JP5648569B2

JP5648569B2 - Ｃｆｔ柱用鋼管の設計方法

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Publication number: JP5648569B2
Application number: JP2011096741A
Authority: JP
Inventors: 難波　隆行; 隆行難波
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2031-04-25
Also published as: JP2012229522A

Description

本発明は、土木建築構造物に用いられるＣＦＴ（ＣｏｎｃｒｅｔｅＦｉｌｌｅｄＳｔｅｅｌＴｕｂｅの略）柱の設計方法に関し、特にコンクリートを充填する鋼管の設計方法に関する。

鋼管の内部にコンクリートを充填したコンクリート充填鋼管構造（ＣＦＴ（ＣｏｎｃｒｅｔｅＦｉｌｌｅｄＳｔｅｅｌＴｕｂｅの略）柱構造とも言う）は、コンクリートの特徴（圧縮力に強いが、引張り力に弱い特性）と鋼管の特徴（引張り力に強いが、圧縮力により座屈する特性）を組合わせることによって、それぞれの欠点を解消したもので変形性能に優れ、地震に強く、また耐火性も備えた構造である。

ＣＦＴ柱構造は、変形させると、鋼管やコンクリートのそれぞれが降伏した後も変形が進むにつれて耐力が上昇し、コンクリート耐力と鋼管耐力の単純和を上回る耐力が得られるため、多くの構造物に使用されている。

ＣＦＴ柱を設計する場合、鋼管の変形性能が充填コンクリートによって決まるＣＦＴ柱の変形性能（耐力）以上となるように鋼管材の降伏比や応力ひずみ曲線を選定した鋼管を用いている。ＣＦＴ柱に所望の性能を付与するために必要な鋼管材の降伏比や応力ひずみ曲線は非特許文献７などに記載のＣＤＣ法を用いて計算することが可能である。

ＣＦＴ柱の耐力評価は、１．ＣＦＴ柱の変形性能の上限値（以下、最大耐力）を評価する終局耐力評価方法（一般化累加強度）と２．地震等の外力により構造物が損傷を受けるかどうかの目安となり、高いほど地震後の継続使用の可能性や資産保全の点で効果があるとされる短期許容耐力評価方法（単純累加強度）により行われている。

図１０は非特許文献１に記載されたＣＦＴ柱の終局耐力評価方法（一般化累加強度）を示し、角形鋼管および円形鋼管で幅高さ比が４を超え１２以下の場合、コンクリートは圧縮強度ｃσｃｂ、鋼管は降伏応力Ｆｙから算出されるＭ−Ｎインタラクションカーブ上の任意の軸耐力、曲げ耐力を加算し、そのうち最大耐力となるものをＣＦＴ柱の最大耐力としている。

図９は非特許文献２に記載されたＣＦＴ柱の終局耐力評価方法（一般化累加強度）を示し、幅高さ比が６以下の場合、コンクリートは圧縮強度Ｆｃに鉄骨の径厚比・強度に応じたコンファインド効果分を加算した応力、鉄骨は一軸降伏応力ｓσｙに周方向力を加味して算出されるＭ−Ｎインタラクションカーブ上の任意の軸耐力、曲げ耐力を加算し、そのうち最大耐力となるものをＣＦＴ柱の終局耐力としている。

図８は非特許文献２に記載された短期許容耐力評価方法（単純累加強度）によるＭ−Ｎインタラクションカーブの一例を示し、正の軸方向力はコンクリートが負担し、コンクリートが負担しきれない分は鉄骨が負担するものとして計算される。一方、負の軸方向力は鉄骨が負担するものとして計算される。短期許容耐力は設計上考慮される、塑性変形が生じない最大変形時の耐力である。

図８ではコンクリートの許容応力は材料強度の２／３、鉄骨の許容応力は降伏応力とする。なお、設計で使用する鋼材の降伏強度は法令で定められた値が存在するが、ここでは短期許容耐力＝降伏耐力＝［材料の降伏応力］×［断面係数］として扱い、鋼材の実際の降伏応力を適用できるものとし、短期許容耐力のうち、鋼管負担分は鋼管の降伏応力で決まることになる。

図８〜１０のＭ−Ｎインタラクションカーブに示されるようにいずれの耐力評価方法であってもＣＦＴ柱の耐力には、鋼管の強度特性が大きな影響を及ぼすが、ＣＦＴ柱とともに変形する鋼管における強度特性の変化は反映されていない。例えば、非特許文献１の終局耐力評価法は、鋼管部分の耐力を静的な引張試験で得られる降伏応力ベースで決定する。

また、ＣＦＴ柱では充填コンクリートの強度が変形性能に影響を及ぼす。図７は、充填コンクリートの強度がＣＦＴ柱の変形特性に及ぼす影響を説明する模式図で、充填コンクリートの強度が低い場合は、鋼管・コンクリートでそれぞれの最大耐力が発揮される変形量が異なっても、その後の耐力低下がなだらかなため、ＣＦＴ柱の最大耐力に与える影響は小さい（図７（ａ））。

しかし、コンクリート単体の変形性能は高強度になるほど低下するので、高強度コンクリートを用いた場合は、コンクリートの破壊が脆性的で、鋼管とコンクリートで最大強度が発揮される変形量が相違するとＣＦＴ柱の最大耐力に両者の性能が十分に生かされない（図７（ｂ））。

そこで、本発明は、終局耐力および短期許容耐力と耐破断性能の全てに優れるＣＦＴ柱を製造することが可能なＣＦＴ柱用鋼管の設計方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、ＣＦＴ柱構造の終局耐力および短期許容耐力の最大値を引き上げるため鋭意検討を行い、ＣＦＴ柱とともに変形する鋼管における強度特性の変化としてひずみ硬化に着目した。

図６は非特許文献３に記載された、中空鋼管の曲げ試験による履歴曲線と計算耐力の比較図である。鋼管材のひずみ硬化により、最大耐力は降伏応力×塑性断面係数で算出した曲げ耐力を上回るようになるので、ＣＦＴ柱用鋼管を設計する場合、ひずみ硬化分を反映させることが必要である。

また、ＣＦＴ柱において、鋼管部分とコンクリート部分でそれぞれの最大耐力を発揮する変形量が大きく異なると、鋼管のひずみ硬化による耐力上昇を十分に期待できない可能性がある。

尚、非特許文献２の終局耐力評価法の場合、ＣＦＴ柱の降伏後耐力上昇を考慮し、コンクリート強度を割り増している。しかし、非特許文献２は４００〜５９０Ｎ／ｍｍ^２級鋼と圧縮強度が９０Ｎ／ｍｍ^２以下のコンクリートを用いるＣＦＴ柱を対象とするもので、より高強度のコンクリートと鋼管を用いるＣＦＴ柱の場合において合理的な設計方法を示唆するものではない。

本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．コンクリートを充填してＣＦＴ柱を構成するＣＦＴ柱用鋼管の設計方法であって、前記鋼管に用いる鋼管材の応力ひずみ線図を、ａ）ＣＦＴ柱への水平方向の要求変形性能に適宜の安全率を乗じた変形性能を有し、ｂ）ＣＦＴ柱の終局耐力（最大耐力）および短期許容耐力（設計上考慮される最大変形時）が得られる変形量において鋼管の耐力が最大となるように設計することを特徴とするＣＦＴ柱用鋼管の設計方法。
２．上記鋼管材が引張強度４９０Ｎ／ｍｍ^２〜５９０Ｎ／ｍｍ^２で鋼管材の応力ひずみ線図における降伏比が８０〜９０％であることを特徴とする１記載のＣＦＴ柱用鋼管の設計方法。

本発明によれば、高強度コンクリートを用いたＣＦＴ柱を設計する際に、コンクリートを充填する鋼管を適切に設計することが可能で、産業上極めて有用である。

修正補エネルギーを説明する図。引張強度４９０Ｎ／ｍｍ^２の鋼材の場合、ＣＤＣ法の評価における部材変形性能が２％となるＳＳカーブを示す図。引張強度５９０Ｎ／ｍｍ^２の鋼材の場合、ＣＤＣ法の評価における部材変形性能が２％となるＳＳカーブを示す図。図２に示したＳＳカーブを有する鋼材を用いた鋼管の、短期許容耐力（＝降伏耐力）と、鋼管の水平１％変形時（柱高さ４０００ｍｍであるので、水平４０ｍｍ変形時）の耐力を評価した結果を示す。図３に示したＳＳカーブを有する鋼材を用いた鋼管の、短期許容耐力（＝降伏耐力）と、鋼管の水平１％変形時（柱高さ４０００ｍｍであるので、水平４０ｍｍ変形時）の耐力を評価した結果を示す。中空鋼管の計算耐力と履歴曲線の比較図。充填コンクリートの強度がＣＦＴ構造の特性に及ぼす影響を説明する模式図で、（ａ）はコンクリートが低強度の場合、（ｂ）はコンクリートが高強度の場合を示す図。Ｍ−ＮインタラクションカーブによるＣＦＴ柱の耐力評価方法の他の例短期許容耐力評価方法（単純累加強度）を示す図。Ｍ−ＮインタラクションカーブによるＣＦＴ柱の耐力評価方法の他の例（終局耐力評価方法）を示す図。Ｍ−ＮインタラクションカーブによるＣＦＴ柱の耐力評価方法の一例（終局耐力評価方法）を示す図。

本発明に係るＣＦＴ柱用鋼管の設計方法は、鋼管材の応力ひずみ線図（ＳＳカーブという場合がある）を鋼管としてＣＦＴ柱の破断性能以上の耐破断性能（破断時の変形の大きさ）を備え、ＣＦＴ柱の終局耐力および短期許容耐力の得られる変形（ひずみ）において耐力が大きくなるように設計することを特徴とする。鋼管材とは鋼管の母材となる厚鋼板（鋼材という場合がある）を指し、耐力は曲げモーメントに対する抵抗力を指す。

［設計基準１］
設計基準１は、ＣＦＴ柱への要求変形性能に適宜の安全率を乗じた変形性能を有する鋼管、例えば安全率２とした場合は、鋼管の破断で決まる変形性能が２％の鋼管を設計する際に適用する基準で、鋼管の変形性能を確保する観点から鋼管材の応力ひずみ線図を設計する。鋼管の変形性能は耐破断性能（破断時の変形の大きさ）である。

変形性能は、図１に示されるように、修正補エネルギーの降伏応力に対する大きさの比に左右される（例えば非特許文献４〜６）ので、大きな修正補エネルギーが得られる、１．低ＹＲ、２．塑性化後の比較的早い段階での応力上昇を抑える、３．最大応力時のひずみが大きい特性を備えた応力ひずみ線図を設計する。

［設計基準２］
設計基準２は、ＣＦＴ柱の終局耐力を最大化させる観点で応力ひずみ線図を設計する基準で、ＣＦＴ柱の終局耐力を大きくするために、ＣＦＴ柱の終局耐力が得られる際の鋼管のひずみが鋼管材に付与された場合において最も強度が大きくなるように応力ひずみ曲線を設計する。なお、終局耐力は柱変形角（＝柱の水平変形／柱高さ）が最大なる場合の耐力である。

ＣＦＴ柱は、充填されるコンクリートが負担する荷重が最大となる柱の変形量が、鋼管単体の柱と比較して小さい場合が多く、鋼管のひずみ硬化による応力上昇が遅い場合にはＣＦＴ柱として鋼管とコンクリートの両方の耐荷重性能を最大限に利用できない。従って、鋼管のひずみ硬化が、ひずみが比較的小さい段階で起こるように鋼管材の応力ひずみ線図を設計することが望ましい。

［設計基準３］
設計基準３は、ＣＦＴ柱の短期許容耐力を最大化させる観点から、鋼管の降伏耐力が最も大きくなるように鋼管材の応力ひずみ線図を設計する基準で、降伏比が高くなるように設計する。

以下、具体的に説明する。ＣＦＴ柱の要求変形性能が１％で、柱変形１％時にＣＦＴ柱の材端モーメント（柱耐力）が最大となるように、鋼管材の応力ひずみ線図を設計する場合について説明する。尚、要求変形性能はコンクリートの耐力低下によって決まり、ＣＦＴ柱の要求変形性能が１％とは充填コンクリートが柱変形１％を超えたところで急激に耐力低下する場合でＣＦＴ柱の終局耐力が１％の変形時に得られることを意味する。

まず、設計基準１により、鋼管の破断に対する安全率を２とする場合、ＣＦＴ柱としての変形性能が１％なので、鋼管の破断で決まる変形性能は２％以上必要である。鋼管材のＳＳカーブをひずみ２％で破断するように設計する。

図２、３は部材が径７００ｍｍ、板厚１９ｍｍ、長さ４０００ｍｍの角形鋼管柱、下端固定、上端回転固定（水平変形可）、軸力０の条件（柱軸力はコンクリートが負担する場合を想定）で鋼管部材の変形性能が２％となるように設計された鋼管材のＳＳカーブを示す。鋼管部材の変形性能はＣＤＣ法の評価による。

図２は引張強度４９０Ｎ／ｍｍ^２の鋼材の場合、図３は引張強度５９０Ｎ／ｍｍ^２の鋼材の場合のＳＳカーブで、それぞれ、一様伸び（引張強度が得られる時のひずみ）が０．１５、０．１２とし、部材端部のひずみ集中（係数３）で平面保持仮定時の縁ひずみが０．０５、０．０４となる変形において、部材変形性能が２％となり鋼管が破断変形する。

次に、設計基準２によりＣＦＴ柱の終局耐力が得られる変形性能１％、すなわち、鋼管の変形１％時に鋼管の強度が大きくなるように、且つ設計基準３により鋼管の鋼管短期許容耐力が大きくなるように鋼材の応力ひずみ線図を設計する。

図４、５に図２、３に示したＳＳカーブを有する鋼材を用いた鋼管の鋼管短期許容耐力と、鋼管の水平１％変形時（柱高さ４０００ｍｍであるので、水平４０ｍｍ変形時）の耐力を評価した結果を示す。

引張強度４９０Ｎ／ｍｍ^２の鋼材、引張強度５９０Ｎ／ｍｍ^２の鋼材のそれぞれで、ＹＲが高いほど鋼管降伏耐力は直線比例的に増加し、鋼管１％変形時耐力はＹＲ８０％を超えたところでやや頭打ちとなりながら高くなる傾向が認められる。従って、本発明が対象とする高強度コンクリートを充填した、要求変形性能１％程度のＣＦＴ柱の場合や、ＣＦＴ柱に高い軸力が作用する場合にはＹＲ８０％以上の鋼材を選定する。

なお、ＹＲ８０％以上の鋼材を選定することは、鋼管材の引張強度一定の下でＣＦＴ柱の短期許容耐力を大きくする場合の鋼管材の設計基準３（鋼管材として降伏比の高いものを選定する）にも合致する。

一方、ＹＲを９０％超では、図２、３より、補エネルギーが小さくなるので、設計基準１の要求を満たすことが難しくなるため、本発明では降伏比（ＹＲ）が８０％〜９０％の鋼管材に限定する。

鋼管材の応力ひずみ線図に対する設計基準１、２は相反するが、設計基準１に関しては、鋼管耐破断性能はコンクリート変形性能以上であれば良く、その範囲内で設計基準２を満足するＳＳカーブを備えた鋼管材を選定するのが良い。ただし、鋼管の破断による耐力低下は急激に起こることから、設計基準１を満足させるよう鋼管材を選定する場合は一定の安全率を有することが望ましい。鋼管材のＳＳカーブは例えば非特許文献７のＣＤＣ法を用いて評価しつつ設計することが可能である。

図２、３では変形性能２％のＳＳカーブのみを記載している。変形性能が２％超となる場合は、同じＹＲに対しては鋼管の１％変形時の鋼管耐力が図に記載のものよりも低下する。

なお、前記コンクリート変形性能は、ＣＦＴ柱が構造物のある層を構成する柱の複数に適用され、かつ、前記複数の柱が地震等の外力作用時にほぼ同様の変形となる場合には、複数の柱のうちコンクリート変形性能が最も低い値を用いることが出来る。

ＣＦＴ柱を製造する際、既存の鋼管から選定する場合は、本発明に係る応力ひずみ線図を備えた鋼管材から製造される鋼管を選定する。

実際の鋼管の応力ひずみ線図はある程度の傾向を有する曲線状となるため、例えば、ひずみ１％時の応力が指定した値に近いものを設計または選択することで、本発明の目的を達することが可能となる。

コンクリート充填鋼管構造設計施工指針：日本建築学会コンクリート充填鋼管（ＣＦＴ）造技術基準・同解説の運用及び計算例等：（社）新都市ハウジング協会５９０Ｎ／ｍｍ２級角形鋼管の部材性能に関する実験的研究：下川他、鋼構造年次論文報告集、巻：１６頁：１−６、２００８．１１延性き裂発生を考慮した梁部材の塑性変形能力、学術講演梗概集．Ｃ−１、２００３、ｐｐ．８６３−８６４、歪・補エネルギーによる素材特性と部材変形性能に関する検討：小野他、日本建築学会大会学術講演梗概集Ｃ分冊、ｐ．１１３９、１９９３年金属系構造部材の局部座屈挙動における素材特性の影響（その３）：伊藤他、日本建築学会大会学術講演梗概集Ｃ−１分冊、ｐ．２６９、１９９６年（財）日本建築センター：鉄骨梁端溶接接合部の脆性的破断防止ガイドライン・同解説

Claims

コンクリートを充填してＣＦＴ柱を構成するＣＦＴ柱用鋼管の設計方法であって、前記鋼管に用いる鋼管材の応力ひずみ線図を、ａ）ＣＦＴ柱への水平方向の要求変形性能に適宜の安全率を乗じた変形性能を有し、ｂ）ＣＦＴ柱の終局耐力（最大耐力）および短期許容耐力（設計上考慮される最大変形時）が得られる変形量において鋼管の耐力が最大となるように設計することを特徴とするＣＦＴ柱用鋼管の設計方法。
上記鋼管材が引張強度４９０Ｎ／ｍｍ^２〜５９０Ｎ／ｍｍ^２で鋼管材の応力ひずみ線図における降伏比が８０〜９０％であることを特徴とする請求項１記載のＣＦＴ柱用鋼管の設計方法。