JP7394037B2 - 梁部材 - Google Patents

Description

本発明は、開口部を有し、当該開口部の補強構造に特徴を有する梁部材に関する。

周知のとおり、梁部材は、常時床荷重を支え、地震時には曲げやせん断に抵抗するための構造部材である。この梁部材において、ダクト等を配設するために、長手方向の側面部に設備用の開口部を設ける場合が存在している。このような梁部材では、開口部における強度が低下するため、適切に補強する必要がある。

従来、梁部材５０を補強するために、ウェブ５１ａと上下のフランジ５１ｂを有し、当該ウェブ５１ａに開口部５１ｃを設けた鋼梁において、Ｌ字形鋼板一対を組み合わせた略正方形枠の補強金具５５を、その四辺が鋼梁の材軸と略４５度に斜交するように開口部５１ｃを囲んで、ウェブ５１ａの表面に取り付けた開口部５１ｃの補強構造が存在している（図１０）（特許文献１）。

特開２００３－１４７９０１号公報

しかし、従来の補強構造を備える梁部材５０は、ウェブ５１ａの表面に補強金具５５を設けるものであり、鉄筋コンクリート梁等のように、幅（厚み）が大きくなる場合には、当該補強金具５５の効果が限定的とならざるを得ないという問題点を有していた。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、効果的にひびわれを抑制し、高強度とすることが可能である、開口部を有する梁部材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の梁部材は、長手方向の側面部を貫通する開口部を有する梁本体と、上記梁本体と別体である補強部材とを有し、上記梁本体の内部において、上記開口部における周縁の少なくとも一部に接するように、上記補強部材が上記梁本体に貼設されていること、を特徴としている。

ここで、開口部（下記第１開口部、第２開口部及び第３開口部も同様である）の種類、形状、大きさ、数、形成箇所等には制限はなく、例えば、設備用の梁貫通孔、ボルト孔及び、箱抜き等の欠損部分に関して適用することができる。

また、補強部材（下記第１補強部材及び第２補強部材も同様である）は、各開口部の存在により欠損する梁部材（下記第１梁部材、第２梁部材及び第３梁部材も同様である）における水平又は鉛直の断面積の部分を補強するために設けられるものであり、梁本体と、補強部材のヤング係数比（弾性係数比）を考慮して、その寸法を決定する必要がある。

但し、補強部材等に作用するせん断力が小さい場合、或いは、複数の開口部が存在し、隣接する開口部の距離が長く近接していない場合には、必ずしも、当該開口部が、力学的に構造上の問題とならないこともある。そのため、補強部材等の寸法（厚さ及び開口部以外の面積等）は、諸条件を考慮した上で、適切に定めることができる。

上記補強部材の形状には制限はなく、円形形状、多角形形状（三角形を含む）、帯状等、適宜定めることができる。また、補強部材の弾性係数は、被補強部材である第２梁部材及び第３梁部材のヤング係数と比較して大きくすることで、補強効果を向上させることができるため、鋼製部材とすることが好適である（例えば、鋼材のヤング係数／集成材のヤング係数は２０倍以上となる）。

また、上記補強部材は、その構成部分の一部が、開口部における周縁の少なくとも一部に接するように設けられるものであればよい。このとき、補強部材の構成部分の一部は、開口部の周縁に完全に接することまでは要さず、補強効果を奏することが可能となる位置に、近接して設けられるものであれば良い。
さらに、上記補強部材は、接着剤（特に、シリコン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂等を含有する有機系接着剤）を用いて取り付けることにより、施工性を高めることができるため好適である。

本発明によれば、梁本体の内部において補強部材が設けられているため、梁本体の幅が厚くなる場合であっても、補強効果を高めることができる。

また、本発明の梁部材は、梁本体と補強部材とを有し、上記梁本体は、長手方向の側面部を貫通する第１開口部を有する第１梁部材と、上記第１開口部と合致する第２開口部を有し、上記第１梁部材における一方の上記側面部に接合する第２梁部材と、を備えており、上記第１梁部材と上記第２梁部材の接合面の間に、上記第２開口部における周縁の少なくとも一部に接するように、第１補強部材が介装されていること、を特徴としている。

また、本梁部材において、上記第１開口部と合致する第３開口部を有し、上記第１梁部材における他方の上記側面部に接合する第３梁部材を備え、上記第１梁部材と上記第３梁部材の接合面の間に、上記第３開口部における周縁の少なくとも一部に接するように、第２補強部材が介装されていること、とすれば好適である。

ここで、上記梁本体は、少なくとも第１梁部材と第２梁部材から構成される複合梁（ハイブリッド梁）であり、さらに、他の梁部材を備えていてもよい。各梁部材は、鉄筋コンクリート梁部材、プレストレストコンクリート梁部材、集成材による梁部材、鋼梁部材、無垢材による梁部材等、種々の構成材料の梁部材を用いることができ、特に、鉄筋コンクリート梁部材と集成材による合成梁とすることが好適である。

また、第１補強部材及び第２補強部材（以下、第１補強部材及び第２補強部材を同時に説明する場合には、「第１補強部材等」という場合がある。）は、その構成部分の一部が、開口部における周縁の少なくとも一部に接するように設けられるものであればよく、例えば、第２開口部及び第３開口部の周縁の一部又は全周を囲繞するように設けることができる。但し、第１補強部材等の構成部分の一部が、上記周縁に完全に接することまでは要さず、補強効果を奏することが可能となる位置に、近接して設けられるものであれば良い。

さらに、本梁部材において、上記第１梁部材、上記第２梁部材及び上記第３梁部材の少なくとも一つが集成材であることとすれば、集成材を使用した梁部材の曲げ性能を充分に発揮させることが可能となり、集成材の有効利用に資することとなるため好適である。

また、上記集成材は、曲げ引張強度に達して破断するまで弾性挙動を示す弾性材料として機能する部材であり、木材であることが一般的であるが、木材に鋼材を内蔵したいわゆるハイブリッドタイプのものでもよく、その種類、形状及び枚数等に制限はない。

本発明によれば、第１補強部材等を用いて、第２開口部（第３開口部）の近傍を補強することにより、第２梁部材（第３梁部材）における第２開口部（第３開口部）の周縁（複数の第２開口部［第３開口部］が存在する場合には、隣接する第２開口部［第３開口部間］）におけるせん断破壊（せん断ひび割れ）を防止することができる。また、第１梁部材の第１開口部の直下から延出する曲げひび割れの伸展を抑止することができるため、第１梁部材のひび割れ後の曲げ剛性の保持にも効果的に寄与することが可能となる。

また、本梁部材において、第１補強部材（第２補強部材）における周縁の少なくとも一部に、緩衝材が設けられている構成とすれば好適である。

ここで、上記緩衝材は、その材質等には制限はなく、例えば、発砲ポリスチレン、発砲ポリエチレン等の高分子発泡体を用いることができる。

本梁部材によっても、各梁部材の変形に伴い、少なからず各開口部においてひび割れが生じて変形する場合があり、第１補強部材（第２補強部材）の板厚部がシアキーとなり、第１梁部材が第２梁部材（第３梁部材）に対して、大きな局所応力を生じさせる可能性が存在する。その場合において、極端なケースでは、第２梁部材（第３梁部材）と補強部材の接合面に過大なせん断力が生じ、当該補強部材が剥離する可能性がある。
しかし、第１補強部材（第２補強部材）に緩衝材を設けることにより、第１梁部材が第２梁部材（第３梁部材）に対して生じさせる応力を緩衝材が吸収するため、局所応力の発生を防止することができる。

さらに、本梁部材において、第１開口部、第２開口部及び第３開口部の少なくとも一つにおける周縁において座繰孔が形成されており、第１補強部材が、上記座繰孔に挿着されている構成とすれば好適である。

ここで、座繰孔は、第１補強部材（第２補強部材）が各開口部の端面から突出しないように形成されるものであり、当該各開口部の周縁に沿って形成される段部として、補強部材の形状に適合する形状及び寸法（深さ、長さ等）に形成される必要がある。

本梁部材によれば、座繰孔に第１補強部材（第２補強部材）が挿着されており、当該第１補強部材（第２補強部材）が各開口部の端面から突出しないことになる。そのため、第１補強部材（第２補強部材）がシアキーとなることを防止でき、第１梁部材が第２梁部材（第３梁部材）に対して生じさせる局所応力の発生を防止することが可能となる。

本発明によれば、効果的にひびわれを抑制し、高強度とすることが可能である、開口部を有する梁部材を提供することができる。

本発明の梁部材（第１実施形態）を示す側面図である。 図１におけるＸ－Ｘ断面図である。 本発明の梁部材（第１実施形態）の作用効果を模式的に示す側面図である。 本発明の梁部材（第１実施形態）の変形例を示す側面図である。 本発明の梁部材（第１実施形態）の他の変形例を示す側面図である。 本発明の梁部材（第２実施形態）を示す側面図である。 本発明の梁部材（第３実施形態）を示す図であり、（ａ）は、側面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）におけるＹ－Ｙ断面図である。 本発明の梁部材（第３実施形態）の第１変形例を示す、図７（ｂ）に対応する断面図である。 本発明の梁部材（第３実施形態）の第２変形例を示す、図７（ｂ）に対応する断面図である。 従来の梁部材を示す斜視図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の梁部材（以下、「本梁部材」という。）の実施形態の一例について、詳細に説明する。なお、図面に基づく説明では、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

（１）第１実施形態
［本梁部材の構成］
本梁部材１は、複合梁部材として形成されており、梁本体１０と、第１補強鋼板１５（第１補強部材）及び第２補強鋼板１６（第２補強部材）（以下、第１補強鋼板１５及び第２補強鋼板１６を同時に説明する場合には、「第１補強鋼板等」という場合がある。）を備えている。上記梁本体１０は、鉄筋コンクリート梁部材１１（以下、「ＲＣ梁部材」という。）（第１梁部材）と、集成材による形成されている２体の同一構造である梁部材１２，１３（以下、「集成材梁部材」という。）（第２梁部材及び第３梁部材）から構成されている（図１、図２）。

ＲＣ梁部材１１は、床スラブが設けられているＴ型断面であり、長手方向における下記第１貫通孔１１ａの下部の所定位置に主鉄筋７（本実施形態では４本）が配筋されている。そして、各主鉄筋７を囲繞するように、長手方向において、所定間隔で、帯鉄筋８が配筋されている。
ＲＣ梁部材１１の両側の各腹部（鉛直部における長手方向の側面部）において、長手方向の全長にわたり、集成材梁部材１２、１３が所定本数のビス１４により接合されている。ＲＣ梁部材１１と、各集成材梁部材１２，１３には、各開口部が合致するように同一の位置に、複数個の貫通孔１２ａ，１３ａが形成されている。

なお、以下の説明において、ＲＣ梁部材１１の貫通孔を第１貫通孔１１ａ（第１開口部）と称するとともに、各集成材梁部材１２，１３の貫通孔をそれぞれ第２貫通孔１２ａ（第２開口部）及び第３貫通孔１３ａ（第３開口部）（以下、第２貫通孔１２ａ及び第３貫通孔１３ａを同時に説明する場合には、「第２貫通孔等」という場合がある。）と称して区別する。

ＲＣ梁部材１１と各集成材梁部材１２，１３の間には、それぞれ、第１補強鋼板１５及び第２補強鋼板１６が介装されている。各第１補強鋼板１５等は円環形状であり、各中央孔１５ａ，１６ａは、各集成材梁部材１２，１３における対応する位置に設けられている各第２貫通孔１２ａ及び各第３貫通孔１３ａと同一形状に形成されている。そして、各中央孔１５ａ，１６ａの周縁部と、上記第１補強鋼板１５等の各第２貫通孔１２ａ及び各第３貫通孔１３ａの周縁部が合致するように配置されている。

ＲＣ梁部材１１の第１貫通孔１１ａの端縁部に沿って段部が形成されており、この部分が座繰孔１１ｂとなっている。上記座繰孔１１ｂの深さは、第１補強鋼板１５等の厚さと等しく、当該座繰孔１１ｂに第１補強鋼板１５等が挿着された場合に、当該座繰孔１１ｂの端面から突出しないように形成されている。そして、各第１補強鋼板１５等は、座繰孔１１ｂに嵌挿され、有機系接着剤により、各集成材梁部材１２，１３に貼設されている。

［本梁部材の作用効果］
通常、本梁部材１と同様の基本構造である複合梁部材が曲げ荷重を受けた場合において、集成材梁部材は、主として引張材として機能する。その際、集成材梁部材の上側端縁部において、ＲＣ梁部材と集成材梁部材の間に、隙間（ずれ変位）が生じる場合がある。

しかし、本梁部材１によれば、第１補強鋼板１５等により、第１貫通孔１１ａ、第２貫通孔１２ａ及び第３貫通孔１３ａの近傍を補強することにより、各集成材梁部材１２，１３における隣接する第２貫通孔１２ａ及び第３貫通孔１３ａの間に生じうるせん断ひび割れ（図３における太破線で例示）を防止することができる。また、ＲＣ梁部材１１の第１貫通孔１１ａの直下から延出する曲げひび割れの伸展（図３における一点鎖線で例示）を抑止することができるため、ＲＣ梁部材１１のひび割れ後の曲げ剛性の保持にも効果的に寄与することが可能となる。

また、本梁部材１によれば、多数の貫通孔（第１貫通孔１１ａ、第２貫通孔１２ａ及び第３貫通孔１３ａ）が存在する場合であっても、第１補強鋼板１５等により、各貫通孔１１ａ，１２ａ，１３ａが補強されているため、ＲＣ梁部材１１と、集成材梁部材１２，１３を接合するために必要となるビス１４の施工位置が限定されることがない。そのため、必要となるビス１４を必要な箇所に設けることができ、ＲＣ梁部材１１と、集成材梁部材１２，１３の一体性を増加させることが可能となる。また、各貫通孔１１ａ，１２ａ，１３ａに近接した位置に、集中的にビス１４を施工することができるため、各貫通孔１１ａ，１２ａ，１３ａの近傍において応力集中させることにより、ビス１４の「だぼ抵抗」を充分に発揮させることが可能となる。

このように、本梁部材１では、ＲＣ梁部材１１を、集成材梁部材１２，１３で補強した構造に効果的に適用可能となる点で、非常に有用である。

［本梁部材（第１実施形態）の変形例］
本梁部材１に使用される第１補強鋼板１５等は、他の形態とすることも可能である。
例えば、本梁部材１’において、長方形形状の鋼板の中央に、上記第２貫通孔１２ａ等に外接する正方形形状の中央孔１５ａ’（他方の中央孔は図示せず）を備える第１補強鋼板１５’及び第２補強鋼板（図示せず）とするものであってもよい（図４）。
上記長方形形状の第１補強鋼板１５’等を使用することにより、上記円環形状の補強鋼板１５と比較して、鋼板部分の面積を増大させることができるため、補強効果を増加させることができる。

また、本梁部材１”において、上記第２貫通孔１２ａ等の左右の周縁と接するように、２枚の帯状（細長の長方形形状）の第１補強鋼板１５”等（第２変形例）を垂直方向に取り付ける構造とすることも可能である（図５）。
上記帯状の第１補強鋼板１５”等を使用することにより、上記円環形状の第１補強鋼板１５等と比較して、鋼板の使用量を減少させることができるため、小さい貫通孔である場合及び貫通孔の数が少ない等、せん断力の作用が小さい場合に使用する場合に好適となる。

なお、上記長方形形状の第１補強鋼板１５’等の中央孔１５ａ’の形状は、第２貫通孔１２ａと同一形状であってもよい。
また、複数の形状である補強鋼板を、開口部の形状により使い分けることも可能である。

（２）第２実施形態
第２実施形態の本梁部材２は、第１実施形態の本梁部材１と比較して、第１補強鋼板２５及び第２補強鋼板（図示せず）が異なっている。すなわち、本実施形態の第１補強鋼板２５等は、第１実施形態の第１補強鋼板１５等と比較して、板厚が厚く形成されている円環形状の鋼板であり、当該第１補強鋼板２５等の外周部の全周に緩衝材２７が設けられている（図６）（なお、符号２５ａは、第１補強鋼板２５の中央孔を示す）。

通常、本梁部材２と同様の基本構造である複合梁部材の場合には、各第２貫通孔等が補強されている場合であっても、集成材梁部材の変形に伴い、第２貫通孔等の周辺部において、少なからず、ひび割れが生じて変形する。その際、板厚が厚い第１補強鋼板等を使用した場合には、当該補強鋼板がシアキーとなり、ＲＣ梁部材が各集成材梁部材に対して、大きな局所応力を生じさせる可能性がある。そして、極端なケースでは、集成材梁部材と補強鋼板の接合面に過大なせん断力が生じ、当該補強鋼板が剥離する可能性がある。

しかし、本梁部材２によれば、ＲＣ梁部材１１が各集成材梁部材１２（他方の集成材梁部材は図示せず）に対して生じさせる応力を緩衝材２７が吸収することから、局所応力の発生を防止することができる。したがって、各集成材梁部材１２に作用するせん断力が大きい場合であっても、第１補強鋼板２５等の鋼板部分の面積を抑制した上で、補強効果を向上させることができる。

（３）第３実施形態
第３実施形態の本梁部材３は、第１実施形態の本梁部材１と比較して、ＲＣ梁部材３１の形状と、各集成材梁部材３２，３３の第２貫通孔３２ａ及び第３貫通孔３３ａの形態と、第１補強鋼板１５等の取付態様が異なっている。

すなわち、梁本体３０は、ＲＣ梁部材３１と２体の集成材梁部材３２，３３から構成されている。ＲＣ梁部材３１は、長方形断面であり、両側面部において長手方向の全長にわたり、集成材梁部材３２，３３が所定本数のビス（図示せず）により接合されている。各集成材梁部材３２，３３の第２貫通孔３２ａ及び第３貫通孔３３ａの端縁部に沿って段部が形成されており、この部分が座繰孔３２ｂ，３３ｂとなっている。上記座繰孔３２ｂ，３３ｂの深さは、第１補強鋼板１５及び第２補強鋼板１６の厚さと等しく、当該座繰孔３２ｂ，３３ｂに第１補強鋼板１５等が挿着された場合に、当該座繰孔３２ｂ，３３ｂの端面から突出しないように形成されている（図７（ａ），（ｂ））。

上記梁本体３０において、各第１補強鋼板１５等が座繰孔３２ｂ，３３ｂに嵌挿され、有機系接着剤により、各集成材梁部材３２，３３に貼設されている。このため、ＲＣ梁部材３１と集成材梁部材３２，３３の間には、間隙が形成されることなく一体的に形成されている。なお、符号３１ａは、ＲＣ梁部材３１の第１貫通孔を示す。

本梁部材３によれば、各座繰孔３２ｂ，３３ｂに、各第１補強鋼板１５等が挿着されており、当該各第１補強鋼板１５等が、第２貫通孔３２ａ等の端面から突出しないことになる。そのため、各第１補強鋼板１５等がシアキーとなることを防止することができ、ＲＣ梁部材３１が各集成材梁部材３２，３３に対して生じさせる局所応力の発生を防止することができる。

また、第１変形例の本梁部材３’として、梁本体３０’にＲＣ梁部材を用いることなく、２枚の集成材梁部材３２’，３３’のみを接合して、複合梁部材とすることもできる（この場合には、一方の集成材梁部材３２’が請求項に記載の第１梁部材に相当し、他方の集成材梁部材３３’が請求項に記載の第２梁部材に相当することになる）（図８）。この場合には、各第２貫通孔３２ａ’及び各第３貫通孔３３ａ’の端縁部に、それぞれ座繰孔３２ｂ’，３３ｂ’を形成し、当該各座繰孔３２ｂ’，３３ｂ’に各第１補強鋼板１５及び第２補強鋼板１６を挿着して、有機系接着剤で貼設し、各集成材梁部材３２’，３３’の間に間隙が形成されないようにして接合することとなる。

さらに、第２変形例の本梁部材３”において、せん断力の作用が小さい場合には、一方の集成材梁部材３３’の貫通孔（例えば、第３貫通孔３３ａ’）のみを、各第２補強鋼板１６を用いて補強することもできる（図９）。この場合には、第３貫通孔３３ａ’の端縁部のみに座繰孔３３ｂ’を形成し、当該座繰孔３３ｂ’に、第２補強鋼板１６を挿着することとなる。なお、符号３０”は、梁本体を、符号３２”は、他方の集成材梁部材を、符号３２ａ”は、第２貫通孔を、それぞれ示す。

第１変形例及び第２変形例の本梁部材３’,３”によれば、集成材のみにより構成される梁部材への適用が可能となる点で、非常に好適である。

以上、本発明について、好適な実施形態についての一例を説明したが、本発明は当該実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各構成要素の詳細に関して、適宜設計変更が可能である。

上記の実施形態では説明しなかったが、本梁部材の最も単純な構造として、下記の構造を用いることができる。すなわち、長手方向の側面部に貫通孔（開口部）を有する梁本体において、当該梁本体の側面の表面部ではなく、厚さ方向の内部であって、貫通孔の中間部の近傍に、当該貫通孔を囲繞する円環形状の補強鋼板（補強部材）を設ける構造とすることができる。この補強鋼板は、梁本体とは別体に形成され、当該梁本体の貫通孔を補強する位置に貼設される部材であり、貫通孔を形成するために設けられる継手部を有する管部材等とは異なる役割を奏する。

本発明によれば、集成材の保有する曲げ性能を充分に活用して、梁部材に適用することができため、非常に有益である。

１，１’，１”，２，３，３’，３” 梁部材
１０，３０，３０’，３０” 梁本体
１１，３１ 鉄筋コンクリート梁部材
１２，１３，３２，３２’，３２”，３３，３３’ 集成材梁部材
１５，１５’，１５”，２５ 第１補強鋼板
１６ 第２補強鋼板
２７ 緩衝材
１１ａ，３１ａ 第１貫通孔
１２ａ，３２ａ，３２ａ’３２ａ” 第２貫通孔
１３ａ，３３ａ，３３ａ’ 第３貫通孔
１１ｂ，３２ｂ，３２ｂ’，３３ｂ，３３ｂ’ 座繰孔
１５ａ，１５ａ’，１６ａ，２５ａ 中央孔

Claims (4)

1. 梁本体と補強部材とを有し、
   前記梁本体は、長手方向の側面部を貫通する第１開口部を有する第１梁部材と、
   前記第１開口部と合致する第２開口部を有し、前記第１梁部材における一方の前記側面部に接合する第２梁部材と、を備えており、
   前記第１梁部材と前記第２梁部材の接合面の間に、前記第２開口部における周縁の少なくとも一部に接するように、第１補強部材が介装されており、
   前記第１補強部材における周縁の少なくとも一部に緩衝材が設けられていること、を特徴とする梁部材。
2. 梁本体と補強部材とを有し、
   前記梁本体は、長手方向の側面部を貫通する第１開口部を有する第１梁部材と、
   前記第１開口部と合致する第２開口部を有し、前記第１梁部材における一方の前記側面部に接合する第２梁部材と、を備えており、
   前記第１梁部材と前記第２梁部材の接合面の間に、前記第２開口部における周縁の少なくとも一部に接するように、第１補強部材が介装されており、
   前記第２開口部における周縁において座繰孔が形成され、前記第１補強部材が前記座繰孔に挿着されていること、を特徴とする梁部材。
3. 前記第１梁部材及び前記第２梁部材の少なくとも一方が集成材であること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の梁部材。
   
4. 前記第１開口部と合致する第３開口部を有し、前記第１梁部材における他方の前記側面部に接合する第３梁部材を備え、
   前記第１梁部材と前記第３梁部材の接合面の間に、前記第３開口部における周縁の少なくとも一部に接するように、第２補強部材が介装されていること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の梁部材。