(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管内に充填するコンクリートとして高強度コンクリートを用いるＣＦＴ柱の設計方法であって、前記鋼管として、ＣＦＴ柱において最大耐力が得られる柱変形角に安全率を乗じた柱変形角以上で破断が生じ、且つ前記安全率を乗じた柱変形角において最も耐力が大きい鋼管を所望の降伏強度・最大強度を有する候補鋼管のうちから選定することを特徴とするＣＦＴ柱の設計方法。
【請求項２】
前記安全率を乗じた柱変形角において最も耐力が大きい鋼管としてひずみ硬化による耐力上昇が最も大きい鋼管を所望の降伏強度・最大強度を有する候補鋼管のうちから選定することを特徴とする請求項１記載のＣＦＴ柱の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土木建築構造物に用いられるＣＦＴ（Ｃｏｎｃｒｅｔｅ  Ｆｉｌｌｅｄ  Ｓｔｅｅｌ  Ｔｕｂｅの略）柱の設計方法に関し、特にＣＦＴ柱として要求される性能を満足させる鋼管の選定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管の内部にコンクリートを充填したコンクリート充填鋼管構造（ＣＦＴ（Ｃｏｎｃｒｅｔｅ  Ｆｉｌｌｅｄ  Ｓｔｅｅｌ  Ｔｕｂｅの略）柱構造とも言う）は、コンクリートの特徴（圧縮力に強いが、引張り力に弱い特性）と鋼管の特徴（引張り力に強いが、圧縮力により座屈する特性）を組合わせることによって、それぞれの欠点を解消したもので変形性能に優れ、地震に強く、また耐火性も備えた構造である。
【０００３】
ＣＦＴ柱構造は、変形させると、鋼管・コンクリートの降伏後も変形が進むにつれ耐力（曲げモーメントへの抵抗力）が上昇し、コンクリート耐力と鋼管耐力の単純和を上回る耐力の得られることが知られている。ＣＦＴ柱構造の耐力評価には非特許文献１、２などで提案されている、Ｍ−Ｎインタラクションカーブが用いられる。
【０００４】
図１２は非特許文献２に記載された短期許容耐力評価方法（単純累加強度）によるＭ−Ｎインタラクションカーブの一例を示し、正の軸方向力はコンクリートが負担し、コンクリートが負担しきれない分は鉄骨が負担するものとして計算される。一方、負の軸方向力は鉄骨が負担するものとして計算される。短期許容耐力は設計上考慮される、塑性変形が生じない最大変形時の耐力である。
【０００５】
図１０は非特許文献１に記載されたＣＦＴ柱の終局耐力評価方法（一般化累加強度）を示し、角形鋼管および円形鋼管で幅高さ比が４を超え１２以下で軸力・変形が小さい場合は、コンクリートは圧縮強度ｃσｃｂ、鋼管は降伏応力Ｆｙから算出されるＭ−Ｎインタラクションカーブ上の任意の軸耐力、曲げ耐力を加算し、そのうち最大耐力となるものをＣＦＴ柱の耐力としている。
【０００６】
図１１は非特許文献２に記載されたＣＦＴ柱の終局耐力評価方法（一般化累加強度）を示し、幅高さ比が６以下の場合、コンクリートは圧縮強度Ｆｃに鉄骨の径厚比・強度に応じたコンファインド効果分を加算した応力、鉄骨は一軸降伏応力ｓσｙに周方向力を加味して算出されるＭ−Ｎインタラクションカーブ上の任意の軸耐力、曲げ耐力を加算し、そのうち最大耐力となるものをＣＦＴ柱の耐力としている。
【０００７】
このようにＣＦＴ柱構造ではコンクリート耐力と鋼管耐力の単純和を上回る耐力が得られるが、非特許文献１の耐力評価法は、鋼管部分の耐力を降伏応力ベースで決定するもので、ＣＦＴ柱構造とともに変形する鋼管における強度特性の変化は反映されていない。
【０００８】
鋼管における強度特性の変化は、例えば、図９（非特許文献３より引用）のひずみ硬化で示され、ひずみ硬化により、最大耐力は降伏応力×塑性断面係数で算出した曲げ耐力を上回るようになるので、ＣＦＴ柱構造の耐力を精度良く求めるためにはひずみ硬化分を反映させることが必要である。
【０００９】
尚、非特許文献２の終局耐力評価法の場合、ＣＦＴ柱の降伏後耐力上昇を考慮し、コンクリート強度を割り増している。しかし、非特許文献２は４００〜５９０Ｎ／ｍｍ２級鋼と圧縮強度が９０Ｎ／ｍｍ２以下のコンクリートを用いるＣＦＴ柱を対象とするもので、より高強度のコンクリートと鋼管を用いるＣＦＴ柱の場合において合理的な設計方法を示唆するものではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、コンクリート単体の変形性能は高強度になるほど低下するため、ＣＦＴ構造においても充填コンクリートの高強度化により変形性能が低下する傾向がある。
【００１１】
図８は、充填コンクリートの強度が低い場合のＣＦＴ構造の特性を説明する模式図で、充填コンクリートの強度が低い場合は、鋼管・コンクリートで最大耐力が発揮される変形量が異なっても、その後の耐力低下がなだらかなため、ＣＦＴ柱の最大耐力に与える影響は小さい。
【００１２】
一方、コンクリートに高強度材料を用いた場合は、コンクリートの破壊が脆性的となるため、鋼管とコンクリートで最大強度が発揮される変形量が相違すると両者の性能が十分に生かされない（図７）。
【００１３】
すなわち、ＣＦＴ柱において、鋼管部分とコンクリート部分がそれぞれの最大耐力を発揮する変形量が大きく異なると、鋼管部分のひずみ硬化による耐力上昇をCFT柱の耐力向上に十分に反映できない可能性がある。また、鋼管の変形性能がＣＦＴ柱の（コンクリートの耐力低下により決まる）変形性能と比較して過剰となり、合理的なＣＦＴ構造とはいい難い。
【００１４】
そこで、本発明は、耐力と安全性に優れる、高強度コンクリートを用いたＣＦＴ柱を製造する際、適切な鋼管を選定することが可能なＣＦＴ柱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】
【００１５】
本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．鋼管内に充填するコンクリートとして高強度コンクリートを用いるＣＦＴ柱の設計方法であって、前記鋼管として、ＣＦＴ柱において最大耐力が得られる柱変形角に安全率を乗じた柱変形角以上で破断が生じ、且つ前記柱変形角において最も耐力が大きい鋼管を所望の降伏強度・最大強度を有する候補鋼管のうちから選定することを特徴とするＣＦＴ柱の設計方法。
２．前記柱変形角において最も耐力が大きい鋼管としてひずみ硬化による耐力上昇が最も大きい鋼管を所望の降伏強度・最大強度を有する候補鋼管のうちから選定することを特徴とする１記載のＣＦＴ柱の設計方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、耐力と安全性に優れる、充填コンクリートとして高強度コンクリートを用いるＣＦＴ柱を設計する際に、コンクリートを充填する鋼管を適切に選定することが可能で、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】応力ーひずみ線図が異なる角形鋼管（その１）に高強度コンクリートを充填したＣＦＴ柱の鋼管部分の荷重（鋼管端部モーメント）−変形（柱変形角＝柱の水平変形／柱高さ）関係を用いて、本発明における鋼管の選定基準を説明する図。
【図２】応力ーひずみ線図が異なる角形鋼管（その２）に高強度コンクリートを充填したＣＦＴ柱の鋼管部分の荷重（鋼管端部モーメント）−変形（柱変形角＝柱の水平変形／柱高さ）関係を用いて、本発明における鋼管の選定基準を説明する図。
【図３】図１の角形鋼管（その１）の応力ーひずみ線図の模式図。
【図４】図２の角形鋼管（その２）の応力ーひずみ線図の模式図。
【図５】修正補エネルギーを説明する図。
【図６】本発明の効果を説明する図。
【図７】充填コンクリートの強度がＣＦＴ構造の特性に及ぼす影響を説明する模式図で、コンクリートが低強度の場合。
【図８】充填コンクリートの強度がＣＦＴ構造の特性に及ぼす影響を説明する模式図で、コンクリートが高強度の場合。
【図９】中空鋼管の計算耐力と履歴曲線の比較図。
【図１０】Ｍ−ＮインタラクションカーブによるＣＦＴ柱の終局耐力評価方法（一般化累加強度）の一例を示す図。
【図１１】Ｍ−ＮインタラクションカーブによるＣＦＴ柱の終局耐力評価方法（一般化累加強度）の他の例を示す図。
【図１２】Ｍ−ＮインタラクションカーブによるＣＦＴ柱の耐力評価方法で短期許容耐力評価方法（単純累加強度）を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係るＣＦＴ柱の設計方法は複数の候補鋼管の中から、１．ＣＦＴ柱に用いる鋼管の耐破断性能（破断時の変形の大きさ）に関する選定基準（１）、２．ＣＦＴ柱の最大耐力を大きくするための鋼管特性への選定基準（２）を満足するように鋼管を選定することを特徴とする。候補鋼管は所望の引張強度を有する鋼管でＣＦＴ柱用として経済性に優れるものを指す。以下、具体的に説明する。
【００１９】
図１、２を用いて１％ひずみ時の応力が異なる計８種の角形鋼管モデルを対象として、鋼材の引張破断で決まる角形鋼管の変形性能、所定の変形時における耐力上昇率について検討する。図３、４に上記８種類の角形鋼管の鋼管材のＳＳカーブを示す。
図１、２は応力ーひずみ線図（ＳＳカーブと言う場合がある）が異なる鋼管材（角形鋼管の母材）を用いた８種類の、径７００ｍｍ、長さ４０００ｍｍの角形鋼管に高強度コンクリートを充填したＣＦＴ柱を上下端の回転を拘束された状態で上端を水平方向に変形させたときの鋼管部分の荷重（鋼管端部モーメント）−変形（柱変形角＝柱の水平変形／柱高さ）関係を計算で求めた結果を示す。ただし、ＣＦＴ柱において、コンクリートのみが軸方向力を負担する場合を想定し、鋼管が負担する軸方向力を０とする。
【００２０】
図３は降伏応力４４０Ｎ／ｍｍ２、引張強度５９０Ｎ／ｍｍ２の鋼材の場合のＳＳカーブで、降伏比は約７５％、図４は降伏応力５００Ｎ／ｍｍ２、引張強度５９０Ｎ／ｍｍ２の鋼材のＳＳカーブで、降伏比は約８５％の鋼材である。鋼材の一様伸び（引張強度発現時のひずみ）は８％とするが、柱材端接合部のひずみ集中係数を２と仮定し、平面保持仮定時の材端断面縁歪が４％となった時点で引張により破断するものとみなす。ただし、図３、４では４％ひずみ時にほぼ引張強度を発現しているものとして扱う。
【００２１】
上記選定基準１（ＣＦＴ柱に用いる鋼管の耐破断性能（破断時の変形の大きさ）に関する要求）を満足させるため、鋼管として、ＣＦＴ柱の最大柱変形角（設計目標値として設定する）に安全率を乗じた柱変形角以上で破断するものを選定する。
【００２２】
ＣＦＴ柱としての変形性能が０．０１（ｒａｄ）で、鋼管の破断に対する安全率を２とする場合、鋼管の破断で決まる変形性能は０．０２（ｒａｄ）以上必要である。この条件を満たすのはＹＲ７５％の場合ｃａｓｅ−１、２、３のＳＳカーブを有する鋼管、ＹＲ８５％の場合ｃａｓｅ−５のＳＳカーブを有する鋼管である。
【００２３】
上記選定基準２（ＣＦＴ柱の最大耐力を大きくするための鋼管特性への要求）を満足させるため、鋼管として前記最大柱変形角において最もひずみ硬化が大きいものを選定する。ＣＦＴ柱におけるコンクリートの最大耐力発揮変形が０．０１（ｒａｄ）である場合、同じ変形における鋼管の耐力上昇率が最も高いのはｃａｓｅ−１、２、３の鋼管の中ではｃａｓｅ−３の鋼管である。従って、前記の条件における最適なＳＳカーブはＹＲ７５％の場合ｃａｓｅ−３の鋼管となる。ＹＲ８５％の場合は最適な鋼管はＳＳカーブがｃａｓｅ−５と６の中間程度となる鋼管である。
【００２４】
本発明は、鋼管として、ひずみ硬化が早期に現れ（ラウンドハウス化したＳＳカーブを有することで可能となる）、それに伴い鋼管自体の引張側の破断により決まる変形能力（柱変形角）は低下するが、ＣＦＴ柱の変形性能（柱変形角）に安全率を乗じた値以上の変形性能（柱変形角）を備えたものを候補鋼管より選定することで、ＣＦＴ柱の安全性を損なうことなく、高い耐力を発揮させるものである。
【００２５】
なお、上記選定基準１である鋼管への耐破断性能（変形性能：破断時の変形の大きさ）は修正補エネルギー（図５参照）の降伏応力に対する大きさの比に左右される（例えば、非特許文献４〜６）。修正補エネルギーを大きくするには、１．ＹＲを低くする、２．塑性化後の比較的早い段階での応力上昇を抑える、３．最大応力時のひずみを大きくすることのいずれも有効であるが、ＹＲの低下、最大応力時のひずみの増大には限界があるので、塑性化直後の応力上昇（ひずみ硬化）を抑えることが経済的に有効である。
【００２６】
一方、上記選定基準２ではＣＦＴ柱の最大柱変形角を大きくするために、鋼管として前記最大柱変形角において最もひずみ硬化が大きいものを選定する。ＣＦＴ柱は、充填されるコンクリートが負担する荷重が最大となる柱変形が、鋼管単体の柱と比較して小さい場合が多く、鋼管のひずみ硬化による応力上昇が遅い場合にはＣＦＴ柱として鋼管とコンクリートの両方の耐荷重性能を最大限に利用できない。従って、鋼管のひずみ硬化が、ひずみが比較的小さい段階で起こる材料が望ましい。
【００２７】
本発明において鋼管に対する上記選定基準１、２は相反するが、選定基準１に関しては、鋼管耐破断性能はコンクリート変形性能以上であれば良く、その範囲内で選定基準２を満足するＳＳカーブを備えた鋼管を選定するのが良い。ただし、鋼管の破断による耐力低下は急激に起こることから、選定基準１を満足させるよう鋼管を選定する場合は一定の安全率を有することが望ましい。選定基準１、２に関する具体的な検討は、ＦＥＭ解析によるか、非特許文献７に記載されたＣＤＣ法により行うことが出来る。
【００２８】
本発明によればＣＦＴ柱構造が変形する際、比較的早期に鋼管の耐力が上昇するため、当該ＣＦＴ柱を用いた構造物は地震外力を受けた際に従来構造と比較して変形が小さく抑えられるか、倒壊を避けることができる（図６）。
【００２９】
早期にひずみ硬化する鋼管は、一般に鋼材の引張側の破断により決まる変形性能が低下するが、ＣＦＴ柱としての変形性能としての変形性能に安全率を乗じた以上の鋼管としての変形性能を確保するため、構造性能を低下させることは無い。
【００３０】
本発明は、ＣＦＴ柱としての変形性能を満足するように選定基準１、２によって鋼管を選定するが、ＣＦＴ柱自体の変形性能に替えてＣＦＴ柱を使用する構造物の層（複数階を有する構造物の床間）の変形性能としても良い。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００３２】
【非特許文献１】コンクリート充填鋼管構造設計施工指針：日本建築学会
【非特許文献２】コンクリート充填鋼管（ＣＦＴ）造技術基準・同解説の運用及び計算例等：（社）新都市ハウジング協会
【非特許文献３】５９０Ｎ／ｍｍ２級角形鋼管の部材性能に関する実験的研究：下川  他、鋼構造年次論文報告集、巻：１６  頁：１−６、２００８．１１
【非特許文献４】延性き裂発生を考慮した梁部材の塑性変形能力、  学術講演梗概集．  Ｃ−１、  ２００３、  ｐｐ．８６３−８６４、
【非特許文献５】歪・補エネルギーによる素材特性と部材変形性能に関する検討：小野  他、日本建築学会大会学術講演梗概集  Ｃ分冊、ｐ．１１３９、１９９３年
【非特許文献６】金属系構造部材の局部座屈挙動における素材特性の影響（その３）：伊藤  他、日本建築学会大会学術講演梗概集  Ｃ−１分冊、ｐ．２６９、１９９６年
【非特許文献７】（財）日本建築センター：鉄骨梁端溶接接合部の脆性的破断防止ガイドライン・同解説
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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