JP5399014B2 - 構造材と固定端の接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、構造材とこれが接合される固定端とを考慮に入れて、超高強度コンクリートの採用を前提とすることなく、圧壊の発生原因である曲げモーメントによる応力を、ヒンジが発生する箇所またはヒンジが発生する前にコンクリートの圧壊が顕著に生じ得る箇所に絞って効果的に低減することが可能な構造材と固定端の接合構造に関する。

柱部材は、上方からの軸力を負担する構造材である。例えば、建築物一階のＲＣ柱は、材端部である柱脚部が通常、一階の床スラブを含む基礎梁やフーチングなどの固定端に接合される。このＲＣ柱が、上層階から高軸力を受けつつ、横方向の地震力を受けて変形が進むと、図８に示すように、固定端ａと接合されたＲＣ柱ｂの柱脚部ｃ下端縁に、曲げモーメントに起因するヒンジが生じて、コンクリートの圧壊ｄが発生する。圧壊ｄが発生すると、ＲＣ柱ｂの曲げ耐力は急激に減少する。また、圧壊による断面欠損は、ＲＣ柱ｂの軸方向耐力を減少させる。

この種の現象は、柱梁仕口部が固定端となる各階の柱部材の柱脚部でも、同様に起こり得る。柱部材については、この他にも、地震力で軸力が小さくなる、いわゆる引張側の柱であったり、コア壁で地震力を負担するようにした建築物の外周柱等にあっても、同様のことが言える。さらに、建築物最上階の柱部材の柱頭部とこれが接合される屋上スラブとの間でも、圧壊は生じ得る。

また、柱部材以外で、上方からの軸力を負担する構造材として、杭部材や壁杭部材、壁部材がある。杭部材や壁杭部材では、材端部となる杭頭部が基礎梁やフーチングなどの固定端に接合される。壁部材では、上端部や下端部が梁や床スラブなどの固定端に接合される。これら柱部材以外の構造材であっても、上方からの軸力を受けつつ、横方向の地震力を受けると、曲げモーメントに起因するヒンジが材端部に生じて、コンクリートの圧壊が発生し得る。

この種の問題に対処すべく、コンクリート柱のみを対象とした技術として、特許文献１の「鉄筋コンクリート柱構造」や特許文献２の「プレキャストコンクリート部材」が知られている。

特許文献１は、地震時のかぶりコンクリートの圧壊、剥離を防止するとともに材料費を低減することを目的として、柱の下端部のかぶりコンクリートと、その他の部分のコンクリートとが異なる配合のコンクリートで形成されている鉄筋コンクリート柱構造であって、前記下端部のかぶりコンクリートは、超高強度高靭性コンクリート製のプレキャスト筒体で形成されており、前記その他の部分のコンクリートは、超高強度コンクリートで形成されているものである。

特許文献２は、耐震性および耐久性に優れ、経済的で工期を短縮することができる高強度・高靭性・高耐久性のプレキャストコンクリート柱として使用することを目的として、超高強度コンクリートまたは超高強度モルタルで中空の外殻体を形成し、該外殻体の中空部を必要な耐震性能に応じた形状にし、大きな応力が作用する箇所を厚肉にし、小さな応力が作用する箇所を薄肉にするものである。
特開２００５−１４６６０１号公報 特開２００６−２３３５４８号公報

これら特許文献では、構造材単体で、圧壊を防止したり、靭性や耐久性の向上を狙って対策を施したものであって、構造材が接合される相手である固定端まで考慮したものではなく、得られる構造性能に限界があるという課題があった。また、これら特許文献は、超高強度コンクリートを採用することを前提としていて、材料費が嵩んでしまうという課題があった。

本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、構造材とこれが接合される固定端とを考慮に入れて、超高強度コンクリートの採用を前提とすることなく、圧壊の発生原因である曲げモーメントによる応力を、ヒンジが発生する箇所またはヒンジが発生する前にコンクリートの圧壊が顕著に生じ得る箇所に絞って効果的に低減することが可能な構造材と固定端の接合構造を提供することを目的とする。

本発明にかかる構造材と固定端の接合構造は、構造材の材端部と接合される固定端に、該構造材の材端部の外回りに沿って溝を形成し、該溝は、上記固定端を区分けしてその内側に、上記構造材の材端部を取り囲む材端部周辺部を形成し、該材端部周辺部の変形を許容して当該構造材と該固定端との間に生じる応力の一部を解放することを特徴とする。

前記溝には、前記固定端よりも低圧縮強度の充填材が充填されることを特徴とする。

前記溝には、前記固定端よりも低剛性の充填材が充填されることを特徴とする。

本発明にかかる構造材と固定端の接合構造にあっては、構造材とこれが接合される固定端とを考慮に入れて、超高強度コンクリートの採用を前提とすることなく、圧壊の発生原因である曲げモーメントによる応力を、ヒンジが発生する箇所またはヒンジが発生する前にコンクリートの圧壊が顕著に生じ得る箇所に絞って効果的に低減することができる。詳細には、曲げモーメントに起因するヒンジ発生により、圧縮側の構造材の材端部が材端部周辺部にめり込む挙動を呈すると、構造材材端部と固定端の接合境界で応力が増加し、これに伴って溝よりも内側の材端部周辺部の応力も増加する。材端部周辺部は溝に面しているため、増加した応力に応じた膨らむ変形が生じる。すなわち、溝は、材端部周辺部の膨らむ変形を許容する。材端部周辺部の膨らむ変形を許容できることにより、構造材材端部と固定端の接合境界、ひいては構造材材端部で増加する曲げモーメントに起因する応力を部分的に解放することができる。

以下に、本発明にかかる構造材と固定端の接合構造の好適な実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１および図２には、本発明にかかる構造材と固定端の接合構造の第１実施形態が示されている。第１実施形態にあっては、上方から軸力を受ける構造材として、上層階からの荷重を負担する建築物１階のＲＣ柱１を例示して説明する。

ＲＣ柱１自体の構造は従来周知のものであって、柱コンクリート２の内部に、柱の周方向に間隔を隔てて配筋した柱主筋３と、これら柱主筋３を取り囲んで柱の高さ方向に間隔を隔てて配筋したフープ筋４とを埋設して形成される。コンクリート材料としては、普通コンクリートでも、高強度・超高強度コンクリートであってもよく、また補強材として鋼繊維やカーボン繊維、樹脂繊維等を混入したものであってもよい。また、ＲＣ柱１は、中空外殻プレキャストコンクリート柱部材に中詰めコンクリートを充填したものであっても、中実プレキャストコンクリートであっても、コンクリートを現場打ちして構築されるものであってもよい。

図示にあっては、ＲＣ柱１の材軸端部である柱脚部１ａ周辺が示されている。建築物１階のＲＣ柱１の柱脚部１ａ周辺には、縦横に配設される基礎梁５の交差部に、杭部材６上に位置させてフーチング７が設けられる。基礎梁５上には、建築物１階の床スラブ８が敷設される。これら基礎梁５や杭部材６、フーチング７、床スラブ８はＲＣ構造で構築される。床スラブ８上には、基礎梁５と結合しつつフーチング７上に立ち上げて、ＲＣ柱１が設けられる。ＲＣ柱１の材軸端部である柱脚部１ａは、床スラブ８を含む基礎梁５を固定端として接合してもよいし、フーチング７を固定端として接合してもよい。本実施形態にあっては、床スラブ８を含む基礎梁５を固定端としている。

固定端となる床スラブ８の上面には、ＲＣ柱１の柱脚部１ａの外周縁に沿って、ＲＣ柱１と床スラブ８との間に生じる応力の一部を解放するための応力緩和部として、溝９が形成される。柱脚部１ａの外周縁は具体的には、床スラブ８上面に現れる柱脚部１ａとの接合境界Ｂ（図３参照）である。溝９は、柱脚部１ａの外回り、詳細には接合境界Ｂよりも外側に、当該接合境界Ｂに沿って配置される。

溝９は、これにより床スラブ８上面を区分けしてその内側に、柱脚部１ａを取り囲む床スラブ８の柱脚部周辺部８ａを形成する（図３参照）。そして溝９は、軸力を負担しつつ横方向の地震力を受けることでＲＣ柱１に発生する曲げモーメントに起因するヒンジが柱脚部周辺部８ａに生じた際に、このヒンジ発生によって柱脚部周辺部８ａがＲＣ柱１で押圧されて僅かながら膨れる変形Ｄ（図３参照）を許容し、これによりＲＣ柱１と床スラブ８との間で発生する応力の一部を解放する空隙となる。柱脚部周辺部８ａが膨れる変形量は、応力解析により推定可能である。

溝９の内回りの内径寸法は、柱脚部周辺部８ａに発生する膨れる変形Ｄを、溝９内方へ向けて生じさせ、これにより応力をスムーズに解放するために、柱脚部１ａの外径寸法よりも僅かに大きく設定される。溝９の深さ寸法は、膨らむ変形Ｄを許容できる適宜深さに設定される。溝９の外径寸法は、内径寸法との関係で溝幅を決定するもので、柱脚部周辺部８ａの膨れる変形Ｄを妨げず、床スラブ８の必要強度を損なわずかつＲＣ柱１回りへの接近を過度に妨げないように、適宜に設定される。溝９の形成については、高い寸法精度が得られるように、型枠などを用いて予め床スラブ８に形成しておくことが好ましいが、ＲＣ柱１設置後に斫るなどして形成してもよい。また、柱脚部周辺部８ａには、鉄筋などの補強材は配筋されない。

溝９は、本実施形態にあっては図２に示すように、床スラブ８上面位置におけるＲＣ柱１の平断面外形輪郭に沿って、当該ＲＣ柱１の全周に亘り環状に連続して形成される。図示例にあっては、ＲＣ柱１の平断面外形輪郭が四角形状であるので、溝９も四角形状に形成されている。ＲＣ柱１の平断面外形輪郭が円形状あるいは多角形状である場合には、溝９も円形状もしくは多角形状に形成される。

本実施形態にあっては、溝９は単一の連続する環状に形成されているが、ＲＣ柱１の回りに断続的に形成される複数の溝９であってもよい。溝９が断続的に形成される場合には、連続的に形成する場合に比べて、溝９を分断する箇所により、柱脚部１ａ回りが補強される。

床スラブ８の強度は、応力の一部が溝９によって解放されたＲＣ柱１に残る応力によって当該ＲＣ柱１に圧壊が生じない強度に設定される。

次に、本実施形態にかかる構造材と固定端の接合構造の作用について説明する。図３（ａ）に示すように、通常時は、上層階から加わる軸力は、建築物１階のＲＣ柱１からそのまま直下の杭部材６へ向かって流れて、地盤で支持される。従って、この通常時には、床スラブ８に形成した応力緩和部としての溝９が機能することはなく、一般的な建築物と同様である。

他方、図３（ｂ）に示すように、軸力を負担している状態で横方向の地震力を受けると、ＲＣ柱１の柱脚部１ａには、曲げモーメントに起因するヒンジが生じる。このヒンジ発生により、圧縮側の柱脚部１ａが柱脚部周辺部８ａにめり込む挙動を呈すると、柱脚部１ａと床スラブ８の接合境界Ｂで応力が増加し、これに伴って溝９よりも内側の柱脚部周辺部８ａの応力も増加する。柱脚部周辺部８ａは空隙である溝９に面しているため、増加した応力に応じた膨らむ変形Ｄが生じる。すなわち、溝９は、柱脚部周辺部８ａの膨らむ変形Ｄを許容する。

このように、溝９によって柱脚部周辺部８ａの膨らむ変形Ｄを許容できることにより、柱脚部１ａと床スラブ８の接合境界Ｂ、ひいてはＲＣ柱１の柱脚部１ａで増加する曲げモーメントに起因する応力を部分的に解放することができる。膨れる変形Ｄを呈する床スラブ８側の柱脚部周辺部８ａは、弾性域もしくは塑性域での変形により、応力をスムーズに解放することができる。

そして、柱脚部１ａで増加する応力を部分的に解放することができるので、図４に示すように、溝がない場合と対比して、ＲＣ柱１の水平変位が進行しても、ＲＣ柱１の曲げ耐力を維持することができ、当該柱脚部１ａでの圧壊発生を遅延させたり、圧壊発生を防止することができる。これにより、ＲＣ柱１の曲げ耐力をより長く維持することができる。また圧壊発生を防止できるので、ＲＣ柱１に断面欠損が生じることもなく、ＲＣ柱１の軸方向耐力も維持することができる。

以上説明したように、本実施形態にかかる構造材と固定端の接合構造にあっては、ＲＣ柱１とこれが接合される床スラブ８とを考慮に入れて、背景技術で述べられているような超高強度コンクリートの採用を前提とすることなく、圧壊の発生原因である曲げモーメントによる応力を、ヒンジが発生する箇所またはヒンジが発生する前にコンクリートの圧壊が顕著に生じ得る箇所に絞って効果的に低減することができる。

溝９を、ＲＣ柱１の外回りに沿って配置するようにしたので、ＲＣ柱１回りのいかなる方向にヒンジが発生しても、圧壊発生を防止することができる。溝９を断続的に複数形成した場合には、連続的に形成する場合に比べて、溝９を分断する箇所によって、柱脚部１ａ回りを補強することができる。

上記実施形態にあっては、床スラブ８を含む基礎梁５を固定端とした場合について説明したが、フーチング７を固定端とした場合であっても、同様に溝９を形成することで、同様の作用効果を得ることができる。

図５には、上記実施形態の変形例が示されている。上記実施形態では、空隙を形成する溝９について説明したが、溝９には、固定端となる床スラブ８やフーチング７の圧縮強度よりも低圧縮強度あるいは低剛性の充填材１０を充填してもよい。低圧縮強度の充填材１０としては例えば、固定端に用いられるものよりも強度が低いモルタルや木材などがある。低剛性の充填材１０としては例えば、発泡ポリエチレンや塩ビ製中空パイプなどがある。

これら充填材１０を溝９に充填すれば、柱脚部周辺部８ａで増加する応力の一部をこれら充填材１０で負担させることができ、溝９を空隙のままとする場合に比べて、膨れる変形Ｄを生じる柱脚部周辺部８ａの構造健全性を向上することができる。また、溝９を充填材１０で埋めることにより、ＲＣ柱１へ自由に接近することができる。

図６および図７には、本発明にかかる構造材と固定端の接合構造の第２実施形態が示されている。第２実施形態にあっては、上方から軸力を受ける構造材として、杭部材６が示されている。杭部材６としては、既製杭や場所打ち杭など、従来周知のどのような構造形式・施工形式のものであってもよい。

図示にあっては、杭部材６の材軸端部である杭頭部６ａ周辺が示されている。杭頭部６ａ上には、基礎梁５と連結されたフーチング７が接合されていて、このフーチング７を杭部材６の固定端としている。固定端であるフーチング７の下面には、杭部材６の杭頭部６ａの外周縁に沿って、杭部材６とフーチング７との間に生じる応力の一部を解放するための応力緩和部として、第１実施形態と同様の溝９が形成される。

杭頭部６ａの外周縁は具体的には、フーチング７下面に現れる杭頭部６ａとの接合境界Ｃである。溝９は、杭頭部６ａの外回り、詳細には接合境界Ｃよりも外側に、当該接合境界Ｃに沿って配置される。

溝９は、これによりフーチング７下面を区分けしてその内側に、杭頭部６ａを取り囲むフーチング７の杭頭部周辺部７ａを形成する。そして溝９は、軸力を負担しつつ横方向の地震力を受けることで杭部材６に発生する曲げモーメントに起因するヒンジが杭頭部周辺部７ａに生じた際に、このヒンジ発生によって杭頭部周辺部７ａが杭部材６から押圧されて僅かながら膨れる変形を許容し、これにより杭部材６とフーチング７との間で発生する応力の一部を解放する空隙となる。杭頭部周辺部７ａが膨れる変形量は、応力解析により推定可能である。

溝９に設定される寸法は、上記第１実施形態と同様である。すなわち、溝９の内径寸法は、杭頭部周辺部７ａに発生する膨れる変形を、溝９内方へ向けて生じさせ、これにより応力をスムーズに解放するために、杭頭部６ａの外径寸法よりも僅かに大きく設定される。溝９の深さ寸法は、膨らむ変形を許容できる適宜深さに設定される。溝９の外径寸法は、内径寸法との関係で溝幅を決定するもので、杭頭部周辺部７ａの膨れる変形を妨げず、フーチング７の必要強度を損なわないように、適宜に設定される。

溝９は、本実施形態にあっては図７に示すように、フーチング７下面位置における杭部材６の平断面外形輪郭に沿って、当該杭部材６の全周に亘り環状に連続して形成される。図示例にあっては、杭部材６の平断面外形輪郭が円形状であるので、溝９も円形状に形成されている。

本実施形態にあっては、溝９は単一の連続する環状に形成されているが、杭部材６の回りに断続的に形成される複数の溝９であってもよい。溝９が断続的に形成される場合には、杭頭部６ａ回りが補強される。

フーチング７の強度は、応力の一部が溝９によって解放された杭部材６に残る応力によって当該杭部材６に圧壊が生じない強度に設定される。

第２実施形態にかかる構造材と固定端の接合構造の作用は、上記第１実施形態と同様であって、溝９によって杭頭部周辺部７ａの膨らむ変形を許容できることにより、杭頭部６ａとフーチング７の接合境界Ｃ、ひいては杭部材６の杭頭部６ａで増加する曲げモーメントに起因する応力を部分的に解放することができ、杭頭部６ａでの圧壊発生を遅延させたり、圧壊発生を防止することができる。また圧壊発生を防止できるので、杭部材６に断面欠損が生じることもなく、杭部材６の軸方向耐力も維持することができる。

第２実施形態にあっても、溝９には、フーチング７よりも低圧縮強度もしくは低剛性の充填材１０を充填して構成することができ、これにより上記変形例と同様の作用効果を得ることができる。

以上の実施形態にあっては、構造材として、建築物１階のＲＣ柱１および杭部材６を例示して説明したが、各階の柱部材の場合には柱梁仕口部回りに、建築物最上階の柱部材の柱頭部と屋上スラブとの間では屋上スラブに、溝９を形成すればよい。また柱部材の材軸端部を固定端に接合する箇所であれば、いわゆる引張側の柱や、コア壁で地震力を負担するようにした建築物の外周柱等にあっても、溝９によって有効に応力を解放して、建築物の健全性を向上することができる。

例えば節付きの壁杭など、壁杭部材の場合には、材軸端部が接合される基礎梁５やフーチング７などの固定端に、当該壁杭部材の表裏に沿って溝９を形成すればよい。壁部材であっても、上端部や下端部が接合される梁や床スラブに、当該壁部材の表裏に沿って溝９を形成すればよい。これらいずれの例にあっても、上記実施形態と同様に、構造材と固定端との間に生じる応力の一部を溝９で解放することができ、圧壊など損傷発生を効果的に防止することができる。

さらに、上記実施形態にあっては、構造材としてＲＣ造の部材を例示して説明したが、ＳＲＣ造の部材であってもよい。またさらに、Ｓ造の構造材であっても、露出された材軸端部の固定端への接合箇所で発生する曲げモーメントに対して、溝９で応力の一部を解放することができて、その損傷を防止することができる。

本発明にかかる構造材と固定端の接合構造の第１実施形態を示すＲＣ柱の柱脚部周辺の概略正面断面図である。 図１に示したＲＣ柱の柱脚部周辺の概略平面図である。 図１に示したＲＣ柱の柱脚部周辺における応力緩和作用を説明するための説明図である。 本発明にかかる構造材と固定端の接合構造による曲げ耐力と水平変位の関係を示すグラフ図である。 第１実施形態の変形例を説明する説明図である。 本発明にかかる構造材と固定端の接合構造の第２実施形態を示す杭部材の杭頭部周辺の概略正面断面図である。 図６に示した杭部材の杭頭部周辺をフーチング下から見上げた概略見上げ図である。 背景技術における課題を説明するための説明図である。

符号の説明

１ ＲＣ柱
１ａ 柱脚部
６ 杭部材
６ａ 杭頭部
７ フーチング
８ 床スラブ
９ 溝
１０ 充填材

Claims (3)

1. 構造材の材端部と接合される固定端に、該構造材の材端部の外回りに沿って溝を形成し、該溝は、上記固定端を区分けしてその内側に、上記構造材の材端部を取り囲む材端部周辺部を形成し、該材端部周辺部の変形を許容して当該構造材と該固定端との間に生じる応力の一部を解放することを特徴とする構造材と固定端の接合構造。
2. 前記溝には、前記固定端よりも低圧縮強度の充填材が充填されることを特徴とする請求項１に記載の構造材と固定端の接合構造。
3. 前記溝には、前記固定端よりも低剛性の充填材が充填されることを特徴とする請求項１に記載の構造材と固定端の接合構造。

Images