JP2010007250A - 柱及び建物 - Google Patents

Abstract

【課題】断面積を小さくしても座屈が生じにくく、かつ、任意に水平剛性を設定できる柱及び建物を提供する。
【解決手段】柱１０は、鉛直荷重を支持する芯材１２を有し、芯材１２はアングル材２６と十字状に形成された十字部材２８で構成されている。芯材１２の周囲は、鞘管１４で囲まれ、鞘管１４はボックス状の断面形状とされ、芯材１２を緊切して囲んでいる。芯材１２と鞘管１４は接合されていない。鞘管１４は、芯材１２の水平方向の変形を抑制する強度を備え、芯材１２より短い寸法とされている。芯材１２と鞘管１４の上部にはソケット１６が設けられ、ソケット１６は、筒部１６Ａと筒部１６Ａの一端を閉じる蓋部１６Ｂを備えている。筒部１６Ａは、芯材１２及び鞘管１４の上部を囲み、蓋部１６Ｂは、芯材１２の上面に支持され、鞘管１４の上面と蓋部１６Ｂの間には、隙間Ｓが開けられている。筒部１６Ａの外面には梁１８が接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、座屈耐力と独立して、水平剛性若しくは変形性能の設定が可能な柱及び建物に関する。

柱は、支持する梁や上部の柱から加えられる、鉛直荷重、地震時の水平荷重、及び曲げモーメントに耐える座屈耐力、水平剛性、及び曲げ耐力を備えていることが求められている。

この結果、柱の外形寸法は大きなものとなり、建物の内部に形成された空間を平面視した場合、空間面積に占める柱の断面積の割合は少なくない。柱の断面積が大きいことによる問題点としては、建物内の有効に活用できる空間が減少する、空間のレイアウトが制限される、視界が遮られ開放感が減少する、階高の高い居室が造りにくい等が挙げられる。

また、柱の水平剛性が大きいと、建物の固有周期を長周期として、地震時の応答速度を低減することができない。
かかる背景から、必要な座屈耐力を備えると共に、水平剛性を任意に設定できる柱が求められている。

ここで、柱の座屈を生じにくくする方法としては、柱の周囲を鋼管で囲み、柱と鋼管の二重構造とする構成が提案されている（特許文献１）。
特許文献１は、火災時に、熱で柱の座屈耐力が低下するのを遅くさせるために、柱の周囲を鋼管で囲み、柱の周囲に空間を設けて熱から遮断したものである。

即ち、図９に示すように、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。

このような構成とすることで、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のそれぞれに加わり、柱の座屈耐力が増す。

しかし、特許文献１の構成では、外側鋼部材１の追加により柱の断面積は大きくなってしまう。また、座屈耐力を維持するために、柱の水平剛性は一定値以上が要求されるため、水平剛性を任意に設定することはできない。
特開平５−３０２３９９号公報

本発明は、上記事実に鑑み、断面積を小さくしても座屈が生じにくく、かつ、任意に水平剛性を設定できる柱及び建物を提供することを目的とする。

請求項1に記載の発明に係る柱は、芯材と、前記芯材より長さを短くされ、前記芯材を囲む鞘管と、筒部と前記筒部の一端を閉じる蓋部を備え、前記蓋部が前記芯材の上面に該心材へ荷重を伝達可能に支持されて、前記筒部で前記芯材及び前記鞘管の上部を囲み、前記筒部の外面に梁が接合されるソケットと、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、鞘管は芯材より短いため、鉛直荷重は鞘管には作用せず、すべて芯材に作用する。
芯材が鉛直荷重により圧縮され、曲げ変形が生じようとしたとき、芯材の外面が周囲を囲む鞘管の内面に当り、芯材のそれ以上の変形が鞘管で拘束される。この結果、芯材が鉛直荷重で座屈することはなく、加えられた鉛直荷重は下方に伝達される。

鉛直荷重が作用した状態で、地震等によって建物に水平荷重が作用した場合、ソケットを介して鞘管の外面が水平荷重を受け、芯材には作用しない。
これにより、芯材が水平剛性を備えていなくても、芯材が水平荷重で座屈することはない。

また、梁に曲げモーメントが生じた場合には、ソケットの筒部を介して鞘管の上部に曲げ力が加わる。鞘管は、予め定められた曲げ耐力を備えており、また、軸力が作用していないので、大きな変形性能を発揮する。

このように、芯材が鉛直荷重（軸力）を負担し、鞘管が水平荷重と曲げモーメントを負担する構成とすることで、芯材の座屈耐力とは独立して、鞘管の水平剛性若しくは変形性能の設定が可能となる。
また、芯材は、水平荷重と曲げモーメントを負担せず、鞘管は軸力を負担しないため、柱（芯材＋鞘管）の外形寸法を小さくでき、柱内の利用空間が大きくなる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の柱において、前記蓋部の下面と前記鞘管の上面に隙間を設けたことを特徴としている。
請求項２に記載の発明によれば、鞘管の上面と蓋部の下面との間に隙間が開けられている。これにより、軸力が鞘管に伝達されないように、鞘管の下部をゴム等で、軸力を逃がすように支持する必要がない。

請求項３の発明は、請求項２に記載の柱において、前記鞘管の下端部を、前記鞘管を支持するスラブ、梁、又は前記ソケットの蓋部に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、鞘管の下端部がスラブ、梁、又は前記ソケットの蓋部に接合されている。これにより、鞘管の上部が水平荷重や曲げモーメントを受けたとき、鞘管の下端部が接合されているため、水平荷重や曲げモーメントに対して抵抗できる。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の柱において、前記鞘管は、複数の前記鞘管構成部材で前記芯材を側面から囲み、前記鞘管構成部材同士を接合した接合鞘管であることを特徴としている。
請求項４に記載の発明によれば、接合鞘管は、複数の前記鞘管構成部材で芯材を側面から囲み、前記鞘管構成部材同士を接合している。これにより、長い芯材でも、容易に鞘管で囲むことができる。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の柱において、前記ソケットの外面に、前記梁と接続される接合継手を取付けたことを特徴としている。
請求項５に記載の発明によれば、梁と接続される接合継手が、ソケットの外面に取付けられている。
これにより、梁とソケットの接合において、梁と接合継手を接合すればよく、接合作業が容易となる。

請求項６の発明は、建物が、請求項１〜５の何れか１項に記載の柱で構築されたことを特徴としている。
これにより、座屈耐力と独立して、水平剛性若しくは変形性能の設定が可能な柱構造を備えた建物が提供できる。

本発明は、上記構成としてあるので、断面積を小さくしても座屈が生じにくく、かつ、任意に水平剛性を設定できる。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る柱１０は、鉛直荷重を支持する芯材１２を有している。
図１、２に示すように、芯材１２は鉛直荷重を受けるアングル材２６と、鋼板で十字状に形成された十字部材２８で構成されている。

十字部材２８は、芯材１２の長さ方向に所定の間隔で複数個が配置されている。十字部材２８の端部は２枚のアングル材２６で外側から挟まれ、ボルト４８で接合されている。換言すると、アングル材２６の板面２６Ａが４辺の中央に位置するように、８つのアングル材２６で芯材１２が構成されている。

このように、十字部材２８の設置間隔や、アングル材２６の断面積を変えることで、軸力に対する剛性と水平荷重に対する剛性を調整できる。

芯材１２は周囲を鞘管１４で囲まれている。鞘管１４はボックス鋼管とされ、芯材１２を緊切して囲んでいる。ここに、緊切して囲むとは、鞘管１４の側壁１４Ａが芯材１２の板面２６Ａにぴったりとくっ付いた状態で囲むことや、少しの隙間を開けて囲むことをいい、側壁１４Ａと板面２６Ａは接合されていない。

鞘管１４は、芯材１２より短い寸法とされ、芯材１２の座屈変形を抑制する。また、鞘管１４の下端部は、下階の柱２０のソケット２２の蓋部２２Ｂと溶接接合されている。
芯材１２と鞘管１４の上部には、ソケット１６が設けられている。

ソケット１６は、鋼板で成形され、断面が矩形状の筒部１６Ａと、筒部１６Ａの一端を閉じる蓋部１６Ｂを備えている。ソケット１６は、芯材１２と鞘管１４の上方から被せられ、筒部１６Ａは芯材１２及び鞘管１４の上部を囲み、蓋部１６Ｂは芯材１２の上面に支持されている。このとき、芯材１２と鞘管１４の下端部は、ソケット２２の蓋部２２Ｂに支持され、鞘管１４は芯材１２より短いため、鞘管１４の上面と蓋部１６Ｂの間には、隙間Ｓが開けられている。

また、筒部１６Ａの外面にはＨ型鋼の梁１８が接合され、芯材１２が筒部１６を介して梁１８を支持している。

上記構成とすることにより、建物（図示せず）からの鉛直荷重（軸力）Ｐは、鞘管１４には作用せず、筒部１６を介し芯材１２に伝達される。芯材１２は、以下に示す座屈補剛効果により、座屈に至ることはない。

詳細には、図３（Ａ）に示すように、芯材１２を断面剛性に比べて長さＬが長い形状としている。このため、建物の構造上必要とされる軸力Ｐ２より小さい軸力Ｐ１で座屈する。

しかし、図３（Ｂ）に示すように、芯材１２を鞘管１４で囲めば、芯材１２が曲げられたとき、芯材１２の外面が鞘管１４の内面に当り、芯材１２のそれ以上の変形が鞘管１４で拘束される。この結果、芯材１２にそれ以上の変形は生じず、座屈に至ることはない（座屈補剛効果）。

また、図３（Ｃ）に示すように、軸力Ｐ２が加わった状態で、地震等により建物に水平荷重が生じた場合、芯材１２と鞘管１４の上部に水平荷重Ｈが付加される。このとき、芯材１２と鞘管１４の水平剛性が低いと座屈に至る。

しかし、鞘管１４には軸力Ｐが作用していないので、水平荷重Ｈに対して大きな変形性能を発揮できる。鞘管１４が水平荷重Ｈに耐える水平剛性を発揮すれば、芯材１２が水平剛性を有していなくても、水平荷重Ｈにより座屈することはない。

また、図４に示すように、柱１０が、梁１８に生じた曲げモーメントＭ１、Ｍ２を受けることも考えられるが、鞘管１４に予め曲げモーメントＭ、Ｍ２に対抗できる曲げ耐力を持たせておくことで、芯材１２が曲げ耐力を備えていなくても、曲げモーメントＭ１、Ｍ２で柱１０が座屈することはない。

ここに、従来の柱は、単一の柱材に、軸力Ｐ、水平荷重Ｈ、及び曲げモーメントＭ１、Ｍ２に耐える耐力を要求していたため、材料剛性と幾何学的条件により決定される値で柱の断面積が決定され、柱を細くすることはできなかった。

これに対し、上述したように、芯材１２が鉛直荷重（軸力Ｐ２）を負担し、鞘管１４が水平荷重Ｈと曲げモーメントＭを負担する構成とすることで、柱１０（芯材１２＋鞘管１４）の断面積を小さくでき、建物内の利用空間が大きくなる。更に、芯材１２の座屈耐力とは独立して、鞘管１４の水平剛性若しくは変形性能の設定が可能となる。

また、鞘管１４の下端部がソケット１６の蓋部１６Ｂに接合されているため、鞘管１４の上部が水平荷重Ｈや曲げモーメントＭを受けたとき、水平荷重Ｈや曲げモーメントＭに対して抵抗できる。

なお、鞘管１４で芯材１２を囲む方法は、図２（Ａ）に示したように、鞘管１４の片方の端部から、芯材１２を順次中に引き入れてゆけばよい。しかし、鞘管１４と芯材１２は緊切していることから、引き入れ作業は困難を伴う。以下に示すように、鞘管１４を分割して芯材１２を囲む方法が望ましい。

図５に示すように、鞘管３０は、ボックス状の１側面を長手方向に分割した第１鞘管３０Ａと、残りの３つの側面を有する第２鞘管３０Ｂの２つの分割鋼材とされている。先ず、第２鞘管３０Ｂで芯材１２を外から囲み、囲んだ状態で第１鞘管３０Ａで、第２鞘管３０Ｂの開放された側面を塞いで接合し、接合鞘管３０とする。これにより、容易に芯材１２を囲むことができる。

なお、分割方法は、図５に限定されることはなく、図６（Ａ）に示すように、２つの側面を有する第３鞘管３０Ｃの形状に分割してもよい。
また、図６（Ｂ）に示すように、芯材１２を構成するアングル材２６の板面２６Ａに対応させて、平板状の第３鞘管３０Ｄに分割してもよい。

いずれの分割であっても、分割鋼材で芯材１２を囲み、芯材１２を囲んだ後にそれぞれ接合部で接合すれば、接合鞘管３０が得られる。

なお、芯材１２は、組立タイプで説明したが、これに限定されることはなく、Ｈ型鋼、角形断面のほか、丸パイプ形状、中実断面など、さまざまな形状が使用できる。

また、以上説明した鞘管１４及び接合鞘管３０は、ボックス状の断面形状としたが、ボックス状に限定されることはなく、芯材１２の外表面の形状に対応させて選択すればよい。例えば芯材１２の断面形状が丸パイプ形状の場合には、断面形状が円形の鞘管がよい。

また、鞘管１４の下端部は、ソケット１６の蓋部１６Ｂでなく、スラブや梁に接合されていてもよい。
なお、高強度な鋼材を心材１２、鞘管１４に使用することで、小さい断面積で必要な軸耐力、水平耐力、及び曲げ耐力を確保できる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る柱３４は、第１の実施の形態におけるソケット１６に梁１８との接合継手を取付けた構成である。他は、第１の実施の形態におけるものと同じである。

図７に示すように、柱３４の芯材１２と鞘管１４の上部にはソケット４４が設けられ、ソケット４４の蓋部４４Ｂは芯材１２で支持されている。
ソケット４４の筒部４４Ａの外面には、梁１８と接合される接合継手３６が取付けられている。

接合継手３６は、梁１８と同じＨ型鋼で形成され、一端はソケット４４の側面に溶接接合され、他端は梁１８とボルト接合される。接合継手３６の、梁１８とボルト接合される端部には、接合用の貫通孔４０が開けられている。

これにより、現場でのソケット４４と梁１８の溶接接合作業がなくなり、梁１８と接合継手３６を、継手プレート５６を介してボルト接合する作業となり、接合作業が容易となる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る柱５０は、第１の実施の形態において鞘管１４の上面に設けた隙間部Ｓを、鞘管１４の下面に位置させた構成である。他は、第１の実施の形態と同じ構成である。

図８に示すように、芯材１２を囲む鞘管５２は、芯材１２より短い長さとされ、鞘管５２の下面には、鉛直方向に弾性を有する、厚さＳの弾性支持部材５４が設けられている。

弾性支持部材５４により、鞘管５２は持ち上げられ、上面は芯材１２の上面と同じ高さに設定され、鞘管５２の上面とソケット１６の蓋部１６Ｂとの間に隙間部Ｓはない。
これにより、ソケット１６を介して鞘管５２が鉛直荷重Ｐを受けても、弾性支持部材５４が変形して吸収する。これにより、鞘管５２に軸力が作用しづらい。
また、地震時の水平荷重Ｈや、曲げモーメントＭ１、Ｍ２が発生しても、芯材１２と鞘管５２が緊切しており、水平耐力、曲げ耐力を発揮する。

（第４の実施の形態）
以上説明した、第１〜第３の実施の形態に係る柱１０、３４、又は５０を用いて、建物を構築することができる（図は省略）。柱１０、３４、又は５０は、従来の柱より断面積が小さいので、室内の利用面積が広い建物を提供できる。

更に、建物の固有周期が長周期となるように、柱１０、３４、又は５０の芯材１２及び鞘管１４、３０、５２の水平剛性を設定できる。建物の固有周期を長周期に設定すれば、地震時の応答速度を低減できる。

本発明の第１の実施の形態に係る柱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の芯材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柱の曲げ耐力を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る柱の鞘管の構造を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る柱の鞘管の構造を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る柱の基本構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る柱の基本構成を示す図である。 従来例の鋼管で囲まれた柱の基本構成を示す図である。

符号の説明

１０ 柱
１２ 芯材
１４ 鞘管
１６ ソケット
１８ 梁
３０ 接合鞘管（分割鋼材）
３６ 接合継手
５４ 弾性支持部材

Claims (6)

1. 芯材と、
   前記芯材より長さを短くされ、前記芯材を囲む鞘管と、
   筒部と前記筒部の一端を閉じる蓋部を備え、前記蓋部が前記芯材の上面に該心材へ荷重を伝達可能に支持されて、前記筒部で前記芯材及び前記鞘管の上部を囲み、前記筒部の外面に梁が接合されるソケットと、
   を有する柱。
2. 前記蓋部の下面と前記鞘管の上面に隙間を設けた請求項１に記載の柱。
3. 前記鞘管の下端部を、前記鞘管を支持するスラブ、梁又は前記ソケットの蓋部に接合した請求項２に記載の柱。
4. 前記鞘管は、複数の鞘管構成部材で前記芯材を側面から囲み、前記鞘管構成部材同士を接合した接合鞘管である請求項１〜３のいずれか１項に記載の柱。
5. 前記ソケットの外面に、前記梁と接合される接合継手を取付けた請求項１〜４のいずれか１項に記載の柱。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の柱で構築された建物。

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