JP6883098B2 - 鉄骨鉄筋コンクリート柱 - Google Patents

Description

本発明は、概して、高層建築物のための鉄骨鉄筋コンクリート柱に関する。本発明は、そのような鉄骨鉄筋コンクリート柱のための鉄骨構造およびそのような鉄骨鉄筋コンクリート柱を含む高層建築物にさらに関する。

鉄骨鉄筋コンクリート柱は、鉄筋コンクリートに包まれた構造用形鋼を含む合成柱である。それらは、高層建築物で広く使用されており、それらの寸法のために「メガ柱」とも呼ばれている。コンクリートと形鋼との間の合成作用を利用することにより、合成柱の支持力は、通常、独立したコンクリートおよび形鋼の支持力の合計より大きい。

第１の種類の鉄骨鉄筋コンクリート柱は、現場で溶接によって組み立てられる重い鋼板からなる溶接鋼骨格を有する。そのような柱は、例えば、中国実用新案第２０４９１９９８８Ｕ号明細書で開示されている。この柱の鋼骨格は、柱の長手方向中心軸を中心とする十字形状の断面を含む。柱自体の断面は、正方形であり、鉄筋の籠が柱の４つのコーナーを補強する。現場で溶接によって組み立てられる重い鋼板からなる巨大な鋼製ケーソンとして鋼骨格を設計することも知られている。この鋼製ケーソンは、コンクリートで満たされ、かつ長手方向および短手方向の鉄筋で補強されたコンクリートに包まれる。

鉄骨鉄筋コンクリート柱において、開いた形鋼を閉じた形鋼と組み合わせることがさらに知られている。そのような柱は、例えば、中国実用新案第１０４４０５０８２Ｕ号明細書で開示されている。この柱は、十字形状の断面を有する。十字の各アームは、十字の中心を指すウェブを有する溶接されたＴ字形の形鋼を含む。柱の中心において、管状形鋼は、コンクリートに埋め込まれ、かつコンクリートで満たされる。

この第１の種類の鉄骨鉄筋コンクリート柱では、鋼骨格の設計は、コンクリートと鋼とが効率的に協働するように自由に設計することができる。しかしながら、そのような鋼骨格を構築することは、一般に、現場での重い構造用鋼に対する多くの溶接作業が必要であり、それは、費用および時間がかかり、品質問題を発生させることがある。

第２の種類の鉄骨鉄筋コンクリート柱は、独立した熱間圧延形鋼を含む。そのような柱は、例えば、中国実用新案第２０３１１３６２４Ｕ号明細書で開示されている。それに開示されている鉄骨鉄筋コンクリート柱は、正方形または長方形の断面を有し、Ｉ形鋼梁が柱のコーナーのそれぞれに配置される。これらのＩ形鋼梁のウェブは、長手方向および短手方向の鉄筋で補強されるコンクリートコアの対向する２辺に沿って配置される。柱が長方形断面である場合、４つのＩ形断面梁のウェブは、柱の短辺に沿って配置される。鉄筋環は、Ｉ形断面梁の対およびＩ形断面の配置全体を囲む。

この第２の種類の鉄骨鉄筋コンクリート柱は、現場での重い構造用鋼に対する多くの溶接作業を必要としないが、それらは、一般に、高い支持力を保証するためのコンクリートと形鋼との間の協働に関してあまり効率的でない。

現場での構築が容易であり、それにもかかわらず、コンクリートおよび鋼が高い支持力を保証するように効率的に協働する鉄骨鉄筋コンクリート柱を提案することが本発明の目的である。

本発明による高層建築物のための鉄骨鉄筋コンクリート柱は、コンクリート柱を通して長手方向に延在する複数の熱間圧延形鋼を含み、これらの形鋼のそれぞれは、コンクリート柱内で外側に向けられた外面を有する外側フランジと、コンクリート柱内で内側に向けられた外面を有する反対側の内側フランジと、外側フランジを内側フランジに接続する中央ウェブとを有する。好ましい熱間圧延形鋼は、例えば、ｐｒＥＮ１６８２８−２０１５、ＥＮ１００２５−２：２００４、１００２５−４：２００４によるＥｕｒｏｐｅａｎ ＨＥＡ、ＨＥＢもしくはＨＥＭビームまたはＡＳＴＭ Ａ６／Ａ６Ｍ−１４によるＡｍｅｒｉｃａｎ幅広フランジまたはＷビームなど、幅広フランジを有するＨ形鋼または上記の梁に類似もしくは一致する２つのフランジと中央ウェブとを有する他の熱間圧延形鋼である。鉄骨鉄筋コンクリート柱は、形鋼が延在する長手方向軸を有し、好ましくは、それにより、各形鋼の長手方向軸は、鉄骨鉄筋コンクリート柱の長手方向軸と平行である。

本発明の第１の態様によると、形鋼は、それらの内側フランジの外面が、ｎ角形を形成するｎ個の側面および横断面で中心コンクリートコアをその中で区切るようにコンクリート柱内に配置され、ｎは、少なくとも３に等しく、中心コンクリートコアのｎ個の側面のそれぞれは、少なくとも１つの形鋼の内側フランジの外面と同一平面である。ここで、「同一平面」は、中心コンクリートコアのそれぞれの側面と内側フランジの外面とが、当然のことながら内側フランジの外面の平面度の許容範囲内で同一平面であることを意味することが理解されるであろう。重要であるのは、内側フランジの外面が中心コンクリートコアの外側の境界を形成することである。したがって、通常、外側の鉄筋コンクリート層によって単独で保証される中心コンクリートコアの拘束は、形鋼の内側フランジの特定の配置によって改良される。ここで、「拘束」は、圧縮力下におけるコンクリートの短手方向への膨張の阻止を意味する。コンクリートコアの改良された拘束の結果として、鉄骨鉄筋コンクリート柱の支持力および延性を増加させる３Ｄ応力状態がコンクリートコアにおいて作り出される。ひび割れの拡大および成長は、軸方向に圧縮されたコンクリートコアで最小になる。拘束効果は、設計基準で（依然として）考慮されていないが、使用者にさらなる安全性を確実に提供することが留意される。要約すると、本発明は、熱間圧延形鋼によって現場で簡単に構築できる鉄骨鉄筋コンクリート柱を提案し、これらの断面は、高い支持力を提供するだけでなく、中心コンクリートコアの支持力も増加させる。

内側フランジによる中心コンクリートコアの拘束を改良するために、コンクリートコアのｎ個の側面のそれぞれの表面の好ましくは少なくとも３０％、より好ましくは少なくとも４０％、最も好ましくは少なくとも５０％は、１つまたは複数の形鋼の内側フランジの外面によって制限される。

さらに、柱内の２つの隣接する形鋼間の水平距離は、少なくとも数センチメートルであり、そのため、個々の形鋼のそれぞれは、コンクリートに十分に埋め込まれる。したがって、コンクリートコアのｎ個の側面のそれぞれの表面の最大９８％は、通常、１つまたは複数の形鋼の内側フランジの外面によって制限される。好ましい実施形態において、１つまたは複数の形鋼の内側フランジの外面によって制限されるコンクリートコアのｎ個の側面のそれぞれの表面のパーセンテージは、３０％〜９８％の範囲、より好ましくは３０％〜８０％または４０％〜８０％の範囲である。

中心コンクリートコアの側面が単一の形鋼の内側フランジの外面と同一平面である場合、この内側フランジは、好ましくは、中心コンクリートコアのこの側面の幅に対して中央に置かれる。内側フランジのこのような中央への配置により、中心コンクリートコアの良好な拘束および支持梁の柱への良好な接続がもたらされる。

２つ以上の形鋼の内側フランジの外面と同一平面である中心コンクリートコアの側面が存在する場合、提案された鉄骨鉄筋コンクリート柱の断面およびそれによるその支持力は、中心コンクリートコアの拘束を損なうことなく簡単に増加され得ることが理解されるであろう。

中心コンクリートコアの拘束を改良するために、中心コンクリートコアの側面がｍ個の形鋼の内側フランジの外面と同一平面であり、ｍが少なくとも２に等しい場合、中心コンクリートコアのこの側面に沿って配置される２つの連続する内側フランジ間の距離および中心コンクリートコアのこの側面を横に区切るコーナーとこのコーナーに最も近い内側フランジとの間の距離は、好ましくは、０．８×ｗ／（ｍ＋１）以下であり、好ましくは０．７×ｗ／（ｍ＋１）以下である。ここで、ｗは、この側面の幅であり、ｍは、この側面に沿って配置される形鋼の数である。

通常、内側フランジのすべては、同じ幅を有する。しかしながら、特別な場合、内側フランジは、異なる幅を有し得る。

通常、形鋼の内側フランジは、その外側フランジと同じ幅を有する。しかしながら、特別な場合、内側フランジは、外側フランジより幅が広いことができる。

通常、形鋼のすべては、同じ寸法を有する。しかしながら、特別な場合、異なる寸法の形鋼が同じ柱で使用され得る。

中心コンクリートコアが凸ｎ角形を形成する横断面を有する場合、中心コンクリートコアの優れた拘束が容易に実現され得る。しかしながら、中心コンクリートコアの各側面に沿って少なくとも１つの形鋼を配置することが可能である限り、中心コンクリートコアは、例えば、星形などの凹ｎ角形を形成する横断面を有し得ることは除外されない。（凸多角形は、すべての内角が１８０°より小さい多角形と定義される。凹多角形は、１８０°を超える角度を少なくとも１つ有する。）

多くの場合、中心コンクリートコアのｎ個の側面は、すべて同じ幅を有する。しかしながら、中心コンクリートコアのｎ個の側面が異なる幅を有し得ることは除外されない。これは、例えば、中心コンクリートコアが長方形の横断面を有する場合である。

この中心コアが、正多角形、すなわち等角（すべての角度の大きさが等しい）かつ等辺（すべての側面が同じ長さを有する）である多角形を形成する横断面を有する場合、中心コンクリートコアの優れた拘束が実現され得ることが理解されるであろう。しかしながら、建築上および／または構造上の制約（例えば、柱に接続される梁の支持方向）により、中心コンクリートコアに、等角ではなくかつ／または等辺ではない多角形を形成する横断面を与えることが示唆され得る。

同様に、中心コンクリートコアの拘束を改良するために、柱の長手方向中心軸が３６０°／ｎの回転対称の軸である配置を形鋼が形成する場合、それは、有利である。ここで、ｎは、中心コンクリートコアの側面の数である。

中心コンクリートコアの側面が単一の形鋼の内側フランジの外面と同一平面である場合、この形鋼のウェブが、そのような構造用鋼の用途に対する通常の許容範囲において、柱の長手方向軸を含む中央平面を有する場合に中心コンクリートコアの拘束も改良される。

各内側フランジは、好ましくは、中心コンクリートコアに貫入する複数のシアコネクタを含む。これらのシアコネクタは、形鋼および中心コンクリートコアの配置が複合体としてより効果的に作用する利点を提供し、それにより、偏心柱荷重によって引き起こされる曲げ応力に耐える鉄骨鉄筋コンクリート柱の能力が強く改良される。

形鋼のそれぞれは、追加的または代替的に、その外側フランジとその内側フランジとの間のコンクリートおよび／またはその外側フランジの外面を囲むコンクリートに貫入する複数のシアコネクタを含み得る。これらのシアコネクタは、形鋼および形鋼を包むコンクリートが複合体としてより効果的に作用する利点を提供する。

コンクリートは、一般に、長手方向および／または短手方向の鉄筋を含む。ここで、「鉄筋（ｒｅｂａｒ）」は、「鉄筋（ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｂａｒ）」の短縮形であり、コンクリートの張力を強化および保持するテンション装置として使用される鋼棒を指し、鉄筋の表面は、多くの場合、コンクリートとのより良好な結合を形成するためにパターン化されている。

好ましい実施形態において、コンクリートは、長手方向および短手方向の鉄筋から形成され、かつ形鋼の配置を取り囲む外側補強籠を含む。この外側コンクリート補強籠は、特に、形鋼を閉じ込める周囲のコンクリート層の外側の拘束を可能にする。それは、特に、軸方向圧縮力下でのこの周囲のコンクリート層の張り出しを阻止し、そのため、この周囲のコンクリート層は、より高い荷重まで鉄骨鉄筋コンクリート柱の支持力に寄与することができる。

外側補強籠は、有利には、長手方向鉄筋に接続された複数の閉環状鉄筋環を含む。これらの閉環状鉄筋環は、（圧力容器の円筒壁と同様に）重要な周囲の引張応力を吸収することが可能であることにより、軸方向に圧縮されたコンクリートで発生する短手方向の圧力に効率的に抵抗することが理解されるであろう。

コンクリートは、有利には、長手方向および短手方向の鉄筋から形成される内側補強籠を含み得、それは、中心コンクリートコアを取り囲むように外側フランジと内側フランジとの間に配置される。この内側コンクリート補強籠は、特に、中心コンクリートコアを直接囲む中間コンクリート層の拘束を提供する。それにより、軸方向圧縮力下においてこの中間コンクリート層で発生する短手方向圧力に抵抗し、そのため、この中間コンクリート層は、より高い荷重まで鉄骨鉄筋コンクリート柱の支持力に寄与することができる。

内側補強籠は、好ましくは、形鋼のウェブの貫通穴を通過する閉環状鉄筋環を含む。したがって、これらの環は、形鋼の配置から構造的に独立しており、それは、形鋼が変形にさらされるときに有利である。代替的に、内側補強籠は、鉄筋環の円弧状部分であって、それらの端部で形鋼のウェブに溶接された鉄筋環の円弧状部分を含む。構造的な観点からあまり有利ではないが、しかしながら、この代替的な実施形態は、形鋼のウェブに穴をあける必要がないという無視できない利点を有する。

好ましい実施形態において、鉄骨鉄筋コンクリート柱は、少なくとも２つの長手方向に離間された梁柱接続ノードを含む。そのような「梁柱接続ノード」は、例えば、高層建築物の床を支持する荷重支持梁をそれに接続するために特に備えられる鉄骨鉄筋コンクリート柱の特定の区域である。２つの連続する梁柱接続ノード間において、有利には、形鋼を相互接続する構造用鋼がないことが理解されるであろう。換言すれば、２つの連続する梁柱接続ノード間において、鉄骨鉄筋コンクリート柱の支持鉄骨構造は、単に柱を通して並列に延在する孤立した形鋼からなる。しかしながら、梁柱接続ノードでは、形鋼は、構造用鋼によって構造的に相互接続され得る。本明細書において、用語「構造用鋼」は、鉄骨構造で荷重支持または荷重移送部材として使用されるＨビーム、Ｉビーム、Ｔビーム、重いＵまたはＬ断面および重い鋼板などのさまざまな重い形鋼を示す。鉄筋は、これに関連して、構造用鋼に該当しない。２つの連続する梁柱接続ノード間に形鋼を相互接続する構造用鋼がないことにより、構造用鋼に対する現場での溶接作業は、特に柱の品質を改良し、かつ柱の構築を容易にするものに強く制限される。

好ましい実施形態において、鉄骨鉄筋コンクリート柱は、荷重支持梁をこの外側フランジに接続するために、少なくとも１つの形鋼の外側フランジ上に少なくとも１つの梁柱接続要素を含む。そのような梁柱接続要素は、例えば、梁のウェブをそれに溶接またはボルト留めするための外側フランジに堅固に取り付けられるＬ断面、ボルト留めされたエンドプレートの梁柱接続などを実現するように梁のエンドプレートを外側フランジに固定するための外側フランジのボルト穴などの構造用鋼要素を含み得る。梁柱接続は、好ましくは、堅固な梁柱接続である。

鉄骨鉄筋コンクリート柱は、丸いか、または卵形であるか、または別の曲線である断面を有し得るが、多角形断面も有し得る。本発明は、結果的に、柱の断面の設計についてかなりの構造上の自由を提供する。しかしながら、非常に興味深い実施形態は、中心コンクリートコアがｎ個の側面を有する場合、２ｎ個の側面を有する多角形断面を含むことが理解されるであろう。これらの２ｎ個の側面の１つおきの背後に形鋼の少なくとも１つの外側フランジの外面が配置される。そのような実施形態は、特に、形鋼を含まない突出したコンクリートコーナーを効率的に回避することを可能にすることが理解されるであろう。

本発明は、コンクリート柱を通して長手方向に延在するように配置される複数の熱間圧延形鋼を含む、高層建築物のための鉄骨鉄筋コンクリート柱のための鉄骨構造も提案する。これらの形鋼のそれぞれは、コンクリート柱内で外側に向けられた外面を有する外側フランジと、コンクリート柱の内側に向けられた外面を有する反対側の内側フランジと、外側フランジを内側フランジに接続するウェブとを有する。形鋼は、それらの内側フランジの外面が、ｎ角形を形成するｎ個の側面および横断面で中心コアボリュームを区切るように配置され、ｎは、少なくとも３に等しく、中心コアボリュームのｎ個の側面のそれぞれは、少なくとも１つの形鋼の内側フランジの外面と同一平面である。そのような鉄骨構造がコンクリートに包まれると直ちに、中心コンクリートコアは、形鋼の内側フランジによって閉じ込められるかまたは制限される。先に説明されたように、コンクリートコアの改良された拘束により、鉄骨鉄筋コンクリート柱の支持力および延性を増加させる３Ｄ応力状態がコンクリートコアにおいて作り出される。ひび割れの拡大および成長は、軸方向に圧縮されたコンクリートコアで最小になる。

そのような鉄骨構造は、通常、少なくとも２つの長手方向に離間された梁柱接続ノードであって、耐荷重梁をそれに接続するための少なくとも２つの長手方向に離間された梁柱接続ノードも含み、２つの連続する梁柱接続ノード間において、形鋼を相互接続する構造用鋼がない。梁柱接続ノードでは、形鋼は、構造用鋼によって構造的に相互接続され得る。２つの連続する梁柱接続ノード間において、形鋼を相互接続する構造用鋼がないことにより、構造用鋼に対する現場での溶接作業は、特に鉄骨構造の品質を改良し、かつ鉄骨構造の構築を容易にするものに強く制限される。

先に説明されたように、本発明は、少なくとも１つの鉄骨鉄筋コンクリート柱を含む高層建築物をさらに提案する。

この高層建築物は、通常、鉄骨鉄筋コンクリート柱の２つの連続する梁柱接続ノードにおいて、鉄骨鉄筋コンクリート柱によって支持される少なくとも２つの連続する床を含み、２つの連続する接続ノード間において、形鋼を相互接続する構造用鋼がない。

本発明の上記および他の機能、態様および利点は、本発明のいくつかの実施形態の以下の説明に関しておよび添付図面を参照することにより、よりよく理解されるであろう。

図１は、本発明による鉄骨鉄筋コンクリート柱の第１の実施形態の断面である。 図２は、本発明による鉄骨鉄筋コンクリート柱の第２の実施形態の断面である。 図３Ａは、本発明による鉄骨鉄筋コンクリート柱で使用される鋼コンクリート補強籠の第１の実施形態の立面図である。 図３Ｂは、図３Ａの鋼コンクリート補強籠の断面である。 図４Ａは、本発明による鉄骨鉄筋コンクリート柱で使用される鋼コンクリート補強籠の第２の実施形態の立面図である。 図４Ｂは、図４Ａの鋼コンクリート補強籠の断面である。 図５は、本発明による鉄骨鉄筋コンクリート柱で使用される形鋼の断面である。 図６は、本発明による鉄骨鉄筋コンクリート柱の第３の実施形態の断面である。 図７は、本発明による鉄骨鉄筋コンクリート柱の第４の実施形態の断面である。 図８は、本発明による鉄骨鉄筋コンクリート柱の第５の実施形態の断面である。 図９は、本発明による鉄骨鉄筋コンクリート柱の第６の実施形態の断面である。 図１０は、図２に示される鉄骨鉄筋コンクリート柱の断面であり、梁柱接続を示し、水平支持梁が鉄骨鉄筋コンクリート柱に取り付けられている。 図１１は、図１、２または６に示される柱の立面図であり、コンクリートおよびコンクリート補強筋は示されていない。

以下の説明および図面は、一例としておよび説明のために本発明の実施形態を説明することが理解されるであろう。それらは、特許請求される主題の範囲、性質または趣旨を限定するものではない。図面では、それぞれの実施形態における均等な要素に同一の参照番号が記載される。

図１は、本発明による鉄骨鉄筋コンクリート柱１０の第１の実施形態の断面を概略的に示す（「柱１０」という短縮形でも呼ばれる）。柱１０は、長手方向中心軸１２と外殻面（または外皮）１４とを含む。長手方向中心軸１２は、描画平面に垂直である。図１の柱において、外殻面１４は、円筒軸として長手方向中心軸１２を有する直円筒面である。したがって、図１の柱は、円形断面を有する。

Ｈ形断面を有する４つの熱間圧延形鋼１６_１、１６_２、１６_３、１６_４（以下で「形鋼１６_ｉ」（ｉ＝１、２、３、４）という短縮形でも呼ばれる）は、柱１０の長手方向中心軸１２に沿って長手方向に延在する。これらの柱梁１６_ｉのそれぞれは、内側に向けられた（すなわち長手方向中心軸１２に向けられた）略平面状の外面２０_ｉを有する内側フランジ１８_ｉと、外側に向けられた（すなわち柱１０の外殻面１４に向けられた）略平面状の外面２４_ｉを有する反対側の外側フランジ２２_ｉと、内側フランジ１８_ｉを外側フランジ２０_ｉに接続する中央ウェブ２６_ｉとを有する。ここで、各形鋼１６_ｉのウェブ２６_ｉの中央平面は、柱１０の長手方向中心軸１２を含む。

好ましい熱間圧延形鋼は、ｐｒＥＮ１６８２８−２０１５、ＥＮ１００２５−２：２００４、１００２５−４：２００４によるＥｕｒｏｐｅａｎ ＨＥＡ、ＨＥＢもしくはＨＥＭビームまたはＡＳＴＭ Ａ６／Ａ６Ｍ−１４によるＡｍｅｒｉｃａｎ幅広フランジまたはＷビームなど、幅広フランジを有するＨ形鋼または上記の梁に類似または一致する他の高温圧延Ｈ形鋼である。好適な形鋼の関連する機械的パラメータおよび鋼種は、例えば、Ｅｕｒｏｐｅａｎ ｓｔａｎｄａｒｄ ＥＮ １９９３−１−１：２００５の表３．１および３．２．６項に示されている。

４つの形鋼１６_ｉは、それらの内側フランジ１８_ｉの外面２０_ｉが、四角形を形成する４つの側面および横断面で中心コアボリューム２８をその中で区切るように柱１０内に配置される。参照番号３０は、図面の平面においてこの中心コアボリューム２８の外側限界を明確にし、外側限界は、図１において正方形の形態を有する。空間において、中心コアボリューム２８の外側限界（すなわち包絡面）は、４つの仮想平面によって定義され、これらの４つの仮想平面のそれぞれは、４つの内側フランジ１８_ｉの１つの外面２０_ｉと同一平面である。柱１０の長手方向中心軸１２は、中心コアボリューム２８の中心軸でもある。

コンクリート３２（概略的にドットパターンの塗りつぶしで表される）は、４つの形鋼１６_ｉを包み、かつまた４つの形鋼１６_ｉの内側フランジ１８_ｉの外面２０_ｉによって区切られる中心コアボリューム２８を満たす。結果的に、柱１０は、四角形、より詳細には正方形を形成する４つの側面および横断面を有する中心コンクリートコア２８’を含み、中心コンクリートコア２８’の４つの側面のそれぞれは、形鋼１６_ｉの１つの内側フランジの外面２０_ｉと同一平面である。

したがって、通常、外側の鉄筋コンクリート層によって単独で提供される中心コンクリートコア２８’の拘束は、形鋼１６_ｉの内側フランジ１８_ｉの特定の配置によって改良される。この拘束は、圧縮力下におけるコンクリートの短手方向への膨張を非常に効率的に阻止する。コンクリートコア２８’の改良された拘束の結果として、鉄骨鉄筋コンクリート柱１０の支持力および延性を増加させる３Ｄ応力状態がコンクリートコアにおいて作り出される。ひび割れの拡大および成長は、軸方向に圧縮されたコンクリートコアで最小になる。拘束効果は、設計基準で（依然として）考慮されていないが、使用者にさらなる安全性を確実にもたらすことが留意される。

熱間圧延形鋼を包み、かつ中心コアボリューム２８を満たすために使用される好適なコンクリートは、例えば、Ｅｕｒｏｐｅａｎ ｓｔａｎｄａｒｄ ＥＮ １９９２−１−１：２００４の表３．１または均等な他の基準に基づく。高張力鋼材料が形鋼のために使用される場合、高強度コンクリート材料も有することが推奨される。

中心コンクリートコア２８’の十分な拘束を実現するために、コンクリートコア２８’の４つの側面のそれぞれの表面の少なくとも３０％は、それぞれの形鋼１６_ｉの内側フランジ１８_ｉの外面２０_ｉによって制限される。図１において、内側フランジ１８_ｉのそれぞれは、中心コンクリートコア２８’のそれぞれの側面上の中央に配置され、かつこの側面の表面の約７８％を制限する。換言すれば、中心コンクリートコア２８’は、その周囲の表面３０の約７８％にわたって内側フランジ１８_ｉによって制限される。

図５を図１と組み合わせると、各内側フランジ１８_ｉは、好ましくは、その外面２０_ｉから突出する複数のシアコネクタ３４を含むことが理解されるであろう。これらのシアコネクタ３４は、中心コンクリートコアに２８’に深く貫入する。結果として、中心コンクリートコア２８’は、形鋼１６_ｉの４つの内側フランジ１８_ｉに完全に結合され、すなわち、コネクタは、フランジとコンクリートコアとのインタフェースで剪断応力を完全に伝達する。したがって、閉じ込められた中心コンクリートコア２８’の高い圧縮強さならびに形鋼１６_ｉの高い引張および圧縮強さを最大限に活用する鋼コンクリート合成柱１０が形成される。

図５に単独で示されるように、形鋼１６_ｉのそれぞれは、その外側フランジ２２_ｉとその内側フランジ１８_ｉとの間のコンクリート３２に貫入するシアコネクタ３６および／またはその外側フランジ２２_ｉの外面２４_ｉを囲むコンクリート３２に貫入するシアコネクタ３８をさらに含み得る。図面に示されるシアコネクタ３４、３６、３８のすべては、頭部のある剪断スタッドであるが、それらがそれぞれのコンクリートと鋼とのインタフェースで剪断応力を適切に伝達することが可能な限り、他の種類のシアコネクタの使用は除外されない。

図１において、参照番号４０は、コンクリート３２内で４つの形鋼１６_ｉを囲む外側補強籠を明確にする。そのようなコンクリート補強籠４０の好ましい実施形態は、図４Ａおよび４Ｂによって示され、その側面図が図４Ａに示され、その断面が図４Ｂに示される。この好ましい実施形態において、コンクリート補強籠４０は、柱１０を通って長手方向に延在する補強筋４２（長手方向鉄筋４２とも呼ばれる）と、閉環状補強環４４（閉環状鉄筋環とも呼ばれる）とを含む。閉環状補強環４４は、少なくとも１つの鉄筋から作られ、それは、円環の形状を有するように曲げられ、次いで鉄筋の２つの端部を一緒に溶接することによって環が閉じられる。閉環状補強環４４は、柱１０において好ましくは水平面と平行であり、長手方向中心軸１２上に配置されるそれらの中心を有し、好ましくは、溶接によりまたは代替的に例えば結束スチールワイヤもしくは機械式連結器などの機械的結合により、長手方向鉄筋４２のすべてまたは一部に固定される。鋼鉄筋の幾何学的および材料特性は、例えば、ＥＮ １９９２−１−１：２００４、ＥＮ １００８０の表６およびＥＮ １９９２−１−１：２００４の３．２．２．（３）項で定義されている。閉環状鉄筋環４４は、（圧力容器の円筒壁と同様に）周囲のかなりの引張応力を吸収することが可能であることにより、軸方向に圧縮されたコンクリート３２の破裂に効率的に抵抗することが理解されるであろう。図３Ａおよび３Ｂは、外側補強籠４０の代替的な実施形態を示す。本実施形態において、連続鉄筋４８は、長手方向鉄筋４２の周りで螺旋形に巻かれる。螺旋状連続鉄筋４８は、好ましくは、溶接によりまたは代替的に例えば結束スチールワイヤもしくは機械式連結器などの機械的結合により、長手方向鉄筋４２のすべてまたは一部に固定される。外側コンクリート補強籠４０は、形鋼１６_ｉを閉じ込める周囲のコンクリート層の外側の拘束を保証することが留意される。それは、特に軸方向圧縮力下でのこの周囲のコンクリート層の張り出しを阻止し、そのため、この周囲のコンクリート層は、より高い荷重まで鉄骨鉄筋コンクリート柱１０の支持力に寄与することができる。

参照番号５０は、中心コンクリートコア２８’を取り囲むように外側フランジ２２_ｉと内側フランジ１８_ｉとの間に配置される内側コンクリート補強籠を明確にする。この内側コンクリート補強籠５０の好ましい実施形態も図３Ａ、３Ｂおよび図４Ａ、４Ｂによって示される。外側補強籠４０と同様に、内側補強籠５０は、有利には、垂直補強筋５２（長手方向鉄筋５２とも呼ばれる）と、図４Ａおよび図４Ｂに示される閉環状補強環５４または図３Ａおよび図３Ｂに示される長手方向鉄筋５２の周りで螺旋形に巻かれる連続鉄筋５８とを含む。閉環状補強環５４および螺旋状連続鉄筋５８は、有利には、ウェブ２６_ｉにあけられた小さい穴を通過する。代替的に、ウェブ２６_ｉに穴をあけることを避けるために、閉環状補強環５４は、円の４つの円弧に置き換えられ得、これらの円弧のそれぞれの端部は、２つの隣接するウェブ２６_ｉに溶接される。内側コンクリート補強籠５０は、特に、中心コンクリートコア２８’を直接囲む中間コンクリート層の拘束を保証することが理解されるであろう。それにより、圧縮力下でコンクリートの短手方向への膨張を阻止し、そのため、この中間コンクリート層は、より高い荷重まで鉄骨鉄筋コンクリート柱１０の支持力に寄与することができる。

最も一般的なケースである、柱１０が２つの垂直な方向に従って配置される水平支持梁を支持しなければならない場合、図１に示される４つの形鋼１６_ｉが十字形状に配置された実施形態だけでなく、以下で説明される図２および６の実施形態も特に興味深いことが留意される。

図２の柱１０は、主に以下の特徴によって図１の柱１０と区別される。図２の柱１０は、（円形断面の代わりに）正方形断面を有し、その外殻面は、４つの平面状側面１４_ｉを含み、それは、基本的に４つの外側フランジ２２_ｉの外面２４_ｉと平行である。内側フランジ１８_ｉのそれぞれは、４辺の中心コンクリートコア２８’のそれぞれの側面の表面の約５２％を制限する。換言すれば、４辺の中心コンクリートコア２８’は、その周囲の表面３０の約５２％にわたって内側フランジ１８_ｉによって制限される。外側コンクリート補強籠４０’および内側コンクリート補強籠５０’は、正方形である閉じた補強環４４’を含む。鉄筋コーナーブラケット６０は、正方形の補強環４４’を補強し、それらは、軸方向圧縮力下でのコンクリート３２の張り出しへの抵抗により適している。しかしながら、正方形の補強環４４’を有する本実施形態は、コンクリート３２の張り出しの減少について、閉環状補強環４４を有する実施形態ほど効率的でないままである。

図６の柱１０は、主に以下の特徴によって図１の柱１０と区別される。図６の柱１０は、八角形の断面を有し、その外殻面は、８つの平面状側面１４_ｉを含み、そのうちの１つおきの側面は、基本的に４つの外側フランジ２２_ｉの１つの外面２４_ｉと平行である。内側フランジ１８_ｉのそれぞれは、中心コンクリートコア２８’のそれぞれの側面の表面の約５２％を制限する。換言すれば、中心コンクリートコア２８’は、その周囲の表面３０の約５２％にわたって内側フランジ１８_ｉによって制限される。閉環状補強環４４は、柱１０の八角形の区域に非常に適切に適合し、コンクリートが図２の柱よりもさらに適切に使用されることに留意されたい。

図７の柱１０は、主に以下の特徴によって図１の柱１０と区別される。図７の柱１０は、三角形の断面３０’を有する中心コンクリートコア２８’を閉じ込める３つの形鋼１６_ｉのみ含む。柱１０は、全体として、六角形の断面を有し、その外殻面は、３つの小さい平面状側面１４_１、１４_２、１４_３を含み、それは、基本的に３つの外側フランジ２２_ｉの外面２４_ｉと平行であり、３つの大きい平面状側面１４_４、１４_５、１４_６と交互になっている（ここで、「大きい」および「小さい」は、側面の幅に言及している）。内側フランジ１８_ｉのそれぞれは、中心コンクリートコア２８’の３つの側面の１つの表面の約７５％を覆う。外側コンクリート補強籠４０’’は、柱１０の六角形の断面と類似の輪郭を有する六角形の補強環４４’’を含む。そのような柱１０は、３つの異なる方向に従って配置される３つの横桁を支持しなければならない場合、特に興味深い（ここで、３つの方向は、１２０°の角度で互いに分割されている）。（図７に長手方向鉄筋が示されていないことが留意される。）

図８の柱１０は、主に以下の特徴によって図６の柱１０と区別される。図８の柱１０は、五角形の断面３０’’を有する中心コンクリートコア２８’を閉じ込める５つの形鋼１６_ｉを含む。柱１０は、全体として、十角形の断面を有し、その外殻面は、１０個の平面状側面１４_ｉを含み、そのうちの１つおきの表面は、基本的に５つの外側フランジ２２_ｉの１つの外面２４_ｉと平行である。内側フランジ１８_ｉのそれぞれは、中心コンクリートコア２８’のそれぞれの側面の表面の約９３％を覆う。換言すれば、中心コンクリートコア２８’は、その周囲の表面３０’’の約９３％にわたって内側フランジ１８_ｉによって制限される。そのような実施形態は、柱１０が５つの異なる方向に従って配置される５つの横桁を支持しなければならない場合、特に興味深い（ここで、５つの方向は、７２°の角度で分割されている）。（図８に長手方向鉄筋が示されていないことが留意される。）

図９の柱１０は、主に以下の特徴によって図２の柱１０と区別される。正方形の断面３０も有する中心コンクリートコア２８’の各側面に沿って形鋼１６_ｉ、１６’_ｉの対の内側フランジ１８_ｉ、１８’_ｉが配置される。２つの内側フランジ１８_ｉ、１８’_ｉは、中心コンクリートコア２８’のそれぞれの側面の表面の約８５％を制限する。そのような実施形態は、柱１０がその４つの側面のそれぞれの上の２つの平行な水平支持梁を支持しなければならない場合または特に強い鉄骨鉄筋コンクリート柱が必要とされる場合、特に興味深い。中心コンクリートコア２８’の側面に沿って２つ以上の形鋼１６_ｉの内側フランジ１８_ｉを配置することにより、市販の形鋼のフランジ幅の制限にもかかわらず、より大きいコンクリートコア２８’、結果的により大きい柱の設計が可能になる。

６つの形鋼を含み、中心コンクリートコアが２つの長辺および２つの短辺を有する矩形断面を有する、柱のさらなる実施形態（図示せず）では、２つの形鋼の内側フランジが２つの長辺のそれぞれに沿って配置され、１つの形鋼の内側フランジが２つの短辺のそれぞれに沿って配置される。そのような実施形態は、柱が第１の方向に沿った２つの平行な水平支持梁および第２の方向に従った単一の（または０個の）水平支持梁を支持しなければならない場合、特に興味深い。

図面に示されるすべての実施形態において、すべての形鋼１６_ｉは、同じ大きさを有し、内側フランジ、それぞれ同じ幅を有する外側フランジを有する。しかしながら、同じ鉄骨鉄筋コンクリート柱において、より小さいおよびより大きい形鋼１６_ｉ、内側フランジ、それぞれ異なる幅を有する外側フランジを有する形鋼１６_ｉを有することは除外されない。

図面に示されるすべての実施形態において、中心コンクリートコア２８’のｎ個の側面は、すべて同じ幅を有する。しかしながら、側面が異なる幅を有する中心コンクリートコアを有することは除外されない。これは、例えば、長方形の断面または非正多角形である断面を有する中心コンクリートコアの場合である。

図１、２、６、７および８の実施形態において、形鋼１６_ｉのそれぞれのウェブは、柱１０の長手方向中心軸１２を含む中央平面を有する。しかしながら、例えば図９に示されるように、これが必ずしも当てはまるわけではない。

図面に示されている柱は、円形、正方形、六角形、八角形または十角形の何れかの断面を有するが、本発明による柱は、例えば、長方形、十字形および卵形の断面、正または非正多角形である断面、曲線から構成される断面などを含む任意の種類の断面を有し得ることが理解されるであろう。

柱の断面は、高さとともに縮小し得ることがさらに理解されるであろう。そのような場合、中心コンクリートコアの断面も同じ割合で縮小し得、そのため、形鋼の内側フランジは、柱の長手方向中心軸と平行にしなくてもよい。

図１０は、図２に示される、より詳細にはいわゆる梁柱接続ノード７０における柱１０の断面であり、柱１０に沿った特定の垂直位置またはレベルにおいて、水平支持梁７２_ｉは、垂直柱１０の外側フランジ２２_ｉのそれぞれに固定される。そのような水平支持梁７２_ｉは、例えば、高層建築物で床を支持する。矢印７４は、接続ノード７０において、水平支持梁７２_ｉが柱１０の外側フランジ２２_ｉに接続されるのと同じレベルで、有利には内側フランジ１８_ｉを相互接続する任意選択の短手方向の構造用鋼を指す。

図１１は、図１、２または６に示される柱の立面図であり、コンクリートおよびコンクリート補強鋼は示されていない。この柱１０は、２つの連続する床を支持するための、図１０に示される少なくとも２つの長手方向に離間された梁柱接続ノード７０、７０’を含む。２つの長手方向に離間された梁柱接続ノード７０、７０’間において、形鋼１６_ｉを相互接続する構造用鋼がないことが認識されるであろう。換言すれば、柱１０の２つの長手方向に離間された接続ノード７０、７０’間において、形鋼１６_ｉは、鉄骨鉄筋コンクリート３２によって排他的に構造的に相互接続される。

本発明は、高層建築物のための鉄骨鉄筋コンクリート柱に関してさらに詳細に説明されたが、本発明による鉄骨鉄筋コンクリート柱は、例えば、巨大なホール、プラットフォーム、橋、鉄塔など、建築物ではない構造でも使用され得ることが理解されるであろう。

１０ 鉄骨鉄筋コンクリート柱
１２ １０の長手方向中心軸
１４ １０の外殻面
１４_ｉ １４の側面
１６_ｉ 熱間圧延形鋼
１８_ｉ １６_ｉの内側フランジ
２０_ｉ １８_ｉの外面
２２_ｉ １６_ｉの外側フランジ
２４_ｉ ２２_ｉの外面
２６_ｉ １６_ｉのウェブ
２８ ｎ辺の中心コアボリューム
２８’ ｎ辺の中心コンクリートコア（＝コンクリートで満たされた２８）
３０ ２８の外側限界（＝２８’の周囲表面）
３２ コンクリート
３４ シアコネクタ
３６ シアコネクタ
３８ シアコネクタ
４０ 外側補強籠
４２ 垂直補強筋（垂直鉄筋）
４４ 閉環状補強環
４４’ 閉じた正方形の補強環
４６ ４０のメッシュ
４８ 螺旋状連続鉄筋
５０ 内側補強籠
５２ 垂直補強筋
５４ 閉環状補強環
５８ 螺旋状連続鉄筋
６０ コーナーブラケット
７０、７０’ １０の梁柱接続ノード
７２_ｉ 水平支持梁
７４ １８_ｉを相互接続する短手方向の構造用鋼

Claims (27)

1. 高層建築物のための鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記コンクリート柱を通して長手方向に延在する複数の熱間圧延形鋼を含み、前記形鋼のそれぞれは、前記コンクリート柱内で外側に向けられた外面を有する外側フランジと、前記コンクリート柱内で内側に向けられた外面を有する反対側の内側フランジと、前記外側フランジを前記内側フランジに接続する中央ウェブとを有し、
   前記形鋼は、それらの内側フランジの前記外面が、ｎ角形を形成するｎ個の側面および横断面で中心コンクリートコアをその中で区切るように前記コンクリート柱内に配置され、ｎは、少なくとも３に等しく、前記中心コンクリートコアの前記ｎ個の側面のそれぞれは、少なくとも１つの形鋼の前記内側フランジの前記外面と同一平面であり、および
   前記鉄骨鉄筋コンクリート柱は、前記形鋼が延在する長手方向軸を有し、それにより、各形鋼の前記長手方向軸は、前記鉄骨鉄筋コンクリート柱の前記長手方向軸と平行であることを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
2. 請求項１に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記コンクリートコアの前記ｎ個の側面のそれぞれの表面の少なくとも３０％は、１つまたは複数の形鋼の前記内側フランジの前記外面によって制限されることを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
3. 請求項１または２に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記中心コンクリートコアの側面が単一の形鋼の前記内側フランジの前記外面と同一平面である場合、前記内側フランジは、前記中心コンクリートコアの前記側面の幅に対して中央に置かれることを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記内側フランジのすべては、同じ幅を有することを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記形鋼のすべては、同じ寸法を有することを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記中心コンクリートコアは、凸ｎ角形を形成する横断面を有することを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記中心コンクリートコアは、正多角形を形成する横断面を有することを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記中心コンクリートコアの前記ｎ個の側面は、すべて同じ幅を有することを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、長手方向軸を有し、前記中心コンクリートコアの側面が単一の形鋼の前記内側フランジの前記外面と同一平面である場合、前記対応する形鋼の前記ウェブは、前記柱の前記長手方向軸を含む中央平面を有することを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記形鋼は、前記柱の前記長手方向中心軸が回転対称の軸である配置を形成することを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
11. 請求項１乃至１０の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、各内側フランジは、前記中心コンクリートコアに貫入する複数のシアコネクタを含むことを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
12. 請求項１乃至１１の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記形鋼のそれぞれは、その外側フランジとその内側フランジとの間のコンクリートおよび／またはその外側フランジの前記外面を囲むコンクリートに貫入する複数のシアコネクタを含むことを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
13. 請求項１乃至１２の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記コンクリートは、長手方向および／または短手方向の鉄筋を含むことを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
14. 請求項１乃至１３の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記コンクリートは、長手方向および短手方向の鉄筋から形成され、かつ前記形鋼の配置を取り囲む外側補強籠を含むことを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
15. 請求項１４に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記外側補強籠は、前記長手方向鉄筋に接続された複数の閉環状鉄筋環を含むことを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
16. 請求項１乃至１５の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記コンクリートは、前記中心コンクリートコアを取り囲むように前記外側フランジと前記内側フランジとの間に配置される内側補強籠を含むことを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
17. 請求項１６に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記内側補強籠は、前記形鋼の前記ウェブの貫通穴を通過する複数の閉環状鉄筋環を含むことを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
18. 請求項１６に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、前記内側補強籠は、鉄筋環の円弧状部分であって、それらの端部で前記形鋼の前記ウェブに溶接された鉄筋環の円弧状部分を含むことを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
19. 請求項１乃至１８の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、少なくとも２つの長手方向に離間された梁柱接続ノードであって、荷重支持梁をそれに接続するための少なくとも２つの長手方向に離間された梁柱接続ノードをさらに含み、
    ２つの連続する梁柱接続ノード間において、前記形鋼を相互接続する構造用鋼がないことを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
20. 請求項１乃至１９の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、少なくとも１つの形鋼の前記外側フランジ上に少なくとも１つの梁柱接続要素を含むことを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
21. 請求項１乃至２０の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、丸いか、または卵形であるか、または概して曲線である断面を有することを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
22. 請求項１乃至１８の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、多角形断面を有することを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
23. 請求項２２に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱において、２ｎ個の側面を有する多角形断面を有することを特徴とする鉄骨鉄筋コンクリート柱。
24. 請求項１乃至２３の何れか１項に記載の鉄骨鉄筋コンクリート柱の鉄骨構造において、前記鉄骨構造を通して長手方向に延在するように配置される複数の熱間圧延形鋼を含み、それにより、前記鉄骨鉄筋コンクリート柱内において、各形鋼の前記長手方向軸は、前記鉄骨鉄筋コンクリート柱の前記長手方向軸と平行であり、前記形鋼のそれぞれは、前記鉄骨構造内で外側に向けられた外面を有する外側フランジと、前記鉄骨構造内で内側に向けられた外面を有する反対側の内側フランジと、前記外側フランジを前記内側フランジに接続するウェブとを有し、
    前記形鋼は、それらの内側フランジの前記外面が、ｎ角形を形成するｎ個の側面および横断面で中心コアボリュームを区切るように配置され、ｎは、少なくとも３に等しく、前記中心コアボリュームの前記ｎ個の側面のそれぞれは、少なくとも１つの形鋼の前記内側フランジの前記外面と同一平面であり、および前記中心コアボリュームは、前記鉄骨鉄筋コンクリート柱の前記中心コンクリートコアを区切ることを特徴とする鉄骨構造。
25. 請求項２４に記載の鉄骨構造において、少なくとも２つの長手方向に離間された梁柱接続ノードであって、荷重支持梁をそれに接続するための少なくとも２つの長手方向に離間された梁柱接続ノードをさらに含み、
    ２つの連続する梁柱接続ノード間において、前記形鋼を相互接続する構造用鋼がないことを特徴とする鉄骨構造。
26. 高層建築物において、請求項１乃至２３の何れか１項に記載の少なくとも１つの鉄骨鉄筋コンクリート柱を含むことを特徴とする高層建築物。
27. 請求項２６に記載の高層建築物において、前記鉄骨鉄筋コンクリート柱の２つの連続する梁柱接続ノードにおいて、前記鉄骨鉄筋コンクリート柱によって支持される少なくとも２つの連続する床を含み、
    前記梁柱接続ノードのそれぞれにおいて、前記形鋼は、構造用鋼によって構造的に相互接続され、および
    ２つの連続する接続ノード間において、前記形鋼を相互接続する構造用鋼がないことを特徴とする高層建築物。

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