JP2016186219A - Cft式メガ主筋 - Google Patents

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【課題】本発明は,従来の柱・梁・耐震壁とブレースの代わりに,優れた耐震性能・耐風圧性能・耐テロ性能を有する鋼・コンクリート合成部材を提供する。【解決手段】鋼・コンクリート合成部材断面にCFT式メガ主筋を設置する。【選択図】 図2

Description

本発明は,建築構造物や土木構造物などを構築する際に適用される鋼・コンクリート合成部材に関する。
近年,超高層建築物および建造物の高さ・規模・形は続々更新し,時代のニーズに応じて,優れた耐震性能・耐風圧性能・耐テロ性能を有する新しい構造部材が要求されている。
一般に,ビルが高ければ高いほど,鉛直部材に対して鉛直荷重の負担が大きくなる。その鉛直荷重は主に二つ要素がある。一つは建物の高さに比例する自重である。もう一つは風荷重と地震荷重などの水平力による転倒モーメントにより生じた付加軸力である。このような付加軸力は建物の高さに応じて幾何級数的に増加する。どのように巨大な鉛直荷重を負担させるか,エンジニアにとって最も重要な課題である。この課題の解決方法としては,材料の強度を上げることおよび大断面且つ合理の鉛直部材を建物に設置することが挙げられる。本発明は,従来の柱と耐震壁の代わりに,優れた耐震性能・耐風圧性能・耐テロ性能を有する鋼・コンクリート合成部材を提案して,提供する。この部材は曲げ剛性,軸剛性,曲げ強度と軸耐力が期待できる構造材であり,将来の超々高層ビルの巨大柱或いは耐震壁に適用できる。
図1は巨大な鋼・コンクリート合成柱の立面図の一例を示したものである。図2は横断面の大きい日の字断面を有する鋼・コンクリート合成柱の第1実施例を示したものである。横断面の大きい日の字断面を有する鋼・コンクリート合成部材は将来の超々高層ビルの巨大柱に適用するため,図2に示すように,横断面方向の垂直方向に補剛リブ7(柱全高さ設置),主筋8とせん断補強筋(または構造上の補強筋)9と巨大な主筋の役割を果たすコンクリート充填鋼管要素10(以下,CFT式メガ主筋)を設置する。このCFT式メガ主筋10には鋼管内に更に従来の主筋11も設ける。打設する際,鋼板3は面外変形が生じやすい。その面外変形を抑制する為,打設の前に,軸剛性の強い通しボルト12は鋼板3の面外方向に柱全断面を貫通させて,両端でナット13を用いて仮止めを行う。軸剛性の強い通しボルト用貫通孔14が生じた為,鋼板2と鋼板3同士は断面欠損に伴い,軸方向耐力が低下する。断面欠損による軸方向耐力の低下を防ぐため,鋼板2の通しボルト用貫通孔14に,補強鋼管15を貫通させて,鋼板の両面に突出すタイプの補強鋼管を用いたジベル16を設ける。その同時に,鋼板3の通しボルト用貫通孔に,鋼板3の内側から補強鋼管15を入れて,鋼板の片面に突出すタイプの補強鋼管を用いたジベル17を設ける。必要に応じて,鋼板2の両面に,及び鋼板1と鋼板3の内側に,ずれ止め剛性の高い突出物18と従来広く使用されているシアコネクタ19を取付ける。更に,必要に応じて,図1に示すように,水平方向に補剛リブ20を設置する。その後,スチールチューブ4にコンクリート5を充填させる。図3に図1中のX1−X1線における断面詳細の一例を示す。コンクリート5の硬化後,通しボルト12に緊張力を導入して,導入した緊張力により柱を強化できる。また,必要に応じて,強軸方向に通しボルト12も取付けることができる(図示せず)。CFT式メガ主筋10を設置することにより,柱の軸圧縮耐力と軸引張耐力と曲げ耐力は増大し,超々高層ビルの巨大柱に対して有効である。CFT式メガ主筋10に外周のスチールチューブ4に充填したコンクリートよりもっと高い強度のコンクリート(例えば,現在まで世界最強となる500N/mm2級高強度コンクリート)を充填すれば,CFT式メガ主筋10はメガ芯筋のような役割を果たして,巨大柱の高軸力下における軸圧縮ひずみの進展も抑制できる。また,CFT式メガ主筋10を設置することにより,柱断面のサイズを縮小でき,利用空間の拡大も図れる。且つ,CFT式メガ主筋10を設置することにより,合成柱に設置されている鋼板の厚さを薄くすることができ,極厚鋼板の溶接を避け,施工のしやすさにも繋がる。加えて,コンクリート内に内蔵されたCFT式メガ主筋10は火事(自然災害或いはテロの一種類)対策に対して有利である。一方,この例では,補剛リブ7・補剛リブ20のサイズと配置領域,通しボルト12の直径と本数,CFT式メガ主筋10のサイズと本数,及び鉄骨比を調整することにより巨大柱の耐力・剛性・変形性能を制御できる。
図4は横断面の大きい断面を有する鋼・コンクリート合成柱の第2実施例を示したものである。この実施例では,第1実施例の鋼板3に接合した補剛リブ7を延長させて,上記の補剛リブ7は鋼板2と繋ぐような隔離用補剛鋼板21に変更している。隔離用補剛鋼板21の両面には,突出物18と従来広く使用されているシアコネクタ19も取付ける。
図5は横断面の大きい断面を有する鋼・コンクリート合成柱の第3実施例を示したものである。この実施例は第2実施例から発展してきた例である。第3実施例は第2実施例の外側に更に主筋8とせん断補強筋9を設置し,メガSRC柱に変更した一例である。また,鋼板1と鋼板3の外側にも,突出物18とシアコネクタ19を取付ける。
図6は横断面の大きい断面を有する鋼・コンクリート合成柱の第4実施例を示したものである。この実施例は第3実施例の鋼板1の外側に更にCFT式メガ主筋10を設置した一例である。横断面の大きい断面を有する鋼・コンクリート合成柱の第1実施例〜第4実施例で,CFT式メガ主筋10は単独で設置している。必要に応じて, CFT式メガ主筋10は鋼材などを介して鋼板1などの周辺の鋼板に接合することもできる(図示せず)。
図7は横断面の大きい鋼・コンクリート合成柱の第5実施例を示したものである。この実施例は三角形の安定性を利用して,鋼板により三角柱を基本単位として組み合わせた複数のボックスを有するマルチスチールチューブ型コンクリート充填鋼管柱の一例である。即ち,横断面は不静定トラス形式である。
図8は横断面の大きい鋼・コンクリート合成柱の第6実施例を示したものである。この実施例も三角形の安定性を利用して,鋼板により三角柱を基本単位として組み合わせた複数のボックスを有するマルチスチールチューブ型コンクリート充填鋼管柱の別例である。
図9は横断面の大きい鋼・コンクリート合成柱の第7実施例を示したものである。この実施例は複数の日の字断面を基本単位として組み合わせた複数のボックスを有するマルチスチールチューブ型コンクリート充填鋼管柱の一例である。
また,横断面が図7〜図9のいずれの場合において,各スチールチューブの内部と全断面の外側に主筋8,せん断補強筋(または構造上の補強筋)9とCFT式メガ主筋10も設置できる(図示せず)。
図10は横断面の大きい鋼・コンクリート合成柱の第8実施例を示したものである。この実施例は隔離用鋼板22により二重円形鋼管を分割した複数のボックスを有するマルチスチールチューブ型コンクリート充填鋼管柱の一例である。隔離用鋼板22により分割する方法に関しては図10に示す方法に限定せず,内管,外管に設置する隔離用鋼板22の枚数は異なってもよい(図示せず)。
図11は横断面の大きい鋼・コンクリート合成柱の第9実施例を示したものである。この実施例は三重円形鋼管式コンクリート充填鋼管柱の一例である。三重鋼管は従来の二重鋼管から発展してきたものである。三重鋼管は二重鋼管によりダブルコンファインド(二重拘束)効果から複合コンファインド効果に変更し,コンファインド効果が増強される。
図12は横断面の大きい鋼・コンクリート合成柱の第10実施例を示したものである。この実施例は三重角形鋼管式コンクリート充填鋼管柱の一例である。
図13は横断面の大きい鋼・コンクリート合成柱の第11実施例を示したものである。この実施例は円形鋼管と角形鋼管の組み合わせによる三重鋼管式コンクリート充填鋼管柱の一例である。
図14は横断面の大きい鋼・コンクリート合成柱の第12実施例を示したものである。この実施例は隔離用鋼板22により第9実施例の鋼管を分割した複数のボックスを有するマルチスチールチューブ型コンクリート充填鋼管柱の一例である。更に,主筋8とせん断補強筋(または構造上の補強筋)9とCFT式メガ主筋10を設置し,ずれ止め剛性の高い突出物18とシアコネクタ19を取付けている。また,他の実施例としては,第10実施例と第11実施例である三重鋼管式コンクリート充填鋼管柱にも隔離用鋼板22により分割し,更に主筋8とせん断補強筋(または構造上の補強筋)9とCFT式メガ主筋10を設置することができる。ただし,隔離用鋼板22により分割する方法は図14に示す方法に限定せず,内管,中管と外管に設置する隔離用鋼板22の枚数は異なってもよい(図示せず)。
また,横断面の大きい鋼・コンクリート合成柱の第8実施例〜第12実施例では,一番外層の鋼管の外側に,主筋8,せん断補強筋9とCFT式メガ主筋10も設置できる(図示せず)。
更に,1000mを超える超々高層建築物および建造物の高さが高くなるにつれて,三重鋼管式コンクリート充填鋼管柱は四重以上の鋼管式コンクリート充填鋼管柱(図示せず)に変更することもできる。四重以上の鋼管式コンクリート充填鋼管柱は円形鋼管のみにした物,楕円形鋼管のみにした物,角形鋼管(長方形断面も含む)のみにした物,又はこれらの組み合わせにした物のいずれかの物としてもよい。分割式である四重以上の鋼管式コンクリート充填鋼管柱には,鋼管の内部と外部に,さらに主筋8とせん断補強筋(または構造上の補強筋)9とCFT式メガ主筋10も設置できる(図示せず)。また,ずれ止め剛性の高い突出物18とシアコネクタ19も設置できる。
超々高層建築物では,建物の高さが高くなると,建物の総重量は増えるので,耐震壁(特に,センターコア)の負担軸力も増えてしまう。増えた自重を解消するため,有効な方法としては壁の厚さを増やすことである。その同時に,構造形式としては,従来の鉄筋コンクリート耐震壁から壁に一枚鋼板を内蔵する耐震壁に変化し,或いは型枠を機能する二枚の鋼・コンクリート耐震壁に変遷してきている。現在,このような耐震壁は2mを超える壁も存在している。壁の厚さそれ以上を増やすと,建物の利用可能な空間は狭くなる。壁内の面内方向に三枚以上の鋼板を設置することにより,耐震壁の耐震性能は良くなり,鋼板・コンクリートの一体化による応力伝達機構も有利になる。また,三枚以上の鋼板を設置することにより,鋼板の用量の増加につれて壁の厚さを薄くすることができ,建物の利用可能な空間は広くなる。また,三枚以上の鋼板を設置することにより,鋼板の厚さも薄くすることができ,従来応用されてきた枚数の少ない場合の極厚鋼板の使用を避けることができ,極厚鋼板の溶接を避けることができる。以下,鋼・コンクリート合成耐震壁について,図示した実施例に基づいて説明する。
図16は鋼・コンクリート耐震壁の第1実施例の横断面図を示したものである。図15にこの実施例の一部を拡大したものを示す。この実施例では壁内の面内方向に三枚の鋼板28と複数の隔離用鋼板29を取付ける。形成された各チスチールチューブに主筋8,せん断補強筋(または構造上の補強筋)9,突出物18とシアコネクタ19を設置する。また,軸剛性の強い通しボルト12,補強鋼管を用いたジベル16と17も取付ける。更に,必要に応じて,CFT式メガ主筋10も配置する。隔離用鋼板29は基本的に壁の全高さまで設置する。本実施例では,充填したコンクリート5は両面から壁の中央領域で設置した鋼板28を拘束し,中央領域で設置した鋼板28を補剛することになる。また,充填したコンクリート5も型枠の機能及び応力を伝達できる機能を有する外側の鋼板28を補剛できる。取付けた通しボルト12はコンクリート打設する際,型枠の機能及び応力を伝達できる機能を有する外側の鋼板28の面外変形を抑制できる。コンクリート5の硬化後,通しボルト12に緊張力を導入することにより,耐震壁を強化できる。三枚の鋼板28を取付けることによって,鋼板・コンクリートの一体化による応力伝達機構は有利になる。隔離用鋼板29の厚さと配置位置,通しボルト12の直径と本数,CFT式メガ主筋10の直径と本数と配置位置と鉄骨比を調整することにより耐震壁の耐力・剛性・変形性能を制御できる。
図17は鋼・コンクリート耐震壁の第2実施例の横断面図を示したものである。この実施例では壁内の面内方向に設置する鋼板28の枚数が四枚で,主筋8,せん断補強筋(または構造上の補強筋)9,隔離用鋼板29,突出物18,シアコネクタ19,通しボルト12,補強鋼管を用いたジベル16と17を設置している。
図18は鋼・コンクリート耐震壁の第3実施例の横断面図を示したものである。図19にこの実施例の一部を拡大したものを示す。この実施例は鋼・コンクリート耐震壁の第2実施例から発展してきた例である。本実施例では鋼・コンクリート耐震壁の第2実施例の外側に,更に主筋8,せん断補強筋9と連結鉄筋30を設置し,コンクリート5を充填する。
鋼・コンクリート耐震壁の第2実施例と第3実施例では,必要に応じて,壁内の面内方向に設置する鋼板28の枚数が五枚以上で設置することもできる(図示せず)。
鋼・コンクリート耐震壁の第1実施例〜第3実施例では,必要に応じて,壁内の面内方向に設置する鋼板28の両側や片側に補剛リブを設置することもできる(図示せず)。上記の補剛リブとしては鋼板,T形鋼,チャンネル鋼とアングル鋼のいずれにしてもよい。鋼板の補剛方法としては水平方向の補剛,垂直方向の補剛とクロスタイプの補剛などにしてもよい(図示せず)。
図20は鋼・コンクリート耐震壁の第4実施例の横断面図を示したものである。図21に図20中のY1−Y1線における断面図の一部を示す。この実施例では外側に水平方向に波形に折り曲げた鋼板31を設置し,中央領域で高さ方向に波形に折り曲げた鋼板32を取付ける。また,壁に主筋8,せん断補強筋(または構造上の補強筋)9,波形鋼板31の補剛リブ33と波形鋼板32の補剛リブ34(図21参照)を設置し,コンクリート5を充填する。補剛リブ33のある波形鋼板31は軸耐力に強いが,補剛リブ34のある波形鋼板32はせん断耐力に強い。波形鋼板31と波形鋼板32が直交するように配置した上で,コンクリート5を充填すれば,耐震壁の軸耐力及びせん断耐力も強くなる。
図22は鋼・コンクリート耐震壁の第5実施例の横断面図を示したものである。図23に図22中のY2−Y2線における断面図の一部を示す。本実施例では中央領域で二枚の高さ方向に波形に折り曲げた鋼板32を取付けている。
図24は鋼・コンクリート耐震壁の第6実施例の横断面図を示したものである。図25に図24中のY3−Y3線における断面図の一部を示す。この実施例は鋼・コンクリート耐震壁の第5実施例から発展してきた例である。本実施例は鋼・コンクリート耐震壁の第5実施例の外側に更に主筋8,せん断補強筋9と連結鉄筋30を設置し,コンクリート5を充填する。
鋼・コンクリート耐震壁の第5実施例と第6実施例では,必要に応じて,壁の中に波形鋼板31と波形鋼板32の枚数を増加させることが可能である。また,波形鋼板31と波形鋼板32の設置位置を入れ替えることもできるが,大きな軸圧縮力を負担する耐震壁の場合,外側には軸力抵抗系波形鋼板31を設置することが望ましい。
鋼・コンクリート耐震壁の第3実施例〜第6実施例では,必要に応じて,壁の面外方向に軸剛性の強い通しボルト12も取付けることができる(図示せず)。
鋼・コンクリート耐震壁の第2実施例〜第6実施例では,必要に応じて,壁の中にCFT式メガ主筋10を設置することもできる(図示せず)。
上述の全ての実施例の鋼板・鋼管・補剛リブは,コンクリートと鋼材の付着強度を上昇させる為に,コンクリートと接触する面は格子状の小さな突起44のある縞鋼板43(図34参照)を利用しても良い。
続いて,CFT式メガ主筋について定義する。コンクリート充填鋼管が主筋として機能するものはCFT式メガ主筋である。CFT式メガ主筋10の実施形態の一例を図33に示す。鋼管41には主筋11とせん断補強筋(または構造上の補強筋)9を配置している。鋼管41とコンクリート5との間のずれを防止するため,鋼管41に両面に突出すタイプの補強鋼管を用いたジベル穴16を設ける。或いは鋼管41に片側に突出するタイプの突出物18を設けてもよい。また,鋼管の外側にリング式リブ42を取付ける。一方,鋼管41について,コンクリートと鋼管41の付着強度を上昇させる為に,コンクリートと接触する面は格子状の小さな突起44のある縞鋼板43(図34参照)を利用しても良い。その際,格子状の小さな突起44は鋼管41の外側にしても,鋼管41の内側にしてもよい。
CFT式メガ主筋10の実施形態としては円形断面のみならず,長方形断面としてもよい。また,必要に応じて,CFT式メガ主筋内に内蔵する縦筋11と内蔵するせん断補強筋(または構造上の補強筋)9と鋼管41に両面に突出すタイプの補強鋼管を用いたジベル穴16と鋼管41に片側に突出するタイプの突出物18と鋼管の外側にリング式リブ42の一部,或いは全部を省略してもよい。
本発明により提案したCFT式メガ主筋を設置する鋼・コンクリート合成柱は柱にとっては革新になる。大断面の鋼・コンクリート合成柱は将来の超々高層ビルの巨大柱にとって最適である。また,提案した鋼・コンクリート合成柱の一部も梁,プレストレストコンクリート構造部材とブレースに応用できる。
本発明で提案したCFT式メガ主筋を設置する鋼・コンクリート合成壁は,強度を期待する耐力壁に最適で,将来の超々高層ビルのセンターコアや連層耐震壁にとって革新になる。
本発明に係るCFT式メガ主筋は,柱の中に設置することにより,柱の軸耐力と曲げ耐力が上昇し,柱の高軸力下における軸圧縮ひずみの進展も抑制でき,火事対策に対して有利であり,超々高層ビルの巨大柱にとって,革新になる。
巨大な鋼・コンクリート合成柱の立面図の一例 巨大な鋼・コンクリート合成柱の第1実施例の横断面(日の字断面)図 図1中のX1−X1線における断面図の一例 巨大な鋼・コンクリート合成柱の第2実施例の横断面図 巨大な鋼・コンクリート合成柱の第3実施例の横断面図 巨大な鋼・コンクリート合成柱の第4実施例の横断面図 巨大な鋼・コンクリート合成柱の第5実施例の横断面図 巨大な鋼・コンクリート合成柱の第6実施例の横断面図 巨大な鋼・コンクリート合成柱の第7実施例の横断面図 巨大な鋼・コンクリート合成柱の第8実施例の横断面図 巨大な鋼・コンクリート合成柱の第9実施例の横断面図 巨大な鋼・コンクリート合成柱の第10実施例の横断面図 巨大な鋼・コンクリート合成柱の第11実施例の横断面図 巨大な鋼・コンクリート合成柱の第12実施例の横断面図 図16の一部の拡大図 鋼・コンクリート合成壁の第1実施例の横断面図 鋼・コンクリート合成壁の第2実施例の横断面図 鋼・コンクリート合成壁の第3実施例の横断面図 図18の一部の拡大図 鋼・コンクリート合成壁の第4実施例の横断面図 図20中のY1−Y1線における一部省略断面図 鋼・コンクリート合成壁の第5実施例の横断面図 図22中のY2−Y2線における一部省略断面図 鋼・コンクリート合成壁の第6実施例の横断面図 図24中のY3−Y3線における一部省略断面図 鋼板を貫通させて両側に突出する補強鋼管を用いたジベルの第1実施形態の詳細図 a)補強鋼管を用いたジベルの第1実施形態の正面図 b)a)の側面図 c)コンクリートから補強鋼管を用いたジベルに作用する最大応力度の状態を示す図 d)補強鋼管を用いたジベルにある軸力補足用補強鋼板に作用する最大応力度の状態を示す図 e)補強鋼管に1本の通しボルトを通す状態を示す図 鋼板を貫通させて両側に突出する補強鋼管を用いたジベルの第2実施形態の詳細図 a)補強鋼管を用いたジベルの第2実施形態の正面図 b)a)の側面図 c)補強鋼管に通しボルトを通す状態を示す図 鋼板を貫通させて片側に突出する補強鋼管を用いたジベルの実施形態の詳細図 a)補強鋼管を用いたジベルの実施形態の正面図 b)a)の側面図 ずれ止め剛性の高い突出物の第1実施形態の詳細図 a)ずれ止め剛性の高い突出物の第1実施形態の正面図 b)a)の側面図 ずれ止め剛性の高い突出物の第2実施形態の詳細図a)ずれ止め剛性の高い突出物の第2実施形態の正面図b)a)の側面図 補強鋼管を用いたジベルとずれ止め剛性の高い突出物の他の実施形態 ずれ止め剛性の高い突出物の別の使用例 CFT式メガ主筋の実施形態の一例の詳細図a)CFT式メガ主筋の実施形態の一例の横断面図b)図33a)中のY6−Y6線における断面図の一部 縞鋼板の詳細図
本発明に係るCFT式メガ主筋の実施形態に関して,(0004)〜(0036)を参照されたい。
本発明に係るCFT式メガ主筋は建築産業や土木建設産業などの分野に広く利用できる。
1:鋼板(フランジを機能する厚肉鋼板)
2:ウェブ(H形鋼のウェブを機能する鋼板)
3:鋼板(外側ウェブ且つ型枠の機能をする薄肉鋼板)
4:スチールチューブ
5:コンクリート充填
7:補剛リブ
8:主筋
9 :せん断補強筋(または構造上の補強筋)
10:CFT式メガ主筋
11:主筋(CFT式メガ主筋内に内蔵する縦筋)
12:軸剛性の強い通しボルト
13:ナット
14:穴(貫通穴)
15:補強鋼管
15-a:補強二重鋼管
15-1:鋼管
15-2:軸力抵抗用補強鋼板
16:両面に突出すタイプの補強鋼管を用いたジベル
17:片面に突出すタイプの補強鋼管を用いたジベル
18:ずれ止め剛性の高い突出物
19:シアコネクタ(主に頭付スタッドである)
20:補剛リブ(水平方向設置)
21:隔離用補剛鋼板
22:隔離用鋼板
23:市販H形鋼
25:円形鋼管
26:角形鋼管
27:柱(周辺部材)
28:鋼板
29:隔離用鋼板
30:連結鉄筋
31:水平方向に波形に折り曲げた鋼板
32:高さ方向に波形に折り曲げた鋼板
33:補剛リブ(鉛直方向設置)
34:補剛リブ(水平方向設置)
39:穴がある鋼板
40:穴がない鋼板
41:鋼管
42:リング式リブ
43:縞鋼板
44:格子状の小さな突起
45:基材(鋼材)
47:曲げモーメントを受ける方向
48:鋼板
M:曲げモーメント
d1:穴の直径(補強鋼管15の外径)
d2:鋼管15-1の内径(軸力補足用補強鋼板15-2の幅)
l:補強鋼管15の長さ(軸力補足用補強鋼板15-2の長さ)
t1:穴がある鋼板39の厚さ
t2:軸力補足用補強鋼板15-2の厚さ
F:孔14の断面欠損による軸方向耐力低減値
σB:コンクリートの圧縮強度
fy1:鋼板39の降伏点強度
fy2:軸力補足用補強鋼板15-2の降伏点強度











Claims (1)

  1. 部材断面形式がRC(鉄筋コンクリート)系,SRC(鉄骨鉄筋コンクリート)系,SC(鉄骨とコンクリートからなるもの)系,CFT (コンクリート充填鋼管)系,又は複数のボックスを有するマルチスチールチューブ型コンクリート充填鋼管系のいずれにおいて,断面内に巨大な主筋の役割を果たすコンクリート充填鋼管要素であるCFT式メガ主筋を有することを特徴とする構造部材(柱,杭,耐震壁と地中連続壁を含む)の製造方法。
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