JP5483057B2 - 超高強度鉄筋コンクリートの柱構造 - Google Patents

Description

本発明は、例えば高層構造物に採用され、過大な軸力方向の圧縮力を受ける超高強度鉄筋コンクリートの柱構造に関する。

近年では、例えば５０階を超えるような高層化した鉄筋コンクリート構造物（ＲＣ構造物）が多くなっている。このような高層のＲＣ構造物では、低層部の柱に大きな軸力（軸方向の圧縮力）が作用するため、最大圧縮強度が１８０Ｎ／ｍｍ^２クラスの超高強度コンクリートを使用した超高強度鉄筋コンクリート柱（以下、超高強度ＲＣ柱という）を採用するケースが増えている。ところが、このような超高強度ＲＣ柱に大きな軸力（圧縮力）が作用すると、かぶりコンクリートが先行して破壊し、剥落するという超高強度コンクリート特有の現象が起きている。
そこで、軸方向の圧縮力によって破壊、剥落が生じ易い柱の下端部のかぶりコンクリートに超高強度高靭性コンクリートを用い、柱の耐久性の向上を図るようにした鉄筋コンクリート柱構造について、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１には、ＲＣ柱の下端部のかぶりコンクリートを、高強度鋼繊維を高強度コンクリートに混入して形成させた超高強度高靭性コンクリート製のプレキャスト筒体で構成するとともに、下端部以外の表層部となるかぶりコンクリートに超高強度コンクリートを用い内部のコアコンクリートと一体形成した構造について記載されている。

特開２００５−１４６６０１号公報

ところで、特許文献１における超高強度高靭性コンクリートをＰＣ柱の下端部に設ける構造では、高強度高繊維にスチールファイバーを使用したとき、錆び防止が必要となることから採用しにくいといった欠点がある。
また、このような超高強度高靭性コンクリートでは、コンクリートの剥落による急激な耐力低下を防止する効果が期待できるものではなく、その点で改良の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、かぶりコンクリートの剥落による耐力低下を抑制することで、高軸力下での柱構造の耐力の向上を図ることができる超高強度鉄筋コンクリートの柱構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る超高強度鉄筋コンクリートの柱構造では、超高強度鉄筋コンクリートからなる柱の所定位置に、主筋を囲う状態で耐火被覆材を側面に施した鋼管が設けられ、耐火被覆材の表面が柱の側面と同一面となり、耐火被覆材とかぶりコンクリートとの間の境界面が柱の内側から外側に向けて傾斜していることを特徴としている。

本発明では、例えば高層構造物の低層部における柱頭、柱脚の曲げモーメントの大きい部分に耐火被覆材を被覆した鋼管を設け、その鋼管と柱を構成する超高強度鉄筋コンクリートとを一体に設けるとともに、耐火被覆材の表面が柱の側面と同一面となることから、柱軸方向に連続するかぶりコンクリートが耐火被覆材によって縁が切れた状態となる。つまり、かぶりコンクリートへの軸力の伝達が遮断された構造となり、高層構造物の低層部におけるかぶりコンクリートの破壊、剥落を抑えることができるうえ、耐火被覆により耐火性が向上された構造を実現することができる。
そして、鋼管内に超高強度コンクリートを充填させることで、コンクリート充填鋼管構造としてのコンファインド効果が発揮されて、充填されている超高強度コンクリートおよび主筋が鋼管によって拘束され、曲げモーメントに対応することができるので、柱頭、柱脚の耐力の向上を図ることができる。
また、耐火被覆材とかぶりコンクリートとの間の境界面が柱の内側から外側に向けて傾斜しているので、例えば柱頭に設ける場合には、柱施工時におけるコンクリート打設の際に、耐火被覆材の下面にエア溜まりを生じさせない効果を奏する。

また、本発明に係る超高強度鉄筋コンクリートの柱構造では、鋼管は、柱頭、柱脚の曲げモーメントの大きい部分に配置されていることが好ましい。
本発明では、曲げモーメントの大きな柱頭、柱脚の位置に鋼管を配置させることで、鋼管の長さ寸法の増大を抑えてコストを低減させることができる。

また、本発明に係る超高強度鉄筋コンクリートの柱構造では、鋼管の端部には、緩衝部材が設けられていてもよい。
本発明では、柱を構成する超高強度コンクリートが鋼管の端部に直接接触せずに、緩衝部材によって緩衝された状態となっているので、超高強度のかぶりコンクリートの破損を防ぐことができる。

また、本発明に係る超高強度鉄筋コンクリートの柱構造では、主筋は、フープ筋によって周囲が拘束されていてもよい。
本発明では、主筋がフープ筋によって周囲が拘束され、補強された構造となるので、鋼管が配置される柱の部分において、柱の軸力に対する耐力を向上させることができる。

本発明の超高強度鉄筋コンクリートの柱構造によれば、柱のかぶりコンクリートが耐火被覆材を施した鋼管によって柱軸方向の連続性がなくなり、その軸力の伝達が遮断され、かぶりコンクリートに作用する軸方向の圧縮力が低減されるので、かぶりコンクリートの破壊、剥落を抑えることができる。また、曲げモーメントの大きな柱頭、柱脚の部分に、超高強度コンクリートを充填させた状態の鋼管を設けることで、高層階の柱構造における高軸力下での耐力の向上が図れ、かぶりコンクリートが剥落した場合であっても、超高強度鉄筋コンクリートからなる柱に特有とされる急激な耐力低下といった現象を抑制することができる。また、中子を入れることで、せん断耐力が向上し、主筋座屈を防止することができることから、高軸力下での耐力を向上させることができる。

本発明の実施の形態による超高強度鉄筋コンクリートの柱構造の立断面図である。 図１に示す柱下端部の部分拡大図である。 図１に示すＡ−Ａ線断面図である。 図１に示すＢ−Ｂ線断面図である。 実施の形態の変形例による超高強度鉄筋コンクリートの柱構造を示す水平断面図であって、図２に対応する図である。

以下、本発明の実施の形態による超高強度鉄筋コンクリートの柱構造について、図１乃至図４に基づいて説明する。

図１の符号１は本実施の形態による超高強度鉄筋コンクリートの柱構造の柱（以下、ＲＣ柱という）を示し、符号２は鉄筋コンクリート製の梁を示している。なお、梁２はＲＣ柱１と同様に超高強度鉄筋コンクリートから形成されていてもよい。
ＲＣ柱１は、主筋３、３、…を備え、本実施の形態では例えば最大圧縮強度が１８０Ｎ／ｍｍ^２以上の超高強度コンクリート４で構成され、梁２との接続部であって曲げモーメントが大きく作用する柱頭１ａ、及び柱脚１ｂに耐火被覆材５を側面に所定の被覆厚寸法をもって施した断面視四角形の筒状の角型鋼管６（鋼管）を配置した構造となっている。

図１乃至図３に示すように、角型鋼管６は、梁２に接する構築位置（柱頭１ａ、柱脚１ｂ）に配置され、ＲＣ柱１の軸方向に所定の長さ寸法（高さ寸法）をなし、ＲＣ柱１の主筋３、３、…を囲いつつ、中空部に超高強度コンクリート４が充填された構造となっている。つまり、柱頭１ａにける角型鋼管６は、下端部６ｂ（端部）が梁２上に載置するようにして位置し、上端部６ａ（端部）には緩衝部材７が設けられている。一方、柱脚１ｂにおける角型鋼管６は、上端部６ａが梁２下面に接するようにして位置し、下端部６ａ（端部）には緩衝部材７が設けられている。

図２及び図４に示すように、緩衝部材７の材料としては、例えばシロマー（日本ゲッツナー株式会社製、登録商標）、スタイロフォーム（ダウ・ケミカル・カンパニー／ダウ化工株式会社製、登録商標）などを用いたり、或いは材料によっては耐火被覆材５と兼用してもよい。この緩衝部材７は、角型鋼管６の端部６ａ、６ｂを超高強度コンクリート４に対して直接接触させないようにして、柱軸力による超高強度コンクリート４の破壊を抑えるためのものである。

角型鋼管６の側面に被覆されている耐火被覆材５には、セラスタック、カポスタック（両者ともにニチアス株式会社製、登録商標）などを使用することができる。そして、このときの耐火被覆材５の被覆領域は、少なくとも緩衝部材７を備えた角型鋼管６の側面領域を含む範囲であり、被覆表面がＲＣ柱１の側面と同一面となる厚さ寸法をなし、被覆上端５ａと超高強度コンクリート４との境界面ＲＣ柱１の内側から外側に向けて傾斜している。

このように構成されるＲＣ柱１は、柱頭１ａおよび柱脚１ｂに配置された角型鋼管６内には超高強度コンクリート４が充填、硬化された状態となり、コンクリート充填鋼管として機能し、さらにその角型鋼管６の内部の超高強度コンクリート４がＲＣ柱１の他の部分の超高強度コンクリート４と一体になっている。

次に、このように構成される柱構造の作用について、図面に基づいて説明する。
ここで、ＲＣ柱１は、上下に接合される梁２から軸方向に圧縮力が作用した状態となっている。
本柱構造では、高層構造物の低層部における柱頭１ａ、柱脚１ｂの曲げモーメントの大きい部分に耐火被覆材５を被覆した角型鋼管６を設け、その角型鋼管６とＲＣ柱１を構成する超高強度鉄筋コンクリートとを一体に設けるとともに、耐火被覆材５の表面がＲＣ柱１の側面と同一面となることから、柱軸方向に連続するかぶりコンクリート４ａが耐火被覆材５によって縁が切れた状態となる。つまり、かぶりコンクリート４ａへの軸力の伝達が遮断された構造となり、高層構造物の低層部におけるかぶりコンクリート４ａの破壊、剥落を抑えることができるうえ、耐火被覆により耐火性が向上された構造を実現することができる。

そして、角型鋼管６内にも超高強度コンクリート４を充填させることで、コンクリート充填鋼管構造としてのコンファインド効果が発揮されて、充填されている超高強度コンクリート４および主筋３、３、…が角型鋼管６によって拘束され、曲げモーメントに対応することができるので、柱頭１ａ、柱脚１ｂの耐力の向上を図ることができる。
このように、曲げモーメントの大きな柱頭１ａ、柱脚１ｂの位置に角型鋼管６を配置させることで、角型鋼管６の長さ寸法の増大を抑えてコストを低減させることができる。

また、耐火被覆材５と超高強度コンクリート４との境界面が傾斜しているので、柱頭１ａに設ける場合には、柱施工時におけるコンクリート打設の際に、耐火被覆材５の下面にエア溜まりを生じさせない効果を奏する。
さらに、ＲＣ柱１を構成する超高強度コンクリート４が角型鋼管６の端部に直接接触せずに、緩衝部材７によって緩衝された状態となっているので、超高強度のかぶりコンクリートの破損を防ぐことができる。

上述のように本実施の形態による超高強度鉄筋コンクリートの柱構造では、ＲＣ柱１のかぶりコンクリート４ａが耐火被覆材５を施した角型鋼管６によって柱軸方向の連続性がなくなり、その軸力の伝達が遮断され、かぶりコンクリート４ａに作用する軸方向の圧縮力が低減されるので、かぶりコンクリート４ａの破壊、剥落を抑えることができる。
また、曲げモーメントの大きな柱頭１ａ、柱脚１ｂの部分に、超高強度コンクリート４を充填させた状態の角型鋼管６を設けることで、高層階の柱構造における高軸力下での耐力の向上が図れ、かぶりコンクリート４ａが剥落した場合であっても、超高強度鉄筋コンクリートからなるＲＣ柱１に特有とされる急激な耐力低下といった現象を抑制することができる。

次に、本発明の実施の形態の変形例について、添付図面に基づいて説明するが、上述の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、実施の形態と異なる構成について説明する。
図５に示すように、本変形例による柱構造は、角型鋼管６の内側にフープ筋８を上下方向に所定間隔を空けて配置させた構造である。そして、上述した実施の形態と同様に、フープ筋８を備えた角型鋼管６の側面には耐火被覆材５が施され、角型鋼管６の内部には超高強度コンクリート４が充填された構造となっている。つまり、フープ筋８によって充填コンクリートが更に拘束され、補強された構造となるので、角型鋼管６が配置される柱頭１ａ（図１参照）、柱脚１ｂにおいて、柱主筋の座屈が防止されて、ＲＣ柱１の軸力に対する耐力がより一層補強された構造とすることができる。

以上、本発明による超高強度鉄筋コンクリートの柱構造の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態ではＲＣ柱１の柱頭１ａ、柱脚１ｂの曲げモーメントの大きい部分のみに角型鋼管６を配置させた構成としているが、このような配置形態に制限されることはなく、角型鋼管６の位置、長さ寸法は適宜設定することができ、梁２、２どうしの間においてＲＣ柱１の軸方向（上下方向）全体にわたって鋼管を設置するようにしてもよい。そして、例えば、建物の１階の柱脚等で反曲点が高い部位においては、他の階の柱脚１ｂに比べて梁２からの高さ寸法を大きくしてもかまわない。

そして、適用する柱の形状についてもとくに限定されることはなく、本実施の形態のように水平断面で四角形状に限らず、円形、三角形、五角形など、どのような形状であってもかまわない。
また、本実施の形態では断面視四角形状の柱に対応して角型鋼管６を採用しているが、例えば柱形状が断面視円形の場合には円形鋼管を使用してもよく、或いは断面視で多角形状の鋼管であってもよい。

また、本実施の形態では柱頭１ａにおいて角型鋼管６の下端部６ｂに、柱脚１ｂにおいて角型鋼管６の上端部６ａに緩衝部材７を設けているが、柱頭１ａ、柱脚１ｂともに角型鋼管６の梁２側の端部にも緩衝部材７を設けるようにしてもかまわない。そして、緩衝部材７を省略した構造であってもかまわない。

１ ＲＣ柱
１ａ 柱頭
１ｂ 柱脚
２ 梁
３ 主筋
４ 超高強度コンクリート
４ａ かぶりコンクリート
５ 耐火被覆材
６ 角型鋼管（鋼管）
６ａ 上端部
６ｂ 下端部
７ 緩衝部材
８ フープ筋

Claims (4)

1. 超高強度鉄筋コンクリートからなる柱の所定位置に、主筋を囲う状態で耐火被覆材を側面に施した鋼管が設けられ、
   前記耐火被覆材の表面が前記柱の側面と同一面となり、
   前記耐火被覆材とかぶりコンクリートとの間の境界面が柱の内側から外側に向けて傾斜していることを特徴とする超高強度鉄筋コンクリートの柱構造。
2. 前記鋼管は、柱頭、柱脚の曲げモーメントの大きい部分に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超高強度鉄筋コンクリートの柱構造。
3. 前記鋼管の端部には、緩衝部材が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超高強度鉄筋コンクリートの柱構造。
4. 前記主筋は、フープ筋によって周囲が拘束されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超高強度鉄筋コンクリートの柱構造。

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