JP2015203199A - Ｈ型鋼柱の補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】曲げ方向によらず、全方向において均等な曲げ耐力を備えた補強柱を構成できるＨ型鋼柱の補強構造を提供する。【解決手段】対向する一対のフランジ２，３と、その対向間隔内に設けたウエブ４とによって断面形状をＨ型としたＨ型鋼柱１の外周を囲い鋼板５で囲み、この囲い鋼板５で囲んだ内側にグラウト材７を充填するとともにグラウト材７に軸方向筋６ａ〜６ｄを埋設して補強柱を構成するＨ型鋼柱１の補強構造において、ウエブ４に平行な面側に配置する軸方向筋の総合曲げ耐力を、フランジ２，３に平行な面側に配置する軸方向筋の総合曲げ耐力よりも強くして、補強柱の全方向における曲げ耐力を均等にする。【選択図】図２

Description

この発明は、Ｈ型鋼で構成されたＨ型鋼柱を、事後的に補強するための補強構造に関する。

従来から、Ｈ型鋼柱を事後的に補強する補強構造が知られていた。
例えば、既存のＨ型鋼柱の周囲に、軸方向筋及びフープ筋を配置し、これらをコンクリートに埋め込んで一体化した構造などが知られている（特許文献１の図１０参照）。このような補強構造は、コンクリートによってＨ型鋼柱と、軸方向筋及びフープ筋とが一体化されることによって、柱の強度が向上するものである。

特開２００８−０６９６０６号公報

上記した従来の補強構造は、Ｈ型鋼柱を軸方向筋及びフープ筋とともにコンクリートで固めることによって強度を向上させるものである。
特に、柱の軸線に沿った上記軸方向筋を設けることによって、Ｈ型鋼柱の曲げ耐力を補強することができる。しかし、上記した従来の補強構造では、補強されたＨ型鋼柱の曲げ強度が曲げ方向によって異なってしまうことがある。
なぜなら、Ｈ型鋼柱は、もともと曲り易さに方向性があるのに、上記従来の補強構造では、その方向性を考慮していないからである。

図６に示すように、Ｈ型鋼柱１は、一対のフランジ２，３間に、ウエブ４を備え、断面形状がＨ型の長尺部材である。このようなＨ型鋼は、図６に一点鎖線で示す弱軸ａを中心として柱の軸を曲げる方向、すなわち図中矢印Ａの方向の力には弱く、上記弱軸ａに直交する強軸ｂを中心として柱を曲げる方向、すなわち矢印Ｂの方向の力には強い。
なお、上記弱軸ａは、柱の上下方向である軸線に直交するとともにウエブ４の厚み方向中心を通過する直線であり、上記強軸ｂは、柱の軸線に直交するとともに上記弱軸ａに直交する直線である。

このように、Ｈ型鋼柱１は、曲げ方向によって曲げ耐力に差がでてしまう。しかし、従来の補強構造では、上記のようなＨ型鋼柱１の方向性を考慮しないで、その周囲を均等に補強していた。
そのため、補強後の柱も、Ｈ型鋼柱１の方向性をそのまま引き継いだものとなり、曲げに対するバランスが悪くなってしまうことがあった。
この発明の目的は、曲げ方向によらず、全方向において均等な曲げ耐力を備えた補強柱を構成できるＨ型鋼柱の補強構造を提供することである。

第１の発明は、対向する一対のフランジと、その対向間隔内に設けたウエブとによって断面形状をＨ型としたＨ型鋼柱の外周を囲い鋼板で囲み、この囲い鋼板で囲んだ内側にグラウト材を充填するとともに上記グラウト材に軸方向筋を埋設して補強柱を構成するＨ型鋼柱の補強構造において、上記ウエブに平行な面側に配置する軸方向筋の総合曲げ耐力を、フランジに平行な面側に配置する軸方向筋の総合曲げ耐力よりも強くして、補強柱の全方向における曲げ耐力を均等にしたことを特徴とする。
なお、上記Ｈ型鋼柱を構成するＨ型鋼は、一対のフランジとウエブからなる鋼材からなるものであれば、フランジとウエブとの寸法関係は特に限定されない。例えば、ウエブに比べてフランジの幅が小さく、断面形状がＩ型の所謂Ｉ型鋼も、上記Ｈ型鋼に含むものとする。
また、補強された柱を「補強柱」ということにする。

第２の発明は、上記ウエブに平行な面側に配置する軸方向筋の本数を、フランジに平行な面側に配置する軸方向筋の本数よりも多くしたことを特徴とする。

第３の発明は、上記ウエブに平行な面側に配置する各軸方向筋の太さを、フランジに平行な面側に配置する各軸方向筋の太さよりも太くしたことを特徴とする。

第４の発明は、当該Ｈ型鋼柱の軸線に直交するとともに上記ウエブの厚み方向中心を通る直線を弱軸とするとともに、この弱軸及び上記柱の軸線に直交する直線を強軸とし、上記ウエブに平行な面側に配置する軸方向筋と上記弱軸との距離を、上記フランジに平行な面側に配置する軸方向筋と上記強軸との距離よりも大きくしたことを特徴とする。

第１の発明によれば、ウエブに平行な側に配置する軸方向筋の総合曲げ耐力を、フランジに平行な側に配置する軸方向筋の総合曲げ耐力よりも大きくすることによって、弱軸周りの曲げ耐力を、強軸周りの曲げ耐力に比べてより大きく向上させることができる。そのため、もともと弱い方向の曲げ耐力を補強して、補強後の柱である補強柱の全方向における曲げ耐力が均等でバランスのよい補強柱を実現できる。
しかも、Ｈ型鋼柱は、グラウト材に囲まれることによって、座屈しにくくなるために曲げ強度が上がるとともに、グラウト材によって柱の断面積を大きくすることができるので、補強柱はせん断耐力や軸耐力も向上する。また、上記グラウト材を囲う囲い鋼板は、グラウト材の崩壊を防止して、断耐力がさらに向上する。

第２の発明によれば、ウエブに平行な面側に配置する軸方向筋の本数を、フランジに平行な面側に配置する軸方向筋の本数より多くすることで、ウエブに平行な面側の軸方向筋の総合曲げ耐力を、フランジに平行な面側の軸方向筋の総合曲げ耐力よりも強くすることができる。その結果、補強柱において全方向の曲げ耐力を均等にすることができる。

第３の発明によれば、ウエブに平行な面側に配置する軸方向筋の太さを、フランジに平行な面側に配置する軸方向筋の太さよりも太くすることで、ウエブに平行な面側の軸方向筋の総合曲げ耐力を、フランジに平行な面側の軸方向筋の総合曲げ耐力よりも強くすることができる。その結果、補強柱において全方向の曲げ耐力を均等にすることができる。

第４の発明によれば、ウエブに平行な面側に配置する軸方向筋と弱軸との距離を、フランジに平行な面側に配置する軸方向筋と強軸との距離よりも大きくすることで、ウエブに平行な面側の軸方向筋の総合曲げ耐力を、フランジに平行な面側の軸方向筋の総合曲げ耐力よりも強くすることができる。その結果、補強柱において全方向の曲げ耐力を均等にすることができる。

図１は第１実施形態の補強構造において、グラウト材を省略した斜視図である。 図２は第１実施形態における補強柱の断面の概念図である。 図３は第２実施形態における補強柱の概念図である。 図４は第３実施形態における補強柱の断面の概念図である。 図５は第４実施形態における補強柱の断面の概念図である。 図６はＨ型鋼柱の曲げ耐力の方向性を説明するための斜視図である。

図１，２に示す第１実施形態は、図６に示したＨ型鋼柱１の周囲を囲い鋼板５で囲い、その内側に鉄筋などの軸方向筋６ａ〜６ｄを配置してから、図１では図示していないグラウト材７（図２参照）を充填する補強構造である。
上記囲い鋼板５は、図１に示すように断面形状をＬ字状にした４つの単位鋼板５ａ〜５ｄからなり、単位鋼板５ａ〜５ｄの先端同士を重ね合わせて上記Ｈ型鋼柱１の周囲を長方形に囲んでいる。ただし、上記囲い鋼板５は、Ｌ字状の単位鋼板で構成される必要はなく、上記Ｈ型鋼柱１を囲むことができればどのような構成であっても構わない。例えば、断面コの字状の単位鋼板２つで構成することもできる。
また、上記囲い鋼板５の軸方向長さを、Ｈ型鋼柱１の軸方向長さより短くして、複数の囲い鋼板５を上下に積み重ねて上記Ｈ型鋼柱１を囲うようにしている。
ただし、上記囲い鋼板５は軸方向長さを分割していないものでもよい。

さらに、上記囲い鋼板５の外周には、図示していない帯状シートを巻き付けて接着している。この帯状シートを接着することによって、Ｈ型鋼柱１の周方向に分割された単位鋼板５ａ〜５ｄ同士を連結することができるし、この帯状シートを、上下方向に積層された囲い鋼板５の結合部をまたいで接着することによって複数の囲い鋼板５を上下方向に一体化することもできる。
また、囲い鋼板５の外周に引張強度の大きな帯状シートを接着すれば、帯状シートの引張強度を上記囲い鋼板５の強度に付加することができる。
ただし、上記単位鋼板５ａ〜５ｄは、上記帯状シートの接着ではなく、溶接やボルトなどを用いて連結するようにしてもよい。

上記のように配置した囲い鋼板５で囲まれた内側に、４本の軸方向筋６ａ〜６ｄを配置しているが、その配置を図２の概念図で説明する。
図２では、上記囲い鋼板５を長方形で表し、上記長方形の各辺のうち、ウエブ４に平行な辺側を、この発明のウエブ４に平行な面８，９側とし、フランジ２，３に平行な辺側をフランジ２，３に平行な面１０，１１側とする。
また、図中、一点鎖線で示したフランジ２，３に直交する直線は上記弱軸ａであり、これに直交する一点鎖線の直線は上記強軸ｂである（図６参照）。

図２に示すこの第１実施形態では、上記軸方向筋６ａ，６ｂを、ウエブ４に平行な面８側に位置させ、軸方向筋６ｃ，６ｄをウエブ４に平行な面９側に位置させている。すなわち、この第１実施形態では、ウエブ４に平行な面８，９側にそれぞれ２本の軸方向筋６ａ，６ｂと、６ｃ，６ｄを配置しているが、フランジ２，３に平行な面１０，１１側には軸方向筋を配置していない。
なお、上記軸方向筋が、ウエブ４に平行な面側に配置されているとは、その軸方向筋がフランジ２，３に平行な面１０，１１よりも、ウエブ４に平行な面８，９に近い位置に配置されているということである。
同様に、上記軸方向筋が、フランジ２，３に平行な面側に配置されているとは、その軸方向筋がウエブ４に平行な面８，９よりも、フランジ２，３に平行な面１０，１１に近い位置に配置されているということである。

上記ウエブ４に平行な面側８，９に配置された上記軸方向筋６ａ〜６ｄは、ウエブ４を通る弱軸ａの周りに回転する方向、すなわち図６の矢印Ａ方向の曲げに対する曲げ耐力を向上させることができる。そして、上記したように、補強前のＨ型鋼柱１は、上記矢印Ａ方向の曲げ耐力が、上記矢印Ｂ方向の曲げに比べて弱いものである。
つまり、この第１実施形態ではウエブ４に平行な面８，９側に配置した軸方向筋６ａ〜６ｄによって、弱い方向の曲げ耐力を補強し、補強柱の曲げ耐力を全方向において均等にすることができる。
このように、上記弱い方向の曲げ耐力を補強することによって、全体としてバランスよく補強された補強柱を構成することができる。

なお、図１，２に示す第１実施形態では、ウエブ４に平行な面８，９側のみに軸方向筋６ａ〜６ｄを配置し、フランジ２，３に平行な面１０，１１側には軸方向筋を配置していないが、フランジ２，３に平行な面１０，１１側にも軸方向筋を配置してもよい。その場合に、ウエブ４に平行な面８，９側に配置する軸方向筋の本数を、フランジ２，３に平行な面１０，１１側に配置する軸方向筋の本数よりも多くして、ウエブ４に平行な面８，９側に配置された軸方向筋の耐力の合計である総合曲げ耐力を、フランジ２，３に平行な面１０，１１側に配置された軸方向筋の耐力の合計である総合曲げ耐力よりも強くすることができる。それにより補強柱の全方向における曲げ耐力が均等になるように補強できる。

図３に示す第２実施形態は、グラウト材７に埋設する軸方向筋１２ａ，１２ｂ、及び１３ａ，１３ｂの太さや配置が、上記第１実施形態の軸方向筋６ａ〜６ｄとは異なるが、その他の構成は第１実施形態と同じである。
この第２実施形態において第１実施形態と同じ構成要素には、図２と同じ符号を用いるとともに、第１実施形態と同じ構成についての説明は省略する。
この第２実施形態では、ウエブ４に平行な面８，９側それぞれに、太い軸方向筋１２ａ．１２ｂを１本ずつ配置するとともに、フランジ２，３に平行な面１０，１１側には上記軸方向筋１２ａ，１２ｂよりも細い軸方向筋１３ａ，１３ｂを１本ずつ配置している。

上記のように、軸方向筋１２ａ，１２ｂの太さと、１３ａ，１３ｂの太さとに差をつけたことによって、本数が同じでも、総合曲げ耐力に差をつけることができる。
すなわち、太い軸方向筋１２ａ，１２ｂを配置したウエブ４に平行な面８，９側の総合曲げ耐力の方が、細い軸方向筋１３ａ，１３ｂを配置したフランジ２，３に平行な面１０，１１側の総合曲げ耐力よりも強くなる。
また、上記したように補強前のＨ型鋼柱は、上記弱軸ａ周りの曲げに弱いが、上記のように、上記ウエブ４に平行な面８，９側に配置された太い軸方向筋１２ａ，１２ｂによる総合曲げ耐力で、上記弱い方向の曲げ耐力をより強く補強することができる。

このように、第２実施形態では、ウエブ４に平行な面８，９側に配置する軸方向筋１２ａ，１２ｂと、フランジ２，３に平行な面１０，１１側に配置する軸方向筋１３ａ，１３ｂの本数ではなく、太さを変えることによって、弱軸ａ周りの曲げに対する総合曲げ耐力の方を強くしている。その結果、補強柱の全方向における曲げ耐力を均等にすることができる。

図４に示す第３実施形態は、図２に示す第１実施形態の軸方向筋６ａ〜６ｄの位置を変更した補強構造である。上記軸方向筋６ａ〜６ｄの配置以外は、上記第１実施形態と同じである。
この第３実施形態において第１実施形態と同じ構成要素には、図２と同じ符号を用いるとともに、第１実施形態と同じ構成についての説明は省略する。
この第３実施形態では、軸方向筋６ａ〜６ｄそれぞれが、上記ウエブ４に平行な面８，９とフランジ２，３に平行な面１０，１１の両方から等距離に配置されている。そのため、上記各軸方向筋６ａ〜６ｄは、ウエブ４に平行な面側８，９に配置される軸方向筋であるとともに、フランジ２，３に平行な面１０，１１側に配置される軸方向筋としても機能する。

そして、この第３実施形態では、ウエブ４に平行な面８、９側それぞれに配置された軸方向筋と上記弱軸ａとの距離をＬ１とし、フランジ２，３に平行な面１０，１１側それぞれに配置された軸方向筋と強軸ｂとの距離をＬ２としたとき、距離Ｌ１＞距離Ｌ２となるように設定している。
上記ウエブ４に平行な面８，９側に配置された軸方向筋６ａ〜６ｄは、上記弱軸ａを中心にした曲げに対する曲げ耐力を発揮するものである。そして、これら軸方向筋６ａ〜６ｄは、曲げの中心軸となる弱軸ａからの距離Ｌ１が大きければ大きいほど、大きな耐力を発揮することになる。

同様に、フランジ２，３に平行な面１０，１１側に配置された軸方向筋６ａ〜６ｄは、上記強軸ｂを中心にした曲げに対する曲げ耐力を発揮するものであり、これら軸方向筋６ａ〜６ｄは、曲げの中心軸となる強軸ｂからの距離Ｌ２が大きければ大きいほど、大きな耐力を発揮することになる。
このように、上記距離Ｌ１やＬ２が大きくなればなるほど、上記軸方向筋６ａ〜６ｄによる曲げ耐力が向上するが、この第３実施形態では、距離Ｌ１＞Ｌ２としているので、ウエブ４に平行な面８，９側に配置された軸方向筋の総合曲げ耐力の方が、フランジ２，３に平行な面１０，１１側に配置した軸方向筋の総合曲げ耐力よりも強くなる。

つまり、この第３実施形態では、上記距離Ｌ１＞Ｌ２として、上記弱軸ａ周りの曲げ方向に対応した総合曲げ耐力の方を強軸ｂ周りの曲げに対応した総合曲げ耐力よりも強くすることができる。
その結果、補強前のＨ型鋼柱１において弱い方向である弱軸ａ周りの曲げに対する総合曲げ耐力が、強軸ｂ周りの曲げに対する総合曲げ耐力より強くなって、補強柱の曲げ耐力を全方向において等しくすることができる。
この第３実施形態では、囲い鋼板５で囲まれたグラウト材７内に配置される軸方向筋６ａ〜６ｄの太さや本数ではなく、軸方向筋の位置を調整することによって補強柱の全方向の曲げ耐力を均等にすることができる。

図５に示す第４実施形態は、図４に示す第２実施形態の軸方向筋６ａ〜６ｄを、それぞれフランジ２，３に平行な面１０，１１から離して、フランジ２，３間に配置するとともに、フランジ２，３に平行な面１０，１１側に、上記軸方向筋６ａ〜６ｄとは別の軸方向筋１４ａ，１４ｂを１本ずつ配置している。そして、これら軸方向筋１４ａ，１４ｂそれぞれと上記強軸ｂとの距離をＬ２としている。なお、上記軸方向筋１４ａ，１４ｂは、上記軸方向筋６ａ〜６ｄと同等の太さである。
そして、その他の構成は上記第３実施形態と同じである。
この第４実施形態において第３実施形態と同じ構成要素には、図４と同じ符号を用いるとともに、第３実施形態と同じ構成についての説明は省略する。

この第４実施形態では、ウエブ４に平行な面８，９側に配置される軸方向筋６ａ，６ｂ、６ｃ，６ｄと弱軸ａとの距離Ｌ１を、フランジ２，３に平行な面１０，１１側に配置される軸方向筋１４ａ，１４ｂと強軸ｂとの距離Ｌ２よりも大きくしている。
また、ウエブ４に平行な面８，９側に配置される軸方向筋の本数を２本ずつにしているのに対し、フランジ２，３に平行な面１０，１１側に配置される軸方向筋の本数を１本ずつとして、ウエブ４に平行な面８，９側に配置される軸方向筋の本数を多くしている。
このように、第４実施形態では、面８，９側に配置される軸方向筋６ａ〜６ｄと弱軸ａとの距離Ｌ１と面１０，１１側に配置される軸方向筋１４ａ，１４ｂと強軸ｂとの距離Ｌ２について、距離Ｌ１＞Ｌ２とするとともに、各面側に配置する軸方向筋の本数にも差をつけている。
それにより、この第４実施形態も、弱い方向の曲げ耐力の補強強度をより大きくして、補強柱の全方向の曲げ耐力を均等にすることができる。

なお、上記第１~４実施形態において、補強柱の全方向における曲げ耐力を均等にするためには、グラウト材内に配置する軸方向筋の本数、太さ、配置は、補強前のＨ型鋼柱の耐力によって設定する必要がある。
また、上記総合曲げ耐力は、軸方向筋の本数、太さ、あるいは配置のいずれの要素によっても設定可能であるが、上記各要素を単独で調整してもよいし、いずれか複数を組み合わせて調整するようにしてもよい。

また、上記第１〜４実施形態において、Ｈ型鋼柱１は、グラウト材７に囲まれることによって座屈しにくくなるとともに、グラウト材７が柱の断面積を大きくすることができるので、補強柱は、曲げ耐力だけでなく、せん断耐力や軸耐力も向上する。また、上記グラウト材７を囲う囲い鋼板５は、グラウト材７の崩壊を防止するため内部の座屈を防止し、曲げ耐力、軸耐力及びせん断耐力をさらに向上させるので、補強柱は、鉄骨鉄筋コンクリート造柱の性質を備えることになる。
さらに、上記囲い鋼板５の外周に、引張強度が大きな帯状シートを接着した場合には、帯状シートの引張強度が上記囲い鋼板５の強度に付加されて、より一層のせん断耐力向上が期待できる。

Ｈ型鋼柱を用いた、様々な構造物の補強に適用可能である。

１ Ｈ型鋼柱
２、３ フランジ
４ ウエブ
５ 囲い鋼板
５ａ〜５ｄ 単位鋼板
６ａ〜６ｄ 軸方向筋
７ グラウト材
８，９ （ウエブに平行な）面
１０，１１ （フランジに平行な）面
１２ａ，１２ｂ 軸方向筋
１３ａ，１３ｂ 軸方向筋
１４ａ，１４ｂ 軸方向筋
ａ 弱軸
ｂ 強軸
Ｌ１ （弱軸までの）距離
Ｌ２ （強軸までの）距離

Claims (4)

1. 対向する一対のフランジと、その対向間隔内に設けたウエブとによって断面形状をＨ型としたＨ型鋼柱の外周を囲い鋼板で囲み、この囲い鋼板で囲んだ内側にグラウト材を充填するとともに上記グラウト材に軸方向筋を埋設して補強柱を構成するＨ型鋼柱の補強構造において、
   上記ウエブに平行な面側に配置する軸方向筋の総合曲げ耐力を、フランジに平行な面側に配置する軸方向筋の総合曲げ耐力よりも強くして、補強柱の全方向における曲げ耐力を均等にしたＨ型鋼柱の補強構造。
2. 上記ウエブに平行な面側に配置する軸方向筋の本数を、フランジに平行な面側に配置する軸方向筋の本数よりも多くした請求項１に記載のＨ型鋼柱の補強構造。
3. 上記ウエブに平行な面側に配置する各軸方向筋の太さを、フランジに平行な面側に配置する各軸方向筋の太さよりも太くした請求項１又は２に記載のＨ型鋼柱の補強構造。
4. 当該Ｈ型鋼柱の軸線に直交するとともに上記ウエブの厚み方向中心を通る直線を弱軸とするとともに、この弱軸及び上記柱の軸線に直交する直線を強軸とし、
   上記ウエブに平行な面側に配置する軸方向筋と上記弱軸との距離を、上記フランジに平行な面側に配置する軸方向筋と上記強軸との距離よりも大きくした請求項１〜３のいずれか１に記載のＨ型鋼柱の補強構造。

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