JP2003003568A - 鋼管柱の管壁補強構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 作業性が悪い上に溶接欠陥の出やすいダイヤ
フラム補強を避け、また、コンクリートの充填を妨げる
ことのない、鋼管柱の管壁補強構造を提供する。 【解決手段】 本発明に係わるコンクリートを充填した
鋼管柱の管壁補強構造２１は、鉄骨梁２５の少なくとも
上側近傍の鋼管柱２３の対向する管壁２４に貫通する貫
通孔を設け、この貫通孔と共孔を有する座金３３を重ね
装着すると共に、貫通孔及び座金３３を貫通させて、管
壁２４間を引張り連結した連結部材３２が装着された。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンクリートを充
填した鋼管柱の管壁に鉄骨梁を接合する仕口部におい
て、前記鉄骨梁の応力によって前記鋼管柱の前記管壁に
生ずる変形を防止するための、鋼管柱の管壁補強構造に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のものとしては、例えば図
９（ａ）、（ｂ）に示す内ダイヤフラム構造の仕口部１
のようなものがある。

【０００３】図９（ａ）、（ｂ）において、仕口部１
は、柱本体１Ａの内部に挿入する内ダイヤフラム２の周
縁と、柱本体１Ａの構成材１ａとを溶接するために、内
ダイヤフラム２の周縁に予め開先部２Ａを設けるととも
に、柱本体１Ａの各構成材１ａには溶接口１ｂを設けて
おり、この溶接口１ｂから溶接トーチ（図示せず）を侵
入させて、構成材１ａと内ダイヤフラム２の開先部２Ａ
とを溶接し組み付けるようにしている。そして、溶接作
業が終了すると溶接口１ｂは埋め戻す。

【０００４】このように、内ダイヤフラム２によって部
分的に補強された仕口部１に、大小の鉄骨梁３Ａ，３ａ
が溶接され、継ぎ手部４を介して中間鉄骨梁５に連結さ
れる構成としている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のものにあっては、溶接口１ｂを介して狭い間
隔に、複数の内ダイヤフラム２ａ，２ｂ，２ｃを溶接す
るので、作業性が悪く工数がかかる上に、溶接欠陥が出
やすく、また発見が難しいという問題があった。

【０００６】さらに、コンクリート充填柱（以下、ＣＦ
Ｔと称する）は、内ダイヤフラム２に設けた開口部２ｄ
を通過させて充填されるコンクリートが、内ダイヤフラ
ム２近傍で充填が妨げられて空隙を生じやすく、強度低
下につながる虞もあった。

【０００７】そこで、本発明は、作業性が悪い上に溶接
欠陥の出やすいダイヤフラム補強を避け、また、コンク
リートの充填を妨げることのない、鋼管柱の管壁補強構
造を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載された発明は、コンクリートを充
填した鋼管柱の管壁に鉄骨梁を接合する仕口部におい
て、前記鉄骨梁の応力によって生ずる前記管壁の変形を
防止するための、鋼管柱の管壁補強構造であって、前記
鉄骨梁の少なくとも上側近傍の前記鋼管柱の対向する前
記管壁に貫通する貫通孔を設け、該貫通孔と共孔を有す
る座金を重ね装着すると共に、前記貫通孔及び前記座金
を貫通して、前記管壁間を引張り連結可能に連結部材が
装着されたことを特徴としている。

【０００９】この様なものにあっては、先ず鋼管柱の中
心に向かう管壁の変形は鉄骨梁からの力を受けても充填
されたコンクリートによって抑えることができ、さらに
鋼管柱の管壁に設けた貫通孔及び座金を貫通して管壁を
引張り連結させる連結部材が装着されたので、対向する
管壁は鉄骨梁の応力を受けても、管壁同士が互いに離れ
ようとする変形を抑えることができるようになる。その
結果、管壁は鋼管柱の中心に向かう方向と鋼管柱の中心
から外に向かう方向の、どちらの変形も抑えられること
になる。

【００１０】請求項２に記載された発明は、請求項１に
記載の鋼管柱の管壁補強構造において、前記連結部材
は、棒鋼材、ＰＣ鋼材、鉄筋、ボルト及び炭素繊維ケー
ブルの少なくとも１つからなることを特徴としている。

【００１１】この様なものにあっては、連結部材は各種
の形態材が使用できるようにしたので、仕口部の形態に
合わせて連結部材の使い分けが可能となる。

【００１２】請求項３に記載された発明は、請求項１又
は２に記載の鋼管柱の管壁補強構造において、前記座金
は、前記鋼管柱管壁の剛性を越える剛性体とされたこと
を特徴としている。

【００１３】この様なものにあっては、座金の剛性を管
壁より高くしたので、座金によって管壁の変形が抑え易
くなる。

【００１４】請求項４に記載された発明は、請求項１、
２又は３に記載の鋼管柱の管壁補強構造において、前記
連結部材は、平面視前記鋼管柱の対向する管壁に向け
て、平行、ハ字状及び逆ハ字状の少なくとも１つからな
る配設とされたことを特徴としている。

【００１５】この様なものにあっては、連結部材を平面
視各種の連結形態としたので、仕口部の形態及び状況に
応じた合理的な力の伝達経路に適合する連結形態を選定
することが可能となる。

【００１６】請求項５に記載された発明は、請求項１、
２又は３に記載の仕口部の鋼管柱の補強構造において、
前記連結部材は、平面視前記鋼管柱の隣接する管壁に向
けて、少なくとも前記鉄骨梁の上側近傍を貫通させて配
設されたことを特徴としている。

【００１７】この様なものにあっては、平面視隣接する
管壁に向けて転結部材を貫通させて装着させたので、管
壁の変形方向に抵抗し易い相手と一体化されその結果変
形が抑え易くなる。

【００１８】請求項６に記載された発明は、請求項１、
２又は３に記載の鋼管柱の管壁補強構造において、請求
項４に記載の連結部材を、側面視一方の前記鉄骨梁の少
なくとも上側近傍の位置から、前記鋼管柱の対向する管
壁面に向けて、平行、ハ字状、逆ハ字状及び交差の少な
くとも１つからなる配設とされたことを特徴としてい
る。

【００１９】この様なものにあっては、側面視一方の鉄
骨梁の位置から他方の鉄骨梁の位置に向けて連結部材を
連結させるようにしたので、仕口部での応力方向に合わ
せて、両鉄骨梁の上下側の位置や中央の位置の、所望の
ところを連結することが可能となる。特に、地震力など
により、接続される鉄骨梁の応力が互いに同方向のモー
メントを生ずる場合には側面視交差の配設は、一方の鉄
骨梁の上側の引張力と、他方の鉄骨梁の下側の引張力と
を連結することになるので、効率的な引張連結部材とな
る。

【００２０】請求項７に記載された発明は、請求項１乃
至６のいずれかに記載の鋼管柱の管壁補強構造におい
て、前記鋼管柱は、角形鋼管や円形鋼管であることを特
徴としている。

【００２１】この様なものにあっては、鋼管柱は角形や
円形としたので、各種の鋼管柱を対象として、管壁補強
が広く使用されるようになる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１、図７
及び図８に基づいて説明する。

【００２３】図１は、鋼管柱の管壁補強構造を示す斜視
図である。

【００２４】図１において、２１は管壁補強構造、２２
は仕口部で、この仕口部２２は、鋼管柱２３の管壁２４
面と、鉄骨梁２５との溶接等による接合で構成されてい
る。

【００２５】そして、この仕口部２２において、各鉄骨
梁２５の上側近傍及び下側近傍から鋼管柱２３の対向す
る管壁２４間に貫通孔を設け、この貫通孔を設けた管壁
２４に貫通する共孔を有する座金３３を重ね装着し、こ
の対向する管壁２４間を架橋するように連結部材３２を
引張り連結させて、補強部３１を形成させている。

【００２６】なお、鉄骨梁２５が十字形に接合されてい
る鋼管柱２３においては、図１に示すように、上述の連
結部材３２に交差する連結部材３２を、上下差を有して
貫通させ、管壁２４を連結させる構成としている。

【００２７】そして、この補強部３１を設けた鋼管柱２
３の内部には、コンクリート４１を充填し、連結部材３
２間もコンクリート４１が充填され、コンクリート充填
された鋼管柱２３が形成されている。

【００２８】次に、この鋼管柱の管壁補強構造２１の作
用について、主に図７及び図８に基づいて説明する。

【００２９】図７は、管壁間に補強部を装着した仕口部
を示す断面図である。図７における代表的な作用の例と
して、仕口部２２の鋼管柱２３に接合されている一方の
鉄骨梁２５ａに時計回り方向のモーメントＭが生じてい
る場合、このモーメントＭにより鉄骨梁２５ａの上側に
は引張力＋ｆ、下側には圧縮力−ｆが働く。

【００３０】そのため、鉄骨梁２５ａの上側では鋼管柱
２３の一方の管壁２４ａは、引張力＋ｆを受けて鋼管柱
の中心から外に向かう方向に変形しようとする。このと
き、鉄骨梁２５ａ，２５ｂの上側近傍の管壁２４ａ，２
４ｂを貫通して連結した連結部材３２は、他方の管壁２
４ｂに固定されているので、また充填されている鋼管柱
２３内のコンクリート４１の反力ｃ１，ｃ２とにより変
形が抑えられるので、一方の管壁２４ａを変形させよう
とする引張力＋ｆに対向する連結部材３２の引張力Ｔを
支えて、管壁２４ａの変形は抑えられることとなる。

【００３１】一方、鉄骨梁２５ａの下側近傍の管壁２４
ａは鋼管柱２３に充填されたコンクリート４１に生ずる
圧縮反力Ｃ３、Ｃ４により変形が抑えられる。

【００３２】したがって、仕口部２２での上側部分の変
形は、装着された連結部材３２により抑えられ、下側部
分の変形は充填されたコンクリートにより抑えられるの
で、管壁２４ａ全体の変形が抑えられることとなる。

【００３３】図８（ａ）、（ｂ）は、本発明の連結部材
の補強構造とこれに比較する代表的な他の２種類の断面
構造の仕口部に、矢印で示すような荷重を掛けて、モー
メントと層間変形角との関係（いわゆる、層間変形量）
を示す実験データ、及び鉄骨梁の接合端位置における梁
フランジ方向のひずみ分布を示す実験データとを求めた
ものである。

【００３４】図８（ａ）の仕口部２２において、は本
発明の連結部材構造、は内ダイヤフラム（四角形のコ
ンクリート充填孔付き）構造、はノンダイヤフラム構
造をそれぞれ示している。

【００３５】実験結果として、〔実験１：モーメント
（Ｍ）と層間変形角（θ）の関係〕は、仕口部２２の鉄
骨梁２５に荷重を掛けると、モーメント（Ｍ）が発生し
鉄骨梁と鋼管柱が曲げ変形することに加え、管壁２４が
変形して、層間変形角（θ）が増大して行く、この層間
変形量は、に比しは格段に小さく、本発明の連結
部材構造の変形量は、内ダイヤフラム構造の変形量
に匹敵することが分かった。

【００３６】また同時に、〔実験２：鉄骨梁の接合端位
置における梁フランジ方向のひずみ分布〕は、仕口部２
２の鉄骨梁２５に矢印で示す荷重を掛けながら、鉄骨梁
の接合端位置における梁フランジ方向のひずみ量（ε）
を中心から梁フランジの巾方向に向かって遠ざかる位置
（Ｗ）で測定して行くと、実験１と同様に、鋼管柱２３
と鉄骨梁２５との接合部位置におけるフランジ方向への
ひずみ（ε）量が、は測定位置が遠ざかるにつれて増
大するのに比し、のものは、測定位置の間ほぼ一定
したひずみ分布となる。また、本発明の連結部材構造
のひずみ（ε）量は、内ダイヤフラム構造のものと大
差なく、同等であることが分かった。

【００３７】この実験１及び実験２の結果から、コンク
リートを充填した鋼管柱に引張り連結部材３２を貫通さ
せるという簡単な管壁２４の補強構造で、仕口部２２が
応力を受けても管壁２４の変形量が抑えられ、管壁補強
構造として効果的なことが確認できた。

【００３８】〔補強部の変形例１〕図２は、図１の補強
部の変形例１を示すＰ−Ｐ線に沿う断面図である。

【００３９】図２において、鉄骨梁２５の上側近傍に、
２本の連結部材３２をハ字状（又は逆ハ字状）に、一方
の管壁２４ａの中央部から、他方の管壁２４ｂの両端部
近傍に向けて連結させている。また、両管壁２４ａ，２
４ｂ上には、連結部材３２を貫通させた座金３３ａを重
ね装着させ、この座金３３ａを変形に強い剛体性を有し
たものとし、管壁２４ａ，２４ｂを押さえるように連結
部材３２からの応力を先ず座金３３ａで受けてから、両
管壁２４ａ，２４ｂに伝達するように重ねた状態にして
いる。

【００４０】このようなものにあっては図の右側に取り
つく鉄骨梁２５に生ずる曲げモーメントによって、管壁
２４ａの中央部分が鋼管柱中心から外側に向かって変形
しようとする力は、座金３３ａを介して連結部材３２に
生ずる引張力によって管壁２４ｂの端部に伝達される。
この管壁２４ｂの端部は隣接する管壁２３によって変形
を拘束されているため、その付近に取り付いている座金
３３ａは連結部材３２の引張力に抵抗し、その結果充填
されたコンクリートの圧縮反力による抵抗力は軽減され
る。

【００４１】その他の構成および作用は、実施の形態と
同様であるので、その説明を省略する。

【００４２】〔補強部の変形例２〕図３は、図１の補強
部の変形例２を示すＰ−Ｐ線に沿う断面図である。

【００４３】図３において、鉄骨梁２５の上側近傍に、
上下差を有する（連結部材３２を白色又は黒色で示す）
ように、各管壁２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの中央
部から、各隣接する管壁に向けて連結部材３２を貫通さ
せて連結させている。

【００４４】また、各管壁２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２
４ｄの面上には、連結部材３２を貫通させた座金３３ｂ
を装着させ、この座金３３ｂを変形に強い剛体性を有し
たものとして、各管壁２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ
の中央部を押さえるようにして、柱梁鉄骨からの応力を
各連結部材３２で管壁２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ
に伝達する構成としている。このようなものにあっては
管壁２４ａの中央部分が鋼管柱中心から外側に向かって
変形しようとする力は座金３３ｂと連結部材３２を介し
て隣接する管壁２３に直接的に伝達される。

【００４５】その他の構成および作用は、実施の形態と
同様であるので、その説明を省略する。

【００４６】〔補強部の変形例３〕図４は、図１補強部
の変形例４を示すＱ−Ｑ線に沿う断面図である。

【００４７】図４において、鋼管柱２３に接合された他
方の鉄骨梁２５ｂの上側近傍及び下側近傍から、一方の
鉄骨梁２５ａの中央部に向けて連結部材３２を貫通させ
て連結させたものである。また、両管壁２４ａ，２４ｂ
上には、各連結部材３２を貫通させた座金３３ｄを装着
させ、各連結部材３２からの応力を受けて、両壁面２４
ａ，２４ｂに伝達する構成にしている。

【００４８】これは一方の鉄骨梁２５ｂにモーメントＭ
が生じたとき、鉄骨梁２５ｂの上側近傍の引張力によっ
て管壁２４ｂが鋼管柱中心から外に向かう方向の変形
は、相手方の鉄骨梁２５ａの中央部で受けて抑える構造
としたものである。したがって、対向する管壁に向かっ
て変形の生じにくい位置をねらって連結部材３２を貫通
させ連結できる特徴がある。

【００４９】その他の構成および作用は、実施の形態と
同様であるので、その説明を省略する。

【００５０】〔補強部の変形例４〕図５は、図１の補強
部の変形例３を示すＱ−Ｑ線に沿う断面図である。

【００５１】図５において、鋼管柱２３に接合された一
方の鉄骨梁２５ａ及び他方の鉄骨梁２５ｂの各上側近傍
から、両鉄骨梁２５ａ，２５ｂの各下側近傍に向けて交
差させ、連結部材３２を貫通させて連結させたものであ
る。また、両管壁２４ａ，２４ｂ上には、各連結部材３
２を貫通させた座金３３ｃを装着させ、連結部材３２か
らの応力を受けてから、両壁面２４ａ，２４ｂに伝達さ
せる構成としている。

【００５２】したがって、仕口部２２にモーメントＭが
生じたとき、一方の鉄骨梁２５ａの上側近傍及び他方の
鉄骨梁２５ｂの下側近傍の各引張力は、連結部材３２で
互いに引き合い、管壁２４ａ，２４ｂが広がり変形する
のを抑えることが可能となる。

【００５３】また、一方の鉄骨梁２５ａの下側近傍及び
他方の鉄骨梁２５ｂの上側近傍の各圧縮力は、充填され
たコンクリート４１で受けて、鋼管柱２３の各管壁２４
ａ，２４ｂの変形を防止することが可能となる。

【００５４】この連結部材３２の配設は、各鉄骨梁２５
ａ，２５ｂ間の引張力を交差して連結できるので、その
ような応力が発生する地震時などの外力によって設計が
定まる柱梁仕口部においては力学的に効率が良いことが
特徴となる。

【００５５】その他の構成および作用は、実施の形態と
同様であるので、その説明を省略する。

【００５６】［座金の別案］図６（ａ）、（ｂ）は、図
１の座金の別案ａ，ｂを示す斜視図である。

【００５７】図６（ａ）は、アングル状の座金１３３に
形成させ、断面係数を上げて、管壁２４よりも剛性を高
くするようにし、管壁２４の変形を抑えるようにしたも
のである。

【００５８】図６（ｂ）は、チャンネル状の座金２３３
に形成させ、断面係数を上げて、管壁２４よりも剛性を
高くし、管壁２４の変形を抑えるようにしたものであ
る。

【００５９】これら座金１３３，２３３は、図１に使用
の平面状の座金３３に代えて、仕口部２２の形状に合わ
せて選定し、使用することも可能である。

【００６０】

【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１に記
載の発明は、コンクリートを充填した鋼管柱の管壁に設
けた貫通孔及び座金を貫通して管壁を連結させる連結部
材が装着されるので、管壁は応力を受けても変形しなく
なる。したがって、複雑な施工をすることなく管壁の変
形が抑えられて、コストの低減が図れる。

【００６１】請求項２に記載の発明は、連結部材は各種
の形態材の使用ができるようにしたので、仕口部の形態
に合わせて連結部材の使い分けが可能となる。したがっ
て、仕口部の形態に適合し、過不足のない品質とするこ
とができる。

【００６２】請求項３に記載の発明は、座金の剛性を管
壁より高くしたので、座金によって管壁の変形を抑える
ことができる。したがって、局部変形を防止する目的で
管壁を全体に厚肉化する必要がなく、軽量化が図れる。

【００６３】請求項４に記載の発明は、連結部材を平面
視各種の連結形態としたので、仕口部の形態及び応力状
態に適合する連結形態を選定することが可能となる。し
たがって、効率的な仕口部の形態となって、コストの低
減が図れる。

【００６４】請求項５に記載の発明は、平面視隣接する
管壁に向けて連結部材を貫通させて装着させたので、管
壁の変形方向に抵抗し易い相手と一体化された結果変形
を抑え易い。

【００６５】請求項６に記載の発明は、側面視一方の鉄
骨梁の位置から他方の鉄骨梁の位置に向けて連結部材を
連結させるようにしたので、仕口部での応力状態に合わ
せて、両鉄骨梁の上下側の位置や中央の位置とを連結す
ることが可能となる。したがって、モーメントＭに合っ
た連結部材方向となり、駄肉のない連結部材で軽量化が
図れる。

【００６６】請求項７に記載の発明は、鋼管柱は角形や
円形としたので、適用範囲が広くなり、コストの低減が
図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る鋼管柱の管壁補強構
造を示す斜視図である。

【図２】同実施の形態に係る図１の補強部の変形例１を
示すＰ−Ｐ線に沿う断面図である。

【図３】同実施の形態に係る図１の補強部の変形例２を
示すＰ−Ｐ線に沿う断面図である。

【図４】同実施の形態に係る図１の補強部の変形例３を
示すＱ−Ｑ線に沿う断面図である。

【図５】同実施の形態に係る図１の補強部の変形例４を
示すＱ−Ｑ線に沿う断面図である。

【図６】同実施の形態に係る座金の別案を示す図で、図
６（ａ）は別案ａの斜視図、図６（ｂ）は別案ｂの斜視
図である。

【図７】同実施の形態に係る管壁間に補強部を装着した
仕口部を示す断面図である。

【図８】同実施の形態に係る本発明構造の実験結果を内
ダイヤフラム構造及びノンダイヤフラム構造と比較して
示す関係図で、図８（ａ）は仕口部のモーメントと層間
変形角の関係図、図８（ｂ）は仕口部の梁フランジ方向
のひずみ分布図である。

【図９】従来技術に係る内ダイアフラム構造の仕口部の
図で、図９（ａ）は斜視図、図９（ｂ）は仕口部の内部
説明図である。

【符号の説明】

２１…管壁補強構造 ２２…仕口部 ２３…鋼管柱 ２４…管壁 ２５…鉄骨梁 ３１…補強部 ３２…連結部材 ３３…座金

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Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コンクリートを充填した鋼管柱の管壁に鉄
   骨梁を接合する仕口部において、前記鉄骨梁の応力によ
   って前記鋼管柱の前記管壁に生ずる変形を防止するため
   の、鋼管柱の管壁補強構造であって、 前記鉄骨梁の少なくとも上側近傍の前記鋼管柱の対向す
   る前記管壁に貫通する貫通孔を設け、該貫通孔と共孔を
   有する座金を重ね装着すると共に、 前記貫通孔及び前記座金を貫通して、前記管壁間を引張
   り連結可能に連結部材が装着されたことを特徴とする鋼
   管柱の管壁補強構造。
2. 【請求項２】前記連結部材は、棒鋼材、ＰＣ鋼材、鉄
   筋、ボルト及び炭素繊維ケーブルの少なくとも１つから
   なることを特徴とする請求項１に記載の鋼管柱の管壁補
   強構造。
3. 【請求項３】前記座金は、前記鋼管柱管壁の剛性を越え
   る剛性体とされたことを特徴とする請求項１又は２に記
   載の鋼管柱の管壁補強構造。
4. 【請求項４】前記連結部材は、平面視前記鋼管柱の対向
   する管壁に向けて、平行、ハ字状及び逆ハ字状の少なく
   とも１つからなる配設とされたことを特徴とする請求項
   １、２又は３に記載の鋼管柱の管壁補強構造。
5. 【請求項５】前記連結部材は、平面視前記鋼管柱の隣接
   する管壁に向けて、少なくとも前記鉄骨梁の上側近傍を
   貫通させて配設されたことを特徴とする請求項１、２又
   は３に記載の仕口部の鋼管柱の補強構造。
6. 【請求項６】請求項４に記載の連結部材を、側面視一方
   の前記鉄骨梁の少なくとも上側近傍の位置から、前記鋼
   管柱の対向する管壁面に向けて、平行、ハ字状、逆ハ字
   状及び交差の少なくとも１つからなる配設とされたこと
   を特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の鋼管柱の
   管壁補強構造。
7. 【請求項７】前記鋼管柱は、角形鋼管や円形鋼管である
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の鋼
   管柱の管壁補強構造。