JP2015203264A - 梁および柱・梁構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、建築構造物の躯体を構成する梁、およびこの梁を用いた柱・梁構造に関し、地震時に必要な曲げ耐力を確保しつつ梁の鉄骨量を減じる。
【解決手段】ウェブ２０ａの両側にフランジ２０ｂを有するＨ形鋼等からなる鉄骨と、柱面からの一部区間におけるウェブ２０ａとフランジ２０ｂとで形成される空間を埋める、ウェブ２０ａからのフランジ２０ｂの張出し寸法と同厚の鉄筋コンクリートからなる鉄筋コンクリート補強部２４とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、建築構造物の躯体を構成する梁、およびこの梁を用いた柱・梁構造に関する。

比較的大スパンの建物には、鉄骨造の梁が用いられることが多い。大スパンの建物の場合、梁が支持する床面積が広く、このため断面積の大きな大梁を用いることになる。一方、建築空間の有効利用の観点からは断面積の小さな梁を用いることが好ましい。

ここで、梁に作用する荷重により発生する曲げモーメントについて考察する。

図１は、梁に作用する荷重を示した模式図である。

ここには、２本の柱と、その２本の柱をつなぐ梁が示されている。また、ここには、その梁に作用する曲げモーメントの、梁の長さ方向に亘る分布が示されている。

ここで、図１（Ａ）には鉛直荷重時の曲げモーメント分布が示されている。この鉛直荷重は、この柱・梁構造を含む建物全体としての構造体の自重、およびその構造体の用途に応じた積載荷重が常時作用するとしたときの荷重である。

また、図１（Ｂ）には水平荷重時の曲げモーメント分布が示されている。この水平荷重は地震力の作用により生じる荷重である。

さらに、図１（Ｃ）には、地震荷重時の曲げモーメント分布が示されている。この地震荷重は、鉛直荷重と水平荷重との和である。地震時には、それら鉛直荷重と水平荷重とが複合して作用する。このため建築構造骨組は地震荷重に対して設計される。

地震荷重時には、図１（Ｃ）に示すように、梁端部に大きな曲げモーメントが作用し、梁中央部の曲げモーメントは梁端部の曲げモーメントに比べ小さい。これらの設計曲げモーメントに対する梁の設計では、梁中央部については例えばａ−ｂもしくはｃ−ｄの大きさの曲げモーメントに対して梁の断面を決定し、梁端部については、ｅ−ｆの大きさの曲げモーメントに対して梁の断面を決定する。このように、梁に作用する曲げモーメントは、梁中央部よりも梁端部の方が大きいので、曲げ耐力に関しても梁端部の方を大きくする必要がある。

鉄骨造の梁において梁端部の曲げ耐力を大きくする方法として、梁端部にハンチを設ける、あるいは梁端部のフランジの幅や厚さを梁中央部よりも大きくする、あるいは梁端部の鋼材強度が梁中央部の鋼材強度よりも大きな鋼材を用いる、ことなどが考えられる。

ここで、梁端部にハンチを設けると、床上から梁下までの有効な高さが減少することになる。また、梁端部のフランジの幅や厚さを梁中央部よりも大きくすると、梁端部と梁中央部との間のフランジの接合部において断面の急激な変化を生じ、そこに応力集中が生じることになり、好ましくない。さらに、梁端部の鋼材強度が梁中央部の鋼材強度よりも大きな鋼材を用いる場合、その梁の製造加工に多大なコストがかかり、好ましくない。

また、梁端部および梁中央部の全長について梁端部の大きな曲げモーメントに耐え得る断面積の大きな鉄骨梁を用いることも考えられる。ただし、この場合床上から梁下までの有効な高さを狭めることになる。また、柱を鉄筋コンクリート造、梁を鉄骨造とする複合構造の場合で、梁鉄骨が柱と接合する仕口を貫通する構造を採用すると、柱と梁の交差部において梁鉄骨が貫通する部分を避けて柱の主筋を配置する必要があるため、鉄骨梁の断面積が大きいと柱の断面積も大きくなり、この点からも建築空間が狭くなるという問題がある。また、鉄骨量が多大となり、その分、多大なコストがかかるという問題もある。

その他、特許文献に、梁端部の耐力向上を目的とした以下の構造が開示されている。

特許文献１には、鉄骨梁の端部を鉄筋コンクリート内に埋設して両者を一体化させた構造が開示されている。

また、特許文献２には、鉄骨梁端部のウェブ部分に別の形鋼を添設した構造が開示されている。

また、特許文献３には、鉄骨梁端部近傍のウェブ側面を場所打ちコンクリートもしくはプレキャストコンクリートで挟み込んだ構造が開示されている。

さらに、特許文献４には、柱梁仕口部の鉄骨梁ウェブに変形拘束部材を配置した構造が開示されている。

特開昭６１−２３３１４７号公報 特開平５−３３１９６３号公報 特開平８−４９３４９号公報 特開平１０−１６９０８９号公報

上掲の特許文献１の場合、鉄骨梁端部が鉄筋コンクリートの一部に埋設されている。このため、ハンチを設けた場合と同様、床上から梁下まで有効な高さが減少し、建築構造物の内部空間が狭められてしまうという問題がある。

また、上掲の特許文献２の技術は、鉄骨の横座屈防止を目的としたものであって、曲げに対する補強の効果はほとんど期待できない。

また、上掲の特許文献３の技術は、特許文献２と同様、座屈防止を目的としたものであり、曲げに対する補強効果はほとんど期待できない。

さらに、上掲の特許文献４に開示された変形拘束部材は、柱・梁構造が地震や風力等に起因する過大な荷重を受けたときに、鉄骨梁の過大な変形を防止する目的のものであり、この変形拘束部材による鉄骨梁の曲げ耐力向上は期待できない。

本発明は、上記事情に鑑み、地震時に必要な曲げ耐力を確保しつつ鉄骨量を減じることのできる梁およびその梁を用いた柱・梁構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の梁は、ウェブの両側にフランジを有する鉄骨と、柱面からの一部区間における該ウェブと該フランジとで形成される空間を埋める、該ウェブからの該フランジの張出し寸法と略同厚の鉄筋コンクリートからなる鉄筋コンクリート補強部とを有することを特徴とする。

また、本発明の柱・梁構造は、コンクリートを含む構造体からなる柱と、請求項１記載の梁とを備え、その梁を構成する鉄筋コンクリートが曲げ補強筋を有し、その曲げ補強筋が柱仕口内コンクリートに定着されていることを特徴とする。

ここで、上記の「コンクリートを含む構造体からなる柱」には、例えば、鉄筋コンクリート構造の柱、鉄骨鉄筋コンクリート構造の柱、コンクリート充填鋼管構造の柱などが含まれる。

また、本発明の柱・梁構造は、鉄骨構造からなる柱と、請求項１の梁とを備え、その梁を構成する鉄筋コンクリートが曲げ補強筋を有し、その曲げ補強筋が柱仕口の鉄骨に定着されているものであってもよい。

本発明によれば、梁端部の曲げ強度が増大するため、地震時の曲げ耐力を確保しつつ鉄骨量を減少させることができる。

その結果、本発明によれば、床上から梁下までの有効高さを減ずることなく、鉄骨梁の断面を小さくすることが可能で、鉄骨に関する建設コストを軽減できる。さらに梁端部の曲げ剛性が増大するため、梁の曲げたわみを抑制することも可能である。

また、本発明によれば、梁鉄骨が鉄筋コンクリート柱あるいは鉄骨鉄筋コンクリート柱を貫通する場合において、梁幅を増大させないため、柱主筋の配置が容易となり、施工性が向上する。

また、本発明によれば、梁鉄骨の幅を減少させても必要な曲げ強度や曲げ剛性を確保することができるので、安全性が向上し、梁やそれに支持される床スラブの過大な変位を防止することができる。

さらに、本発明によれば、梁鉄骨のウェブやフランジが型枠の一部として機能するので、施工が容易である。

梁に作用する荷重により発生する曲げモーメントを示した模式図である。 本発明の一実施形態としての梁を鉄筋コンクリート柱と接続した、本発明の第１実施形態としての柱・梁構造の柱梁仕口部分を示した斜視図である。 図２に矢印Ｘ−Ｘで示す梁端部の断面図である。 図２に矢印Ｚ−Ｚで示す柱の配筋構造を示した断面図（Ａ）、および図２に矢印Ｙ−Ｙで示す柱梁仕口部分の、配筋構造を示した縦断面図（Ｂ）である。 梁端部付近の曲げモーメント分布を示した模式図である。 柱を鉄骨鉄筋コンクリート構造とした、第２の実施形態としての柱・梁構造の柱梁仕口部分の断面図である。 柱をコンクリート充填鋼管構造とした、第３実施形態の柱・梁構造の柱梁仕口部分の断面図である。 柱を鉄骨構造とした、第４実施形態としての柱・梁構造の柱梁仕口部分の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図２は、本発明の一実施形態としての梁を鉄筋コンクリート柱と接続した、本発明の第１実施形態としての柱・梁構造の柱梁仕口部分を示した斜視図である。

また、図３は、図２に矢印Ｘ−Ｘで示す梁端部の断面図である。

さらに図４は、図２に矢印Ｚ−Ｚで示す柱の配筋構造を示した断面図（Ａ）、および図２に矢印Ｙ−Ｙで示す柱梁仕口部分の、配筋構造を示した縦断面図（Ｂ）である。

図２には、鉄筋コンクリート柱１０と、２本の梁２０Ａ，２０Ｂが示されている。これら２本の梁２０Ａ，２０Ｂを互いに区別して説明する必要がないときは、梁２０と称する。

これらの梁２０には、ウェブ２０ａとそのウェブ２０ａの両側のフランジ２０ｂとからなるＨ形鋼が使われており、２本の梁２０Ａ，２０Ｂのうちの１本の梁２０Ａは、鉄筋コンクリート柱１０の柱梁仕口部を貫通する１本のＨ形鋼からなる鉄骨梁で形成されている。もう１本の梁２０Ｂは、鉄筋コンクリート柱１０の内側において、その鉄筋コンクリート柱１０を貫いて梁２０Ａを構成している鉄骨梁に溶接等で固定されたＨ形鋼からなる鉄骨梁である。

これらの梁２０の柱梁仕口部近傍である端部２１と鉄筋コンクリート柱１０から離れた中央部２２との境界には、端部プレート２３が設けられている。この端部プレート２３は、上下のフランジ２０ｂどうしの間隔と同じ長さ（高さ）と、ウェブ２０ａからのフランジ２０ｂの張出し寸法と同幅の鋼板であって、その鉄骨梁のウェブ２０ａと両側のフランジ２０ｂに溶接されている。

そして梁２０の、端部プレート２３で区切られた端部２１側には、鉄筋が配設されコンクリートが打設された鉄筋コンクリート補強部２４が備えられている。

この鉄筋コンクリート補強部２３は、梁２０のうちの、コンクリート柱１０の柱面と梁２０の端部プレート２３との区間における、ウェブ２０ａとフランジ２０ｂとで形成される空間を埋める、ウェブ２０ａからのフランジ２０ｂの張出し寸法と同厚、すなわち端部プレート２３の幅と同厚である。

この鉄筋コンクリート補強部２３に配設されている鉄筋は、図３，図４に示すように、横に延びる曲げ補強筋５と、縦に延びるせん断補強筋６とからなる。曲げ補強筋５は、端部プレート２３に溶接、機械式定着具、あるいはナット等の手段により定着されている。また、この曲げ補強筋５は、柱梁仕口内では通し配筋され、反対側の端部プレート２３にも定着されている。柱梁仕口は鉄筋コンクリートであるため、曲げ補強筋５に生じる引張力は、曲げ補強筋５と柱梁仕口内のコンクリートとの付着により鉄筋コンクリート柱１０に伝達される。

この曲げ補強筋５は、本実施形態では上下２本備えているが、さらに多段に配筋してもよい。

この鉄筋コンクリート補強部２４は、曲げ補強筋５のほか、せん断補強筋６を備え、曲げモーメントを負担すると同時に、せん断力も負担している。せん断補強筋６は、せん断力に抵抗するために、図３に示すように、その端部にフック６ａが設けられている。このフック６ａは、せん断力に有効に抵抗するために９０°以上折り曲げられたフックである必要がある。あるいは、梁２０のウェブ２０ａに孔をあけ、ウェブ２０ａの両側の曲げ補強筋５を相互に緊結し、閉鎖型せん断補強筋としてもよい。

ここで、梁２０の端部２１で曲げ耐力が発揮される必要があるため、上述の第１実施形態においては、鉄骨梁を、柱梁仕口部を連続して貫通させている。ただし、梁２０の曲げ耐力が発揮される構造詳細であれば必ずしも鉄骨梁が柱梁仕口部を連続して貫通していなくてもよい。

また、上述の第１実施形態においては、全ての梁２０の端部２１に鉄筋コンクリート補強部２４が設けられているが、梁２０の全てに鉄筋コンクリート補強部２４を設けることは必ずしも必要ではなく、例えばスパンの長い方向のみ鉄筋コンクリート補強部２４を設けてもよい。

これらの点は、その性質に反しない限り後述する第２実施形態以降の各実施形態についても同様である。

図４には、鉄筋コンクリート柱１０を構成する、コンクリート１１に埋め込まれた鉄筋１２（主筋１２ａと帯鉄筋１２ｂ）も示されているが、鉄筋コンクリート柱１０の配筋は本実施形態の特徴部分ではなく、これ以上の言及は割愛する。

図５は、梁端部付近の曲げモーメント分布を示した模式図である。

ここでは、この図５を参照して、鉄筋コンクリート補強部２４の有効性、および鉄筋コンクリート補強部２４を構築するにあたっての設計の考え方について説明する。

図５（Ａ）に示す曲線ａは、梁２０の曲げモーメント分布である。梁２０の端部２１および中央部２２の設計用曲げモーメントは、端部２１および中央部２２のそれぞれにおいて最大となる、それぞれ、曲げモーメントｅ−ｆおよび曲げモーメントｃ−ｄである。したがって梁２０の端部２１および中央部２２の曲げ耐力は、それぞれｅ−ｆ以上およびｃ−ｄ以上として設計される必要がある。梁端部２１の長さＡ−Ｂ区間に曲げ耐力ｇ−ｆ以上の鉄筋コンクリートからなる鉄筋コンクリート補強部２４を設ければ、端部鉄骨の断面積を増大させる必要がなく、中央部２２と同一断面の鉄骨梁とすることができる。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）と比べ、梁端部における、鉄筋コンクリート補強部２４の長さＡ−Ｂを長くした場合を示している。

この図５（Ｂ）に示すように、鉄筋コンクリート補強部２４の長さＡ−Ｂを長くし、鉄筋コンクリート補強部分の曲げ補強筋５の筋量を多くしたり、あるいは曲げ補強筋５の強度を上げると、中央部２２の設計用曲げモーメントｃ−ｄが小さくなり、断面積のさらに小さな鉄骨梁を使用することができる。

図６は、柱を鉄骨鉄筋コンクリート構造とした、第２の実施形態としての柱・梁構造の柱梁仕口部分の断面図である。

図６（Ａ），（Ｂ）は、図２に示す鉄筋コンクリート柱１０を鉄骨鉄筋コンクリート柱１０Ａとしたときの、図２に示す、それぞれ矢印Ｚ−Ｚ，矢印Ｙ−Ｙに沿う横断面図および縦断面図である。

図６（Ａ）に示すように、この鉄骨鉄筋コンクリート柱１０Ａは、Ｈ形鋼からなる鉄骨１３と、鉄筋１２と、コンクリート１１とからなる構造体である。

図６に示すような鉄骨鉄筋コンクリート柱１０Ａの場合も、上述の第１実施形態における、鉄筋コンクリート柱１０を採用した場合と同様な応力伝達が成される。

図７は、柱をコンクリート充填鋼管構造とした、第３実施形態の柱・梁構造の柱梁仕口部分の断面図である。

図７（Ａ），（Ｂ）は、図２に示す鉄筋コンクリート柱１０をコンクリート充填鋼管柱１０Ｂとしたときの、図２に示す、それぞれ矢印Ｚ−Ｚ，矢印Ｙ−Ｙに沿う横断面図および縦断面図である。

図７に示すように、このコンクリート充填鋼管柱１０Ｂは、鋼管１４と、その鋼管１４に充填されたコンクリート１１とからなる構造体である。

柱梁仕口部には、剛強なダイヤフラム１５が配置されており、梁２０は、そのダイヤフラム１５に接合されている。この構造の場合も、上述の第１実施形態における鉄筋コンクリート柱１０および第２実施形態における鉄骨鉄筋コンクリート柱１０Ａの場合と同様な応力伝達が成される。

図８は、柱を鉄骨構造とした、第４実施形態としての柱・梁構造の柱梁仕口部分の断面図である。

図８（Ａ），（Ｂ）は、図２に示す鉄筋コンクリート柱１０Ａを鉄骨柱１０Ｃとしたときの、図２に示す、それぞれ矢印Ｚ−Ｚ，矢印Ｙ−Ｙに沿う、横断面図および縦断面図である。

図８（Ａ）に示すように、この鉄骨柱１０Ｃは、ウェブ１６ａとその両側のフランジ１６ｂとからなるＨ形鋼１６からなる。

この鉄骨柱１０Ｃを採用した場合は、柱梁仕口にはコンクリートが打設されていないため、曲げ補強筋５は、鉄骨柱１０Ｃのフランジ１６ｂに溶接され、あるいは機械式定着具あるいはナット等を用いて固定される。この構造の場合も、上述の各実施形態と同様な応力伝達が成される。

このように、本実施形態の、鉄筋コンクリート補強部２４を備えた梁２０は、様々な種類の柱と接続した柱・梁構造とすることができる。

５ 曲げ補強筋
６ せん断補強筋
６ａ フック
１０ 鉄筋コンクリート柱
１０Ａ 鉄骨鉄筋コンクリート柱
１０Ｂ 鉄筋コンクリート充填鋼管柱
１０Ｃ 鉄骨柱
１１ コンクリート
１２ 鉄筋
１３ 鉄骨
１４ 鋼管
１５ ダイヤフラム
１６ Ｈ形鋼
２０，２０Ａ，２０Ｂ 梁
２０ａ ウェブ
２０ｂ フランジ
２１ 端部
２２ 中央部
２３ 端部プレート
２４ 鉄筋コンクリート補強部

Claims (3)

1. ウェブの両側にフランジを有する鉄骨と、柱面からの一部区間における該ウェブと該フランジとで形成される空間を埋める、該ウェブからの該フランジの張出し寸法と略同厚の鉄筋コンクリートからなる鉄筋コンクリート補強部とを有することを特徴とする梁。
2. コンクリートを含む構造体からなる柱と、請求項１記載の梁とを備え、前記鉄筋コンクリートが曲げ補強筋を有し、該曲げ補強筋が該柱仕口内コンクリートに定着されていることを特徴とする柱・梁構造。
3. 鉄骨構造からなる柱と、請求項１の梁とを備え、前記鉄筋コンクリートが曲げ補強筋を有し、該曲げ補強筋が該柱仕口の鉄骨に定着されていることを特徴とする柱・梁構造。

Images