JP2015001123A - 鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄骨梁とコンクリート柱の接合部におけるコンクリート柱表面のコンクリートのひび割れを少ないコストや労力で防止することができる鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造を提供する。
【解決手段】構造躯体となる構造部２１と構造部２１の外周にコンクリートが増し打ちされて形成されたふかし部２２とを備えるコンクリート柱２に鉄骨梁１が接合されている鉄骨梁１とコンクリート柱２の接合構造において、ふかし部２２には、鉄骨梁１の周面に沿って目地４が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄骨梁とコンクリート柱の接合部におけるコンクリート柱表面のコンクリートのひび割れを防止するための構造に関する。

鉄骨梁とＲＣ造やＳＲＣ造のコンクリート柱とを組み合わせた構造はコストメリットの多い構造として知られている。
この鉄骨梁とコンクリート柱の接合部では、鉄骨梁がコンクリート柱に埋込まれた構造となっていて、通常の設計において想定される限界層間変形角（Ｒ＝１／１００〜１／５０ｒａｄ．）よりも小さな層間変形角の変形が生じた場合でも、鉄骨梁がコンクリート柱表面のコンクリートを支圧してしまい、ひび割れが生じてしまう場合がある。

このように小さな層間変形角でひび割れが生じた場合、構造躯体としては問題なく健全であってもひび割れの補修を行う必要があるため、ひび割れの補修にコストや労力がかかっている。
このため、鉄骨梁とコンクリート柱の接合部において、超高強度繊維補強コンクリートを用いた変形可能なプレキャストブロックをコンクリート柱の鉄骨梁に接する部分に設置し、このプレキャストブロックに層間変形による鉄骨梁の変形を吸収させることでコンクリート柱表面のコンクリートのひび割れを防止する方法がある（例えば特許文献１参照）。
また、鉄骨梁とコンクリート柱の接合部において、コンクリート柱の無筋部分にＬ字形またはコの字形の差し筋を配筋して補強し、ひび割れを抑制する方法もある（例えば特許文献２参照）。

特開２０１１−５８２９３号公報 特開平１１−６１９８号公報

しかしながら、特許文献１のような方法では、超高強度繊維補強コンクリートを用いたプレキャストブロックという特殊材料を必要とするため、材料の準備にコストや労力がかかるという問題がある。
また、特許文献２のような方法においても、差し筋の配筋にコストや労力がかかるという問題がある。更に、この方法は差し筋によってひび割れ幅を低減させる方法であるためひび割れ発生自体は防止できないとともに、差し筋が設置された部分では鉄筋が密集するためコンクリートの充填性が悪くなるという問題もある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、鉄骨梁とコンクリート柱の接合部におけるコンクリート柱表面のコンクリートのひび割れを少ないコストや労力で防止することができる鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造は、構造躯体となる構造部を有するコンクリート柱の内部に端部を埋め込むことにより鉄骨梁が接合されている鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造において、前記コンクリート柱の外周には、前記鉄骨梁の周面に沿って目地が設けられていることを特徴とする。

本発明では、構造物の層間変形により鉄骨梁が変形したときに、コンクリート柱の外周において目地が鉄骨梁の変形を吸収できるため、コンクリート柱の表面のコンクリートに支圧ひび割れが生じる事を防止することができる。
また、ひび割れ防止の構造が目地を設けるという簡易な構成であるため、材料の支給や施工を容易に行うことができ、少ないコストや労力でコンクリート柱のコンクリートのひび割れを防止することができる。

また、本発明に係る鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造では、前記コンクリート柱は、前記構造部の外周にコンクリートが増し打ちされて形成されたふかし部と、を備え、前記目地は、前記ふかし部の厚さ内の範囲に設けられていることが好ましい。

この場合には、構造躯体とならないふかし部に目地を設けていることにより、構造躯体の断面欠損にならず建物の強度に影響がないため、目地の設計を行いやすい。

また、本発明に係る鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造では、前記目地の幅は、前記ふかし部における前記鉄骨梁の設計上想定される鉛直変形量の値以上とすることが好ましい。

このようにすることにより、構造物の層間変形により鉄骨梁が変形したときに、この変形を目地が吸収するため、ふかし部のコンクリートのひび割れを確実に防止することができる。

本発明によれば、構造物の層間変形により鉄骨梁が変形したときに、目地が鉄骨梁の変形を吸収でき、ひび割れ防止の構造が目地を設けるという簡易な構成であるため、鉄骨梁とコンクリート柱の接合部におけるコンクリート柱表面のコンクリートのひび割れを少ないコストや労力で防止することができる。

（ａ）は本発明の実施形態による鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造の一例を示す図で、（ｂ）のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ方向矢視図、（ｃ）は（ａ）のＣ部分の拡大図である。 図２はおける各記号の定義を説明する図である。 （ａ）は、鉄骨梁のフェイス位置の鉛直変形量の算出方法の過程における鉄骨梁を説明する図、（ｂ）は（ａ）の拡大図である。 鉄骨梁の断面二次モーメントＩ_１と埋込み部分の等価断面二次モーメントＩ_２の比（Ｉ_２／Ｉ_１）と、鉄骨梁と柱コンクリートのヤング係数比（Ｅ_ｓ／Ｅ_ｃ）と鉄骨梁の梁成と埋込み長さ比（ｄ／ｈ）との関係を示す図である。 梁変形角_ｂＲ（＝_ｂδ／L）と鉄骨梁のフェイス位置の鉛直変形量_ｆδの関係および（解−２)式による計算値および（解−５）式による計算値を示す図である。 （解−６）式による計算値と実験値の対応および（解−５）式との対応を示す図である。 鉄骨梁にふさぎ板が設けられている場合の鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態による鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造について、図１乃至図７に基づいて説明する。
図１（ａ）乃至（ｃ）に示すように、本実施形態による鉄骨梁１とコンクリート柱２との接合構造では、鉄骨梁１とコンクリート柱２との接合部３において鉄骨梁１の端部１ａ（図１（ａ）参照）がコンクリート柱２に埋込まれている。
鉄骨梁１には、例えばＨ形鋼やＩ形鋼などが使用されている。

コンクリート柱２は、ＲＣ造やＳＲＣ造の柱で軸周辺の構造躯体となる構造部２１と、この構造部２１の外周に設けられたふかし部２２とを備えている。なお、コンクリート柱２は、奥行に対して幅の広い壁柱としもよいし、幅と奥行きが同等の柱としてもよい。

構造部２１には、構造上必要な鉄筋や鉄骨（不図示）が設置され、鉄骨梁１の端部１ａが達している。
ふかし部２２は、構造躯体とはならず仕上げ施工上必要な部分であり、コンクリートが所定の厚さに増し打ちされることで形成されている。
本実施形態では、ふかし部２２の厚さを１０〜４０ｍｍ程度としている。
そして、このふかし部２２には、鉄骨梁１の周面１ｂ（フランジ１１およびウェブ１２の周面）に沿って目地４が形成されている。

図１（ｃ）に示すように、目地４は、構造部２１に達しない深さＨの凹部４１に緩衝材４２が配された形態となっている。緩衝材４２には、例えば、発泡ポリスチレンフォーム（スタイロフォーム）やシーリング材などが用いられている。
目地４は、ふかし部２２における設計上想定される鉄骨梁１の鉛直変形を吸収可能に構成されていて、その幅Ｗが設計変形角R_u時に鉄骨梁１のフェイス位置（鉄骨梁１のコンクリート柱２の表面と接する位置）１ｃにおける鉛直変形量_ｆδ_ｕの値以上となるように設定されている。鉄骨梁１のフェイス位置１ｃにおける鉛直変形量_ｆδ_ｕは、ふかし部２２における鉄骨梁１の鉛直変形量となっている。
なお、目地４の深さＨについては目地４の幅Ｗと同等としている。

次に、設計変形角R_u時の鉄骨梁１のフェイス位置１ｃの鉛直変形量_ｆδ_ｕの算出方法について説明する。
設計変形角R_u時の鉄骨梁１のフェイス位置１ｃの鉛直変形量_ｆδ_ｕは次の数式によって算出される。なお、各記号の定義については図２に示す。

鉄骨梁１のフェイス位置１ｃの鉛直変形量_ｆδを算定するためには、鉄骨梁１の埋込み部分１ｄの剛性を評価する必要がある。そこで、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、鉄骨梁１の断面二次モーメントをＩ_１、埋込み部分１ｄの等価断面二次モーメントをＩ_２とし、鉄骨梁１の露出部分１ｅと埋み込部分１ｄとを直列鉄骨梁としてモデル化する。
図３（ｂ）に示す鉄骨梁１のスパン中央部１ｆにせん断力Ｑをかけた場合の鉄骨梁１のフェイス位置１ｃの鉛直変形量_ｆδおよび鉄骨梁１全体の鉛直変形量_ｂδは次式で算定できる。

ここで、_ｂδを_ｆδで除して整理すると、以下の式になる。

（解−２）式中のＩ_２／Ｉ_１について実験結果を回帰して評価する。実験結果の初期剛性_ｅＫからＩ_２／Ｉ_１を算定した。算定式を以下に示す。

算定したＩ_２／Ｉ_１について、鉄骨梁１と柱コンクリート２のヤング係数比Ｅ_ｓ／Ｅ_ｃと鉄骨梁１の梁成と埋込み長さ比ｄ／ｈを評価指標として整理した。その対応を図４に示す。
図４に示すように、評価指標（Ｅ_ｓ／Ｅ_ｃ×ｄ／ｈ）の増加に伴いＩ_２／Ｉ_１は減少している。
ここで、図４に基づき求めたＩ_２／Ｉ_１の回帰式を以下に示す。

上記の（解−４）式は初期剛性に基づく評価式となっている。
架構および鉄骨梁１の変形が進行し、鉄骨梁１のフェイス位置１ｃ近傍が塑性化すると、鉄骨梁１のフェイス位置１ｃの鉛直変形量_fδは増大する。実験で得られた梁変形角_ｂＲ（＝_ｂδ／L）と鉄骨梁１のフェイス位置１ｃの鉛直変形量_ｆδの関係および（解−２)式による計算値を図５に示す。

そして、図５に示すように、鉄骨梁１の全塑性耐力時の変形_ｂＲ_ｐ(＝０．５３％)を越える領域では、実験値は計算値を上回ることがわかる。そこで、鉄骨梁１の全塑性耐力時の変形_ｂＲ_ｐ以降の変形領域について、変形角４．０％時の実験値_ｅ−ｆδ_４．０％と計算値_{ｃａｌ−ｆ}δ_４．０％が一致するように、変形増大率αを算定した。αの算定式を以下に示す。

続いて、鉄骨梁１の全塑性耐力以降の変形増大率を考慮した鉛直変形量_ｆδの算定式を以下に示す。

続いて、図５に（解−５）式による計算値を併せて示す。
図５に示すように、（解−５）式による計算値は、鉄骨梁１の全塑性耐力以降も実験結果と良い対応を示している。設計では鉄骨梁１の全塑性耐力による場合わけをせず、鉄骨梁１の全塑性耐力前の変形領域においても一律にα＝２．５として計算すれば、安全性の評価として簡略化できる。
鉛直変形量_ｆδの略算式を以下の（解−６）式に示す。

続いて、（解−６）式による計算値と実験値の対応および（解−５）式との対応を図６に示す。図６に示すように、（解−６）式は実験値を安全側に評価できることが分かる。

なお、（４）式では、簡略化のため層間変形角の全てが鉄骨梁１の変形によるものとして算定している。実際にはコンクリート柱２およびパネル部の変形が発生するため、相対的に鉄骨梁１の変形角は小さくなる。したがって、（４）式を用いて目地４の幅Ｗを決定すれば、さらに安全側の設計となる。

次に、実建物を想定して目地４の幅Ｗの算出を行う。
実建物を想定し，各部材寸法は以下のように設定する。鉄骨梁１はＨ−８００×２５０×１２×２２，埋込み長さｄは１１５０ｍｍ，梁スパン７２００ｍｍ，ＳＲＣ壁柱は幅２５００ｍｍ，厚さ５５０ｍｍとする。コンクリートの設計規準強度は３６Ｎ／ｍｍ^２とする。鉄骨梁１の梁クリアスパンはｌ＝(７２００−２５００)／２＝２３５０ｍｍとする。想定する鉄骨梁１の終局変形角Ｒｕ＝２．０％とし，鉄骨梁１全体の鉛直変形量_bδ_u＝７２００／２×２／１００＝７２ｍｍとする。
目地４の幅Ｗの算出式を以下に示す。

以上より，必要な目地幅は２０ｍｍである。
このように、必要な目地４の幅Ｗを２０ｍｍとした場合、上述したように目地４の深さＨも幅Ｗと同等で２０ｍｍに設定することができ、例えばコンクリート柱２のふかし部２２の厚さ内の範囲に目地４が設けられることになり、コンクリート柱２の断面欠損に影響しない構造を実現することができる。

次に、本実施形態による鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造の作用効果について図面を用いて説明する。
図１（ａ）乃至（ｃ）に示すように、本実施形態による鉄骨梁１とコンクリート柱２との接合構造によれば、構造物の層間変形により鉄骨梁１が変形したときに、ふかし部２２において目地４が鉄骨梁１の変形を吸収できるため、ふかし部２２のコンクリートに支圧ひび割れが生じる事を確実に防止することができるという作用効果を奏する。
また、構造躯体とならないふかし部２２に目地４を設けていることにより、構造躯体の断面欠損にならず建物の強度に影響がないため、目地４の設計を行いやすい。
また、ひび割れ防止の構造が目地４を設けるという簡易な構成であるため、材料の支給や施工を容易に行うことができ、少ないコストや労力でふかし部２２のコンクリートのひび割れを防止することができる。

以上、本発明による鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述した実施形態では、目地４の幅Ｗを計算式を基に算出しているが、計算を行わずに構造実験の結果から設定してもよい。
また、本実施形態では目地４の深さＨを目地４の幅Ｗと同等としているが、異なる寸法としてもよい。なお、鉄骨梁１のコンクリート柱２への埋込み部分１ｄの長さが一定であれば目地４の深さＨが深いほど鉄骨梁１の変形によるコンクリート柱２の表面へのひび割れ進展が回避される。また、かぶりが厚い場合は、目地４の深さＨの最低限の目安としては、一般的なひび割れ誘発目地と同じように２０ｍｍ程度とすることが好ましい。
また、図７のように鉄骨梁１の上下のフランジ１１，１１間にふさぎ板５が設けられている場合は、ふさぎ板５の外周に沿って目地４を設けてもよい。

１ 鉄骨梁
１ａ 端部
１ｃ フェイス位置
２ コンクリート柱
３ 接合部
４ 目地
５ ふさぎ板
１１ フランジ
１２ ウェブ
２１ 構造部
２２ ふかし部
Ｈ 目地の深さ
Ｗ 目地の幅

Claims (3)

1. 構造躯体となる構造部を有するコンクリート柱の内部に端部を埋め込むことにより鉄骨梁が接合されている鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造において、
   前記コンクリート柱の外周には、前記鉄骨梁の周面に沿って目地が設けられていることを特徴とする鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造。
2. 前記コンクリート柱は、前記構造部の外周にコンクリートが増し打ちされて形成されたふかし部と、を備え、
   前記目地は、前記ふかし部の厚さ内の範囲に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造。
3. 前記目地の幅は、前記ふかし部における前記鉄骨梁の設計上想定される鉛直変形量の値以上とすることを特徴とする請求項２に記載の鉄骨梁とコンクリート柱の接合構造。
   
   

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