JP7117766B2 - Ｃｆｔ構造物の製造方法及びｃｆｔ構造物 - Google Patents

Description

本発明は建築構造物に用いられるＣＦＴ構造物の製造方法、及び当該製造方法によって得られるＣＦＴ構造物に関する。

従来、鉄骨造（Ｒ造）、鉄筋コンクリート造（ＲＣ造）、鉄骨鉄筋コンクリート造（ＳＲＣ造）、そして上記に続く第４の構造となるコンクリート充填鋼管構造（ＣＦＴ造）が用いられている。当該ＣＦＴ造は、中空層を有する鋼管柱の内部にコンクリートを充填した複合構造となっている。

本来、コンクリートは優れた耐圧縮力を有するが、反面、引張力には弱く、また一定以上の圧縮力が加えられると急激に破損する特徴を有する。一方、鋼管柱は優れた耐引張力を有するが、圧縮力には弱く、座屈が発生すると当該鋼管柱が折れ曲がる恐れがある。ＣＦＴ造は、コンクリートと鋼管柱との相反する特徴を組み合わせることにより、互いの短所を補完する相互拘束効果を発現し、優れた強度、剛性及び変形抵抗等を兼ね備えたものである。

更に、ＣＦＴ造では、工場で製作し現場で組み付けた鋼管柱の内部にコンクリートの充填を行うため、現場で鉄筋や型枠を構成したうえでコンクリートを打設するＲＣ造やＳＲＣ造と比較し、作業工数を低減することができる。これにより、大幅な省力化と工期の短縮が可能であることに加え、コンクリート打設用型枠に用いる合板や鋼材の使用を抑制できるため、環境に対する負荷も低減される。

また、ＣＦＴ造では、複数の鋼管柱を略直線状に接合して所望の長さに構成し、更に当該鋼管柱に通しダイアフラムや内ダイアフラムを溶接して補強及び剛性の向上を行うのが主流である。例えば、特許文献１（特開２０１１－２４１６５２号公報）には、ダイアフラムの形状に創意工夫を凝らし、コンクリートの充填をより確実に行うことができるＣＦＴ柱用鋼管が開示されている。当該ＣＦＴ柱用鋼管では、ダイアフラムに設けられたコンクリート通過用の開口に十字状の横架材が設けられており、横架材によって開口を通過するコンクリートの一時的な乾燥被覆を破壊して流動性を高めることにより、ダイアフラム下面近傍等に空気溜まりが発生することを防止することができる、としている。

特開２０１１－２４１６５２号公報

しかしながら、上記従来のＣＦＴ造及び特許文献１に記載されたＣＦＴ柱用鋼管では、鋼管柱同士及び鋼管柱とダイアフラムとの接合が一般的な溶融溶接で行われるため、鋼管柱の材質によっては溶接部の機械的特性が著しく低下してしまう。また、鋼管柱の材質として、溶接性に乏しい鋼（例えば、炭素含有量が多い中高炭素鋼等）を用いることが困難である。その結果、高い強度及び信頼性が要求される建築構造物を安価に製造する必要がある場合、従来のＣＦＴ造を採用することができなかった。

更に、ダイアフラムは、鋼管柱に応力が発生する箇所、例えば他部材（梁等）が固定される位置や、鋼管柱同士の継手位置近傍等の、部分的に強度が低下する位置に配設されるが、当該ダイアフラムの接合工程は鋼管柱同士の接合とは別途行う必要があり、ＣＦＴ造の製造に長時間を要することに加え、工程が煩雑化してしまう。

以上のような状況に鑑み、本発明の目的は、鋼管柱及びダイアフラムが本来有する機械的性質を十分に活用できるＣＦＴ構造物、及びその効率的かつ簡便な製造方法を提供することにある。

本発明者は上記目的を達成すべく、鋼管柱とダイアフラムの接合方法等について鋭意研究を重ねた結果、これら被接合材を適当に配置し、摩擦攪拌接合を用いて接合すること等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。

（１）即ち、本発明は、
第一鋼管柱と第二鋼管柱とがダイアフラムを介して接合されたＣＦＴ構造物の製造方法であって、
前記第一鋼管柱の一方の端面と、前記第二鋼管柱の一方の端面と、を対向させて当接させ、
該当接部にダイアフラムを配設し、摩擦攪拌接合により前記第一鋼管柱と前記第二鋼管柱と前記ダイアフラムとを一体的に接合すること、
を特徴とするＣＦＴ構造物の製造方法、を提供する。

本発明のＣＦＴ構造物の製造方法は、摩擦攪拌接合を用いて第一鋼管柱と、第二鋼管柱と、ダイアフラムと、を固相接合するため、接合時の温度制御を容易に行うことができる。よって上記鋼管柱及びダイフラムの接合部に対する過剰な入熱を抑え、接合に起因する機械的特性の低下を好適に抑制することが可能である。

更に、摩擦攪拌溶接を用いることにより、従来の溶融溶接では溶接が困難な鋼材の接合が可能となるため、例えば中炭素鋼や高炭素鋼等で形成した鋼管柱及びダイアフラムを用いてＣＦＴ構造物を構成することができる。従来と比較して多種多様な材料を用いたＣＦＴ構造物の製造が可能となるため、設計的な制限が緩和され、より自由度の高い建築物等のより安価な創造に寄与することができる。なお、本発明の対象となるＣＦＴ構造物は従来公知の種々のＣＦＴ構造物を含み、例えば、鋼管柱の内部に鉄筋が挿入された鉄筋入りＣＦＴ（ＣＦＴ－Ｒ）等を含むものである。また、本発明のＣＦＴ構造物の製造方法で用いる鋼管柱及びダイアフラムの材質は特に限定されず、従来公知の種々の鋼材等を用いることができ、例えば、ＳＮ規格やＳＭ規格に記載の鋼材を使用することができる。

（２）また、本発明のＣＦＴ構造物の製造方法は、
前記ダイアフラムを内ダイアフラムとし、
前記第一鋼管柱、前記第二鋼管柱及び前記内ダイアフラムをＴ字接合ことが好ましい。

このような手法を用いる本発明のＣＦＴ構造物の製造方法では、第一鋼管柱と、第二鋼管柱と、の当接部において、中空層側から当該当接部全周に当接する内ダイアフラムが配置される。このため、摩擦攪拌接合時に第一鋼管柱及び第二鋼管柱の接合部が中空層側から内ダイアフラムにより支持され、裏板を配置せずとも摩擦攪拌接合を行うことができる。また、摩擦攪拌接合前にコンクリートの充填を行えば、該コンクリートが内ダイアフラムと共に中空層側から第一鋼管柱及び第二鋼管柱の接合部を支持するため、より確実かつ容易に摩擦攪拌接合を行うことが可能となる。更に、第一鋼管柱、第二鋼管柱及び内ダイアフラムが、一度の摩擦攪拌接合で同時に接合されることから、接合工程の大幅な簡略化にも好適に寄与することができる。

ＣＦＴ構造物においては鋼管柱の内部にコンクリートを充填する必要があるが、本発明のＣＦＴ構造物の製造方法では、（２）の接合前又は後に、前記第一鋼管柱及び／又は第二鋼管柱の内部にコンクリートを充填することができる。なお、一般的なＣＦＴ構造物の製造方法では鋼管柱及びダイアフラムを接合し、密閉性を確保した後にコンクリートを充填するが、接合の前にコンクリートを充填して硬化させることで、当該コンクリートが被接合材を支持し、摩擦攪拌接合をより容易に達成することができる。

（３）また、本発明のＣＦＴ構造物の製造方法は、
前記ダイアフラムを外ダイアフラム又は通しダイアフラムとし、
前記第一鋼管柱及び第二鋼管柱の内部にコンクリートを充填した後、前記ダイアフラムと前記第一鋼管柱と第二鋼管柱とを隅肉接合することが好ましい。

このような手法を用いる本発明のＣＦＴ構造物の製造方法によって、内ダイアフラムを備えるＣＦＴ構造物と同様に、接合工程の簡略化と、鋼管柱及びダイアフラムにおける機械的特性の維持と、種々の材料で形成された鋼管柱及びダイアフラムへの対応と、が実現されたＣＦＴ構造物を製造することができる。

（４）また、本発明のＣＦＴ構造物の製造方法は、更に、（１）～（３）の摩擦攪拌接合を、鋼管柱外部を移動するロボットにより自動化することが好ましい。

鋼管柱に沿って昇降自在な摩擦攪拌接合装置を用いて接合を行うことで、接合工程の自動化を容易に達成することができる。ここで、当該摩擦攪拌接合装置の構成及び仕様等は本発明の効果を損なわない限りにおいて限定されないが、例えば、鋼管柱の外周を覆うことができる環状の本体部の内側に、昇降用の駆動部、摩擦攪拌接合用ツール及び当該ツールの位置制御機構と回転機構等を有する摩擦攪拌接合装置を用いることができる。

摩擦攪拌接合時にツールに印加される反力は、環状の本体部によって受け止めることができ、ツールのみ又は本体部を被接合領域に沿って移動させることで摩擦攪拌接合を達成することができる。なお、摩擦攪拌接合は再現性の高い接合方法であり、ＴＩＧ溶接等の溶融溶接と比較して接合工程の自動化に適している。

建築構造物の高層化に伴って高所での溶接作業が増加しているところ、不安定な高所における溶接作業は容易ではない。加えて、溶融溶接で得られる接合部の品質は、風や湿度によっても大きく影響される。これに対し、自動化された摩擦攪拌接合にてＣＦＴ構造の組み立てを行うことで、信頼性の高い接合部を安定して得ることができる。

（５）また、本発明は、
閉鎖型の断面形状を有しかつ内部が中空に構成された少なくとも２本の鋼管柱と、
少なくとも１枚のダイアフラムと、
コンクリートと、から構成され、
前記鋼管柱それぞれの端面同士が対向して当接し、該当接部の外部又は双方の当接部間に前記ダイアフラムが配設され、摩擦攪拌接合により一方の前記鋼管柱の外部側面と前記ダイアフラムの上面が接合し、他方の前記鋼管柱の外部側面と前記ダイアフラムの下面が接合し、これにより前記鋼管柱と前記ダイアフラムとが一体的に構成され、更に前記鋼管柱の内部に前記コンクリートを充填して成ること、
を特徴とするＣＦＴ構造物も提供する。

このような構成を有する本発明のＣＦＴ構造物は、摩擦攪拌接合を用いて第一鋼管柱と、第二鋼管柱と、ダイアフラムと、が固相接合されるため、鋼管柱及びダイアフラムの機械的特性が活かされ、高い信頼性及び強度を備えることができる。

（６）また、本発明のＣＦＴ構造物においては、
前記ダイアフラムが、前記鋼管柱同士の当接部の内側に配設されることが好ましい。

このような構成を有する本発明のＣＦＴ構造物は、内ダイアフラムを備えた構造を有し、ダイアフラムと鋼管柱とが効率的かつ強固に接合されたものである。

（７）また、本発明のＣＦＴ構造物は、更に、
前記第一鋼管柱及び第二鋼管柱が、略矩形又は略円形の断面形状であることが好ましい。

このような構成を有する本発明のＣＦＴ構造物は、摩擦攪拌接合を比較的容易に行うことができることに加え、一般的な構造用鋼管を用いて構成することができる。

本発明によれば、各鋼材の機械的特性を十分に活用し、優れた強度及び信頼性を有するＣＦＴ構造物、及びその効率的な製造方法を提供することができる。

本実施形態のＣＦＴ構造物１の製造方法における工程図である 第一工程（Ｓ０１）を示す図であって、図２（ａ）は、配置後の第一鋼管柱３、第二鋼管柱５、及び内ダイアフラム７の位置関係を示す模式図であり、図２（ｂ）は、第一鋼管柱３及び第二鋼管柱５の当接部を示す部分拡大図である。 第二工程（Ｓ０２）を示す模式図である。 第三工程（Ｓ０３）を示す模式図であって、図４（ａ）は、圧入工法を示す模式図であり、図４（ｂ）は、落とし込み充填工法を示す模式図である。 第一鋼管柱１０３、第二鋼管柱１０５、及び外ダイアフラム１０７の配置を示す図であって、図５（ａ）は、第一鋼管柱１０３、第二鋼管柱１０５、及び外ダイアフラム１０７の位置関係を示す模式図であり、図５（ｂ）は、第一鋼管柱１０３、第二鋼管柱１０５、及び外ダイアフラム１０７の当接部を示す部分拡大図である。 摩擦攪拌接合の状態を示す模式図である。 第一鋼管柱２０３、第二鋼管柱２０５、及び通しダイアフラム２０７の配置を示す図であって、図７（ａ）は、第一鋼管柱２０３、第二鋼管柱２０５、及び通しダイアフラム２０７の位置関係を示す模式図であり、図７（ｂ）は、第一鋼管柱２０３、第二鋼管柱２０５、及び通しダイアフラム２０７の当接部を示す部分拡大図である。 摩擦攪拌接合の状態を示す模式図である。

以下、本発明のＣＦＴ構造物及びその製造方法における好適な一実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、本発明の一実施形態を示すに過ぎず、これらによって本発明が限定されるものではなく、また、重複する説明は省略することがある。

１．摩擦攪拌接合を用いて製造するＣＦＴ構造物１の製造方法
本実施形態のＣＦＴ（Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｆｉｌｌｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｔｕｂｅ）構造物１（本明細書では、「コンクリート充填鋼管構造」とも称する）の製造方法は、優れた圧縮強度及び引張強度を兼ね備えたＣＦＴ構造の工法を改善し、より優れた特性を付与するものである。

図１は、本実施形態のＣＦＴ構造物１の製造方法に関する工程図である。一般的にＣＦＴ構造物は、柱や梁等の主要構造部、及び筋交い等の構造耐力上主要な部分に用いられているが、本実施形態では柱を製造する工程を代表例として説明する。本実施形態のＣＦＴ構造物の製造方法は、概ね基礎側に位置する第一鋼管柱、内ダイアフラム、及び上方側に位置する第二鋼管柱を配置する第一工程（Ｓ０１）と、第一鋼管柱、内ダイアフラム、及び第二鋼管柱を摩擦攪拌接合する第二工程（Ｓ０２）と、接合後の第一鋼管柱及び第二鋼管柱の内部にコンクリートを充填する第三工程（Ｓ０３）と、から構成されている。以下、これら各工程について詳細に説明する。

１－１．第一鋼管柱、第二鋼管柱及び内ダイアフラムの配置工程（Ｓ０１：第一工程）
図２（ａ）及び（ｂ）に、第一鋼管柱３、第二鋼管柱５、及び内ダイアフラム７の配置関係を表した模式図を示す。第一工程（Ｓ０１）は、柱を構成する第一鋼管柱３と、第二鋼管柱５と、内ダイアフラム７と、を所定の位置に配置し、位置決めを行う工程である。

第一鋼管柱３及び第二鋼管柱５は、略矩形及び略円形の閉鎖状断面を有する内部に中空層１１を備えた一般構造用鋼管であって、例えば鍛接鋼管や電縫鋼管等を用いることができる。第一鋼管柱３及び第二鋼管柱５は、構成する柱の設計に応じた断面寸法及び長さ寸法とすることができ、板厚は３ｍｍ～１００ｍｍとすることが好ましく、６ｍｍ～４０ｍｍとすることがより好ましい。なお、本実施形態では、第一鋼管柱３と、第二鋼管柱５と、は同じ断面形状を有し、長さ寸法のみが相違し、第一鋼管柱３が基礎側、第二鋼管柱５が上方側に配置される。

内ダイアフラム７は、鋼製の金属プレートであって、上記第一鋼管柱３及び第二鋼管柱５の内部で鋼管柱の軸に対して略直交配置可能な平面形状を有する板状部品である。内ダイアフラム７の形状について、より具体的には、第一鋼管柱３及び第二鋼管柱５における中空層１１の断面と同様の平面形状を備え、更に、構成する柱に接続される梁及び筋交い等から発生する応力に応じて板厚を３ｍｍ～１００ｍｍとすることが好ましく、６ｍｍ～４０ｍｍとすることがより好ましい。ここで、板厚６ｍｍの鋼板であれば比較的安価なＳｉ_３Ｎ_４ツールや超硬合金ツール等を用いて摩擦攪拌接合することが可能であり、例えば、ｐｃ－ＢＮツールを用いることで、板厚４０ｍｍの厚鋼板を摩擦攪拌接合することができる。また、内ダイアフラム７には後述する第三工程（Ｓ０３）時に、第一鋼管柱３及び第二鋼管柱５の中空層１１全体にコンクリート９を充填するためのコンクリート打設孔１３が備わっている。

第一鋼管柱３、第二鋼管柱５、及び内ダイアフラム７の配置は、まず柱を構成する位置、例えばあらかじめ形成した基礎に対して第一鋼管柱３を立設して略鉛直に建込み、所定の方法で当該基礎に固定した後、当該第一鋼管柱３の中空層１１内に内ダイアフラム７を挿入しつつ、第二鋼管柱５を第一鋼管柱３の上方に配置する。

上記配置についてより具体的には、第一鋼管柱３の上方に位置する端面に、第二鋼管柱５の一方の端面を対向させつつ双方を当接し、更に中空層１１に挿入した内ダイアフラム７の平面と、双方の鋼管の軸と、を略直交にしつつ、該内ダイアフラム７を第一鋼管柱３と、第二鋼管柱５と、の上記当接部に配置する。図２（ｂ）に示すとおり、内ダイアフラム７の四方の端面は第一鋼管柱３及び第二鋼管柱５の内部側面に対して確実に当接していることが重要である。ここで、鋼管柱内における内ダイアフラム７を接合する際の位置決め方法は特に限定されず、従来公知の種々の方法を用いればよい。例えば、鋼管柱内の四隅にリブを設け、当該リブの上面に内ダイアフラムを配置することで正確な位置決めが可能である。

１－２．摩擦攪拌接合工程（Ｓ０２：第二工程）
第二工程（Ｓ０２）は、第一工程（Ｓ０１）で配置した第一鋼管柱３、第二鋼管柱５、及び内ダイアフラム７を摩擦攪拌接合により一体的に接合する工程である。

図３に、摩擦攪拌接合時における回転ツール５１近傍の模式図を示す。第二工程の摩擦攪拌接合では、接合部に回転ツール５１を位置決めし、適当な接合条件で摩擦攪拌接合を行うことが可能な摩擦攪拌接合装置を用いる。なお、現場ではなく工場における鋼管柱の製造時に当該接合を行う場合は、鋼管接合用の一般的な摩擦攪拌接合装置を用いて接合を行ってもよい。

摩擦攪拌接合条件は、概ね使用する回転ツール５１の形状、ツール回転速度（ｒｐｍ）、接合速度（ｍｍ／ｍｉｎ）、及び接合加重（ｋｇｆ）等を適宜調整し、上記第一鋼管柱３、第二鋼管柱５、及び内ダイアフラム７それぞれの材質及び板厚寸法に応じて決定することが好ましい。回転ツール５１の材質は、例えば、タングステンカーバイト（ＷＣ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等からなる超硬合金、コバルト（Ｃｏ）基合金、タングステン（Ｗ）合金、イリジウム（Ｉｒ）等の高融点金属及びその合金、またはＳｉ_３Ｎ_４及びｐｃ－ＢＮ等のセラミックスからなるものとすることができる。

図３に示すとおり、摩擦攪拌接合時は回転ツール５１を回転させつつ、第一鋼管柱３と、第二鋼管柱５と、の端面の突合せ位置に当該回転ツール５１の先端に設けられた突起部（プローブ）５３を挿入し、更に当該突起部５３の先端近傍を内ダイアフラム７の端面に接近又は挿入し、双方の鋼管の当接部に沿って外部側面を移動させることによりＴ字接合を行う。なお、突起部（プローブ）５３の挿入位置は良好な接合部が形成されるように適宜調整すればよいが、内ダイアフラム７の端面を突き抜けることが好ましい。

なお、第一鋼管柱３及び第二鋼管柱５が略円形の断面形状を有する場合は、摩擦攪拌接合条件及び回転ツール５１の消耗具合等により適宜接合パス数を決定すればよいが、第一鋼管柱３及び第二鋼管柱５が略矩形の断面形状を有する場合は、各面の幅を考慮して接合パス数を決定することが好ましい。

一般的に、摩擦攪拌接合は被接合材を突合せた状態、又は重ねた状態で当該被接合材に回転ツールを押し当てて接合するため、本来は被接合材を支持するための裏板が必要になる。しかしながら、本実施形態におけるＣＦＴ構造物１の製造方法では、第一鋼管柱３と第二鋼管柱５との当接部において、中空層１１側から当該当接部全周に当接する内ダイアフラム７が配置されている。このため、第一鋼管柱３及び第二鋼管柱５の接合部が当該内ダイアフラム７により中空層１１側から支持され、裏板を配置せずとも摩擦攪拌接合を達成することができる。

また、従来の溶融溶接であれば、第一鋼管柱３、第二鋼管柱５及び内ダイアフラム７を一体的に接合する場合、第一鋼管柱３と第二鋼管柱５とは双方の鋼管外部側面の溶接、また第一鋼管柱３及び第二鋼管柱５と内ダイアフラム７とは双方の鋼管内部側面の溶接となるため、それぞれ順次行わなければならなかったが、摩擦攪拌接合を用いたＴ字接合を行うことにより、第一鋼管柱３、第二鋼管柱５及び内ダイアフラム７を同時に接合できることから、上記裏板の省略と合わせて接合工程を簡略化することが可能となる。

また、摩擦攪拌接合は固相接合であることから、接合温度が低温であると共に当該接合温度の制御が可能であり、一般的な溶融溶接と比較して継手特性が良好となる。このため、接合部に対する過剰な入熱を抑制し、第一鋼管柱３、第二鋼管柱５及び内ダイアフラム７の機械的特性を維持したＣＦＴ構造物１を製造することができる。

更に、摩擦攪拌溶接を用いることにより、従来の溶融溶接では溶接が困難な鋼材の接合が可能となるため、例えば中炭素鋼及び高炭素鋼等で形成した第一鋼管柱３、第二鋼管柱５及び内ダイアフラム７を用いてＣＦＴ構造物１を製造することができる。よって、本実施形態におけるＣＦＴ構造物１の製造方法を用いることにより、多種多様な材料を用いてＣＦＴ構造物１を製造することが可能となるため、設計的な制限が緩和され、より自由度の高い建築構造物等のより安価な創造に寄与することができる。なお、上記中炭素鋼及び高炭素鋼の炭素含有量は、０．２～１．２質量％とすることが好ましく、０．４５～１．０質量％とすることがより好ましい。炭素含有量が０．２質量％以上となると溶融溶接が困難であるが、摩擦攪拌接合を用いることで良好な接合部を形成することができる。また、炭素含有量を０．２質量％以上とすることで鋼材の強度を十分に高くすることができ、１．２質量％以下とすることで鋼材の靭性及び信頼性を担保することができる。

１－３．コンクリート充填工程（Ｓ０３：第三工程）
第三工程（Ｓ０３）は、第二工程（Ｓ０２）で接合した第一鋼管柱３、第二鋼管柱５の中空層１１にコンクリート９を充填する工程である。図４（ａ）及び（ｂ）にコンクリート９の充填工法を表した模式図を示す。

ＣＦＴ構造物１の性能は、第一鋼管柱３及び第二鋼管柱５の内部に充填するコンクリート９の品質に大きく左右される。ＣＦＴ構造に用いられるコンクリート９は、一般的に打設されるものと比較して１回の打設高さが高く、またＣＦＴ構造物１の階層が複数になると連続的に打設されるため、鋼管内で均質かつ隙間のない充填と、設計に応じた強度発現を保証する調合及び充填工法とする必要がある。

コンクリート９についてより具体的には、ブリーディング及び沈降を抑え、流動性が高く、分離のない調合を行うことが好ましい。また、所定の品質を得るため、必要に応じて受け入れ検査（調合管理強度の管理試験）として通常のフレッシュコンクリート試験の他、水セメント比を測定し、早期強度判定を行うことが望ましい。

コンクリート９の充填工法は、概ね鋼管柱の下方から該鋼管の内部全体にコンクリートを圧入する圧入工法と、鋼管柱の上方の端面から内部下方にコンクリートを充填する落とし込み充填工法と、のいずれかを用いて行うことが好ましい。

圧入工法を用いてコンクリート９を充填する場合、 図４（ａ）に示すとおり、第一鋼管柱３の側面下部近傍に別途コンクリート圧入孔１５を設け、コンクリート圧入孔１５にコンクリートポンプ車等の圧送配管５７を接続し、連続的にコンクリート９を中空層１１に圧入することで第一鋼管柱３及び第二鋼管柱５の内部全体に充填を行う。

また、落とし込み充填工法を用いてコンクリート９を充填する場合、図４（ｂ）に示すとおり、第二鋼管柱５の上方の端面開口から中空層１１にトレミー管５５等を挿入し、更にトレミー管５５の先端部を内ダイアフラム７のコンクリート打設孔１３を介して第一鋼管柱３の最下部近傍まで降下させる。当該状態から、コンクリート９を放出しつつ徐々にトレミー管５５を上方に引き上げ、第一鋼管柱３から第二鋼管柱５の順で下方から上方に向かって中空層１１全体にコンクリート９を充填する。

一度の打設が高くなる場合、コンクリート９の重量による側圧や圧入工法を用いた場合の圧送圧が鋼管柱に作用するため、鋼管柱側面の膨張及び過度な応力の作用により、当該鋼管柱に亀裂が発生する恐れがある。このため、鋼管柱の強度等を考慮して上記打設工法の選択、及び打設高さを検討することが好ましい。

また、コンクリート９の充填時、中空層１１内部に空隙が発生すると、硬化後のコンクリート強度が低下する恐れがある。特に、内ダイアフラム７の接合位置近傍は当該空隙が発生しやすいため、コンクリート９の流動性及び充填速度を最適化して確実に充填を行うことが好ましい。

なお、上述では当該コンクリート９を充填する第三工程（Ｓ０３）を第二工程（Ｓ０２）後に行う例を説明したが、例えば一度の打設高さが低い場合は第二工程（Ｓ０２）前に実施してもよい。この場合、中空層１１にコンクリート９が充填された状態で摩擦攪拌接合を行うことになるため、当該コンクリート９が内ダイアフラム７と共に中空層１１側から接合部を支持し、より確実に接合を行うことができる。

上記第三工程（Ｓ０３）でコンクリート９を充填した後、例えば２８日程度の養生期間を確保して当該コンクリート９が所定の設計強度に達するまで待機する。以上により、本実施形態におけるＣＦＴ構造物１の製造方法を用いた製造工程が完了する。

２．外ダイアフラムを備えるＣＦＴ構造物、及び通しダイアフラムを備えるＣＦＴ構造物の製造方法
上述にて内ダイアフラム７を備えたＣＦＴ構造物１の製造方法を説明したが、本発明は外ダイアフラム１０７を備えるＣＦＴ構造物１０１、及び通しダイアフラム２０７を備えるＣＦＴ構造物２０１の製造方法も提供することができる。以下、外ダイアフラム１０７を備えるＣＦＴ構造物１０１、及び通しダイアフラム２０７を備えるＣＦＴ構造物２０１の製造方法について説明する。

なお、外ダイアフラム１０７を備えるＣＦＴ構造物１０１、及び通しダイアフラム２０７を備えるＣＦＴ構造物２０１の製造工程は、上述した内ダイアフラム７を備えるＣＦＴ構造物１の製造工程と全体の流れは概ね同様となるため、主として異なる部分について説明する。

２－１．外ダイアフラム１０７を備えるＣＦＴ構造物１０１の製造方法
ＣＦＴ構造物１０１は、概ね第一鋼管柱１０３と、第二鋼管柱１０５と、外ダイアフラム１０７と、からされ、当該第一鋼管柱１０３及び第二鋼管柱１０５は、内ダイアフラム７を備えるＣＦＴ構造物１と同様の鋼管柱を用いることができる。

外ダイアフラム１０７は、上記第一鋼管柱１０３及び第二鋼管柱１０５の外周部で、鋼管柱の軸に対して略直交かつ襟巻状に配置可能な平面形状を有する板状部品である。外ダイアフラム１０７の形状についてより具体的には、略矩形又は略円形の平面形状を有し、略中央に第一鋼管柱１０３及び第二鋼管柱１０５の断面形状と略同様の鋼管挿通孔１２１（図示せず）を備え、鋼管挿通孔１２１に第一鋼管柱１０３及び第二鋼管柱１０５を挿通可能な特徴を有している。

図５（ａ）及び（ｂ）に、第一鋼管柱１０３、第二鋼管柱１０５及び外ダイアフラム１０７の配置関係を表した模式図を示す。図５（ａ）及び（ｂ）に示すとおり、柱を構成する位置（基礎等）に第一鋼管柱１０３を立設して略鉛直に建込み、第一鋼管柱１０３の上方に位置する端部を外ダイアフラム１０７の鋼管挿通孔１２１に挿通する。続いて第一鋼管柱１０３の上方に位置する端面に、第二鋼管柱１０５の一方の端面を対向させつつ当接し、更に当該当接部に外ダイアフラム１０７を配置する。

図６に、摩擦攪拌接合時における回転ツール１５１近傍の模式図を示す。図６に示すとおり、第一鋼管柱１０３、第二鋼管柱１０５及び外ダイアフラム１０７の摩擦攪拌接合は、第一鋼管柱１０３の外部側面と外ダイアフラム１０７の下面部との入隅部、及び第二鋼管柱１０５の外部側面と外ダイアフラム１０７の上面部との入隅部の接合を行うため、当該入隅部と略同様の形状を有し、回転ツール１５１の先端部を挿入可能な貫通孔を有する固定部に回転ツール１５１（又は回転ツール１５１先端のプローブ部）を挿入して摩擦攪拌接合を施すことが好ましい。なお、ツール回転速度（ｒｐｍ）、接合速度（ｍｍ／ｍｉｎ）、及び接合加重（ｋｇｆ）は、上記第一鋼管柱１０３、第二鋼管柱１０５、及び内ダイアフラム１０７それぞれの材料及び板厚寸法等に応じて適宜決定すればよい。

摩擦攪拌接合は、接合部の裏面側が中空層１１１であるため、裏面側からの支持が十分には得られない状態となるが、鋼管柱の材料及び板厚寸法と、摩擦攪拌条件と、を最適化することで接合を達成することができる。また、接合前にコンクリート９を中空層１１１に充填すれば、当該コンクリート９が接合部を裏面側から支持し、より簡便に摩擦攪拌接合を行うことができる。なお、第二鋼管柱１０５の外部側面と外ダイアフラム１０７の上面部との入隅部の接合は、回転ツール１５１の当接方向のみが相違するものであり、その他手順は同様である。

２－２．通しダイアフラム２０７を備えるＣＦＴ構造物２０１の製造方法
ＣＦＴ構造物２０１は、概ね第一鋼管柱２０３と、第二鋼管柱２０５と、通しダイアフラム２０７と、から構成され、当該第一鋼管柱２０３及び第二鋼管柱２０５は、内ダイアフラム７を備えるＣＦＴ構造物１と同様の鋼管柱を用いることができる。

通しダイアフラム２０７は、上記第一鋼管柱２０３及び第二鋼管柱２０５の間に配置される板状部品である。当該通しダイアフラム２０７の形状についてより具体的には、略矩形又は略円形の平面形状を有し、かつ略中央にコンクリート打設孔２１３を備えている。

図７（ａ）及び（ｂ）に、第一鋼管柱２０３、第二鋼管柱２０５及び通しダイアフラム２０７の配置関係を表した模式図を示す。図７（ａ）及び（ｂ）に示すとおり、第一鋼管柱２０３の上方に位置する端面に通しダイアフラム２０７を配置し、更に通しダイアフラム２０７の上面に第二鋼管柱２０５を立設配置させる。なお、第一鋼管柱２０３と、第二鋼管柱２０５と、は直線状に配置する。

図８に、摩擦攪拌接合時における回転ツール１５１近傍の模式図を示す。図８に示すとおり、摩擦攪拌接合の手順はＣＦＴ構造物１０１を製造する場合の摩擦攪拌接合と略同様である。第一鋼管柱２０３の外部側面と通しダイアフラム２０７の下面部との入隅部、及び第二鋼管柱２０５の外部側面と通しダイアフラム２０７の上面部との入隅部の接合を行うが、通しダイアフラム２０７が鋼管外部から中空層２１１に通して配置されているため、接合部の裏面側から当該通しダイアフラム２０７の支持を得ることができる。また、接合前にコンクリート９を中空層２１１に充填すれば、当該コンクリート９が接合部を裏面側から支持し、より簡便に摩擦攪拌接合を行うことができる。

上記製造方法を用いて製造した、内ダイアフラム７を備えるＣＦＴ構造物１、外ダイアフラム１０７を備えるＣＦＴ構造物１０１、及び通しダイアフラム２０７を備えるＣＦＴ構造物２０１においては、接合部に母材と同等以上の機械的性質を付与することができる。また、接合による歪も溶融溶接を用いた場合と比較して大幅に低減され、高い形状精度を実現することができる。加えて、鋼管柱及びダイアフラムに中高炭素鋼を用いることができ、低コスト化と高強度化を同時に達成することができる。

３．製造方法の自動化
本発明のＣＦＴ構造物の製造方法は、鋼管柱に沿って昇降自在な摩擦攪拌接合装置を用いて自動化することが好ましい。例えば、摩擦攪拌接合装置を、略環状の本体部と、該本体部の内側に配設された昇降用の駆動部と、回転ツールと、該回転ツールの位置制御機構及び回転機構等から成る接合機構部と、を組み合わせて構成し、当該摩擦攪拌接合装置を遠隔操作可能にすれば、容易に複数の鋼管柱を鉛直に積み上げつつ接合を行うことができる。

摩擦攪拌接合装置についてより具体的には、上述のとおり本体部が略環状であることから、鋼管柱を外部側から抱き抱えるように覆うことができ、更に当該本体部の内側に配設された駆動部（例えば樹脂製のタイヤ）を鋼管柱に当接させることにより、該鋼管柱側面を昇降可能となる。また、当該摩擦攪拌接合装置には、有線又は無線（例えばＷｉ－ＦｉやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等）による命令情報の送受信を可能とする送受信機が配設されており、装置の移動操作及び摩擦攪拌接合時の制御を遠隔操作により達成することができる。

摩擦攪拌接合時は、ツールに印加される反力を環状の本体部によって受け止めることができ、ツールのみ又は本体部を被接合領域に沿って移動させることで摩擦攪拌接合を達成することができる。なお、摩擦攪拌接合は再現性の高い接合方法であり、ＴＩＧ溶接等の溶融溶接と比較して接合工程の自動化に適している。

建築構造物の高層化に伴って高所での溶接作業が増加しているところ、不安定な高所における溶接作業は容易ではない。加えて、溶融溶接で得られる接合部の品質は、風や湿度によっても大きく影響される。これに対し、自動化された摩擦攪拌接合にてＣＦＴ構造の組み立てを行うことで、信頼性の高い接合部を安定して得ることができる。

以上、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明してきたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載の精神及び教示を逸脱しない範囲でその他の改良例や変形例が存在する。そして、かかる改良例や変形例は全て本発明の技術的範囲に含まれることは、当業者にとっては容易に理解されるところである。

１ ＣＦＴ構造物
３ 第一鋼管柱
５ 第二鋼管柱
７ 内ダイアフラム
９ コンクリート
１１ 中空層
１３ コンクリート打設孔
１５ コンクリート圧入孔
５１ 回転ツール
５３ 突起部
５５ トレミー管
５７ 圧送配管
１０１ ＣＦＴ構造物
１０３ 第一鋼管柱
１０５ 第二鋼管柱
１０７ 外ダイアフラム
１１１ 中空層
１２１ 鋼管挿通孔
１５１ 回転ツール
２０１ ＣＦＴ構造物
２０３ 第一鋼管柱
２０５ 第二鋼管柱
２０７ 通しダイアフラム
２１１ 中空層
２１３ コンクリート打設孔

Claims (8)

1. 第一鋼管柱と第二鋼管柱とがダイアフラムを介して接合されたＣＦＴ構造物の製造方法であって、
   前記第一鋼管柱の一方の端面と、前記第二鋼管柱の一方の端面と、を対向させて当接させ、
   該当接部にダイアフラムを配設し、摩擦攪拌接合により前記第一鋼管柱と前記第二鋼管柱と前記ダイアフラムとを一体的に接合すること、
   を特徴とするＣＦＴ構造物の製造方法。
2. 前記ダイアフラムを内ダイアフラムとし、
   前記第一鋼管柱と前記第二鋼管柱と前記ダイアフラムとをＴ字接合すること、
   を特徴とする請求項１に記載のＣＦＴ構造物の製造方法。
3. 前記ダイアフラムを外ダイアフラム又は通しダイアフラムとし、
   前記第一鋼管柱及び前記第二鋼管柱の内部にコンクリートを充填した後、前記第一鋼管柱と前記第二鋼管柱と前記ダイアフラムとを隅肉接合すること、
   を特徴とする請求項１に記載のＣＦＴ構造物の製造方法。
4. 前記第一鋼管柱及び前記第二鋼管柱に沿って昇降自在な摩擦攪拌接合装置を用いて、前記摩擦攪拌接合を行うこと、
   を特徴とする請求項１～３のうちのいずれかに記載のＣＦＴ構造物の製造方法。
5. 第一鋼管柱と第二鋼管柱を含む ２本以上の鋼管柱と、
   １枚以上のダイアフラムと、を有し、
   前記鋼管柱の内部にはコンクリートが充填され、
   前記第一鋼管柱の上方に位置する端面に前記第二鋼管柱の一方の端面が対向した状態で、前記第一鋼管柱と前記第二鋼管柱と前記ダイアフラムとが摩擦攪拌接合部によってＴ字接合されていること、
   を特徴とするＣＦＴ構造物。
6. 前記ダイアフラムが内ダイアフラムであること、
   を特徴とする請求項５に記載のＣＦＴ構造物。
7. 前記鋼管柱が鉄系材からなり、
   前記鉄系材の炭素含有量が０．２質量％以上であること、
   を特徴とする請求項５又は６に記載のＣＦＴ構造物。
8. 前記鋼管柱の横断面が略矩形又は略円形であること、
   を特徴とする請求項５～７のうちのいずれかに記載のＣＦＴ構造物。

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