JP7720217B2 - 柱梁架構 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管柱と鉄筋コンクリート壁とを備える合成構造の柱梁架構に関する。

従来より、鉄骨柱と鉄筋コンクリート壁との接合構造が知られている（特許文献１～３参照）。
特許文献１には、鋼管柱と、この鋼管柱に接合された耐震壁と、を有する鋼管柱構造体が示されている。鋼管柱のうち耐震壁のストラット応力が作用する個所には、増肉加工がされている。
特許文献２には、鉄筋コンクリート造の耐震壁と鋼管柱との接合構造が示されている。鋼管柱の外面には、スタッドボルトや溝形部材などの剪断力伝達部材が突設され、この剪断力伝達部材は、耐震壁のコンクリートに埋め込まれている。鋼管柱は、内部にコンクリートが充填されたコンクリート充填鋼管柱となっている。

特許文献３には、Ｈ形鋼柱とＲＣ耐震壁との接合構造が示されている。Ｈ形鋼柱のウエブには、複数の剪断力伝達部材が設けられ、これら剪断力伝達部材は、ＲＣ耐震壁に埋設されている。
特許文献４には、ＲＣ柱と、このＲＣ柱の上端部に結合された、水平方向に適宜間隔を空けて配置された一対の鉄骨梁と、を備える壁構造が示されている。

特開２０００－３５２１５３号公報 特開平１１－３２４１０８号公報 特開２００２－２２７３２７号公報 特開平０６－１２９０４２号公報

本発明は、鋼管柱と容易かつ高い接合強度で接合でき、かつ、スパン長さに合わせて梁長さを自在に調整できる、柱梁架構を提供することを課題とする。

本発明者らは、鉄筋コンクリート壁を含む鉄骨系架構において、一対をなす鋼管柱同士を、フランジを有する端部鋼材と中央部鋼材とを備えた合成梁で連結することで、スパン長さに応じで梁長さを自在に調整でき、かつ、鋼管柱と合成梁を高い接合強度で接合できる点に着眼して、本発明に至った。
第１の発明の柱梁架構（例えば、後述の柱梁架構１）は、鋼管柱（例えば、後述のＣＦＴ柱３０）と鉄筋コンクリート壁（例えば、後述の鉄筋コンクリート壁５０）とを備える合成構造の柱梁架構であって、一対の鋼管柱と、前記一対の鋼管柱同士を連結する梁（例えば、後述の中間合成梁４０Ａ、上側合成梁４０Ｂ）と、前記一対の鋼管柱同士の間に設けられた鉄筋コンクリート壁と、を備え、前記梁は、前記鋼管柱に接合されたフランジ（例えば、後述のフランジ４６）を有する一対の端部鋼材（例えば、後述の端部鋼材４１）と、前記一対の端部鋼材同士を連結する中央部鋼材（例えば、後述の中央部鉄筋４２、ウエブ４７）と、前記端部鋼材および前記中央部鋼材が埋設されたコンクリート体（例えば、後述のコンクリート体４５）と、を備えていることを特徴とする。

この発明によれば、鋼管柱および鉄筋コンクリート壁を備える合成構造として、一対の鋼管柱同士を、端部鋼材および中央部鋼材を備えた合成梁で連結した。よって、梁端部の端部鋼材を鋼管柱に接合したので、梁と鋼管柱と容易かつ高い接合強度で接合できる。また、一対の鋼管柱同士を連結する合成梁は、端部鋼材および中央部鋼材を覆うようにコンクリート体を形成すれば良く、施工が比較的容易である。
また、中央部鋼材として鉄筋を用いた場合には、梁の全長に亘って鋼材を配置するのではなく、梁の端部のみにフランジを有する鋼材を配置するので、スパン長さに合わせて梁長さを自在に調整可能であり、建物の設計の自由度を高めることができる。

第２の発明の柱梁架構は、前記梁のコンクリート体の両側面のうち少なくとも一方は、前記鉄筋コンクリート壁の壁面と面一または前記鉄筋コンクリート壁の壁面よりも内側に位置することを特徴とする。
この発明によれば、梁の少なくとも一側面を、鉄筋コンクリート壁の壁面と面一または鉄筋コンクリート壁の壁面よりも内側に配置した。よって、梁型が鉄筋コンクリート壁の壁面から突出しないから、使い勝手の良い屋内空間または屋外空間を実現できる。

第３の発明の柱梁架構は、前記鉄筋コンクリート壁の縦筋は、前記縦筋の端部が前記梁のコンクリート体の内部に位置する、あるいは、前記縦筋が前記梁のコンクリート体を貫通することで、前記梁のコンクリート体に定着されることを特徴とする。
この発明によれば、鉄筋コンクリート壁の縦筋の端部を梁のコンクリート体の内部に位置させる、あるいは、この縦筋を梁のコンクリート体に貫通させることで、鉄筋コンクリート壁の縦筋を梁のコンクリート体に定着させた。よって、鉄筋コンクリート壁の縦筋に特別な加工を行うことなく、鉄筋コンクリート壁の縦筋を梁のコンクリート体に定着させることができ、強固な合成構造を実現できる。

第４の発明の柱梁架構は、前記端部鋼材は、Ｈ形鋼と、前記Ｈ形鋼のウエブに沿ってまたは前記ウエブと交差方向に延びる補剛プレートと、を備え、前記中央部鉄筋は、前記補剛プレートに接合されることを特徴とする。
この発明によれば、Ｈ形鋼に補剛プレートを設け、この補剛プレートに中央部鉄筋を接合したので、補剛プレートにより端部鋼材の剛性を向上できる。

本発明によれば、鋼管柱と容易かつ高い接合強度で接合でき、かつ、スパン長さに合わせて梁長さを自在に調整できる、柱梁架構を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る柱梁架構の側面図である。 第１実施形態に係る柱梁架構の鉄筋コンクリート壁の配筋状況を示す側面図およびＩ－Ｉ断面図である。 図２の柱梁架構１のＩＩ－ＩＩ断面図である。 第１実施形態に係る柱梁架構の合成梁の構造を示す側面図である。 図４の柱梁架構の破線Ａで囲んだ部分（中間合成梁）の拡大図である。 図５の中間合成梁のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図およびＩＶ－ＩＶ断面図である。 図３の柱梁架構の破線Ｂで囲んだ部分の拡大図である。 第１実施形態に係る柱梁架構に地震力が作用した場合の応力伝達機構を示す模式図である。 本発明の第１参考例に係る柱梁架構の部分拡大図（中間合成梁）である。 図９の中間合成梁のＶ－Ｖ断面図およびＶＩ－ＶＩ断面図である。 本発明の第２参考例に係る柱梁架構の部分拡大図（中間合成梁）である。 図１１の中間合成梁のＶＩＩ－ＶＩＩ断面図およびＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ断面図である。 本発明の第２実施形態に係る柱梁架構の部分拡大図（中間合成梁）である。 図１３の中間合成梁のＩＸ－ＩＸ断面図およびＸ－Ｘ断面図である。 本発明の変形例に係る柱梁架構の部分拡大図である。

本発明は、建物の地上階または鋼管柱が構真柱として使用される建物の地下階において、建物躯体を構成する一対の鋼管柱と鉄筋コンクリート壁とを備える合成構造の柱梁架構である。本発明の柱梁架構の特徴は、一対の鋼管柱同士を連結する合成梁を、鋼管柱に接合されたフランジを有する一対の端部鋼材と、一対の端部鋼材同士を連結する中央部鋼材と、端部鋼材および中央部鋼材を覆うコンクリート体と、を含んで構成した点である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る柱梁架構１の側面図である。図２（ａ）は、柱梁架構１の鉄筋コンクリート壁５０の配筋状況を示す側面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の柱梁架構１のＩ－Ｉ断面図である。図３は、図２（ａ）の柱梁架構１のＩＩ－ＩＩ断面図である。
柱梁架構１は、一対の鉄筋コンクリート造の場所打ち杭１０と、一対の場所打ち杭１０の上に設けられた鉄筋コンクリート造の基礎梁２０と、この基礎梁２０の上に設けられて下端が場所打ち杭１０に埋設された一対の鋼管柱としてのＣＦＴ柱３０と、基礎梁２０の直上に位置し一対のＣＦＴ柱３０同士を連結する中間合成梁４０Ａと、中間合成梁４０Ａの直上に位置して一対のＣＦＴ柱３０同士を連結する上側合成梁４０Ｂと、一対のＣＦＴ柱３０の間に設けられた鉄筋コンクリート壁５０（図１中斜線で示す）と、を備える。

図４は、柱梁架構１の中間合成梁４０Ａおよび上側合成梁４０Ｂの構造を示す側面図である。図５は、図４の柱梁架構１の破線Ａで囲んだ部分（中間合成梁４０Ａ）の拡大図である。図６（ａ）は、図５の中間合成梁４０ＡのＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。図６（ｂ）は、図５の中間合成梁４０ＡのＩＶ－ＩＶ断面図である。図７は、図３の柱梁架構１の破線Ｂで囲んだ部分の拡大図である。なお、図４および図５では、理解の容易のため、梁筋４３およびあばら筋４４の表示を省略している。
図７に示すように、ＣＦＴ（Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｆｉｌｌｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｔｕｂｅ）柱３０は、角形鋼管である鋼管３１と、鋼管３１の内部にコンクリートを充填して形成されたコンクリート体３２と、を備える。ＣＦＴ柱３０の鉄筋コンクリート壁５０との接合面である側面には、スタッド材３３が上下方向に２列に並んで設けられている。また、ＣＦＴ柱３０の下端部は、基礎梁２０を貫通して、場所打ち杭１０に埋設されている。

以下、中間合成梁４０Ａについて説明するが、上側合成梁４０Ｂも中間合成梁４０Ａと同様の構成である。
中間合成梁４０Ａは、一対のＣＦＴ柱３０の鋼管３１に溶接接合された一対のＨ形鋼である端部鋼材４１と、一対の端部鋼材４１同士を連結する１０本の中央部鋼材としての中央部鉄筋４２と、中間合成梁４０Ａの全長に亘って設けられた４本の梁筋４３と、端部鋼材４１および中央部鉄筋４２を囲んで所定間隔おきに設けられた閉鎖型のあばら筋４４と、端部鋼材４１、中央部鉄筋４２、梁筋４３、あばら筋４４が埋設されたコンクリート体４５と、を備える。
端部鋼材４１は、上下に配置されて水平方向に延びるフランジ４６と、これらフランジ４６同士を連結して鉛直方向に延びるウエブ４７と、を備える。端部鋼材４１のウエブ４７の両側面には、長ナットであるカプラ４８が５本ずつ溶接固定されている。中央部鉄筋４２は、両端部に雄ねじが形成された異形鉄筋であり、中央部鉄筋４２の両端部は、これらカプラ４８に螺合されている。これにより、中央部鉄筋４２は、端部鋼材４１のウエブ４７に接合されている。
また、梁筋４３は、ＣＦＴ柱３０には定着されていない。

鉄筋コンクリート壁５０は、基礎梁２０、一対のＣＦＴ柱３０、および上側合成梁４０Ｂに囲まれた空間に設けられており、中間合成梁４０Ａは、鉄筋コンクリート壁５０の中間高さに位置している。合成梁４０Ａ、４０Ｂのコンクリート体４５の両側面は、鉄筋コンクリート壁５０の壁面と面一となっている。
図７にも示すように、鉄筋コンクリート壁５０は、縦筋５１および横筋５２がダブル配筋されている。この鉄筋コンクリート壁５０の横筋５２の両端部には、略コの字形状の壁補強筋５３が、ダブル配筋された横筋５２に跨がって重ね継手で取り付けられている。また、鉄筋コンクリート壁５０の四隅の部分（図２（ａ）中破線Ｒで示す部分）には、巾止め筋５４が設けられている。
また、鉄筋コンクリート壁５０のダブル配筋された縦筋５１は、下端が基礎梁２０に定着され、中間合成梁４０Ａのコンクリート体４５を貫通し、上端が上側合成梁４０Ｂのコンクリート体４５内に定着されている。

以上の柱梁架構１によれば、図８に示すように、地震力Ｈが加わると、鉄筋コンクリート壁５０の上部（中間合成梁４０Ａよりも上側の部分）のコンクリート圧縮束Ｐ１、鉄筋コンクリート壁５０の下部（中間合成梁４０Ａよりも下側の部分）のコンクリート圧縮束Ｐ２、および、鉄筋コンクリート壁５０全体の圧縮束ＰＡが、この水平力Ｈに抵抗する。
このとき、合成梁４０Ａ、４０Ｂには引張力が作用するが、カプラ４８を用いて端部鋼材４１と中央部鉄筋４２とを連結したので、ＣＦＴ柱３０、端部鋼材４１、カプラ４８、中央部鉄筋４２の順に引張力が確実に伝達される。

また、合成梁４０Ａ、４０Ｂの端部鋼材４１が鉄筋コンクリート壁５０に定着されているので、合成梁４０Ａ、４０Ｂの端部鋼材４１の支圧抵抗に対してフランジ間のコンクリートの補剛効果が得られる。
また、合成梁４０Ａ、４０Ｂの端部鋼材４１は、フランジの支圧および引張材として機能することにより、各層の圧縮束Ｐ１、Ｐ２の形成に寄与している。
また、鉄筋コンクリート壁５０の縦筋５１が合成梁４０Ａ、４０Ｂに定着されることで、全体の圧縮束ＰＡの形成に寄与している。
また、端部鋼材４１のフランジ面と接するコンクリートが支圧により圧縮強度が上昇することを考慮すると、図６に示すように、端部鋼材４１のフランジ幅Ｔは、壁厚Ｗの１／３以上とすることが好ましい。また、端部鋼材４１のフランジ面と接するコンクリートが支圧により圧縮強度が上昇することを考慮すると、図７に示すように、鉄筋コンクリート壁の壁厚Ｗは、ＣＦＴ柱３０の幅Ｄの１／３～２／３程度が好ましい。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）ＣＦＴ柱３０および鉄筋コンクリート壁５０を備える合成構造として、一対のＣＦＴ柱３０同士を、端部鋼材４１および中央部鉄筋４２を備えた合成梁４０Ａ、４０Ｂで連結した。梁端部の端部鋼材４１をＣＦＴ柱３０の鋼管３１に接合したことにより、合成梁４０Ａ、４０ＢとＣＦＴ柱３０と容易かつ高い接合強度で接合できる。また、合成梁４０Ａ、４０Ｂの梁長さが容易に調整可能であり、建物の設計の自由度を高めることができる。
（２）合成梁４０Ａ、４０Ｂの全長に亘って鋼材を配置するのではなく、合成梁４０Ａ、４０Ｂの端部のみに端部鋼材４１を配置するので、スパン長さに合わせて梁長さを自在に調整でき、施工性が良好である。

（３）合成梁４０Ａ、４０Ｂの両側面を、鉄筋コンクリート壁５０の壁面と面一とした。よって、合成梁４０Ａ、４０Ｂの梁型が鉄筋コンクリート壁５０の壁面から突出しないから、使い勝手の良い屋内空間または屋外空間を実現できる。
（４）鉄筋コンクリート壁５０の縦筋５１の端部を合成梁４０Ｂのコンクリート体４５の内部に位置させるとともに、この縦筋５１を合成梁４０Ａのコンクリート体４５に貫通させることで、鉄筋コンクリート壁５０の縦筋５１を合成梁４０Ａ、４０Ｂのコンクリート体４５に定着させた。よって、鉄筋コンクリート壁５０の縦筋５１に特別な加工を行うことなく、鉄筋コンクリート壁５０の縦筋５１を合成梁４０Ａ、４０Ｂのコンクリート体４５に定着させることができ、強固な合成構造を実現できる。

〔第１参考例〕
図９は、本発明の第１参考例に係る柱梁架構１Ａの部分拡大図（中間合成梁６０）である。図１０（ａ）は、図９の中間合成梁６０のＶ－Ｖ断面図である。図１０（ｂ）は、図９の中間合成梁６０のＶＩ－ＶＩ断面図である。なお、図９では、理解の容易のため、梁筋４３およびあばら筋４４の表示を省略している。
本参考例では、中央部鉄筋４２を端部鋼材４１のフランジ４６に接合した点が第１実施形態と異なり、その他の構成は、第１実施形態と同様である。すなわち、端部鋼材４１の上側のフランジ４６の上面および下側のフランジ４６の下面には、それぞれ、長ナットであるカプラ４８が３本ずつ溶接固定されている。中央部鉄筋４２は、両端部に雄ねじが形成された異形鉄筋であり、中央部鉄筋４２の両端部は、これらカプラ４８に螺合されている。
本参考例によれば、上述の（１）～（４）と同様の効果がある。

〔第２参考例〕
図１１は、本発明の第２参考例に係る柱梁架構１Ｂの部分拡大図（中間合成梁７０）である。図１２（ａ）は、図１１の中間合成梁７０のＶＩＩ－ＶＩＩ断面図である。図１２（ｂ）は、図１１の中間合成梁７０のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ断面図である。なお、図１１では、理解の容易のため、梁筋４３およびあばら筋４４の表示を省略している。
本参考例では、端部鋼材７１の構成が第１実施形態と異なり、その他の構成は、第１実施形態と同様である。

すなわち、端部鋼材７１は、フランジ４６およびウエブ４７からなるＨ形鋼７２と、Ｈ形鋼７２のフランジ４６およびウエブ４７に交差する方向に延びる補剛プレート７３と、を備える。この端部鋼材７１の長さＬは、端部鋼材４１の長さよりも短くすることが可能である。
補剛プレート７３の梁端部側には、ナット７４が１０本溶接固定されており、中央部鉄筋４２の両端部は、補剛プレート７３を貫通してナット７４に螺合されている。これにより、中央部鉄筋４２は、端部鋼材４１の補剛プレート７３に接合されている。
本参考例によれば、上述の（１）～（４）に加えて、以下のような効果がある。
（５）Ｈ形鋼７２に補剛プレート７３を設け、この補剛プレート７３に中央部鉄筋４２を接合したので、補剛プレート７３により端部鋼材７１の剛性を向上できる。

〔第２実施形態〕
図１３は、本発明の第２実施形態に係る柱梁架構１Ｃの部分拡大図（中間合成梁８０）である。図１４（ａ）は、図１３の中間合成梁８０のＩＸ－ＩＸ断面図である。図１４（ｂ）は、図１３の中間合成梁８０のＸ－Ｘ断面図である。なお、図１３では、理解の容易のため、梁筋４３およびあばら筋４４の表示を省略している。
本実施形態では、中間合成梁８０の中央部の構成が第１実施形態と異なり、その他の構成は、第１実施形態と同様である。
すなわち、中間合成梁８０の中央部では、中央部鉄筋が設けられておらず、端部鋼材４１のウエブ４７が延長されている。
本実施形態によれば、上述の（１）、（３）、（４）と同様の効果がある。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上述の各実施形態では、長ナットであるカプラ４８やナット７４を介して、中央部鉄筋４２を端部鋼材４１に接合したが、これに限らず、直接、中央部鉄筋４２を端部鋼材４１に溶接固定してもよい。
また、上述の第１実施形態では、合成梁４０Ａ、４０Ｂの両側面を鉄筋コンクリート壁５０の壁面と面一としたが、これに限らない。例えば、変形例として、図１５に示すように、合成梁４０Ａ、４０Ｂのコンクリート体４５の建物内部側（室内側）の側面Ｃ１を、鉄筋コンクリート壁５０の壁面と面一とし、建物外部側の側面Ｃ２を、鉄筋コンクリート壁５０の壁面から外側に突出させてもよい。あるいは、合成梁４０Ａ、４０Ｂの建物内部側（室内側）の側面を、鉄筋コンクリート壁５０の壁面よりも内側に配置してもよい。

また、上述の各実施形態では、鉄筋コンクリート壁５０の下部を基礎梁２０に接合したが、これに限らず、鉄筋コンクリート壁５０の下部を、建物中間階の梁に接合してもよい。
また、上述の各実施形態では、鉄筋コンクリート壁５０の中間高さに位置する中間合成梁４０Ａを一つとしたが、これに限らず、鉄筋コンクリート壁の中間高さに位置する中間合成梁を複数設けてもよい。
また、上述の各実施形態では、中間合成梁４０Ａの高さ位置を、鉄筋コンクリート壁５０の略中央としたが、中間合成梁４０Ａの高さ位置は特に限定されない。
また、上述の各実施形態では、鉄筋コンクリート壁５０の中間高さに中間合成梁４０Ａを設け、鉄筋コンクリート壁５０の上端に上側合成梁４０Ｂを設けたが、これに限らず、中間合成梁または上側合成梁部材のみとしてもよい。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…柱梁架構 １０…場所打ち杭 ２０…基礎梁
３０…ＣＦＴ柱（鋼管柱） ３１…鋼管 ３２…コンクリート体
３３…スタッド材
４０Ａ…中間合成梁 ４０Ｂ…上側合成梁 ４１…端部鋼材
４２…中央部鉄筋（中央部鋼材） ４３…梁筋 ４４…あばら筋
４５…コンクリート体 ４６…フランジ
４７…ウエブ（中央部鋼材） ４８…カプラ
５０…鉄筋コンクリート壁 ５１…縦筋 ５２…横筋 ５３…壁補強筋
５４…巾止め筋
６０…中間合成梁 ７０…中間合成梁 ７１…端部鋼材 ７２…Ｈ形鋼
７３…補剛プレート ７４…ナット

Claims (3)

1. 鋼管柱と鉄筋コンクリート壁とを備える合成構造の柱梁架構であって、
   一対の鋼管柱と、
   前記一対の鋼管柱同士を連結する梁と、
   前記一対の鋼管柱同士の間に設けられた鉄筋コンクリート壁と、を備え、
   前記梁は、前記一対の鋼管柱に設けられた一対の端部鋼材と、前記一対の端部鋼材同士を連結する中央部鋼材と、前記端部鋼材および前記中央部鋼材が埋設されたコンクリート体と、を備え、
   前記一対の端部鋼材は、それぞれ、前記鋼管柱に接合された上下一対のフランジと、前記鋼管柱に接合されて前記上下のフランジ同士を連結するウエブと、を備え、
   前記中央部鋼材は、前記一対の端部鋼材のウエブ同士を連結する中央部鉄筋、あるいは、前記端部鋼材のウエブを延長したものであることを特徴とする柱梁架構。
2. 前記梁のコンクリート体の両側面のうち少なくとも一方は、前記鉄筋コンクリート壁の壁面と面一または前記鉄筋コンクリート壁の壁面よりも内側に位置することを特徴とする請求項１に記載の柱梁架構。
3. 前記鉄筋コンクリート壁の縦筋は、前記縦筋の端部が前記梁のコンクリート体の内部に位置する、あるいは、前記縦筋が前記梁のコンクリート体を貫通することで、前記梁のコンクリート体に定着されることを特徴とする請求項１または２に記載の柱梁架構。