JP3758964B2 - 鋼板コンクリート構造梁及びそれを有する建設物、並びにそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板コンクリート構造梁、及び鋼板コンクリート構造梁を有する建設物に関し、また、それらを製造するための製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼板コンクリート構造（ＳＣ構造）、即ち、２枚の鋼板の間にコンクリートを充填した構造は、コンクリート打設時の型枠が不要であるため、鉄筋コンクリート（ＲＣ構造）に比べて工期が短いという利点がある。更に、鋼板コンクリート構造は、鉄筋コンクリート構造よりも力学的特性が優れているという利点もある。なお、本明細書では、曲げモーメント、及び／又は、面外方向の剪断力を受ける鋼板コンクリート構造物を「鋼板コンクリート構造梁」と呼ぶ。
【０００３】
鋼板コンクリート構造梁の従来の強度計算では、例えば、梁に曲げモーメントが作用した時の降伏荷重を以下のように計算していた。
図１０を参照して、鋼板コンクリート構造梁の従来の強度計算法について説明する。図１０（ａ）は鋼板コンクリート構造梁の正面図であり、図１０（ｂ）は側面図である。鋼板コンクリート構造梁１０は、下側鋼板２と、上側鋼板４と、それらを連結する複数のウェブ部材６と、上側鋼板と下側鋼板との間に充填されたコンクリート８とを有する。鋼板コンクリート構造梁１０の諸元を、長さＬ、高さＨ、幅Ｂ、下側鋼板の厚さｔ1、上側鋼板の厚さｔ2、コンクリートの弾性係数ＥC、上側及び下側鋼板の弾性係数ＥS、弾性係数比ｎ＝ＥS／ＥCと、定める。
【０００４】
図１１に、鋼板コンクリート構造梁１０に曲げモーメントが作用した場合の歪εの分布の一例を示す。ここで、ｘは梁の上面から中立軸までの距離を表している。図１１に示す歪εの分布では、中立軸よりも下側の梁部材は引張られて伸び、上側の梁部材は圧縮されて縮んでいる。
【０００５】
次に、図１２を参照して、鋼板コンクリート構造梁１０の応力分布について説明する。従来の鋼板コンクリート構造梁の強度計算法においては、例えば、田中礼治著『鉄筋コンクリートの構造設計入門』（相模書房、平成元年）にも記載されているように、コンクリートは圧縮力のみを分担し、引張り力を全く分担しないという仮定のもとに強度計算が行われていた。従って、鋼板コンクリート構造梁に作用する応力は図１２に示すような分布になる。即ち、中立軸よりも下側のコンクリートの部分の応力が０になる。
【０００６】
従来技術による鋼板コンクリート構造梁の強度計算法について具体的に説明する。図１１に示すように、鋼板コンクリート構造梁１０の上面における歪をεuとすると、上側鋼板４の中心の歪ε2は（数式１）によって表される。
【数１】
従って、上側鋼板４が分担する圧縮力ＣSは、
【数２】
となる。
【０００７】
また、コンクリート８の上端における歪εCは、
【数３】
となる。従って、中立軸よりも上のコンクリート８が分担する圧縮力ＣCは、
【数４】
となる。
【０００８】
また、前述のように、中立軸よりも下側のコンクリート８が分担する引張り力ＴCは０である。更に、下側鋼板２の下端における歪εbは、
【数５】
となる。従って、下側鋼板２の中心におけるε1歪は、
【数６】
となる。よって、下側鋼板２が分担する引張り力ＴSは、
【数７】
となる。
【０００９】
上記のＣS、ＣC、ＴSの間には（数式８）の関係が成り立つ。
【数８】
（数式１）乃至（数式７）を（数式８）に代入し、両辺をＥCεuで除し、更に両辺にｘを乗じて、ｘについて整理すると（数式９）が得られる。
【数９】
（数式９）をｘの２次方程式として解くことにより、具体的な中立軸の位置を求めることができる。
【００１０】
ここで、鋼板コンクリート構造梁１０が受ける曲げモーメントＭは中立軸を中心とするモーメントを合算することにより（数式１０）から求めることができる。
【数１０】
また、下側鋼板２が降伏応力σyに達するときの歪ε1は、
【数１１】
となる。
【００１１】
一方、長さＬの両端単純支持梁の中央に、設計荷重である集中荷重Ｆが作用するときの最大曲げモーメントＭmaxは、
【数１２】
と表され、この最大曲げモーメントＭmaxは鋼板コンクリート構造梁１０の中央に作用する。次に、（数式１２）をＦについて解くと次式が得られる。
【数１３】
【００１２】
今度は数値例をあげて説明する。鋼板コンクリート構造梁１０の諸元を（表１）のように定める。
【表１】
【００１３】
（表１）の値を（数式９）に代入してｘの値を求めると、
ｘ＝９．６７［ｃｍ］
となる。即ち、中立軸は鋼板コンクリート構造梁１０の上端から９．６７［ｃｍ］下の位置にある。更に、下側鋼板２が降伏応力σyに達するときの歪ε1、εuを（数式１１）より求め、ＣS、ＣC、ＴSを（数式２）、（数式４）、（数式７）より求めて、これらの値を（数式１０）に代入することにより、鋼板コンクリート構造梁１０が受ける曲げモーメントＭを計算すると、
Ｍ＝９２４９２７［ｋｇｃｍ］
となる。この値を（数式１３）のＭmaxに代入することにより、下側鋼板２が降伏応力σyに達するときの集中荷重Ｆを求めることができる。（数式１３）より、梁中央の降伏集中荷重Ｆは、
Ｆ＝２５６９２［ｋｇ］≒２５．７［ｔｏｎ］
となる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の鋼板コンクリート構造では、上記の方法により強度計算を行っている。しかしながら、実際の鋼板コンクリート構造梁は、上記の計算で得られた降伏荷重よりも大きな荷重に耐えることが実験的に知られている。従って、鋼板コンクリート構造梁に対して必要とされる耐荷重について、従来技術の強度計算法で梁の諸元を決定すると、過大な強度を有する鋼板コンクリート構造梁を設計することになる。これにより、梁を構成する部材、特に、鋼材の分量が多くなり、コストが高くなるという問題がある。
【００１５】
コンクリートの力学的特性は、非常に複雑であり、鋼材とコンクリートとを組合せた構造物の強度を理論的に厳密に求めることができる強度計算方法は知られていない。
本発明の目的は、与えられた設計荷重に対して必要にして十分な強度を有する低コストな鋼板コンクリート構造梁、及びそれを有する建設物を提供することにある。
本発明の他の目的は、与えられた設計荷重に対して必要にして十分な強度を有する低コストな鋼板コンクリート構造梁、及びそれを有する建設物を製造する方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記のように、鋼板コンクリート構造梁の従来の強度計算法では、鋼板コンクリート構造梁がウェブ部材を有するにもかかわらず、強度計算においてウェブ部材の存在を全く考慮していなかった。本願発明者は理論、実験の両面から鋼板コンクリート構造梁の強度解析を行うことによって、後述する範囲のウェブ部材間隔を有する鋼板コンクリート構造梁においては、トラス構造の理論を用いることにより、より正確な強度計算ができることをつきとめた。
【００１７】
これにより、任意の大きさの曲げモーメントが作用する鋼板コンクリート構造梁について、引張り力が作用する側の鋼板の必要にして十分な厚さを正確に計算し、必要な設計荷重に十分に耐え得る強度の鋼板コンクリート構造梁を低コストで得ることが可能になった。なお、設計荷重には梁に加えられる長期荷重、短期荷重、及びそれらを足し合せた荷重を適宜採用することができる。
【００１８】
本発明は、降伏引張り応力σyの第１の鋼板と、第１の鋼板と平行に配置された第２の鋼板とを複数のウェブ部材で連結し、第１の鋼板と、第２の鋼板との間にコンクリートを充填した構造を有し、高さＨ、幅Ｂ、ウェブ部材間隔Ｌwの最大曲げモーメントＭmaxを受ける鋼板コンクリート構造梁において、
最大の引張り力が作用する前記第１の鋼板の厚さｔが、
の範囲内にあり、ウェブ部材の間隔Ｌwが、
の範囲内にあることを特徴とする、鋼板コンクリート構造梁、及び前記鋼板コンクリート構造梁を有する建設物である。
【００１９】
本発明は又、高さＨ、幅Ｂの鋼板コンクリート構造梁に作用する最大曲げモーメントＭmaxを算出する段階と、
鋼板コンクリート構造梁が曲げモーメントを受けたとき、引張り力が作用する位置に、降伏引張り応力σyの第１の鋼板を配置する段階と、
距離Ｌwの間隔を隔てて取付けられる複数のウェブ部材を介して、第２の鋼板を第１の鋼板に平行に連結する段階と、
第１の鋼板と第２の鋼板との間にコンクリートを充填する段階と、を有する鋼板コンクリート構造梁の製造方法において、
第１の鋼板の厚さｔを、
の範囲内とし、ウェブ部材の間隔Ｌwを、
の範囲内とすることを特徴とする、鋼板コンクリート構造梁の製造方法、及び前記鋼板コンクリート構造梁の製造方法を利用した建設物の製造方法である。
【００２０】
本発明を使用すると、鋼板コンクリート構造梁の引張り荷重を受ける鋼板の厚さを、従来技術の強度計算方法によって設計された場合よりも最大で約１２％薄くすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
前述のように、本願発明者の実験的、理論的解析により、所定の範囲のウェブ部材間隔を有する鋼板コンクリート構造梁においては、この梁をトラス構造物としてモデル化して梁の強度を求めると、従来の強度計算法によって求めた強度よりも実験値に近い値が得られることが明らかになった。以下に、トラス構造物の強度解析について説明する。
【００２２】
まず、図１（ａ）に示す両端単純支持の鋼板コンクリート構造梁１を、図１（ｂ）に示すトラス構造物にモデル化する。梁の諸元は、梁の長さＬ、高さＨ、幅Ｂ（図示せず）、ウェブ間隔Ｌwとする。図１（ｂ）に示すように、トラス構造物の各節点に▲１▼乃至▲６▼の節点番号をつける。また、各トラス部材にａ乃至ｍの符号を付ける。又、上側のトラス部材ｂ、ｆ、ｊに働く内力をＰu1、Ｐu2、Ｐu3とし、下側のトラス部材ｄ、ｈ、ｍに働く内力をＰb1、Ｐb2、Ｐb3とし、縦方向のトラス部材ａ、ｅ、ｉに働く内力をＰw1、Ｐw2、Ｐw3とし、斜め方向のトラス部材ｃ、ｇ、ｋに働く内力をＰc1、Ｐc2、Ｐc3とする。
ここで、梁の中央に設計荷重である集中荷重Ｆを加えた場合を考えると、梁の両端の支持点には各々Ｐ（＝Ｆ／２）の反力が働く。
【００２３】
まず、節点▲１▼における力の釣り合いを考えると、節点▲１▼には外力が働いていないため、部材ａ、ｂには力が働かない、従って、Ｐu1＝Ｐw1＝０となる。
次に、節点▲２▼における力の釣り合いについて考える。図２（ａ）に示すように、節点▲２▼では、左側の支点反力Ｐと、トラス部材の内力Ｐc1、Ｐb1が釣り合う（前述のように、Ｐw1は０である。）。従って、
【数１４】
【数１５】
という関係が成り立つ。
【００２４】
次に、図２（ｂ）を参照して、節点▲３▼の力の釣り合いについて考える。水平方向の力の釣り合いから、
【数１６】
の関係が成り立ち、鉛直方向の力の釣り合いから、
【数１７】
の関係が成り立つ。
【００２５】
更に、図２（ｃ）を参照して、節点▲４▼の力の釣り合いについて考える。鉛直方向の力の釣り合いから、
【数１８】
の関係が成り立ち、水平方向の力の釣り合いから、
【数１９】
の関係が成り立つ。
【００２６】
同様に、図２（ｄ）を参照して、節点▲５▼の力の釣り合いについて考える。鉛直方向の力の釣り合いから、
【数２０】
の関係が成り立ち、水平方向の力の釣り合いから、
【数２１】
の関係が成り立つ。
【００２７】
更に、図２（ｅ）を参照して、節点▲６▼の力の釣り合いについて考える。鉛直方向の力の釣り合いから、
【数２２】
の関係が成り立ち、水平方向の力の釣り合いから、
【数２３】
の関係が成り立つ。
【００２８】
各トラス部材に働く内力を表にまとめると、（表２）のようになる。
【表２】
【００２９】
このトラス構造は左右対称であり、中央に荷重が作用しているため、トラス構造の右半分の部材の内力は、対称の位置にある左側のトラス部材の内力と同じになる。また、図１に記載したトラス構造は、トラスの同一の組み合わせが左右対称に６回繰り返される形態である。この繰り返し数が多くなった場合にはＰb、Ｐuの値は、梁の端から順にＰ／tanθずつ増加し、梁の中央で最大になることも分かる。一方、ＰW、ＰCの値は、各部材同一のままである。
【００３０】
次に、数値例をあげて説明する。ここでも、（表１）に示した鋼板コンクリート構造梁の諸元と同一の諸元を用い、それに加えて、ウェブ間隔ＬWの値を２４［ｃｍ］と定める。従って、鋼板コンクリート構造梁１はウェブ６によって６等分される。
【００３１】
下側鋼板２に働く最大引張り荷重は（表２）より、３Ｐ／tanθである。ここで、
【数２４】
の関係が成り立つので、下側鋼板２に働く最大引張り荷重は３Ｐとなる。この荷重を下側鋼板２の降伏荷重と等置すると、
【数２５】
という値が得られる。
【００３２】
従って、下側鋼板２が降伏荷重に達する際に鋼板コンクリート構造梁１の中央に加えられている集中荷重Ｆの値、即ち、鋼板コンクリート構造梁１の降伏荷重は、
Ｆ＝２Ｐ＝２８７６４［ｋｇ］
となる。この値は、従来技術の強度計算法で求めた降伏荷重Ｆ＝２５６９２［ｋｇ］よりも約１２％大きい。逆に、同一の荷重で降伏荷重に達する鋼板コンクリート構造梁１を設計したとすれば、本実施形態の計算法では、下側鋼板２を従来技術の計算法よりも約１２％薄く設計することが可能になる。
【００３３】
次に、上記のトラス構造物のモデルを用いた場合の、鋼板コンクリート構造梁１に作用する最大曲げモーメントＭmaxと、下側鋼板２に加わる引張り応力σとの関係を、より一般的に求める。まず、長さＬの鋼板コンクリート構造梁１が、距離ＬW間隔に設けられたウェブ部材６で２Ｎ等分された場合には、次の関係が成り立つ。
【数２６】
【００３４】
（表２）より、鋼板コンクリート構造梁１がウェブ部材６によって２Ｎ等分された場合には、最大引張り力が作用する部材（下側中央の部材）には、
【数２７】
の内力が作用することがわかる。Ｐ＝Ｆ／２、（数式２６）、（数式２４）の関係を、（数式２７）に夫々代入すると、
【数２８】
の関係が得られる。
【００３５】
（数式２８）に（数式１２）を代入し、両辺を下側鋼板２の断面積Ｂｔ1で除することにより、下側鋼板２に作用する応力σが得られる。
【数２９】
更に、（数式２９）をｔ1について解くと、
【数３０】
の関係が得られる。（数式３０）のσを下側鋼板２の降伏応力とすれば、最大曲げモーメントＭmaxが生じる荷重Ｆを受けたとき、鋼板コンクリート構造梁１の下側鋼板２が降伏応力に達する板厚が得られる。
【００３６】
上述の通り、このようにして算出される板厚ｔ1は、従来技術の強度計算法によって算出される板厚よりも、約１２％薄くなる。更に、本発明の実施形態において算出された降伏荷重は、ウェブ間隔ＬW＝０．５Ｈ乃至３．０Ｈの範囲にあるとき、好ましくは、ＬW＝０．５Ｈ乃至２．０Ｈ、更に好ましくは、ＬW＝０．５Ｈ乃至１．０Ｈの範囲にあるとき実験結果と良く一致する。
【００３７】
従って、最大曲げモーメントＭmaxを受ける高さＨ、幅Ｂの鋼板コンクリート構造梁１を構成する場合、ウェブ部材６を、
【数３１】
の間隔に配置し、下側鋼板２の板厚ｔ1を、
【数３２】
の範囲に設計すれば、従来技術の強度計算法によって設計された鋼板コンクリート構造梁１０よりも少ない鋼材の量で、最大曲げモーメントＭmaxに耐え得る鋼板コンクリート構造梁を得ることができる。ただし、（数式３２）中のσyは下側鋼板２の降伏引張り応力である。
【００３８】
本実施形態では、下側鋼板２に最大引張り力が働く場合のみについて記載したが、鋼板コンクリート構造梁１が上記の実施形態とは逆向きの曲げモーメントを受ける場合には、上側鋼板４の板厚ｔ2について全く同様に本発明を適用することができる。
【００３９】
更に、図３に示すように、上側鋼板４及び下側鋼板２、及びウェブ部材６に多数のスタッド１２を溶接した鋼板コンクリート構造梁にも本発明を適用することができる。これにより、鋼板とコンクリートとの間の剥離を防ぐことができ、鋼板コンクリート構造梁の剛性を向上することができるとともに、鋼板の座屈を防止することができる。
図４に示すように、スタッド１２を溶接する代りに多数のＬ形のアングル材１４等を溶接しても良い。これにより、溶接の工程数を減じることができる。
【００４０】
また、図５に示すように、ウェブ部材６に穴をあけた鋼板コンクリート構造梁にも本発明を適用することができる。これにより、ウェブ部材６で囲われた空間に容易にコンクリートを流し込むことができるようになり、コンクリートの充填性が向上する。
更に、図６に示すように、フラットバー１６にメッシュ筋１８を溶接したものでウェブ部材を構成しても良い。この構成によっても、コンクリートの充填性を向上させることができる。また、穴をあけたウェブ部材６よりも製造コストを低く抑えることができる。
【００４１】
また、図７に示すように、ウェブ部材６は長さＬWの間隔を隔てて、斜めに配置しても良い。ウェブ部材６を図７に示すような位置に配置した場合、ウェブ部材６には引張り力が作用し、ウェブ部材６の間のコンクリート８には圧縮力が加わるため、強度的に有利である。このように、ウェブ部材６を斜めに配置した場合にも上記実施形態と同じ手順によって下側鋼板２の厚さを決定することができる。
また、本発明を、図８に示すような上側鋼板４と下側鋼板２との間に第３の鋼板２０を設けた鋼板コンクリート構造梁にも適用することができる。この場合にも、上記実施形態と同一の仕方で下側鋼板２の厚さを決定することができる。
【００４２】
更に、例えば、図９に示すような、原子力施設で用いられる厚さが途中で変化する遮蔽壁２２として鋼板コンクリート構造梁を用いることができる。この場合には、遮蔽壁２２の厚い部分を３枚の鋼板を有する鋼板コンクリート構造梁として取扱い、薄い部分を２枚の鋼板を有する鋼板コンクリート構造梁として取扱うことにより、鋼板の厚さを決定する。
【００４３】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内において、開示した実施形態に種々の変更を加えることができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明により、与えられた設計荷重に対して必要にして十分な強度を有する低コストな鋼板コンクリート構造梁、及びそれを有する建設物を得ることができる。
また、本発明により、与えられた設計荷重に対して必要にして十分な強度を有する低コストな鋼板コンクリート構造梁、及びそれを有する建設物を製造する方法が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による鋼板コンクリート構造梁、及びそれをモデル化したトラス構造物を示す図である。
【図２】トラス構造物の各節点における力の釣り合いを示す図である。
【図３】上側及び下側鋼板、及びウェブ部材にスタッドを設けた鋼板コンクリート構造梁を示す図である。
【図４】スタッドの代りにＬ形アングルを取付けた鋼板コンクリート構造梁を示す図である。
【図５】ウェブ部材に穴を設けた鋼板コンクリート構造梁を示す斜視図である。
【図６】ウェブ部材をフラットバー及びメッシュ筋によって構成した鋼板コンクリート構造梁を示す斜視図である。
【図７】ウェブ部材を斜めに配置した鋼板コンクリート構造梁を示す図である。
【図８】上側鋼板と下側鋼板との間に、更に１枚鋼板を設けた鋼板コンクリート構造梁を示す図である。
【図９】厚さが途中で変化する鋼板コンクリート構造梁を、原子力施設の遮蔽壁に適用した例を示す図である。
【図１０】従来技術の鋼板コンクリート構造梁の正面図及び側面図である。
【図１１】従来技術の鋼板コンクリート構造梁の各部の歪を表すグラフである。
【図１２】従来技術の鋼板コンクリート構造梁の各部に発生する応力の分布を表すグラフである。
【符号の説明】
Ｂ 梁の幅
Ｆ 荷重
Ｈ 梁の高さ
Ｌ 梁の長さ
ＬW ウェブ部材の間隔
Ｐ 支点反力
ｔ1 下側鋼板の厚さ
ｔ2 上側鋼板の厚さ
１ 鋼板コンクリート構造梁
２ 下側鋼板
４ 上側鋼板
６ ウェブ部材
８ コンクリート
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板コンクリート構造梁、及び鋼板コンクリート構造梁を有する建設物に関し、また、それらを製造するための製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼板コンクリート構造（ＳＣ構造）、即ち、２枚の鋼板の間にコンクリートを充填した構造は、コンクリート打設時の型枠が不要であるため、鉄筋コンクリート（ＲＣ構造）に比べて工期が短いという利点がある。更に、鋼板コンクリート構造は、鉄筋コンクリート構造よりも力学的特性が優れているという利点もある。なお、本明細書では、曲げモーメント、及び／又は、面外方向の剪断力を受ける鋼板コンクリート構造物を「鋼板コンクリート構造梁」と呼ぶ。
【０００３】
鋼板コンクリート構造梁の従来の強度計算では、例えば、梁に曲げモーメントが作用した時の降伏荷重を以下のように計算していた。
図１０を参照して、鋼板コンクリート構造梁の従来の強度計算法について説明する。図１０（ａ）は鋼板コンクリート構造梁の正面図であり、図１０（ｂ）は側面図である。鋼板コンクリート構造梁１０は、下側鋼板２と、上側鋼板４と、それらを連結する複数のウェブ部材６と、上側鋼板と下側鋼板との間に充填されたコンクリート８とを有する。鋼板コンクリート構造梁１０の諸元を、長さＬ、高さＨ、幅Ｂ、下側鋼板の厚さｔ1、上側鋼板の厚さｔ2、コンクリートの弾性係数ＥC、上側及び下側鋼板の弾性係数ＥS、弾性係数比ｎ＝ＥS／ＥCと、定める。
【０００４】
図１１に、鋼板コンクリート構造梁１０に曲げモーメントが作用した場合の歪εの分布の一例を示す。ここで、ｘは梁の上面から中立軸までの距離を表している。図１１に示す歪εの分布では、中立軸よりも下側の梁部材は引張られて伸び、上側の梁部材は圧縮されて縮んでいる。
【０００５】
次に、図１２を参照して、鋼板コンクリート構造梁１０の応力分布について説明する。従来の鋼板コンクリート構造梁の強度計算法においては、例えば、田中礼治著『鉄筋コンクリートの構造設計入門』（相模書房、平成元年）にも記載されているように、コンクリートは圧縮力のみを分担し、引張り力を全く分担しないという仮定のもとに強度計算が行われていた。従って、鋼板コンクリート構造梁に作用する応力は図１２に示すような分布になる。即ち、中立軸よりも下側のコンクリートの部分の応力が０になる。
【０００６】
従来技術による鋼板コンクリート構造梁の強度計算法について具体的に説明する。図１１に示すように、鋼板コンクリート構造梁１０の上面における歪をεuとすると、上側鋼板４の中心の歪ε2は（数式１）によって表される。
【数１】
【数２】
【０００７】
また、コンクリート８の上端における歪εCは、
【数３】
【数４】
【０００８】
また、前述のように、中立軸よりも下側のコンクリート８が分担する引張り力ＴCは０である。更に、下側鋼板２の下端における歪εbは、
【数５】
【数６】
【数７】
【０００９】
上記のＣS、ＣC、ＴSの間には（数式８）の関係が成り立つ。
【数８】
【数９】
【００１０】
ここで、鋼板コンクリート構造梁１０が受ける曲げモーメントＭは中立軸を中心とするモーメントを合算することにより（数式１０）から求めることができる。
【数１０】
【数１１】
【００１１】
一方、長さＬの両端単純支持梁の中央に、設計荷重である集中荷重Ｆが作用するときの最大曲げモーメントＭmaxは、
【数１２】
【数１３】
今度は数値例をあげて説明する。鋼板コンクリート構造梁１０の諸元を（表１）のように定める。
【表１】
（表１）の値を（数式９）に代入してｘの値を求めると、
ｘ＝９．６７［ｃｍ］
となる。即ち、中立軸は鋼板コンクリート構造梁１０の上端から９．６７［ｃｍ］下の位置にある。更に、下側鋼板２が降伏応力σyに達するときの歪ε1、εuを（数式１１）より求め、ＣS、ＣC、ＴSを（数式２）、（数式４）、（数式７）より求めて、これらの値を（数式１０）に代入することにより、鋼板コンクリート構造梁１０が受ける曲げモーメントＭを計算すると、
Ｍ＝９２４９２７［ｋｇｃｍ］
となる。この値を（数式１３）のＭmaxに代入することにより、下側鋼板２が降伏応力σyに達するときの集中荷重Ｆを求めることができる。（数式１３）より、梁中央の降伏集中荷重Ｆは、
Ｆ＝２５６９２［ｋｇ］≒２５．７［ｔｏｎ］
となる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の鋼板コンクリート構造では、上記の方法により強度計算を行っている。しかしながら、実際の鋼板コンクリート構造梁は、上記の計算で得られた降伏荷重よりも大きな荷重に耐えることが実験的に知られている。従って、鋼板コンクリート構造梁に対して必要とされる耐荷重について、従来技術の強度計算法で梁の諸元を決定すると、過大な強度を有する鋼板コンクリート構造梁を設計することになる。これにより、梁を構成する部材、特に、鋼材の分量が多くなり、コストが高くなるという問題がある。
【００１５】
コンクリートの力学的特性は、非常に複雑であり、鋼材とコンクリートとを組合せた構造物の強度を理論的に厳密に求めることができる強度計算方法は知られていない。
本発明の目的は、与えられた設計荷重に対して必要にして十分な強度を有する低コストな鋼板コンクリート構造梁、及びそれを有する建設物を提供することにある。
本発明の他の目的は、与えられた設計荷重に対して必要にして十分な強度を有する低コストな鋼板コンクリート構造梁、及びそれを有する建設物を製造する方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記のように、鋼板コンクリート構造梁の従来の強度計算法では、鋼板コンクリート構造梁がウェブ部材を有するにもかかわらず、強度計算においてウェブ部材の存在を全く考慮していなかった。本願発明者は理論、実験の両面から鋼板コンクリート構造梁の強度解析を行うことによって、後述する範囲のウェブ部材間隔を有する鋼板コンクリート構造梁においては、トラス構造の理論を用いることにより、より正確な強度計算ができることをつきとめた。
【００１７】
これにより、任意の大きさの曲げモーメントが作用する鋼板コンクリート構造梁について、引張り力が作用する側の鋼板の必要にして十分な厚さを正確に計算し、必要な設計荷重に十分に耐え得る強度の鋼板コンクリート構造梁を低コストで得ることが可能になった。なお、設計荷重には梁に加えられる長期荷重、短期荷重、及びそれらを足し合せた荷重を適宜採用することができる。
【００１８】
本発明は、降伏引張り応力σyの第１の鋼板と、第１の鋼板と平行に配置された第２の鋼板とを複数のウェブ部材で連結し、第１の鋼板と、第２の鋼板との間にコンクリートを充填した構造を有し、高さＨ、幅Ｂ、ウェブ部材間隔Ｌwの最大曲げモーメントＭmaxを受ける鋼板コンクリート構造梁において、
最大の引張り力が作用する前記第１の鋼板の厚さｔが、
【００１９】
本発明は又、高さＨ、幅Ｂの鋼板コンクリート構造梁に作用する最大曲げモーメントＭmaxを算出する段階と、
鋼板コンクリート構造梁が曲げモーメントを受けたとき、引張り力が作用する位置に、降伏引張り応力σyの第１の鋼板を配置する段階と、
距離Ｌwの間隔を隔てて取付けられる複数のウェブ部材を介して、第２の鋼板を第１の鋼板に平行に連結する段階と、
第１の鋼板と第２の鋼板との間にコンクリートを充填する段階と、を有する鋼板コンクリート構造梁の製造方法において、
第１の鋼板の厚さｔを、
【００２０】
本発明を使用すると、鋼板コンクリート構造梁の引張り荷重を受ける鋼板の厚さを、従来技術の強度計算方法によって設計された場合よりも最大で約１２％薄くすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
前述のように、本願発明者の実験的、理論的解析により、所定の範囲のウェブ部材間隔を有する鋼板コンクリート構造梁においては、この梁をトラス構造物としてモデル化して梁の強度を求めると、従来の強度計算法によって求めた強度よりも実験値に近い値が得られることが明らかになった。以下に、トラス構造物の強度解析について説明する。
【００２２】
まず、図１（ａ）に示す両端単純支持の鋼板コンクリート構造梁１を、図１（ｂ）に示すトラス構造物にモデル化する。梁の諸元は、梁の長さＬ、高さＨ、幅Ｂ（図示せず）、ウェブ間隔Ｌwとする。図１（ｂ）に示すように、トラス構造物の各節点に▲１▼乃至▲６▼の節点番号をつける。また、各トラス部材にａ乃至ｍの符号を付ける。又、上側のトラス部材ｂ、ｆ、ｊに働く内力をＰu1、Ｐu2、Ｐu3とし、下側のトラス部材ｄ、ｈ、ｍに働く内力をＰb1、Ｐb2、Ｐb3とし、縦方向のトラス部材ａ、ｅ、ｉに働く内力をＰw1、Ｐw2、Ｐw3とし、斜め方向のトラス部材ｃ、ｇ、ｋに働く内力をＰc1、Ｐc2、Ｐc3とする。
ここで、梁の中央に設計荷重である集中荷重Ｆを加えた場合を考えると、梁の両端の支持点には各々Ｐ（＝Ｆ／２）の反力が働く。
【００２３】
まず、節点▲１▼における力の釣り合いを考えると、節点▲１▼には外力が働いていないため、部材ａ、ｂには力が働かない、従って、Ｐu1＝Ｐw1＝０となる。
次に、節点▲２▼における力の釣り合いについて考える。図２（ａ）に示すように、節点▲２▼では、左側の支点反力Ｐと、トラス部材の内力Ｐc1、Ｐb1が釣り合う（前述のように、Ｐw1は０である。）。従って、
【数１４】
【００２４】
次に、図２（ｂ）を参照して、節点▲３▼の力の釣り合いについて考える。水平方向の力の釣り合いから、
【数１６】
【数１７】
【００２５】
更に、図２（ｃ）を参照して、節点▲４▼の力の釣り合いについて考える。鉛直方向の力の釣り合いから、
【数１８】
【数１９】
【００２６】
同様に、図２（ｄ）を参照して、節点▲５▼の力の釣り合いについて考える。鉛直方向の力の釣り合いから、
【数２０】
【数２１】
【００２７】
更に、図２（ｅ）を参照して、節点▲６▼の力の釣り合いについて考える。鉛直方向の力の釣り合いから、
【数２２】
【数２３】
【００２８】
各トラス部材に働く内力を表にまとめると、（表２）のようになる。
【表２】
このトラス構造は左右対称であり、中央に荷重が作用しているため、トラス構造の右半分の部材の内力は、対称の位置にある左側のトラス部材の内力と同じになる。また、図１に記載したトラス構造は、トラスの同一の組み合わせが左右対称に６回繰り返される形態である。この繰り返し数が多くなった場合にはＰb、Ｐuの値は、梁の端から順にＰ／tanθずつ増加し、梁の中央で最大になることも分かる。一方、ＰW、ＰCの値は、各部材同一のままである。
【００３０】
次に、数値例をあげて説明する。ここでも、（表１）に示した鋼板コンクリート構造梁の諸元と同一の諸元を用い、それに加えて、ウェブ間隔ＬWの値を２４［ｃｍ］と定める。従って、鋼板コンクリート構造梁１はウェブ６によって６等分される。
【００３１】
下側鋼板２に働く最大引張り荷重は（表２）より、３Ｐ／tanθである。ここで、
【数２４】
【数２５】
【００３２】
従って、下側鋼板２が降伏荷重に達する際に鋼板コンクリート構造梁１の中央に加えられている集中荷重Ｆの値、即ち、鋼板コンクリート構造梁１の降伏荷重は、
Ｆ＝２Ｐ＝２８７６４［ｋｇ］
となる。この値は、従来技術の強度計算法で求めた降伏荷重Ｆ＝２５６９２［ｋｇ］よりも約１２％大きい。逆に、同一の荷重で降伏荷重に達する鋼板コンクリート構造梁１を設計したとすれば、本実施形態の計算法では、下側鋼板２を従来技術の計算法よりも約１２％薄く設計することが可能になる。
【００３３】
次に、上記のトラス構造物のモデルを用いた場合の、鋼板コンクリート構造梁１に作用する最大曲げモーメントＭmaxと、下側鋼板２に加わる引張り応力σとの関係を、より一般的に求める。まず、長さＬの鋼板コンクリート構造梁１が、距離ＬW間隔に設けられたウェブ部材６で２Ｎ等分された場合には、次の関係が成り立つ。
【数２６】
（表２）より、鋼板コンクリート構造梁１がウェブ部材６によって２Ｎ等分された場合には、最大引張り力が作用する部材（下側中央の部材）には、
【数２７】
【数２８】
【００３５】
（数式２８）に（数式１２）を代入し、両辺を下側鋼板２の断面積Ｂｔ1で除することにより、下側鋼板２に作用する応力σが得られる。
【数２９】
【数３０】
【００３６】
上述の通り、このようにして算出される板厚ｔ1は、従来技術の強度計算法によって算出される板厚よりも、約１２％薄くなる。更に、本発明の実施形態において算出された降伏荷重は、ウェブ間隔ＬW＝０．５Ｈ乃至３．０Ｈの範囲にあるとき、好ましくは、ＬW＝０．５Ｈ乃至２．０Ｈ、更に好ましくは、ＬW＝０．５Ｈ乃至１．０Ｈの範囲にあるとき実験結果と良く一致する。
【００３７】
従って、最大曲げモーメントＭmaxを受ける高さＨ、幅Ｂの鋼板コンクリート構造梁１を構成する場合、ウェブ部材６を、
【数３１】
【数３２】
【００３８】
本実施形態では、下側鋼板２に最大引張り力が働く場合のみについて記載したが、鋼板コンクリート構造梁１が上記の実施形態とは逆向きの曲げモーメントを受ける場合には、上側鋼板４の板厚ｔ2について全く同様に本発明を適用することができる。
【００３９】
更に、図３に示すように、上側鋼板４及び下側鋼板２、及びウェブ部材６に多数のスタッド１２を溶接した鋼板コンクリート構造梁にも本発明を適用することができる。これにより、鋼板とコンクリートとの間の剥離を防ぐことができ、鋼板コンクリート構造梁の剛性を向上することができるとともに、鋼板の座屈を防止することができる。
図４に示すように、スタッド１２を溶接する代りに多数のＬ形のアングル材１４等を溶接しても良い。これにより、溶接の工程数を減じることができる。
【００４０】
また、図５に示すように、ウェブ部材６に穴をあけた鋼板コンクリート構造梁にも本発明を適用することができる。これにより、ウェブ部材６で囲われた空間に容易にコンクリートを流し込むことができるようになり、コンクリートの充填性が向上する。
更に、図６に示すように、フラットバー１６にメッシュ筋１８を溶接したものでウェブ部材を構成しても良い。この構成によっても、コンクリートの充填性を向上させることができる。また、穴をあけたウェブ部材６よりも製造コストを低く抑えることができる。
【００４１】
また、図７に示すように、ウェブ部材６は長さＬWの間隔を隔てて、斜めに配置しても良い。ウェブ部材６を図７に示すような位置に配置した場合、ウェブ部材６には引張り力が作用し、ウェブ部材６の間のコンクリート８には圧縮力が加わるため、強度的に有利である。このように、ウェブ部材６を斜めに配置した場合にも上記実施形態と同じ手順によって下側鋼板２の厚さを決定することができる。
また、本発明を、図８に示すような上側鋼板４と下側鋼板２との間に第３の鋼板２０を設けた鋼板コンクリート構造梁にも適用することができる。この場合にも、上記実施形態と同一の仕方で下側鋼板２の厚さを決定することができる。
【００４２】
更に、例えば、図９に示すような、原子力施設で用いられる厚さが途中で変化する遮蔽壁２２として鋼板コンクリート構造梁を用いることができる。この場合には、遮蔽壁２２の厚い部分を３枚の鋼板を有する鋼板コンクリート構造梁として取扱い、薄い部分を２枚の鋼板を有する鋼板コンクリート構造梁として取扱うことにより、鋼板の厚さを決定する。
【００４３】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内において、開示した実施形態に種々の変更を加えることができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明により、与えられた設計荷重に対して必要にして十分な強度を有する低コストな鋼板コンクリート構造梁、及びそれを有する建設物を得ることができる。
また、本発明により、与えられた設計荷重に対して必要にして十分な強度を有する低コストな鋼板コンクリート構造梁、及びそれを有する建設物を製造する方法が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による鋼板コンクリート構造梁、及びそれをモデル化したトラス構造物を示す図である。
【図２】トラス構造物の各節点における力の釣り合いを示す図である。
【図３】上側及び下側鋼板、及びウェブ部材にスタッドを設けた鋼板コンクリート構造梁を示す図である。
【図４】スタッドの代りにＬ形アングルを取付けた鋼板コンクリート構造梁を示す図である。
【図５】ウェブ部材に穴を設けた鋼板コンクリート構造梁を示す斜視図である。
【図６】ウェブ部材をフラットバー及びメッシュ筋によって構成した鋼板コンクリート構造梁を示す斜視図である。
【図７】ウェブ部材を斜めに配置した鋼板コンクリート構造梁を示す図である。
【図８】上側鋼板と下側鋼板との間に、更に１枚鋼板を設けた鋼板コンクリート構造梁を示す図である。
【図９】厚さが途中で変化する鋼板コンクリート構造梁を、原子力施設の遮蔽壁に適用した例を示す図である。
【図１０】従来技術の鋼板コンクリート構造梁の正面図及び側面図である。
【図１１】従来技術の鋼板コンクリート構造梁の各部の歪を表すグラフである。
【図１２】従来技術の鋼板コンクリート構造梁の各部に発生する応力の分布を表すグラフである。
【符号の説明】
Ｂ 梁の幅
Ｆ 荷重
Ｈ 梁の高さ
Ｌ 梁の長さ
ＬW ウェブ部材の間隔
Ｐ 支点反力
ｔ1 下側鋼板の厚さ
ｔ2 上側鋼板の厚さ
１ 鋼板コンクリート構造梁
２ 下側鋼板
４ 上側鋼板
６ ウェブ部材
８ コンクリート
Claims (4)
- 降伏引張り応力σyの第１の鋼板と、第１の鋼板と平行に配置された第２の鋼板とを複数のウェブ部材で連結し、第１の鋼板と第２の鋼板との間にコンクリートを充填した構造を有し、高さＨ、幅Ｂ、ウェブ部材間隔Ｌwの最大曲げモーメントＭmaxを受ける鋼板コンクリート構造梁において、
最大の引張り力が作用する前記第１の鋼板の厚さｔが、
の範囲内にあり、ウェブ部材の間隔Ｌwが、
の範囲内にあることを特徴とする、鋼板コンクリート構造梁。 - 降伏引張り応力σyの第１の鋼板と、第１の鋼板と平行に配置された第２の鋼板とを複数のウェブ部材で連結し、第１の鋼板と第２の鋼板との間にコンクリートを充填した構造を有し、高さＨ、幅Ｂ、ウェブ部材間隔Ｌwの最大曲げモーメントを受ける鋼板コンクリート構造梁を有する建設物において、
最大の引張り力が作用する前記第１の鋼板の厚さｔが、
の範囲内にあり、ウェブ部材の間隔Ｌwが、
の範囲内にあることを特徴とする、鋼板コンクリート構造梁を有する建設物。 - 高さＨ、幅Ｂの鋼板コンクリート構造梁に作用する最大曲げモーメントＭmaxを算出する段階と、
鋼板コンクリート構造梁が曲げモーメントを受けたとき、引張り力が作用する位置に、降伏引張り応力σyの第１の鋼板を配置する段階と、
距離Ｌwの間隔を隔てて取付けられる複数のウェブ部材を介して、第２の鋼板を第１の鋼板に平行に連結する段階と、
第１の鋼板と第２の鋼板との間にコンクリートを充填する段階と、を有する鋼板コンクリート構造梁の製造方法において、
第１の鋼板の厚さｔを、
の範囲内とし、ウェブ部材の間隔Ｌwを、
の範囲内とすることを特徴とする、鋼板コンクリート構造梁の製造方法。 - 高さＨ、幅Ｂの鋼板コンクリート構造梁に作用する最大曲げモーメントＭmaxを算出する段階と、
鋼板コンクリート構造梁が曲げモーメントを受けたとき、引張り力が作用する位置に、降伏引張り応力σyの第１の鋼板を配置する段階と、
距離Ｌwの間隔を隔てて取付けられる複数のウェブ部材を介して、第２の鋼板を第１の鋼板に平行に連結する段階と、
第１の鋼板と第２の鋼板との間にコンクリートを充填する段階と、を有する鋼板コンクリート構造梁を有する建設物の製造方法において、
第１の鋼板の厚さｔを、
の範囲内とし、ウェブ部材の間隔Ｌwを、
の範囲内とすることを特徴とする、鋼板コンクリート構造梁を有する建設物の製造方法。
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