(57)【要約】【課題】  耐震設計や耐火設計の面で合理的な設計が可能であり、施工性やコストの面でも有利な鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱を提供する。【解決手段】  鋼管２の内部に主筋３とフープ筋４を配筋し、コンクリート５を充填した鉄筋補強型コンクリート充填鋼管構造を備える柱であり、柱１を構成する少なくとも１つの節において、全長にわたり鋼管の外径と板厚が等しくかつ主筋比Ｐgが長手方向に少なくとも２段階に変化し下層ほど主筋比Ｐgが大きくなるようにする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管内に該鋼管長手方向に延びる主筋を含む鉄筋が配筋されさらにコンクリートが充填されてなる鉄筋補強型コンクリート充填鋼管構造を備える柱であって、該構造を構成する少なくとも１つの節において、全長にわたり当該節を構成する鋼管の外径と板厚が等しくかつ主筋比が長手方向に少なくとも２段階に変化し下層ほど主筋比が大きいことを特徴とする柱。
【請求項２】
鋼管内に該鋼管長手方向に延びる主筋を含む鉄筋が配筋されさらにコンクリートが充填されてなる鉄筋補強型コンクリート充填鋼管構造を備える柱であって、該構造は複数の節が接続されてなるものであり、少なくとも１組の接続される上側の節と下側の節との間で、鋼管の外径と板厚が等しくかつ主筋比が長手方向に少なくとも２段階に変化し下層ほど主筋比が大きいことを特徴とする柱。
【請求項３】
鋼管内に該鋼管長手方向に延びる主筋を含む鉄筋が配筋されさらにコンクリートが充填されてなる鉄筋補強型コンクリート充填鋼管構造を備える柱であって、該構造において、主筋比が長手方向に少なくとも２段階に変化し下層ほど主筋比が大きいたことを特徴とする柱。
【請求項４】
前記鉄筋補強型コンクリート充填鋼管構造を構成する鋼管が、スパイラル鋼管、電縫鋼管、ＵＯＥ鋼管、または冷間成形角形鋼管のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の柱。
【請求項５】
柱の一部または全長にわたり耐火被覆が省略されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の柱。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建築・土木分野で使用される耐火性を考慮した鉄筋補強型コンクリート充填鋼管構造を備える柱に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱としては、以下のようなものがある。
すなわち、特許文献１には、鉄筋コンクリート柱の外面に捨型枠として鋼管を用いたものが記載されている。
【０００３】
また、特許文献２、特許文献３、非特許文献３には、鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱の耐火性等に関する記載がある。
【０００４】
このうち、特に、特許文献３には、鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱において、柱に作用する軸力が、主筋およびフープ筋がない場合のコンクリート充填鋼管柱の所定の耐火時間経過後における軸力負担分Ｎcと、主筋の所定の耐火時間経過後における軸力負担分Ｎsと、フープ筋の所定の耐火時間経過後における軸力負担分Ｎfとの総和を下回るように、主筋およびフープ筋の配筋を設定してあり、主筋と前記フープ筋の比率が、主筋重量強度＝（主筋重量）×（主筋の降伏強度）と、フープ筋重量強度＝（フープ筋重量）×（フープ筋の降伏強度）との関係において、主筋重量強度：フープ筋重量強度＝５：５〜９：１の範囲で組み合わせられ、かつ、かぶり厚の下限を５０ｍｍとしたものが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−１２６２５９号公報
【特許文献２】特開平０５−２８００９６号公報
【特許文献３】特許第３６７８６２５号公報
【非特許文献１】久保田一男、小野徹郎、一戸康生、内海善彦、飯田仲男、湯谷孝夫：「フープ筋で拘束されたコンファインドコンクリートの高温特性  その１  ＲＣ短柱の高温圧縮実験」、日本建築学会大会学術講演梗概集（中国）、１９９９年９月、pp.75-76
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
コンクリート充填鋼管柱〔ＣＦＴ（concrete filledtube）柱〕、あるいはコンクリート充填鋼管柱を内挿鉄筋で補強した鉄筋補強型コンクリート充鋼管柱〔ＲＣＦＴ（reinforcedconcrete filled tube）柱：非特許文献１参照〕を構造物に使用する場合、建物の規模にもよるが、通常、複数の節の鋼管部材を施工現場で接合して柱としてから内部にコンクリートを充填して１本の鋼管柱を構築する。
【０００７】
このとき、耐震性確保の観点から、下層階の柱ほど大きな軸耐力や曲げ耐力を確保する必要があり、一般には鋼管板厚を厚くするか鋼管径を拡大するなどして柱の断面性能を増大させる。
【０００８】
鋼管板厚が厚くなるほど、柱−柱（節−節）接合部および柱−ダイアフラム接合部の溶接金属の量が多くなり、施工時間も増大する。また、板厚が厚い鋼管を使用する場合、鋼管の製造方法面での制約から、適用できる鋼管が制約される。
【０００９】
円形鋼管であれば、板厚が薄い場合に適用可能な、安価なスパイラル鋼管、電縫鋼管、ＵＯＥ鋼管が使用できなくなり、プレスベンド鋼管を使用せざるを得ない。角形鋼管もまた同様であり、安価な冷間成形角形鋼管に変えて４面ボックス鋼管しか選択肢がなくなる。
【００１０】
また、鋼管径を拡大させるには、通常、柱梁接合部においてパネルゾーン部分の鋼管にテーパー鋼管を適用することで対応することができる。ただし、テーパー鋼管はストレート鋼管と比較し製作コストが飛躍的に増大してしまう。
【００１１】
本発明は、従来技術における上述のような課題の解決を図ったものであり、耐震設計や耐火設計の面で合理的な設計が可能であり、かつ施工性やコストの面でも有利な鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願の請求項１に係る発明は、鋼管内に該鋼管長手方向に延びる主筋を含む鉄筋が配筋されさらにコンクリートが充填されてなる鉄筋補強型コンクリート充填鋼管構造を備える柱であって、該構造を構成する少なくとも１つの節において、全長にわたり当該節を構成する鋼管の外径と板厚が等しくかつ主筋比が長手方向に少なくとも２段階に変化し下層ほど主筋比が大きいことを特徴とするものである。
【００１３】
本願の請求項２に係る発明は、鋼管内に該鋼管長手方向に延びる主筋を含む鉄筋が配筋されさらにコンクリートが充填されてなる鉄筋補強型コンクリート充填鋼管構造を備える柱であって、該構造は複数の節が接続されてなるものであり、少なくとも１組の接続される上側の節と下側の節との間で鋼管の外径と板厚が等しくかつ主筋比が長手方向に少なくとも２段階に変化し下層ほど主筋比が大きいことを特徴とするものである。
【００１４】
本願の請求項３に係る発明は、少なくとも柱の下部の鋼管内に該鋼管長手方向に延びる主筋を含む鉄筋が配筋されさらにコンクリートが充填されてなる鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱であって、該柱の主筋比が長手方向に少なくとも２段階に変化し下層ほど主筋比が大きいことを特徴とするものである。
【００１５】
本願の発明は、鋼管寸法を変化させる代わりに、充填コンクリートに内挿された主筋量を変化させて柱の断面性能を確保するようにしたものであり、下層の鋼管寸法を上層の鋼管寸法とそろえることができる。
【００１６】
請求項１では、１つの節において、主筋比が２段階以上に変化するのに対し、請求項２では、接続される節の間で主筋比が変化するようにしたものである。
【００１７】
なお、請求項２には、全ての節について、個々の節内においては主筋比が変化しない場合だけでなく、請求項１のように１つの節内において主筋比が２段階以上に変化するものと、１つの節内においては主筋比が変化しないものとを混在させる場合も含む。
【００１８】
耐震設計の面からみると、一般に鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱の軸耐力および曲げ耐力は、鋼管、充填コンクリート、および主筋の３つの部分の耐力を累加することで求められる。
【００１９】
建物の場合、下層階の柱ほど、地震時に作用する軸力と曲げモーメント（これらを、それぞれ作用軸力および作用曲げモーメントと呼ぶ）が増大する。上層階の柱の作用軸力および作用曲げモーメントを基準として、下層階の柱に対する作用軸力および作用曲げモーメントの増分を、全て主筋の軸耐力と曲げ耐力を増大させることで処理することとする。
【００２０】
すなわち(1)式が成り立つように、各階の柱のＮsiおよびＭsiを決定する。
【００２１】
Ｎi＜Ｎtt＋Ｎct＋Ｎsi  かつ  Ｍi＜Ｍtt＋Ｍct＋Ｍsi  …  (1）
ここに、
Ｎi、Ｍi：ｉ階の柱の作用軸力と作用曲げモーメント  
Ｎtt、Ｍtt：最上階の鋼管部分が保有する軸耐力と曲げ耐力（一定値）
Ｎct、Ｍct：最上階の充填コンクリート部分が保有する軸耐力と曲げ耐力（一定値）
Ｎsi、Ｍsi：ｉ階の柱の主筋部分が保有する軸耐力と曲げ耐力
ＮsおよびＭsは、主筋比、主筋の降伏強度および主筋カゴの外径の関数である。
【００２２】
主筋比Ｐｇは、(2)式で定義され、主筋直径やその本数で決定される。本発明の鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱では、主筋比を変化させることで、各階の柱が必要とするＮsiおよびＭsiを確保する。
【００２３】
Ｐg＝ΣＡg／Ａc      …（2）
ここに、  
ΣＡg：主筋の断面積の総和
Ａc：充填コンクリートの断面積
【００２４】
主筋の降伏強度が高いほどＮsiおよびＭsiは増加する。しかしながら、鋼管との強度バランスが保たれないと累加強度が成立しないので、事実上、鋼管の強度クラスとほぼ同等の鉄筋が採用される。従って、主筋の降伏強度は、ここでは主要な設計パラメーターとはならない。
【００２５】
主筋カゴの外径は、カゴの断面が円形のときにはその直径、角形のときには１辺の長さであり、その値が大きいほど曲げ耐力が増大する。耐火性能に関連するコンクリートのかぶり厚や、通しダイアフラムのコンクリート打設孔とのクリアランスを必要量確保した上で、鉄筋カゴの大きさが最大化するように主筋配置が決定される。また、同一の柱で鉄筋カゴの大きさを変えると、鉄筋の重ね継手が困難となる。以上の理由で、主筋カゴの外径も、ここでは主要な設計パラメーターとはならない。
【００２６】
従って、本発明の鉄筋補強型コンクリート充填鋼管構造を備える柱は、該構造において主筋比を長手方向に変化させることで、各階の柱が必要とするＮsiおよびＭsiを確保することを特徴とし、主筋の降伏強度および主筋カゴの外径はひとつの柱において基本的に変動させない。
【００２７】
請求項１ないし３の発明の柱は、柱の全長にわたって鉄筋補強型コンクリート充填鋼管構造でもよいし、この構造と他の構造が接続されていてもよい。
【００２８】
請求項４は、請求項１ないし３のいずれかに記載の鉄筋補強型コンクリート充填鋼管構造を備える柱において、前記鉄筋補強型コンクリート充填鋼管を構成する鋼管が、スパイラル鋼管、電縫鋼管、ＵＯＥ鋼管、または冷間成形角形鋼管のいずれかであることを特徴とするものである。
【００２９】
本願の発明では、柱の軸耐力や曲げ耐力を確保について、鋼管板厚を厚くしたり鋼管径を拡大する代わりに、主筋比すなわち主筋量を大きくすることで対処しているため、鋼管について、スパイラル鋼管、電縫鋼管、ＵＯＥ鋼管、または冷間成形角形鋼管などの製造コストの低い鋼管を用いることで、経済的なメリットが大きくなる。
【００３０】
請求項５は、請求項１、２または３に係る鉄筋補強型コンクリート充填鋼管を用いた柱において、柱の一部または全長にわたり耐火被覆が省略されていることを特徴とするものである。
【００３１】
鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱は、鉄筋コンクリート柱などに比べ強度面での優位性があることに加え、鉄筋の入らないコンクリート充填鋼管柱（ＣＦＴ柱）と比較したときにコンファインド効果による高温時の特性により耐火性に優れることが知られており（非特許文献１等）、条件によって耐火被覆の省略が可能であり、その分、施工性や経済性の向上につながる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の鉄筋補強型コンクリート充填鋼管を用いた柱は、薄肉の鋼管（円形鋼管ではスパイラル鋼管、電縫鋼管およびＵＯＥ鋼管等、角形鋼管では冷間成形角形鋼管等）が使用できるので、柱−柱（節−節）接合部および柱−ダイアフラム接合部における溶接コストが削減可能である。
【００３３】
一方で、本発明の鉄筋補強型コンクリート充填鋼管を用いた柱では、主筋比を下層階ほど増加させる必要があるが、主筋の接合に溶接ではなく例えば重ね継手を用いることで、主筋の径が増大しても継手も製作コストほとんどは増加しない。
さらに、使用する鋼管寸法を揃えることができるので、鋼管の調達に要する期間やコストを大幅に削減することができる。
【００３４】
本発明の鉄筋補強型コンクリート充填鋼管を用いた柱の断面構成は、火災を受けた場合に、早期に耐力を喪失する鋼管部分を最小化し、その分を主筋に置き換えた構成となっているので、耐震設計と同様に耐火設計に関しても非常に合理的であり、柱の耐火被覆を省略できるメリットがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１は、本発明の鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱の内部構造を部分的に示したもので、鋼管２の内部に主筋３とフープ筋４から構成される鉄筋カゴが挿入され、さらにコンクリート５が充填されている。
【００３６】
鋼管２は円形鋼管でも角形鋼管でも良い。鉄筋カゴの形状は、円形鋼管の場合には円形（図１(a)参照））で、角形鋼管の場合は円形（図１(b)参照））に加えて角形（図１(c)参照））でも良い。
【００３７】
図２は、本発明の第１実施形態を示したものであり、一つの節からなる柱１の全長にわたり鋼管２の外径と板厚が等しく、その主筋比Ｐgが少なくとも２段階に変化し、下層階ほど主筋比Ｐgが大きい鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱１である。
【００３８】
この例では、１階の主筋比がＰg1で、２階および３階の主筋比がＰg2であり、Ｐg1＞Ｐg2となっている。すなわち、３階に必要な主筋比に２階に必要な主筋比Ｐg2をそのまま適用し、主筋の継手箇所を減らしている。このように、必ずしも各階毎に主筋比を変化させる必要はない。
【００３９】
図３は、本発明の第２実施形態を示したものであり、複数の節から構成される柱１の上方の節と下方の節において鋼管２の外径と板厚が等しく（すなわち、柱１の全長にわたり鋼管寸法が等しく）、その主筋比Ｐgが少なくとも２段階に変化し、下層階ほど主筋比Ｐgが大きい鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱１である。
【００４０】
この例では最上階（４階）の主筋比Ｐg3を０とし、Ｐg1＞Ｐg2＞Ｐg3の関係となっている。
【００４１】
図４は、本発明の第３実施形態を示したものである。
【００４２】
第１実施形態と第２実施形態は、柱１の全長にわたり鋼管寸法が等しいケースであるが、超高層建物のように階高が大きくなると、耐震設計の観点から鋼管２の必要断面の変化量すべてを主筋３で賄うのが困難となることがある。第３実施形態は、このような鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱１を対象としたもので、第１実施形態および第２実施形態を複合させたものである。
【００４３】
即ち、複数の節から構成される柱１で、鋼管２の外径と板厚が等しい上方の節郡（１節以上の柱）と、それに対し鋼管２の板厚のみを増した下方の節郡（１節以上の柱）からなり、各々の節郡の中で、その主筋比Ｐgが少なくとも２段階に変化し、柱全長で見た場合、下層階ほど主筋比Ｐgが大きい鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱である。
【００４４】
この例では最上階（４階）の主筋比Ｐg3を０とし、２節ではＰg3＞Ｐg4、１節ではＰg1＞Ｐg2の関係となっている。
【００４５】
図５は、本発明の第４実施形態を示したもので、本発明の鉄筋補強型コンクリート充填鋼管構造を備える部分１と他の構造形式の柱が接続された形態である。
【００４６】
この例では、本発明の鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱１が下層階では充填被覆形の鋼管コンクリート柱２１に、上層階ではＳ造（中空鋼管）柱３１と接続している。
【００４７】
充填被覆形の鋼管コンクリート柱２１については、コンクリート５が充填された鋼管２の外側に主筋１３およびフープ筋１４が配筋され、被覆コンクリート１５が打設されている。
【００４８】
本発明の鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱において、主筋比Ｐgの上限は、一般に配筋ピッチなど施工性の観点から定まり、およそ４％程度である。一方、主筋比Ｐgの下限として、Ｐg＝０の場合（当然、フープ筋も無し）も本発明に包含される。主筋３の本数は、曲げ耐力を確実に発現させるため８本以上とするのが好ましい。
【００４９】
フープ筋３の径および配筋ピッチは、上層階と下層階とで等しくてもよいし、特に耐火設計の観点から、必要に応じ変化させてもよい（特許文献３参照）。
【００５０】
本発明の鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱では、下層階の柱でも厚さの薄い鋼管２を使用することができる。そのため、丸型鋼管であれば、例えばスパイラル鋼管やＵＯＥ鋼管、角型鋼管であれば冷間成形角形鋼管などを用いることができる。
【００５１】
また、本発明で言う１節は、通常、２〜３階分（長さとしては７ｍ〜１３ｍ）である。コンクリート強度を節の変わり目で変化させても良い。
【００５２】
鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱が火災を受けた場合、鋼管２は早期に耐力を喪失するため柱の耐火性能向上に寄与しない。柱の耐火性能は、従って、充填コンクリート５と内挿鉄筋の軸力保持能力に依存する。
【００５３】
火災時に柱に作用する主要な外力は軸力であり、下方の柱ほど作用軸力が大きくなる。本発明は、耐火時に寄与しない鋼管２の重量を最小化し、その分を主筋３に置き換えた構造で下層階ほど主筋比Ｐgが増大しているから、耐震設計のみならず耐火設計に関しても非常に合理的である。 
【００５４】
耐火設計の観点からは、例えば上述した特許文献３のような構成とすることで耐火被覆の省略が容易に実現できる。もちろん耐火被覆を施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱における内部構造を部分的に示したもので、(a)は水平断面図、(b)は鉛直断面図、(c)および(d)は角形鋼管の場合の鉄筋カゴの形状例の水平断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態を示したもので、正面図と１階から３階部分の水平断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態を示したもので、正面図と１階から４階部分の水平断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態を示したもので、正面図と１階から５階部分の水平断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態を示したもので、正面図と１階から５階部分の水平断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…柱、２…鋼管、３…主筋、４…フープ筋、５…充填コンクリート、
６…柱−柱継手、
１０…パネルゾーン、１１…梁、１２…ダイアフラム、
１３…主筋、１４…フープ筋、１５…被覆コンクリート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2010106600.tif 000006
【図５】
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