JP5158947B2 - 複合構造梁及び複合構造梁を有する建築構造物 - Google Patents

Description

本発明は、梁端部側を鉄筋コンクリート構造とし、梁端部よりも梁中央側を鉄骨構造とする複合構造梁及びその複合構造梁を有する建築構造物に関する。

梁の端部をＲＣ造（鉄筋コンクリート構造）とし、梁の中央をＳ造（鉄骨構造）とする複合構造梁は、従来、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、柱１０と梁２との接合部で鉄骨（Ｈ型鋼）３をＲＣ造の梁端部７に埋め込み、梁端部７の鉄筋（主筋）４は定着板５（またはＲＣ部７から突き出たボルト等）で接合することにより、梁端部７とＳ造の梁中央部９とを一体化する方式を採用している（特許文献１，２参照）。
特開２００５−０７６３７９号公報 特開平０１−２６８９４７号公報

ところが、図４（ａ）〜（ｃ）に示す従来の梁構造には次の問題(1)〜(4)がある。

(1)ＲＣ造の梁端部７に鉄骨３を埋め込んだ部分８は、埋め込んだ鉄骨３に逆方向のせん断力が生じるので、梁端部７のＲＣ部分の負担せん断力が増加する。そのため、多くのせん断補強筋６や大きな梁断面が必要となり不経済となる。また、梁せいが大きくなることで、適用できる建物の規模やスパンが制限されることがある。

(2)鉄骨３を梁端部７に埋め込む従来工法の場合、鉄骨３の応力を梁端部７に伝達させるためには鉄骨３のせいの１．５〜２．０倍程度以上埋め込まなければならず、鉄骨３の埋め込み部分８の長さは鉄骨３のせいの１．５〜２．０倍程度以上必要である。

(3)地震時に梁端部は曲げモーメントが最も大きくなる部分であり、大地震によって生じた曲げモーメントによって、梁主筋が降伏した後、大きな曲げ変形を生じながら、地震時のエネルギーを吸収する重要な部分である。この部分をヒンジゾーンといい、十分な変形性能を確保できるように設計する必要がある。ところで、鉄骨３の埋め込み部分８は、埋め込んだ鉄骨３により逆方向のせん断力が生じるなど、ＲＣ断面だけの場合よりも力の流れが複雑になるので、鉄骨３が梁端部に接近しすぎると、ヒンジゾーンで大きな変形が生じたときに、十分な変形性能を確保できない。そのため、鉄骨３の埋め込み終端は、梁の端部よりも（ＲＣ部７のせい／２）程度離す必要がある。したがって、先ほどの鉄骨３の埋め込み部分８として必要な長さを考慮すると、梁端部７は、（鉄骨３のせいの１．５〜２．０倍）＋（梁端部７のせい／２）程度の長さが必要となる。梁端部７がＲＣ造で梁中央がＳ造の梁構造形式の場合、梁端部７はプレキャスト部材とすることが多いので、梁端部７の重量が重いと、高い能力のクレーンが必要となり不経済となる。

(4)鉄骨３の埋め込み部分８において、鉄骨梁は、ＲＣ造の梁端部の主筋４やせん断補強筋６を避けて配置する必要があるので、ＲＣ断面に対する鉄骨断面の設計自由度が低い。したがって、階高の制限が厳しい建物の場合、梁端部７のせいに対して更に梁中央部９の鉄骨梁のせいが小さくなり、適用できる建物の規模が小さくなったり、不経済になる。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、梁端部における鉄筋コンクリート構造の梁断面を小さくできかつ鉄筋コンクリート構造の長さを短くできて軽量化を実現できるとともにせん断補強筋の配置の自由度を向上できる複合構造梁及びその複合構造梁を有する建築構造物を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態による複合構造梁は、梁の中央部分の鉄骨については大地震時にも降伏せず、梁端部の鉄筋コンクリート構造（またはプレストレスト鉄筋コンクリート構造）の部分のみ降伏を許容する複合構造梁を対象とする。すなわち、この複合構造梁は、梁中央側の鉄骨構造と梁端部側の鉄筋コンクリート構造とから構成される複合構造梁であって、前記梁中央側の鉄骨と前記鉄筋コンクリート構造の梁端部とを境界プレートを介して一体化し、前記鉄筋コンクリート構造の鉄筋を、前記境界プレートを貫通させずに前記境界プレートに接合し、前記境界プレートの梁端部側にせん断抵抗要素を設け、前記梁中央側の鉄骨について大地震時にも降伏しないように設計することにより、前記梁端部で曲げ応力により梁が降伏するヒンジゾーンを少なくとも前記鉄筋コンクリート構造とし、前記鉄筋コンクリート構造の部分のみ降伏を許容することを特徴とする。

この複合構造梁によれば、梁中央側の鉄骨と鉄筋コンクリート構造の梁端部とが境界プレートを介して一体化することにより、曲げ応力が境界プレートを介して直接鉄筋コンクリート構造の鉄筋に伝達されるので、鉄筋コンクリート構造の梁端部に付加的なせん断力が発生しない。このため、鉄筋コンクリート構造の断面が小さくなるとともに鉄筋コンクリート構造の長さを短くでき、また、せん断補強筋の配置の自由度が向上し、梁全体の軽量化を実現できる。

上記複合構造梁において前記鉄筋コンクリート構造の鉄筋を前記境界プレートを貫通させずに前記境界プレートに接合することにより、せん断補強筋のみならず主筋の配置の自由度が向上し、鉄骨と鉄筋コンクリート構造の主筋とが干渉しない。このため、鉄骨の梁せいを大きくとることができ、鉄骨全体の鋼材量を減らすことができることから、梁全体の軽量化を実現できる。

また、前記梁端部側の境界プレートにせん断抵抗要素を設けることにより、境界プレートと梁端部との間のせん断力の伝達がスムーズになる。

また、前記境界プレートと前記梁端部と前記梁端部に近接する柱とを貫通してＰＣ鋼棒を付加的に配置したことで、長期荷重をキャンセルすることができるため、複合構造梁をより大きな大スパン構造にも適用することができ、複合構造梁の適用範囲を広げることができる。

また、本実施形態による建築構造物は、上述の複合構造梁を有することを特徴とする。この建築構造物によれば、上述の複合構造梁が上記梁端部で柱に接合される。

本発明の複合構造梁によれば、梁端部における鉄筋コンクリート構造の梁断面を小さくできかつ鉄筋コンクリート構造の長さを短くできて軽量化を実現できるとともにせん断補強筋の配置の自由度を向上できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。

〈第１の実施の形態〉
図１は第１の実施の形態による複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図（ａ）、梁断面図（ｂ）及び平面図（ｃ）である。図２は、第１の実施の形態の複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図（ａ）、梁断面図（ｂ）と、従来の複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図（ｃ）、梁断面図（ｄ）と、を比較のために紙面上下に並べた図である。

図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施の形態による複合構造梁１１は、鉄筋コンクリート構造（ＲＣ造）からなる梁端部１２と、梁端部１２から梁中央側に延びるＨ型鋼からなる鉄骨１３と、梁端部１２と鉄骨１３との間に配置された鉄板からなる境界プレート１４と、を含む。

図１（ａ）〜（ｃ）の複合構造梁１１は、梁の中央の鉄骨１３については大地震時にも降伏せず、ＲＣ造の梁端部１２のヒンジゾーンＨのみの降伏を許容する複合構造梁である。なお、ヒンジゾーンＨは、図１（ａ）では梁端部１２の柱１０の端面からの梁長さ方向長さＬと同じ長さになっているが、梁長さ方向長さＬよりも短くなるようにしてもよい。

鉄筋コンクリート構造の梁端部１２は、梁長手方向に柱１０内まで延びた複数本の主筋１５と、せん断抵抗要素（ジベル）として境界プレート１４に立設された複数本のスタッド１６と、複数本の主筋１５を取り囲むように梁長手方向に離れた複数箇所に配置されたせん断補強筋１７と、を備える。

鉄骨１３は、梁端部１２から梁長手方向に他方の梁端部（図示省略）まで延びて鉄骨構造（Ｓ造）をなしており、上フランジ１３ａと、下フランジ１３ｂと、ウェブ１３ｃと、を有する。

鉄骨１３と境界プレート１４は、例えば、境界プレート１４に対し、鉄骨１３のフランジ１３ａ，１３ｂを突き合わせ溶接とし、ウェブ１３ｃを隅肉溶接とすることで接合して一体化することができる。なお、境界プレート１４に対し鉄骨１３のフランジ１３ａ，１３ｂを突き合わせ溶接とし、ウェブ１３ｃを境界プレート１４に溶接されたガセットプレートと高力ボルトによって接合するようにしてもよい。

また、境界プレート１４とＲＣ造の梁端部１２の主筋１５とは、梁端部１２の主筋１５を境界プレート１４に直接溶接することで接合し一体化することができる。このように、ＲＣ造の主筋１５が境界プレート１４を貫通しないように接合することが好ましく、せん断補強筋１７及び主筋１５の配置の自由度が向上する。

なお、境界プレート１４と梁端部１２の主筋１５とは、次のようなねじ接合手段を用いて接合してもよい。(a)境界プレート１４に孔を設け、ねじを切ったねじ式の鉄筋を貫通させボルト接合とする。(b)境界プレート１４自体にねじを切り、ねじ式の鉄筋と一体化させる。(c)境界プレート１４にナットを溶接し、ねじ式の鉄筋と一体化させる。

また、境界プレート１４にせん断抵抗要素として複数本のスタッド１６が溶接により取り付けられている。これにより、境界プレート１４とＲＣ造の梁端部１２との間のせん断力の伝達がスムーズになる。

図１のように、本実施の形態の複合構造梁１１は、鉄筋コンクリート構造からなる梁端部１２と鉄骨１３とが境界プレート１４を介して一体化されており、図４の従来の複合梁のようにＳ造の鉄骨がＲＣ造の梁端部内に埋め込まれる構造にはなっていない。このため、図１の複合構造梁１１によれば、次のような作用効果を奏する。

従来の複合構造梁によれば、鉄骨梁をＲＣ造の梁端部に埋め込むことに起因してＲＣ造の梁端部のせん断応力による破壊が著しくなるため、せん断補強筋の配筋が密にならざるを得なく、また、埋め込んだ鉄骨とＲＣ造の鉄筋とが干渉するために設計自由度が低かったのに対し、図１の複合構造梁１１によれば、ＲＣ造の梁端部１２の断面を小さくできるとともに、せん断補強筋１７の配置の自由度が向上し、ＲＣ造の梁端部１２の長さＬを短くできる。このため、複合構造梁全体の軽量化を実現できる。

すなわち、梁端部１２と鉄骨１３とを一体化する際に境界プレート１４を介することにより、曲げ応力が境界プレート１４を介して直接梁端部１２の主筋１５に伝達されるため、梁端部１２に付加的なせん断力が発生しない。図２（ａ）〜（ｄ）に、本実施の形態及び従来の各複合構造梁を試設計した場合の各梁断面を示すが、本実施の形態の複合構造梁１１によれば、図２（ａ）と（ｃ）を比較すると明らかなように、付加的なせん断力が発生しないためせん断補強筋１７の量が低減され、また、図２（ｂ）と（ｄ）の比較から明らかなように、ＲＣ造の梁端部１２の断面が小さくなっており、コスト的にもプレキャスト化したときの重量的にも有利であることが分かる。

上述のように、境界プレート１４を介する一体化により、曲げ応力が境界プレート１４を介して直接ＲＣ造の主筋１５に伝達されるためＲＣ造の梁端部１２に付加的なせん断力が発生せず、大地震時に鉄筋が降伏して曲げ変形が大きくなってもスムーズに応力を伝達することができるので、ＲＣ造の梁端部１２は、その長さＬが梁端部１２の梁せい程度の長さがあれば、十分な変形性能を確保することができる。このために、従来の図４のような複合構造梁よりも梁端部を短くすることができ、図２（ａ）、（ｃ）のようにＲＣ造の梁端部１２の長さＬが従来の梁端部７の長さＬ’よりも短くなるので、複合構造梁全体のさらなる軽量化を達成できる。

また、ＲＣ造の梁端部１２内に鉄骨１３を埋め込まないので、鉄骨１３はＲＣ造の主筋１５やせん断補強筋１７を避けて配置する必要がなく、梁端部１２のＲＣ断面に対する鉄骨断面の設計自由度が高くなる。

また、境界プレート１４とＲＣ造の主筋１５とを境界プレート１４に孔をあけずに溶接等により一体化した場合のようにＲＣ造の主筋１５が境界プレート１４を貫通しない場合には、せん断補強筋１７の配置の自由度だけではなく、主筋１５の配置の自由度も向上し、主筋１５と鉄骨１３とが干渉しないため、鉄骨１３の梁せいを大きくとることができ、このため、鋼材量を少なくできるとともに、鉄骨１３のフランジの重心と鉄筋１５の重心とをより接近するように設計することも可能となるので、境界プレート１４に孔を設けねじ式の鉄筋を貫通させボルト接合とした場合に比べ、境界プレート１４に生じる応力を小さくすることができ、境界プレート１４を薄く設計することができる。

〈第２の実施の形態〉
図３は第２の実施の形態による複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図（ａ）、梁断面図（ｂ）及び平面図（ｃ）である。

図３（ａ）〜（ｃ）に示す複合構造梁２１は、梁端部１２をプレストレスト鉄筋コンクリート造とした以外は、図１と同様の構成であるので、同一部分には、同じ符号を付けてその説明は省略する。

図３（ａ）〜（ｃ）の複合構造梁２１は、境界プレート１４と梁端部１２と柱１０を貫通してＰＣ鋼棒２０を配置し、境界プレート１４と柱１０の各面でナット２０ａ及び／又は２０ｂを締め付けることで、梁端部１２と柱１０との間に圧縮のプレストレスを与えるようにしたものである。

本実施の形態の複合構造梁２１によれば、上述のプレストレスト鉄筋コンクリート造からなる梁端部１２において引張応力を打ち消し、曲げ抵抗を増大させることができる。例えば、複合構造梁が適用される建築構造物が大スパン構造の場合、梁端部１２の長期応力が非常に大きくなり、梁端部１２をＲＣ造として設計するのが難しい場合もあるが、このような場合には、梁端部１２をプレストレスト鉄筋コンクリート構造とすることで、長期荷重をキャンセルすることができる。このため、鉄筋コンクリート構造からなる梁端部１２と鉄骨１３とが境界プレート１４を介して一体化した複合構造梁を、より大きな大スパン構造にも適用することができ、複合構造梁の適用範囲を広げることができる。

また、図３の複合構造梁２１によれば、図１の場合と同様の作用効果を奏し、プレストレスト鉄筋コンクリート造の梁端部１２は、梁端部１２の梁せい程度の長さがあれば十分な変形性能を確保することができるので、図４のような従来の複合構造梁よりも梁端部を短くすることができ、複合構造梁全体のさらなる軽量化を達成できる。

上述の第１及び第２の実施の形態の複合構造梁１１，２１は梁端部１２で柱１０に接合されて用いられ、ビルやマンション等の各種の建築構造物に適用することができる。

以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、境界プレート１４に設けられるせん断抵抗要素は、スタッド１６に限定されず、他の手段であってもよく、例えば、境界プレート１４にプレートや鋼材等を溶接してもよく、また、境界プレート１４の複数箇所に切り欠きや孔を設けてもよく、これらを併用してもよい。

第１の実施の形態による複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図（ａ）、梁断面図（ｂ）及び平面図（ｃ）である。 第１の実施の形態の複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図（ａ）、梁断面図（ｂ）と、従来の複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図（ｃ）、梁断面図（ｄ）と、を比較のために紙面上下に並べた図である。 第２の実施の形態による複合構造梁の要部を内部構造も含めて示す側面図（ａ）、梁断面図（ｂ）及び平面図（ｃ）である。 従来の梁構造例の要部を内部構造も含めて示す側面図（ａ）、梁断面図（ｂ）及び平面図（ｃ）である。

符号の説明

１０ 柱
１１，２１ 複合構造梁
１２ 梁端部
１３ 鉄骨
１４ 境界プレート
１５ 主筋、鉄筋
１６ スタッド
１７ せん断補強筋
２０ ＰＣ鋼棒
２０ａ，２０ｂ ナット
Ｈ ヒンジゾーン
Ｌ 梁端部の長さ

Claims (4)

1. 梁中央側の鉄骨構造と梁端部側の鉄筋コンクリート構造とから構成される複合構造梁であって、
   前記梁中央側の鉄骨と前記鉄筋コンクリート構造の梁端部とを境界プレートを介して一体化し、
   前記鉄筋コンクリート構造の鉄筋を、前記境界プレートを貫通させずに前記境界プレートに接合し、
   前記境界プレートの梁端部側にせん断抵抗要素を設け、
   前記梁中央側の鉄骨について大地震時にも降伏しないように設計することにより、前記梁端部で曲げ応力により梁が降伏するヒンジゾーンを少なくとも前記鉄筋コンクリート構造とし、前記鉄筋コンクリート構造の部分のみ降伏を許容することを特徴とする複合構造梁。
2. 前記鉄筋コンクリート構造とされた梁端部の梁断面は、前記境界プレートを設けずに前記梁中央側の鉄骨を前記鉄筋コンクリート構造の梁端部側に埋め込む構造における前記梁端部の梁断面よりも小さい請求項１に記載の複合構造梁。
3. 前記境界プレートと前記梁端部と前記梁端部に近接する柱とを貫通してＰＣ鋼棒を付加的に配置した請求項１または２に記載の複合構造梁。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の複合構造梁を有することを特徴とする建築構造物。

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