JP4308711B2 - 鉄骨部材とコンクリート部材との接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、鉄骨部材とコンクリート部材との接合構造に関する。

鉄骨部材とコンクリート部材との従来の接合方法は、大きく二通りに分類することができる。第一に、鉄骨部材の端部を鉄筋コンクリート部材中に埋設して接合する方法であり、第二に、鉄骨部材の端部をアンカーボルト等で鉄筋コンクリート部材に結合する方法である。

例えば、鉄骨鉄筋コンクリート構造における根巻き柱脚の場合には、コンクリート部分にアンカーボルトを埋設し、鉄筋コンクリート用の配筋の内側に鉄骨を設置しなければならないため施工が煩雑であり、また外柱における根巻き柱脚では、地震時に大きな引張軸力を受けてアンカーボルトが破断する虞がある。

次に、柱が鉄筋コンクリートであり、梁が鉄骨である場合には、鉄骨梁を柱のパネルゾーンに貫通させなければならないため、このパネルゾーンにおける鉄骨や鉄筋が多量になり、コンクリートの流動性を妨げる虞がある。また鉄骨にせん断補強筋を貫通させる施工も煩雑である。

さらに、コンクリート表面にベースプレートを当接させ、スタッドボルトでせん断力をコンクリートに伝達する場合には、スタッドボルトに変形が生じ、鉄骨とコンクリート間でずれが生じるという問題がある。

本願の出願人は、既に、鋼材からなる制震装置をコンクリート部材に接合する構造について特開２００３−３２１９４５号（特許文献１）を出願している。すなわち、特許文献１の制震装置は、低降伏点鋼の両側全長にフランジプレートが設けられ、コンクリートに埋設される両端のフランジプレート外側に縦リブが設けられ、コンクリート表面に位置するように横リブがウェブプレートとフランジプレートに設けられている。そして、この制震装置は、その上下端が上下の梁に突設されたコンクリートに埋設されたものである。
特開２００３−３２１９４５号

特許文献１は、ウェブプレートとフランジプレートを有する鋼材からなる制震装置と制震構造に関するものであり、コンクリート架構に設置されるときの接合構造をも記載したものである。本願の出願人は、このような接合構造を踏まえたうえで、これに更なる改良を加えることにより、制震装置や制震構造に限定することなく、鉄骨部材とコンクリート部材との接合部に適用することができる接合構造を提供するものである。

すなわち、本発明の課題は、鉄骨部材をコンクリート部材に接合する際に工程の簡略化が図れ、鉄筋や鉄骨などの鋼材の使用量を低減できて、さらに、剛性などの構造的性能が優れた鉄骨部材とコンクリート部材との接合構造を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明では、鉄骨部材とコンクリート部材との接合構造であって、鉄骨部材はウェブの両側全長にフランジを有し、鉄骨部材の両端においてフランジ面外方向に延びる板体が前記ウェブの両側にあるフランジ端辺のそれぞれに設けられ、該板体に複数の貫通孔が穿設されたものであり、前記鉄骨部材がコンクリート部材内に埋設され、鉄骨部材の前記板体の貫通孔にコンクリート部材の主筋がナット、熔接などの定着によらず挿通されたものである接合構造が提供される。
本発明では、フランジ端辺にフランジ面外方向へ延びる板体が設けられているため、地震などの外力が鉄骨部材に作用した場合であっても、この外力は、フランジ端辺の板体から支圧としてコンクリートに伝達され、主筋にはその付着力によりコンクリートからの力が伝達される。ここで、板体の貫通孔は主筋外径よりも若干大きく形成されており、主筋は貫通孔に若干の隙間をおいて緩やかに挿通され、特にナットなどにより板体や鉄骨に固定される必要が無いものである。

本発明は、鉄骨部材とコンクリート部材との接合部であれば、特に限定されること無く適用可能なものであり、例えば、制震ダンパーとコンクリート梁との接合部、鉄骨梁とコンクリート柱との接合部、鉄骨梁とコンクリート壁との接合部等に適用可能である。

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更に詳細に記載すれば、鉄骨部材のウェブの一部を低降伏点鋼板から形成した制震ダンパーをコンクリート柱梁架構内に設置する場合、上下のコンクリート梁から鉄骨根巻部としてコンクリート突出部を設け、これら鉄骨根巻部において延びる主筋をフランジ端辺の板体の貫通孔に挿通させれば、上記鉄骨部材とコンクリート部材との接合構造が構成される。

前記コンクリート柱と鉄骨梁との接合部においては、コンクリート柱から鉄骨根巻部を突出させ、鉄骨根巻部において延びる主筋をフランジ端辺の板体の貫通孔に挿通させれば、上記鉄骨部材とコンクリート部材との接合構造が構成される。
前記コンクリート壁と鉄骨梁との接合部においては、コンクリート壁から鉄骨根巻部を突出させ、鉄骨根巻部において延びる主筋をフランジ端辺の板体の貫通孔に挿通させれば、上記鉄骨部材とコンクリート部材との接合構造が構成される。

本発明によれば、引張側の鉄筋と圧縮側のフランジ端辺板体の支圧、及び鉄骨フランジの支圧により、鉄骨からコンクリートへ曲げモーメントを伝達するので、フランジ端辺の板体を比較的小さくすることができると共に、鉄骨のコンクリート中への埋込み長さも低減することができる。
またフランジ端辺板体の貫通孔に挿通した主筋は、コンクリートの付着により鉄骨に定着されるものであるため、ナット、熔接などによる定着作業が不要で施工の簡略化が可能になり、材料などのコストダウンもできる。引張側の鉄筋と圧縮側のフランジ端辺板体の支圧で過半のモーメントを伝達するため、コンクリートに作用する梃子作用による反力が小さいため、高強度のせん断補強筋を使用する必要が無くなり、この点からもコストダウンが可能になった。

以下、実施例を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明は、図１（ａ）（ｂ）に示したように、制震ダンパー１０とコンクリート梁２０との接合部にも適用可能なものである。図１では理解を容易にするために、制震ダンパー１０以外の構成を一点鎖線又は点線で示し、且つ、せん断補強筋などの他の鉄筋を省略した。鉄骨部材としての制震ダンパー１０は、普通鋼板からなるウェブプレート１１及び低降伏点鋼板からなるウェブプレート１４の両側全長にフランジプレート１２が設けられたものであり、フランジプレート１２の両端辺１２ａには、鋼板からなるアンカープレート１３が、図１（ｂ）のように固定されており、このアンカープレート１３はウェブプレート１１にも熔接されている。アンカープレート１３には貫通孔１３ａが穿設されている。またウェブプレート１１，１４には補剛部材としての横リブ１４ａと縦リブ１４ｂとが設けられている。

一方、上下のコンクリート梁２０には、制震ダンパー１０を固定するための鉄骨根巻部２１Ａ，２１Ｂが突設され、各鉄骨根巻部２１Ａ，２１Ｂには複数の異形鉄筋が主筋２２として延設されており、所定の主筋２２がアンカープレート１３の貫通孔１３ａに挿通される。アンカープレート１３の各貫通孔１３ａは、主筋２２との間に隙間ができるように、主筋２２の外径よりも若干大きく穿設されている。
以上の主筋２２に加えて、図示しないせん断補強筋などの他の鉄筋が配筋され、コンクリートが打設されて鉄骨根巻部２１Ａ，２１Ｂは形成されている。また主筋２２の先端には、必要に応じて、主筋定着用金物２５を取り付けても良く、これは下記の図２〜４においても同様である。

次に、図２は、図１の制震ダンパー１０を梁２０，２０間に設ける際に使用することができるプレキャストコンクリート部材３０の図である。このプレキャストコンクリート部材３０は、工場や施工現場の作業ヤードで予め形成され、この状態で施工箇所まで搬送されるものである。ここでは、理解を容易にするために、鉄骨根巻部２１Ａ，２１Ｂのコンクリート外形を一点鎖線で図示すると共に、主筋２２およびせん断補強筋２３を実線で示した。このように、一方の鉄骨根巻部２１Ａからは主筋２２の先端を突出させ、他方の鉄骨根巻部２１Ｂでは主筋２２の端部にカップラー２４を取り付け、これら主筋２２とカップラー２４がコンクリート中に埋め込まれている。鉄骨根巻部２１Ａの上面と鉄骨根巻部２１Ｂの下面には、凹凸状にコッター２１Ａ’，２１Ｂ’が形成される。なお、図２では、一方の鉄骨根巻部２１Ｂにカップラー２４を設けたものを例示したが、特に、これに限定されるものではなく、鉄骨根巻部２１Ａのように主筋２２先端を突出させるものを、上下両方に設けることも可能である。

図３は、本発明を鉄骨梁４０とコンクリート柱５０との接合部に適用したものであり、上側階層の接合部ではせん断補強筋を省略して図示し、下側階層の接合部ではせん断補強筋を図示した。鉄骨梁４０は、ウェブプレート４１の両側全長にフランジプレート４２を有し、フランジプレート４２の両端辺４２ａにアンカープレート４３が固定され、各アンカープレート４３に貫通孔が設けられている。鉄骨梁４０の中間部には補剛リブ４４が設けられている。一方、コンクリート柱５０には鉄骨根巻部５１が突設され、各鉄骨根巻部５１に延設された主筋５２のうち所定のものがアンカープレート４３の貫通孔に挿通される。アンカープレート４３の貫通孔と、この貫通孔に挿通された主筋５２との間には、若干の隙間ができるように寸法が設定される。このように鉄骨梁４０が設置され、主筋５２に加えて、せん断補強筋５３などの他の鉄筋が配筋され、ここにコンクリートが打設されて鉄骨根巻部５１が形成される。また鉄骨梁４０のフランジプレート４２上にはコンクリート床スラブ５４が形成される。

図４では、本発明を鉄骨梁４０とコンクリート耐震壁６０との接合部に適用したものを例示しており、鉄骨梁４０は図３と同じ構成のものが使用され、鉄骨根巻部６２が図３と同様にコンクリート耐震壁６０，６１に形成され、ここに鉄骨梁４０が取り付けられ、鉄骨梁４０の上にコンクリート床スラブ６３が設けられている。

次に、本発明と従来例の接合構造の性能を比較するため行った実験について説明する。
図５（ａ）〜（ｃ）は実験に使用した構造モデルの図であって、せん断補強筋は図示を省略した。図５（ａ）（ｂ）は従来例、図５（ｃ）は本発明の接合構造である。
図５（ａ）の制震ダンパー７０は、ウェブプレート７１の両側全長にフランジプレート７２を有し、補剛部材としての縦リブ７３と横リブ７４を中間に備えたものである。この制震ダンパー７０は、その上下端が上下コンクリート梁７５Ａ，７５Ｂの腰壁７６Ａ，７６Ｂに埋設され、腰壁７６Ａ，７６Ｂには複数の主筋７７が配筋されているが、これら主筋７７と制震ダンパー７０とは、コンクリート以外の如何なる固定手段によっても定着されていない。
図５（ｂ）の制震ダンパー８０は、ウェブプレート８１の両側全長にフランジプレート８２を有し、フランジプレート８２の端部外側に縦リブ８３と横リブ８４とが突出し、横リブ８４には貫通孔が設けられ、フランジプレートの中間内側に補剛部材としての横リブ８５と縦リブ８６が設けられたものである。この制震ダンパー８０は、その上下端が上下コンクリート梁７５Ａ，７５Ｂの腰壁７６Ａ，７６Ｂに埋設され、腰壁７６Ａ，７６Ｂには複数の主筋７７が配筋され、このうちの所定の主筋７７がフランジプレート８２の横リブ８４の貫通孔に挿通されてナット８７で固定されている。
図５（ｃ）は図１と同じ制震ダンパー１０を上下コンクリート梁７５Ａ，７５Ｂの腰壁７６Ａ，７６Ｂに同様に埋設したものである。

＜実験経過＞
実験では、図５（ａ）〜（ｃ）の構造モデルに対応する試験体を形成し、鉄骨部材に油圧ジャッキでせん断力を加えて鉄骨部材の部材角を測定し、その結果をグラフにして図６に示した。図６のグラフ（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図５（ａ）〜（ｃ）に対応する。
図５（ａ）の従来例では、グラフ（ａ）に示したように、せん断力を所定値まで上昇させた時点で、それ以上にせん断力を上げることができず、鉄骨部材の変位のみが増加した。これは、コンクリートにひび割れが発生し、剛性が大きく低下し、鉄骨部材がコンクリートから抜け出したからであり、せん断耐力は（ｂ）（ｃ）と比較して５０％程度であった。
図５（ｂ）の従来例では、グラフ（ｂ）に示したように、せん断力がグラフ（ａ）の最大値のほぼ２倍程度まで上昇した時点で、それ以上にせん断力が上がらず、部材角のみが増加した。これは、せん断力が所定値に達した時点で、横リブに固定されている主筋が降伏し、剛性が大きく低下し、さらに最大せん断耐力に達した後に、鉄筋コンクリート部分が破壊した。
図５（ｃ）の本発明の実施例では、グラフ（ｃ）に示したように、せん断力がグラフ（ａ）の最大値のほぼ２倍程度まで上昇し、加力実験を終了している。これは、油圧ジャッキの性能限界まで試験体にせん断力を加えたものの、鉄骨は降伏せず、コンクリートも破壊しなかったからである。
各試験体に関する上記結果から、本発明の接合構造は剛性が高く且つ変形がし難いという点で、図５（ａ）（ｂ）の従来例よりも構造性能が優れていることが判った。

＜応力分布＞
各試験体において、コンクリート中に埋設される鉄骨フランジに複数のひずみ計を設け、これにより得られたひずみ測定値から、コンクリート埋め込み部の応力伝達状況を検討した。すなわち、鉄骨フランジのひずみ測定値から平面保持を仮定して鉄骨断面に作用するモーメントを求め、鉄筋コンクリート部分の曲げモーメントで無次元化した値を求めた。図５（ａ）に対応する試験体では、てこ作用の反力により、埋め込み深さが浅い箇所でモーメントが最大になった。図５（ｂ）に対応する試験体では、鉄筋コンクリート表面付近でモーメントが最大になり、埋め込まれた箇所では、ほとんどモーメントを負担していなかった。図５（ｃ）に対応する試験体では、埋め込み深さが最も深い箇所付近、すなわち、アンカープレート付近でモーメントが最大になった。
以上の各試験体の応力伝達状況から、本発明では、曲げモーメントのほとんどをアンカープレートの支圧によりコンクリートに伝達するため、コンクリートには大きな力が作用しないことが判る。

（ａ）は本発明を制震ダンパーとコンクリート梁との接合部に適用した例を示す側面図であり、（ｂ）は制震ダンパーの端部を（ａ）のIb−Ib線に沿って見た断面図である。 本発明のプレキャストコンクリート部材への適用例を示した側面図である。 本発明を鉄骨梁とコンクリート柱との接合部に適用した例を示す側面図である。 本発明を鉄骨梁とコンクリート耐震壁との接合部に適用した例を示す側面図である。 ａ）〜（ｃ）は実験の構造モデルを示す側面図であり、（ａ）（ｂ）は従来例、（ｃ）は本発明である。 構造実験の結果を示したグラフである。

符号の説明

１０ 制震ダンパー（鉄骨部材）
１１ ウェブ
１２ フランジ
１３ アンカープレート（フランジ端辺に設けられた板体）
１３ａ 貫通孔
２０ コンクリート梁
２１Ａ，２１Ｂ 鉄骨根巻き部（コンクリート突出部）
２２ 主筋
４０ 鉄骨梁（鉄骨部材）
４１ ウェブプレート
４２ フランジプレート
４３ アンカープレート（フランジ端辺に設けられた板体）
５０ コンクリート柱
５１ 鉄骨根巻き部（コンクリート突出部）
５２ 主筋
６０ コンクリート耐震壁
６１ コンクリート耐震壁
６２ 鉄骨根巻き部（コンクリート突出部）

Claims (3)

1. 鉄骨部材とコンクリート部材との接合構造であって、
   鉄骨部材はウェブの両側全長にフランジを有し、鉄骨部材の両端においてフランジ面外方向に延びる板体が前記ウェブの両端にあるフランジ端辺のそれぞれに設けられ、該板体に複数の貫通孔が穿設されたものであり、
   前記鉄骨部材がコンクリート部材内に埋設され、鉄骨部材の前記板体の貫通孔にコンクリート部材の主筋がナット,熔接などの定着によらず挿通されたものである接合構造。
2. 前記鉄骨部材は柱梁架構における鉄骨梁であり、前記コンクリート部材はコンクリート柱から突出する鉄骨根巻部であり、前記主筋が鉄骨根巻部に配筋されたものである請求項１に記載の接合構造。
3. 前記鉄骨部材は壁と接合する境界梁における鉄骨梁であり、前記コンクリート部材はコンクリート壁から突出する鉄骨根巻部であり、前記主筋が鉄骨根巻部に配筋されたものである請求項１に記載の接合構造。

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