JP6704227B2 - 鉄筋コンクリート柱 - Google Patents

Description

本発明は、鉄筋コンクリート柱に関する。

従来の鉄筋コンクリート柱の構造設計では、地震時等の外力に対して十分な耐力を発現し得るコンクリート強度や配筋量について検討するものの（例えば、特許文献１参照）、軸力による座屈破壊の検討を行うことは一般的ではなかった。
鉄筋コンクリート柱は、建築基準法施行令第７７条第５号によって径長さ比（柱高さ／断面の小径）が１５以下に制限されていたため、柱高さ（柱の長さ）に対して十分な大きさの断面寸法（太さ）を有しており、座屈破壊に対して十分な耐力を備えていると考えられていた。
ところが、平成２３年の建築基準法の法改正により、鉄筋コンクリート柱に座屈が発生しないことが確認されれば、径長さ比を１５以上にすることが可能となった。
このような長柱については、オイラー座屈の式を用いて座屈耐力の算定を行うのが一般的である。

特開２０１０−２６１２８５号公報

火災時における鉄筋コンクリート柱は、外部からの加熱により部材表層コンクリートの温度が断面中央に比べて早期に上昇する。その結果、部材表層コンクリートの圧縮強度やヤング係数が低下するため、表層部に配置される主筋に作用する応力が増加する。主筋に作用する応力が降伏点を越えて主筋が降伏すると、主筋のヤング係数が急激に低下し、部材全体の曲げ剛性が大幅に低下する。そのため、常温時に構造設計において座屈しないように設計された鉄筋コンクリート柱であっても、火災時における座屈の発生が懸念される。
このような観点から、本発明は、火災時であっても座屈耐力が急激に低下することがない鉄筋コンクリート柱を提案することを課題とする。

前記の課題を解決するために、本発明に係る鉄筋コンクリート柱は、コンクリート硬化体と、前記コンクリート硬化体に配筋された主筋と、前記コンクリート硬化体の表面を被覆する耐火材とを備えるものであって、前記耐火材は、前記コンクリート硬化体の両端部を被覆していることを特徴としている。

かかる鉄筋コンクリート柱によれば、柱の両端部において耐火被覆が施されるかまたは被りコンクリート厚さが増やされているため、火災時における柱端部の温度上昇が緩やかになり、ひいては曲げ剛性の低下も緩やかになる。そのため、主筋に作用する曲げモーメントが急激に増加することを抑制することができる。また、柱端部の耐火性能を向上させることで、座屈耐力を増加させることが可能となる。

前記鉄筋コンクリート柱には、両端部が火災時に熱の影響を受けて降伏しない高強度鉄筋からなり、中央部が前記高強度鉄筋に連結された普通鉄筋からなり、前記高強度鉄筋と前記普通鉄筋は、同一の鉄筋径を有していて、端面同士を突き合せた状態で連結された主筋を配筋している。前記高強度鉄筋と前記普通鉄筋とは、摩擦圧接により連結する。
このようにすれば、鉄筋コンクリート柱の両端部において主筋の降伏点が高められるため、座屈耐力を向上させることができる。
また、主筋を部分的に補強しているため主筋を全長にわたって補強する場合に比べてコスト低減化を図ることができる。

本発明の鉄筋コンクリート柱によれば、火災などにより加熱された場合であっても、建物の安全性を確保することが可能となる。

第一の実施形態に係る鉄筋コンクリート柱を示す断面図である。 図１の鉄筋コンクリート柱の配筋状態を示す斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、鉄筋コンクリート柱の座屈耐力の向上を確認するために行った解析用の計算モデルの断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、図３の計算モデルに対して実施した解析結果であって、試験の柱高さと付加曲げモーメントとの関係を示すグラフである。 第二の実施形態に係る鉄筋コンクリート柱を示す断面図である。 （ａ）は図５の鉄筋コンクリート柱の配筋状態を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 鉄筋コンクリート柱の固定方法毎の柱高さと曲げモーメントとの関係を示すグラフである。

＜第一の実施形態＞
本実施形態では、図１に示すように、径長さ比が１５を超える鉄筋コンクリート柱１について説明する。
本実施形態の鉄筋コンクリート柱１の両端は、上下の梁にそれぞれ固定（剛結合）されている。
図２に示すように、鉄筋コンクリート柱１は、正方形断面のコンクリート硬化体２と、コンクリート硬化体２の各角部に配筋された主筋３，３，…と、コンクリート硬化体２の表面を被覆する耐火材４とからなる。
コンクリート硬化体２は、普通コンクリートにより形成されている。なお、コンクリート硬化体２を構成する材料は限定されるものではなく、例えば、高強度コンクリートであってもよい。

主筋３は、両端部が高強度鉄筋３１からなり、その他の部分（主筋３の中央部）が普通鉄筋３２からなる。
主筋３を構成する普通鉄筋３２と高強度鉄筋３１，３１は、同一の鉄筋径を有しており、端面同士を突き合わせた状態で摩擦圧接により連結されている。
本実施形態では、コンクリート硬化体２の先端から柱高さ６〜１０％の範囲に対して高強度鉄筋３１を配筋している。なお、高強度鉄筋３１を配筋する範囲（長さ）は限定されない。
主筋３は、直線状を呈しており、直線状に形成されたコンクリート硬化体２の内部に、一定の被りコンクリート厚さ（構造上必要な被りコンクリート厚さ）を有して埋め込まれている。

本実施形態では、高強度鉄筋３１として、降伏点が高いＵＳＤ６８５を使用し、普通鉄筋３２としてＵＳＤ６８５よりも降伏点が低いＳＤ４９０を使用している。
なお、高強度鉄筋３１および普通鉄筋３２を構成する材料は、前記のものに限定されない。また、主筋３は、全延長にわたって同一の材料により構成してもよく、必ずしも普通鉄筋３２と高強度鉄筋３１とを連結することにより構成する必要はない。

耐火材４は、コンクリート硬化体２の両端部を被覆している。本実施形態では、コンクリート硬化体２の先端から柱高さ６〜１０％の範囲を耐火材４により覆っているが、耐火材４を被覆する範囲は前記の範囲に限定されない。
本実施形態では、耐火材４として、モルタルをコンクリート硬化体２の表面に被覆する。なお、耐火材４を構成する材料はモルタルに限定されるものではなく、例えば、ケイ酸カルシウム板、石膏ボード、吹き付けロックウール、耐火塗料、巻き付け耐火被覆材等を使用してもよい。
また、耐火材（モルタル）４の被覆厚は限定されるものではないが、本実施形態では２５ｍｍの厚さで被覆する。

本実施形態の鉄筋コンクリート柱１は、コンクリート硬化体２の両端部が耐火材４により被覆されているため、火災時におけるコンクリート硬化体２の両端部における部材表層コンクリートの温度が急速に上昇することが防止されている。そのため、部材表層コンクリートの圧縮強度やヤング係数が急速に低下すること（曲げ剛性が低下すること）が防止されており、ひいては、火災時であっても、主筋３に作用する力が急速に増加することが防止されている。このように、鉄筋コンクリート柱１では、コンクリート硬化体２の端部のみに耐火材４を被覆することで、主筋３の中央部に生じる曲げモーメントの低減化をも可能としている。
また、鉄筋コンクリート柱１の端部に耐火材４を被覆することで、柱端部において主筋３が火災時の熱の影響を受け難い。

また、主筋３として、高強度鉄筋３１を使用することで、主筋３の降伏点を上昇させて、火災時に降伏させないようにしている。そのため、部材全体としての座屈耐力が大幅に低減することを防止することができる。
主筋３の両端部に高強度鉄筋３１を使用しているため、鉄筋コンクリート柱１の端部に生じる曲げモーメントが大きくなる場合であっても、座屈を抑制することができる。また、主筋３を全長にわたって高強度化する場合に比べて、費用を削減することができる。
また、主筋３を構成する高強度鉄筋３１，３１と普通鉄筋３２は、端面同士を突き合わせた状態で工場において摩擦圧接により接合されているので、ガス圧接継手、機械式継手、溶接式継手などに比べて、ふくらみが少なく外部から加熱された場合に、熱を受けやすいコンクリート表面に近い部分を減らすことができ、好適である。

以下、本実施形態の鉄筋コンクリート柱１について、火災時の応力状態を解析した結果を示す。
解析モデルは、図３（ａ）に示すように、高さ（長さ）５ｍの鉄筋コンクリート柱１で、両端固定（剛結）とする。鉄筋コンクリート柱１は、両端部において、５００ｍｍの範囲が、厚さ２５ｍｍのモルタル（耐火材）により被覆されている。
また、比較例として、図３（ｂ）に示すように、両端部が被覆されていない高さ５ｍの鉄筋コンクリート柱１０についても火災時の応力状態の解析を行った。鉄筋コンクリート柱１０の両端は固定（剛結）とする。

図４（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態の鉄筋コンクリート柱１によれば、両端部を耐火材４で被覆しているため、コンクリート硬化体２の温度上昇が抑制される。その結果、比較例の鉄筋コンクリート柱１０に比べて、部材全体にわたって加熱中の付加曲げモーメントが低減される結果となった。
なお、図４（ｂ）に示すように、加熱時間が長くなるにつれて鉄筋コンクリート柱１０の変形が大きくなり、これに伴い軸力による付加曲げモーメントが大きくなる。比較例では、図４（ｂ）に示すように、柱中央部よりも柱端部において火災時の付加曲げモーメントが大きくなるため、柱端部において鉄筋コンクリート柱１０が破壊することになる。
一方、本実施形態の鉄筋コンクリート柱１は、柱端部において耐火材４を被覆して部材の温度上昇を抑制することで、耐火性能を向上させている。鉄筋コンクリート柱１では、比較例に比べて破壊に至るまでの時間が３０分以上長い。
したがって、本実施形態の鉄筋コンクリート柱１によれば、両端部において耐火および補強しているため、火災時の座屈破壊耐力が向上している。

＜第二の実施形態＞
第二の実施形態では、図５に示すように、径長さ比が１５を超える鉄筋コンクリート柱１について説明する。
本実施形態の鉄筋コンクリート柱１の両端は、上下の梁にそれぞれ固定されている。
図６に示すように、鉄筋コンクリート柱１は、断面正方形のコンクリート硬化体２と、コンクリート硬化体２の各角部に配筋された主筋３，３，…と、コンクリート硬化体２の両端部に配筋された補強鉄筋５，５，…とを備えている。

コンクリート硬化体２は、普通コンクリートにより形成されている。なお、コンクリート硬化体２を構成する材料は限定されるものではなく、例えば、高強度コンクリートであってもよい。
コンクリート硬化体２は、柱中央部の一般部２１と、柱両端分の拡径部２２とを有している。拡径部２２は、コンクリート硬化体２の先端から、柱高さ６〜１０％の範囲に形成されている。
拡径部２２の断面形状（図６（ｂ）参照）は、一般部２１の断面形状（図６（ｃ）参照）よりも大きい。そのため、コンクリート硬化体２の両端部における主筋３の被りコンクリート厚は、一般部２１における被りコンクリート厚よりも大きい。
拡径部２２の柱軸方向中央側は、中央に向うに従って幅が狭まるように傾斜していて、一般部２１に擦り付いている。なお、一般部２１と拡径部２２との境界部は、傾斜面を形成することなく、段差を有していてもよい。

主筋３は、普通鉄筋からなる。本実施形態では、普通鉄筋としてＳＤ４９０を使用しているが、主筋３を構成する材料は限定されない。
主筋３は、直線状を呈しており、一般部２１において構造上必要な被りコンクリート厚さを確保できるように、コンクリート硬化体２に埋設されている。

補強鉄筋５は、図６（ｂ）に示すように、主筋３の内側に沿って配筋（並設）されている。すなわち、補強鉄筋５は、４本の主筋３，３，…で囲まれた領域（４本の主筋３，３，…を頂点とする矩形領域）内に配筋されている。本実施形態では、主筋３と同様に、４本の補強鉄筋５，５，…が配筋されている。なお、補強鉄筋５は、必要に応じて配筋すればよく、省略してもよい。

本実施形態の補強鉄筋５は、高強度鉄筋により構成されている。本実施形態では、補強鉄筋５として、ＵＳＤ６８５を使用する。なお、補強鉄筋５は、普通鉄筋により構成してもよく、補強鉄筋５を構成する鉄筋の種類は限定されない。
補強鉄筋５は、火災時に座屈による変形が大きくなる箇所に配筋するものとし、コンクリート硬化体２の先端から、柱高さ６〜１０％の範囲に配筋される長さを有している。なお、補強鉄筋５の長さは限定されるものではない。
また、本実施形態では、主筋３と補強鉄筋５との離隔距離（あき）が２５ｍｍを確保できるようにする。なお、主筋３と補強鉄筋５との離隔距離（あき）の大きさは限定されず、補強鉄筋５は主筋３に接してもよいし、平面視柱中心に補強鉄筋を配筋してもよい。

本実施形態の鉄筋コンクリート柱１によれば、コンクリート硬化体２の両端部が拡径されているため、主筋３の被りコンクリート厚さが大きくなる。したがって、鉄筋コンクリート柱１によれば、火災時にコンクリート硬化体２が加熱されてもコンクリート硬化体２の両端部における部材表層コンクリートの温度上昇が緩やかになる。つまり、鉄筋コンクリート柱１では、部材表層コンクリートの圧縮強度やヤング係数が急速に低下することが防止されており、ひいては、火災時であっても主筋３に作用する力が急速に増加することが防止されている。このように、鉄筋コンクリート柱１では、コンクリート硬化体２の端部のみの被りコンクリート厚さを大きくすることで、主筋３の中央部に生じる曲げモーメントの低減化も可能としている。

また、補強鉄筋５を主筋３の内側に配筋しているため、主筋３の一部が降伏したとしても、部材全体として座屈耐力が大幅に低減することを防止することができる。すなわち、補強鉄筋５は、主筋３の内側（柱断面の中心側）に配筋されているため、火災時の温度上昇による影響を受け難い。そのため、万が一、主筋３が降伏した場合であっても、補強鉄筋５によって鉄筋コンクリート柱１の座屈を防止することができる。
主筋３の両端部に補強鉄筋５を並設しているため、鉄筋コンクリート柱１を剛結合することで、鉄筋コンクリート柱１の端部に生じる曲げモーメントが大きくなる場合であっても、座屈を抑制することができる。また、主筋３を全長にわたって高強度化する場合や、補強鉄筋５を鉄筋コンクリート柱１の全長にわたって配筋する場合に比べて、費用を削減することができる。

本実施形態の鉄筋コンクリート柱１によれば、両端部の断面形状をおおきくして被りコンクリート厚さを大きくしているため、コンクリート硬化体２の温度上昇が抑制される。その結果、部材全体にわたって加熱中の付加曲げモーメントが低減される。
なお、鉄筋コンクリート柱の両端を剛結合すると、柱端部において鉄筋コンクリート柱が破壊することになる（図４（ｂ）参照）が、本実施形態の鉄筋コンクリート柱１は、柱端部において断面形状を大きくしているため、温度上昇が抑制されている。さらに、柱端部に補強鉄筋５を配筋することで、座屈耐力が高められている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記の実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
例えば、前記実施形態では鉄筋コンクリート柱１の両端部に、高強度鉄筋３１または補強鉄筋５を配筋する場合について説明したが、高強度鉄筋３１または補強鉄筋５は、鉄筋コンクリート柱１に作用する応力に応じて配筋すればよい。例えば、鉄筋コンクリート柱１端部をピン接合する場合には、図７に示すように、柱中央部において曲げモーメントが大きくなることが予想されるため、柱中央部に高強度鉄筋３１または補強鉄筋５を配筋すればよい。すなわち、高強度鉄筋３１または補強鉄筋５を配筋する位置は、鉄筋コンクリート柱１の固定度に応じて設定してもよい。
前記各実施形態では、主筋３（計４本の主筋３）をコンクリート硬化体２の各角部に配筋する場合について説明したが、主筋３の配置および配筋ピッチは限定されるものではない。
また、コンクリート硬化体２の断面形状は正方形に限定されるものではなく、例えば、円形、長方形等の他の多角形断面等であってもよい。

１ 鉄筋コンクリート柱
２ コンクリート硬化体
２１ 一般部
２２ 拡径部
３ 主筋
３１ 高強度鉄筋
３２ 普通鉄筋
４ 耐火材
５ 補強鉄筋（高強度鉄筋）

Claims (1)

1. 径高さ比が１５を超えるコンクリート硬化体と、
   前記コンクリート硬化体に配筋された主筋と、
   前記コンクリート硬化体の表面を被覆する耐火材と、を備える鉄筋コンクリート柱であって、
   前記主筋の両端部は、火災時に熱の影響を受けて降伏しない高強度鉄筋からなり、
   前記主筋の中央部は、前記高強度鉄筋に連結された普通鉄筋からなり、
   前記高強度鉄筋と前記普通鉄筋は、同一の鉄筋径を有していて、端面同士を突き合せた状態で摩擦圧接により連結されており、
   前記耐火材は、前記コンクリート硬化体の両端部を被覆していることを特徴とする、鉄筋コンクリート柱。

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