JPH02144454A - 金属管コンクリート柱及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、コンクリート製の柱体の外側に鋼管等の金属
管を被着せしめてなり、建築構造物及び土木構造物にお
いて、主として圧縮力を負担する構造材として用いられ
る金属管コンクリート柱に関する。

〔従来技術〕

建築構造物及び土木構造物用の構造材は、鋼材を主体と
する金属材とコンクリート材とに代表され、これらが互
いに相反する強度的な特性を示すことは広（知られてい
る。即ち、金属材は、−設面に高い引張強度を示すと共
に、靭性、所謂ねばりに富むという利点を有する一方、
これに軸長方向の圧縮力が加えられた場合、座屈が発生
ずる虞があり、高い圧縮強度が期待できないという難点
がある。また、コンクリート材は、高い圧縮強度を示す
という利点を備えている一方、引張強度が低い上、靭性
に劣り、内部応力が強度限界に達した場合、瞬時にして
破砕に至るという難点がある。

コンクリート材のこの難点は、構造材として致命的とも
言えるものであり、特に高層の構造物、耐震性が要求さ
れる構造物におい゛（、コンクリート材を単独にて用い
ることができない。ところが、コンクリート材は金属材
に比較して廉価であり、コンクリート材の使用は、経済
的優位性を確保するために重要である。そこで、コンク
リート材の内部に多数の鉄筋を埋込み、該鉄筋ムこ引張
力及び靭性を補完させるようにした鉄筋コンクリート等
、金属材とコンクリート材の組合せにより両者の難点を
相互に補完させる構成古した構造材が、従来から使用さ
れている。

このような構造材として、コンクリート製の柱体の外側
に複数のフープ筋を巻着し、該フープ筋のたが作用によ
り、コンクリート材の耐力及び靭性を向上させるように
したものがあり、また、鋼管等の金属管の内部にコンク
リートを充填、固化せしめて両者を一体化させ、あたか
も前記フープ筋をＯビ・ソチにて巻着したかの如く、コ
ンクリート製の柱体の外側に金属管を被着せしめてなる
金属管コンクリート柱がある。この金属管コンクリート
柱は、金属管のたが作用によりコンクリート製の柱体の
耐力及び靭性の不足が補完される一方、該柱体の拘束作
用により金属管の部分座屈が抑制される結果、繰返し曲
げに対しても靭性に富んだ変形挙動を示し、鉄筋コンク
リート製の柱体に比較して格段に優れた耐震性能が得ら
れ、また、工場での製造が可能なことから、耐震性が要
求される高層構造物の柱材として脚光を浴びている。

第５図は、従来の金属管コンクリート柱の縦断面図であ
る。金属管コンクリート柱は、前述した如く、コンクリ
ート製の柱体１の外側に金属製の管体２を被着せしめ、
両者を一体化させて構成されている。この一体化は、例
えば、軸長方向両側を閉塞してなる金属製の管体２の内
側中空部に、コンクリートを注入して凝固せしめ、該中
空部を密に充填する柱体１を形成することにより実現さ
れる。

〔発明が解決しようとする課題〕

さて、このような金属管コンクリート柱は、前述した如
（、土木、建築分野における骨組構造物の柱材としての
用途に用いられるが、この場合、該金属管コンクリート
柱には、上部に積層される構造物の重量が、第５図に白
抜矢符にて示す如く、軸長方向の圧縮力として作用する
。このとき、相互に一体化されている柱体ｌと管体２に
は、軸長方向に等量の歪が生じ、両者の内部にはこの歪
に相当する圧縮応力が夫々発生ずる。

外力により物質に生じる歪εと、該物質内部に発生する
応力σとの関係は、公知の次式にて与えられる。

σ−Ｅ・ε　　　・・・（１） この式中のＥは、縦弾性係数、所謂ヤング率であり、物
質に固有の値である。例えば、鋼のヤング率Ｅｓ　　（
＝２１００ｔｏｎｆ／ｅｎ＋”　）は、一般的なコンク
リートのヤング率Ｅｃ　　（＝２１０　ｔｏｎｆ／ｃｍ
”　）の略１０倍であり、従って、等量の歪が生じてい
る場合、鋼の内部応力σ、は、コンクリートの内部応力
σ。の略１０倍となる。従って、管体２として鋼管を用
いてなる前記金属管コンクリート柱において、該管体２
と前記柱体１とに前述の如く等用の歪が生じた状態にあ
る場合、管体２に、柱体１におｃ３るそれの略１０倍に
達する圧縮応力が発生ずることになる。このことは、管
体２が他の金属製である場合においても同様に生じ、一
般的に金属のヤング率がコンクリートのそれを上回る関
係上、管体２に、コンクリート製の柱体１におりるより
も大なる圧縮応力が発生することは避けられない。

即ち、金属管コンクリート柱に作用する圧縮力は、圧縮
強度に優れた柱体１ではなく、圧縮強度に劣り、部分座
屈の発生の虞がある管体２にて主として負担されること
になる。近年、圧縮強度が１００１００Ｏ／ａｍ２を超
える高強度コンクリートが開発されているが、高い圧縮
荷重の負担能力を実現すべく、この高強度コンクリート
にて前記柱体１を構成した場合においても、柱体１に十
分な強度的余裕がある段階において管体２が降伏し、柱
体１の高い圧縮強度を十分に生かすことができない。ま
た、管体２に軸長方向の応力が発生した場合、該管体２
に柱体１を拘束するための十分なだが作用が期待できな
くなると共に、該管体２の曲げ性能も劣化する。以上の
難点が、特に耐震性を要求される構造物用の柱材として
金属管コンクリート柱を利用する際の重大な障害となっ
ていた。

第６図は金属管コンクリート柱におけるこのような難点
の解消を図るべく提案された金属管コンクリート柱の縦
断面図であり、例えば、昭和６１年８月に北海道にて開
催された日本建築学会大会における学術講演梗（ａ集の
１４１７頁〜１４２０頁に開示されたものである。

図に示す如く、この金属管コンクリート柱は、コンクリ
ート製の柱体１と、これの外側を被覆する金属製の管体
２との間に、弾性を有する分離材３を介在せしめた構成
となっており、軸長方向の圧縮荷重に応じて生じる柱体
１の軸断面の拡張を、前記分離材３の圧縮変形により吸
収して、管体２への前記圧縮荷重の負担割合を軽減せし
め、前記難点の解消を図っている。

ところがこの金属管コンクリート柱は、管体２が弾性を
有する分離材３を介して柱体１に接触させてあり、柱体
１と管体２とが実質的に分離されているために、管体２
による十分なだが作用が期待できず、また、所定寸法の
分離材３を介在せしめた状態で、柱体１の外側に管体２
を被着せしめた構造を得ることが難しく、製造に困難を
伴うという難点があり、更に、この金属管コンクリート
柱を圧縮荷重が付加される用途に用いる場合、前記荷重
による管体２の縮み量を吸収すべく、該管体２の一部を
分断する必要があり、このことが、構造材としての強度
低下を招来するという難点がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、軸長
方向に大きい圧縮荷重が作用した場合においても、金属
製の管体に多大な圧縮応力が発生することがなく、前述
の難点が解消できる金属管コンクリート柱を提供すると
共に、この金属管コンクリート柱の面熱な製造方法を提
供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る金属管コンクリート柱は、コンクリート製
の柱体の外側に金属製の管体を被着し、両者を一体化さ
せてなる金属管コンクリート柱において、前記一体止は
、前記柱体に軸長方向の圧縮応力を、また前記管体に軸
長方向の引張応力を、夫々生ぜしめた状態にてなされて
いることを特徴とし、また、この金属管コンクリート柱
を得るための本発明に係る第１の製造方法は、軸長右同
−側を開１コさせてある金属製の管体に、コンクリート
製の柱体を、両者間に適宜の間隙を生ぜしめた状態にて
内挿し、前記管体への軸長方向の引張力と、前記柱体へ
の軸長方向の圧縮力とのいずれか一方、又は両方を加え
つつ、前記開口部にこれを閉塞する蓋板を固着した後、
１１ｊ１記力の印）Ｊ（］を停止することを特徴とし、
同じく第２の製造方法は、軸長方向両側を閉塞してある
金属製の管体に軸長方向の引張力を加えつつ、該管体内
部に未凝固コンクリートを充填し、該コンクリートが凝
固した後、前記引張力の印加を停止することを特徴とす
る。

〔作用〕

本発明においては、金属製の管体とこれの外側に被着さ
れたコンクリート製の柱体とが、前者に引張応力が、後
者に圧縮応力が、夫々軸長方向に生じた状態にて一体化
されており、これに軸長方向の圧縮荷重が作用した場合
においても、これにより管体に発生する圧縮応力は、前
記引張応力と互いに打消し合う結果、該管体に大きい圧
縮応力が発生ずることがない。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述する
。第１図は本発明に係る金属管コンクリート柱（以下本
発明品という）の縦断面図であり、第２図は、その初期
応力の分布状態を示す図である。

第１図に示す如（、本発明品は、コンクリート製の柱体
１の外側に、軸長方向両端を閉塞させてなる金属製の管
体２（−船釣には鋼管が使用される）を被着せしめ、両
者を一体化させて構成されており、第５図に示す従来の
金属管コンクリート柱と全く同様の構造を有している。

然しなから、前述した如く製造される従来品は、柱体１
と管体２とが、両者に如何なる応力をも生じていない状
態にて一体化されているのに対し、本発明品は、第２図
に示す如く、前記柱体１に所定の圧縮応力σヨが、また
前記管体２に所定の引張応力σ２が、夫々の軸長方向に
生じた状態にて一体化されていることに特徴がある。柱
体１及び管体２の軸断面形状は特定形状に限定されるも
のではないが、夫々の製作時における精度管理の容易性
、及び組立て後における応力分布の単純性等を考慮した
場合、円形断面とするのが望ましい。

第３図及び第４図は、本発明品の製造手順を示す図であ
り、第３図は請求項２に記載の製造方法に、また第４図
は請求項３に記載の製造方法に夫々対応するものである
。

まず第３図に示す製造方法について説明する。

この方法により円形断面を有する本発明品を得る場合、
管体２の材料として、一端を開口させてある円筒形の管
体２０と、この開口部分を閉塞する円板状をなす蓋板２
１とが用いられる。まず、第３図（ａ）に示す如く、前
記管体２０の内径よりも若干小さい外径を有する円柱形
に成形された柱体１を、該管体２０の内部に、前記開口
側端部から挿入する。

次いで、第３図（ｂ）に示す如く、前記開口側における
柱体１の端面に前記蓋板２１を載置し、図中に矢符にて
示す如く、適宜の手段により、該蓋ｔＮ　２１を介して
柱体１を押圧し、該柱体ｌに、これの軸長方向への所定
の圧縮力Ｆ、を加えると同時に、適宜の手段により、管
体２０に、これの軸長方向へ所定の引張力Ｆ２を加える
。これにより、柱体１には、軸長方向の縮短が生じると
共に、半径方向の拡張が生じ、また管体２０には、軸長
方向の伸長が生じると共に、半径方向の縮小が生じるか
ら、柱体ｌの内径と管体２０の外径との差は小さくなり
、両者は略密着した状態になる。そして、この状態を維
持したまま、管体２０の開口端に前記蓋板２１を固着せ
しめ、固着完了後、圧縮力Ｆ、及び引張力Ｆ、の印加を
停止する。これにより、コンクリート製の柱体１の外側
に軸長方向両側が閉塞された金属製の管体２を被着せし
めてなり、柱体１に圧縮応力が、管体２に引張応力が、
夫々の軸長方向に生じた状態にある本発明品が得られる
（第３図（Ｃ）参照）。

以上の製造方法において、管体２０への蓋板２１の固着
方法は限定されるものではなく、例えば、溶接、リベッ
ト止め、ボルト止め等、いかなる固着方法を用いてもよ
いが、固着処理の容易性、固着部における強度確保等を
考慮した場合、管体２が難溶接性の金属製である場合を
除き、前記固着方法として溶接を選択するのが望ましい
。また、第３図（′ｂ）の段階において、管体２０と柱
体１との密着度合を高度に管理する必要はなく、柱体１
の外周面と管体２０の内周面との間にわずかな隙間があ
る状態、及び、柱体１の拡径に応じて管体２ｏが押圧さ
れ、該管体２０に若干の周方向応力が生じている状態は
共に許容される。従って、管体２０及び柱体１の製造段
階において、前者の内径及び後者の外径に厳密な寸法公
差が要求されることはない。

次に第４図に示す製造方法について説明する。

この方法においては、管体２の材料として、軸長方向両
側を共に閉塞させてあり、内外に貫通する少なくとも各
１個のコンクリート注入孔２３とドレン孔２４とを形成
してなる管体２２が用いられる。まず、第４図（ａ）に
示す如く、管体２２に、これの軸長方向への所定の引張
力Ｆ、を加える。次いで、第４図（ｂｌに示す如く、引
張力Ｆ３の印加を継続したまま、管体２２の内部に未凝
固コンクリート１０を密に充填し、これの凝固が完了し
、管体２２の内部にコンクリート製の柱体１が形成され
た後、引張力Ｆ、の印加を停止する。これにより、コン
クリート製の柱体１の外側に軸長方向両側が閉塞された
金属製の管体２を被着せしめてなり、柱体１に圧縮応力
が、管体２に引張応力が、夫々の軸長方向に生じた状態
にある本発明品が得られる（第４図（Ｃ）参照）。なお
必要であれば、コンクリート導入孔２３及びドレン孔２
４は、前記凝固の完了後、適宜の手段にて塞げばよい。

以上の製造方法において、未凝固コンクリート１０の充
填はコンクリート注入孔２３を介して行われ、このとき
、前記ドレン孔２４は、空気抜き孔としての作用をなし
、また、充填された未凝固コンクリ−目Ｏが凝固する段
階においては、析出水分を外部に排出する排出孔として
作用する。従って、ドレン孔２４は、管体２２の引張強
度を大きく低下させない範囲において、可及的多数個が
設けられるべきである。

この製造方法は、第３図に示す方法に比較して簡略な方
法であり、特殊な断面形状を有する金属管コンクリート
柱への適用が容易であるという利点を有する一方、後述
する如く、第３図の方法に比較して、最大荷重負荷能力
を大きくし得ないという難点をも併せ持っている。いず
れの方法においても、本発明品の製造が、第６図に示す
従来品に比較して、格段に容易であることは以上の説明
から明らかであろう。

本発明品は、以上の２通りの製造方法により得ることが
できるが、コンクリート製の柱体１と、これの外側に被
着され金属製の管体２とを備え、前者に軸長方向の圧縮
応力σ、を、また後者に軸長方向の引張応力σ２を生ぜ
しめである金属管コンクリート柱は、これが前記以外の
いかなる方法にて製造されたものであっても本発明の範
囲に含まれることは言うまでもない。

このような本発明品を、例えば、構造物の支柱等、主と
して軸長方向の圧縮荷重を負担する用途に用いた場合、
この圧縮荷重により、柱体１及び管体２に等量の歪が生
じ、これに伴って、両者に内部応力σ。及びσ５が夫々
圧縮応力として発生する。このとき、金属製の管体２に
おけるヤング率は、コンクリート製の柱体１におけるそ
れよりも大きいから、σ、がσ、よりも大となることは
前述した如くである。本発明品は、大なる内部応力σ、
が発生する管体２には、引張力向への初期応力σ２が予
め生ぜしめてあり、また小なる内部応力σ。が発生する
柱体１には、圧縮方向への初期応力σ１が予め生ぜしめ
であるから、圧縮荷重が付加された状態にある本発明品
において、該圧縮荷重により発生する内部応力と初期応
力とが同方向である柱体１には、（σ、＋σＩ）なる大
きさの圧縮応力が発生するのに対し、前記内部応力と初
期応力とが逆である管体２には、両心力が相互に相殺さ
れ、（σ、−σ２）なる大きさの圧縮応力が生じるのみ
である。従って、本発明品においては、柱体１及び管体
２に夫々与えるべき初期応力σ、及びσ２を、付加が予
想される圧縮荷重の大きさに応じて設定することにより
、使用状態における管体２の応力状態を、例えば、軸長
方向の引張応力が残存している状態、圧縮応力が生じて
いる状態、いかなる応力をも生じていない状態等、適宜
に設定することが可能となる。

初期応力σ３．σ２は、本発明品の製造に第３図に示す
方法を適用する場合には、前記圧縮力Ｆ。

及び引張力Ｆ２の設定により、また第４図に示す方法を
適用する場合には引張力Ｆ３の設定により、夫々自在に
設定することができる。

例えば、柱体１の軸断面積が２５００ｃｍ”であり、ま
た管体２の軸断面積が１２５ｃＩｌｚである場合におい
て、数値例を示すと次の如くなる。但し、管体２は、ヤ
ング率Ｅｓ　＝２１００ｔｏｎｆ／ｃｍ”の鋼管とし、
また柱体１を構成するコンクリートのヤング率をＥ　ｃ
　−２１０ｔｏｎｆ　／　ｃｍ！　とする。

第３図に示す方法において、圧縮力Ｆ１及び引張力Ｆ２
を共に２５０　ｔｏｎｆとした場合、柱体１には、０．
１ｔｏｎｆ　／　ｃｍ”なる初期応力σ、が圧縮方向に
、また管体２には、２ｔｏｎｆ／ｃｍ！なる初期応力σ
２が引張方向に夫々生じている本発明品が得られ、また
第４図に示す方法により同等の初期応力が生じている本
発明品を得る場合、前記引張力Ｆ３を３７５　ｔｏｎｆ
とすればよいことは、軸長方向への応力バランスを考慮
すれば簡単に求められる。このようにして得られた本発
明品を、７５０　ｔｏｎｆなる圧縮荷重を軸長方向に負
担する柱材として用いた場合、該荷重付加後の応力は、
柱体１が管体２の２０倍の断面積と、１／１０なるヤン
グ率とを有していることから、柱体１においては、 σ。＋σ＋　＝　５００／２５００＋　０．１＝　０．
３　（ｔｏｎｆ／ｃｍ’）となり、また、管体２におい
ては、 σ、−σｚ　＝　２５０／　１２５　２　＝　０　（ｔ
ｏｎｆ／ｃｍ”）となり、管体２は、７５０　ｔｏｎｆ
を超える圧縮荷重が作用した場合にのみ圧縮応力が発生
することが分かる。

これに対し、第５図に示す従来品を同量の圧縮荷重を負
担する柱材として用いた場合、管体２に発生する圧縮応
力は、σ２がＯであることから、鋼材にとって過酷な圧
縮応力である２ｔｏｎｆ／ｃｍｚとなる。この事実から
、本発明品においては、金属製の管体２に発生する圧縮
応力の大幅な軽減効果が得られ、逆に言えば、外部から
加わる圧縮荷重を、主としてコンクリート製の柱体１に
て支持させることができ、圧縮荷重に対する耐性が大幅
に向上することが明らかであろう。また本発明品は、こ
れに大きい圧縮荷重が作用している状態において管体２
に発生する軸長方向応力を略Ｏとし得るから、構造物の
柱材として使用されている状態において、金属製の管体
２が本来保有している曲げに対する高い靭性及び耐性を
発揮させることができ、曲げに対する強度が従来品に比
較して大幅に向上する。

先に説明した如く、管体２に相等しい初期応力σ２を生
ぜしめるために、製造段階において管体２に加えるべき
引張力は、第３図の方法によった場合にＦｚ　＝２５０
　ｔｏｎｆであるのに対し、第４図の方法によった場合
にはＦ、ｌ　＝３７５　ｔｏｎｆであり、両者に差異が
あるのは、第３図の方法においては、前記引張力Ｆｔに
加えて、柱体１にも圧縮力Ｆ１が加えられており、これ
らの力の印加が停止された後においては、これらの絶対
値の平均値に相当する初期応力ｄ、及びσ２が、柱体１
及び管体２に残留するのに対し、第４図の方法において
は、前記引張力Ｆ、により管体２に生じている引張応力
の一部が、核力の印加を停止した後、柱体１の圧縮応力
として振り分けられるからである。即ち、第３図の方法
においては、降伏限界に近い初期応力σ２を管体２に与
えることができるのに対し、第４図の方法においては、
引張力Ｆ、を加えた状態において管体２に発生する応力
を前記降伏限界に近い値とするのが限界であり、製品中
に残存する初期応力は、前記応力より小さくなる。換言
すれば、第３図の方法によれば、第４図の方法による場
合よりも圧縮荷重の負荷限界に優れた本発明品を製造す
ることができる。

なお、第３図の製造方法において、圧縮力Ｆ。

と引張力Ｆ、との両方を加える場合について説明したが
、本発明品は、両刃Ｆ＋、Ｆｚのいずれか一方のみを加
えることによっても得ることができる。但しこの場合、
第４図の方法と同様に、Ｂｚ伏限界に近い初期応力σ２
を管体２に付与することはできない。

〔効果〕

以上詳述した如く本発明品は、コンクリ・−・・製の柱
体と金属製の管体とを、前者に圧縮応カイニ、また後者
の引張応力を夫々生ぜしめた状態で一体化させてあるか
ら、これに軸長方向の圧縮荷重が付加された場合におい
ても、この圧縮荷重により生じる歪に応じて管体に発生
する圧縮応力は、前記引張応力と相殺され、金属製の管
体に過大な圧縮応力が発生する虞がなく、コンクリート
製の柱体が圧縮限界に達する前に金属製の管体が降伏す
る不都合が解消されると共に、軸長方向の圧縮ｔｉ重が
付与された状態での曲げに対する耐性及び靭性が大幅に
向上する一Ｆ、本発明品は簡略な方法により製造可能で
あるから、耐震性が要求される高層構造物の柱材として
最適な構造材が容易に提供できる等、本発明は優れた効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明品の縦断面図、第２図は本発明品２おけ
る初期応力分布を示す図、第３図及び第４図は本発明品
の製造手順を示す図、第５図及び第６図は従来の金属管
コンクリ−１・柱の縦断面図である。 １・・・柱体　　２・・・管体 特　許　出願人　　上　　谷　　宏　　二代理人　弁理
士　　河　　野　　登　　夫図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、コンクリート製の柱体の外側に金属製の管体を被着
   し、両者を一体化させてなる金属管コンクリート柱にお
   いて、 前記一体化は、前記柱体に軸長方向の圧縮 応力を、また前記管体に軸長方向の引張応力を、夫々生
   ぜしめた状態にてなされていることを特徴とする金属管
   コンクリート柱。 ２、軸長方向一側を開口させてある金属製の管体に、コ
   ンクリート製の柱体を、両者間に適宜の間隙を生ぜしめ
   た状態にて内挿し、前記管体への軸長方向の引張力と、
   前記柱体への軸長方向の圧縮力とのいずれか一方、又は
   両方を加えつつ、前記開口部にこれを閉塞する蓋板を固
   着した後、前記力の印加を停止し、請求項１記載の金属
   管コンクリート柱を得る金属管コンクリート柱の製造方
   法。 ３、軸長方向両側を閉塞してある金属製の管体に軸長方
   向の引張力を加えつつ、該管体内部に未凝固コンクリー
   トを充填し、該コンクリートが凝固した後、前記引張力
   の印加を停止し、請求項１記載の金属管コンクリート柱
   を得る金属管コンクリート柱の製造方法。