JP5428383B2 - 柱梁接合構造、定着部材の取付位置の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄骨梁と鉄筋コンクリート造の柱とを接合する構造に関する。

従来より、鉄筋コンクリート造建物で大スパン架構を実現するために、梁を鉄骨造とすることが行われているが、梁を鉄骨造とする場合には、鉄骨梁の端部を柱に確実に定着させる必要がある。

このように鉄骨梁を鉄筋コンクリート造の柱に定着する構造として、例えば、特許文献１には、鉄筋コンクリート柱に接合された梁端部を構成する鉄筋コンクリート梁に、Ｈ型鋼からなる鉄骨梁の両端部を埋設し、鉄骨梁の鉄筋コンクリート梁への埋設始端位置における、ウエブと上下フランジの内面とに囲まれた全面に始端支圧プレートを取りつけ、鉄骨梁の端部位置に、ウエブ上部及びウエブ上部に連なる上側フランジに固着された上側終端支圧プレートと、ウエブ下部及びウエブ下部に連なる下側フランジに固着された下側終端支圧プレートとを取り付ける構造が記載されている。

特許第３６３１２３７号公報

ところで、このような柱梁接合構造において、上記のような支圧プレートなどの定着部材が降伏してしまったり、梁端部を構成するコンクリート部材が破壊したりすると、十分な定着力が得られなくなる。

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、鉄筋コンクリート造の柱間に鉄骨梁を架け渡す際に、柱梁接合構造において十分な定着力を確保することである。

本発明の柱梁接合構造は、鉄筋コンクリート造の柱の側面から、梁端部を構成する鉄筋コンクリート部材が突出し、当該鉄筋コンクリート部材内にＨ型鋼からなる梁の端部が埋設され、前記Ｈ型鋼の前記鉄筋コンクリート部材内に埋設された部分に、前記Ｈ型鋼の上下のフランジで挟まれる部分を塞ぐように、前記Ｈ型鋼をコンクリートに定着するためのスチフナが取り付けられてなる柱梁接合構造であって、前記スチフナは、前記梁に鉛直荷重が作用した際に、前記Ｈ型鋼に生じる曲げモーメントが前記スチフナとコンクリートとの定着力以下となるような位置に配置されていることを特徴とする。

上記の柱梁接合構造において、前記Ｈ型鋼の梁せいをｄ、フランジ幅をｂ、周囲のコンクリートの降伏応力度をσ_ｃとした場合に、前記定着耐力Ｍは以下の式で算出されてもよい。
Ｍ＝ｂ×ｄ^２×σ_ｃ／６

また、本発明の柱梁接合方法は鉄筋コンクリート造の柱の表面から、梁端部を構成する鉄筋コンクリート部材を突出させ、当該鉄筋コンクリート部材内にＨ型鋼からなる梁の端部を埋設し、前記Ｈ型鋼の前記鉄筋コンクリート部材内に埋設された部分に、前記Ｈ型鋼の上下のフランジで挟まれる部分を塞ぐように、前記Ｈ型鋼をコンクリートに定着するためのスチフナを取り付けてなる柱梁接合構造における前記スチフナの取付位置の設計方法であって、前記スチフナを、前記梁に鉛直荷重が作用した際に、前記Ｈ型鋼に生じる曲げモーメントが前記スチフナとコンクリートとの定着力以下となるような位置に配置することを特徴とする。

本発明によれば、スチフナによりＨ型鋼が梁端部を構成する鉄筋コンクリート部材に強固に定着される。そして、スチフナを取り付ける位置を、梁に鉛直荷重が作用した際に、Ｈ型鋼に生じる曲げモーメントがスチフナとコンクリートの間の定着耐力以下となるような位置としたため、スチフナ及びコンクリートが降伏や破壊することが防止され、十分な定着力を確保できる。

本実施形態の柱梁接合構造を示す図であり、（Ａ）は梁の軸方向の鉛直断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるI−I断面図、（Ｃ）は（Ａ）におけるII−II断面図である。 （Ａ）は、梁に鉛直荷重が作用した際の、Ｈ型鋼の埋設区間の部分に作用する支圧反力の分布を示す図、（Ｂ）は中間部スチフナの周囲のコンクリートに作用する支圧力の分布を示す図、（Ｃ）はＨ型鋼に生じる曲げモーメントの分布を示す図である。 （Ａ）は、梁に荷重が作用した際のＨ型鋼に作用する応力を示す図、（Ｂ）は、鉄筋コンクリート部材に作用する応力を示す図、（Ｃ）は（Ｂ）におけるI−I断面図である。 （Ａ）は梁に荷重が作用した際の柱梁接合構造におけるモーメント分布を示すグラフ、（Ｂ）はせん断力分布を示すグラフである。 柱梁接合構造の構築方法を説明するための図である。 Ｈ型鋼のウエブ及びフランジの表裏面にスタッドを打設した場合の柱梁接合構造を示す鉛直断面図である。

以下、本発明の柱梁接合構造の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態の柱梁接合構造１０を示す図であり、（Ａ）は梁２０の軸方向の鉛直断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるI−I断面図、（Ｃ）は（Ａ）におけるII−II断面図である。本実施形態の柱梁接合構造１０は、鉄筋コンクリート造の柱３０間にＨ型鋼２１からなる梁２０を架け渡すための柱３０と梁２０とを接合する構造である。なお、図中、梁端部４０を構成する鉄筋コンクリート部材４１のせん断補強筋は図示を省略している。

各柱３０には、その側面から側方へ突出するように鉄筋コンクリート部材４１からなる梁端部４０が一体に設けられている。Ｈ型鋼２１は、両端部が夫々両側の柱３０に設けられた梁端部４０内に埋設され、先端がガセットプレート３１により柱３０に接続されている。このように、Ｈ型鋼２１の端部が柱３０の表面近傍まで到達しており、Ｈ型鋼２１と鉄筋コンクリート部材４１の鉄筋４２との間で重ね継手と同様の機構により引張荷重の伝達が行われるため、鉄筋４２とＨ型鋼２１との溶接を省略できる。なお、以下、このＨ型鋼２１が梁端部４０に埋設された区間を埋設区間という。

Ｈ型鋼２１の埋設区間の梁中央側端部に相当する位置には、梁端部４０を構成する鉄筋コンクリート部材４１の断面と同形状の端部スチフナ２４が取り付けられている。

また、Ｈ型鋼２１の埋設区間の中間部には、上下のフランジ２２及びウエブ２３により囲まれる左右の領域に鋼板からなる中間部スチフナ２５が夫々取り付けられている。後述するように、梁２０に鉛直荷重（長期荷重及び短期荷重によるせん断力）が作用すると、Ｈ型鋼２１の埋設区間の部分には、図２（Ａ）に示すような分布の支圧反力が作用し、中間部スチフナ２５の周囲のコンクリート４３には図２（Ｂ）に示すような分布の支圧力が作用する。また、Ｈ型鋼２１には、図２（Ｃ）に示すような分布の曲げモーメントが作用する。本願発明者らは、中間スチフナ２５により、Ｈ型鋼２１を鉄筋コンクリート部材４１に定着するためには、中間スチフナ２５の周囲のコンクリート４３が支圧力を受けても破壊されない必要があると考えた。

中間部スチフナ２５の周囲のコンクリート４３の曲げ耐力（特許請求の範囲における定着耐力に相当）は以下の式で算出することができる。
Ｍ＝ｂ×ｄ^２×σ_ｃ／６
なお、式中のｂはフランジ幅、ｄは梁せい、σ_ｃはコンクリート４３の降伏応力度を示す。

そこで、本実施形態では、中間部スチフナ２５を、Ｈ型鋼２１に作用する曲げモーメントが上記算出したコンクリート４３の曲げ耐力以下となるような位置に設置する。

以下、かかる構成の梁２０に荷重が作用した際の柱梁接合構造１０における荷重の支持機構を説明する。なお、以下の説明では、梁は中央の両側で対称であるため、梁の中央から一方の側に作用する応力を考える。

図３（Ａ）は、梁２０に荷重が作用した際のＨ型鋼２１に作用する応力を示す図、（Ｂ）は、鉄筋コンクリート部材４１に作用する応力を示す図、（Ｃ）は（Ｂ）におけるI−I断面図である。また、図４（Ａ）は梁２０に荷重が作用した際の柱梁接合構造１０におけるモーメント分布を示すグラフ、（Ｂ）はせん断力分布を示すグラフであり、夫々のグラフにおいて、Ｈ型鋼２１が負担する分は縦線を、鉄筋コンクリート部材４１が負担する分は横線を付して示している。

図４に示すように、梁２０の中央部に荷重が作用すると梁２０には曲げモーメントとせん断力が作用する。曲げモーメントは、梁２０中央部から柱３０に向かって増加する分布となり、また、Ｈ型鋼２１と鉄筋コンクリート部材４１が負担するせん断力の和は場所によらず一定の値となる。柱梁接合構造１０はＨ型鋼２１と梁端部４０を構成する鉄筋コンクリート部材４１とが夫々曲げモーメント及びせん断力を負担し、これに抵抗する。

図３（Ａ）に示すように、梁２０に鉛直荷重が作用すると、Ｈ型鋼２１には、埋設区間の梁中央側端部において上向きの支点反力が作用し、柱側端部において下向きの支点反力が作用する。このため、図４（Ａ）に示すように、Ｈ型鋼２１には、柱３０に向かって埋設区間の梁中央側端部まで増加し、梁中央側端部から減少するような分布で曲げモーメントが作用し、鉄筋コンクリート部材４１には上記の各支点反力に対応する応力が作用するため、梁端部４０を構成する鉄筋コンクリート部材４１には、柱３０に向かって増加するような分布の曲げモーメントが作用する。

かかる曲げモーメント対して、Ｈ型鋼２１は、上下のフランジ２２が夫々引張力及び圧縮力を負担することにより抵抗する。また、鉄筋コンクリート部材４１は、曲げモーメントに対して鉄筋４２の引張耐力とコンクリートの圧縮耐力により抵抗する。

また、上記のようにＨ型鋼２１には、中間部スチフナ２５が取り付けられている、このため、Ｈ型鋼２１は中間部スチフナ２５によりコンクリート４３に十分に定着されることとなり、柱梁接合構造１０に十分な曲げ耐力を持たせることができる。さらに、Ｈ型鋼２１に作用する曲げモーメントが上記算出した中間部スチフナの周囲のコンクリート４３の曲げ耐力以下となるような位置に中間部スチフナ２５が取り付けられている。これにより、梁２０に鉛直荷重が作用して、Ｈ型鋼２１に曲げモーメントが作用しても、周囲の鉄筋コンクリート部材４１を構成するコンクリート４３が破壊することはなく、中間部スチフナ２５による定着力を確保できる。

また、図３（Ｂ）に示すように、梁２０に鉛直荷重が作用すると、Ｈ型鋼２１には、埋設区間よりも中央側では正の値となり、埋設区間内では負の値となるような分布のせん断力が作用する。また、鉄筋コンクリート部材４１には、全長に亘って一定の正のせん断力が作用する。

かかるせん断力に対してＨ型鋼２１は、せん断力に対してウエブ２３が負担することにより抵抗する。また、鉄筋コンクリート部材４１はせん断力に対して、図３（Ｂ）に示すように、梁端部４０に梁中央側の上部と、柱側下部とを結ぶように斜めに形成された圧縮ストラット（図中灰色で示す）が抵抗する。

そして、本実施形態では、図３（Ｃ）に示すように、圧縮ストラットは、梁端部４０を構成する鉄筋コンクリート部材４１の中間部スチフナ２５の両側の領域に形成され、圧縮ストラットと中間部スチフナ２５とが交差することがない。また、本実施形態では、端部スチフナ２４が梁端部４０を構成する鉄筋コンクリート部材４１の断面と同形状（つまり、鉄筋コンクリート部材４１の端面全体を覆うような形状）に形成されているため、圧縮ストラットがＨ型鋼２１の外側の領域に形成されても、Ｈ型鋼２１に作用するせん断力が梁中央側端部において、端部スチフナ２４を介して圧縮ストラットに伝達される。

なお、上記のような柱梁接合構造１０は、以下のようにして構築することができる。
まず、図５（Ａ）に示すように、側面から接続筋４４が突出するように梁２０の両側の柱３０を構築する。柱３０は、ＰＣ柱部材を建て込むことにより構築してもよいし、現場において鉄筋を配筋し、型枠を設置し、コンクリートを打設して構築してもよい。そして、構築した柱３０にガセットプレート３１を取り付ける。

次に、図５（Ｂ）に示すように、中間部スチフナ２５及び端部スチフナ２４が取り付けられたＨ型鋼２１を柱３０間に建て込む。そして、ガセットプレート３１により、Ｈ型鋼２１の両端を柱３０に接続する。また、接続筋４４に鉄筋４２を継手する。このとき、Ｈ型鋼２１の端部が柱３０の表面近傍まで到達していることで、ガセットプレート３１とピン接合することができる。また、このようにピン接合することで、図２（Ａ）を参照して説明したようなＨ型鋼２１の負担するモーメントが柱３０側端部において０となるモーメント分布が確実に実現される。

次に、図５（Ｃ）に示すように、梁端部４０を構成するコンクリートを打設する。この際、端部スチフナ２４は構築すべき梁端部４０と同一の断面を有するため、型枠の一部として利用することができる。
以上の工程により柱３０の間に梁を架け渡すことができる。

本実施形態によれば、中間部スチフナ２５を、梁２０に鉛直荷重が作用した際にＨ型鋼２１に生じる曲げモーメントが、中間部スチフナ２５の周囲のコンクリート４３の曲げ耐力よりも小さくなるような位置に取り付けることとしたため、コンクリート４３の破壊を防止し、定着力を確保できる。

なお、本実施形態では、Ｈ型鋼２１を中間部スチフナ２５により鉄筋コンクリート部材４１に定着することとしたが、これに限らず、図６に示すように、Ｈ型鋼２１のウエブ２３及びフランジ２２の表裏面にスタッド１２５を打設することとしてもよい。このような場合には、コンクリート４３が破壊されるよりも小さい応力でスタッド１２５が破壊されるため、梁２０に鉛直荷重が作用した際にＨ型鋼２１に生じる曲げモーメントが、以下の式で算出されるスタッド１２５による曲げ耐力Ｍ（特許請求の範囲における定着耐力に相当）以下となるようにスタッドを配置することとすればよい。かかる構成によっても、上記の実施形態と同様の効果が得られる。
Ｍ＝ｎ×ｑ×ｄ
なお、式中ｎはスタッドの本数、ｑはスタッド１本あたりの抵抗力（せん断耐力）、ｄは梁せいを表す。

１０ 柱梁接合構造 ２０ 梁
２１ Ｈ型鋼 ２２ フランジ
２３ ウエブ ２４ 端部スチフナ
２５ 中間部スチフナ ３０ 柱
３１ ガセットプレート ４０ 梁端部
４１ 鉄筋コンクリート部材 ４２ 鉄筋
４３ コンクリート ４４ 接続筋
１２５ スタッド

Claims (3)

1. 鉄筋コンクリート造の柱の側面から、梁端部を構成する鉄筋コンクリート部材が突出し、当該鉄筋コンクリート部材内にＨ型鋼からなる梁の端部が埋設され、前記Ｈ型鋼の前記鉄筋コンクリート部材内に埋設された部分に、前記Ｈ型鋼の上下のフランジで挟まれる部分を塞ぐように、前記Ｈ型鋼をコンクリートに定着するためのスチフナが取り付けられてなる柱梁接合構造であって、
   前記スチフナは、前記梁に鉛直荷重が作用した際に、前記Ｈ型鋼に生じる曲げモーメントが前記スチフナとコンクリートとの定着力以下となるような位置に配置されていることを特徴とする柱梁接合構造。
2. 請求項１記載の柱梁接合構造であって、
   前記Ｈ型鋼の梁せいをｄ、フランジ幅をｂ、周囲のコンクリートの降伏応力度をσ_ｃとした場合に、前記定着耐力Ｍは以下の式で算出されることを特徴とする柱梁接合構造。
   Ｍ＝ｂ×ｄ^２×σ_ｃ／６
3. 鉄筋コンクリート造の柱の表面から、梁端部を構成する鉄筋コンクリート部材を突出させ、当該鉄筋コンクリート部材内にＨ型鋼からなる梁の端部を埋設し、前記Ｈ型鋼の前記鉄筋コンクリート部材内に埋設された部分に、前記Ｈ型鋼の上下のフランジで挟まれる部分を塞ぐように、前記Ｈ型鋼をコンクリートに定着するためのスチフナを取り付けてなる柱梁接合構造における前記スチフナの取付位置の設計方法であって、
   前記スチフナを、前記梁に鉛直荷重が作用した際に、前記Ｈ型鋼に生じる曲げモーメントが前記スチフナとコンクリートとの定着力以下となるような位置に配置することを特徴とするスチフナの取付位置の設計方法。