JP6021497B2 - 複合構造梁 - Google Patents

Description

本発明は、構造物の架構を形成する構造部材として、柱の間に架設されて柱に接合される複合構造梁に関する。詳しくは、少なくとも左右いずれかの端部が鉄筋コンクリート造で、その他の部分、または中央部が鉄骨造で構成され、１つの部材に異種の構造形式を備える梁に関する。

建物に代表される種々の構築物の構造形式には、鉄筋コンクリート造、鉄骨造、鉄骨鉄筋コンクリート造、鋼管コンクリート造など、様々な種類が存在するが、構築物の規模や用途などの特性や要求される性能に応じて、１つの構築物には単一の構造形式が用いられるのが一般的であった。

経済性や耐久性に優れた鉄筋コンクリート造は、近年、高性能減水剤の開発と相まって材料の高強度化が進み、低層建物から高層建物にまで幅広く適用されている。これに対して、鉄骨造は現場での組み立てが容易で迅速に施工できるという利点があり、大スパン架構や超高層ビルに適した構造として広く普及している。
しかしながら、鉄骨造は鋼材の価格が高いためにコストアップになる場合が多い上に、鉄筋コンクリート造に比べると剛性が低いため、地震時の変形が大きくなり易いという欠点がある。

一方、鉄筋コンクリート造では、コンクリートが引張力に弱いため、スパンを拡げて大きな空間を確保することが困難であり、鉄筋コンクリート造で１０ｍ以上のスパンを確保するためには、梁の中に緊張材を配してプレストレスを導入し、梁の端部や中央部の曲げ耐力を高める必要があった。しかし、近年になって、鉄骨造と鉄筋コンクリート造の利点を併せ持つ複合構造の梁が開発されている。

例えば、特許文献１には、鉄筋コンクリート造のスパンを拡げる目的で開発されたもので、柱に接合される両端部を鉄筋コンクリート造とし、その間にＨ形鋼を用いた鉄骨造で構成する複合構造梁が開示されている。このような梁では、異種の構造部材を接合する埋め込み部分において、各々の材料強度、剛性、ならびに形状や寸法が異なるため、応力集中が起こり易いという問題があった。

これを解決するため、特許文献１では、鉄骨と鉄筋コンクリート部分の相互の応力伝達を円滑に行う目的で、鉄骨フランジに鉄筋コンクリート部の材軸方向に配した軸筋の２本（定着筋）を上下のフランジにフレアー溶接し、鉄骨端部を鉄筋コンクリート部に確実に固定している。
梁の両端部を鉄筋コンクリートにすることで梁全体の剛性を高め、モーメントが大きい中央部は鉄骨で曲げ耐力を確保するとともに、軽量化を実現した合理的な構造として、オフィスや工場、倉庫など幅広い用途の建物に適用されている。

しかしながら、定着筋の溶接部の管理が難しく、検査も必要なために、溶接作業は事前に工場で行わざるをえない。また、鉄骨フランジに予め梁主筋や定着筋などの軸筋が溶接してあると運搬の際に考慮しなければならない梁長が長くなるため、大型のトラックが必要になったり、積載する梁の本数に制限が出るなど、現場への搬入にも問題があった。

そこで、特許文献２では、鉄骨端部のフランジに長ナットやカップラーなどの継手部分を予め溶接しておき、現場へ搬入した後に鉄筋（主筋）を螺合して機械式に接合する複合構造梁が提案されている。

特公平０７−６５３８１号公報 特開２００７−２９１６３６号公報

しかし、特許文献２に記載の複合構造梁は、鉄骨フランジに溶接する長ナットやカップラーの外径が主筋の径よりも大きくなるため、その径の差分だけ上端、下端とも、断面で四隅に位置する主筋とのレベルに段差が生じ、鉄骨に固定された主筋（定着筋）がせん断補強筋に直接結束できない状態になる。
このため、主として鉄骨フランジの引張力をコンクリートに伝達する役割を担う定着筋の定着性能上、不利になる恐れがある。また、配筋の納まり上、直交する通りの梁主筋と柱梁接合部内で交差するため、梁を架設する際に邪魔になったり、梁主筋の位置（レベル）を変更する必要があった。

また、スラブを厚くしたい場合や、梁の上端に緊張材を配してプレストレストコンクリート構造にする場合は、鉄筋コンクリート部の断面において、上フランジ上側の無筋の領域が大きくなることがある。この無筋領域を補強するために、梁や床の配筋とは別に増し打ち筋と称する鉄筋を、縦横両方向に配する必要があった。

更に、定着筋の位置（レベル）が鉄骨の断面寸法で決まってしまうため、鉄筋コンクリート部の断面せいが制限されてしまう。鉄筋コンクリート断面のせいを大きくして剛性や曲げ耐力を高めたい場合には、主筋と定着筋を兼用せずに、図４に示す従来例のように主筋とは別に定着筋を設ける必要があった。

本発明は、上述の問題点を解決しようとするもので、柱に接合される鉄筋コンクリート部分に埋設する鉄骨に主筋を予め接合することなく、確実で簡便に構築可能な複合構造梁を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、少なくとも左右いずれかの一端が鉄筋コンクリート造で構成される鉄筋コンクリート部で、それ以外の部分が鉄骨部で構成され、前記鉄筋コンクリート部の断面せいが前記鉄骨部より大きい複合構造梁であって、前記鉄骨部の端部が前記鉄筋コンクリート部に埋設固定されるとともに、フランジの引張力をコンクリートに伝達する役割を担う定着筋を備えてなり、前記定着筋のレベルが、上下のフランジ面から梁主筋位置までの間で調整可能であるように、少なくとも一端が折り曲げ加工された複数の前記定着筋の余長部が、前記鉄筋コンクリート部に埋設される前記鉄骨部に係止されていることを特徴とする。
ここで言う軸筋とは、鉄筋コンクリート部において、梁の材軸方向に沿って配される鉄筋であり、主筋、定着筋の両方を含んでいる。また係止とは、軸筋が確実に鉄骨に固定された状態のみならず、折り曲げた曲線部分やその先の余長部が結束線などで鉄骨に止められている状態も意味する。

従来の一般的な複合構造梁としては、特許文献１、２に示されるように、材端に位置する一対の鉄筋コンクリート部に、鉄骨の両端部が所定長さ埋設固定された対称な形をしているが、本発明はこれに限らず、一方の端部が鉄筋コンクリート造で、他方が鉄骨造で構成される複合構造梁も含んでいる。
このような非対称構造の梁は、例えば、建物に作用する地震力を負担するコア部分を鉄筋コンクリート造で構築し、その周囲の架構や外部に面した架構など、それ以外の部分を鉄骨造にする場合に好適である。それほど大きなスパンにしなければ、鉄骨側を剛接合にせず、ウエブだけで鉄骨柱に接合する半剛接合もあり得る。

かかる複合構造梁によれば、定着筋を鉄骨に溶接や機械式で接合する必要がなく、通常の配筋作業の中で折り曲げた鉄筋を鉄骨に係止するだけなので、現場での主筋または定着筋の高さや長さなどの調節も容易で、比較的簡易に施工することが可能である。
更に、軸筋を工場で取り付けないので、搬入時に梁全体の長さが長くならないため、運搬にかかるコストを抑えることができる。

前記鉄骨のフランジには開口が設けられ、または開口を設けた鋼板が前記フランジに固定され、前記開口に前記折り曲げ加工された軸筋（主筋、定着筋）の余長部が挿通されている。上端、下端の軸筋を開口に挿通した後、その余長部を鉄骨ウエブの面と略平行にし、余長部同士を重ねて結束してもよい。

鉄骨フランジに開口を設ける場合は、断面欠損による影響を避けるため、なるべく鉄骨の端部に近い位置か、もしくは埋設部の応力伝達域（通常、鉄骨せいの１.５〜２倍程度）をはずした位置に設ける方が良い。鉄骨フランジに開口を有する鋼板を固定する場合、その位置（面）は、主筋に伝達する力以上の強度が確保できれば、フランジの上下面、側面のいずれでもよく、固定する手段も問わない。

前記折り曲げ加工された軸筋（主筋、定着筋）にねじ鉄筋を用い、前記鉄骨のフランジまたは前記鋼板にナットで固定してもよい。これによって軸筋の余長部が鉄骨フランジに固定されるので、鉄骨が負担する力をより円滑に鉄筋コンクリート部へ伝達することが可能になる。

なお、余長とは、正確には鉄筋を曲げ加工した際の折り曲げ終点から先の直線部分を意味する。しかしながら、軸筋（主筋、定着筋）の径が大きい場合やスラブが薄い場合には、折り曲げ起点と折り曲げ終点の間の曲線部分を鉄骨に係止することも想定されるので、ここでは、折り曲げ部分も含めて余長部と定義する。

前記鋼板は、埋設される前記鉄骨部のスパン中央側（端部と反対側）のフランジに溶接してもよい。定着筋が鉄骨端部で止まるのではなく、スパン側まで伸びていることによって鉄筋コンクリート部がより強固になる。これにより、埋設部の固定度を更に高めることができるだけでなく、梁の上端に緊張材を配してプレストレスを導入する場合に、定着部の支圧補強の効果も期待される。

本発明によれば、鉄骨部と鉄筋コンクリート部間の応力伝達を確実に行うとともに、施工が容易で運搬上の制約も小さくできる。また、鉄骨のせいに拘わらず、鉄筋コンクリート断面のせいを決められるので、応力中心間距離ｊ（主筋間隔）を大きくして、梁主筋量を減らしたり、径を縮小することや、逆に同じ主筋量でも梁端部の曲げ耐力を上げることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る複合構造梁を示す立断面図である。 図１に示す複合構造梁のＡ〜Ａ´断面図である。 本発明の実施の形態２に係る複合構造梁を示す立断面図である。 従来の複合構造梁を示す図である。

本発明の実施の形態１に係る複合構造梁７は、所定スパン離れて立設する鉄筋コンクリート造の柱６に接合され、複数の柱６とともに建物の架構を構成する複合構造梁である。具体的には、両端が鉄筋コンクリート造からなる鉄筋コンクリート部２で、中央部が鉄骨造からなる鉄骨部１で構成されており、常時作用する鉛直荷重と、地震時の水平荷重に対して設計される。

Ｈ形断面形状の鉄骨部１は鉄筋コンクリート部２の中へ所定長さ埋設されているが、埋設部３（接合部）の位置は、一般に長期荷重時の曲げ応力が小さくなるスパンの１／４〜１／５程度、柱から離れた箇所が合理的である。
鉄骨部１を埋設する長さは、鉄筋コンクリート部２へ伝達する応力や、鉄骨部１に固定する定着筋やスタッドなどの定着手段、埋設部３のせん断補強方法などを考慮して決めればよいが、発明者らの実験結果によると、鉄骨せいの１．５倍〜２倍程度で十分な性能を発揮できる場合が多い。

図１には複合構造梁７の端部について示すが、床スラブの上に立設する鉄筋コンクリート柱６に、両端の鉄筋コンクリート部２が剛接合され、柱とともに耐震架構を構成している。スラブは鉄骨上フランジ１１の上部に形成されるが、スラブの配筋や鉄骨に打設するスタッドとともに図面では省略している。

本実施形態では、図２の断面図に示すように、軸筋としての梁主筋５は上下とも１列配置で８本あり、４本の上端筋、下端筋のうち、各々２本が定着筋４を兼ねて配されている。これらの軸筋は通常の梁主筋と同様に、一端を柱梁接合部の中に定着させているが、梁端部を地震時に早期に曲げ降伏させたければ、定着筋４を柱梁接合部内に定着せず、鉄筋コンクリート部２に留める場合もあり得る。
軸筋である定着筋４の他端は、鉄筋コンクリート部２に埋め込まれた鉄骨部１の端部において、上下のフランジ１１，１２に設けた開口に定着筋の余長部４１を挿通して係止されている。

開口の寸法は定着筋４の最大径より若干大きい程度であるが、その位置は断面欠損による影響を考慮して、想定する応力伝達域３１（例えば、鉄骨せいの１．７倍）よりも端部側に設けている。配筋時に上端筋、下端筋の余長部４１を重ねて結束線で結束するだけでよいので、定着筋４の位置（レベル）は容易に調整可能で、突然の設計変更にも対応しやすい。
スラブが厚い場合でも定着筋４を梁主筋５と兼ねることができ、別途設ける必要はない。梁主筋５を断面の上端に近い位置に配すれば、従来のように増し打ち筋（図示せず）を別途配する必要もない。

また、定着筋４にねじ鉄筋を用いれば、フランジの上下面をナットで挟んでロックすることで、挿通した定着筋４の余長部４１を鉄骨部１により確実に固定できる。この場合、図１に示すように上下の定着筋４の余長部４１の重ね代をあえて設ける必要はなく、ナットを螺合するのに必要な長さだけ、余長部４１がフランジ１１，１２の下面、または上面から出ていればよい。

鉄筋コンクリート部２の曲げ耐力は、上端と下端主筋間の距離ｊ（応力中心間距離）の大きさに依存するため、定着筋４をフランジに溶接して固定するよりも、曲げ耐力を確保し易い。これにより、梁端部の曲げ耐力を大きくできるだけでなく、逆に主筋５の径を下げたり、主筋量を減らしてコストダウンすることも可能になる。

次に、本発明の実施の形態２として、フランジに開口を開けずに、定着筋４を係止する方法について説明する。例えば図３に示すように、開口を有する鋼板４２や定着筋４の折り曲げ部を引掛ける鋼材４２´をフランジ１１，１２に溶接固定することも考えられる。
この場合は、応力伝達域３１の中に設けてもよく、埋め込んだ鉄骨の端部に限定されない。むしろスパン側（柱と反対側）に近い位置に設ける方が、鉄骨部１と鉄筋コンクリート部２の境界で鉄骨を効果的に拘束し、応力伝達上、有利に働くとも考えられる。
また、鋼板４２や鋼材４２´の溶接は、鉄骨から定着筋に伝達される力を負担できる限り、フランジの側面または上面のどちらで行ってもよい。

より大きなスパンを確保するためには、梁の両端部により大きな曲げ耐力が必要になるため、鉄筋コンクリート部２の上端側の材軸方向に緊張材を配し、プレストレスを導入する場合も想定される。
通常のディテールであれば、緊張材はフランジの近傍に配されるので、定着筋４がスパン側に近い位置にあれば、プレストレス定着部の支圧補強としても機能する。また、プレストレスが定着筋４の折り曲げ部を介して鉄骨にも伝達されるので、鉄骨部１の固定度や埋設部３の強度も高くなると考えられる。

図１から図３に示すように、梁主筋５の周囲には所定の間隔でせん断補強筋２１が配されており、定着筋４もせん断補強筋２１に結束されている。埋設部３の両端位置には、応力伝達を補助して鉄骨の固定度を上げるためにせん断補強筋２１を密に、または集中的に配する場合もあるが、ここでは図示していない。

なお本実施形態１および２では、梁主筋５のスパン側は、定着筋４と同様に折り曲げ加工しているが、定着方法はこれに限定されるものではなく、先端にプレートやこぶを付けて真直ぐな状態で定着したり、埋設部３の外側まで主筋を伸ばして、埋設部３の端のコンクリート面で固定してもよい。

同様に、梁主筋５の鉄筋コンクリート柱６への定着についても、その手段を問わない。柱梁接合部内は、柱主筋の内側に、直交する２方向からの梁主筋とせん断補強筋が交差するため、配筋が錯綜することが多い。しかし、１方向をスパンが大きい複合構造梁７とし、直交する方向を通常スパンの鉄筋コンクリート梁で構成すれば、梁せい（主筋のレベル）が異なるために納まりがよくなり、配筋作業が容易になる。

以上、本発明の複合構造梁について、両端部が鉄筋コンクリート造で、中央部が鉄骨造で構成される場合の実施形態について説明した。しかし、この実施形態に限らず、一方の端部が鉄筋コンクリート造で、他方が鉄骨造で構成される非対称な形の複合構造梁であってもよい。また、本発明を構成する各要素については、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

例えば、前記実施形態では、軸筋を構成する主筋を８本として、その内の４本を定着筋としてその余長部を鉄骨フランジに挿通して係止したたが、鉄骨部と鉄筋コンクリート部の間で十分な力の伝達がなされ、必要な構造性能を発揮できる限り、その本数を減らすことも可能である。定着筋の径とその他の主筋の径を同一にする必要もなく、伝達する力の大きさに応じて、径や強度（降伏点）を決めればよい。

また、上下の定着筋は必ずしも別々の鉄筋である必要はなく、１本の鉄筋をＵ字型に折り曲げ加工して、鉄骨に係止してもよい。この場合は、鉄骨フランジやプレートに設けた開口に挿通するのが難しいので、鋼板や鋼棒を溶接してフランジの横に突出する係止部を設け、そこに定着筋の折り曲げ部を掛けて結束し、固定してもよい。

鉄骨についても、圧延された形鋼か、溶接組立したものかを問わず、断面形状もＨ形に限らない。また、鉄骨の応力が大きい場合や、埋め込み長さを短くしたい場合など、必要に応じて鉄骨にスタッドを打設してもよい。スタッドはだぼ作用によるせん断伝達筋として用いるのが一般的であるが、例えば、鉄骨フランジの端面に所定の長さの頭付きスタッドを、梁主筋と平行方向に打設すれば、定着筋としてフランジの引張力、またはその一部をコンクリートに伝達することも可能である。

スパンが長い場合は、鉄骨に継手を設けて両端部と中央部に分割してもよい。鉄骨を分割する場合は、鉄骨の一部を鉄筋コンクリート部に埋設した状態でプレキャスト化することも可能である。例えば、スラブ部分を打ち残してハーフプレキャスト部材にすれば、現場で架設してスラブの配筋後に、柱梁接合部やその他の部位と一緒に残りの部分にコンクリートを打設することで、エミュレーションと言われる従来のプレキャスト工法と同様に、一体的な架構が形成される。

あるいは在来工法のように、鉄骨を現場に搬入してから鉄筋コンクリート部を構築してもよい。鉄骨部を所定の位置に架設した後、主筋や定着筋などの軸筋とせん断補強筋を配してから型枠を設置し、柱やスラブなどの他の部位と一緒にコンクリートを現場打設することで、全体の架構を一体化してもよい。

また、定着筋の配設は鉄筋コンクリート部の配筋と併せて行うのが施工上合理的であるが、コンクリートを打設する前であれば、特にその時期は問わない。採用する施工法や、運搬または揚重などの条件に合せて、適宜都合のいい時期を決めればよい。

１ 鉄骨部
１１ 上フランジ
１２ 下フランジ
２ 鉄筋コンクリート部
２１ せん断補強筋
３ 埋設部
３１ 応力伝達域
４ 定着筋（軸筋）
４１ 余長部
４２ 鋼板
５ 梁主筋
ｊ 主筋間距離
６ 鉄筋コンクリート柱
７ 複合構造梁

Claims (3)

1. 少なくとも左右いずれかの一端が鉄筋コンクリート造で構成される鉄筋コンクリート部で、それ以外の部分が鉄骨部で構成され、前記鉄筋コンクリート部の断面せいが前記鉄骨部より大きい複合構造梁であって、
   前記鉄骨部の端部が前記鉄筋コンクリート部に埋設固定されるとともに、フランジの引張力をコンクリートに伝達する役割を担う定着筋を備えてなり、
   前記定着筋のレベルが、上下のフランジ面から梁主筋位置までの間で調整可能であるように、
   少なくとも一端が折り曲げ加工された複数の前記定着筋の余長部が、前記鉄筋コンクリート部に埋設される前記鉄骨部に係止されていることを特徴とする複合構造梁。
2. 前記鉄骨部のフランジには開口が設けられ、または開口を設けた鋼板が前記フランジに固定され、前記折り曲げ加工された定着筋の余長部が前記開口に挿通されることを特徴とする、請求項１に記載の複合構造梁。
3. 前記折り曲げ加工された定着筋はねじ鉄筋であり、前記鉄骨部のフランジまたは前記フランジに固定された鋼板にナットで固定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の複合構造梁。
   

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