JP2016020594A - コンクリート充填鋼管構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ひび割れを生じさせないと共に鋼管の管厚を薄くすることができ、施工にかかる手間を低減させることが可能なコンクリート充填鋼管構造を提供する。【解決手段】本発明のコンクリート充填鋼管構造は、鋼管１１の内部にコンクリート１２が充填されることによって構成される柱１０を備え、柱１０の周囲の一部に鉄筋コンクリート３０が打設されるコンクリート充填鋼管構造１である。コンクリート充填鋼管構造１では、柱１０における鉄筋コンクリート３０が打設されている下側の延在部１６ｂの断面形状は円形状となっており、柱１０における鉄筋コンクリート３０が打設されていない上側の柱１５の断面形状は四角形状となっており、断面形状が円形状となっている円形部位Ｅは、断面形状が四角形状となっている四角形部位Ｓの下側に位置している。【選択図】図１

Description

本発明は、鋼管の内部にコンクリートが充填されるコンクリート充填鋼管構造に関する。

従来から、鋼管の内部にコンクリートが充填されたコンクリート充填鋼管構造が知られている。特許第２９７７９９４号公報には、Ｈ形断面梁と接合されたコンクリート充填鋼管柱が記載されている。このコンクリート充填鋼管柱には、その外周を覆う補強鋼管がＨ形断面梁の上下位置に設けられており、この補強鋼管とコンクリート充填鋼管柱との間にはモルタルが充填されている。

特開２００１−２９５３６９号公報には、内部にコンクリートが充填されて鉛直方向に延びる円形鋼管と、水平方向に延びるＲＣスラブと、が円形鋼管の外周に取り付けられるスラブ接合部材によって接合された接合構造が記載されている。この接合構造を構成する円形鋼管は、ＲＣスラブと接合される部分において、上方に向けて徐々に径が小さくなる絞り部分を有している。

建物の地上階及び地下階をコンクリート充填鋼管柱とする構造では、土圧壁や用途（駐車場や機械室としてＲＣ壁が入るか否か等）を考慮して、建物の地下階にＲＣ巻き立て工法を施す場合がある。また、鋼管の内部へのコンクリートの充填は、鋼管の下部からのコンクリートの圧入によって行われることがある。この場合、地下階に位置する鋼管の内部へのコンクリートの圧入によってコンクリートを管内で上昇させることにより、地上階に位置する鋼管の内部へのコンクリートの充填を同時に行うことが可能となる。

特許第２９７７９９４号公報 特開２００１−２９５３６９号公報

ところで、地下階に位置する鋼管が角形鋼管である場合には、鋼管の下部からのコンクリートの圧入を行ったときに膨らむことがあるので、ＲＣ巻き部分にひび割れが生じる問題、又は鋼管の管厚を薄くすることができないという問題が生じる。また、コンクリートの圧入を行ったときに鋼管が膨らまないようにするため、予め許容圧力を計算して圧入を行う場合もある。しかしながら、鋼管が角形鋼管である場合には、許容圧力が小さく、一度の圧入で充填できるコンクリートの量が少ない。よって、鋼管に穴を空けて鋼管の内部にコンクリートを圧入させる作業を何回も行わなければならないので、施工に手間がかかり、工期の長期化及び施工コストの増加といった問題を生じさせることもある。

そこで、本発明は、ひび割れを生じさせないと共に鋼管の管厚を薄くすることができ、施工にかかる手間を低減させることが可能なコンクリート充填鋼管構造を提供することを課題とする。

本発明のコンクリート充填鋼管構造は、鋼管の内部にコンクリートが充填されることによって構成される柱を備え、柱の周囲の一部に鉄筋コンクリートが打設されるコンクリート充填鋼管構造であって、柱における鉄筋コンクリートが打設された部位の断面形状は円形状となっており、柱における鉄筋コンクリートが打設されていない部位の断面形状は四角形状となっており、断面形状が円形状となっている円形部位は、断面形状が四角形状となっている四角形部位の下側に位置している。

本発明のコンクリート充填鋼管構造では、鋼管の内部にコンクリートが充填された柱の周囲の一部に鉄筋コンクリートが打設されている。そして、柱における鉄筋コンクリートが打設された部位の断面形状は円形状となっており、柱における鉄筋コンクリートが打設されていない部位の断面形状は四角形状となっている。よって、鉄筋コンクリートが打設されてＲＣ巻きが施された部位における柱の断面形状が円形状となっているので、この円形部位にコンクリートの圧入を行ったときに、角形鋼管の場合と比較して鋼管を膨らみにくくすることができる。従って、ＲＣ巻きが施されたＲＣ巻き部分にひび割れが生じる問題を解消することができると共に、円形部位における鋼管の管厚を薄くすることができる。また、円形部位は、四角形部位よりも側圧に強いので、コンクリートの圧入時における許容圧力を大きくすることができる。従って、鋼管の下側からコンクリートの圧入を行ったときに、一度の圧入で充填できるコンクリートの量を多くすることができるので、コンクリートの圧入作業に関する施工の手間を軽減させることができる。更に、工期を短縮させて施工コストを低減させることも可能となる。

また、円形部位の上端と四角形部位の下端とを接続する接続部を備え、接続部の断面形状は、円形部位の上端から四角形部位の下端に向かって徐々に円形から四角形に変化していてもよい。このような接続部を備えている場合、四角形部位の下端から円形部位の上端に向かってスムーズに荷重を伝達させることができる。従って、円形部位の上端と四角形部位の下端とを接合する接合部分における補強部材を別途用意する必要がないという効果も得られる。

また、円形部位の上端と四角形部位の下端とを接続する接続部を備え、接続部は、柱の外側に水平方向に突出する板状となっていてもよい。このような板状の接続部を備えている場合、四角形部位の下端から円形部位の上端に伝達される荷重を接続部で分散させることができる。従って、接続部によって四角形部位の下端と円形部位の上端との補強を行うことが可能となる。

また、接続部の下端と円形部位の上側とに連結される連結部を更に備えてもよい。上述した板状の接続部に加えて、接続部の下端と円形部位の上側とに連結される連結部を備えることにより、この連結部を介して、四角形部位の下端からの荷重をよりスムーズに円形部位に伝達させることができる。従って、四角形部位の下端と円形部位の上端との補強を一層強固にすることができる。

本発明によれば、ひび割れを生じさせないと共に鋼管の管厚を薄くすることができ、施工にかかる手間を低減させることが可能なコンクリート充填鋼管構造を提供することができる。

第１実施形態に係るコンクリート充填鋼管構造を示す側面図である。 （ａ）は図１のＡ−Ａ線断面図を示し、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線断面図を示す。 （ａ）は断面形状が円形状となっている鋼管に内圧がかかった状態を示す断面図であり、（ｂ）は断面形状が四角形状となっている鋼管に内圧がかかった状態を示す断面図である。 第２実施形態に係るコンクリート充填鋼管構造を示す側面図である。 （ａ）は図４のＣ−Ｃ線断面図を示し、（ｂ）は図４のＤ−Ｄ線断面図を示す。 第３実施形態に係るコンクリート充填鋼管構造を示す側面図である。 （ａ）は図６のＥ−Ｅ線断面図を示し、（ｂ）は図６のＦ−Ｆ線断面図を示す。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係るコンクリート充填鋼管構造の実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、同一又は相当の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１及び図２に示されるように、第１実施形態に係るコンクリート充填鋼管構造１は、鋼管１１にコンクリート１２が充填された柱１０と、柱１０と接合される梁２０と、柱１０及び梁２０の周囲に打設される鉄筋コンクリート（ＲＣ）３０と、を備えている。コンクリート充填鋼管構造１は、鋼管１１とコンクリート１２とが組み合わされた複合構造であり、シンプルな構成が特徴で、強度、剛性及び変形性能等の点で優れた構造となっている。

柱１０は、梁２０が接合される梁接合部１４と、梁接合部１４から上方に延在する上側の柱１５と、梁接合部１４から下方に延在する下側の柱１６と、を含んでいる。平面視において、梁接合部１４の中心と上側の柱１５の中心と下側の柱１６の中心とは、一致している。なお、梁接合部１４の中心と上側の柱１５の中心と下側の柱１６の中心とが若干ずれている場合もある。上側の柱１５と梁接合部１４との間、及び梁接合部１４と下側の柱１６との間、には、それぞれ応力伝達を補い梁接合部１４の剛性を高めるためのダイヤフラム１７，１８が配置されている。ダイヤフラム１７，１８の中央には、それぞれ、コンクリート１２を通す断面円形状の孔部１７ａ，１８ａが設けられている。また、ダイヤフラム１７，１８の四隅には、それぞれコンクリート１２の内部に含まれた空気を抜くための空気抜き穴１７ｂ，１８ｂが上下に貫通するように設けられている。

上側の柱１５を水平面で切断したときの断面、及び梁接合部１４を水平面で切断したときの断面は、共に同一の大きさの正方形状となっており、上側の柱１５及び梁接合部１４は、断面形状が四角形状となっている四角形部位Ｓに相当する。なお、上側の柱１５を水平面で切断したときの断面の大きさと、梁接合部１４を水平面で切断したときの断面の大きさとは、若干異なっている場合もある。以下では、水平面で切断したときの断面を単に断面と称する。下側の柱１６は、その上端に、ダイヤフラム１８を介して上記四角形部位Ｓの下端Ｓ１に接続される接続部１６ａを備えている。接続部１６ａの断面の形状は、上方に向かって円形から徐々に正方形に変化する形状となっており、接続部１６ａの上端の断面は、四角形部位Ｓの断面と略一致している。

円形から徐々に正方形に変化する断面形状を有する接続部１６ａは、例えば断面円形状の鋼管の一端を潰して断面正方形状とすることによって、製造される。このような接続部１６ａは、予め工場等で製造し、現場で接続部１６ａを延在部１６ｂに溶接等で接合させてもよいし、接続部１６ａ及び延在部１６ｂを備えた下側の柱１６を予め工場等で製造してもよい。

下側の柱１６における接続部１６ａの下側は、下方に延在する延在部１６ｂとなっている。延在部１６ｂの断面は円形状となっており、この延在部１６ｂは、断面形状が円形状となっている円形部位Ｅに相当する。延在部１６ｂの上端Ｅ１の断面は、接続部１６ａの下端の断面と一致している。

梁２０は、フランジ２１とウェブ２２とを有するＨ形鋼であり、例えば、フランジ２１が水平方向に延在する状態で梁接合部１４の前後左右に接合されている。なお、梁２０は、梁接合部１４の前方、後方、左方及び右方の少なくともいずれかに接合されていればよい。また、上側のフランジ２１の高さ位置は上側のダイヤフラム１７と略一致しており、下側のフランジ２１の高さ位置は下側のダイヤフラム１８の位置と略一致している。梁接合部１４の前後左右に位置するウェブ２２のそれぞれは、上下に延在した状態で梁接合部１４の前後左右に固定されている。

鉄筋コンクリート３０は、鋼管１１の内部にコンクリート１２が充填された柱１０の周囲の一部に打設されている。具体的には、鉄筋コンクリート３０は、下側の柱１６、梁接合部１４、梁２０及び上側の柱１５の下部、の周囲に打設されている。鉄筋コンクリート３０が打設される高さ位置Ｈより下側は建物の地下階に相当し、高さ位置Ｈの下側に位置する柱１０と梁２０に鉄筋コンクリート３０が打設されている。一方、高さ位置Ｈよりも上側の鉄筋コンクリート３０が打設されない位置は、建物の地上階に相当する。柱１０の周囲に打設された鉄筋コンクリート３０の断面は、正方形状となっている。鉄筋コンクリート３０には、鉛直方向に延在する複数の主筋３１と、複数の主筋３１を拘束し柱１０を囲むように水平方向に配置されるフープ筋３２と、が埋め込まれている。

以上のように構成されるコンクリート充填鋼管構造１では、下側の柱１６の下端からコンクリート１２が圧入され、圧入されたコンクリート１２を鋼管１１の内部で上方移動させることによって、鋼管１１へのコンクリート１２の充填が行われる。ここで、仮に下側の柱の断面形状が四角形状であった場合、図３（ｂ）に示されるように、コンクリート１２の圧入を行ったときに膨らむことがあるので、下側の柱を構成する鋼管の管厚を薄くすることができないという問題がある。

これに対し、本実施形態に係るコンクリート充填鋼管構造１では、コンクリート１２が圧入される柱１６の延在部１６ｂが円形部位Ｅとなっており、その上方に位置する梁接合部１４及び上側の柱１５が四角形部位Ｓとなっている。すなわち、鉄筋コンクリート３０が打設されてＲＣ巻きが施された部位における延在部１６ｂの断面形状が円形状となっている。

従って、図３（ａ）に示されるように、円形部位Ｅにコンクリート１２の圧入を行ったときに、角形鋼管の場合と比較して、鋼管を膨らみにくくすることができる。よって、断面が円形状の円形部位Ｅは、角形鋼管よりも側圧に強く膨らみにくいので、コンクリート１２の圧入を行った場合に、ＲＣ巻きが施されたＲＣ巻き部分にひび割れが生じる問題を解消することができる。更に、円形部位Ｅにおける鋼管の管厚を格段に薄くすることができる。

また、円形部位Ｅが設けられることにより、コンクリート１２充填時における許容圧力を大きくすることができる。従って、下側からコンクリート１２の圧入を行ったときに、一度の圧入で充填できるコンクリート１２の量を多くすることができる。よって、コンクリート１２の圧入作業に関する施工の手間を軽減させることができると共に、工期を短縮させて施工コストを低減させることも可能となる。

更に、建物の地上階に相当する高さ位置Ｈよりも上側の位置では、断面が四角形状の柱１５となっている。従って、この位置で円形状の柱を用いた場合と比較して、建物への使い勝手が良く、コストを大幅に低減させることが可能となっている。

また、円形部位Ｅの上端Ｅ１と四角形部位Ｓの下端Ｓ１とを接続する接続部１６ａを備え、接続部１６ａの断面形状は、円形部位Ｅの上端Ｅ１から四角形部位Ｓの下端Ｓ１に向かって徐々に円形から四角形に変化している。よって、四角形部位Ｓの下端Ｓ１から円形部位Ｅの上端Ｅ１に向かってスムーズに荷重を伝達させることができる。従って、円形部位Ｅの上端Ｅ１と四角形部位Ｓの下端Ｓ１とを接合する接合部分における補強部材を別途用意する必要がないという効果も得られる。なお、上記第１実施形態では、下側の柱１６の上側に、断面形状が円形から四角形に変化する接続部１６ａが設けられていたが、このような接続部が梁接合部１４に設けられていてもよい。

（第２実施形態）
図４及び図５に示されるように、第２実施形態に係るコンクリート充填鋼管構造４１は、第１実施形態のダイヤフラム１８よりも厚いダイヤフラム４８を用いた点と、柱１６に代えて接続部１６ａを有しない下側の柱４６を用いた点と、が第１実施形態に係るコンクリート充填鋼管構造１と異なっている。

第２実施形態において、下側の柱４６の断面は円形状となっており、下側の柱４６における断面の直径は、第１実施形態の柱１６における延在部１６ｂの直径と同一となっている。一方、梁接合部１４の断面、及び上側の柱１５の断面は、正方形状となっている。よって、第２実施形態では、梁接合部１４及び上側の柱１５が四角形部位Ｓに相当し、下側の柱４６が円形部位Ｅに相当する。

ここで、四角形部位Ｓにおける一辺の長さをＢとし、円形部位Ｅにおける直径の長さをＤとすると、ＢとＤの関係は下記の式（１）を満たす値に近いことが好ましい。
Ｄ ＝ Ｂ（√２＋１）／２ ・・・（１）
このように円形部位Ｅの直径の長さであるＤを四角形部位Ｓの一辺の長さＢの１．２倍程度とすると、四角形部位Ｓから円形部位Ｅに荷重をスムーズに伝達させることが可能となる。

ダイヤフラム４８は、円形部位Ｅの上端Ｅ１と四角形部位Ｓの下端Ｓ１とを接続する接続部である。ダイヤフラム４８は、柱１０の外側に水平方向に突出する板状となっており、ダイヤフラム４８の厚さは、ダイヤフラム１７の厚さよりも厚くなっている。ダイヤフラム４８は、平面視において、梁２０のフランジ２１と接合する平坦面４８ａを上下左右に有する１２角形状となっており、梁接合部１４及び下側の柱４６を覆った形状となっている。なお、平面視におけるダイヤフラム４８の形状は、１２角形状でなくてもよく、梁接合部１４及び下側の柱４６を覆う形状であれば適宜変更可能である。

以上のように、第２実施形態に係るコンクリート充填鋼管構造４１では、コンクリート１２が圧入される下側の柱４６が円形部位Ｅとなっているので、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第２実施形態に係るコンクリート充填鋼管構造４１では、円形部位Ｅの上端Ｅ１と四角形部位Ｓの下端Ｓ１とを接続するダイヤフラム４８を備え、ダイヤフラム４８は、柱１０の外側に水平方向に突出する板状となっている。

このような板状のダイヤフラム４８を備えているので、四角形部位Ｓの下端Ｓ１から円形部位Ｅの上端Ｅ１に伝達される荷重をダイヤフラム４８で分散させることができる。従って、ダイヤフラム４８によって四角形部位Ｓの下端Ｓ１と円形部位Ｅの上端Ｅ１との補強を行うことが可能となる。また、下側のダイヤフラム４８の厚さは、上側のダイヤフラム１７の厚さよりも厚くなっているので、四角形部位Ｓから伝達される荷重をダイヤフラム４８の厚みによってより確実に分散させることができる。

（第３実施形態）
図６及び図７に示されるように、第３実施形態に係るコンクリート充填鋼管構造５１は、円形部位Ｅの上端Ｅ１と四角形部位Ｓの下端Ｓ１とを補強する補強プレート５２が設けられる点と、第１実施形態の柱１６とは異なる下側の柱５６を備えた点と、が第１実施形態と異なっている。

第３実施形態において、下側の柱５６の断面は円形状となっており、下側の柱５６における断面の直径は、正方形状となっている梁接合部１４の断面における一辺の長さと同一となっている。また、梁接合部１４の断面、及び柱１５の断面は、正方形状となっているので、第３実施形態では、梁接合部１４及び上側の柱１５が四角形部位Ｓに相当し、下側の柱５６が円形部位Ｅに相当する。また、第３実施形態において、ダイヤフラム１７，１８は、柱１０の外側に水平方向に突出する板状となっており、下側のダイヤフラム１８は、円形部位Ｅの上端Ｅ１と四角形部位Ｓの下端Ｓ１とを接続する接続部に相当する。

補強プレート５２は、下側のダイヤフラム１８の下端と円形部位Ｅの上側とに連結される連結部である。補強プレート５２は、矩形板状となっている。平面視において、補強プレート５２は、断面正方形状の梁接合部１４の四隅で放射状となるように配置されている。補強プレート５２は、ダイヤフラム１８を介して、梁接合部１４の四隅と下側の柱５６の外周５６ａとを連結している。各補強プレート５２は、ダイヤフラム１８の下端と、下側の柱５６の外周５６ａと、に溶接等によって固定されている。

以上のように、第３実施形態に係るコンクリート充填鋼管構造５１では、コンクリート１２が圧入される下側の柱５６が円形部位Ｅとなっているので、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第３実施形態に係るコンクリート充填鋼管構造５１では、ダイヤフラム１８の下端と円形部位Ｅの上側とに連結される補強プレート５２を備えている。

このように板状のダイヤフラム１８に加えて、ダイヤフラム１８の下端と円形部位Ｅの上側とに連結される補強プレート５２を備えることにより、この補強プレート５２を介して、四角形部位Ｓの下端Ｓ１からの荷重をスムーズに円形部位Ｅに伝達させることができる。従って、四角形部位Ｓの下端Ｓ１と円形部位Ｅの上端Ｅ１との補強を一層強固にすることができる。また、補強プレート５２は、矩形板状という単純な形状となっているので、コンクリート充填鋼管構造５１が実現しやすい態様となっている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記各実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。すなわち、本発明は、本発明の要旨を変更しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、鉄筋コンクリート３０が打設される高さ位置Ｈよりも下側が建物の地下階に相当し、高さ位置Ｈよりも上側の鉄筋コンクリート３０が打設されない位置が建物の地上階に相当していた。しかし、鉄筋コンクリート３０が打設される高さ位置Ｈは、上記に限られず、例えば建物の途中階に位置していてもよい。

また、上記実施形態では、円形部位Ｅの上端Ｅ１と四角形部位Ｓの下端Ｓ１とを接続する接続部（接続部１６ａ、ダイヤフラム１８，４８）が地下階に設けられていたが、この接続部の高さ位置も上記実施形態に限定されず、例えば途中階に設けられていてもよい。

１，４１，５１…コンクリート充填鋼管構造、１０…柱、１１…鋼管、１２…コンクリート、１５…上側の柱（コンクリートが打設されていない部位）、１６，４６，５６…下側の柱（コンクリートが打設されている部位）、１６ａ…接続部、１８，４８…ダイヤフラム（接続部）、３０…鉄筋コンクリート、５２…補強プレート（連結部）、Ｅ…円形部位、Ｅ１…上端、Ｓ…四角形部位、Ｓ１…下端。

Claims (4)

1. 鋼管の内部にコンクリートが充填されることによって構成される柱を備え、前記柱の周囲の一部に鉄筋コンクリートが打設されるコンクリート充填鋼管構造であって、
   前記柱における前記鉄筋コンクリートが打設された部位の断面形状は円形状となっており、
   前記柱における前記鉄筋コンクリートが打設されていない部位の断面形状は四角形状となっており、
   前記断面形状が円形状となっている円形部位は、前記断面形状が四角形状となっている四角形部位の下側に位置している、コンクリート充填鋼管構造。
2. 前記円形部位の上端と前記四角形部位の下端とを接続する接続部を備え、
   前記接続部の断面形状は、前記円形部位の上端から前記四角形部位の下端に向かって徐々に円形から四角形に変化している、請求項１に記載のコンクリート充填鋼管構造。
3. 前記円形部位の上端と前記四角形部位の下端とを接続する接続部を備え、
   前記接続部は、前記柱の外側に水平方向に突出する板状となっている、請求項１に記載のコンクリート充填鋼管構造。
4. 前記接続部の下端と前記円形部位の上側とに連結される連結部を更に備える、請求項３に記載のコンクリート充填鋼管構造。

Images