(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリート補強用の主筋及びフープ筋を挿入した鋼管内にコンクリートを充填してなる鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱において、当該柱に作用する軸力が、主筋及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、前記主筋の所定の耐火時間経過後における軸力負担分Ｎsと、前記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、前記主筋及びフープ筋の配筋を設定してあり、前記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としたことを特徴とする耐火性を考慮した鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱。
【請求項２】
前記主筋の軸力負担分Ｎs が、Ｎs ＝（主筋断面積）×（主筋の常温時降伏強度）×（所定の耐火時間経過後における主筋温度により決定される低減係数）によって求まるものであり、前記フープ筋の軸力負担分Ｎfが、Ｎf ＝（フープ筋で囲まれるコアコンクリートの断面積）×（コンクリートの拘束係数）×２×（フープ筋の断面積）×（フープ筋の常温時降伏強度）×（所定の耐火時間経過後におけるフープ筋温度により決定される低減係数）÷（フープ筋の補強間隔）÷（フープ筋の外径）によって求まるものである請求項１記載の鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、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柱に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
特開昭６１−１２６２５９号公報には、鉄筋コンクリート柱の外側に捨型枠兼補強用の鋼管を有する構造物の柱が記載されている。この鋼管は、鉄筋コンクリート柱の靱性向上を目的とした補強用であり、柱断面を円形、フープ筋をスパイラルフープとすることで靱性の向上を期待している。
【０００４】
実開平１−１１８５２０号公報には、主筋がなく、スパイラルフープ筋のみでコンクリートを拘束するコンクリート充填鋼管柱が記載されている。
【０００５】
特公平８−３３０４９号公報には、内周面にＵ型横補強鉄筋が溶接された４面ボックス鋼管にコンクリートを打設充填したコンクリート充填鋼管柱が記載されている。Ｕ型横補強鉄筋には、鋼管内のコンクリートを拘束し、コンクリートの耐力と靱性を向上させ、かつ鋼管の局部座屈による耐力の減少を防止することを期待している。
【０００６】
特開平５−２８００９６号公報には、先組した鉄筋ユニットを配筋した後、コンクリートを充填するコンクリート充填鋼管柱及びその構築方法が記載されている。発明の効果としては、表面の鋼管が長時間の火災により劣化した場合でも、コンクリート内部に配筋、埋設された鉄筋により、急激な耐力の低下が生じないことと、先組した鉄筋ユニットによる施工性の向上が記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
鉄筋補強のない一般的なコンクリート充填鋼管柱の耐火性能評価に関しては、多くの実験結果からコンクリート耐力（充填コンクリートの断面積×コンクリートの強度）に対する作用軸力の比（以下、軸力比と記述する）と崩壊時間の関係が導かれている。
【０００８】
例えば、財団法人新都市ハウジング協会の「ＣＦＴ構造技術指針・同解説」においては、軸力比と崩壊時間の関係を、鋼管形状、コンクリート強度及び載荷状態の違いに応じて実験値を安全側に評価したコンクリート充填鋼管の耐火性能評価式が示されている。
【０００９】
その一方で、鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱の耐火性能に関しては、適切かつ安全な補強鉄筋量やその配置を与える評価方法が確立されておらず、上述した特開平５−２８００９６号公報にあるような漠然とした耐火性能が期待され、あるいは個々の対象について実験的な評価が行われているに過ぎない。
【００１０】
本願発明は、このような背景のもとに発明されたものであり、鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱を構成する部材ごとの断面や配置、強度と所定の耐火時間での性能との関係を総合的に評価し、主筋及びフープ筋が安全かつ適切に配筋された耐火性能に優れる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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１に係る鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱は、コンクリート補強用の主筋及びフープ筋を挿入した鋼管内にコンクリートを充填してなる鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱において、当該柱に作用する軸力が、主筋及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、前記主筋の所定の耐火時間経過後における軸力負担分Ｎsと、前記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、前記主筋及びフープ筋の配筋を設定してあり、前記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としたことを特徴とするものである。
【００１２】
すなわち、上記のＮc 、Ｎs 、Ｎf の総和を、所定の耐火時間経過後において鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱が保持し得る限界軸力として評価し、鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱に作用する軸力が上記限界軸力を下回るように、鋼管内の主筋及びフープ筋の配筋を定めるものである。
【００１３】
請求項２は、請求項１に係る鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱において、前記主筋の軸力負担分Ｎs を、Ｎs ＝（主筋断面積）×（主筋の常温時降伏強度）×（所定の耐火時間経過後における主筋温度により決定される低減係数）によって求め、前記フープ筋の軸力負担分Ｎfを、Ｎf ＝（フープ筋で囲まれるコアコンクリートの断面積）×（コンクリートの拘束係数）×２×（フープ筋の断面積）×（フープ筋の常温時降伏強度）×（所定の耐火時間経過後におけるフープ筋温度により決定される低減係数）÷（フープ筋の補強間隔）÷（フープ筋の外径）によって求めたものである。
【００１４】
鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱の限界軸力の算定において、鉄筋を除いたコンクリート充填鋼管柱の軸力負担分Ｎc は、コンクリート充填鋼管の載荷加熱実験結果などに基づき、例えば、従来の技術の項で述べた「ＣＦＴ構造技術指針・同解説」に記載のＣＦＴ柱の耐火設計式を用いて定めることができる。
【００１５】
また、主筋の軸力負担分Ｎs に対し、フープ筋の効果は、フープ筋がコアコンクリートを拘束することによるコアコンクリートの耐力上昇分として軸方向力に累加して評価することとしたものである。
【００１６】
請求項１において、主筋とフープ筋の比率が、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としたのは、鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱における鉄筋補強の効果を効率良く発揮できる範囲を、発明の実施の形態の項で後述するように、主筋重量強度とフープ筋重量強度の関係、及びかぶり厚から求めたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本願発明に係る鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱に円形鋼管を用いた場合の一実施形態を充填コンクリートを省略して示した鉛直断面（右半分のみ）図、図２はその水平断面図である。
【００１８】
鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱１を構成する円形鋼管２は、柱梁接合部において、円形鋼管２とほぼ等しい径で内フランジ及び外フランジを有する上下一対のダイアフラム３に溶接接合されている。さらに、ダイアフラム３には、Ｈ形鋼梁６のフランジが接合されている。
【００１９】
なお、円形鋼管を上階から下階まで貫通させ、柱梁接合部において円形鋼管を外ダイアフラムにより補強する場合、あるいはノンダイアフラムとする場合も、本願発明の技術範囲に属することは言うまでもない。
【００２０】
本実施形態では、この円形鋼管２の内部に柱材軸方向に配筋された主筋４と主筋４に対して等間隔に緊結されたフープ筋５からなる鉄筋籠が挿入されている。
【００２１】
この鉄筋籠の主筋４とフープ筋５の重量強度は、主筋重量強度：フープ筋重量強度＝５：５〜９：１の範囲となるように選択されている。また、鉄筋籠とコンクリート外縁との間隔（かぶり厚）ａは、ａ≧５０ｍｍを確保している。
【００２２】
図３は本願発明に係る鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱に角形鋼管を用いた場合の一実施形態を充填コンクリートを省略して示した鉛直断面（右半分のみ）図、図４はその水平断面図である。
【００２３】
角形鋼管７は、柱梁接合部においてＨ形鋼梁６のフランジが取り付く部分を、コンクリート補強用鉄筋籠を連通させるべく設けられた開口部１０と、コンクリートの充填性を助けるため、必要に応じて設けられた複数個の連通口９を有する内ダイアフラム８により、その内部から補強されている。
【００２４】
角形鋼管７内の補強鉄筋は、柱の形状に合わせ四角形に配筋しても良いが、図４に示すように同心円上に配筋した方が、コアコンクリートを拘束するという面で有利である。
【００２５】
図３及び図４の鉄筋籠も、図１及び図２の鉄筋籠同様に、主筋重量強度：フープ筋重量強度で、５：５〜９：１の範囲で選択し、かぶり厚ｂは、ｂ≧５０ｍｍを確保している。
【００２６】
図５は本願発明による鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱における耐火性能に関する限界軸力評価値と、鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱の複合載荷加熱実験の結果を比較した場合の一例を示したものである。
【００２７】
実験及び限界軸力評価の対象とした鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱は、鋼管が径３１８．５ｍｍ、管厚６．９ｍｍ、主筋が径１６ｍｍ、１０本、フープ筋が径６ｍｍ、５０ｍｍ間隔の場合である。
【００２８】
本願発明において、所定の耐火時間における主筋及びフープ筋を除いたコンクリート充填鋼管柱の軸力負担分Ｎc と、所定の耐火時間経過後における主筋の軸力負担分Ｎsと、所定の耐火時間経過後におけるフープ筋の軸力負担分Ｎf の総和として評価される限界軸力を算出することで、所定の耐火時間における限界軸力を適切かつ安全側に評価できることがわかる。
【００２９】
図６は柱径が７００ｍｍ程度の鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱（ＲＣＦＴ柱）の加熱１〜３時間における許容軸力比を、複合載荷加熱実験（柱径３１８．５ｍｍ）の結果を基に決定した場合と、本願発明の限定条件から算出した場合とを比較して示したものである。
【００３０】
一般に、柱径が大きくなると熱容量が大きくなることから、部材の温度上昇が緩やかとなり、耐火性能が向上するが、本願発明に従って鉄筋補強の効果を適切に評価することにより、この柱サイズの影響を取り入れることが可能となり、実験値をそのまま用いる場合に比べ、鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱をより高い軸力に適用することが可能である。
【００３１】
図７は鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱（ＲＣＦＴ柱）の加熱載荷実験の崩壊軸力と、鉄筋補強のないコンクリート充填鋼管柱（ＣＦＴ柱）の崩壊軸力評価値の比と鉄筋重量強度との関係を示したものである。
【００３２】
全鉄筋重量強度に対する主筋重量強度が、０．５〜０．９（主筋重量強度：フープ筋重量強度＝５：５〜９：１）の範囲にある鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱の崩壊軸力は、鉄筋補強していないコンクリート充填鋼管柱の崩壊軸力よりも、４０％以上向上している。
【００３３】
また、常温時においては、施工上の不具合が生じない限り、かぶり厚を小さくとる方が鉄筋補強の効果が期待できるが、加熱時においては、ある程度のかぶり厚が必要である。
【００３４】
図８は、本願発明における設計概念を用いた数値実験により求めた限界軸力比と鉄筋のかぶり厚の関係を示したものである。
【００３５】
ある範囲までは、かぶり厚を小さくすると限界軸力比が増加するが、極端にかぶり厚を小さくすると、限界軸力比が低下している。そこで、本願発明に係る鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱では、柱サイズによらず、かぶり厚の下限値を５０ｍｍに設定することで、効率の良い鉄筋補強効果を可能にしている。
【００３６】
【発明の効果】
(1) 本願発明によれば、コンクリート充填鋼管の耐火性能を向上する目的で挿入される充填コンクリート補強用の鉄筋について、所定の耐火時間に必要とされる主筋とフープ筋を適切に配筋することが可能となる。
【００３７】
(2) 主筋及びフープ筋が適切に配筋された鉄筋補強型コンクリート充填柱は、長時間の火災加熱を受けても、効率的かつ適切に配筋された補強鉄筋の効果により、鉄筋補強していないコンクリート充填鋼管に比較して高い軸力を長時間にわたって保持することができる。その結果、耐火被覆の省略・低減、さらにコンクリート充填鋼管柱の断面寸法を小さくすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明に係る鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱の一実施形態を充填コンクリートを省略して示した鉛直断面図である。
【図２】 図１に対応する水平断面図である。
【図３】 本願発明に係る鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱の他の実施形態を充填コンクリートを省略して示した鉛直断面図である。
【図４】 図３に対応する水平断面図である。
【図５】限界軸力評価値と、複合載荷加熱実験結果との比較のグラフである。
【図６】 スケール効果を取り入れた限界軸力評価値と、実験結果を用いた設計との比較を示す棒グラフである。
【図７】 最適範囲にある重量強度比で実施された鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱（ＲＣＦＴ柱）の加熱載荷実験の崩壊軸力と、コンクリート充填鋼管柱（ＣＦＴ柱）の崩壊軸力評価値との比較を示すグラフである。
【図８】 かぶり厚と限界軸力の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…鉄筋補強型コンクリート充填鋼管柱、２…円形鋼管、３…ダイアフラム、４…主筋、５…フープ筋、６…Ｈ形鋼梁、７…角形鋼管、８…内ダイアフラム、９…連通孔、１０…開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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