JP6238078B2 - 柱同士の接合構造及び建築物 - Google Patents

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Description

本発明は、柱同士の接合構造及び建築物に関するものである。
従来より、鉄筋コンクリート柱とコンクリート充填鋼管柱とが鉛直方向に接合された建物のような、異種構造の柱同士が接合された複合構造建物が知られている。このような複合構造建物の柱の構造として、コンクリート充填鋼管柱で構成された下層部と、下層部の上側に配置された一層分の高さからなる境界層と、境界層の上側に配置され鉄筋コンクリート柱で構成された上層部とを備えるものが提案されている(下記特許文献1参照)。
上記の複合構造建物の柱の構造における境界層は、外殻をなす鋼管と、鋼管内に挿入された主筋と、主筋の周囲に巻回された帯筋と、鋼管内に充填されたコンクリートと、鋼管の下部に設けられたスタッドとを備えている。
特開2009−2006号公報
しかしながら、上記の特許文献1に記載の複合構造建物の柱の構造では、境界層が上階から作用する軸力に充分に抗することができないため、面外座屈してしまう可能性がある。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、面外座屈を抑制することができる柱同士の接合構造及び建築物を提供する。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る柱同士の接合構造は、コンクリート部及び該コンクリート部内を鉛直方向に延びる柱主筋を有する鉄筋コンクリート造の第一柱と、該第一柱の上方に配置された鉄骨造又は充填鋼管コンクリート造の第二柱とを接合する柱同士の接合構造であって、前記第一柱と前記第二柱とは、応力切替部を介して接合されており、該応力切替部は、前記第二柱の下部と、該第二柱の下部の外周側に配置され、前記柱主筋と連続して前記コンクリート部から鉛直方向に突出して延びる主筋部と、該主筋部を全て囲繞するとともに、鉛直方向全長にわたって配置された第一鋼管と、該第一鋼管の内周側、かつ、第二柱の外周側に配置され、鉛直方向に延びる第二鋼管と、前記第一鋼管の内周面と前記第二柱の外周面との間に充填された充填コンクリート部と、を備えることを特徴とする。
このように構成された柱同士の接合構造では、第一柱の主筋部と第二柱の下部とが、第一鋼管内に充填された充填コンクリート部に定着することで、第一柱と第二柱とが接合される。また、第二柱に軸力が作用すると、応力切替部が軸力と交差する方向(例えば、軸力と直交する方向)に膨らむような力を受ける。このとき、第二柱の外周側に周方向にわたって配置された第二鋼管の鉛直方向に延びる面が、軸力と交差する方向に膨らむ力に抗することができる。よって、第二鋼管の外周側に配置された第一鋼管の面外座屈を抑制することができる。
また、本発明に係る柱同士の接合構造は、前記第一鋼管又は前記第二鋼管は、平面視円形状に形成されていることが好ましい。
このように構成された柱同士の接合構造では、第二柱に軸力が作用して、応力切替部に軸力と交差する方向(例えば、軸力と直交する方向)に膨らむような力が生じた場合に、平面視円形状に形成された第二鋼管の周方向に均等な引張力が作用するため、応力切替部の面外座屈を周方向にわたって効果的に抑制することができる。
また、本発明に係る柱同士の接合構造は、前記第一鋼管は、平面視矩形状に形成され、前記第二鋼管は、平面視円形状に形成されていてもよい。
このように構成された柱同士の接合構造では、第一鋼管が設計上納まりのよい平面視矩形状に形成されていても、第二鋼管が平面視円形状に形成されているため、応力切替部に軸力と交差する方向(例えば、軸力と直交する方向)に膨らむような力が生じた場合に、平面視円形状に形成された第二鋼管の周方向に均等な引張力が作用するため、第一鋼管部の面外座屈を周方向にわたって効果的に抑制することができる。
また、本発明に係る柱同士の接合構造は、前記充填コンクリート部のコンクリートは、繊維補強コンクリートであってもよい。
このように構成された柱同士の接合構造では、第一鋼管の内部に充填される繊維補強コンクリートの架橋効果により軸力による該繊維補強コンクリートのひび割れを抑制することができる。よって、第一鋼管の面外座屈を効果的に抑制することができる。
また、本発明に係る柱同士の建築物は、上記のうちいずれか一に記載の柱同士の接合構造を備える建築物。
このように構成された建築物では、第二柱に軸力が作用すると、第一鋼管が横方向に膨らむような力を受ける。このとき、第二柱の外周側に周方向にわたって配置された第二鋼管の鉛直方向に延びる面が、この横方向に膨らむ力に抗することができる。よって、第二鋼管の外周側に配置された第一鋼管の面外座屈を抑制することができる。
本発明に係る柱同士の接合構造及び建築物によれば、面外座屈を抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る建築物を示す概略正面図である。 本発明の一実施形態に係る建築物における柱同士の接合構造の構成を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る建築物における柱同士の接合構造の構成を示す横断面図である。 本発明の一実施形態の変形例1に係る建築物における柱同士の接合構造の構成を示す横断面図である。 本発明の一実施形態の変形例2に係る建築物における柱同士の接合構造の構成を示す横断面図である。 本発明の一実施形態の変形例3に係る建築物を示す概略正面図である。
(建築物)
本発明の一実施形態に係る建築物について、図面を用いて説明する。
図1に示すように、本実施形態に係る建築物100は、水平方向に延びる地下一階の床スラブF0と、この床スラブF0から鉛直方向に延びる鉄筋コンクリート造の第一柱1と、この第一柱1の上方に配置された充填鋼管コンクリート造の第二柱2とを備えている。
さらに、建築物100は、第二柱2の上側に配置された第三柱3と、第二柱2と第三柱3の接合部分から水平方向に延びる地上一階の床スラブF1とを備えている。
つまり、第一柱1及び第二柱2が地下一階の柱とされ、第三柱3が地上一階の柱とされている。第一柱1と第二柱2とは、後述する応力切替部5を介して接合されている(柱同士の接合構造)。
(第一柱)
図2及び図3に示すように、第一柱1は、略直方体状に形成され、水平方向に所定の間隔を有して鉛直方向に延びる複数の主筋10と、これら複数の主筋10を束ねるように鉛直方向に間隔を有して配置された複数の帯筋12と、これら複数の主筋10及び複数の帯筋12を覆うように平面視略矩形状に充填されたコンクリートである第一コンクリート部13とを有している。
複数の主筋10は、平面視において、第一コンクリート部13の外周面に沿うように間隔を有して配置されている。この主筋10は区間X及び区間Xの上方まで延びている。主筋10のうち、区間Xに配置された部分が柱主筋11とされ、区間Xの上方に配置された部分が後述する応力切替部5を構成する主筋部70とされている。つまり、柱主筋11と主筋部70とは、例えば鉄筋コンクリート用棒鋼等で連続して形成されている。
また、帯筋12は、区間Xの範囲にわたって水平方向に配置されている。つまり、帯筋12は主筋10のうち柱主筋11に巻回されている。
また、第一コンクリート部13は、区間Xの範囲で充填されている。つまり、主筋部70は、第一コンクリート部13の上面から上方に向かって突出している。
(第二柱)
第二柱2は、区間Xの上方に位置する鉛直方向の区間Yにわたって配置され、角筒状の鋼管(以下、角鋼管という)21と、角鋼管21内に充填されたコンクリートである第二コンクリート部22とを有している。
なお、第二柱2の鋼管21は角筒状に限られず、円筒状であってもよく、当該形状は適宜選択可能である。
第二柱2の各辺が第一柱1の各辺と平行となるように、第二柱2は平面視で第一柱1の内方に配置されている。
角鋼管21の下端には、平面視略矩形状のベースプレート23が設けられている。このベースプレート23の平面視の外形は、角鋼管21の平面視の外形よりも大きく、且つ第一柱1の平面視の外形よりも小さい。
また、ベースプレート23の平面視略中央部分には、鉛直方向に貫通する略円形状の開口23Aが形成されている。
第二柱2の角鋼管21は、区間Yの範囲にわたって配置されている。第二コンクリート部22は、区間Yにわたって充填されている。
(応力切替部)
応力切替部5は、区間Xの上方から区間Yの下部にわたる区間Zにわたって配置されている。この応力切替部5は、第二柱2の下部2Aと、この下部2Aの外周側に配置された第一柱1の主筋10の主筋部70と、この主筋部70を全て囲繞する第一鋼管50と、第一鋼管50の内周側に配置された第二鋼管60と、第一鋼管50内に充填された充填コンクリート部80とを備えている。
第二柱2の下部2Aは、第二柱2のうち区間Zに配置された部分である。また、主筋部70は、第一柱1の主筋10のうち第一コンクリート部13の上面から上方に向かって突出して鉛直方向に延びる、つまり区間Zに配置された部分である。この主筋部70は、区間Zの上端よりも低い位置まで延びている。
第一鋼管50は、鉛直方向に向かって延びる4面50Aが略直角に交差するように形成された角筒状の鋼管である。この第一鋼管50は、鉛直方向全長にわたって、つまり区間Zの全長にわたって配置されている。
この第一鋼管50の平面視の外形は、第一柱1の平面視の外形と略同一である。また、第一鋼管50の外周面が第一柱1の外周面と面一になるように、第一鋼管50は第一柱1の上側に当接配置されている。
また、第一鋼管50の平面視の外形は、第二柱2の平面視の外形よりも大きい。つまり、第二柱2の下部2Aは、第一鋼管50の内部に配置されている。このようにして、第一鋼管50は、第一柱1の上端から第二柱2の下部2Aにわたって配置されている。
第一鋼管50の下端には、下方から上方に向かうにしたがって次第に第一柱1の内側に向かうように形成された傾斜面52が周方向の全周にわたって設けられている。
この第一鋼管50の傾斜面52の上側には、第一鋼管50の内周面から周方向の全周にわたり内側に向かって突出する、つまり平面視環状の下凸条部53が第一鋼管50の内周面に沿って形成されている。
下凸条部53は、第二柱2からの入力せん断力により第一鋼管50に作用する支圧力に抗して、第一鋼管50が変形することを防止する機能を有している。
第二鋼管60は、平面視円形状に形成され、鉛直方向に向かって延びる鋼管であって、第一鋼管50の内周側、かつ、第二柱2の外周側に配置されている。これにより、主筋部70のうち内側主筋部70Aは第二鋼管60の内周側に配置され、外側主筋部70Bは第二鋼管60の外周側且つ第一鋼管50の内周側に配置されている。
なお、本実施形態においては、主筋部70が第二鋼管60の内外にわたって配置されているが、全ての主筋部70が第二鋼管60の内側に配置されていてもよい。または、全ての主筋部70が第二鋼管60の外側に配置されていてもよい。
第二鋼管60の直径寸法は、第一鋼管50の一辺の長さ寸法より微小とされている。つまり、平面視にておいて、第二鋼管60に等間隔に配置された四点60Xが、それぞれ第一鋼管50の一辺の略中央部50Xと当接するように、第二鋼管60は第一鋼管50の内周側に配置されている。
また、第二鋼管60は、第一鋼管50の上端から下凸条部53の上方にわたって、鉛直方向に向かって配置されている。
また、第二鋼管60の平面視の外形は、第二柱2の平面視の外形よりも大きい。つまり、第二柱2の下部2Aは、第二鋼管60の内部に配置されている。
充填コンクリート部80は、第一鋼管50の内周面と第二柱2外周面との間に、第一鋼管50の全長にわたって充填された繊維補強コンクリートである。つまり、充填コンクリート部80は、第二鋼管60の内外にわたって形成されている。繊維補強コンクリートは、合成繊維や鋼繊維等をコンクリートに複合したコンクリート材である。
本実施形態では、繊維として例えば密度7.85g/cm3、引張強度700N/mm2、長さ30mm、直径0.6mmの鋼繊維が採用されている。また、この繊維の混入率は、最大0.75vol.%である。
この繊維補強コンクリートの支圧強度倍率は、プレーンコンクリートの支圧強度倍率の約1.3倍である。また、繊維補強コンクリートの耐力は、プレーンコンクリートの耐力の約1.2倍である。
なお、本実施形態では、第一柱1、第二柱2及び応力切替部5は、一体としてプレキャストコンクリート部材で構成されているため、繊維補強コンクリートは第二柱2のベースプレート23に形成された開口23Aを介して、第二柱2の内部にも充填されている。
つまり、第二柱2の第二コンクリート部22、第一鋼管50内の充填コンクリート部80及び第一柱1の第一コンクリート部13は、繊維補強コンクリートで一体として形成されている。
このように構成された柱同士の接合構造では、第一柱1の主筋部70と第二柱2の下部2Aとが、第一鋼管50内に充填された充填コンクリート部80に定着することで、第一柱1と第二柱2とが接合される。
また、第二柱2に軸力が作用して応力切替部5に、軸力と交差する方向(例えば、軸力と直交する方向)に膨らむような力が生じた場合に、平面視円形状に形成された第二鋼管60の周方向に均等な引張力が作用するため、第一鋼管50の面外座屈を周方向にわたって効果的に抑制することができる。
また、第一柱1の第一コンクリート部13、第二柱2の第二コンクリート部22及び第一鋼管50内の充填コンクリート部80は、繊維補強コンクリートで構成されている。よって、繊維補強コンクリートの架橋効果により軸力による該繊維補強コンクリートのひび割れを抑制することができる。したがって、第一鋼管50の面外座屈を効果的に抑制することができる。
また、第一鋼管50の下端には傾斜面52が設けられているため、区間Zの第一鋼管50及び充填コンクリート部80に作用する力は傾斜面52に沿って第二柱2に向かって下向きに伝達される。よって、充填コンクリート部80及び第一柱1の第一コンクリート部13にひび割れ等が生じることがない。また、軸力伝達により、傾斜面52の周囲の第一コンクリート部13及び充填コンクリート部80がかけ落ちることが防止される。
また、応力切替部が地上階に設けられている場合には、地震時に、柱同士の接合構造に水平力が大きく作用する。このため、第一鋼管50への入力せん断力を低減させるように第一鋼管50の長さを長くしたり、第一鋼管50のせん断降伏を避けるために第一鋼管50の板厚を厚くしたり、充填コンクリート部80と第一鋼管50とを一体挙動させてせん断ずれを防止するために、例えば第一鋼管50内側の材軸方向にわたって棒鋼等の突起物を溶接等で数カ所設ける等の設計対応をとる必要がある。しかし、上記に示す実施形態のように、応力切替部5が地下一階等の地下階に設けられている場合には、柱同士の接合構造に作用する力は、軸力が他の力よりも相対的に大きくなるため、上記対応をする必要がないか、地上階に設ける場合よりも緩やかな対応ですむ。
(変形例1)
上記に示す実施形態の変形例1に係る第一柱1と第二柱2との接合構造について、図4を用いて説明する。
上記の実施形態に係る第二鋼管60は平面視円形状に形成されているが、変形例1に係る第二鋼管260は平面視矩形状に形成されている。
第二鋼管260は、鉛直方向に向かって延びる4面260Aが略直角に交差するように形成された角筒状の鋼管である。
平面視において、第二鋼管260の対角線寸法は、第一鋼管50の一辺の長さ寸法よりも微小とされている。つまり、第二鋼管260に等間隔に配置された四点260Xが、それぞれ第一鋼管50の一辺の略中央部50Xと当接するように、第二鋼管260は第一鋼管50の内周側に配置されている。
このように構成された柱同士の接合構造では、第二柱2に軸力が作用すると、応力切替部205に軸力と交差する方向(例えば、軸力と直交する方向)、すなわち平面視において第二鋼管260の面260Aの平面視における略中央部に第二柱2の中心から離間する方向の力が生じる。そして、この力を第一鋼管50における隣接する面50A同士が略直角に交差する点で受けることができるため、面50Aが膨らむ方向へ生じる力を抑えることができる。
(変形例2)
上記に示す実施形態の変形例2に係る第一柱101と第二柱2との接合構造について、図5を用いて説明する。
上記の実施形態に係る第一柱1は略直方体状に形成されているが、変形例2に係る第一柱101は略円柱状に形成されている。
第一柱101は、周方向に所定の間隔を有して鉛直方向に延びる複数の主筋110と、これら複数の主筋110を束ねるように鉛直方向に間隔を有して円弧状に配置された複数の帯筋112と、これら複数の主筋110及び複数の帯筋112を覆うように充填されたコンクリートである第一コンクリート部113とを有している。
応力切替部105は、第二柱2の下部2Aと、この下部2Aの外周側に配置された第一柱101の主筋110の主筋部170と、この主筋部170を全て囲繞する第一鋼管150と、第一鋼管150の内周側に配置された第二鋼管160と、第一鋼管150内に充填された充填コンクリート部180とを備えている。
第一鋼管150は、鉛直方向に向かって延びる円筒状の鋼管である。この第一鋼管150の平面視の外形は、第一柱101の平面視の外形と略同一である。また、第一鋼管150の外周面が第一柱101の外周面と面一になるように、第一鋼管150は第一柱101の上側に当接配置されている。
第二鋼管160は、平面視略矩形状に形成され、鉛直方向に向かって延びる鋼管であって、第一鋼管150の内周側、かつ、第二柱2の外周側に配置されている。
第二鋼管160の対角線寸法は、第一鋼管150の直径寸法と略同一とされている。つまり、平面視にておいて、第一鋼管150に等間隔に配置された四点150Xが、それぞれ第二鋼管160の頂点160Xと当接するように、第二鋼管160は第一鋼管150の内周側に配置されている。
また、第二鋼管160の平面視の外形は、第二柱2の平面視の外形よりも大きい。つまり、第二柱2の下部2Aは、第二鋼管160の内部に配置されている。
このように構成された第一柱101と第二柱2との接合構造では、第二柱2に軸力が作用して応力切替部105に軸力と交差する方向に膨らむような力が生じた場合に、平面視円形状に形成された第一鋼管150が、この力を互いに打ち消しあうように第二柱2の周方向にわたって均等に抗することができる。よって、第一鋼管150の面外座屈を周方向にわたって効果的に抑制することができる。
(変形例3)
上記に示す実施形態の変形例3に係る第一柱301と第二柱302との接合構造について、図6を用いて説明する。
図6に示すように、応力切替部305が床スラブF0の上面に当接するように配置されていてもよい。この場合には、第一柱301を構成する柱主筋11(図2参照)、帯筋12(図2参照)、第一コンクリート部13(図2参照)は、区間X1に設けられている。なお、柱主筋11に連続する主筋部70(図2参照)は、区間Z1にまで延びている。
また、第二柱302は、区間Y1にわたって配置されている。
応力切替部305は、区間X1の上側から区間Y1の下部にわたる区間Z1にわたって配置されている。
上記に示す実施形態では、床スラブF0から鉛直方向に延びる部分は鉄筋コンクリート造の第一柱1であるのに対して、本変形例では、床スラブF0から鉛直方向に延びる部分は応力切替部305である。よって、床スラブF0上に、応力切替部5と比較して脆弱とされる鉄筋コンクリート造の部分を設けることなく、直接応力切替部305を設けることができるため、軸耐力を向上させることができる。
なお、第一柱の第一コンクリート部の上端が床スラブF0の厚さ方向途中に達するように第一柱が配置され、これに連続して応力切替部が配置されていてもよい。つまり、応力切替部の下端が、床スラブF0の厚さ方向途中に達していてもよい。
なお、上述した実施の形態において示した組立手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上記に示す実施形態においては、第一鋼管50と第二鋼管60とは、それぞれ当接するように配置されている。しかし、本発明はこれに限られず、第二鋼管60が第一鋼管50の内側に間隔を有して配置されていてもよい。
また、第一鋼管50の内周面(又は外周面)に、鉛直方向に間隔を有して複数のリブ(不図示)が形成されていてもよい。このリブは、第一鋼管50の内周面(又は外周面)から周方向の全周にわたり内側(又は外側)に向かって突出するように、つまり第一鋼管50の内周面(又は外周面)に沿って平面視環状に形成されていればよい。また、リブは、区間Zの全長にわたって複数設けられていてもよい。これにより、このリブが第二柱2に作用する軸力に抗することで、第一鋼管50の面外座屈を抑制することができる。
また、上記に示す実施形態において、第二柱2が、第一鋼管50(第一柱1)に対して平面視で所定の角度分回転配置されていてもよい。また、第二柱2が、第二鋼管160に対して平面視で所定の角度分回転配置されていてもよい。
また、上記に示す実施形態においては、第一柱1、第二柱2及び応力切替部5が、プレキャストコンクリート部材で構成されている場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限られず、建築現場において第一柱1を構築した後に、応力切替部5及び第二柱2を構築する構成にも適用可能である。例えば、繊維補強コンクリートが、充填コンクリート部80の内部に充填され、第二柱2の内部には普通コンクリート等が充填されていてもよい。この場合には、第二柱2の内部と外部とは、ベースプレート23により上下方向に区画されるため、充填コンクリート部80(第二柱2の外部)に繊維補強コンクリートを、第二柱2の内部に普通コンクリートをそれぞれ打ち分けることができる。
また、第二柱2が充填鋼管コンクリート造で構成されている場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限られず、第二柱2が鉄骨造で構成されている場合にも適用可能である。
また、応力切替部5が地下一階に設けられている場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限られず、応力切替部5が地下の他の階又は地上階に設けられている場合にも適用可能である。
また、第一鋼管50の上端に、内周面から周方向の全周にわたり内側に向かって突出するように、つまり内周面に沿って平面視環状に形成された上凸条部(不図示)が設けられていてもよい。これにより、上凸条部が、第二柱2からの入力せん断力により第一鋼管50に作用する支圧力に抗して、第一鋼管50が変形することを防止することができる。この場合には、第一鋼管50の内側に第二鋼管60を配置した後に、上凸条部を第一鋼管50に溶接等で取り付けることで、第一鋼管50と第二鋼管60とを組み立てることができる。
1…第一柱
2…第二柱
2A…第二柱の下部
5…応力切替部
11…柱主筋
13…第一コンクリート部(コンクリート部)
50…第一鋼管
60…第二鋼管
70…主筋部
80…充填コンクリート部
100…建築物

Claims (5)

  1. コンクリート部及び該コンクリート部内を鉛直方向に延びる柱主筋を有する鉄筋コンクリート造の第一柱と、該第一柱の上方に配置された鉄骨造又は充填鋼管コンクリート造の第二柱とを接合する柱同士の接合構造であって、
    前記第一柱と前記第二柱とは、応力切替部を介して接合されており、
    該応力切替部は、
    前記第二柱の下部と、
    該第二柱の下部の外周側に配置され、前記柱主筋と連続して前記コンクリート部から鉛直方向に突出して延びる主筋部と、
    該主筋部を全て囲繞するとともに、鉛直方向全長にわたって配置された第一鋼管と、
    該第一鋼管の内周側、かつ、第二柱の外周側に配置され、鉛直方向に延びる第二鋼管と、
    前記第一鋼管の内周面と前記第二柱の外周面との間に充填された充填コンクリート部と、を備えることを特徴とする柱同士の接合構造。
  2. 前記第一鋼管又は前記第二鋼管は、平面視円形状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の柱同士の接合構造。
  3. 前記第一鋼管は、平面視矩形状に形成され、
    前記第二鋼管は、平面視円形状に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の柱同士の接合構造。
  4. 前記充填コンクリート部のコンクリートは、繊維補強コンクリートであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の柱同士の接合構造。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の柱同士の接合構造を備えることを特徴とする建築物。
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