JP6912330B2

JP6912330B2 - 鋼製柱

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Publication number: JP6912330B2
Application number: JP2017174992A
Authority: JP
Inventors: 前田　珠希; 珠希前田; 岡崎　浩徳; 浩徳岡崎
Original assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Current assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2037-09-12
Also published as: JP2019052416A

Description

この発明は、閉鎖断面形状を有する外側鋼製柱内に内側鋼製柱が設けられた二重構造の鋼製柱に関する。

特許文献１には、柱の強度を高めるために、外殻鋼管と内部鋼管とを備え、コンクリートが充填されたコンクリート充填二重鋼管柱が開示されている。

特開２０１７−６１８２０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された鋼製柱は、コンクリートが充填されたコンクリート充填二重鋼管柱であり、コンクリート充填による現場での作業負担が大きいという欠点がある。

ここで、例えば、断面積の異なる外側鋼管と内側鋼管による二重鋼管柱を製作した場合、これら外側鋼管と内側鋼管が負担する軸圧縮力は断面積比で決定される。しかしながら、上記外側鋼管と内側鋼管とでは内側鋼管の細長比が長くなり、外側鋼管と内側鋼管の高さが同じとした場合、上記断面積比で軸圧縮力を負担すると、上記内側鋼管が先行して座屈することになり、このような二重鋼管柱の軸圧縮耐力は、単体で軸圧縮力を受けた場合の軸圧縮耐力の足し合わせよりも小さくなる欠点がある。

この発明は、上記の事情に鑑み、外側鋼製柱と内側鋼製柱による二重構造の鋼製柱における軸圧縮耐力を向上させることを課題とする。

この発明の鋼製柱は、上記の課題を解決するために、閉鎖断面形状を有する外側鋼製柱内に内側鋼製柱が設けられており、上記外側鋼製柱の上端位置よりも上記内側鋼製柱の上端位置が低くされ、上記外側鋼製柱の上端に設けられた柱頭プレートと上記内側鋼製柱の上端との間に鉛直クリアランスが形成されていることを特徴とする。

上記の構成であれば、当該鋼製柱に掛かる軸圧縮力は先ず外側鋼製柱によって受け止められ、この外側鋼製柱において縮み(変形)が生じる。そして、その後に上記内側鋼製柱が軸圧縮力を受けることになるため、この内側鋼製柱が先行して座屈するのを防止できる。これにより、当該鋼製柱の軸圧縮耐力を、上記外側鋼製柱と上記内側鋼製柱とが単体で軸圧縮力を受ける場合の軸圧縮耐力の足し合わせ値に近づけることができる。また、外側鋼製柱内へのコンクリート充填は不要であり、現場での作業負担を軽減することができる。

所定の軸圧縮力が上記外側鋼製柱に掛かることで当該外側鋼製柱が縮んで上記柱頭プレートが上記内側鋼製柱の上端位置に至る間隔を上記鉛直クリアランスとし、上記所定の軸圧縮力は、当該所定の軸圧縮力を加味した上記外側鋼製柱と上記内側鋼製柱の負担軸力比が、上記外側鋼製柱と上記内側鋼製柱の短期許容圧縮応力比に略一致するように決定されてもよい。これによれば、当該鋼製柱の軸圧縮耐力を、上記外側鋼製柱と上記内側鋼製柱とが単体で軸圧縮力を受ける場合の軸圧縮耐力の足し合わせ値と同等にできる。

上記外側鋼製柱の内面と上記内側鋼製柱の外面との間の水平クリアランスを一定に保つ水平スペーサを備えてもよい。これによれば、上記外側鋼製柱と上記内側鋼製柱の中心を一致させるように鋼製柱を製作することが容易になる。

上記柱頭プレートを上記外側鋼製柱に固定する際に上記内側鋼製柱の上端と上記柱頭プレートとの鉛直クリアランスを保持する一方で上記外側鋼製柱が縮む際に変形できる鉛直スペーサを備えてもよい。これによれば、上記柱頭プレートと上記内側鋼製柱の上端との間の鉛直クリアランスを正確に確保して鋼製柱を製作することが容易になる。

上記鉛直スペーサが上記内側鋼製柱と上記柱頭プレートとの間に介在する構造では、上記鉛直スペーサの圧縮変形時の厚さを考慮して上記鉛直クリアランスを設定するようにしてもよい。

上記鉛直スペーサは、上記外側鋼製柱の内面と上記内側鋼製柱の外面との間の水平クリアランスを一定に保つ水平スペーサ部を備えてもよい。

上記鉛直スペーサは板材の折り曲げ加工によって上記水平スペーサ部を一体的に備えてもよい。

本発明であれば、外側鋼製柱と内側鋼製柱による二重構造の鋼製柱における軸圧縮耐力を向上できるという効果を奏する。

本発明の実施形態に係る鋼製柱を示した説明図である。図１の鋼製柱の下側構造を示した説明図である。図２の下側構造で用いられている水平スペーサを示した立体図である。図１の鋼製柱の上側構造を示した図であって、同図（Ａ）は概略の横断面図であり、同図（Ｂ）は概略の縦断面図である。図４の上側構造で用いられている鉛直スペーサを示した図であって、同図（Ａ）は側面図であり、同図（Ｂ）は立体図である。図１の鋼製柱に軸圧縮力がかかったときの当該鋼製柱の縮み現象を示した説明図である。鉛直スペーサの他の例を示した図であって、同図（Ａ）は側面図であり、同図（Ｂ）は立体図である。図７の鉛直スペーサを用いた鋼製柱に軸圧縮力がかかったときの当該鋼製柱の縮み現象を示した説明図である。鋼製柱の試験装置の概略構成を示した説明図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、この実施形態にかかる鋼製柱１は、閉鎖断面形状を有する角形鋼管からなる外側鋼製柱２内に、同じく閉鎖断面形状を有する角形鋼管からなる内側鋼製柱３を設けてなる。上記外側鋼製柱２の断面積Ａ（外）は、上記内側鋼製柱３の断面積Ａ（内）よりも小さいものとなる。

また、上記内側鋼製柱３は、上記外側鋼製柱２よりも長さが短くされており、上記外側鋼製柱２の上端位置よりも上記内側鋼製柱３の上端位置は低くなっている。そして、上記外側鋼製柱２の上端に溶接によって固定された柱頭プレート４と上記内側鋼製柱３の上端との間には、鉛直クリアランスＧが形成されている。上記外側鋼製柱２および上記内側鋼製柱３としては、例えば、住宅で用いられる６０〜２００ｍｍ角程度の角形鋼管とすることができる。

上記鉛直クリアランスＧは、所定の軸圧縮力（荷重）Ｃが上記柱頭プレート４（外側鋼製柱２）に掛かったときに、上記外側鋼製柱２が縮んで解消されるように設定している。すなわち、上記外側鋼製柱２は上記所定の軸圧縮力Ｃを負担したところで、上記内側鋼製柱３が軸圧縮力の負担を開始するようにしている。

ここで、断面積の異なる上記外側鋼製柱２と上記内側鋼製柱３とによる鋼製柱１を製作した場合、上記外側鋼製柱２と上記内側鋼製柱３が負担する軸圧縮力は断面積比で決定される。一方、上記外側鋼製柱２と上記内側鋼製柱３とでは上記内側鋼製柱３の方が細長比は長くなる。

上記外側鋼製柱２の負担軸力をＮｃ(外)とし、上記内側鋼製柱３の負担軸力をＮｃ(内)とすると、Ｎｃ(外)：Ｎｃ(内)＝Ａ（外）：Ａ（内）が成り立つ。しかし、上記外側鋼製柱２と上記内側鋼製柱３とでは上記内側鋼製柱３の方が細長比は長くなるため、上記外側鋼製柱２の短期許容圧縮応力をＮｙ(外)とし、上記内側鋼製柱３の短期許容圧縮応力をＮｙ(内)とすると、Ｎｃ(内)／Ｎｃ(外)＞Ｎｙ(内)／Ｎｙ(外)となってしまう。

そこで、上記所定の軸圧縮力Ｃが上記外側鋼製柱２に掛かることで当該外側鋼製柱２が縮んで上記柱頭プレート４が上記内側鋼製柱３の上端位置に至る間隔を上記鉛直クリアランスＧとする場合、上記所定の軸圧縮力Ｃは、当該軸圧縮力Ｃを加味した上記外側鋼製柱２と上記内側鋼製柱３の負担軸力比[Ｎｃ(内)／（Ｎｃ(外)＋Ｃ）]が、上記外側鋼製柱と上記内側鋼製柱の短期許容圧縮応力比[Ｎｙ(内)／Ｎｙ(外)]に略一致するように決定される。ここに、上記外側鋼製柱２および上記内側鋼製柱３が住宅で用いられる６０〜２００ｍｍ角程度の角形鋼管とする場合、上記鉛直クリアランスＧは、２〜５ｍｍ程度、望ましくは、２〜４ｍｍ程度に設定される。また、上記所定の軸圧縮力Ｃは、例えば、２５ｔ〜１５０ｔ（２４５ｋＮ〜１４７０ｋＮ）とされる。

上記の構成であれば、当該鋼製柱１に掛かる軸圧縮力は先ず外側鋼製柱２によって受け止められ、この外側鋼製柱２において縮み(変形)が生じる。そして、その後に上記内側鋼製柱３が軸圧縮力を受けることになるため、この内側鋼製柱３が先行して座屈するのを防止することができる。これにより、当該鋼製柱１の軸圧縮耐力を、上記外側鋼製柱２と上記内側鋼製柱３とが単体で軸圧縮力を受ける場合の軸圧縮耐力の足し合わせ値に近づけること、または同等にすることができ、当該鋼製柱１における強度を向上させることができる。なお、この例では、上記内側鋼製柱３についても閉鎖断面としたが、これに限らず、Ｈ形鋼や十字形鋼とすることもできる。

図２に示すように、上記鋼製柱１には下部側にベースプレート５が設けられており、上記外側鋼製柱２と上記内側鋼製柱３の各々の下端は、上記ベースプレート５上に溶接によって固定されている。この鋼製柱１の作製手順においては、例えば、上記内側鋼製柱３の下端を上記ベースプレート５に溶接した後、上記外側鋼製柱２を上記内側鋼製柱３に外嵌し、この外側鋼製柱２の下端を上記ベースプレート５上に溶接することができる。この実施形態では、上記鋼製柱１は、上記外側鋼製柱２の内面と上記内側鋼製柱３の外面との間の４か所の水平クリアランスを一定に保つべく４個の水平スペーサ６を備えている。

上記水平スペーサ６は、例えば、１枚の薄い金属板を折り曲げてなるものであり、図３にも示すように、上記内側鋼製柱３の外面に接する接触部位６１と、上記外側鋼製柱２の内面に接する接触部位６２とを有することで、上記水平クリアランスを一定に保つようになっている。すなわち、上記水平クリアランスが一定に保たれることで、鋼製柱１の下端側において、上記外側鋼製柱２の中心と上記内側鋼製柱３の中心とが同じ位置に保たれることになる。

上記接触部位６１を上記内側鋼製柱３の外面に接着等により固定しておくと、上記外側鋼製柱２を上記内側鋼製柱３に外嵌する際、上記水平スペーサ６が上記外側鋼製柱２に当たって上記内側鋼製柱３から離脱するのを防止できる。また、上記水平スペーサ６には、外側に向けて下り傾斜する傾斜部６３が設けられており、外嵌される上記外側鋼製柱２が上記傾斜部６３によって下方に円滑に案内される。さらに、上記水平スペーサ６は、上記接触部位６１の下方に空間を形成し、上記接触部位６１が溶接部位に接しないようにしている。

また、上記鋼製柱１は、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、その上部位置において鉛直スペーサ７を各側面部上（４か所）に備えている。各鉛直スペーサ７は、上記内側鋼製柱３の上端と上記柱頭プレート４との鉛直クリアランスＧを保持する。

また、図５（Ａ）および図５（Ｂ）にも示すように、上記鉛直スペーサ７は、上記鉛直クリアランスＧを保持するための第１部位７１を備えている。この第１部位７１は、上記内側鋼製柱３の上端に載る横Ｕ字部７１ａと立ち上げ部７１ｂとからなる。上記立ち上げ部７１ｂの上端が上記柱頭プレート４の下面に接し、上記横Ｕ字部７１ａの下面部が上記内側鋼製柱３の上端に接する。

また、上記鉛直スペーサ７は、上記外側鋼製柱２の内面と上記内側鋼製柱３の外面との間の水平クリアランスを一定に保つ第２部位７２（水平スペーサ部）を備えている。上記第２部位７２の横幅により、鋼製柱１の上端側において上記水平クリアランスが一定に保たれる。上記水平クリアランスが一定に保たれることで、鋼製柱１の上端側において、上記外側鋼製柱２の中心と上記内側鋼製柱３の中心が同じ位置に保たれる。上記第２部位７２の横幅は、上記立ち上げ部７１ｂのほぼ真下に位置する立ち上げ部７２ａと、上記内側鋼製柱３の上端の外側面に接する立ち上げ部７２ｂとにより規定される。なお、上記第２部位７２（水平スペーサ部）は、上記内側鋼製柱３の傾倒等で生じる圧縮によって変形することのないように形成される。また、上記第２部位７２は、１枚の薄い金属板の折り曲げ加工によって上記鉛直スペーサ７に一体的に形成されており、この一体形成によって、水平スペーサ部付きの鉛直スペーサ７を安価に作製することができる。

上記鉛直スペーサ７を備える鋼製柱１においては、図６に示すように、上記外側鋼製柱２の上端に上記柱頭プレート４を溶接する際に、上記内側鋼製柱３の上端と上記柱頭プレート４との鉛直クリアランスＧを正確に確保することができる。なお、この場合において、上記外側鋼製柱２や上記内側鋼製柱３の切断加工精度により、上記外側鋼製柱２の上端面と上記柱頭プレート４の下面との間に隙間が生じることがあるが、このような隙間が生じたまま、上記溶接を行う。また、軸圧縮力が上記柱頭プレート４（外側鋼製柱２）に掛かったときには、上記外側鋼製柱２は縮むが、この外側鋼製柱２が縮む際に、上記鉛直スペーサ７は圧縮力を受けて変形することができる。ここで、圧縮変形した上記鉛直スペーサ７の一部が上記内側鋼製柱３の上端と上記柱頭プレート４との間に介在する場合、実際に得られる鉛直クリアランスＧが上記介在する部分の厚みによって小さくなる。この場合、上記介在する部分の厚みを考慮して上記鉛直クリアランスＧを設定することができる。

また、図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、Ｚ板状の鉛直スペーサ７Ａを用いることが可能である。この鉛直スペーサ７Ａは、上記鉛直クリアランスＧを保持するための第１部位７５を備えている。この第１部位７５は、水平部７６ａの外側端から立ち上がる立ち上げ部７５ａからなり、上記水平部７６ａの上面が上記内側鋼製柱３の上端と面一とされた状態で上記鉛直クリアランスＧを規定する。また、上記鉛直スペーサ７Ａは、上記外側鋼製柱２の内面と上記内側鋼製柱３の外面との間の水平クリアランスを一定に保つ第２部位７６（水平スペーサ部）を備えている。この第２部位７６は、上記水平部７６ａと、この水平部７６ａの内側端から垂下された垂下部７６ｂとからなる。この垂下部７６ｂを、上記内側鋼製柱３の上端の外面に接着等により固定しておくことができる。上記第２部位７６の横幅は、上記垂下部７６ｂから上記水平部７６ａの外側端に至る距離となり、この距離によって上記水平クリアランスが規定される。

上記鉛直スペーサ７Ａを備える鋼製柱１においては、図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示すように、軸圧縮力が上記柱頭プレート４（外側鋼製柱２）に掛かったときには、上記外側鋼製柱２は縮むが、この外側鋼製柱２が縮むことで、上記鉛直スペーサ７が圧縮変形する。圧縮変形した上記Ｚ板状の鉛直スペーサ７Ａは、上記内側鋼製柱３の上端と上記柱頭プレート４との間に介在しないように変形することができる。このように、上記鉛直スペーサ７が上記内側鋼製柱３の上端と上記柱頭プレート４との間に介在しない場合、上記鉛直クリアランスＧを設定することにおいて上記介在する部分の厚みを考慮する必要がなくなる。

以下に、鋼製柱の軸圧縮耐力の試験結果を表１に示す。この試験では、図９に示すように、柱頭および柱脚に６ｍｍ厚さの鋼鈑の上下プレート（柱頭プレート、ベースプレート）を固定した全長２６００ｍｍの鋼製柱とし、また、内側鋼製柱として６０ｍｍ×６０ｍｍ×肉厚６ｍｍの角形鋼管を用い、外側鋼製柱として８０ｍｍ×８０ｍｍ×肉厚５．７ｍｍの角形鋼管を用いた。そして、本願発明にかかる検証鋼製柱（二重鋼管（内側２ｍｍ短））では、内側鋼製柱の長さを外側鋼製柱よりも２ｍｍ短くしており、比較鋼製柱（二重鋼管（内側と外側が同じ））では、内側鋼製柱の長さと外側鋼製柱の長さを同じにしている。また、試験装置として２０００ｋＮアムスラーを用いて単調圧縮を行い、柱頭側および柱脚側に配した玉座の回転中心はほぼ柱端部となるようにしている。

上記表１のなかで、「ＮＯ．１」は第１回目の試験結果であり、「ＮＯ．２」は第２回目の試験結果であり、「二重鋼管平均」は第１回目の試験結果と第２回目の試験結果の平均値であり、「単体実験値の和Ｐ＋」は内側鋼製柱（単体）および外側鋼製柱（単体）の第１回目の試験結果の総和であり、「二重鋼管/単体和」は、「二重鋼管平均」を「単体実験値の和Ｐ＋」で割った値である。上記表１から分かるように、本願発明にかかる検証鋼製柱（二重鋼管（内側２ｍｍ短））は比較鋼製柱（二重鋼管（内側と外側が同じ））よりも高い最大圧縮耐力を有し、また、「単体実験値の和Ｐ＋」よりも高い最大圧縮耐力を有することが分かる。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

１：鋼製柱
２：外側鋼製柱
３：内側鋼製柱
４：柱頭プレート
５：ベースプレート
６：水平スペーサ
７：鉛直スペーサ
７Ａ：鉛直スペーサ
６１：接触部位
６２：接触部位
６３：傾斜部
７１：第１部位
７１ａ：横Ｕ字部
７１ｂ：立ち上げ部
７２：第２部位（水平スペーサ部）
７２ａ：立ち上げ部
７２ｂ：立ち上げ部
７５：第１部位
７５ａ：立ち上げ部
７６：第２部位（水平スペーサ部）
７６ａ：水平部
７６ｂ：垂下部
Ｇ：クリアランス

Claims

閉鎖断面形状を有する外側鋼製柱内に内側鋼製柱が設けられており、上記外側鋼製柱の上端位置よりも上記内側鋼製柱の上端位置が低くされ、上記外側鋼製柱の上端に設けられた柱頭プレートと上記内側鋼製柱の上端との間に鉛直クリアランスが形成されていることを特徴とする鋼製柱。
請求項１に記載の鋼製柱において、所定の軸圧縮力が上記外側鋼製柱に掛かることで当該外側鋼製柱が縮んで上記柱頭プレートが上記内側鋼製柱の上端位置に至る間隔を上記鉛直クリアランスとし、上記所定の軸圧縮力は、当該所定の軸圧縮力を加味した上記外側鋼製柱と上記内側鋼製柱の負担軸力比が、上記外側鋼製柱と上記内側鋼製柱の短期許容圧縮応力比に略一致するように決定されることを特徴とする鋼製柱。
請求項１または請求項２に記載の鋼製柱において、上記外側鋼製柱の内面と上記内側鋼製柱の外面との間の水平クリアランスを一定に保つ水平スペーサを備えることを特徴とする鋼製柱。
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の鋼製柱において、上記柱頭プレートを上記外側鋼製柱に固定する際に上記内側鋼製柱の上端と上記柱頭プレートとの鉛直クリアランスを保持する一方で上記外側鋼製柱が縮む際に変形できる鉛直スペーサを備えることを特徴とする鋼製柱。
請求項４に記載の鋼製柱において、上記鉛直スペーサが上記内側鋼製柱と上記柱頭プレートとの間に介在する構造では、上記鉛直スペーサの圧縮変形時の厚さを考慮して上記鉛直クリアランスが設定されることを特徴とする鋼製柱。
請求項４または請求項５に記載の鋼製柱において、上記鉛直スペーサは、上記外側鋼製柱の内面と上記内側鋼製柱の外面との間の水平クリアランスを一定に保つ水平スペーサ部を備えることを特徴とする鋼製柱。
請求項６に記載の鋼製柱において、上記鉛直スペーサは板材の折り曲げ加工によって上記水平スペーサ部を一体的に備えることを特徴とする鋼製柱。