(57)【要約】【課題】横補剛材を取り付けることなく、鉄骨梁の横座屈を防止することができる床構造および床構造の設計方法を提供する。【解決手段】鉄骨梁１０と鉄骨梁１０の上面に設置されたコンクリート床スラブ１１とを備え、鉄骨梁１０の上面とコンクリート床スラブ１１がシヤコネクタとしての頭付きスタッド１２によって接合されており、かつ、鉄骨梁１０の長さが所定の式を満足するように、床構造が設計されている。【選択図】図１
2015021283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄骨梁とこの鉄骨梁の上面に設置されたコンクリート床スラブとを備えた床構造であって、前記鉄骨梁の上面と前記コンクリート床スラブがシヤコネクタによって接合されており、かつ、前記鉄骨梁の長さと断面寸法との関係が下記（１）式を満足することを特徴とする床構造。
【数１】
2015021283.tif 000007
ここに、
【数２】
2015021283.tif 000008
【請求項２】
前記鉄骨梁の上面と前記コンクリート床スラブとが前記シヤコネクタとしての頭付きスタッドによって接合されていることを特徴とする請求項１に記載の床構造。
【請求項３】
前記鉄骨梁の上面と前記コンクリート床スラブとが前記シヤコネクタとしての焼抜き栓溶接によって接合されていることを特徴とする請求項１に記載の床構造。
【請求項４】
前記鉄骨梁の両端が角形鋼管、円形鋼管などの閉鎖断面の鉄骨柱、鉄筋コンクリート造の柱、鉄骨鉄筋コンクリート造の柱、コンクリート充填鋼管造の柱のうちの少なくともいずれか１つの柱に剛接合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の床構造。
【請求項５】
前記鉄骨梁に横補剛材が取り付けられていないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の床構造。
【請求項６】
鉄骨梁と、この鉄骨梁の上面に設置されたコンクリート床スラブとを備えた床構造を設計する床構造の設計方法であって、前記鉄骨梁の上面と前記コンクリート床スラブがシヤコネクタによって接合されており、かつ、前記鉄骨梁の長さと断面寸法との関係が下記（１）式を満足するように、床構造を設計することを特徴とする床構造の設計方法。
【数３】
2015021283.tif 000009
ここに、
【数４】
2015021283.tif 000010
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄骨梁とコンクリート床スラブとを備えた床構造および床構造の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、建築物などの床構造として、Ｈ形断面の鉄骨梁と、この鉄骨梁の上面に設置されたコンクリート床スラブとを備えた床構造が広く用いられている。
このような床構造における鉄骨梁は、地震力によって横座屈（曲げ材の圧縮側フランジがねじれをともなって断面の弱軸方向に突然変形する現象）を生じる場合があり、これを防止するため、鉄骨梁に横補剛材を取り付けることが一般に行われている。
横補剛材には、Ｈ形鋼などが一般に用いられるが、鉄骨梁に横補剛材を取り付けることで躯体重量が大きくなり、地震力を増大させるほか、材料コストがかかるという問題がある。
また、横補剛材は、溶接や高力ボルトによって鉄骨梁に取り付けられるため、鉄骨製作コストがかかるという問題がある。
なお、鉄骨梁のフランジの幅を広く、フランジの厚みを厚くすることで鉄骨梁の横座屈を防止することが可能であるが、従来の設計法によってこれを行おうとすると、鉄骨梁の重量が過大になって横補剛材を取り付けるよりもさらに躯体重量が大きくなり、地震力を増大させるほか、材料コストがかかるという問題がある。
このため、鉄骨梁の重量が過大にならないように、前述のとおり、鉄骨梁に横補剛材を取り付けることで鉄骨梁の横座屈を防止することが一般的に行われている。
【０００３】
鉄骨梁に横補剛材を取り付けると上述したような問題があるため、鉄骨梁に横補剛材を取り付けずに、鉄骨梁の横座屈を防止する新しい床構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。
この床構造は、柱に接合された鉄骨梁と、この鉄骨梁に設けられた当該鉄骨梁の回転変形を拘束するのに必要とされる本数以上の頭付きスタッドによって前記鉄骨梁の上面に接合されたコンクリート床スラブとを有し、このコンクリート床スラブが、前記鉄骨梁の回転変形を拘束するねじり剛性を備え、前記鉄骨梁に横座屈を防止する横補剛材が取り付けられていない構造のものである。
このような床構造では、コンクリート床スラブのねじり剛性によって鉄骨梁の回転変形が拘束されるため、鉄骨梁に横補剛材を取り付けなくても、鉄骨梁の横座屈を拘束することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１２７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、前記特許文献１に記載されている従来の床構造では、コンクリート床スラブのねじれ剛性を鉄骨梁のねじれ剛性の１０倍以上とする必要があり、鉄骨梁の断面寸法によっては、コンクリート床スラブを厚くする必要がある。
また、コンクリート床スラブは、一般に、頭付きスタッドや焼抜き栓溶接などのシヤコネクタによって鉄骨梁の上面に接合されるが、前記特許文献１に記載されている従来の床構造では、これらの接合部分には、コンクリート床スラブが鉄骨梁と一体となって回転抵抗するだけの回転剛性および回転強度が必要になる。
すなわち、前記特許文献１に記載されている従来の床構造では、頭付きスタッドを複数列に配置する必要があるほか、焼抜き栓溶接などのせん断力のみを伝達する機構の接合方法は適用できないという問題がある。
【０００６】
そこで、発明者等が、材料コストと鉄骨製作コストの両面から、床構造の見直しを行うべく鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を見出すに至った。
すなわち、鉄骨梁の上面とコンクリート床スラブとをシヤコネクタによって接合した場合、鉄骨梁の上フランジの横移動は、コンクリート床スラブによって拘束されることになる。
そこで、発明者等は、前記条件、すなわち、鉄骨梁の上フランジの横移動が拘束されているという条件の下で広範な数値解析を行い、地震力に対して、横補剛材を取り付けずに鉄骨梁の横座屈を防止することができる鉄骨梁の長さと断面寸法との関係が下記（１）式の範囲であることを見出した。言いかえれば、地震力に対して、横補剛材を取り付けずに鉄骨梁の横座屈を防止することができ、コンクリート床スラブを厚くする必要がなく、また、頭付きスタッドを複数列に配置する必要がなく、さらに鉄骨梁の上面とコンクリート床スラブとの接合方法として焼抜き栓溶接などのせん断力のみを伝達する機構の接合方法を採用することができ、かつ、鉄骨梁の重量が過大にならない鉄骨梁の最適形状が下記（１）式の範囲であることを見出した。
【０００７】
図４は、発明者等が前記条件、すなわち、鉄骨梁の上フランジの横移動が拘束されているという条件の下で行った数値解析の一例を示すもので、本発明の床構造おける鉄骨梁の横座屈耐力と鉄骨梁の細長比との関係を説明するグラフである。
数値解析は、両端が剛接合された鉄骨梁に、地震力によって逆対称の曲げせん断力が作用する状態を再現している。
図４において、縦軸は、鉄骨梁の横座屈耐力と全塑性曲げ耐力の計算値との比を、横軸は、鉄骨梁の細長比をそれぞれ表す。
鉄骨梁の細長比とは、鉄骨梁の横座屈し難さの指標であり、下記（２）式によって算定することができる。
【０００８】
【数１】
2015021283.tif 000003
ここに、
【０００９】
【数２】
2015021283.tif 000004
【００１０】
図４において、破線は、固有値解析によって得た鉄骨梁の弾性横座屈耐力Ｍｅを表す。
図４において、実線は、前記のＭｅより得られる鉄骨梁の非線形横座屈限界耐力の予測線を表す。
図４において、●印は、弾塑性有限要素解析によって得た鉄骨梁の最大耐力の例を表す。
図４において、２本の一点鎖線の間は、下記（１）式を満足する鉄骨梁の細長比の範囲を表す。
【００１１】
鉄骨梁の細長比は、その数値が小さくとなると、鉄骨梁の横座屈が生じにくくなるが、鉄骨梁の重量が大きくなる。
一方、鉄骨梁の細長比は、その数値が大きくとなると、鉄骨梁の横座屈が生じやすくなるが、鉄骨梁の重量が小さくなる。
前記鉄骨梁の細長比の相反する特性のなかで、発明者等は、鉄骨梁が横座屈することなく安定した塑性変形能力を発揮し、かつ、鉄骨梁の重量が過大にならない鉄骨梁の細長比の最適な範囲が図４中の２本の一点鎖線の間であることを見出し、さらに、この鉄骨梁の細長比の最適な範囲を満足する鉄骨梁の長さと断面寸法との関係、すなわち鉄骨梁の最適形状が下記（１）式の範囲であることを見出した。
【００１２】
以下に、前記鉄骨梁の細長比の最適な範囲について説明を加える。
図４中に●印で示すように、鉄骨梁の細長比が前記鉄骨梁の細長比の最適な範囲（図４中の２本の一点鎖線の間）の上限であれば、弾塑性有限要素解析によって得た鉄骨梁の最大耐力が鉄骨梁の全塑性曲げ耐力の計算値を十分に上回っている。
【００１３】
すなわち、鉄骨梁の細長比が前記鉄骨梁の細長比の最適な範囲（図４中の２本の一点鎖線の間）の上限であれば、鉄骨梁は、横座屈を生じずに梁端が塑性変形することとなり、横補剛は不要である。
一方、前記鉄骨梁の細長比の最適な範囲（図４中の２本の一点鎖線の間）の下限は、従来の設計法によって横補剛が不要である鉄骨梁の細長比の上限であるが、鉄骨梁の細長比がこれより小さくなる場合には、前述のとおり、鉄骨梁の重量が過大になり、地震力を増大させるほか、材料コストがかかるという問題がある。
このため、前述のとおり、鉄骨梁の重量が過大にならないように、鉄骨梁に横補剛材を取り付けることで鉄骨梁の横座屈を防止した方がよい。
すなわち、鉄骨梁が横座屈することなく安定した塑性変形能力を発揮し、かつ、鉄骨梁の重量が過大にならない鉄骨梁の細長比の最適な範囲は、図４中の２本の一点鎖線の間である。
【００１４】
言いかえれば、鉄骨梁の細長比の範囲が図４中の２本の一点鎖線の間であれば、地震力に対して、横補剛材を取り付けずに鉄骨梁の横座屈を防止することができ、コンクリート床スラブを厚くする必要がなく、また、頭付きスタッドを複数列に配置する必要がなく、さらに、鉄骨梁の上面とコンクリート床スラブとの接合方法として、焼抜き栓溶接などのせん断力のみを伝達する機構の接合方法を採用することができ、かつ、鉄骨梁の重量が過大にならない床構造を構築することができる。
【００１５】
本発明は、前記知見に基づいてなされたもので、横補剛材を取り付けることなく、鉄骨梁の横座屈を防止することができる床構造および床構造の設計方法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】
【００１６】
前記目的を達成するために、本発明の床構造は、鉄骨梁と、この鉄骨梁の上面に設置されたコンクリート床スラブとを備えた床構造であって、前記鉄骨梁の上面と前記コンクリート床スラブがシヤコネクタによって接合されており、かつ、前記鉄骨梁の長さと断面寸法との関係が下記（１）式を満足することを特徴とする。
【００１７】
【数３】
2015021283.tif 000005
ここに、
【００１８】
【数４】
2015021283.tif 000006
【００１９】
また、本発明の床構造の設計方法は、鉄骨梁と、この鉄骨梁の上面に設置されたコンクリート床スラブとを備えた床構造を設計する床構造の設計方法であって、前記鉄骨梁の上面と前記コンクリート床スラブがシヤコネクタによって接合されており、かつ、前記鉄骨梁の長さと断面寸法との関係が前記（１）式を満足するように、床構造を設計することを特徴とする。
【００２０】
ここで、本発明では、鉄骨梁とコンクリート床スラブとの最低限の接合条件として、鉄骨梁の上面とコンクリート床スラブをシヤコネクタによって接合することとしている。
シヤコネクタとは、鉄骨梁の上フランジの横移動をコンクリート床スラブによって拘束することができる接合要素の総称であって、コンクリート床スラブが鉄骨梁の間でねじりモーメントを伝達する機能、すなわち回転剛性および回転強度を有するものも含まれるが、当然ながら、構造上望ましいこれらの機能を排除するものではない。
【００２１】
本発明においては、地震力に対して、横補剛材を取り付けずに鉄骨梁の横座屈を防止することができ、コンクリート床スラブを厚くする必要がなく、また、頭付きスタッドを複数列に配置する必要がなく、さらに、鉄骨梁の上面とコンクリート床スラブとの接合方法として、焼抜き栓溶接などのせん断力のみを伝達する機構の接合方法を採用することができ、かつ、鉄骨梁の重量が過大にならない床構造および床構造の設計方法を提供できる。
なお、当然ながら、本発明に係る床構造に、鉛直荷重を支持するための小梁を併用することができる。
【００２２】
図５は、本発明の効果を説明するためのもので、両端固定の鉄骨梁に逆対称モーメントが作用する場合、すなわち、地震時の鉄骨梁の挙動を再現した弾塑性有限要素解析の結果である。
図５において、縦軸は鉄骨梁の梁端モーメント、横軸は鉄骨梁の部材角であり、縦軸は、鉄骨梁の全塑性曲げ耐力の計算値、横軸は、全塑性曲げ耐力時の弾性部材角の計算値によってそれぞれ基準化している。
図５において、破線は、鉄骨梁が単体で存在する場合の挙動を、実線は、鉄骨梁の上フランジの横移動が拘束されている鉄骨梁、すなわち、本発明の床構造における鉄骨梁の挙動をそれぞれ表す。いずれの鉄骨梁も等しい断面形状および長さを有している。
鉄骨梁が単体で存在する場合には、鉄骨梁は、横座屈によって早期に耐荷能力を喪失するのに対して、本発明の床構造における鉄骨梁は、優れた変形能力を発揮している。
【００２３】
本発明の前記構成において、前記鉄骨梁の上面と、前記コンクリート床スラブとが前記シヤコネクタとしての頭付きスタッドや、焼抜き栓溶接によって接合されていればよい。
【００２４】
また、本発明の前記構成において、前記鉄骨梁の両端が、角形鋼管、円形鋼管などの閉鎖断面の鉄骨柱、鉄筋コンクリート造の柱、鉄骨鉄筋コンクリート造の柱、コンクリート充填鋼管造の柱のうちの少なくともいずれか１つの柱に剛接合されていればよい。
【００２５】
さらに、本発明の前記構成において、前記鉄骨梁に横補剛材が取り付けられていないことが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、横補剛材を取り付けることなく、鉄骨梁の横座屈を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る床構造を示すもので、（ａ）コンクリート床スラブの一部を切り欠いた斜視図、（ｂ）は鉄骨梁の要部を示す斜視図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る床構造を示すもので、コンクリート床スラブの一部を切り欠いた斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る床構造を説明するためのもので、焼抜き栓溶接の施工法を説明する図である。
【図４】発明者等が行った数値解析の一例を示すもので、本発明の床構造における鉄骨梁の横座屈耐力と鉄骨梁の細長比との関係を説明するグラフである。
【図５】本発明の効果を説明するためのもので、両端固定の鉄骨梁に逆対称モーメントが作用する場合、すなわち、地震時の鉄骨梁の挙動を再現した弾塑性有限要素解析の結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態の床構造を示すもので、コンクリート床スラブの一部を切り欠いた斜視図である。図１に示すように、本実施の形態の床構造は、鉄骨梁１０と、この鉄骨梁１０の上面に設置されたコンクリート床スラブ１１とを備えている。このコンクリート床スラブ１１は、型枠内に床鉄筋を適宜配置したうえで、コンクリートを打設して施工されたものである。
鉄骨梁１０はＨ形鋼によって形成されており、その上フランジ１０ａの上面と、コンクリート床スラブ１１とは、シヤコネクタとしての頭付きスタッド１２によって接合されている。頭付きスタッド１２には、鉄骨梁１０とコンクリート床スラブ１１とのずれを止める効果のみを期待すればよいことから、コンクリート床スラブ１１が鉄骨梁１０と一体となって回転抵抗するだけの回転剛性および回転強度が必要にならない。このため、頭付きスタッド１２は、上フランジ１０ａの上面の幅方向略中央部に、鉄骨梁１０の長手方向に沿って一列に略所定間隔で配置されている。
【００２９】
また、前記鉄骨梁１０の両端は柱１３に剛接合されている。柱１３としては、角形鋼管、円形鋼管などの閉鎖断面の鉄骨柱、鉄筋コンクリート造の柱、鉄骨鉄筋コンクリート造の柱、コンクリート充填鋼管造の柱等を使用することができる。
さらに、柱１３，１３の間には、鉄骨梁１０と直交する方向に直交梁１５が架設され、架構を構成している。このとき、鉄骨梁１０，１０の間には、鉄骨梁１０の横座屈を防止する横補剛材は架設されていない。つまり、本実施の形態では、鉄骨梁１０に横補剛材が取り付けられていない。
【００３０】
このような床構造は、鉄骨梁１０の長さが下記（１）式を満足するように設計する。つまり、鉄骨梁１０は、その上フランジ１０ａの上面とコンクリート床スラブ１１が頭付きスタッド１２によって接合された条件下で、鉄骨梁の長さと断面寸法との関係が前記（１）式を満足している。
【００３１】
本実施の形態によれば、地震力に対して、横補剛材を取り付けずに鉄骨梁１０の横座屈を防止することができ、コンクリート床スラブ１１を厚くする必要がなく、また、頭付きスタッド１２を複数列に配置する必要がなく、かつ、鉄骨梁１０の重量が過大にならない床構造を構築することができる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
図２は第２の実施の形態の床構造を示すもので、コンクリート床スラブの一部を切り欠いた斜視図である。図２に示すように、本実施の形態の床構造は、鉄骨梁１０と、この鉄骨梁１０の上面に設置されたコンクリート床スラブとしての合成デッキコンクリート床スラブ２１とを備えている。合成デッキコンクリート床スラブ２１は、デッキプレート２１ａと、このデッキプレート２１ａ上に設けられたコンクリート床スラブ２１ｂとによって構成されている。
鉄骨梁１０は第１の実施の形態と同様に、Ｈ形鋼によって形成されており、その上フランジ１０ａの上面と、合成デッキコンクリート床スラブ２１とが、シヤコネクタとしての焼抜き栓溶接によって接合されている。図２において、符号２２ａは焼抜き栓溶接による溶接部を示ししている。
焼抜き栓溶接には、鉄骨梁１０と合成デッキコンクリート床スラブ２１とのずれを止める効果のみを期待すればよいことから、合成デッキコンクリート床スラブ２１が鉄骨梁１０と一体となって回転抵抗するだけの回転剛性および回転強度が必要にならない。
【００３３】
焼抜き栓溶接によって、鉄骨梁１０と合成デッキコンクリート床スラブ２１とを接合するには、図３に示すように、まず、デッキプレート２１ａを鉄骨梁１０に載置したうえで、溶接棒２２を垂直にしてアークを発生させる。次に、溶接棒２２を若干引き上げてアークを飛ばし、直径１０ｍｍ程度に孔が形成されるようにデッキプレート２１ａを焼き抜く。次に、溶接棒２２を鉄骨梁１０まで押し込み、焼き抜いた孔の内側をなぞるようにして孔中央に２〜３回転しながら運棒する。次に、溶着金属を整え、溶接棒２２を孔の中央部で引き上げ、その後、スラグを除去する。
このようにして、鉄骨梁１０とデッキプレート２１ａとを接合した後、デッキプレート２１ａ上にコンクリート床スラブ２１ｂを施工して終了する。
【００３４】
本実施の形態の床構造は、第１の実施の形態と同様に、鉄骨梁１０の長さが上記（１）式を満足するように設計する。つまり、鉄骨梁１０は、その上フランジ１０ａの上面と合成デッキコンクリート床スラブ２１が焼抜き栓溶接によって接合された条件下で、鉄骨梁の長さと断面寸法との関係が上記（１）式を満足している。
【００３５】
本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、地震力に対して、横補剛材を取り付けずに鉄骨梁１０の横座屈を防止することができ、合成デッキコンクリート床スラブ２１を厚くする必要がなく、さらに、鉄骨梁の上フランジと合成デッキコンクリート床スラブ２１との接合方法として、焼抜き栓溶接を採用することができ、かつ、鉄骨梁１０の重量が過大にならない床構造を構築することができる。
【００３６】
なお、本実施の形態では、シヤコネクタとして、頭付きスタッド１２や焼抜き栓溶接を用いたが、これに限ることなく、鉄骨梁とコンクリート床スラブおよびコンクリート床スラブとしての合成デッキコンクリート床スラブとの接合部に生じるせん断力に抵抗するものであればよい。また、コンクリート床スラブは、その製作方法によらず、剛床仮定を満足するだけの面内せん断剛性を有しているものであればよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０  鉄骨梁
１１  コンクリート床スラブ
１２  頭付きスタッド（シヤコネクタ）
１３  柱
２１  合成デッキコンクリート床スラブ
【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】
2015021283.tif 000015