(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物における外壁面の位置に配置した外周柱と、隣接配置した外周柱の間に架設した各階の外周梁と、建物内を横断して相対向する外壁面の位置に配置した外周柱の間に架設した各階の内部梁とを主体として構築された外殻構造であって、
前記外周柱を芯鉄骨の周囲に鉄筋コンクリートからなる壁状の被覆コンクリートを一体に形成してなる鉄骨鉄筋コンクリート造の壁柱とし、
前記外周梁および前記内部梁をいずれも鉄骨造の鉄骨梁とし、
前記内部梁の梁端と、前記外周柱における前記芯鉄骨と、が溶接部を介して接合され、
前記外周柱における前記芯鉄骨をＨ形鋼により形成し、該芯鉄骨としてのＨ形鋼におけるフランジを該芯鉄骨が配置される外壁面の面内方向に沿わせて配置して、該芯鉄骨としてのＨ形鋼のフランジと前記内部梁とが溶接部を介して接合され、
前記外周梁は、Ｈ形鋼からなり、
該外周梁としてのＨ形鋼の梁端のウェブと、前記外周柱における前記芯鉄骨としてのＨ形鋼のウェブと、が非接合状態で配置され、前記外周梁としてのＨ形鋼の端部が前記外周柱における前記被覆コンクリートに定着され、前記外周梁が前記外周柱に対して剛接合されていることを特徴とする外殻構造。
【請求項２】
請求項１記載の外殻構造であって、
該外周梁としてのＨ形鋼の梁端のウェブと、前記芯鉄骨としてのＨ形鋼のウェブと、が離間していることを特徴とする外殻構造。
【請求項３】
請求項１または２記載の外殻構造であって、
前記外周梁の端部は、前記芯鉄骨のウェブに設けた鋼板に載置されていることを特徴とする外殻構造。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の外殻構造であって、
前記外周柱における前記被覆コンクリートに、前記外周梁としてのＨ形鋼の端部に対する支圧耐力を増強するためのせん断補強筋および幅止め筋を、該外周梁としてのＨ形鋼の上下近傍位置にそれぞれ密に集約配筋してなることを特徴とする外殻構造。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の外殻構造であって、
前記外周柱における前記芯鉄骨としてのＨ形鋼のウェブどうしがボルトによって上下方向に連結され、
それら一連のＨ形鋼と、前記外周柱における前記被覆コンクリートと、が一体に定着され、前記外周柱としての壁柱が形成されていることを特徴とする外殻構造。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の外殻構造であって、
前記外周柱としての壁柱の柱脚を基礎に対してピン接合してなることを特徴とする外殻構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は建物の構造に関わり、特に建物内に大空間を確保するために架構の大スパン化が可能な外殻構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
事務所ビルなどの建物ではレンタブル比など内部空間の高効率化が重要であることから、耐震要素を建物外周部に配置して内部には可及的に柱を設置しない構造として設計される場合がある。
この種の構造として、たとえば特許文献１に示される制振構造や特許文献２に示される制震構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１２４７７７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１９６１４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
いずれにしても、内部空間を十分に高効率化するためには架構を大スパンとすることが有利であるが、梁を鉄筋コンクリート造（ＲＣ造）とする場合はスパンを最大でも14m程度とすることが限界であって、それ以上の大スパン化は現実的ではない。
また、梁を鉄骨造（Ｓ造）とすればさらなる大スパン化は可能ではあるが、その場合は梁の撓みが問題になるので、その点を考慮するとＳ造の場合でも最大スパンはＲＣ造の場合と同等程度とすることが現実的である。
【０００５】
上記事情に鑑み、本発明はさらなる大スパン化を支障なく実現でき、しかも初期建設費を削減し得てローコストで構築することも可能である有効適切な外殻構造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】
【０００６】
請求項１記載の発明は、建物における外壁面の位置に配置した外周柱と、隣接配置した外周柱の間に架設した各階の外周梁と、建物内を横断して相対向する外壁面の位置に配置した外周柱の間に架設した各階の内部梁とを主体として構築された外殻構造であって、  前記外周柱を芯鉄骨の周囲に鉄筋コンクリートからなる壁状の被覆コンクリートを一体に形成してなる鉄骨鉄筋コンクリート造の壁柱とし、前記外周梁および前記内部梁をいずれも鉄骨造の鉄骨梁とし、前記内部梁の梁端と、前記外周柱における前記芯鉄骨と、が溶接部を介して接合され、前記外周柱における前記芯鉄骨をＨ形鋼により形成し、該芯鉄骨としてのＨ形鋼におけるフランジを該芯鉄骨が配置される外壁面の面内方向に沿わせて配置して、該芯鉄骨としてのＨ形鋼のフランジと前記内部梁とが溶接部を介して接合され、前記外周梁は、Ｈ形鋼からなり、該外周梁としてのＨ形鋼の梁端のウェブと、前記外周柱における前記芯鉄骨としてのＨ形鋼のウェブと、が非接合状態で配置され、前記外周梁としてのＨ形鋼の端部が前記外周柱における前記被覆コンクリートに定着され、前記外周梁が前記外周柱に対して剛接合されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の外殻構造であって、該外周梁としてのＨ形鋼の梁端のウェブと、前記芯鉄骨としてのＨ形鋼のウェブと、が離間していることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の外殻構造であって、前記外周梁の端部は、前記芯鉄骨のウェブに設けた鋼板に載置されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の外殻構造であって、前記外周柱における前記被覆コンクリートに、前記外周梁としてのＨ形鋼の端部に対する支圧耐力を増強するためのせん断補強筋および幅止め筋を、該外周梁としてのＨ形鋼の上下近傍位置にそれぞれ密に集約配筋してなることを特徴とする。
【０００９】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の外殻構造であって、前記外周柱における前記芯鉄骨としてのＨ形鋼のウェブどうしがボルトによって上下方向に連結され、それら一連のＨ形鋼と、前記外周柱における前記被覆コンクリートと、が一体に定着され、前記外周柱としての壁柱が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の外殻構造であって、前記外周柱としての壁柱の柱脚を基礎に対してピン接合してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の外殻構造は、外周柱をＳＲＣ造の壁柱とし、内部梁をＳ造の鉄骨梁として、その内部梁を外周梁に対して溶接して剛接合したので、内部梁が自ずと撓みにくいものとなり、したがって内部梁のスパンを大きくすることが可能であり、従来においては困難とされていた14m超の大スパンを支障なく実現することが可能である。
【００１２】
また、本発明においては内部梁を外周柱における芯鉄骨に対して溶接により剛接合する必要はあるが、外周梁は外周柱における芯鉄骨に対して溶接する必要はなく、また外周柱における芯鉄骨どうしも溶接する必要はないので、全体として所要溶接長を削減でき、それによるコストダウンを図ることができる。
【００１３】
さらに、外周柱としてのＳＲＣ造の壁柱を基礎に対してピン接合とすることにより、耐震性能に優れた全崩壊型構造システムとすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の外殻構造の実施形態を示すもので、全体概略構成を示す外観図である。
【図２】同、外周柱と外周梁と内部梁との接合部を示す図であって、（ａ）は外観図、（ｂ）は被覆コンクリートの内部透視図、（ｃ）は側断面図である。
【図３】同、接合部における応力伝達機構を示す説明図である。
【図４】同、接合部における配筋状況を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ線視図、（ｃ）は（ａ）におけるｃ−ｃ線視図、（ｄ）は（ａ）におけるｄ−ｄ線視図である。
【図５】同、外周柱における芯鉄骨の接合部を示す図であって、（ａ）は正断面図、（ｂ）は側断面図である。
【図６】同、具体的な設計例を示す図である。
【図７】同、柱脚をピン構造とする場合の概念図であって、（ａ）は一般の鉄骨ラーメン構造による場合、（ｂ）は本発明構造による場合を示す図である。
【図８】同、耐震性能を示す図であって、（ａ）は建物の平面図、（ｂ）はＸ方向およびＹ方向の層間変形角を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は本発明の実施形態である外殻構造の全体概略構成を示す外観図であり、図２はこの外殻構造における外周柱１と外周梁４と内部梁５との接合部（仕口部）の構造を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態の外殻構造は、建物における外壁面の位置に配置した外周柱１と、隣接配置した外周柱１の間に架設した各階の外周梁４と、建物内を横断して相対向する外壁面の位置に配置した外周柱１の間に架設した各階の内部梁５とを主体として構築したものである。
そして、本実施形態の外殻構造では、外周柱１を鉄骨鉄筋コンクリート造（ＳＲＣ造）の壁柱とし、外周梁４および内部梁５をいずれも鉄骨造（Ｓ造）の鉄骨梁として、特に内部梁５の梁端を外周柱１に対して剛接合したことを主眼とする。
【００１７】
具体的には、図２（ａ）,（ｂ）に示すように、本実施形態における外周柱１は断面形状が厚さ寸法に比べて幅寸法が数倍程度大きい壁柱の形態とされたもので、幅方向中心位置に配置した芯鉄骨２の周囲に鉄筋コンクリートからなる壁状の被覆コンクリート３が一体に形成されることで頑強なＳＲＣ造の外周柱１として機能するものである。
本実施形態では、その外周柱１における芯鉄骨２をＨ形鋼により形成して、（ｂ）に示すようにそのＨ形鋼におけるフランジ２ａを外周柱１の幅方向に沿わせて（つまり、フランジ２ａを外壁の面内方向に合致させ、ウェブ２ｂを壁厚方向に合致させた向きとして）配置している。
【００１８】
また、外周柱１に対して接合される鉄骨造の内部梁５もＨ形鋼により形成されているが、この内部梁５は通常のように外周柱１に対してピン接合されるのではなく、図２（ｂ）に示すように内部梁５としてのＨ形鋼の上下のフランジ５ａおよびウェブ５ｂの全てを外周柱１における芯鉄骨２としてのＨ形鋼のフランジ２ａに対して直接的に溶接して接合することにより、内部梁５の梁端を芯鉄骨２に対して（すなわち外周柱１に対して）剛接合している。
このように内部梁５の梁端を芯鉄骨２に対して直接的に溶接して剛接合することにより、通常のように内部梁５を外周柱１に対してピン接合とする場合に比べて内部梁５の撓みを1/5程度にまで低減でき、したがって撓みを考慮しても内部梁５のスパンを通常の限界値とされている14mを大きく超えるものとすることが可能となり、その結果、建物内に無柱の大空間を支障なく確保することが可能である。
【００１９】
一方、外周柱１に対して接合される外周梁４も内部梁５と同様にＨ形鋼により形成されているが、この外周梁４は芯鉄骨２に対して溶接せず、図２（ｂ），（ｃ）に示しているように外周梁４としてのＨ形鋼のウェブ４ｂを外周柱１における芯鉄骨２としてのＨ形鋼のウェブ２ｂに対して構造的に直接接合することなく、芯鉄骨２に溶接した鋼板６に対して外周梁４の端部を載置して支持するのみとし、その状態で外周梁４としてのＨ形鋼の端部を外周柱１における被覆コンクリート３に定着している。
これにより、外周梁４を芯鉄骨２に対して溶接せずとも、また外周梁４としてのＨ形鋼のフランジ４ａは芯鉄骨２に対して直接的に接合せずとも、外周梁４を外周柱１に対して剛接合することができる。
【００２０】
すなわち、このような接合構造では、図３に示すように、外周梁４の端部が被覆コンクリート３に埋め込まれることから、そこでは外周梁４と被覆コンクリート３との間で応力伝達機構が形成され、それらの間でせん断力Ｑと曲げモーメントＭの双方を支障なく伝達可能な剛接合が実現できる。
これにより、外周梁４としてのＨ形鋼を通常のように溶接せずとも外周柱１に対して剛接合することが可能となり、その結果、外周梁４を外周柱１に対して接合するための施工労務費を削減できるとともに、その際の鉄骨部材の加工費と材料費を削減することができ、工費削減に大きく寄与することができる。
【００２１】
なお、外周梁４を外周柱１に対して上記の構造により接合する場合、図３に示しているように外周梁４のフェイス位置では被覆コンクリート３の支圧応力が高くなるため、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、被覆コンクリート３には水平方向のせん断補強筋７と幅止め筋８を外周梁４としてのＨ形鋼の上下近傍位置に対して密に集約配筋してそこでの支圧耐力を増強することが好ましい。このような配筋を行っても、せん断補強筋７を外周梁４と並行に配筋すれば良いので、それが外周梁４や被覆コンクリート３における主筋と干渉することはなく、施工性が悪化することもない。
【００２２】
また、本実施形態においては、図５（ａ）,（ｂ）に示すように、外周柱１における芯鉄骨２としてのＨ形鋼は、それらのウェブ２ｂどうしを継手板９を介してボルト締結することによって上下方向に連結され、それら一連のＨ形鋼が外周柱１における被覆コンクリート３に一体に定着されることによって外周柱１としての壁柱の全体が形成されている。
このように芯鉄骨２のウェブ２ｂどうしをボルト締結することのみによっても、外周柱１としての応力伝達は芯鉄骨２から被覆コンクリート３に対して振り替えられるから、外周柱１としての構造的性能を支障なく確保することができる。
これにより、芯鉄骨２としてのＨ形鋼どうしを溶接せずとも、また芯鉄骨２としてのＨ形鋼のフランジ２ａどうしは直接的に接合せずとも、芯鉄骨２と被覆コンクリート３とを構造的に確実に一体化し得てＳＲＣ造の頑強な外周柱１を形成可能である。
その結果、芯鉄骨２どうしの接合に際してその施工労務費を削減できるとともに、壁厚方向にボルトの突出がなくなって外周柱１としての壁柱の壁厚を抑制可能であるから、被覆コンクリート３の施工の際の材料費と労務費を削減できるばかりでなく、スペース効率の点でも有利である。
【００２３】
以上のように、本実施形態の外殻構造は、外周柱１をＳＲＣ造の壁柱とし、内部梁５をＳ造の鉄骨梁として、その内部梁５の梁端を外周柱１における芯鉄骨２に対して直接的に溶接して剛接合したので、内部梁５が自ずと撓みにくいものとなり、したがって内部梁５のスパンを大きくすることが可能であり、従来においては困難とされていた14m超の大スパンを支障なく実現することが可能である。
【００２４】
また、本発明においては、上記実施形態のように内部梁５は外周柱１における芯鉄骨２に対して溶接により剛接合する必要はあるが、外周梁４は芯鉄骨２に対して溶接する必要はないし、外周柱１における芯鉄骨２どうしも溶接する必要はないので、全体として所要溶接長を削減でき、それによるコストダウンを図ることができる。
そのことについて図６を参照して具体的に説明する。
図６に示す平面形状の建物を対象として、その構造を従来一般的な鉄骨造とした場合と、本発明の外殻構造とした場合とを比較してみる。建物の用途は事務所とし、規模は地上7階建て、建築面積は907m2、延べ床面積は6350m2とする。
従来一般的な鉄骨造による場合は、柱および梁を全て鉄骨造とし、柱梁接合部を全て溶接による接合とする。
本発明の外殻構造による場合は、上記実施形態のように外周柱１をＳＲＣ造の壁柱とし、内部梁５および外周梁４をＳ造の鉄骨梁とし、内部梁５としてのＨ形鋼はフランジ５ａおよびウェブ５ｂの全てを芯鉄骨２に対して溶接し、外周梁４としてのＨ形鋼は芯鉄骨２に対して溶接せず、芯鉄骨２どうしはウェブ２ｂのみをボルト締結する。
両者を比較すると、本発明の外殻構造では鋼材量と溶接量の削減により十分なコストダウンを図ることができるという試算結果が得られた。
【００２５】
なお、本発明においては、外周柱１における芯鉄骨２や外周梁４、内部梁５は、上記実施形態のようにいずれもＨ形鋼により形成することが現実的であり好ましいが、本発明においては必ずしもＨ形鋼を用いることに限ることはなく、必要に応じて他の断面形状の鉄骨材を用いることでも良い。
【００２６】
さらに、本発明の外殻構造は、外周柱１の柱脚を基礎に対してピン接合することにより、特許文献１に示されるような制振構造と同様の構造システム、いわば全体崩壊型の構造システムとすることが可能であり、それにより特許文献１に示される制振構造よりもさらに優れた耐震性能を有するものとできる。
【００２７】
そのことについて図７〜図８を参照して説明する。
特許文献１に示されるような全体崩壊型システムは、図７（ａ）に示すように一般的な鉄骨ラーメン構造の架構における鉄骨柱１０の柱脚をピン構造とすることによって、地震時に低層部に損傷を集中させて建物全体で効率良くエネルギーを吸収し、それにより建物全体として耐震性能を向上させるというものである。
そこで、本発明の外殻構造においても、図７（ｂ）に示すように、上記実施形態における外周柱１（ＳＲＣ造の壁柱）の柱脚を基礎に対してピン接合とすることにより、上記と同様の全体崩壊型構造システムとすることができ、それにより優れた耐震性能を向上させることが可能である。
【００２８】
しかも、本発明の外殻構造をそのような全体崩壊型構造システムに適用する場合には、外周柱１がＳＲＣ造の壁柱とされていることから、図７（ａ）に示すような通常の鉄骨柱１０による一般的な鉄骨ラーメン構造による場合に比べて遙かに高剛性であり、したがって通常の鉄骨ラーメン構造による場合に比べて低層部での損傷が分散し、図８に示すように各層でのエネルギー吸収が一様となって各層での層間変形角をさらに低減させることができる。
【００２９】
図８は、（ａ）に示す平面形状の建物（図６に示したものと同様）を対象として、その建物を一般的な鉄骨ラーメン構造として図７（ａ）に示したように鉄骨柱１０の柱脚をピン構造とした場合と、上記実施形態の外殻構造としたうえで図７（ｂ）に示したようにその外周柱１としてのＳＲＣ造の壁柱をピン構造とした場合について、各層におけるＸ方向およびＹ方向の層間変形角を比較したものである。
その結果、（ｂ）に示されるように、本発明の外殻構造による全崩壊型構造システムでは、従来一般の鉄骨ラーメン構造による同種の構造システムに比べて、各層での層間変形角が低減することが確認できた。
以上のことから、本発明の外殻構造による上記のような全崩壊型構造システムは、従来一般的な全崩壊型構造システムに比較してさらに優れた耐震性能を有するものであり、しかも上述したように大スパン化が可能であるし、ローコストで構築可能であることから、極めて合理的かつ有効なシステムであるといえる。
【符号の説明】
【００３０】
１  外周柱（壁柱）
２  芯鉄骨（Ｈ形鋼）
２ａ  フランジ
２ｂ  ウェブ
３  被覆コンクリート
４  外周梁（Ｈ形鋼）
４ａ  フランジ
４ｂ  ウェブ
５  内部梁（Ｈ形鋼）
５ａ  フランジ
５ｂ  ウェブ
６  鋼板
７  せん断補強筋
８  幅止め筋
９  継手板
【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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