(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成構造における部材軸方向鋼材として、経時固化材料中に埋め込んで用いる突起付Ｈ形鋼であって、フランジ外面およびウェブ両面に複数の突起が設けられている突起付Ｈ形鋼において、フランジ部の断面積の総和をＡf 、ウェブ部の断面積をＡw 、一定長さ内における前記フランジ部および前記ウェブ部の各々に対する各突起の形鋼長手方向投影面積の総和を、それぞれａf，ａw で表したとき、
ａf ／ａw ＝α（Ａf ／Ａw ）
０．７≦α≦１．３
となるようにしたことを特徴とする突起付Ｈ形鋼。
【請求項２】
前記突起が、鋼材長手直交方向に連続した線状突起または鋼材長手直交方向にほぼ均等な間隔で配置された点状突起であり、フランジ外面突起の鋼材長手方向配置間隔よりもウェブ両面突起の鋼材長手方向間隔が広いことを特徴とする請求項１記載の突起付Ｈ形鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、土木、建築構造物を鋼材と経時固化材料との合成構造で構築する場合等に用いる突起付Ｈ形鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材と経時固化材料（土木、建築構造物では、コンクリート、モルタル、ソイルセメントなどが用いられることが多いので、以下、コンクリートで代表させて説明する）とを断面内で合成させた合成構造では  耐荷性能、変形能の観点から鋼材とコンクリートとが一体化していることが望ましい。
【０００３】
しかし、鋼材として形鋼を用いる場合、通常の形鋼は異形鉄筋に比べて付着性能が低いので、構造物に作用する外力が増大すると形鋼とコンクリートの間のずれが大きくなり、力学性能のみならず、ひび割れ耐久性が低下するという問題点がある。
【０００４】
上記の問題点を解決する技術として、実公昭５６−５４２４５号公報には、鉄骨とコンクリートとの接触面積を突起のせん断方向への総投影面積の８〜２０倍とすることで付着強度、並びに付着に関する変形能を向上させた鉄骨が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記公報に開示された技術の範囲では、実際には、Ｈ形鋼のフランジ面とウェブ面の突起配分比率がアンバランスであり、柱部材などの軸方向鋼材として使用すると、Ｈ形鋼の断面内の軸応力分布が不均一になってしまい、Ｈ形鋼とコンクリートの一体化により本来得られるべき耐荷性能ならびに付着性能が低下するという課題がある。
【０００６】
本願発明は、コンクリート中に埋め込んで軸方向鋼材として使用する突起付Ｈ形鋼について、鋼材断面内の軸応力分布を均一にし、付着伝達による力を受ける側のコンクリート等の経時固化材料も含めて、その耐荷性能ならびに付着性能を向上させることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１に係る発明は、合成構造における部材軸方向鋼材として、経時固化材料中に埋め込んで用いる突起付Ｈ形鋼であって、フランジ外面およびウェブ両面に複数の突起が設けられている突起付Ｈ形鋼において、フランジ部の断面積の総和をＡf 、ウェブ部の断面積をＡw 、一定長さ内における前記フランジ部および前記ウェブ部の各々に対する各突起の形鋼長手方向投影面積の総和を、それぞれａf，ａw で表したとき、
ａf ／ａw ＝α（Ａf ／Ａw ）
０．７≦α≦１．３
となるようにしたことを特徴とするものである。
【０００８】
突起付鋼材をコンクリート中に埋め込んで付着により結合させる場合、コンクリートが付着破壊しない応力レベルであれば、両者のずれに対する抵抗力である付着力、並びに付着力を付着面積で除した付着応力度は、ずれ量に比例して増大することが知られている。
【０００９】
また、高さや間隔などの突起形状が異なる鋼材を用いる場合や、鋼材の付着面積が異なる場合には、付着力はずれ方向への突起投影面積の総和にも比例して増大することが知られている。
【００１０】
本願発明は、これらの点を考慮したものであり、フランジ外面およびウェブ両面に突起を有するＨ形鋼を対象とし、その用途は合成構造における軸方向鋼材である。
【００１１】
また、ここでは、主に部材断面内に複数本が離散配置される鋼材を想定し、軸力として引張力または圧縮力が作用する状態を想定している。
【００１２】
本願発明の基本となる概念は、フランジ外面およびウェブ両面に突起を有するＨ形鋼において、フランジ、ウェブの突起投影面積比ａf ／ａw とフランジ、ウェブの断面積比Ａf ／Ａw が次式の関係を満足するように突起を配置することである。
【００１３】
０．７≦α＝（ａf ／ａw ）／（Ａf ／Ａw ）≦１．３    …  (1)
ここに、
ａf ：Ｈ形鋼の一定長さについて求めたフランジ外面の突起の形鋼長手方向への投影面積の総和
ａw ：Ｈ形鋼の一定長さについて求めたウェブ両面の突起の形鋼長手方向への投影面積の総和
Ａf ：Ｈ形鋼フランジ部の有効断面積の総和（突起部を除く）
Ａw ：Ｈ形鋼ウェブ部（フイレットを含む）の有効断面積（突起部を除く）
これにより、合成構造の軸方向鋼材として突起付形鋼を使用した場合に生じる形鋼断面内における軸応力の偏りの問題を解消する。
【００１４】
突起付Ｈ形鋼を合成構造の軸方向鋼材として使用する場合、その付着性能が高いことは勿論のこと、使用状態の形鋼断面を取り出して考えた場合、以下のような理由から、断面内の軸応力分布には偏りがないことが望ましい。
▲１▼  軸力を受ける突起付Ｈ形鋼の耐荷力の上限値は、Ｈ形鋼断面の全塑性軸力として計算できるが、断面内の軸応力に偏りがあると、全塑性軸力に到達する以前に断面内の一部の領域が塑性化し、Ｈ形鋼は弾性的な挙動を示さなくなる。これは、見かけ上、Ｈ形鋼の降伏耐力、降伏点が低下することに相当する。
▲２▼  さらに、降伏した鋼材の近傍では、付着強度が大幅に低下してしまうことが知られており（島，周，岡村：異形鉄筋の鉄筋降伏後における付着特性，土木学会論文集，第３７８号／Ｖ−６，ｐｐ２１３−２２０，１９８７年）、このことから、▲１▼のように鋼材が部分的に降伏してしまうと、コンクリートと鋼材との相対ずれ量が急激に増大したり、Ｈ形鋼の定着耐力が低下してしまうという付着性能に関する問題も予想される。
【００１５】
一方、コンクリート中に埋め込まれた突起付Ｈ形鋼の断面内に生じる軸応力に偏りが生じる原因としては、Ｈ形鋼の構成要素であるフランジ、ウェブの断面積比Ａf ／Ａw と、フランジ、ウェブの突起投影面積比ａf ／ａw の間に大きな隔たりがあることが挙げられ、軸応力の偏りを解消するには、Ａw ／Ａf とａf ／ａw を近づければ良い。
【００１６】
この理由について、図１および図２のモデルで説明する。突出部に作用する軸力をＰ、フランジ２枚分の軸力をＮf 、ウェブの軸力をＮw とすると、次の関係が成り立つ。
【００１７】
Ｐ＝Ｎf ＋Ｎw     …  (2)
Ｈ形鋼の埋め込み方向に軸ｚをとり、深さｚの位置におけるフランジの平均軸応力をσf （ｚ）、同様にウェブの平均軸応力をσw （ｚ）で表す。任意の深さについて、Ｈ形鋼の断面内応力分布が均一である状態は、次式で表される。
【００１８】
σf （ｚ）＝σw （ｚ）    …  (3)
突出部の軸力Ｎf 、Ｎw と、平均軸応力は次のように表される。ここで、Ａf とＡw はそれぞれフランジ（２枚分）とウェブの断面積である。
【００１９】
Ｎf ＝Ａf ・σf （０）    …  (4)
Ｎw ＝Ａw ・σw （０）    …  (5)
突出部のＨ形鋼断面の応力分布が均一であることは、
σf （０）＝σw （０）
と表されるので、これを考慮して、式(4) 、式(5) から、σf （０）、σw （０）を消去すると、次の関係が得られる。
【００２０】
Ｎf ／Ｎw ＝Ａf ／Ａw     …  (6)
次に、埋め込み部について考える。先に述べたように、突起付鋼材の付着力はずれ量と突起投影面積に比例して増大する。そこで、埋め込み部において、２枚のフランジ外面に生じる付着力の和をＦf 、ウェブ両面に生じる付着力をＦw 、Ｈ形鋼の抜出し量をδ、フランジ突起投影面積をａf 、ウェブ突起投影面積をａw と表すと、次の関係が導かれる。
【００２１】
Ｆf ＝β・ａf ・δ    …  (7)
Ｆw ＝β・ａw ・δ    …  (8)
ここで、βは比例係数であり、コンクリートの強度や、コンクリートの拘束圧に関連したものである。このβの値は付着実験などから特定できる。
【００２２】
式(7) と式(8) から、次の関係が得られる。
Ｆf ／Ｆw ＝ａf ／ａw     …  (9)
次に、図２から、Ｈ形鋼の構成要素である、フランジ、ウェブの個々について力の釣り合いを考えると、
Ｎf ／２＝Ｆf ／２−Ｓ    …  (10)
Ｎw ＝Ｆw ＋２Ｓ          …  (11)
式(10)、式(11)のＳは、フランジとウェブの接続部に生じるせん断力である。
【００２３】
ここで、Ｈ形鋼の埋め込み全長に渡って式(3) が成立するためには、深さｚによらず断面内にせん断応力が生じてはならないので、Ｓ＝０が満足される必要がある。
【００２４】
Ｓ＝０とおくと、式(6) 、式(9) 、式(10)、式(11)から次の関係が導かれる。
α＝（ａf ／ａw ）／（Ａf ／Ａw ）＝１    …  (12)
以上により、任意の深さについて、Ｈ形鋼断面内の軸応力分布を均一化するための条件が導かれた。
【００２５】
式(12)は最も理想的な状態を表し、任意の深さｚに対してフランジ、ウェブの軸応力が完全に一致する場合に対応している。また、αが１から離れるほど、フランジ、ウェブの接続部に生じるせん断力Ｓが増加し、フランジの平均軸応力とウェブの平均軸応力の差が大きくなる。
【００２６】
式(12)は理想状態を表すものであるが、フランジ、ウェブの接続部に生じるせん断力があまり大きくなければ、Ｈ形鋼断面内の軸応力分布の偏りもさはど大きくはならない。
【００２７】
また、Ｈ形鋼を取り囲むコンクリート内には、横拘束筋が配筋されるのが一般的であるが、横拘束筋の配筋方法によってはコンクリートのＨ形鋼に対する拘束度が、フランジ面とウェブ面で若干異なる場合がある。本願発明では、このような横拘束筋量の異方性も考慮し、αの実用的な範囲として式(1) を決定している。
【００２８】
さらに、式(1) で表される本願発明の突起付Ｈ形鋼と従来の突起付Ｈ形鋼の相違を明確にするため、従来の突起付Ｈ形鋼について、Ａf ／Ａw とａf ／ａw の関係を求め、本願発明の範囲と比べた結果を図３に示す。
【００２９】
図中、○、□、△のプロットは従来の突起付Ｈ形鋼であるが、断面寸法が明確でないものについては、次の要領でＡf ／Ａw とａf ／ａw を推定した。
▲１▼  Ａw ／Ａf は突起のない通常のＨ形鋼の各サイズ（広幅系列、中幅系列、細幅系列）について算定した。
▲２▼  上記▲１▼で選んだ各サイズについて、ａf ／ａw ＝ｂf ／ｂw とした。ただし、ｂf はフランジ幅、ｂw はＨ形鋼全高からフランジ板厚の２倍と、フィレットサイズの２倍を減じた長さである。
【００３０】
図３から、従来の突起付Ｈ形鋼は、実線で示した本願発明のαの範囲を大きく外れており、単にＨ形鋼の外径寸法や板厚を変化させただけでは、既に述べたＨ形鋼断面内における軸応力の偏りを解決できないことが明らかである。
【００３１】
突起付Ｈ形鋼については、Ｈ形鋼のウェブ厚がフランジ厚以上である場合が含まれる。
【００３２】
請求項２は、請求項１に係る突起付Ｈ形鋼について、前記突起が、鋼材長手直交方向に連続した線状突起または鋼材長手直交方向にほぼ均等な間隔で配置された点状突起であり、フランジ外面突起の鋼材長手方向配置間隔よりもウェブ両面突起の鋼材長手方向間隔が広い場合を限定したものである。
【００３３】
なお、この線状突起は、鋼材長手直交方向に連続したものの他、鋼材長手直交方向に複数に分断されたものも含む。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図４は、本願発明の突起付Ｈ形鋼の一実施形態を示したものである。図４の突起付Ｈ形鋼１は、フランジ外面に線状突起３を有しており、この線状突起３はフランジ全幅に渡って設けられている。
【００３７】
また、ウェブの両面にも線状突起３が設けられている。線状突起３の形鋼長手方向の配置間隔は、式(1) の関係を満足するように、フランジ面とウェブ面で変化させている。
【００３８】
図５に示した突起付Ｈ形鋼１は、図４に示したものの変形例であり、線状突起３を角形突起に置き換えたものである。
【００３９】
図６は式(1) の関係を満足させ、さらに、ウェブの板厚を増加させてフランジよりも厚肉とした例である。
【００４０】
通常、Ｈ形鋼は断面二次モーメントを大きくして曲げ強度を確保するため、ウェブ板厚がフランジ板厚より小さいものがほとんどであるが、本願発明では突起付Ｈ形鋼１を軸方向鋼材として使用することを考えているので、ウェブ板厚はフランジ板厚より大きくても良い。この場合、ウェブの板厚を増加させることで、Ｈ形鋼１全体の断面積を増加させ、さらにウェブへの突起付与量も増やすことができる。
【００４１】
図７は、形鋼長手方向の突起間隔をフランジ、ウェブで同一とし、式(1) を満足させるために、フランジ外面並びにウェブ両面の突起幅により突起投影面積比を調整した例である。
【００４２】
突起幅を調整する場合、突起幅が板幅に比べて小さくなり過ぎる恐れがあるので、そのような場合は、突起３を分割して板幅方向に分散させるのが好ましい。また、図７の突起３間の副次的な利用法として、例えば、この部分にスタッドジベルを溶植することなどが可能である。付着面にスタッドジベルを追加する場合、スタッドジベルが鋼材とコンクリートの肌離れを抑制するので、付着の変形能が向上するという効果がある。
【００４３】
図８は、細幅のＨ形鋼の突起配置を式(1) で最適化した例である。本願発明はＨ形鋼１の寸法や、外形によらず適用することができる。
【００４４】
なお、以上、図４〜図８に例示した本願発明の突起付Ｈ形鋼１の表面に設ける突起３の高さは、２．０ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００４５】
一般に、突起付き鋼材の突起高さｈと、付着力の作用方向への突起配置間隔ｐの関係は、付着に関するじん性を確保するために、ｐ／ｈを１０程度以上とすることが多いが、この場合、突起高さを２．０ｍｍ以上とすれば、突起間隔は２０ｍｍ以上確保でき、突起間にスタッドジベル等の補助部材を取り付けたり、運搬用の金具を取り付けたりすることが容易になる。従って、この点からすれば、フランジ外面およびウェブ両面の両者について、突起３の高さを２．０ｍｍ以上とすることがより好ましい。
【００４６】
図９は、本願発明の突起付Ｈ形鋼１を合成構造部材に適用した場合の一実施形態を示したものである。本願発明の突起付Ｈ形鋼１は、軸方向鋼材として使用するのに適しているので、特に、断面寸法が大きい橋脚４などに用いれば、橋脚４の耐荷性能を高めることができ、また、施工面でも鉄筋配筋作業が軽減されるなどの利点がある。
【００４７】
なお、図９において、符号２は、コンクリート（ハッチング省略）、５は主鉄筋、６は帯鉄筋（横拘束筋）、７は中間帯鉄筋（横拘束筋）、８は中空部である。
【００４８】
【発明の効果】
フランジ外面およびウェブ両面に突起を有するＨ形鋼の突起配置を、本願発明で規定する範囲に設定することで、Ｈ形鋼断面内に生じる軸応力分布の偏りを解消することができ、軸応力分布の偏りに起因して生じるＨ形鋼の耐荷性能並びに付着性能の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  コンクリート中に埋め込まれた突起付Ｈ形鋼が引き抜き力を受ける場合の力の釣り合いを示す説明図である。
【図２】  コンクリート中に埋め込まれた突起付Ｈ形鋼が引き抜き力を受ける場合のフランジ部およびウェブ部の個々の力の釣り合いを示す説明図である。
【図３】  本願発明と従来例について、フランジ、ウェブの断面積比と突起投影面積比の関係を示したグラフである。
【図４】  本願発明の突起付Ｈ形鋼の一実施形態を示したもので、(a) は側面図、(b) は正面図である。
【図５】  本願発明の突起付Ｈ形鋼の他の実施形態を示したもので、(a) は側面図、(b) は正面図である。
【図６】  本願発明の突起付Ｈ形鋼のさらに他の実施形態を示したもので、(a) は側面図、(b) は正面図である。
【図７】  本願発明の突起付Ｈ形鋼のさらに他の実施形態を示したもので、(a) は側面図、(b) は正面図である。
【図８】  本願発明の突起付Ｈ形鋼のさらに他の実施形態を示したもので、(a) は側面図、(b) は正面図である。
【図９】  本願発明の突起付Ｈ形鋼を中空形式の橋脚脚柱に適用した場合の水平断面図である。
【符号の説明】
１…突起付Ｈ形鋼、２…コンクリート、３…突起、４…橋脚、５…主鉄筋、６…帯鉄筋（横拘束筋）、７…中間帯鉄筋（横拘束筋）、８…中空部
【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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【図９】
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