JP2009215748A - 複合構造梁及び複合構造梁を有する建築構造物 - Google Patents

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【課題】梁端部における鉄筋コンクリート構造の梁断面を小さくできかつ鉄筋コンクリート構造の長さを短くできて軽量化を実現できるとともにせん断補強筋の配置の自由度を向上できる複合構造梁及びその複合構造梁を有する建築構造物を提供する。
【解決手段】この複合構造梁11は、梁端部12で曲げ応力により梁が降伏するヒンジゾーンHを少なくとも鉄筋コンクリート構造とし、ヒンジゾーンよりも梁中央側を鉄骨構造とし、梁中央側の鉄骨13と鉄筋コンクリート構造の梁端部12とを境界プレート14を介して一体化したものである。
【選択図】図1

Description

本発明は、梁端部側を鉄筋コンクリート構造とし、梁端部よりも梁中央側を鉄骨構造とする複合構造梁及びその複合構造梁を有する建築構造物に関する。
梁の端部をRC造(鉄筋コンクリート構造)とし、梁の中央をS造(鉄骨構造)とする複合構造梁は、従来、図4(a)〜(c)に示すように、柱10と梁2との接合部で鉄骨(H型鋼)3をRC造の梁端部7に埋め込み、梁端部7の鉄筋(主筋)4は定着板5(またはRC部7から突き出たボルト等)で接合することにより、梁端部7とS造の梁中央部9とを一体化する方式を採用している(特許文献1,2参照)。
特開2005−076379号公報 特開平01−268947号公報
ところが、図4(a)〜(c)に示す従来の梁構造には次の問題(1)〜(4)がある。
(1)RC造の梁端部7に鉄骨3を埋め込んだ部分8は、埋め込んだ鉄骨3に逆方向のせん断力が生じるので、梁端部7のRC部分の負担せん断力が増加する。そのため、多くのせん断補強筋6や大きな梁断面が必要となり不経済となる。また、梁せいが大きくなることで、適用できる建物の規模やスパンが制限されることがある。
(2)鉄骨3を梁端部7に埋め込む従来工法の場合、鉄骨3の応力を梁端部7に伝達させるためには鉄骨3のせいの1.5〜2.0倍程度以上埋め込まなければならず、鉄骨3の埋め込み部分8の長さは鉄骨3のせいの1.5〜2.0倍程度以上必要である。
(3)地震時に梁端部は曲げモーメントが最も大きくなる部分であり、大地震によって生じた曲げモーメントによって、梁主筋が降伏した後、大きな曲げ変形を生じながら、地震時のエネルギーを吸収する重要な部分である。この部分をヒンジゾーンといい、十分な変形性能を確保できるように設計する必要がある。ところで、鉄骨3の埋め込み部分8は、埋め込んだ鉄骨3により逆方向のせん断力が生じるなど、RC断面だけの場合よりも力の流れが複雑になるので、鉄骨3が梁端部に接近しすぎると、ヒンジゾーンで大きな変形が生じたときに、十分な変形性能を確保できない。そのため、鉄骨3の埋め込み終端は、梁の端部よりも(RC部7のせい/2)程度離す必要がある。したがって、先ほどの鉄骨3の埋め込み部分8として必要な長さを考慮すると、梁端部7は、(鉄骨3のせいの1.5〜2.0倍)+(梁端部7のせい/2)程度の長さが必要となる。梁端部7がRC造で梁中央がS造の梁構造形式の場合、梁端部7はプレキャスト部材とすることが多いので、梁端部7の重量が重いと、高い能力のクレーンが必要となり不経済となる。
(4)鉄骨3の埋め込み部分8において、鉄骨梁は、RC造の梁端部の主筋4やせん断補強筋6を避けて配置する必要があるので、RC断面に対する鉄骨断面の設計自由度が低い。したがって、階高の制限が厳しい建物の場合、梁端部7のせいに対して更に梁中央部9の鉄骨梁のせいが小さくなり、適用できる建物の規模が小さくなったり、不経済になる。
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、梁端部における鉄筋コンクリート構造の梁断面を小さくできかつ鉄筋コンクリート構造の長さを短くできて軽量化を実現できるとともにせん断補強筋の配置の自由度を向上できる複合構造梁及びその複合構造梁を有する建築構造物を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本実施形態による複合構造梁は、梁の中央部分の鉄骨については大地震時にも降伏せず、梁端部の鉄筋コンクリート構造(またはプレストレスト鉄筋コンクリート構造)の部分のみ降伏を許容する複合構造梁を対象とする。すなわち、この複合構造梁は、梁端部で曲げ応力により梁が降伏するヒンジゾーンを少なくとも鉄筋コンクリート構造とし、前記ヒンジゾーンよりも梁中央側を鉄骨構造とする複合構造梁であって、前記梁中央側の鉄骨と前記鉄筋コンクリート構造の梁端部とを境界プレートを介して一体化したことを特徴とする。
この複合構造梁によれば、梁中央側の鉄骨と鉄筋コンクリート構造の梁端部とが境界プレートを介して一体化することにより、曲げ応力が境界プレートを介して直接鉄筋コンクリート構造の鉄筋に伝達されるので、鉄筋コンクリート構造の梁端部に付加的なせん断力が発生しない。このため、鉄筋コンクリート構造の断面が小さくなるとともに鉄筋コンクリート構造の長さを短くでき、また、せん断補強筋の配置の自由度が向上し、梁全体の軽量化を実現できる。
上記複合構造梁において前記鉄筋コンクリート構造の鉄筋を前記境界プレートを貫通させずに前記境界プレートに接合することが好ましい。これにより、せん断補強筋のみならず主筋の配置の自由度が向上し、鉄骨と鉄筋コンクリート構造の主筋とが干渉しない。このため、鉄骨の梁せいを大きくとることができ、鉄骨全体の鋼材量を減らすことができることから、梁全体の軽量化を実現できる。
また、前記梁端部側の境界プレートにせん断抵抗要素を設けることにより、境界プレートと梁端部との間のせん断力の伝達がスムーズになる。
また、前記鉄筋コンクリート構造がプレストレスト鉄筋コンクリート構造であることで、長期荷重をキャンセルすることができるため、複合構造梁をより大きな大スパン構造にも適用することができ、複合構造梁の適用範囲を広げることができる。
また、本実施形態による建築構造物は、上述の複合構造梁を有することを特徴とする。この建築構造物によれば、上述の複合構造梁が上記梁端部で柱に接合される。
本発明の複合構造梁によれば、梁端部における鉄筋コンクリート構造の梁断面を小さくできかつ鉄筋コンクリート構造の長さを短くできて軽量化を実現できるとともにせん断補強筋の配置の自由度を向上できる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。
〈第1の実施の形態〉
図1は第1の実施の形態による複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図(a)、梁断面図(b)及び平面図(c)である。図2は、第1の実施の形態の複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図(a)、梁断面図(b)と、従来の複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図(c)、梁断面図(d)と、を比較のために紙面上下に並べた図である。
図1(a)〜(c)に示すように、本実施の形態による複合構造梁11は、鉄筋コンクリート構造(RC造)からなる梁端部12と、梁端部12から梁中央側に延びるH型鋼からなる鉄骨13と、梁端部12と鉄骨13との間に配置された鉄板からなる境界プレート14と、を含む。
図1(a)〜(c)の複合構造梁11は、梁の中央の鉄骨13については大地震時にも降伏せず、RC造の梁端部12のヒンジゾーンHのみの降伏を許容する複合構造梁である。なお、ヒンジゾーンHは、図1(a)では梁端部12の柱10の端面からの梁長さ方向長さLと同じ長さになっているが、梁長さ方向長さLよりも短くなるようにしてもよい。
鉄筋コンクリート構造の梁端部12は、梁長手方向に柱10内まで延びた複数本の主筋15と、せん断抵抗要素(ジベル)として境界プレート14に立設された複数本のスタッド16と、複数本の主筋15を取り囲むように梁長手方向に離れた複数箇所に配置されたせん断補強筋17と、を備える。
鉄骨13は、梁端部12から梁長手方向に他方の梁端部(図示省略)まで延びて鉄骨構造(S造)をなしており、上フランジ13aと、下フランジ13bと、ウェブ13cと、を有する。
鉄骨13と境界プレート14は、例えば、境界プレート14に対し、鉄骨13のフランジ13a,13bを突き合わせ溶接とし、ウェブ13cを隅肉溶接とすることで接合して一体化することができる。なお、境界プレート14に対し鉄骨13のフランジ13a,13bを突き合わせ溶接とし、ウェブ13cを境界プレート14に溶接されたガセットプレートと高力ボルトによって接合するようにしてもよい。
また、境界プレート14とRC造の梁端部12の主筋15とは、梁端部12の主筋15を境界プレート14に直接溶接することで接合し一体化することができる。このように、RC造の主筋15が境界プレート14を貫通しないように接合することが好ましく、せん断補強筋17及び主筋15の配置の自由度が向上する。
なお、境界プレート14と梁端部12の主筋15とは、次のようなねじ接合手段を用いて接合してもよい。(a)境界プレート14に孔を設け、ねじを切ったねじ式の鉄筋を貫通させボルト接合とする。(b)境界プレート14自体にねじを切り、ねじ式の鉄筋と一体化させる。(c)境界プレート14にナットを溶接し、ねじ式の鉄筋と一体化させる。
また、境界プレート14にせん断抵抗要素として複数本のスタッド16が溶接により取り付けられている。これにより、境界プレート14とRC造の梁端部12との間のせん断力の伝達がスムーズになる。
図1のように、本実施の形態の複合構造梁11は、鉄筋コンクリート構造からなる梁端部12と鉄骨13とが境界プレート14を介して一体化されており、図4の従来の複合梁のようにS造の鉄骨がRC造の梁端部内に埋め込まれる構造にはなっていない。このため、図1の複合構造梁11によれば、次のような作用効果を奏する。
従来の複合構造梁によれば、鉄骨梁をRC造の梁端部に埋め込むことに起因してRC造の梁端部のせん断応力による破壊が著しくなるため、せん断補強筋の配筋が密にならざるを得なく、また、埋め込んだ鉄骨とRC造の鉄筋とが干渉するために設計自由度が低かったのに対し、図1の複合構造梁11によれば、RC造の梁端部12の断面を小さくできるとともに、せん断補強筋17の配置の自由度が向上し、RC造の梁端部12の長さLを短くできる。このため、複合構造梁全体の軽量化を実現できる。
すなわち、梁端部12と鉄骨13とを一体化する際に境界プレート14を介することにより、曲げ応力が境界プレート14を介して直接梁端部12の主筋15に伝達されるため、梁端部12に付加的なせん断力が発生しない。図2(a)〜(d)に、本実施の形態及び従来の各複合構造梁を試設計した場合の各梁断面を示すが、本実施の形態の複合構造梁11によれば、図2(a)と(c)を比較すると明らかなように、付加的なせん断力が発生しないためせん断補強筋17の量が低減され、また、図2(b)と(d)の比較から明らかなように、RC造の梁端部12の断面が小さくなっており、コスト的にもプレキャスト化したときの重量的にも有利であることが分かる。
上述のように、境界プレート14を介する一体化により、曲げ応力が境界プレート14を介して直接RC造の主筋15に伝達されるためRC造の梁端部12に付加的なせん断力が発生せず、大地震時に鉄筋が降伏して曲げ変形が大きくなってもスムーズに応力を伝達することができるので、RC造の梁端部12は、その長さLが梁端部12の梁せい程度の長さがあれば、十分な変形性能を確保することができる。このために、従来の図4のような複合構造梁よりも梁端部を短くすることができ、図2(a)、(c)のようにRC造の梁端部12の長さLが従来の梁端部7の長さL’よりも短くなるので、複合構造梁全体のさらなる軽量化を達成できる。
また、RC造の梁端部12内に鉄骨13を埋め込まないので、鉄骨13はRC造の主筋15やせん断補強筋17を避けて配置する必要がなく、梁端部12のRC断面に対する鉄骨断面の設計自由度が高くなる。
また、境界プレート14とRC造の主筋15とを境界プレート14に孔をあけずに溶接等により一体化した場合のようにRC造の主筋15が境界プレート14を貫通しない場合には、せん断補強筋17の配置の自由度だけではなく、主筋15の配置の自由度も向上し、主筋15と鉄骨13とが干渉しないため、鉄骨13の梁せいを大きくとることができ、このため、鋼材量を少なくできるとともに、鉄骨13のフランジの重心と鉄筋15の重心とをより接近するように設計することも可能となるので、境界プレート14に孔を設けねじ式の鉄筋を貫通させボルト接合とした場合に比べ、境界プレート14に生じる応力を小さくすることができ、境界プレート14を薄く設計することができる。
〈第2の実施の形態〉
図3は第2の実施の形態による複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図(a)、梁断面図(b)及び平面図(c)である。
図3(a)〜(c)に示す複合構造梁21は、梁端部12をプレストレスト鉄筋コンクリート造とした以外は、図1と同様の構成であるので、同一部分には、同じ符号を付けてその説明は省略する。
図3(a)〜(c)の複合構造梁21は、境界プレート14と梁端部12と柱10を貫通してPC鋼棒20を配置し、境界プレート14と柱10の各面でナット20a及び/又は20bを締め付けることで、梁端部12と柱10との間に圧縮のプレストレスを与えるようにしたものである。
本実施の形態の複合構造梁21によれば、上述のプレストレスト鉄筋コンクリート造からなる梁端部12において引張応力を打ち消し、曲げ抵抗を増大させることができる。例えば、複合構造梁が適用される建築構造物が大スパン構造の場合、梁端部12の長期応力が非常に大きくなり、梁端部12をRC造として設計するのが難しい場合もあるが、このような場合には、梁端部12をプレストレスト鉄筋コンクリート構造とすることで、長期荷重をキャンセルすることができる。このため、鉄筋コンクリート構造からなる梁端部12と鉄骨13とが境界プレート14を介して一体化した複合構造梁を、より大きな大スパン構造にも適用することができ、複合構造梁の適用範囲を広げることができる。
また、図3の複合構造梁21によれば、図1の場合と同様の作用効果を奏し、プレストレスト鉄筋コンクリート造の梁端部12は、梁端部12の梁せい程度の長さがあれば十分な変形性能を確保することができるので、図4のような従来の複合構造梁よりも梁端部を短くすることができ、複合構造梁全体のさらなる軽量化を達成できる。
上述の第1及び第2の実施の形態の複合構造梁11,21は梁端部12で柱10に接合されて用いられ、ビルやマンション等の各種の建築構造物に適用することができる。
以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、境界プレート14に設けられるせん断抵抗要素は、スタッド16に限定されず、他の手段であってもよく、例えば、境界プレート14にプレートや鋼材等を溶接してもよく、また、境界プレート14の複数箇所に切り欠きや孔を設けてもよく、これらを併用してもよい。
第1の実施の形態による複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図(a)、梁断面図(b)及び平面図(c)である。 第1の実施の形態の複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図(a)、梁断面図(b)と、従来の複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図(c)、梁断面図(d)と、を比較のために紙面上下に並べた図である。 第2の実施の形態による複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図(a)、梁断面図(b)及び平面図(c)である。 従来の梁構造例の要部を内部構造も含めて示す側面図(a)、梁断面図(b)及び平面図(c)である。
符号の説明
10 柱
11,21 複合構造梁
12 梁端部
13 鉄骨
14 境界プレート
15 主筋、鉄筋
16 スタッド
17 せん断断補強筋
20 PC鋼棒
20a,20b ナット
H ヒンジゾーン
L 梁端部の長さ

Claims (5)

  1. 梁端部で曲げ応力により梁が降伏するヒンジゾーンを少なくとも鉄筋コンクリート構造とし、前記ヒンジゾーンよりも梁中央側を鉄骨構造とする複合構造梁であって、
    前記梁中央側の鉄骨と前記鉄筋コンクリート構造の梁端部とを境界プレートを介して一体化したことを特徴とする複合構造梁。
  2. 前記鉄筋コンクリート構造の鉄筋を前記境界プレートを貫通させずに前記境界プレートに接合した請求項1に記載の複合構造梁。
  3. 前記梁端部側の境界プレートにせん断抵抗要素を設けた請求項1または2に記載の複合構造梁。
  4. 前記梁端部がプレストレスト鉄筋コンクリート構造である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の複合構造梁。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の複合構造梁を有することを特徴とする建築構造物。
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