JP2023009421A - 柱梁接合構造及び柱梁接合構造の施工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合部の納まりや見栄えを良好としつつ、優れた耐火性能を発揮する柱梁接合構造及び柱梁接合構造の施工方法を提供する。【解決手段】柱梁接合構造１００は、木質柱１と梁２との接合部ａの柱梁接合構造であって、梁２は、上側フランジ２１と、下側フランジ２２と、上側フランジ２１と下側フランジ２２とを連結するウェブと、接合部ａ側の領域ｂ２において、ウェブの両側にコンクリートが充填されたコンクリート部２６と、接合部ａ側の領域ｂ２において、コンクリート部２６の外側に耐火被覆材が被覆された耐火被覆部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、柱梁接合構造及び柱梁接合構造の施工方法に関するものである。

従来から、柱などの荷重支持部材に木材を用いた木質耐火部材の開発が進められている（下記の特許文献１，２参照）。木質耐火部材として、荷重を支持する木材に強化石膏ボードと耐火シートで耐火被覆したものが知られている。木質耐火部材を実際の建物に適用する場合、柱や梁を木質耐火部材にするだけでなく、鉄骨部材等とのハイブリッド構造にすることが考えられる。木質耐火部材と鉄骨部材とのハイブリッド構造となる耐火構造の場合、木材と鉄骨部材とが取り合うような接合部が生じる。

一般的には、木材は石膏ボード等の耐火被覆材で被覆することで、荷重を支持する木材の表面温度が約２００～２６０℃以下になるように設計されている。鉄骨部材は吹付けロックウール、巻付けロックウール及びケイ酸カルシウム板等の耐火被覆材で被覆することで、鋼材の温度が約３５０～４５０℃以下になるように設計されている。

木材と鉄骨部材（鋼材）とが取り合う接合部が加熱された場合、木材及び鉄骨部材が上記のような耐火被覆材で被覆されていると、火災時に鉄骨部材側から木材側への熱伝導によって木材が炭化し、所定の耐火性能を確保できない可能性がある。

木質耐火部材と鉄骨部材とが取り合う接合部では、鉄骨部材の耐火被覆材を厚くする（増し張りする）方法が提案されている（下記の特許文献３参照）。

特開２０１５－１２９４３１号公報 特開２０２０－１１８００１号公報 特開２０１６－２１７０７１号公報

しかしながら、木質耐火部材と鉄骨部材との接合部において、で鉄骨部材の耐火被覆材を厚くすると、接合部廻りで鉄骨部材の耐火被覆材の厚さが変わるため、複雑な納まりとなりうる。また、火災時において荷重を支持する木材の温度を抑制するために、鉄骨部材の耐火被覆材を厚くする範囲を１ｍ以上にわたって施工しなければならない可能性もあり、コスト面や意匠面に課題がある。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、接合部の納まりや見栄えを良好としつつ、優れた耐火性能を発揮する柱梁接合構造及び柱梁接合構造の施工方法を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る柱梁接合構造は、木質柱と梁との接合部の柱梁接合構造であって、前記梁は、上側フランジと、下側フランジと、前記上側フランジと前記下側フランジとを連結するウェブと、前記接合部側の領域において、前記ウェブの両側にコンクリートが充填されたコンクリート部と、前記接合部側の領域において、前記コンクリート部の外側に耐火被覆材が被覆された耐火被覆部と、を備える。

このように構成された柱梁接合構造では、接合部側の領域において、梁のウェブの両側にコンクリートが充填されたコンクリート部が設けられ、コンクリート部の外側に耐火被覆材が被覆された耐火被覆部が設けられている。よって、梁の外周側に設けられる耐火被覆部の厚みを厚くしたり増し張りしたりする必要がなく、接合部側の領域において、連続した同じ納まりとなるため、接合部の納まりや見栄えを良好とすることができる。また、コンクリート部及び耐火被覆部が設けられているため、優れた耐火性能を発揮することができる。

また、本発明に係る柱梁接合構造では、前記コンクリート部の長さは、前記木質柱の柱芯材の表面から５００ｍｍ以上であってもよい。

このように構成された柱梁接合構造では、接合部側の領域において、コンクリート部の長さは木質柱の柱芯材の表面から５００ｍｍ以上であり、梁の鋼材温度を約１６０℃以下に抑えることができる。一般的に、木材の炭化温度は２００～２６０℃程度である。よって、火災時に、木質柱の木材の炭化を抑制することができる。

また、本発明に係る柱梁接合構造では、前記接合部側の領域では、前記上側フランジが設けられていなくてもよい。

このように構成された柱梁接合構造では、接合部側の領域では上側フランジがないため、ウェブの両側にコンクリートが充填する際に、梁の上方から打設することができ、施工性が優れている。

また、本発明に係る柱梁接合構造の施工方法は、上記の柱梁接合構造の施工方法であって、接合部側の領域において、下側フランジ及びウェブを囲むように型枠を設置する型枠設置工程と、前記型枠の内部にコンクリートを打設するコンクリート打設工程と、前記コンクリート及び前記下側フランジを耐火被覆材で覆う耐火被覆材取付工程と、を備える。

このように構成された柱梁接合構造の施工方法では、接合部側の領域において、梁のウェブの両側にコンクリートが充填されたコンクリート部を設け、コンクリート部の外側に耐火被覆材が被覆された耐火被覆部を設ける。よって、梁の外周側に設ける耐火被覆部の厚みを厚くしたり増し張りしたりする必要がなく、接合部側の領域において、連続した同じ納まりとなるため、接合部の納まりや見栄えを良好とすることができる。また、耐火被覆部が設けられているため、優れた耐火性能を発揮することができる。

また、本発明に係る柱梁接合構造の施工方法では、コンクリート部の長さは、木質柱の柱芯材の表面から５００ｍｍ以上であってもよい。

このように構成された柱梁接合構造の施工方法では、接合部側の領域において、コンクリート部の長さは木質柱の柱芯材の表面から５００ｍｍ以上であり、梁の鋼材温度を約１６０℃以下に抑えることができる。一般的に、木材の炭化温度は２００～２６０℃程度である。よって、火災時に、木質柱の木材の炭化を抑制することができる。

また、本発明に係る柱梁接合構造の施工方法では、接合部側の領域において、上側フランジを切断する上側フランジ切断工程を備えてもよい。

このように構成された柱梁接合構造の施工方法では、接合部側の領域では上側フランジがないため、コンクリート打設工程で、梁の上方から打設して、ウェブの両側にコンクリートが充填することができ、施工性が優れている。

本発明に係る柱梁接合構造及び柱梁接合構造の施工方法によれば、接合部の納まりや見栄えを良好としつつ、優れた耐火性能を発揮する。

本発明の一実施形態に係る柱梁接合構造の縦断面図である。 図１のＡ－Ａ線断面図である。 図１のＢ－Ｂ線断面図である。 図１のＣ－Ｃ線断面図である。 本発明の一実施形態に係る柱梁接合構造の施工方法を示し、（ａ）上側フランジ切断工程前を示し、（ｂ）上側フランジ切断工程を示し、（ｃ）型枠設置工程を示す。 本発明の一実施形態に係る柱梁接合構造の施工方法を示し、（ａ）コンクリート打設工程を示し、（ｂ）型枠解体工程を示し、（ｃ）耐火被覆材取付工程を示す。 本発明の一実施形態に係る柱梁接合構造の解析モデルを示す縦断面図である。 図７のＤ－Ｄ線断面図である。 図７のＥ－Ｅ線断面図である。 本発明の一実施形態に係る柱梁接合構造の解析において、コンクリートの充填範囲と柱芯材（木材）に接する鉄骨梁との温度推移のグラフを示す。 本発明の一実施形態に係る柱梁接合構造の解析において、コンクリートの充填範囲と柱芯材（木材）に接する鉄骨梁との温度推移のグラフを示す。 本発明の一実施形態に係る柱梁接合構造の解析において、コンクリートの充填範囲と柱芯材（木材）に接する鉄骨梁との温度推移のグラフを示し、図１０から温度範囲を変更したものである。 本発明の一実施形態に係る柱梁接合構造の解析において、コンクリートの充填範囲と柱芯材（木材）に接する鉄骨梁との温度推移のグラフを示し、図１１から温度範囲を変更したものである。

本発明の一実施形態に係る柱梁接合構造について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る柱梁接合構造の縦断面図である。なお、図１では、後述する梁コンクリート充填部２６を通る断面図である。図２は、図１のＡ－Ａ線断面図である。図３は、図１のＢ－Ｂ線断面図である。図４は、図１のＣ－Ｃ線断面図である。
図１及び図２に示すように、本実施形態の柱梁接合構造１００では、耐火木質柱（木質柱）１と、梁２との接合部ａの接合構造である。本実施形態では、耐火木質柱１に対して梁２が一方向から接合されているが、耐火木質柱１に対して二方向、三方向及び四方向等の複数方向から接合されていてもよい。

図１に示すように、本実施形態では、梁２の上側には床版４が設けられている。床版４は、例えば鉄筋コンクリート製である。

耐火木質柱１は、鉛直方向に延びている。耐火木質柱１は、柱芯材１１と、柱耐火被覆部１２と、を有している。

柱芯材１１は、木製材料で構成されている。柱芯材１１の水平断面は、正方形をしている。なお、柱芯材１１の水平断面の形状は、長方形等適宜設定可能である。

柱耐火被覆部１２は、柱芯材１１の鉛直方向の略全長を被覆している。図２に示すように、柱耐火被覆部１２は、柱芯材１１の４箇所の表面１１ａ～１１ｄを被覆している。

柱芯材１１の表面のうち接合部ａとなる表面１１ａでは、後述する梁２の第二鉄骨梁２４及び梁コンクリート充填部２６が接合される部分（以下、「接合表面部」と称する）１１ｅには、柱耐火被覆部１２が設けられていない。換言すると、柱耐火被覆部１２は、柱芯材１１の接合表面部１１ｅを被覆していない。

柱耐火被覆部１２は、二層の耐火被覆材１２ａと、一層の耐火シート１２ｂと、を有している。二層の耐火被覆材１２ａ及び一層の耐火シート１２ｂは、柱芯材１１の各表面１１ａ～１１ｄに積層されている。なお、本実施形態では、耐火被覆材１２ａは二層であるが、一層であっても、三層以上であってもよい。耐火被覆材１２ａとして、例えば強化石膏ボード等を採用することができる。耐火シート１２ｂは、耐火被覆材１２ａの外側を覆っている。

梁２は、水平方向に延びている。梁２の構成は、接合部ａ側（以下、「接合廻部」と称する）ｂ２と、接合廻部ｂ２以外の部分（以下、「一般部」と称する）ｂ１とで異なる。一般部ｂ１の梁２を第一梁部２Ａとし、接合廻部ｂ２の梁２を第二梁部２Ｂとする。

第一梁部２Ａは、第一鉄骨梁２０と、第一梁耐火被覆部２５と、を有している。本実施形態では、第一鉄骨梁２０は、Ｈ形鋼で構成されている。第一鉄骨梁２０は、上側フランジ２１と、下側フランジ２２と、ウェブ２３と、を有している。

図３に示すように、上側フランジ２１は、板状に形成されている。上側フランジ２１の板面は、水平面に沿っている。上側フランジ２１の上側に床版４が当接配置されている。下側フランジ２２は、上側フランジ２１の鉛直下方に配置されている。下側フランジ２２の板面は、水平面に沿っている。

ウェブ２３は、上側フランジ２１と下側フランジ２２とを連結している。ウェブ２３は、板状に形成されている。ウェブ２３の板面は、鉛直面に沿っている。

第一梁耐火被覆部２５は、耐火被覆材で上側フランジ２１、下側フランジ２２及びウェブ２３を覆ったものである。耐火被覆材として、例えば吹付けロックウール、巻付けロックウール及びケイ酸カルシウム板等を採用することができる。

第一梁耐火被覆部２５は、上側フランジ２１の両側方を覆う部分２５ａと、上側フランジ２１の下側を覆う部分２５ｂと、ウェブ２３の厚さ方向の両側を覆う部分２５ｃと、下側フランジ２２の上側を覆う部分２５ｄと、下側フランジ２２の両側方を覆う部分２５ｅと、下側フランジ２２の下側を覆う部分２５ｆと、を有している。

図２に示すように、第二梁部２Ｂは、第二鉄骨梁２４と、梁コンクリート充填部（コンクリート部）２６と、第二梁耐火被覆部（耐火被覆部）２７と、を有している。

図１に示すように、第二鉄骨梁２４は、第一鉄骨梁２０を構成するＨ形鋼が接合部ａまで延びていて、上側フランジ２１が切り欠かれた構成である。図４に示すように、第二鉄骨梁２４は、下側フランジ２２と、ウェブ２３と、を有している。図１に示すように、第二鉄骨梁２４の下側フランジ２２及びウェブ２３は、耐火木質柱１の接合表面部１１ｅに突き付けられている（当接している）。第二鉄骨梁２４は、ベースプレート２９ａを介して、耐火木質柱１の柱芯材１１と接合されている。例えば、第二鉄骨梁２４の下側フランジ２２及びウェブ２３に固定されたベースプレート２９ａが、耐火木質柱１の柱芯材１１にボルト２９ｂによって固定されている。

図４に示すように、梁コンクリート充填部２６は、コンクリート２６ａが下側フランジ２２の上側且つウェブ２３の厚さ方向の両側に充填されたものである。下側フランジ２２、ウェブ２３及び梁コンクリート充填部２６で、直方体状をなしている。梁コンクリート充填部２６のコンクリート２６ａは、床版４のコンクリート４ａと連続している。図１に示すように、梁コンクリート充填部２６は、耐火木質柱１の接合表面部１１ｅに突き付け（当接）している。

図２に示すように、梁コンクリート充填部２６の端面（第一梁部２Ａ側を向く面）には、ふさぎ板２８が設けられている。ふさぎ板２８は、ウェブ２３の厚さ方向の両側に設けられている。

ふさぎ板２８は、板状に形成されている。ふさぎ板２８の板面は、梁２の延在方向を向いている。ふさぎ板２８は、下側フランジ２２及びウェブ２３に固定されている。例えば、ふさぎ板２８は、厚さ１．６ｍｍ以上の鋼板である。ふさぎ板２８を設けることによって、後述するコンクリート打設工程でコンクリートを打設する際に、コンクリート２６ａが充填範囲外（第一梁部２Ａ側）に流れ込まないようになる。

梁コンクリート充填部２６の長さＬ１は、５００ｍｍ以上である。これによって、第一鉄骨梁２０及び第二鉄骨梁２４の鉄骨側からの耐火木質柱１の木材側への熱伝導の影響を軽減することができる。長さＬ１は、耐火木質柱１の接合表面部１１ｅからふさぎ板２８までの長さである。

図４に示すように、第二梁耐火被覆部２７は、耐火被覆材で下側フランジ２２及び梁コンクリート充填部２６を覆ったものである。第二梁耐火被覆部２７の耐火被覆材として、例えば１時間耐火構造の場合には、ケイ酸カルシウム板２０ｍｍや、吹付けロックウール３５ｍｍ等採用することができる。

第二梁耐火被覆部２７は、下側フランジ２２及び梁コンクリート充填部２６の両側方を覆う部分２７ａと、下側フランジ２２の下側を覆う部分２７ｂと、を有している。第二梁耐火被覆部２７の下側フランジ２２の下側を覆う部分２７ｂは、図１に示すように、第一梁耐火被覆部２５の下側フランジ２２の下側を覆う部分２５ｆと連続している。第二梁耐火被覆部２７は、耐火木質柱１の表面１１ａに設けられた柱耐火被覆部１２の耐火被覆材１２ａに突き付けられている（当接している）。

次に、接合廻部ｂ２の柱梁接合構造の施工方法について説明する。
第二梁部２Ｂの下側フランジ２２及びウェブ２３を、ベースプレート２９ａを介して、耐火木質柱１の柱芯材１１と接合しておく。例えば、第二鉄骨梁２４の下側フランジ２２及びウェブ２３に固定されたベースプレート２９ａを、耐火木質柱１の柱芯材１１にボルト２９ｂによって固定しておく。

まず、上側フランジ切断工程を行う。
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、接合廻部ｂ２において、第二鉄骨梁２４のＨ形鋼の上側フランジ２１を切断する。なお、鉄骨部材の製造工場で、事前に上側フランジ２１を切断してから、現場に搬入してもよい。

次に、型枠設置工程を行う。
図５（ｃ）に示すように、第二鉄骨梁２４の下側フランジ２２及びウェブ２３を囲むとともに、施工される床版４の下面に沿うように型枠３０を設置する。

型枠３０は、下板３１と、一対の側板３２と、床用板３３と、を有している。下板３１を、第二鉄骨梁２４の下側フランジ２２の下面に沿って配置する。側板３２を、下板３１の幅方向の両端部に連結して立設させる。下板３１及び一対の側板３２で第二鉄骨梁２４の両側方及び下方を覆う。床用板３３を側板３２の上端部に連結して、水平面に沿うようにする。床用板３３を、第一梁部２Ａ側にも連続させて、後述するコンクリート打設工程で、第二梁部２Ｂ側の床版４と第一梁部２Ａ側の床版４とを同時に施工してもよい。

次に、コンクリート打設工程を行う。
図６（ａ）に示すように、型枠３０の内部にコンクリートを打設する。打設されたコンクリート２６ａが第二鉄骨梁２４のウェブ２３の厚さ方向の両側を覆って、梁コンクリート充填部２６が構築される。打設されたコンクリート４ａが型枠３０の床用板３３の上側に充填され、床版４が構築される。

次に、型枠解体固定を行う。
図６（ｂ）に示すように、型枠３０を解体する。

次に、耐火被覆材取付工程を行う。
図６（ｃ）に示すように、第二梁部２Ｂの下側フランジ２２及び梁コンクリート充填部２６を耐火被覆材で覆って、第二梁耐火被覆部２７を構築する。

一般部ｂ１では、従来のとおり、第一鉄骨梁２０を耐火被覆材で覆って、第一梁耐火被覆部２５を構築する。

次に、柱梁接合構造１００について行った解析について説明する。
火災時に木材の柱芯材（耐火木質柱１の柱芯材１１）が炭化しないように、鉄骨梁（第二鉄骨梁２４）にコンクリートを充填する範囲を把握するために、簡易的な熱伝導解析を行った。

柱芯材（木材）に接する鉄骨梁の温度を把握するため、今回、木はモデル化せず、鉄骨梁、耐火被覆材及びコンクリートのみをモデル化した。図７～図９に示すように、今回は１時間耐火構造に相当する耐火被覆として、上側フランジ２１は切断せずに、第一梁耐火被覆部２５及び第二梁耐火被覆部２７のケイ酸カルシウム板２５ｍｍを直貼りするモデルで検証した。なお、第一鉄骨梁２０及び第二鉄骨梁２４の寸法は、Ｈ－５００×２００×１０×１６である。図７に示す全長Ａ１は１０ｍであり、ＲＣ充填範囲Ａ２を０～１ｍで検証した。

解析条件を、下記の表（１）に示す。

材料の物性値を、下記の表（２）に示す。

コンクリートの充填範囲と柱芯材（木材）に接する鉄骨梁との最高温度の関係を下記の表（３）に示し、温度推移のグラフを図１０～図１４に示す。

コンクリートを充填しない場合、木材と取り合う鉄骨梁の温度は４００℃以上となり、木材が炭化する。一方、コンクリートを充填した場合、コンクリートの充填範囲が０．５ｍ程度までは、充填範囲を大きくすると鉄骨梁の鋼材温度が下がる傾向となった。ここで、木材の炭化温度は２００～２６０℃程度であり、鋼材温度が木材の炭化温度以下となればよい。

今回の解析では木をモデル化せずに解析を実施したが、実際の接合部においては木と取合い部で耐火被覆材に隙間が生じる等の要因から温度が上がる可能性もある。そこで安全を見込んで、鋼材温度が１６０℃以下となる０．５ｍ以上をコンクリートの充填範囲と設定した。

このように構成された柱梁接合構造１００では、接合部ａ側の領域である接合廻部ｂ２において、第二鉄骨梁２４のウェブ２３の両側にコンクリートが充填された梁コンクリート充填部２６が設けられ、梁コンクリート充填部２６の外側に耐火被覆材が被覆された第二梁耐火被覆部２７が設けられている。よって、第二鉄骨梁２４の外周側に設けられる耐火被覆部の厚みを厚くしたり増し張りしたりする必要がなく、接合廻部ｂ２において、連続した同じ納まりとなるため、接合部ａの納まりや見栄えを良好とすることができる。また、梁コンクリート充填部２６及び第二梁耐火被覆部２７が設けられているため、優れた耐火性能を発揮することができる。

また、接合廻部ｂ２において、梁コンクリート充填部２６の長さは耐火木質柱１の柱芯材１１の接合表面部１１ｅから５００ｍｍ以上であり、第二鉄骨梁２４の鋼材温度を約１６０℃以下に抑えることができる。一般的に、木材の炭化温度は２００～２６０℃程度である。よって、火災時に、耐火木質柱１の木材の炭化を抑制することができる。

また、第二鉄骨梁２４において上側フランジ２１を切り欠くことで、床版４のコンクリート４ａの打設時にあわせて梁コンクリート充填部２６のコンクリート２６ａを充填でき、施工性が優れている。

また、下側フランジ２２及びウェブ２３は、ベースプレート２９ａを介して、耐火木質柱１の柱芯材１１と接合されている。よって、湿式のコンクリートを充填することでベースプレート２９ａ及びボルト２９ｂ廻り等が梁コンクリート充填部２６で被覆され、火災時に構造上弱点となりやすい接合部ａを保護することができる。

なお、上述した実施の形態において示した組立手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１…耐火木質柱（木質柱）
２…梁
２１…上側フランジ
２２…下側フランジ
２３…ウェブ
２６…梁コンクリート充填部（コンクリート部）
２６ａ…コンクリート
２７…第二梁耐火被覆部（耐火被覆部）
３０…型枠
１００…柱梁接合構造

Claims (6)

1. 木質柱と梁との接合部の柱梁接合構造であって、
   前記梁は、
   上側フランジと、
   下側フランジと、
   前記上側フランジと前記下側フランジとを連結するウェブと、
   前記接合部側の領域において、前記ウェブの両側にコンクリートが充填されたコンクリート部と、
   前記接合部側の領域において、前記コンクリート部の外側に耐火被覆材が被覆された耐火被覆部と、を備える柱梁接合構造。
2. 前記コンクリート部の長さは、前記木質柱の柱芯材の表面から５００ｍｍ以上である請求項１に記載の柱梁接合構造。
3. 前記接合部側の領域では、前記上側フランジが設けられていない請求項１または２に記載の柱梁接合構造。
4. 請求項１に記載の柱梁接合構造の施工方法であって、
   接合部側の領域において、下側フランジ及びウェブを囲むように型枠を設置する型枠設置工程と、
   前記型枠の内部にコンクリートを打設するコンクリート打設工程と、
   前記コンクリート及び前記下側フランジを耐火被覆材で覆う耐火被覆材取付工程と、を備える柱梁接合構造の施工方法。
5. コンクリート部の長さは、木質柱の柱芯材の表面から５００ｍｍ以上である請求項４に記載の柱梁接合構造の施工方法。
6. 前記接合部側の領域において、上側フランジを切断する上側フランジ切断工程を備える請求項４または５に記載の柱梁接合構造の施工方法。

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