱（２）を生成するための敷地内でのコンクリート注入により、永久的な型枠となる。取り扱い容易なベニヤ板または同様の型枠ボード（１６）は、支柱組立体（４）の支柱フランジ（６）とウエブ（８）の先端で囲まれた領域を取り囲むことが要求される。図１に示されるように、型枠（１６）の高さは、下は仕上げフロア板（２４）から、上は次のフロア階のスチール結合プレート（２０）下側面の下方まで及ぶことのみが必要である。支柱（２）のコンクリート（１４）は、フロア上から溝型空間（１０）、換言すれば、スチールプレート結合部（２０）間に形成された開口、または型枠（１６）とスチール支柱組立体（４）のウエブ（８）とフランジ（６）の先端との間の領域、を介して注入される。コンクリート（１４）は、同様に支柱上のフロアのコンクリートとして直接注入される。理解されるように、コンクリート（１４）は、火災の場合に脱熱器として作用し、支柱（２）のスチール部の早急な曲がりを防ぐ。これにより、付加的な火災防御を必要とせずに、防火評定（fire-rating）を達成できる。スチール支柱組立体の、フランジ（６）、スチール結合プレート（２０）およびウエブ（８）の内面には、複合式支柱のコンクリート（１４）とスチール部（４）との間の主軸荷重を分散させるため、剪断コネクタが設けられている。本発明によるスチールとコンクリートとの複合式支柱によれば高層建築物を比較的低コストで建てることができる。高層建築物の建設では、支柱が最も重要な主軸荷重に耐えることができることを示している。この組立式スチール組立体は主として、建築物の建設段階での主軸荷重に耐えるよう考え出されたものである。このスチール部は従来の複合式支柱に比して大いに減少されているので、スチール組立体を起立するために必要なリフト装置のサイズは非常に小さくなり、小さく速やかなクレーンを使うことが可能になる。それ故に、多数のフロア階を早期に建設できる。スチール組立体の溝型空間内にコンクリートを注入することで支柱の主軸強度は増大するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．所定断面積を有し、一対の実質的に平行なフランジプレート（６）と、このフランジプレートと相互に連結され、２つの対向する溝形空間（１９）を区画するウエブプレート（８）とを備えた長手方向に延びるＨ型スチール組立（４）と、前記ウエブプレート（８）の両側にスチール組立体（４）に沿って配置された複数の離間した横連結バー（１２）であって、各々がフランジプレート（６）を相互に連結する連結バー（１２）と、溝形空間（１０）に充填されるコンクリート体（１４）とを備えた、スチールとコンクリートとの複合式支柱（２）であって、前記スチールとコンクリートとの複合式支柱（２）は、スチール組立体（４）の断面積の、スチールとコンクリートとの複合式支柱（２）の全断面積に対する比率が９％以下であることを特徴とするスチールとコンクリートとの複合式支柱。２．スチール組立体（４）の断面積の、スチールとコンクリートとの複合式支柱（２）の全断面積に対する比率は２％から５％であることを特徴とする請求の範囲１に記載のスチールとコンクリートとの複合式支柱。３．各々のフランジプレート（６）はウエブプレート（８）の各端部（９）に溶接されていることを特徴とする請求の範囲１または２に記載のスチールとコンクリートとの複合式支柱。４．各連結バー（１２）はフランジプレート（６）の外縁近傍で、フランジプレート（６）を相互に連結していることを特徴とする請求の範囲１から３のいずれかの項に記載のスチールとコンクリートとの複合式支柱。５．各連結バー（１２）はフランジプレート（６）に溶接されていることを特徴とする請求の範囲１から４のいずれかの項に記載のスチールとコンクリートとの複合式支柱。６．連結バー（１２）は支柱（２）に沿って、実質的に、長手方向の、かつ規則正しい間隔を有していることを特徴とする請求の範囲１から５のいずれかの項に記載のスチールとコンクリートとの複合式支柱。７．スチール組立体（４）のフランジプレート（６）の幅厚さ比は、Ｆｙをスチールの設計基準降伏強度としたときに、９５／（Ｆｙ）^0.5で定義される基準限界値の１．５倍から５倍であることを特徴とする請求の範囲１から６のいずれかの項に記載のスチールとコンクリートとの複合式支柱。８．スチール組立体（４）のウエブプレート（８）の幅厚さ比は、２５７／（Ｆｙ）^0.5以上であることを特徴とする請求の範囲１から７のいずれかの項に記載のスチールとコンクリートとの複合式支柱。９．さらにコンクリート体（４）内に埋め込まれる長手方向に延びる補強バー（３０）を備えたことを特徴とする請求の範囲１から８のいずれかの項に記載のスチールとコンクリートとの複合式支柱。１０．所定断面積を有し、スチールは支柱（２）断面積の９％以下の断面積を有することを特徴とするスチールとコンクリートとの支柱（２）の組立方法であって、次の連続したステップを含むことを特徴とする方法。ａ）次の構成を有する裸のスチール支柱を立てる。所定断面の表面を有し、実質的に平行な一対のフランジプレート（６）と、このフランジプレート（６）と相互に連結され、２つの対向する溝形空間（１０）を区画するウエブプレート（８）とを有した長手方向に延びるスチール組立体（４）、および、ウエブプレート（８）の両側にスチール組立体（４）に沿って配置された複数の離間した横方向の連結バー（１２）であって、各々がフランジプレート（６）を相互に連結する連結バー(１２)。ｂ）溝形空間（１０）を長手方向に閉鎖する型枠（１６）を設ける。ｃ）コンクリート体（１４）を溝形空間（１０）に注入する。ｄ）型枠（１６）を外す。１１．スチール組立体（４）の断面積の、スチールとコンクリートとの複合式支柱（２）の全断面積に対する比率は２％から５％であることを特徴とする請求の範囲１０に記載の組立方法。