JP2022003216A - コンクリート充填鋼管柱 - Google Patents

Abstract

【課題】耐力及び変形性能を向上するコンクリート充填鋼管柱を提供する。【解決手段】コンクリート充填鋼管柱１は、鋼管３と、鋼管３内に充填されるコンクリート５と、梁１１が接続される接続部１３と、接続部１３同士の間の柱本体部１５と、を備えるコンクリート充填鋼管柱であって、鋼管３の内壁４ｓには、当該内壁４ｓに直交する方向に立ち上がり、内壁４ｓに直交する方向における一端が当該内壁４ｓに固定され他端が自由端である鋼板２１が設けられ、鋼板２１には、板厚方向に貫通する貫通孔２３が形成され、鋼板２１は、柱本体部１５に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明はコンクリート充填鋼管柱に関するものである。

従来、下記特許文献１に記載のコンクリート充填鋼管柱が知られている。この文献では、コンクリート充填鋼管柱の鋼管の内壁にリブを取付けることにより、コンクリートによる鋼管の拘束力を高め、コンクリート充填鋼管柱の耐力及び変形性能を高めることが提案されている。

特開2012-255248号公報

しかしながら、この種のコンクリート充填鋼管柱においては、耐力及び変形性能の更なる向上が求められる。この課題に鑑み、本発明は、耐力及び変形性能を向上するコンクリート充填鋼管柱を提供することを目的とする。

本発明のコンクリート充填鋼管柱は、鋼管と、鋼管内に充填されるコンクリートと、梁が接続される梁接続部と、梁接続部同士の間の柱本体部と、を備えるコンクリート充填鋼管柱であって、鋼管の内壁には、当該内壁に直交する方向に立ち上がり、内壁に直交する方向における一端が当該内壁に固定され他端が自由端である鋼板が設けられ、鋼板には、板厚方向に貫通する貫通孔が形成され、鋼板は、柱本体部に配置されている。

梁接続部における鋼管内にはダイアフラムが存在しており、鋼板はダイアフラムとの間に間隙をあけて設置されている、こととしてもよい。また、鋼板は、柱本体部のうち上端部と下端部とに配置されている、こととしてもよい。

本発明のコンクリート充填鋼管柱は、鋼管と、鋼管内に充填されるコンクリートと、を備えるコンクリート充填鋼管柱であって、鋼管の内壁には、当該内壁に直交する方向に立ち上がる鋼板が設けられ、鋼板には、板厚方向に貫通する貫通孔が形成され、内壁に直交する方向における鋼管の幅をＤとしたとき、貫通孔のうち内壁に最も近い部分から内壁までの距離がＤ／１０以上である、こととしてもよい。

このコンクリート充填鋼管柱では、鋼管の内壁に鋼板が設けられ、鋼板には板厚方向に貫通する貫通孔が形成されている。この構成によれば、鋼管内に充填されるコンクリートが鋼板の貫通孔にも入り込むので、貫通孔がコンクリートに強力に保持される。よって、鋼板を介してコンクリートによる鋼管の高い拘束力が得られる。その結果、コンクリート充填鋼管柱の耐力及び変形性能が向上する。

ここで、上記内壁に直交する方向における鋼管の幅をＤとする。本発明者らの種々の実験によれば、この種のコンクリート充填鋼管柱の面外座屈が発生する場合には、内壁から距離Ｄ／１０までの領域でコンクリートの圧壊によるひび割れが生じる可能性が高いことが判明した。これに対して、本発明のコンクリート充填鋼管柱では、鋼板の貫通孔のうち内壁に最も近い部分から内壁までの距離がＤ／１０以上である。この構成により、上記のようなコンクリートのひび割れが生じた後においても、ひび割れの領域よりも内側で比較的健全なコンクリート部分に貫通孔全体が位置する可能性が高く、当該部分に貫通孔が保持される可能性が高い。従って、コンクリート充填鋼管柱の面外座屈の発生直後においては、貫通孔の機能が喪失されず、鋼管が鋼板を介して比較的健全なコンクリート部分に拘束される可能性が高い。その結果、コンクリートのひび割れが生じた後にも、コンクリートによる鋼管の高い拘束力が維持される。

複数の貫通孔が、上下方向に配列されて鋼板に設けられており、少なくとも１つの貫通孔の断面積が、他の貫通孔の断面積とは異なるようにしてもよい。この構成によれば、貫通孔の上下位置ごとに、必要な拘束力に応じて貫通孔の断面積を調整することができる。

本発明によれば、耐力及び変形性能を向上するコンクリート充填鋼管柱を提供することができる。

（ａ）は、第１実施形態のコンクリート充填鋼管柱を示す断面図であり、（ｂ）は、そのIb-Ib断面図である。 （ａ）は、柱本体部の下端部におけるコンクリートのひび割れ領域を示す断面図であり、（ｂ）は、そのIIb-IIb断面図である。 第２実施形態のコンクリート充填鋼管柱を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、変形例に係るコンクリート充填鋼管柱の下端部の断面図である。

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柱の実施形態について詳細に説明する。以下では、図に示すように、鉛直方向をＺ方向とし、水平方向に互いに直交するＸ方向及びＹ方向を取って、Ｘ，Ｙ，Ｚを各部の位置関係の説明に用いる場合がある。

（第１実施形態）
図１（ａ）は本実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱１の断面図であり、図１（ｂ）はそのIb-Ib断面図である。コンクリート充填鋼管柱１は、例えば超高層建物の柱として用いられる。図１に示されるように、コンクリート充填鋼管柱１は、断面矩形の柱であり、ＹＺ平面に平行な一対の外側面と、ＺＸ平面に平行な一対の外側面と、を有する四角柱をなす。コンクリート充填鋼管柱１は、鉛直方向（Ｚ方向）に延びる角形の鋼管３と、鋼管３内の中空部に充填されるコンクリート５と、を備えている。鋼管３は、例えば溶接組立箱形断面柱であってもよく、冷間成形角形柱であってもよい。コンクリート５は、鋼管３の中空部に打設され硬化することで形成される。

建物の各階の高さ位置において、コンクリート充填鋼管柱１の側面にはＸ方向に延びる梁１１及びＹ方向に延びる梁１１が接続されている。以下では、コンクリート充填鋼管柱１のうち梁１１が接続される部分を接続部１３と呼び、接続部１３同士の間の部分を柱本体部１５と呼ぶ。各接続部１３には、鋼管３内に内ダイアフラム方式のダイアフラム１７が設けられている。ダイアフラム１７は、梁１１の上下の各フランジ１１ａと同じ高さに位置する。平面視において、ダイアフラム１７の中央には円孔が形成されている。

続いて、柱本体部１５の上下端部の構成について説明する。柱本体部１５は上下対称の構造をなすので、以下では、柱本体部１５の下端部の構成についてのみ説明し、上端部については同一又は同等の構成要素に同一符号を付して重複する説明を省略する。

柱本体部１５の下端部では、鋼管３の４つの内壁４に１つずつの鋼板２１が設けられている。それぞれ鋼板２１は、例えば溶接によって内壁４に取付けられ、当該内壁４に直交する方向に立ち上がるように取付けられている。鋼板２１は、内壁４の水平幅方向の中央に位置している。以下では、内壁４のうちＹＺ平面に平行な一対の内壁を「内壁４ｓ」と呼び、ＺＸ平面に平行な一対の内壁を「内壁４ｔ」と呼ぶ。また、鋼板２１のうち内壁４ｓに設けられた一対の鋼板を「鋼板２１ｓ」と呼び、内壁４ｔに設けられた一対の鋼板を「鋼板２１ｔ」と呼ぶ。

一対の鋼板２１ｓは、各内壁４ｓから垂直に柱芯に向けて、互いに対向する方向に立ち上がっている。鋼板２１ｓは、内壁４ｓに平行な水平方向（Ｙ方向）を板厚方向とし、ＺＸ平面に平行に広がる矩形平板状をなしている。Ｘ方向において、鋼板２１ｓの一端は上記のように内壁４ｓに固定され、鋼板２１ｓの他端は自由端である。鋼板２１ｓは、接続部１３の上部のダイアフラム１７の直上に僅かな間隙をあけて設置されてもよい。または、鋼板２１ｓの下端が当該ダイアフラム１７に接触してもよく、鋼板２１ｓの下端が当該ダイアフラム１７に対して溶接等で接合されてもよい。なお、施工性を良くする観点では、鋼板２１ｓとダイアフラム１７とが接合されない方が好ましい。

柱本体部１５のＸ方向の幅をＤｓとしたとき、柱本体部１５の下端からＤｓ／２の高さ位置よりも上方に、鋼板２１ｓの上端が位置することが好ましい。また、鋼板２１ｓのＸ方向の幅はＤｓ／５〜Ｄｓ／３であることが好ましい。

鋼板２１ｓには、板厚方向（Ｙ方向）に貫通する貫通孔２３が形成されている。１つの鋼板２１ｓに対して複数の貫通孔２３が上下方向（Ｚ方向）に配列されている。図１に示される例においては、１つの鋼板２１ｓに対して、同径の円形をなす５つの貫通孔２３が形成されている。貫通孔２３は、コンクリート充填鋼管柱１内のある程度深い位置（柱芯に近い位置）に配置されている。具体的には、貫通孔２３の縁部のうち内壁４ｓに最も近い縁部から当該内壁４ｓまでの距離Ｌは、Ｄｓ／１０以上である。すなわち、貫通孔２３全体が、内壁４ｓからＤｓ／１０以上離れた領域に存在する。

なお、ＺＸ平面に平行な内壁４ｔに設けられた鋼板２１ｔも、上記の鋼板２１ｓと同様の構成を有してもよい。この場合、柱本体部１５のＹ方向の幅をＤｔとしたとき、鋼板２１ｔに形成された貫通孔２３について、当該貫通孔２３の縁部のうち内壁４ｔに最も近い縁部から当該内壁４ｔまでの距離は、Ｄｔ／１０以上である。すなわち、貫通孔２３全体が、内壁４ｔからＤｔ／１０以上離れた領域に存在する。

続いて、図２を参照しながら上述のコンクリート充填鋼管柱１による作用効果について説明する。コンクリート充填鋼管柱１では、鋼板２１ｓの内壁４ｓに鋼板２１ｓが立設され、鋼板２１ｓには板厚方向に貫通する貫通孔２３が形成されている。この構成によれば、鋼管３に充填されるコンクリート５が鋼板２１ｓの貫通孔２３にも入り込むので、貫通孔２３がコンクリートに強力に保持される。よって、鋼板２１ｓを介したコンクリート５による鋼管３の高い拘束力が得られる。その結果、コンクリート充填鋼管柱１の耐力及び変形性能が向上する。

ここで、本発明者らの種々の実験によれば、コンクリート充填鋼管柱１が面外座屈する場合には、図２に示されるように、両方の内壁４ｓから距離Ｄｓ／１０までの領域Ａでコンクリート５の圧壊によるひび割れが生じる可能性が高いことが判明した。これに対して、コンクリート充填鋼管柱１では、前述の通り、鋼板２１ｓの貫通孔２３のうち内壁４ｓに最も近い部分から当該内壁４ｓまでの距離ＬがＤｓ／１０以上である。この構成によれば、上記のようなコンクリート５のひび割れが生じた後においても、ひび割れの領域Ａよりも内側で比較的健全なコンクリート５の部分に貫通孔２３全体が位置する可能性が高く、当該部分に貫通孔２３が保持される可能性が高い。従って、コンクリート充填鋼管柱１の面外座屈の発生直後においては、貫通孔２３の機能が喪失されず、鋼管３が鋼板２１ｓを介して比較的健全なコンクリート５の部分に拘束される可能性が高い。その結果、コンクリート５のひび割れが生じた後にも、コンクリート５による鋼管３の高い拘束力が維持される。

（第２実施形態）
続いて、図３を参照しながら、本発明のコンクリート充填鋼管柱の第２実施形態について説明する。本実施形態のコンクリート充填鋼管柱２０１においては、第１実施形態と同一又は同等の構成要素に同一符号を付して重複する説明は省略する。

第１実施形態のように１つの鋼板２１ｓ上の貫通孔２３がすべて同一であることは必須ではなく、断面積が異なる貫通孔２３が含まれていてもよい。一例として図３に示されるように、本実施形態のコンクリート充填鋼管柱２０１の面外座屈で、図中の二点鎖線で示されるような座屈波Jが想定される場合を考える。この場合、１つの鋼板２１ｓに形成された５つの貫通孔２３のうち、座屈波Ｊが高い位置にある貫通孔２３ほど、より大きい力でコンクリート５に拘束されることが好ましい。そこで、貫通孔２３は、配置された場所の座屈波Ｊの高さ（Ｘ方向の長さ）が高くなるほど、より大きい断面積を有し、より大きい拘束力を負担できるようになっている。

具体例として、図３の形態では、５つの貫通孔２３のうちの中央の貫通孔２３ｃの高さ位置に座屈波Ｊのピークがある。従って、中央の貫通孔２３ｃが最も大断面に形成されている。すなわち、上下両端の貫通孔２３ａが円形であるのに対し、中央の貫通孔２３ｃは、貫通孔２３ａと同じ上下幅で水平に長い楕円形をなしている。また、貫通孔２３ａと貫通孔２３ｃとの間に位置する貫通孔２３ｂは、貫通孔２３ａと貫通孔２３ｃとの中間的な長さの楕円形をなしている。このように、想定される座屈波Ｊの高さに基づいて各貫通孔２３の断面積を対応させ、座屈波Jが高い位置ほど、その位置の貫通孔２３の断面積を大きくする、といった構成によって、合理的な設計が可能になる。なお、各貫通孔２３ａ〜２３ｃの断面積を互いに変えるための他の態様として、貫通孔２３ａ〜２３ｃが、互いに孔径が異なる円形の孔であってもよい。

図３の形態では、想定される座屈波Jの長さ（Ｚ方向の長さ）と鋼板２１ｓの上下幅とがほぼ等しくなるように設けられている。このような場合、上下方向において、鋼板２１ｓ中央に近いほど、貫通孔２３の断面積が大きくなるように形成される。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、下記の変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

例えば、一般的には、コンクリート充填鋼管柱１，２０１の断面は正方形であり、すなわちＤｓ＝Ｄｔであるが、コンクリート充填鋼管柱１，２０１の断面は正方形には限定されず長方形であってもよい。すなわち、Ｄｓ≠Ｄｔであってもよい。また、実施形態の鋼板は、１つの鋼板２１に５個の貫通孔２３が形成されたものであるが、１つの鋼板２１に形成される貫通孔２３の数は適宜変更可能である。また、１つの鋼板２１に形成される貫通孔２３が１個であってもよい。また、貫通孔２３は円形や楕円形に限定されず、他の形状であってもよい。

図４（ａ）〜（ｃ）は、各変形例に係るコンクリート充填鋼管柱の、鋼板等を横切る位置の断面を示す。図４（ａ）に示されるように、２枚の鋼板２１ｔに代えて１枚の鋼板５１ｔが採用され、Ｙ方向における鋼板５１ｔの両端が、対向する内壁４ｔ、４ｔにそれぞれ接合されてもよい。また、図４（ｂ）に示されるように、更に加えて、鋼板５１ｔに直交する１枚の鋼板５１ｓが２枚の鋼板２１ｓに代えて採用され、Ｘ方向における鋼板５１ｓの両端が、対向する内壁４ｓ、４ｓにそれぞれ接合されてもよい。またこの場合、鋼板５１ｔと鋼板５１ｓとが溶接等によって一体に形成されてもよい。図４（ａ）の構造の鋼管３は、溶接組立箱形断面柱及び冷間成形角形柱のいずれの方式であっても比較的容易に製造可能である。図４（ｂ）の構造の鋼管３は、溶接組立箱形断面柱としては製造困難であり、冷間成形角形柱の方式で製造することが好ましい。また、図４（ｃ）に示されるように、１つの内壁４ｓに対して複数の鋼板２１ｓが設けられてもよい。また、鋼板２１ｓが４つの内壁４ｓ、４ｔのすべてに配置される必要はない。

また、鋼管３の中空部のダイアフラム１７は必須の構成要素ではなく、外ダイアフラム方式やノンダイアフラム方式のように、鋼管３の中空部にダイアフラムが無い方式であってもよい。この場合、鋼板２１が、柱本体部１５の上端部から、その上階の柱本体部１５の下端部まで、接続部１３を含む領域に亘って延びるように設置してもよい。また、鋼管３の中空部にダイアフラムが無い方式の場合において、鋼板２１をＺ方向全長に亘って延びるように設置してもよい。

１…コンクリート充填鋼管柱、３…鋼管、５…コンクリート、４，４ｓ，４ｔ…内壁、１３…接続部（梁接続部）、１５…柱本体部、１７…ダイアフラム、２１，２１ｓ，２１ｔ…鋼板、２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ…貫通孔。

Claims (3)

1. 鋼管と、前記鋼管内に充填されるコンクリートと、梁が接続される梁接続部と、前記梁接続部同士の間の柱本体部と、を備えるコンクリート充填鋼管柱であって、
   前記鋼管の内壁には、当該内壁に直交する方向に立ち上がり、前記内壁に直交する方向における一端が当該内壁に固定され他端が自由端である鋼板が設けられ、
   前記鋼板には、板厚方向に貫通する貫通孔が形成され、
   前記鋼板は、前記柱本体部に配置されている、コンクリート充填鋼管柱。
2. 前記梁接続部における前記鋼管内にはダイアフラムが存在しており、
   前記鋼板は前記ダイアフラムとの間に間隙をあけて設置されている、請求項１に記載のコンクリート充填鋼管柱。
3. 前記鋼板は、前記柱本体部のうち上端部と下端部とに配置されている、請求項１又は２に記載のコンクリート充填鋼管柱。
   
   

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