(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェブおよび該ウェブの幅方向の両端縁に設けられたフランジを有する鉄骨部材と、前記鉄骨部材の端部を埋め込み状態に鉄筋コンクリートで被覆した複合部材であって、
前記鉄筋コンクリートによる前記鉄骨部材の被覆部の始端部近傍および前記被覆部の終端部近傍に集中補強筋部をそれぞれ備え、
前記始端部近傍および終端部近傍の各集中補強筋部は、前記フランジの幅方向の両端縁に近接して配置され、かつ前記鉄骨部材の長手方向に密に配置された複数の中子筋で構成されており、
前記中子筋の量は、前記始端部の支圧耐力または前記終端部の支圧耐力が、前記鉄筋コンクリート内で形成されるトラス機構で生じるせん断力と略一致するように決定される、
ことを特徴とする複合部材。
【請求項２】
前記支圧耐力は、前記集中補強筋部の引張力と、前記始端部または前記終端部のコンクリートの支圧耐力と、のうち、値が小さい方で与えられることを特徴とする請求項１に記載の複合部材。
【請求項３】
前記集中補強筋部の引張力は、前記始端部または前記終端部の前記集中補強筋部の断面積と、前記始端部または前記終端部の前記集中補強筋部の降伏点と、の積で与えられることを特徴とする請求項２に記載の複合部材。
【請求項４】
前記始端部または前記終端部の前記コンクリートの前記支圧耐力は、前記始端部または前記終端部の支圧の有効長さと、前記鉄骨部材のフランジ幅と、前記コンクリートの支圧強度と、の積で与えられることを特徴とする請求項２に記載の複合部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄骨部材の端部を鉄筋コンクリートによって被覆した複合部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄骨部材の端部を鉄筋コンクリートによって被覆した複合部材が用いられている。このような複合部材の一例として、鉄骨造におけるいわゆる鉄骨根巻型柱脚や、柱鉄筋コンクリート造・梁鉄骨造とする混合（ハイブリッド）構造において、鉄骨梁の端部を鉄筋コンクリートによって被覆した複合梁などが挙げられる。
【０００３】
このような異種構造材料による複合部材では、異種材料間での力の伝達が最も重要な課題となる。異種材料間で円滑に力の伝達を行うためには、鉄骨部材の埋め込み部（鉄骨埋め込み部）において適切な補強を施すことが必要である。鉄骨埋め込み部の補強は、鉄筋を用いてなされることが一般的である。また、特に、鉄骨に力が作用した場合に大きなてこ反力が作用する鉄骨埋め込み始端部近傍、および鉄骨埋め込み終端部近傍では、補強筋量を他の部分に比べて多めにすることが通常よく行われる（たとえば、下記特許文献１および２参照）。このような端部の補強に用いられる補強筋は、一般に「集中補強筋」と称されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１９６３４７
【特許文献２】特開２００７−２９１６３６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的な集中補強筋の設置方法として、鉄骨埋め込み始端部近傍および終端部近傍の補強筋を、他の部分の補強筋の径や強度に比べて大きくする、または、鉄骨埋め込み始端部近傍および終端部近傍の補強筋量を増やす（具体的には、鉄筋コンクリート梁断面の外周部に間隔を開けずに何重にも巻く）、などの方法が採られている。しかしながら、このような方法で設置した集中補強筋の効果を確認した実験では、せん断補強部材として一定の効果を発揮したとの報告がある一方、集中補強筋の量を増やしても複合部材の耐力がほとんど上昇しなかったとの報告や、補強筋のひずみ度が想定よりも小さく、補強筋の強度を活かしきれていないとの報告もなされている。このことより、上記のような現状の集中補強筋の配置には無駄があり、集中補強筋の性能を活かしきれていないという問題点が挙げられる。
【０００６】
本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、鉄骨部材の端部を鉄筋コンクリートによって被覆した複合部材の鉄骨埋め込み部を、鉄筋によって効率良く補強することができる複合部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するため、本発明は、ウェブおよび該ウェブの幅方向の両端縁に設けられたフランジを有する鉄骨部材と、前記鉄骨部材の端部を埋め込み状態に鉄筋コンクリートで被覆した複合部材であって、前記鉄筋コンクリートによる前記鉄骨部材の被覆部の始端部近傍および前記被覆部の終端部近傍に集中補強筋部をそれぞれ備え、前記始端部近傍および終端部近傍の各集中補強筋部は、前記フランジの幅方向の両端縁に近接して配置され、かつ前記鉄骨部材の長手方向に密に配置された複数の中子筋で構成されており、前記中子筋の量は、前記始端部の支圧耐力または前記終端部の支圧耐力が、前記鉄筋コンクリート内で形成されるトラス機構で生じるせん断力と略一致するように決定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、鉄骨部材の端部を鉄筋コンクリートによって被覆した複合部材の鉄骨埋め込み部を、鉄筋によって効率良く補強することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態にかかる複合部材の断面側面図である。
【図２】自由端部に集中荷重Ｐをうけた複合部材１０の曲げモーメント図である。
【図３】自由端部に集中荷重Ｐをうけた複合部材１０のせん断力図である。
【図４】複合部材１０の応力伝達機構を示す説明図である。
【図５】複合部材１０の応力伝達機構を示す説明図である。
【図６】中子筋の有無による支圧力方向の違いを示す説明図である。
【図７】片持ち梁の先端に集中荷重Ｐが作用する際のてこ反力モデルを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる複合部材の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
（実施の形態）
図１は、実施の形態にかかる複合部材の断面側面図である。実施の形態１にかかる複合部材１０は、鉄筋コンクリート被覆部１および鉄骨梁２によって構成される。鉄骨梁２は、Ｉ字型梁であり、上下にフランジを有する。鉄骨梁２の一端は、鉄筋コンクリート被覆部１によって被覆されている。複合部材１０の鉄筋コンクリート被覆部１側の端は、鉄筋コンクリート柱３に埋め込まれており、複合部材１０は、一方の端部のみを鉄筋コンクリート柱３に支持された片持ち梁となっている。複合部材１０の鉄筋コンクリート柱３に埋め込まれている側の端部を埋め込み端部という。また、複合部材１０の鉄筋コンクリート柱３に埋め込まれていない側の端部を自由端部という。
【００１３】
複合部材１０の鉄筋コンクリート被覆部１の始端部を被覆始端部４、終端部を被覆終端部５とする。図１においては、鉄骨梁２の長さをｌ、鉄筋コンクリート被覆部１の始端部４から終端部５までの長さをｌｃで示している。また、複合部材１０の鉄筋コンクリート被覆部１のうち、鉄骨の有効埋め込み領域の長さ（有効埋め込み長さ）をｌｒ、有効埋め込み領域の始端部を有効始端部Ａ、終端部を有効終端部Ｏとする。ｌｃ＞ｌｒであるので、被覆終端部５の位置と有効終端部Ｏの位置とは一致する一方で、被覆始端部４の位置と有効始端部Ａの位置とは、ほぼ一致するが、有効始端部Ａの方がやや内側（埋め込み端部側）となっている。
【００１４】
鉄筋コンクリート被覆部１内部には、集中補強筋６（せん断補強筋）および補強筋７が設けられている。補強筋７は、鉄筋コンクリート被覆部１中に等間隔に設けられる。一方、集中補強筋６は、被覆始端部４および被覆終端部５の近傍にのみ設けられる。集中補強筋６を設けることによって、被覆始端部４および被覆終端部５の支圧耐力が向上する。詳細は後述するが、集中補強筋６は、被覆始端部４および被覆終端部５の支圧耐力が、鉄筋コンクリート被覆部１内で形成されるトラス機構で生じるせん断力と略一致するように、その量が決定されている。
【００１５】
つぎに、複合部材１０における曲げモーメントおよびせん断力について説明する。図２は、自由端部に集中荷重Ｐをうけた複合部材１０の曲げモーメント図である。また、図３は、自由端部に集中荷重Ｐをうけた複合部材１０のせん断力図である。図２および図３において、縦軸は曲げモーメントまたはせん断力の強度、横軸は有効終端部Ｏからの距離である。また、図２および図３において、網掛けした部分Ｓは、鉄骨梁２に生じる曲げモーメントおよびせん断力であり、網掛けのない部分ＲＣは、鉄筋コンクリート被覆部１に生じる曲げモーメントおよびせん断力である。
【００１６】
図２において、複合部材１０に生じる曲げモーメントは、集中荷重Ｐの作用点と作用点からの距離の積となる。鉄筋コンクリート柱３に埋め込まれていない部分、すなわち、有効終端部Ｏからの距離がｌからｌ−ｌｒまでの部分は、鉄骨梁２のみに曲げモーメントが生じており、その大きさは集中荷重Ｐからの距離に比例して増加している。一方、鉄筋コンクリート柱３に埋め込まれている部分、すなわち、有効終端部Ｏからの距離がｌｒまでの部分では、鉄骨梁２および鉄筋コンクリート被覆部１に曲げモーメントが生じる。このとき、全体の曲げモーメントは集中荷重Ｐからの距離に比例するが、鉄骨梁２の曲げモーメントは有効始端部Ａを境に減少し、その減少分を鉄筋コンクリート被覆部１で負担している。
【００１７】
また、図３において、複合部材１０に生じるせん断力は、鉄筋コンクリート柱３に埋め込まれていない部分、すなわち、有効終端部Ｏからの距離がｌからｌ−ｌｒまでの部分では、鉄骨梁２に対して集中荷重Ｐと同じ向きのせん断力が生じる。その強度は、有効終端部Ｏからの距離によらず一定である。また、鉄筋コンクリート柱３に埋め込まれている部分、すなわち、有効終端部Ｏからの距離がｌｒまでの部分は、鉄骨梁２および鉄筋コンクリート被覆部１にそれぞれせん断力が生じる。鉄骨梁２に生じるせん断力は、集中荷重Ｐと逆向きであり、鉄筋コンクリート被覆部１に生じるせん断力は、集中荷重Ｐと同じ向きである。その強度は有効終端部Ｏからの距離によらず一定である。
【００１８】
つぎに、複合部材１０の応力伝達機構について説明する。図４および図５は、複合部材１０の応力伝達機構を示す説明図である。図４（ａ）および図５（ａ）は、複合部材１０の鉄筋コンクリート被覆部１を軸方向と垂直に切断した切断図であり、図４（ｂ）および図５（ｂ）は、鉄筋コンクリート被覆部１を軸方向と平行に切断した切断図である。複合部材１０の自由端部に集中荷重Ｐがかかった場合、図４に示すように、鉄骨梁２のフランジ幅を除いた部分（図４（ａ）の網掛け部）の集中補強筋６、補強筋７およびコンクリート束でトラス機構が形成される。このトラス機構は、図４（ｂ）に示すように、有効始端部Ａにおける鉄骨梁２の下フランジ下面の支圧力ＲＡが集中補強筋６に伝達され、補強筋７とコンクリート束とによって埋め込み端部へと力が伝達される機構である。図４（ｂ）において、Ｖ’ｔで示すのは、トラス機構で負担するせん断力であり、補強筋７の降伏またはコンクリート束の破壊（図中の×）によって決定する耐力である。
【００１９】
同時に、図５に示すように、鉄骨梁２の上下フランジに囲われた部分（図５（ａ）の網掛け部）のコンクリート束ではアーチ機構が形成される。このアーチ機構は、図５（ｂ）に示すように、有効始端部Ａにおいて鉄骨梁２の上フランジ下面に作用する圧縮力が、直接埋め込み端部まで伝達される機構である。
【００２０】
これらの抵抗機構のうち、トラス機構では、図４（ａ）に示すように、下フランジ下面でコンクリートの支圧力ＲＡが有効始端部Ａの集中補強筋に伝達される。このため、有効始端部Ａの集中補強筋６は、外周部に配されるよりも鉄骨梁２のフランジ近傍に中子筋６ａとして配置した方が、支圧が直接的に伝達されやすく、複合部材１０の強度を大きくすることができる。
【００２１】
図６は、中子筋の有無による支圧力方向の違いを示す説明図である。図６（ａ）は、集中補強筋として中子筋６ａを設けた場合、図６（ｂ）は、中子筋６ａを設けず外周筋のみの場合を示している。図６（ａ）に示すように、中子筋６ａを設けた場合、支圧力ＲＡのフランジ面に対する角度が大きくなり、中子筋６ａ（集中補強筋６）に伝達される力が大きくなる。一方、図６（ｂ）に示すように、中子筋６ａを設けない場合、支圧力ＲＡのフランジ面に対する角度が小さくなり、集中補強筋６に伝達される力が小さくなる。すなわち、同じ量の鉄筋を集中補強筋６として用いた場合、その必要量を外周筋ではなく、中子筋６ａとして配置する方が効果的であることがわかる。
【００２２】
また、てこ反力（支圧力）が作用する有効始端部Ａまたは有効終端部Ｏの支圧耐力に見合う以上の量の集中補強筋６を配置しても、支圧耐力以上の力は伝達されないため、集中補強筋６の一部のみしか活かされないこととなる。また、鉄筋コンクリート被覆部１で形成されるトラス機構で必要な量（せん断力負担分）以上の集中補強筋６を配置しても、同様に、その一部のみしか活かされないこととなる。
【００２３】
このため、複合部材１０では、有効始端部Ａおよび有効終端部Ｏに配する集中補強筋を、てこ反力が作用する部分の支圧耐力、および鉄筋コンクリート被覆部１で形成されるトラス機構によるせん断力負担分に見合う分だけ配置している。これにより、複合部材１０の鉄骨埋め込み部を効率良く補強することができる。
【００２４】
以下に、具体的な集中補強筋６の量の算出方法を示す。トラス機構によるせん断力負担分は、図４（ｂ）中のコンクリート束の斜め圧縮耐力Ｃ、または、補強筋７の鉛直引張耐力Ｔで決定される他、有効始端部Ａのてこ反力ＲＡ、または、有効終端部Ｏのてこ反力ＲＯの耐力でも決定されると考える。これらのうち、有効始端部Ａに作用するてこ反力ＲＡ、および、終端部Ｏに作用するてこ反力ＲＯに関しては、図６のような支圧モデルを考える。
【００２５】
図７は、片持ち梁の先端に集中荷重Ｐが作用する際のてこ反力モデルを示す説明図である。図７（ａ）は、複合部材１０を側面から見たモデル図であり、図７（ｂ）は、鉄筋コンクリート被覆部１を軸方向と水平に切断したモデル図である。図７（ａ）において、線分Ｙは片持ち梁である複合部材１０を示す。複合部材１０の先端に集荷重Ｐが作用すると、有効始端部Ａに支圧力ＲＡが、有効終端部Ｏに支圧力ＲＯがかかる。ここで、ＲＡの最大値は、集中補強筋６の引張力、または有効始端部Ａのコンクリートの支圧耐力のうち、小さい方で与えられるものとする（下記式（１））。
【００２６】
ＲＡ  ＝  ｍｉｎ｛Ａａｗ・Ａσｗｙ，ｘ・Ｂｓ・ｆｂ｝  ・・・（１）
ここで、
Ａａｗ：有効始端部Ａの集中補強筋の全断面積
Ａσｗｙ：有効始端部Ａの集中補強筋の降伏点
ｘ：支圧の有効長さ
Ｂｓ：鉄骨フランジ幅
ｆｂ：コンクリートの支圧強度
【００２７】
上記式（１）において、Ａａｗ・Ａσｗｙは、有効始端部Ａの集中補強筋の断面積と、有効始端部Ａの集中補強筋の降伏点と、の積である。また、は、ｘ・Ｂｓ・ｆｂは、埋め込み始端部の支圧の有効長さと、鉄骨梁２のフランジ幅と、コンクリート被覆部１に用いられるコンクリートの支圧強度と、の積である。なお、ＲＯの上限値についても、ＲＡと同様に表わされる。より詳細には、上記式（１）における各値を有効終端部Ｏにおける値と置き換えればよい。
【００２８】
図２に示した応力伝達モデルから、コンクリート被覆部１に作用するせん断力は、ＲＡの反力と同一なので、有効始端部Ａのてこ反力ＲＡ、または、有効終端部Ｏのてこ反力ＲＯで決定されるトラス機構のせん断力負担分Ｖｔは、下記式（２）または式（３）のうち小さい方で与えられる。
Ｖｔ  ＝  ｍｉｎ｛Ａａｗ・Ａσｗｙ，ｘ・Ｂｓ・ｆｂ｝  ・・・（２）
Ｖｔ  ＝  ｌ／（ｌ−ｌｒ）・ｏａｗ・ｏσｗｙ  ・・・（３）
ここで、
Ｏａｗ：有効終端部Ｏの集中補強筋の全断面積
Ｏσｗｙ：有効終端部Ｏの集中補強筋の降伏点
ｌ：集中荷重Ｐの作用点から有効終端部Ｏまでの長さ
ｌｒ：鉄骨梁２の有効埋め込み長さ
【００２９】
ここで、てこ反力ＲＯで決定されるトラス機構のせん断力負担分Ｖｔが、有効終端部Ｏの集中補強筋量のみによって決まるのは、ＲＡ部分とＲＯ部分のコンクリート強度が同一であれば、ＲＡ部分とＲＯ部分の支圧耐力も同一となるので、ｌ／（ｌ−ｌｒ）＞１の条件下では、常に、ＲＡ部分のコンクリートの支圧耐力でＶｔが決定されることはあっても、ＲＯ部分のコンクリートの支圧耐力でＶｔが決定されることは無いためである。
【００３０】
以上より、図４（ｂ）中のコンクリート束の斜め圧縮耐力Ｃ、または、補強筋６の鉛直引張耐力Ｔによって決定されるトラス機構のせん断力負担分をＶ’ｔとした場合、集中補強筋量は、Ｖｔ≒Ｖ’ｔとなるように配置するのが最も合理的となる。また、図６からわかるように、集中補強筋は、外周筋よりも中子筋（図の破線）として配置した方が、フランジ面の支圧力をより伝達させやすい。なお、上記式（１）より、コンクリート被覆部１のコンクリート強度が別で決まっている場合、上記式（１）の第２項でトラス機構のせん断力負担分Ｖｔが決定される。このため、この部分の集中補強筋量をいくら増しても、その効果はない。
【００３１】
以上説明したように、本実施の形態にかかる複合部材１０によれば、集中補強筋として配置する鉄筋の性能をより引き出し、その結果、鉄骨部材の端部を鉄筋コンクリートによって被覆した複合部材の耐力の向上を図ることができる。また、本実施の形態にかかる複合部材によれば、埋め込み部での応力伝達機構に基づいて、合理的に集中補強筋を配置しているので、補強筋量の無駄を削減し、工事コストを低減することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１……鉄筋コンクリート被覆部、２……鉄骨梁、３……コンクリート柱、４……被覆始端部、５……被覆終端部、６……集中補強筋、７……補強筋、１０……複合部材、Ａ……有効始端部、Ｏ……有効終端部。
【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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