JP2009221755A - 建物 - Google Patents

Abstract

【課題】柱の座屈を抑制する。
【解決手段】柱１０は、上方の梁１２と下方の梁１５を支持し、梁１２と梁１５には、それぞれ上方のスラブ１３と下方のスラブ１４が設けられている。図１に示す建物２７は、改築により中間層梁４８、５０を取り除き吹き抜け構造とされている。柱１０は、断面形状を問わず、広く利用されている断面形状の型鋼やＣＦＴで構成されている。鋼管１６はボックス状の断面形状とされ、柱１０の表面から所定の隙間ｄを開けて柱１０の周囲を囲んでいる。鋼管１６は柱１０を囲んだ状態で、水平方向に隙間ｄの距離を移動できる。鋼管１６は、柱１０の水平方向の変形を抑制できる剛性と強度を備え、スラブ１４の上面から、梁１２の下面と所定の隙間ｈを開けた高さまでの間に渡る部材長とされている。鋼管１６は柱１０を囲んだ状態で上下方向に隙間ｈの距離を移動できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、柱の座屈を抑制する柱構造を備えた建物に関する。

柱は、柱に加わる荷重で曲げ座屈を生じて崩壊しないようにその断面積や部材長が設計されている。

このため、例えば、既存の建物において、既存の柱に接合されていた梁やスラブを取り除き、吹き抜け構造に変更する場合、梁やスラブが取り除かれたことで部材長が長くなり、柱に加わる荷重が減少しても柱が座屈する場合がある。

このような状況で既存の柱を座屈させないためには、既存の柱の座屈強度を高くする必要がある。これには、既存の柱の断面積を大きくする方法が有効であるが、既存の柱の断面積を大きくすることは施工上、困難である。

一方、既存の建物において、梁やスラブを取り除き、吹き抜け構造に変更する要求は高く、既存の柱をそのまま残して使用しても座屈を生じさせない、柱の座屈を抑制する技術が求められている。

柱の断面積を変えずに柱の強度を高くする技術として、柱の周囲を鋼管で囲み、柱と鋼管の間に空間を設ける構造が提案されている（特許文献１）。
しかし、特許文献１は、図９に示すように、火災時に、熱で柱の強度が低下するのを遅くさせるために柱の周囲を鋼管で囲んだものである。

即ち、柱（内側鋼部材２）の周囲を外側鋼部材１で囲み、内側鋼部材２に耐火被覆を施す替わりに内側鋼部材２と外側鋼部材１との間に中空部３を形成している。このとき、外側鋼部材１の上下端部は、仕口部のダイアフラム４で内側鋼部材２に連結され、ダイアフラム４に加わる鉛直荷重を内側鋼部材２と分担している。

このため、ダイアフラム４に加わる鉛直荷重は内側鋼部材２と外側鋼部材１のそれぞれに加わる。鉛直荷重が増し、内側鋼部材２と外側鋼部材１の座屈の許容値を超えると、内側鋼部材２と外側鋼部材１のいずれもが座屈を開始する。

即ち、特許文献１の構成では、柱（内側鋼部材２）の強度をある程度は増すことができるが、柱の座屈は抑制できない。
特開平５−３０２３９９号公報

本発明は、上記事実に鑑み、柱の座屈を抑制することを目的とする。

請求項1に記載の発明に係る建物は、梁が接続される柱と、上方の梁と下方の梁又は梁上のスラブの間にある前記柱を所定の隙間を開けて周囲を囲み、前記上方の梁の下面と所定の隙間を開けて配置された鋼管と、を有することを特徴としている。

請求項1に記載の発明によれば、梁から柱に加わる荷重により柱に曲げ座屈変形が生じたとき、柱の外周が周囲を囲む鋼管の内周に当り、柱のそれ以上の変形が鋼管の剛性と強度で拘束される。この結果、柱の座屈が抑制される。

また、鋼管の上端部は、上方の梁の下面と所定の隙間が開けられており、上方の梁の荷重は直接には鋼管に加わらず、下方のスラブ又は下方の梁を通じて柱に伝達される。
このように、鋼管が上方の梁と縁が切られていることで、鋼管が座屈することなく、柱の座屈を抑制できる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の建物において、前記鋼管に設けられ、前記上方の梁と前記下方の梁又は梁上のスラブの間に設けられた中間層梁を支持する梁支持部と、前記下方の梁又は梁上のスラブに設けられ、前記鋼管の下端部を支持する鋼管支持部材と、を有することを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、鋼管が梁支持部で中間層梁を支持しており、鋼管支持部材が鋼管の下端部を支持している。
これにより、中間層梁から伝えられる荷重は、鋼管、鋼管支持部材及び下方のスラブ又は下方の梁を通じて柱に伝えられる。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の建物において、前記鋼管は、前記鋼管を周方向に分割した分割部材で、前記柱を外から囲んで接合したことを特徴としている。
請求項３に記載の発明によれば、鋼管は、周方向に分割された分割部材とされている。この分割部材で、既築建物の柱を外から囲んで接合することで、座屈補強できる。

請求項４の発明は、請求項３に記載の建物において、前記柱は、既存建物の柱であることを特徴としている。
これにより、分割部材で既築建物の柱を外から囲んで接合することができる。

本発明は、上記構成としてあるので、柱の座屈が抑制できる。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る柱構造８は、柱１０と柱１０を囲む鋼管１６とを有している。
図１に示すように、柱１０は、上方の梁１２と下方の梁１５を支持し（図示は省略）、梁１２と梁１５には、それぞれ上方のスラブ１３と下方のスラブ１４が設けられている。

図１に示す建物２７の改築前は、梁１２とスラブ１４の間に中間層梁４８、５０が設けられ、中間層梁４８、５０は柱１０で支持されていた。また、中間層梁４８、５０にはスラブ４９、５１が設けられ３層構成とされていた。

改築によりスラブ４９、５１及び中間層梁４８、５０を取り除き、吹き抜け構造としている。このため、柱１０の部材長は長くなり、３層分の高さが部材長となっている。

柱１０は、断面形状を問わず、広く利用されている断面形状の型鋼やＣＦＴ（コンクリート充填柱）で構成されている。
鋼管１６はボックス状の断面形状とされ、柱１０の表面から所定の隙間ｄを開けて、柱１０の周囲を囲んでいる。

なお、柱１０と鋼管１６の隙間には、柱１０と鋼管１６を接続する接続部材は取付けられていない。これにより、鋼管１６は柱１０を囲んだ状態で、水平方向に隙間ｄの距離を移動できる。

また、鋼管１６は、座屈による柱１０の水平方向の変形を抑制できる剛性と強度を備えており、スラブ１４の上面から、梁１２の下面と所定の隙間ｈを開けた高さまでの間に渡る部材長とされている。鋼管１６は柱１０を囲んだ状態で、上下方向に隙間ｈの距離を移動できる。

これにより、図２に示すように、柱１０に加わる軸力Ｎにより柱１０に曲げ変形が生じたとき、柱１０の外周１０ａが周囲を囲む鋼管１６の内周１６ａの中央部及び両端部の３箇所に当る。鋼管１６は、柱１０の水平方向の変形を抑制できる剛性と強度を備えているため、柱１０を鋼管１６で拘束するので、柱１０が座屈に至ることはない。

なお、鋼管１６の上端部と上方の梁１２の下面に開けられた隙間ｈにより、鋼管１６が上方の梁１２の荷重を直接に受けることはなく、鋼管１６が軸力Ｎで変形することはない。
上述したように、柱構造８とすることで柱１０の座屈が抑制され、既存建物を高階層のスケルトン構造に改築できる。

なお、以上は、既存建物における中間層梁４８、５０及びスラブ４９、５１の２層分を取り除く例について説明したが、２層分に限定されることはなく、柱１０の部材長単位で柱構造８とすればよい。

ここで、鋼管１６で柱１０を囲む方法について説明する。
図３（Ａ）に示すように、先ず、鋼管１６は、予め周方向に分割した第１鋼管５６と、第２鋼管５７の分割部材とされている。第１鋼管５６と第２鋼管５７に分割することで、既築建物の柱１０を外から囲み、囲んだ状態で接合することができる。
第１鋼管５６と第２鋼管５７は、いずれも、各辺の長さが柱１０の幅Ｄより大きく、柱１０の周囲に所定の隙間ｄが確保できる寸法でＬ字状に形成されている。

次に、第１鋼管５６と第２鋼管５７で既築建物の柱１０を外側から囲み、接合部を溶接接合する。
即ち、第１鋼管５６の端部５６Ｔと第２鋼管５７の側面５７Ｓ、及び第１鋼管５６の側面５６Ｓと第２鋼管５７の端部５７Ｔを突き合わせて溶接接合する。
これにより、鋼管１６で既築建物の柱１０を囲むことができる。

なお、分割方法は、図３（Ａ）に限定されることはなく、図３（Ｂ）に示すように、柱１０の３つの側面を囲む第１鋼管６５と、柱１０の１つの側面を囲む第２鋼管６６の２つに分割してもよい。また、図示は省略するが柱１０の４つの側面に対応させて、４つの平板部分に分割することも可能である。

いずれの分割であっても、分割部材で柱１０を囲み、柱１０を囲んだ後にそれぞれ接合部で接合し、鋼管１６とする。これにより、接合された鋼管１６で既築建物の柱１０の座屈を抑制できる。

なお、以上説明した鋼管１６は、ボックス状の断面形状として説明したが、ボックス状に限定されることはなく、柱１０の断面形状に対応して選択すればよい。例えば柱１０の断面形状が円形の場合には、断面形状が円形の鋼管がよい。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る柱構造２８は、第１の実施の形態とは反対に、吹き抜け構造の既存建物を改築して中間層梁を追加する場合の柱構造である。

図４に示すように、柱構造２８は、柱１０と柱１０を囲む鋼管２６を有している。第１の実施の形態と共通する部分の説明は省略する。
柱１０は、３層分の高さの部材長とされ、上方の梁１２と下方の梁１５を支持している（図示は省略）。梁１２と梁１５には、それぞれスラブ１３、１４が設けられている。

また、上方の梁１２と下方のスラブ１４の間には中間層梁１８、２０が設けられ、中間層梁１８、２０には、それぞれスラブ１７、１９が設けられている。

鋼管２６は、ボックス状の断面形状とされ、所定の隙間ｄを開けて柱１０の周囲を囲んでいる。また、鋼管２６の下端部は、スラブ１４の上面に設けられた支持ピース２４に支持され、梁１２の下面と所定の隙間ｈを開けた高さまでの部材長とされている。

支持ピース２４は、矩形枠を分割して構成されており、柱１０の両側から柱１０を囲んでスラブ１４の上面に配置される。

鋼管２６は、中間層梁１８、２０を支持する軸力を備え、鋼管２６と中間層梁１８、２０の仕口部には、鋼管２６の肉厚を外周方向に所定の高さで厚くした、増厚部２１、２２が設けられている。
増厚部２１は中間層梁１８の端部と接合され、増厚部２２は中間層梁２０の端部と接合される。

図５に示すように、増厚部２２は、内径が鋼管２６の内径と同じとされ、鋼管２６より肉厚が厚い、長さＬの筒で形成されている。増厚部２２の長さＬは、中間層梁２０の成とスラブ１９の厚さを合計した厚さＷより大きい寸法とされ、中間層梁２０との接合強度を確保している。

なお増厚部２２の両端は１階分の長さの鋼管２６の端部と突合せ溶接で接合する。
次に、増厚部２２と中間層梁２０の接合は、増厚部２２の外周面に中間層梁２０の端部を突き当て、溶接で接合する（突当部Ｐ）。若しくは、アングル材６０を利用して、増厚部２２と中間層梁２０をボルト接合する（接合部Ｑ）。

これにより、中間層梁１８、２０を鋼管２６で支持することができる。
これにより、中間層梁１８、２０の荷重が、鋼管２６、支持ピース２４、スラブ１４、梁１５を通じて柱１０に伝達される。

なお、支持ピース２４は、柱１０の側面に直接固定してもよい。これにより、支持ピース２４の上面で鋼管２６の下端を支持し、支持ピース２４がスラブ１４、梁１５を介さずに、荷重を直接柱１０に伝達できる。

このように、柱構造２８は、改築で追加された中間層梁１８、２０の荷重を鋼管２６で支持し、柱１０に新たな荷重を加えることはない。これにより、柱１０に座屈が生じることはなく、吹き抜け構造として設計された建物に中間層梁１８、２０を追加できる。

次に柱構造２８の荷重変形特性の確認結果を説明する。
図６に示すように、荷重変形特性の試験装置３０は、第２の実施の形態に係る柱構造２８を中央部に配置している。

柱１０は、下部が試験装置３０の下部支持部３８に固定され、上部が上部支持部３６に固定されている。
鋼管２６の増厚部２１、２２には中間層梁１８、２０の一端が接合され、中間層梁１８、２０の他端は、柱構造２８の両側に設けられた中間支持柱３４に取付けられている。なお、中間層梁１８、２０にはスラブは設けられていない。

中間支持柱３４の上端と上部支持部３６の上側端部は荷重伝達部３３で連結されている。荷重伝達部３３の端部と中間支持柱３４の上端は第１ピン４０で、支持柱３４の下端と設置面に設けられた基礎支持部３９は第２ピン４２で、中間支持柱３４と中間層梁１８、２０の端部は第３ピン４４でそれぞれ回動自在に接合されている。

荷重伝達部３３の上部には荷重付加部３２が取付けられ、荷重付加部３２により荷重伝達部３３に荷重が加えられる。上部支持部３６は、柱１０を固定した状態で、加えられた荷重に従い柱の上部に変形を加える。

具体的には、荷重付加部３２は、柱１０に軸力Ｎを加えた状態で水平力Ｑを付加する。
水平力Ｑの付加は、例えば右方向への変位を＋、左方向への変位を−として、荷重伝達部３３を通じて荷重付加部３２の水平方向の移動により行う。このとき、下部支持部３８は設置面に固定されており移動しない。これにより、下部支持部３８と上部支持部３６の間には変位が生じ、柱１０が変形角θで変形する。

このとき、中間支持柱３４は、上端が第１ピン４０で、下端が第２ピン４２で接続されているため、中間支持柱３４の移動は、柱１０と同じように移動する。これに伴い、中間層梁１８、２０も、高さ方向の距離に比例して左右に移動し、実際の地震を想定した荷重変形特性が確認できる。

なお、変形角θは、鋼管２６の表面に複数個取付けた変位計で計測している。
次に、試験結果について説明する。一例として軸力比（Ｎ／Ｑ）が０．６のときの試験結果を図７に示す。図７において、横軸Ｒは変形角θ（１／１０００ｒａｄ）であり、縦軸Ｑは水平力（ＫＮ）である。

図７に示すように、加えた水平力Ｑに直線状に比例して変形角θが増大しており、柱１０が座屈することなく、軸力Ｎを受けた状態で水平力Ｑの変化に追従していることがわかる。

なお、軸力Ｎは柱１０が座屈する大きさであり、鋼管１６が設けられていない場合の柱１０は、水平力Ｑを加えなくて、軸力Ｎを加えたのみの段階で座屈する。

また、図示は省略するが、中間層梁１８、２０が設けられていない場合でも、加えた水平力Ｑに直線状に比例して変形角θが増大し、柱１０が座屈なく、水平力Ｑの変化に追従していることを確認している。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る柱構造４６は、第２の実施の形態で説明した増厚部２１、２２に替えて、鋼管５２に設けたダイアフラムで中間層梁１８、２０を支持する構成である。第２の実施の形態と異なる点についてのみ説明する。

図８に示すように、第３の実施の形態に係る柱構造４６は、柱１０と柱１０を囲む鋼管５２を有している。
鋼管５２は、ボックス状とされ、柱１０の表面から所定の隙間ｄを開けて、柱１０を囲んでいる。鋼管５２の外周面の中間層梁２０との仕口部には、ダイアフラム５４が取付けられている。

ダイアフラム５４は、中間層梁２０と同じ成でフランジが台形状のＨ型鋼とされ、鋼管５２と接合する側のフランジ幅が鋼管５２の幅Ｄより大きく、中間層梁２０との接合部においては中間層梁２０とのフランジ幅と同じ寸法で形成されている。

ダイアフラム５４は、鋼管５２の４つの側面から、中間層梁２０の方向に向けて、部材長Ｓで延出されている。
ダイアフラム５４の、フランジ幅が広い側に端部を鋼管５２の表面に溶接接合し、鋼管５２の幅Ｄより大きい部分は、隣接するダイアフラム５４の端部同士で接合されている。

ダイアフラム５４の、フランジ幅が狭い側の端部は中間層梁２０の先端部と隙間を有してほぼ突き合わされ、突き合わされた状態で、ウェブ同士はスプライスプレート６２を利用してボルト接合され、フランジ同士はスプライスプレート６４を利用してボルト接合されている。

これにより、中間層梁２０から伝えられる荷重は、ダイアフラムを介して鋼管５２に伝えられ、鋼管５２から支持ピース２４（図４参照）及び下方のスラブ１４又は下方の梁１５を介して柱１０に伝えられる。

なお、中間層梁１８と鋼管５２の仕口も同じ構成である。
また、上方のスラブ１３が梁１２で支持され、下方のスラブ１４が梁１５で支持されているとして説明したが、スラブ１３、１４を設けないで梁１２、１５のみの構成でもよい。また、梁がないスラブ構成でもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る柱構造の基本構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る柱構造の座屈の抑制原理を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る分割鋼管構造の基本構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る柱構造の基本構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る柱構造の増厚部の詳細を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る柱構造の性能検証装置を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る柱構造の性能検証結果を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る柱構造のダイアフラムの詳細を示す図である。 従来例の柱構造の基本構成を示す図である。

符号の説明

８ 柱構造（第１実施形態）
１０ 柱
１２ 梁（上方）
１３ スラブ（上方）
１４ スラブ（下方）
１５ 梁（下方）
１６ 鋼管（第１実施形態）
１７ スラブ（中間層）
１８ 梁（中間層）
１９ スラブ（中間層）
２０ 梁（中間層）
２１ 調速器（増厚部）
２２ 調速器（増厚部）
２４ 支持ピース（鋼管支持部材）
２６ 鋼管（第２実施形態）
２８ 柱構造（第２実施形態）
４６ 柱構造（第３実施形態）
５６ 第１鋼管（分割鋼管）
５７ 第２鋼管（分割鋼管）
ｄ 所定の隙間
ｈ 所定の隙間

Claims (4)

1. 梁が接続される柱と、
   上方の梁と下方の梁又は梁上のスラブの間にある前記柱を所定の隙間を開けて周囲を囲み、前記上方の梁の下面と所定の隙間を開けて配置された鋼管と、
   を有する建物。
2. 前記鋼管に設けられ、前記上方の梁と前記下方の梁又は梁上のスラブの間に設けられた中間層梁を支持する梁支持部と、
   前記下方の梁又は梁上のスラブに設けられ、前記鋼管の下端部を支持する鋼管支持部材と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の建物。
3. 前記鋼管は、前記鋼管を周方向に分割した分割部材で、前記柱を外から囲んで接合したことを特徴とする請求項１又は２に記載の建物。
4. 前記柱は、既存建物の柱であることを特徴とする請求項３に記載の建物。

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