JP2016142062A - 鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合部構造 - Google Patents

Abstract

【課題】柱梁接合部を半剛接にし、最大モーメントを低減して合理的（最適）に構成することを可能にする鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合部構造を提供する。【解決手段】鉄筋コンクリート柱１に凹所１０を形成し、凹所１０に鉄骨梁２の端部を挿入配置するとともにコンクリート４を充填して鉄筋コンクリート柱１と鉄骨梁２を接合する。また、凹所１０に充填したコンクリート４への鉄骨梁２の端部の埋め込み長さを調節して鉄骨梁２の固定度を調節し、固定度を調節することによって、鉄骨梁２の端部を鉄筋コンクリート柱１に半剛接合するとともに鉄筋コンクリート柱１と鉄骨梁２の接合部及び鉄骨梁２に作用する曲げモーメントを調節する。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合部構造に関する。

従来、ＲＣ柱（鉄筋コンクリート柱）と鉄骨梁で構成する合成構造建築物を設計する際には、柱梁接合部を剛接合、ピン接合のいずれかとみなして設計するようにしている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。

そして、図９に示すように、鉄骨梁に等分布荷重が作用する場合を考えると、鉄骨梁に発生する曲げモーメントは柱梁接合部の固定状態により変化する。
すなわち、鉄骨梁の両端の接合部が剛接合である場合には、図９（ｂ）に示すように、鉄骨梁に発生する曲げモーメントが鉄骨梁端部において最大となり、梁端部のモーメントＭ_Ａとスパン中央のモーメントＭ_ｃはそれぞれ、次の式（１）、式（２）で求められる。Ｍ_ｍａｘは最大モーメント（梁端）、ｗは等分布荷重（Ｎ／ｍｍ）、ｌはスパン（ｍｍ）である。

一方、鉄骨梁の両端の接合部がピン接合の場合には、図９（ａ）に示すように、鉄骨梁に発生する曲げモーメントがスパン中央部分で最大となり、梁端部のモーメントＭ_Ａとスパン中央のモーメントＭ_Ｃはそれぞれ、次の式（３）、式（４）で求められる。

特開平０８−４１１１号公報 実開平０５−５７１０７号公報 特開２００１−１５２５５０号公報 特開２０１２−１９３６１３号公報

ここで、柱梁接合部を半剛接として評価し、鉄骨梁の固定度を調節することができれば、梁端部の曲げモーメントとスパン中央の曲げモーメントを釣り合わせることができる。これにより、次の式（５）のように、剛接合及びピン接合の場合と比較し、最大モーメントを低減することが可能になる。

しかしながら、柱梁接合部を半剛接にした例として上記の特許文献３や特許文献４があるが、いずれもＰＣａＲＣ柱と鉄骨梁で構成される合成構造建築物を対象としたものではなく、柱梁接合部の構成が複雑である。そして、設計法について何ら開示も示唆もされていない。

本発明は、上記事情に鑑み、柱梁接合部を半剛接にし、最大モーメントを低減して合理的（最適）に構成することを可能にする鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合部構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合部構造は、鉄筋コンクリート柱に凹所を形成し、該凹所に鉄骨梁の端部を挿入配置するとともにコンクリートを充填して前記鉄筋コンクリート柱と前記鉄骨梁を接合するように構成され、前記凹所に充填した前記コンクリートへの前記鉄骨梁の端部の埋め込み長さを調節して前記鉄骨梁の固定度を調節し、前記固定度を調節することによって、前記鉄骨梁の端部を前記鉄筋コンクリート柱に半剛接合するとともに前記鉄筋コンクリート柱と前記鉄骨梁の接合部及び前記鉄骨梁に作用する曲げモーメントが調節されていることを特徴とする。

また、本発明の鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合部構造においては、前記固定度と、前記埋め込み長さと前記鉄骨梁の梁成の比である埋め込み長さ比の関係を求め、該固定度と埋め込み長さ比の関係から、柱フェイス位置の曲げモーメントと鉄骨梁のスパン内での最大モーメントが釣り合うように前記固定度が設定されていることが望ましい。

本発明の鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合部構造においては、従来では困難であった接合部の固定度の設計が鉄骨梁の埋め込み長さを調節することにより容易に行えるようになる。

また、接合部の固定度を設計することで、鉄骨梁の発生モーメントを最適化できる。これにより、断面サイズを縮小し、コストダウンを図ることが可能になる。

本発明の一実施形態に係る鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合構造を示す縦断面図である。 図１のＸ１−Ｘ１線矢視図である。 図１のＸ２−Ｘ２線矢視図である。 本発明の一実施形態に係る鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合構造の下節のＲＣ柱を示す縦断面図である。 図４のＸ１−Ｘ１線矢視図である。 図４のＸ２−Ｘ２線矢視図である。 本発明の一実施形態に係る鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合部構造の固定度と埋め込み長さ比の関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合部構造の固定度と鉄骨梁の最大モーメントの関係を示す図である。 柱と梁を両端ピン接合、両端剛接合、両端半剛接合でそれぞれ接合した場合の曲げモーメントを示す図である。

以下、図１から図８を参照し、本発明の一実施形態に係る鉄筋コンクリート柱（以下、ＲＣ柱という）と鉄骨梁の接合部構造について説明する。

ここで、本実施形態のＲＣ柱と鉄骨梁の接合部構造は、柱梁接合部を半剛接とし、且つこの柱梁接合部の固定度を調節でき、鉄骨梁の最大曲げモーメントを低減することを架の可能にするものである。また、本実施形態は、このようなＲＣ柱と鉄骨梁の接合部構造によって、鉄骨梁の最大曲げモーメントを低減して柱梁接合部（鉄骨梁、ＲＣ柱）を合理的に設計できる手法に関するものである。

まず、本実施形態のＲＣ柱と鉄骨梁の接合部構造Ａは、下節のＰＣａのＲＣ柱１と、鉄骨梁２と、上節のＰＣａのＲＣ柱３と、接合部コンクリート４が主な構成要素とされ、鉄骨梁２は下節のＰＣａのＲＣ柱１内に端部を埋め込み、接合部コンクリート４をこの埋込部に充填して固定されている。

具体的に、本実施形態のＲＣ柱と鉄骨梁の接合部構造Ａにおいて、下節のＲＣ柱１は、図４から図６（図１から図３参照）に示すように、上下方向に延設した複数の主筋５及び複数の主筋５を囲繞するように一体に取り付けられた複数のせん断補強筋６をコンクリート７に埋設して形成されている。さらに、下節のＲＣ柱１は上面から主筋５を突出させて形成されている。

また、本実施形態の下節のＲＣ柱１は、幅方向中央に上面と一側面に開口する矩形状の凹所（切欠き部）１０が設けられている。さらに、凹所１０は鉄骨梁２の端部を挿入して接合するためのものであり、内面に縞鋼板１１が配設され、この縞鋼板１１が表面に凹凸を形成し接合部（柱梁接合部）内のせん断応力伝達のシアコッター１２として機能する。

一方、図１から図３に示すように、本実施形態の鉄骨梁２は、特殊な構造性能を期待するような加工は不要であり、必要長さが下節のＲＣ柱１に埋め込み可能とされていればよい。このため、ミルメーカーからの生材をそのまま現場に搬入し組み立てが可能であり、ファブレス化を図ることによりコストを削減できる。

また、仮設材として、下節のＲＣ柱１に高さ調整用のレベル調整用ボルト１３を設置し、鉄骨梁２にはこのレベル調整用ボルト１３を通じて自重を受けた際の下フランジの面外変形を防止するための三角リブ１４を備えている。さらに、上フランジの４箇所に高ナット１５を溶接し、ボルト１６の螺入量の調節（ボルト１６の出し入れ）によって位置決めを行う。そして、これら三角リブ１４、高ナット１５は現場溶接で設置可能であり、ＵＴ検査（超音波探傷検査）などの特別な管理を必要としない。

また、接合部内の鉄骨梁２を貫通するせん断補強筋は配設していない。せん断補強筋６は主として主筋５の座屈防止を目的に設けるようにし、本実施形態では接合部内にコ字状のせん断補強筋６を配置する。

次に、上節のＲＣ柱３は、上下方向に延設した複数の主筋５及び複数の主筋５を囲繞するように一体に取り付けられた複数のせん断補強筋６をコンクリート７に埋設して形成されている。

また、上節のＲＣ柱３は、主筋５の下端に取り付け、下端面に開口するようにしてスリーブ１７がコンクリート７に埋設されている。

そして、上記のように構成した上節のＲＣ柱３と下節のＲＣ柱１は、下節のＲＣ柱１上に上節のＲＣ柱３を設置する。このとき、下節のＲＣ柱１の上面から突出する主筋５を上節のＲＣ柱３のスリーブ１７に差し込んでスリーブ１７内にグラウトを充填し、下節のＲＣ柱１に上節のＲＣ柱３を一体に接合する。また、上節のＲＣ柱３と下節のＲＣ柱１の間には目地グラウトを注入する。

次に、下節のＲＣ柱１を設置した段階で、下節のＲＣ柱１の凹所１０に端部を挿入して鉄骨梁２を配設する。そして、型枠を設置し、凹所１０にコンクリート４を打設する。このとき、接合部コンクリート４は、普通コンクリートの調合で問題はなく、下節のＲＣ柱１へ鉄骨梁２を設置し、床スラブ打設時に同時に打設する。また、凹所１０の４つの内面と鉄骨梁２の間隙は１００ｍｍ程度確保する。

このようにして本実施形態のＲＣ柱と鉄骨梁の接合部構造Ａを構成し、ＲＣ柱１と鉄骨梁２を半剛接として接合することができる。

次に、本実施形態のＲＣ柱と鉄骨梁の接合部構造Ａの設計方法について説明する。

本実施形態では、半剛接としてのＲＣ柱と鉄骨梁の接合部構造Ａの固定度は、鉄骨梁２の埋め込み長さで調節する。

ここで、柱梁接合部の柱フェイス位置のモーメントを固定支持の場合の端部モーメントで無次元化すると、次の式（６）となる。なお、_ｒｉｇＭ_Ａ（＝Ｍ_Ａ固定）は固定時のモーメント（剛接合時のモーメント）を表し、α＝１．０は完全固定、α＝０．０はピン支持を表す。

また、図７は、ＦＥＭ解析から求めた固定度αと埋め込み長さ比ｄ／Ｈ（ｄ：埋め込み長さ、Ｈ：梁成）の関係を示している。この図から、埋め込み長さ比ｄ／Ｈの増加に伴い固定度αが増加することが確認された。

そして、図７の結果から柱梁接合部の固定度αが次の式（７）で与えられ、この式（７）によって、鉄骨梁２の埋め込み長さ比ｄ／Ｈを調節したときの固定度αを求めることが可能になる。なお、Ｎ／Ｎ_０は軸力比である。

次に、図８は、固定度αと梁２の最大モーメント（ｍａｘ（Ｍ_Ａ，Ｍ_０））の関係を示している。この図に示す通り、固定度α＝０．６９のときにＭ_Ａ＝Ｍ_０となり、最大モーメントが最小値となる。すなわち、本実施形態のＲＣ柱と鉄骨梁の接合部構造Ａによれば、柱梁を剛接合した場合と比較し、梁の設計用モーメントを０．６９倍にすることができることが確認された。

次に、鉄骨梁断面最適設計のフローを示す。

まず、鉄骨梁２のスパンｌ、荷重ｗ、軸力比、使用材料などの設計条件を設定する。

次に、下記の式（８）、式（９）、式（１０）から、端部固定として端部モーメントを算定し、仮断面を決定する。そして、中央モーメント及び最大変形を算定する。Ｅは鉄骨梁のヤング率、Ｉは鉄骨梁の断面二次モーメントである。

次に、半剛接の接合部Ａの固定度αを決定し、埋め込み長さｄを決定する。このとき、固定度α＝０．６９が最適値で、Ｎ／Ｎ_０＝０．２の場合、埋め込み長さ比ｄ／Ｈ＝（α−０．５５）／（０．５２×０．２０＋０．９０）÷０．３０＝０．４６であり、概ね梁成Ｈの半分程度の埋め込み長さｄを確保すればよいことになる。

次に、固定度αのときの端部モーメント、中央モーメント、最大変形を式（１１）、式（１２）、式（１３）で算定し、断面を決定する。

そして、埋め込み部の接合部耐力を確認し、ＯＫの判定で設計完了。ＮＧの判定の場合には、半剛接部の固定度αを変え、埋め込み長さｄを変更して再計算を行う。

したがって、本実施形態のＲＣ柱と鉄骨梁の接合部構造Ａにおいては、従来では困難であった接合部の固定度αの設計が鉄骨梁２の埋め込み長さｄを調節することにより容易に行えるようになる。

また、接合部Ａの固定度αを設計することで、鉄骨梁２の発生モーメントを最適化できる。これにより、断面サイズを縮小し、コストダウンを図ることが可能になる。

以上、本発明に係る鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合部構造の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一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。

１ 下節のＲＣ柱
２ 鉄骨梁
３ 上節のＲＣ柱
４ 接合部コンクリート
５ 主筋
６ せん断補強筋
７ コンクリート
１０ 凹所（切欠き部）
１１ 縞鋼板
１２ シアコッター
１３ レベル調整用ボルト
１４ 三角リブ
１５ 高ナット
１６ ボルト
１７ スリーブ
Ａ 鉄筋コンクリート柱（ＲＣ柱という）と鉄骨梁の接合部構造

Claims (2)

1. 鉄筋コンクリート柱に凹所を形成し、該凹所に鉄骨梁の端部を挿入配置するとともにコンクリートを充填して前記鉄筋コンクリート柱と前記鉄骨梁を接合するように構成され、
   前記凹所に充填した前記コンクリートへの前記鉄骨梁の端部の埋め込み長さを調節して前記鉄骨梁の固定度を調節し、
   前記固定度を調節することによって、前記鉄骨梁の端部を前記鉄筋コンクリート柱に半剛接合するとともに前記鉄筋コンクリート柱と前記鉄骨梁の接合部及び前記鉄骨梁に作用する曲げモーメントが調節されていることを特徴とする鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合部構造。
2. 請求項１記載の鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合部構造において、
   前記固定度と、前記埋め込み長さと前記鉄骨梁の梁成の比である埋め込み長さ比の関係を求め、
   該固定度と埋め込み長さ比の関係から、柱フェイス位置の曲げモーメントと鉄骨梁のスパン内での最大モーメントが釣り合うように前記固定度が設定されていることを特徴とする鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合部構造。

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