JP2011111730A - 鋼管コンクリート柱 - Google Patents

Abstract

【課題】耐火被覆の軽減を図ることができ、しかも製作を簡易にすることが可能な鋼管コンクリート柱を提供する。
【解決手段】鋼管の内部にコンクリートが充填された鋼管コンクリート柱であって、前記鋼管の内周面と複数箇所で接合されるとともに、前記複数箇所以外では前記鋼管と非接触である補強体を前記鋼管の内部に備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、鋼管の内部にコンクリートが充填された鋼管コンクリート柱に関する。

近年、構造物の構造材として鋼管コンクリート柱（以下、ＣＦＴ柱ともいう）が用いられている。このＣＦＴ柱は、鋼管内部にコンクリートを充填することにより形成されるものであり、内部のコンクリートと外側の鋼管が互いに拘束し合うため、引張力に強いという鋼管の長所と圧縮力に強いというコンクリートの長所が相乗的に生かされる。その結果、曲げ耐力が大きく、また局部座屈が生じにくいなどの特徴をもった構造となる。
ところが、ＣＦＴ柱においても後述するように火災時に崩壊してしまうおそれがある。このため、ＣＦＴ柱にも耐火性能を向上させるために通常の鉄骨柱と同様に耐火被覆を施すのが好ましいが、その場合、耐火被覆の量が多くなってしまう。
そこで、鋼管内部に鉄筋を配筋することによって、柱の外周の鋼管が耐力を喪失した場合に鉄筋にて耐力を補強するようにしたＣＦＴ柱が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−２８００９６号公報

上述したＣＦＴ柱では、鉄骨の製作工場で鋼管を製作した後、工場または現場にて鋼管内部に鉄筋を配筋する作業が必要であり、鋼管内への鉄筋の挿入や、かぶり厚さの確保、主筋相互の連結などの作業が煩雑であった。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は耐火被覆の軽減を図ることができ、しかも製作を簡易に行うことが可能な鋼管コンクリート柱を提供することにある。

かかる目的を達成するため、本発明発の鋼管コンクリート柱は、鋼管の内部にコンクリートが充填された鋼管コンクリート柱であって、前記鋼管の内周面と複数箇所で接合されるとともに、前記複数箇所以外では前記鋼管と非接触である補強体を前記鋼管の内部に備えることを特徴とする。
このような鋼管コンクリート柱によれば、耐火被覆の軽減を図ることができ、しかも製作を簡易に行うことが可能である。

かかる鋼管コンクリート柱であって、記補強体は、前記鋼管コンクリート柱の軸方向に沿って形成された鋼製リブであることが望ましい。
このような鋼管コンクリート柱によれば、耐力の向上を図ることが可能である。

かかる鋼管コンクリート柱であって、前記鋼管コンクリート柱のうちの鉄骨梁との接合部には前記補強体がなく、且つ、耐火被覆が施されていることが望ましい。
このような鋼管コンクリート柱によれば、柱の製作の際の作業工数を削減することが可能である。

かかる鋼管コンクリート柱であって、前記接合部は前記コンクリートの充填用の貫通孔が形成されたダイアフラムを有し、前記鋼管は前記ダイアフラムと接合され、前記補強体は前記ダイアフラムと非接合であってもよい。
このような鋼管コンクリート柱によれば、製作をより簡易にすることが可能である。

かかる鋼管コンクリート柱であって、前記鋼管と前記補強体とが接合された前記複数箇所のうち前記接合部に最も近い箇所から前記接合部までの前記鋼管に前記耐火被覆が施されていることが望ましい。
このような鋼管コンクリート柱によれば、火災時に確実に耐力を補強することが可能である。

かかる鋼管コンクリート柱であって、前記接合部は前記コンクリートの充填用の貫通孔が形成されたダイアフラムを有し、前記補強体は前記ダイアフラムと接合されていてもよい。
このような鋼管コンクリート柱によれば、さらに耐火被覆の軽減を図ることができる。

本発明によれば、耐火被覆の軽減を図ることができ、しかも製作を簡易に行うことが可能である。

参考例のＣＦＴ柱の平断面図である。 図２Ａ〜図２Ｃは、参考例のＣＦＴ柱の火災時における熱劣化を説明するための概念図である。 第１実施形態のＣＦＴ柱と大梁との接合構造の説明図である。 第１実施形態のＣＦＴ柱の柱部の平断面図である。 仕口部の斜視図である。 図６Ａ〜図６Ｃは、第１実施形態のＣＦＴ柱の製作工法の説明図である。 第２実施形態のＣＦＴ柱と大梁との接合構造の説明図である。 図８Ａ〜図８Ｅは、第２実施形態のＣＦＴ柱の製作工法の説明図である。 図９Ａ〜図９Ｄは、第２実施形態のＣＦＴ柱の製作工法の変形例の説明図である。 柱現場接合箇所とモーメント力との関係の説明図である。 柱現場接合箇所とモーメント力との関係の別の説明図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
まず、本実施形態について説明する前に参考例について説明する。

≪参考例≫
図１は参考例の鋼管コンクリート（ＣＦＴ）柱の平断面図である。
図１に示すように参考例のＣＦＴ柱は断面が角型に形成された鋼管１００の内部にコンクリート２００が充填されて形成されている。言い換えると、ＣＦＴ柱のコンクリート２００の外表面は鋼管１００で覆われている。なお、コンクリート２００は鋼管１００よりも熱拡散率が小さい。

また、図２Ａ〜図２Ｃは、参考例のＣＦＴ柱の火災時における熱劣化を説明するための概念図である。

通常（常温時）、ＣＦＴ柱は、図２Ａに示すように、鋼管１００とコンクリート２００が合成構造として一体となって荷重を支持している。
火災が生じると（火災時初期）、ＣＦＴ柱の外周の鋼管１００の温度が上昇する。一方、ＣＦＴ柱内のコンクリート２００は熱拡散率が小さいのでＣＦＴ柱の中心側では温度が上昇しにくい。これにより図２Ｂに示すように、ＣＦＴ柱の軸方向（矢印方向）に対する鋼管１００の膨張変形量が、コンクリート２００の膨張変形量に比べて大きくなり、鋼管１００が荷重を負担する状態になる。

火災が続くと（火災時中期）、鋼管１００への荷重の負担が大きくなっているのに加え、鋼管１００が熱によって劣化（熱劣化）し、図２Ｃに示すように、鋼管１００に局部座屈が発生する。このように局部座屈が発生すると、鋼管１００による荷重の支持ができなくなり、コンクリート２００が全荷重を支持するようになる。
そして、さらに火災が続くと（火災時末期）、コンクリート２００も温度の上昇に伴い熱劣化していき、最終的にコンクリート２００が荷重を支持できなくなりＣＦＴ柱が崩壊する。

このように、ＣＦＴ柱においても火災時には崩壊するおそれがある。よって、ＣＦＴ柱にも通常の鉄骨柱と同様に耐火被覆を施すのが好ましい。しかし、この場合、耐火被覆の量が多く必要になる。

また、鋼管内部に鉄筋を配筋することにより柱の外周の鋼管が耐力を喪失した場合に、鉄筋にて耐力を補強するようにしたＣＦＴ柱が提案されているが、この場合、鋼管内部に鉄筋を配筋する作業が必要であり、鋼管内への鉄筋の挿入や、かぶり厚さの確保、主筋相互の連結などの作業が煩雑になるという問題がある。

そこで本実施形態では、ＣＦＴ柱の耐火性能を向上させて耐火被覆の軽減を図るとともに、柱の製作を簡易に行なうようにしている。

≪第１実施形態≫
図３は、第１実施形態のＣＦＴ柱と大梁との接合構造の説明図である。
図に示すように本実施形態のＣＦＴ柱１０は、仕口部１２（接合部に相当する）で大梁２０（鉄骨梁に相当する）と接合されている。なお、以下の説明において、ＣＦＴ柱１０のうち、仕口部１２以外の部分を柱部１１とよぶ。また、図に示すように大梁２０、仕口部１２及び柱部１１の端部には耐火被覆３０が施されている。

図４は、第１実施形態のＣＦＴ柱１０の柱部１１の平断面図である。
本実施形態の柱部１１は、鋼管１１０とリブ１１２とを有している。鋼管１１０は、参考例の鋼管１００と同様に断面が角型に形成されている。リブ１１２は、鋼製であり鋼管１１０の長さ方向（すなわちＣＦＴ柱１０の軸方向）に沿って鋼管１１０の内部に設けられている。なお、図３に示すようにリブ１１２は、柱部１１の長さ方向の端部（仕口部１２の近く）で鋼管１１０と接合されている。また、この接合箇所以外では、リブ１１２は鋼管１１０と非接触になっている。
そして、鋼管１１０の内部にはコンクリート２００が充填されている。

仕口部１２は、鋼管１２０とダイアフラム１２２とを有している。
図５は仕口部１２の斜視図である。

鋼管１２０は、鋼管１１０と同様に断面が角型に形成されている。但し、鋼管１２０は鋼管１１０よりも柱の軸方向の長さが短くなっている。ダイアフラム１２２は、中央にコンクリート２００の充填用の円形の貫通孔１２ａが形成された鉄骨プレートであり、鋼管１２０と溶接によって接合されている。なお、図３に示すように、仕口部１２には耐火被覆３０を施しているので、鋼管１２０の内部に補強体（リブ）を設けなくてもよい。これにより、仕口部１２の製作の作業工数を削減することが可能である。

大梁２０は、断面が例えばＨ型の鉄骨製の梁であり、ＣＦＴ柱１０の仕口部１２と溶接によって接合されている。

耐火被覆３０は、例えば、珪酸カルシウムボード、石膏ボード、ロックウール、耐火塗料などであり耐火性能を高めるために設けられている。本実施形態では、仕口部１２と大梁２０とに耐火被覆３０が施されている。さらに本実施形態では、柱部１１のうち鋼管１１０とリブ１１２の接合箇所から仕口部１２までの鋼管１１０（図のＨの範囲）にも耐火被覆３０が施されている。これは、本実施形態ではリブ１１２と仕口部１２（ダイアフラム１２２）が接合されていないので、火災時に鋼管１１０のうちの図のＨの範囲の部分が熱劣化してしまうとリブ１１２による耐力の補強ができなくなるからである。本実施形態では、このＨの部分に耐火被覆３０を施しているので、火災の際にリブ１１２による耐力の補強を確実に行うことができる。通常、梁フランジ上端のＨの範囲には、床スラブのコンクリートがあり、熱から保護されている。従って、床スラブがある多くの場合では耐火被覆３０は不要となる。ただし、リブ１１２と鋼管１１０の溶接長さが床スラブ厚さを上回る（床スラブ天端より上に出る）場合は、耐火被覆３０により断熱保護を行う。

このように、本実施形態のＣＦＴ柱１０では、ＣＦＴ柱１０のうち柱部１１の鋼管１１０の内面にリブ１１２が設けられており、このリブ１１２は柱部１１の長さ方向の端部（両端部）で鋼管１１０と接合され、その接合箇所以外では鋼管１１０と非接触になっている。そして、鋼管１１０の内部に熱伝導率の小さいコンクリート２００が充填されている。

以上の構成により、もし火災の際に、鋼管１１０が耐力を喪失しても、リブ１１２で耐力を補強することができる。よって、柱部１１（図３のＨの部分を除く）を無耐火被覆とすることが可能であるので、耐火被覆の軽減を図ることができる。

＜製作工法について＞
次に、第１実施形態のＣＦＴ柱１０の製作工法について説明する。
図６Ａ〜図６Ｃは、第１実施形態のＣＦＴ柱の製作工法の説明図である。

まず、図６Ａに示すように、鋼管１１０を製作後、鋼管１１０の内部に両端がＬ字状に形成されたリブ１１２を挿入する。
そして、図６Ｂに示すように、鋼管１１０長さ方向の端部の内周面にリブ１１２の端部を溶接により接合する（図の太線部分）。これにより両端部が鋼管１１０と接合され、それ以外の箇所は鋼管１１０と非接触のリブ１１２を鋼管１１０の内部に設けることができる。
その後、工場において図６Ｃに示すように、柱部１１を仕口部１２のダイアフラム１２２と溶接により接合し、現場においてその内部にコンクリート２００を充填させる。

以上説明したように、本実施形態では柱部１１の鋼管１１０の内面にリブ１１２を設けている。このリブ１１２は柱部１１の長さ方向の両端側で鋼管１１０と接続され、それ以外の箇所では鋼管１１０と非接触になっている。また、リブ１１２と鋼管１１０の接合箇所には耐火被覆３０が施されている。よって、リブ１１２は外部の熱による影響を受けにくくなるので、火災の際に柱部１１の外周の鋼管１１０が耐力を喪失しても、リブ１１２で耐力を補強することができる。これにより、柱部１１を無耐火被覆とすることができるので、耐火被覆を軽減することが可能である。

また、本実施形態では、工場にて鋼管１１０を製作する際にリブ１１２を接合しておくことができる。よって、鋼管内に鉄筋を配筋する場合と比べて、ＣＦＴ柱１０の製作を簡易に行うことができる。

≪第２実施形態≫
図７は、第２実施形態のＣＦＴ柱と大梁との接合構造の説明図である。なお、図７において図３と同一構成の部分には同一符号を付し説明を省略する。

第２実施形態のＣＦＴ柱１０においても、第１実施形態と同様に柱部１１にリブ１１２が備えられており、このリブ１１２は柱部１１の長さ方向の端部で鋼管１１０の内周面と接合されている。
ただし、第２実施形態では、リブ１１２が仕口部１２のダイアフラム１２２にも接合されている。このように第２実施形態では、リブ１１２とダイアフラム１２２が接合しているので、柱部１１の鋼管１１０が完全に熱劣化してもリブ１１２によって耐力の補強を行うことができる。このため、第２実施形態では仕口部１２と大梁２０のみに耐火被覆３０が施されており、柱部１１は無耐火被覆となっている。よって、第２実施形態ではさらに耐火被覆の軽減を図ることができる。

＜製作工法について＞
図８Ａ〜図８Ｅは、第２実施形態のＣＦＴ柱の製作工法の説明図である。
まず、図８Ａに示すように、鋼管１１０を製作後、鋼管１１０の内部に両端がＬ字状に形成されたリブ１１２を挿入する。なお、第２実施形態では鋼管１１０の全長とリブ１１２の長さは等しくなっている。
そして、図８Ｂに示すように、鋼管１１０長さ方向の両端部の内周面にリブ１１２の端部を溶接により接合する。これにより柱部１１が形成される。
さらに、第２実施形態では、図８Ｃに示すように、柱部１１の両端にダイアフラム１２２を溶接により接合する。そして、その後、ダイアフラム１２２の貫通孔１２ａ（図５参照）を利用して、図８Ｄに示すように、鋼管１１０内のリブ１１２とダイアフラム１２２とを溶接により接合する。
そして、工場において、図８Ｅに示すように、ダイアフラム１１２と鋼管１２０とを溶接により接合し、現場においてその内部にコンクリート２００を充填する。

このように、第２実施形態では、リブ１１２を鋼管１１０と接合しているのに加え、リブ１１２を仕口部１２のダイアフラム１２２にも接合している。これにより、柱部１１を完全に無耐火被覆とすることができ、耐火被覆の軽減をさらに図ることができる。
なお、リブ１１２とダイアフラム１２２との接合は、ダイアフラム１２２のコンクリート充填用の貫通孔１２ａを利用して容易に行うことができる。

≪第２実施形態の変形例≫
図９Ａ〜図９Ｄは、第２実施形態のＣＦＴ柱の製作工法の変形例の説明図である。
なお、この変形例では、柱部１１の鋼管として、鋼管１１０よりも全長の短い（例えば半分の長さの）鋼管１１０Ａと鋼管１１０Ｂを用いる。また、鋼管１１０Ａ及び鋼管１１０Ｂのそれぞれの全長に対応した長さのリブ１１２Ａとリブ１１２Ｂを用いる。

この変形例では、図９Ａに示すように、まずリブ１１２Ａの一端をダイアフラム１２２に溶接する。同様にリブ１１２Ｂの一端をダイアフラム１２２に溶接する。
そして、図９Ｂに示すように、ダイアフラム１２２と接合されたリブ１１２Ａを鋼管１１０Ａに挿入する。同様にして、リブ１１２Ｂを鋼管１１０Ｂに挿入する。
挿入後、図９Ｃに示すように、ダイアフラム１２２と鋼管１１０Ａとを溶接により接合する。また、リブ１１２Ａの他端と鋼管１１０Ａの内周面とを溶接により接合する。同様に、ダイアフラム１２２と鋼管１１０Ｂとを溶接により接合し、リブ１１２Ｂの他端と鋼管１１０Ｂの内周面とを溶接により接合する。
そして、図９Ｄに示すように鋼管１１０Ａと鋼管１１０Ｂの端部を溶接により接合する。

この変形例においても、柱部１１を完全に無耐火被覆とすることができ、耐火被覆の軽減を図ることができる。
また、この変形例では、予めリブ１１２Ａ（１１２Ｂ）とダイアフラム１２２とを接合しているので、ＣＦＴ柱１０の製作をより簡易にすることができる。

なお、前述した各実施形態において、ＣＦＴ柱１０の柱部１１が複数の鋼管で構成され、現場で上下の鋼管を接合する場合、その接合箇所（以下、柱現場接合箇所ともいう）については、鋼管内のリブ同士を接合できないことになる。このような場合、柱現場接合箇所は、火災時の架構に作用するモーメント力を伝達出来ない。

図１０及び図１１は、柱現場接合箇所とモーメント力との関係の説明図である。なお、図１０及び図１１の左側はＣＦＴ柱１０と大梁２０との接合構造を示す図であり、右側はモーメント力を表した図である。

図１０の場合、下側の大梁２０に近い位置（例えば、下側の大梁２０よりも１メートル程度上の位置）でモーメント力がゼロになる。この場合、柱脚部よりも柱頭部でのモーメント力が大きくなり、柱頭部は柱脚部よりも大きな断面が必要となるが、火災時に作用する力に対してラーメン架構として抵抗できる。また、図１１のように階高の中央付近に柱現場接合箇所を設けた場合、柱脚部と柱頭部のモーメント力はほぼ同じ大きさとなり、柱脚部と柱頭部は同じ断面となり、より経済的な設計をすることができる。

以上のように、柱現場接合箇所においてリブ同士が接合されていなくても、柱部１１の表面の鋼管が熱劣化した場合に、鋼管内のリブとコンクリートとによって耐力を確保することができる。

上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。

例えば、前述した実施形態ではＣＦＴ柱１０は断面が角型であったが丸型であってもよい。また、前述した実施形態では、ＣＦＴ柱１０の各辺についてそれぞれ一つのリブ１１２を設けていたが、各辺に複数のリブ１１２を設けてもよい。なお、リブ１１２を多く形成することにより、より耐力を向上させることができる。また、前述した実施形態では鋼管１１０の内部にＦＢ材（フラットバー材）のリブ１１２を設けていたが、これには限られず、例えば、鋼管１１０の内部にＣＴ材やアングル材（Ｌ材）を設けても良い。

また、前述の実施形態では、柱部１１を無耐火被覆とするようにしていたが、耐火被覆３０の厚さを他の部分よりも薄くするようにしてもよい。この場合においても耐火被覆の軽減を図ることができる。

１０ ＣＦＴ柱、１１ 柱部、
１２ 仕口部、１２ａ 貫通孔、
２０ 大梁、３０ 耐火被覆、
１００，１１０，１２０ 鋼管、
１１２ リブ、１２２ ダイアフラム、
２００ コンクリート

Claims (6)

1. 鋼管の内部にコンクリートが充填された鋼管コンクリート柱であって、
   前記鋼管の内周面と複数箇所で接合されるとともに、前記複数箇所以外では前記鋼管と非接触である補強体を前記鋼管の内部に備える
   ことを特徴とする鋼管コンクリート柱。
2. 請求項１に記載の鋼管コンクリート柱であって、
   前記補強体は、前記鋼管コンクリート柱の軸方向に沿って形成された鋼製リブである
   ことを特徴とする鋼管コンクリート柱。
3. 請求項１又は請求項２に記載の鋼管コンクリート柱であって、
   前記鋼管コンクリート柱のうちの鉄骨梁との接合部には前記補強体がなく、且つ、耐火被覆が施されている
   ことを特徴とする鋼管コンクリート柱。
4. 請求項３に記載の鋼管コンクリート柱であって、
   前記接合部は前記コンクリートの充填用の貫通孔が形成されたダイアフラムを有し、
   前記鋼管は前記ダイアフラムと接合され、前記補強体は前記ダイアフラムと非接合である
   ことを特徴とする鋼管コンクリート柱。
5. 請求項４に記載の鋼管コンクリート柱であって、
   前記鋼管と前記補強体とが接合された前記複数箇所のうち前記接合部に最も近い箇所から前記接合部までの前記鋼管に前記耐火被覆が施されている
   ことを特徴とする鋼管コンクリート柱。
6. 請求項３に記載の鋼管コンクリート柱であって、
   前記接合部は前記コンクリートの充填用の貫通孔が形成されたダイアフラムを有し、
   前記補強体は前記ダイアフラムと接合されている
   ことを特徴とする鋼管コンクリート柱。

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