JP5757175B2 - 高層建物用のサポート柱およびその構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、高層建物用のサポート柱およびその構築方法に関するものである。

従来、特許文献１に示すような高層建物の構造およびサポート柱が知られている。図１７および図１８に示すように、特許文献１の高層建物の構造は、建物の全高にわたって上下方向に連続的に設けた筒状の構造体であるチューブ架構を、建物の主架構としたものである。この高層建物の構造は、建物の外周に位置する外周チューブ架構Ａと、その内側に同軸的に設けた内周チューブ架構Ｂと、さらにその内側に設けたコアチューブ架構Ｃとによる三重のチューブ架構（いわゆるトリプルチューブ構造）からなる。内周チューブ架構Ｂの柱は、高強度で小断面のサポート柱９により構成してある。

このサポート柱９は、地上から最上階まで、内周チューブ架構Ｂの各階の上下の段差梁８の間に設置してある。段差梁８は、各階の床スラブ６、７と剛に接合している。また、高層建物の１階床スラブ３の下に基礎底版２を設置し、基礎底版２の下に杭１を設置する。

外周チューブ架構Ａは、柱梁４により構成してある。コアチューブ架構Ｃは、コアウォール５により構成してある。内周床スラブ６は、コアチューブ架構Ｃと内周チューブ架構Ｂとの間に設けられ、外周床スラブ７は、内周チューブ架構Ｂと外周チューブ架構Ａとの間に設けられている。

また、サポート柱９は、図１９および図２０に示すように、厚肉鋼管９ａの上下端に鋼板９ｃを溶接し、鋼管９ａの内部にセメント系硬化体としてのコンクリート９ｂを充填して構成され、軸力を小断面で受けられる高強度の柱としたものである。このサポート柱９と、上下の段差梁８との接合は、鋼板９ｃと段差梁８を上下に貫通する固定用ボルト９ｄによって強力に接合される。なお、段差梁８の内部には鉄筋９ｅが配筋してある。

上記のように構成される高層建物の構造においては、地震力が作用して高層建物の各階がせん断変形した場合には、サポート柱９の接合部分はピン接合のように挙動し、サポート柱９と鋼板９ｃはしなやかに変形する。適切に設計すること等によって、結果的には、内周チューブ架構Ｂの段差梁８に地震力によるモーメントは働かないか、あるいは問題とならないほど寡少とすることができる。

一方、建物の鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁との接合構造として、特許文献２に示される技術が知られている。

特開２０１１−５８２４１号公報 特開２００１−１１９４４号公報

ところで、上記の高層建物用のサポート柱において、軸力をより小断面で受けられる高強度で安価な構造の開発が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、軸力をより小断面で受けられる高強度で安価な高層建物用のサポート柱およびその構築方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に係る高層建物用のサポート柱は、高層建物に用いられるサポート柱であって、鋼管内部にコンクリートが充填され、スパイラル補強した芯鉄筋が配筋された鋼管コンクリート柱からなり、この鋼管コンクリート柱の上下端面にはベースプレートが溶接されており、前記鋼管コンクリート柱の上下端に設けられ、外周を鉄板で構成したパネルゾーンブロックに機械式継手とネジ鉄筋とからなる別の芯鉄筋を挿通して前記鋼管コンクリート柱と前記パネルゾーンブロックとを前記ベースプレートを介して接続固定し、軸力を小断面で受けられるようにしたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る高層建物用のサポート柱は、上述した請求項１において、梁鉄筋およびスラブアンカー筋の少なくとも一方を、前記パネルゾーンブロックに機械式継手で接合したことを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る高層建物用のサポート柱の構築方法は、上述した請求項１または２に記載の高層建物用のサポート柱の構築方法であって、前記鋼管コンクリート柱の下面から突出する芯鉄筋を、前記パネルゾーンブロックの上面に設けたスプライススリーブ内に挿入して、前記鋼管コンクリート柱を前記パネルゾーンブロックに接続固定することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る高層建物用のサポート柱の構築方法は、上述した請求項３において、前記スプライススリーブと前記芯鉄筋との間の隙間にグラウト材を充填することを特徴とする。

本発明に係る高層建物用のサポート柱によれば、高層建物に用いられるサポート柱であって、鋼管内部にコンクリートが充填され、スパイラル補強した芯鉄筋が配筋された鋼管コンクリート柱からなり、この鋼管コンクリート柱の上下端に設けられるパネルゾーンブロックに別の芯鉄筋を挿通して前記鋼管コンクリート柱と前記パネルゾーンブロックとを接続固定し、軸力を小断面で受けられるようにしたので、従来よりも軸力をより小断面で受けられる高強度で安価なサポート柱を提供することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る高層建物用のサポート柱の構築方法によれば、上述した高層建物用のサポート柱の構築方法であって、前記鋼管コンクリート柱の下面から突出する芯鉄筋を、前記パネルゾーンブロックの上面に設けたスプライススリーブ内に挿入して、前記鋼管コンクリート柱を前記パネルゾーンブロックに接続固定するので、従来よりも軸力をより小断面で受けられる高強度で安価なサポート柱を提供することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る高層建物用のサポート柱の実施例を示す側断面図である。 図２は、図１の詳細平面図である。 図３は、図１のサポート柱を左右方向から見た側断面図である。 図４は、図３の詳細平面図である。 図５は、本発明に係る高層建物用のサポート柱の構築方法のステップ１を示す図である。 図６は、本発明に係る高層建物用のサポート柱の構築方法のステップ２を示す図である。 図７は、本発明に係る高層建物用のサポート柱の構築方法のステップ３を示す図である。 図８は、本発明に係る高層建物用のサポート柱の構築方法のステップ４を示す図である。 図９は、本発明に係る高層建物用のサポート柱の構築方法のステップ５を示す図である。 図１０は、本発明に係る高層建物用のサポート柱の構築方法のステップ６を示す図である。 図１１は、本発明に係る高層建物用のサポート柱の構築方法のステップ７を示す図である。 図１２は、本発明に係る高層建物用のサポート柱の構築方法のステップ８を示す図である。 図１３は、本発明に係るサポート柱を用いた高層建物の構造の実施例を示す側断面図である。 図１４は、図１３の各階の平面図である。 図１５は、本発明に係るサポート柱を用いた高層建物の構造によるメガストラクチュアの側断面図である。 図１６は、図１５のメガストラクチュア階（Ｌ、Ｍ、Ｎ階および最上階）の平面図である。 図１７は、従来のサポート柱を用いた高層建物の構造の実施例を示す側断面図である。 図１８は、図１７の各階の平面図である。 図１９は、従来のサポート柱の詳細側断面図である。 図２０は、従来のサポート柱の詳細平面図である。

以下に、本発明に係る高層建物用のサポート柱およびその構築方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例では、図１７および図１８に示すような段差梁８を有する三重のチューブ架構の高層建物に適用する場合について説明するが、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

［高層建物用のサポート柱］
まず、本発明に係る高層建物用のサポート柱について図１〜図４を参照しながら説明する。

図１および図２（または図３および図４）に示すように、本発明に係る高層建物用のサポート柱２０は、高層建物に用いられるものであって、厚肉の角型鋼管（ニ）内部に高強度コンクリート（ネ）が充填され、スパイラルフープ（セ）で補強した芯鉄筋（ソ）が配筋された鋼管コンクリート柱（ウ）からなる。この鋼管コンクリート柱（ウ）の上下端に設けられるパネルゾーンブロック（ア）に挿入連結芯鉄筋（マ）を挿通して鋼管コンクリート柱（ウ）とパネルゾーンブロック（ア）とを接続固定し、軸力を小断面で受けられるようにしてある。

鋼管コンクリート柱（ウ）内部の上部にはスプライススリーブ（サ）が、下部には機械式継手（エ）が設けてある。鋼管（ニ）の上下端面にはベースプレート（ホ）が溶接されている。また、芯鉄筋（ソ）から数箇所出された枝鉄筋（タ）にスパイラルフープ（セ）が固定され、鋼管コンクリート柱（ウ）内部の高強度コンクリート（ネ）と鉄筋とが一体化して一本のサポート柱２０を構成している。

このため、本発明によれば、従来よりも軸力をより小断面で受けられる高強度で安価なサポート柱２０を提供することができる。

ここで、サポート柱２０の鋼管（ニ）の断面形状は角型に限るものではなく、高強度コンクリートなどのセメント系硬化体を充填することで軸力を小断面で受けられる高強度の柱とし得るものであれば丸型やその他任意の断面形状のものを用いることができ、さらに、Ｈ鋼や四角鋼などの厚肉鋼材を複数組み合わせたものを用いてもよい。

なお、サポート柱２０の芯鉄筋（ソ）やスパイラルフープ（セ）といった補強筋は、高層建物の上層階と下層階で柱の断面の大きさを一定にするために必要な部材であるが、充填される高強度コンクリート（ネ）の強度のみの調整でこの断面を同一の大きさに形成することも可能である。

パネルゾーンブロック（ア）は、鉄板を溶接（ス）して外周を構成し、この内部４隅にベースプレート（ホ）を固定するための機械式継手（エ）とネジ鉄筋（キ）を設けるとともに、フープ（カ）を設けて高強度コンクリートを充填したものである。工場生産することで生産性を向上させることができる。このパネルゾーンブロック（ア）内部には、梁（チ）（図１参照）と連続させるための機械式継手（エ）とネジ鉄筋（キ）を設けている。また、床（フ）（図３参照）と一体化するのに用いるスラブアンカー筋（ハ）を固定するための機械式継手（エ）とネジ鉄筋（キ）を設けている。

スラブアンカー筋（ハ）は、パネルゾーンブロック（ア）の機械式継手（エ）に接合されている。梁鉄筋（ナ）は、中継ボルト（コ）を介してパネルゾーンブロック（ア）の機械式継手（エ）に接合されている。これにより、パネルゾーンブロック（ア）は、サポート柱（ウ）、梁（チ）、床（フ）を一体化する。

ここで、図１および図２に示すように、梁（チ）は現場打ちコンクリートで構築してもよいし、ＰＣ化（プレキャスト化）して生産性を上げるようにしてもよい。また、梁（チ）内にはスターラップ（オ）が設けることができる。図３および図４に示すように、床（フ）はハーフＰＣスラブ（テ）のみならず、鉄筋を組み込んだ鉄板型枠で構成してもよい。

このパネルゾーンブロック（ア）の構造的特性としては、鉛直方向に大きな軸力がかかるため、外側に膨張変形しようとする大きな力がかかる。そこで本実施例では、これを抑え込み応力のバランスを取るために周囲四面を鉄板（シ）で囲んで溶接（ス）すると同時に、内部のベースプレート（ホ）のネジ鉄筋（キ）にフープ（カ）を設置することで、より強度を増強している。なお、高層建物の上層階で軸力の小さい範囲には、この周囲四面の補強用の鉄板（シ）は必ずしも必要ではない。

また、ベースプレート（ホ）は、固定用ボルト（イ）によりパネルゾーンブロック（ア）側の機械式継手（エ）に柱鉛直調整ボルト（ヘ）を介して固定される。また、パネルゾーンブロック（ア）の下部と梁（チ）との間にはスチールアングル（ツ）が設けられている。

上側のベースプレート（ホ）とパネルゾーンブロック（ア）との間には、下側の角型鋼管（ニ）に設けたグラウト注入孔（ノ）およびこれと連通するスプライススリーブ（サ）を通じてグラウト材（ク）が充填されている。また、下側のベースプレート（ホ）と鉄板（シ）の間には、鉄板（シ）に設けたグラウト注入孔（ノ）を通じてグラウト材（ク）が充填されている。パネルゾーンブロック（ア）の上側のベースプレート（ホ）の上側には、モルタル（ヒ）が充填されている。

［高層建物用のサポート柱の構築方法］
次に、本発明に係る高層建物用のサポート柱の構築方法について図５〜図１２を参照しながら説明する。ここで、図５〜図１２の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ平断面図、側断面図である。本発明のサポート柱は、ステップ１〜ステップ８の施工手順により下階から上階に向かって構築されていく。

図５に示すように、ステップ１では、既にＮ−１階に設置してあるサポート柱２０の上部に、工場生産したパネルゾーンブロック（ア）を設置する。サポート柱２０上部のベースプレート（ホ）に固定用ボルト（イ）を入れる。

図６に示すように、ステップ２では、ベースプレート（ホ）をパネルゾーンブロック（ア）内の機械式継手（エ）にボルト（イ）で固定し、鉄板（シ）で下蓋をする。

図７に示すように、ステップ３では、このパネルゾーンブロック（ア）内の機械式継手（エ）にスラブアンカー筋（ハ）および梁鉄筋（ナ）を中継ボルト（コ）にて各部に固定する。これにより、図８に示すようなステップ４の状態となる。

図９に示すように、ステップ５では、梁の側部に梁型枠（ミ）を設置するとともに、パネルゾーンブロック（ア）内の上側の機械式継手（エ）に中継ボルト（コ）を挿入する。

図１０に示すように、ステップ６では、パネルゾーンブロック（ア）のスプライススリーブ（サ）に挿し入れた芯鉄筋（ソ）を上階側のサポート柱２０の中心の機械式継手（エ）に固定する。この芯鉄筋（ソ）は、挿入連結芯鉄筋（マ）（図１を参照）となるものであり、長さが一定で、階高さを正確に確保するために用いられる。上階側のサポート柱２０は、この芯鉄筋（ソ）によって「やじろべい」状態となる。平面視で４本ある柱鉛直調整ボルト（ヘ）で高さを調整して、上階側のサポート柱２０を鉛直に立たせ、固定用ボルト（イ）で固定する。

図１１に示すように、ステップ７では、下階側のサポート柱２０のグラウト注入孔（ノ）を通じてスプライススリーブ（サ）にグラウト材（ク）を注入し、芯鉄筋（ソ）とスプライススリーブ（サ）の間の隙間に充填する。また、鉄板（シ）のグラウト注入孔（ノ）を通じてベースプレート（ホ）とパネルゾーンブロック（ア）の隙間にグラウト材（ク）を充填する。

図１２に示すように、最後のステップ８では、上側のグラウト材（ク）の硬化後にその上部にモルタル（ヒ）を充填し平滑面とする。このようにして、Ｎ−１階からＮ階間のサポート柱２０が構築される。

［サポート柱を用いた高層建物の構造］
次に、本発明に係るサポート柱を用いた高層建物の構造について図１３〜図１６を参照しながら説明する。

図１３および図１４に示すように、高層建物の構造１００は、建物の全高にわたって上下方向に連続的に設けた筒状の構造体であるチューブ架構を、建物の主架構としたものである。この高層建物の構造１００は、建物の外周に位置する外周チューブ架構Ａと、その内側に同軸的に設けた内周チューブ架構Ｂと、さらにその内側に設けたコアチューブ架構Ｃとによる三重のチューブ架構（いわゆるトリプルチューブ構造）からなる。内周チューブ架構Ｂの柱は、本発明のサポート柱２０により構成してある。

サポート柱２０は、地上から最上階まで、内周チューブ架構Ｂの各階の上下の段差梁８の間に設置してある。段差梁８は、各階の床スラブ６、７と剛に接合している。また、高層建物の１階床スラブ３の下に基礎底版２を設置し、基礎底版２の下に杭１を設置する。

外周チューブ架構Ａは、柱梁４により構成してある。コアチューブ架構Ｃは、コアウォール５により構成してある。このコアウォールは、開口部分を有する耐震壁としてもよい。また、コアチューブ架構を柱梁で構成してもよい。内周床スラブ６は、コアチューブ架構Ｃと内周チューブ架構Ｂとの間に設けられ、外周床スラブ７は、内周チューブ架構Ｂと外周チューブ架構Ａとの間に設けられている。

上記のように構成した本発明の高層建物の構造１００において、地震力が作用して高層建物の各階がせん断変形した場合には、サポート柱２０の接合部分はピン接合のように挙動し、サポート柱２０とベースプレート（ホ）はしなやかに変形する。適切に設計すること等によって、結果的には、内周チューブ架構Ｂの段差梁８に地震力によるモーメントは働かないか、あるいは問題とならないほど寡少とすることができる。

上記の実施の形態において、最上階と所定の中間階にメガストラクチュア梁を設けた構成としてもよい。この場合、図１５および図１６に示すように、最上階と中間の特定の階（Ｌ、Ｍ、Ｎ階）に設けたメガストラクチュア梁１２でコアチューブ架構Ｃ、メガストラクチュア内周チューブ架構１０およびメガストラクチュア外周チューブ架構１１を格子状に剛に接合して一体の巨大構造体を構築する。そして、メガストラクチュア内周チューブ架構１０に設けたサポート柱２０を、Ｌ、Ｍ、Ｎ階に設けたメガストラクチュア梁１２で支持する。このようにしても、上記の実施の形態と同一の作用効果を得ることができる。

次に、本発明の効果について説明する。
高層建物の内周チューブ架構Ｂに高強度で小断面のサポート柱を設けることにより、下記の（１）〜（５）の効果を得られる。

（１）内周チューブ架構Ｂをサポート柱２０で受けることにより、サポート柱２０なしの場合（床厚ｔ＝３００ｍｍ程度）と比較して床スラブ６、７部分が短スパンとなり、床厚ｔをｔ＝２００ｍｍ程度に薄くしても重量衝撃音レベルの性能を確保することができる。

（２）超高層集合住宅など１棟で数万ｍ^２の床面積がある高層建物の場合、ｔ＝約３００ｍｍの床厚が約２００ｍｍ程度に低減でき、床自体の荷重の大幅な低減と床躯体数量の大幅低減とが可能となり、より安価な建物を提供することができる。

（３）短スパンの床を実現できるので工法も多様になり、鉄板に先組み鉄筋を組み込んだ鉄板型枠等の安価な床も採用可能となり、よりコスト削減効果が図れる。

（４）サポート柱２０は鋼管にコンクリートを充填することにより細くできることから（４００角程度）、プランに及ぼす影響もきわめて小さい。

（５）以上の効果は、高層建物の構造が耐震、制震、中間階免震、免制震構造いずれの構造でも効果は変わらない。

以上説明したように、本発明に係る高層建物用のサポート柱によれば、高層建物に用いられるサポート柱であって、鋼管内部にコンクリートが充填され、スパイラル補強した芯鉄筋が配筋された鋼管コンクリート柱からなり、この鋼管コンクリート柱の上下端に設けられるパネルゾーンブロックに別の芯鉄筋を挿通して前記鋼管コンクリート柱と前記パネルゾーンブロックとを接続固定し、軸力を小断面で受けられるようにしたので、従来よりも軸力をより小断面で受けられる高強度で安価なサポート柱を提供することができる。

また、本発明に係る高層建物用のサポート柱の構築方法によれば、上述した高層建物用のサポート柱の構築方法であって、前記鋼管コンクリート柱の下面から突出する芯鉄筋を、前記パネルゾーンブロックの上面に設けたスプライススリーブ内に挿入して、前記鋼管コンクリート柱を前記パネルゾーンブロックに接続固定するので、従来よりも軸力をより小断面で受けられる高強度で安価なサポート柱を提供することができる。

以上のように、本発明に係る高層建物用のサポート柱およびその構築方法は、チューブ架構を主架構とする高層建物に有用であり、特に、高層集合住宅などの床面積が比較的大きい高層建物に適している。

ア パネルゾーンブロック
イ 固定用ボルト
ウ，２０ サポート柱
エ 機械式継手
オ スターラップ
カ フープ
キ ネジ鉄筋
ク グラウト材
コ 中継ボルト
サ スプライススリーブ
シ 鉄板
ス 溶接部
セ スパイラルフープ
ソ 芯鉄筋
タ 枝鉄筋
チ 梁（現場打ちコンクリート梁）
ツ スチールアングル
テ 床ハーフＰＣスラブ
ナ 梁鉄筋
ニ 角型鋼管
ネ 高強度コンクリート
ノ グラウト注入孔
ハ スラブアンカー筋
ヒ モルタル
フ 床（現場打ちコンクリート床）
ヘ 柱鉛直調整ボルト
ホ ベースプレート
マ 挿入連結芯鉄筋
ミ 梁型枠
Ａ 外周チューブ架構
Ｂ 内周チューブ架構
Ｃ コアチューブ架構
１ 杭
２ 基礎底版
３ １階床スラブ
４ 外周チューブ架構の柱梁
５ コアチューブ架構のコアウォール
６ 内周床スラブ
７ 外周床スラブ
８ 段差梁（内周チューブ架構）
９ 従来のサポート柱
１０ メガストラクチュア内周チューブ架構
１１ メガストラクチュア外周チューブ架構
１２ メガストラクチュア梁
９ａ 厚肉鋼管
９ｂ コンクリート
９ｃ 鋼板
９ｄ 固定用ボルト
９ｅ 鉄筋
１００ 高層建物の構造

Claims (4)

1. 高層建物に用いられるサポート柱であって、
   鋼管内部にコンクリートが充填され、スパイラル補強した芯鉄筋が配筋された鋼管コンクリート柱からなり、この鋼管コンクリート柱の上下端面にはベースプレートが溶接されており、
   前記鋼管コンクリート柱の上下端に設けられ、外周を鉄板で構成したパネルゾーンブロックに機械式継手とネジ鉄筋とからなる別の芯鉄筋を挿通して前記鋼管コンクリート柱と前記パネルゾーンブロックとを前記ベースプレートを介して接続固定し、軸力を小断面で受けられるようにしたことを特徴とする高層建物用のサポート柱。
2. 梁鉄筋およびスラブアンカー筋の少なくとも一方を、前記パネルゾーンブロックに機械式継手で接合したことを特徴とする請求項１に記載の高層建物用のサポート柱。
3. 請求項１または２に記載の高層建物用のサポート柱の構築方法であって、
   前記鋼管コンクリート柱の下面から突出する芯鉄筋を、前記パネルゾーンブロックの上面に設けたスプライススリーブ内に挿入して、前記鋼管コンクリート柱を前記パネルゾーンブロックに接続固定することを特徴とする高層建物用のサポート柱の構築方法。
4. 前記スプライススリーブと前記芯鉄筋との間の隙間にグラウト材を充填することを特徴とする請求項３に記載の高層建物用のサポート柱の構築方法。

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