コンクリート充填鋼管(CFT)柱に関するデータベース
吉田 紘太朗1．はじめにコンクリート充填鋼管（以下CFT）柱は、鋼管にコンクリートを充填することで構成され、中空鋼管柱に比べて高い剛性と耐力、塑性変形性能を期待できる。日本では、超高層建築物や免震構造において、CFT柱を採用する例が増えている。現状の設計法は、数多くの構造実験や数値解析に基づいて整理されたものである。しかし、施工のノウハウを必要とする、大きな試験機容量を必要とするため実大実験のデータが少ない、などの課題が残されている。
本研究では、CFT柱の現状を把握するために、国内外の設計法を比較し、既往の研究データを整理し、国内の実物件にみられる傾向を調査し、データベースを構築した。

3．既往の研究
既往の研究で蓄積された実験データを整理した。図 3 から 6 に、文献 1)の第 1 編 2 章 2 節で引用された日米共同研究で実施された短柱中心圧縮実験と、文献 3)に記載された多様な目的の実験のデータから得られた CFT 柱の寸

Database of Concrete-Filled Steel Tube Columns

Mu, Mn [kNm]

22500
20000

𝑁

17500

𝑁𝑜15000

𝑁12500

𝑁𝑜= 0.2= 0.4

10000
7500
5000

𝑁2500

𝑁𝑜= 0.70051015

Lk / B

図 2 日米の曲げ耐力の比較（●：AIJ, ○：AISC）
：角形鋼管

：円形鋼管

L k /D, L k /B

1512105400510Case

1520

図 3 短柱中心圧縮実験の試験体の𝐿𝑘 ⁄𝐷 , 𝐿𝑘 ⁄𝐵

D/t, B/t

2．設計指針で規定されたCFT柱の耐力
日本建築学会（AIJ）の CFT 指針 1)では、柱の座屈長さ
𝐿𝑘 と鋼管径𝐷（角形鋼管柱では幅𝐵に相当）の比𝐿𝑘 ⁄𝐷 でCFT 柱を、短柱（𝐿𝑘 ⁄𝐷 ≤ 4）、中柱（4 < 𝐿𝑘 ⁄𝐷 ≤ 12）、長柱（12 < 𝐿𝑘 ⁄𝐷 ）に分類し、CFT 柱の終局圧縮耐力𝑁𝑢 と終局曲げ耐力𝑀𝑢 を規定している。短柱の耐力は、コンクリー
トと鋼管の全塑性状態における累加強度で評価する。中柱、長柱の耐力は、軸力と変形による付加モーメントを考慮して評価する。
米国鋼構造協会（AISC）の設計指針 2) では、CFT 柱の曲げと圧縮力の連成による公称耐力(Nominal Strength)を計算する 4 つの方法が紹介されている。これらのうち、
図 1 に示す応力分布を仮定する Plastic Stress Distribut
ion Method が、理論が明快で、簡便である。同手法では、
図 1 に示すような 4 つの荷重状態を、CFT 柱の耐力算定上主要な状態として定義する。図中、寸法 ap は、純曲げ状態における塑性中立軸の位置を規定する。純圧縮（状態A）、純曲げ（状態 B）を含めた荷重状態に対応する荷重点
A から D を線形補間して、連成耐力を評価する。
図 2 に、せいと幅が1000 mm、厚さが36 mm、降伏強度が325 N ⁄mm2 の角形鋼管に、強度36 N ⁄mm2 のコンクリートを充填した CFT について、日米の方法で算定した曲げ耐力を 3 種類の軸力比𝑁 ⁄𝑁𝑜（𝑁𝑜 は単純累加軸耐力）ごとに示す。AIJ1) の設計式によると、短柱、中柱、長柱それぞれの閾値（𝐿𝑘 ⁄𝐷 = 4, 12）付近において曲げ耐力は、不連続的に評価された。CFT 柱に作用する軸力が大きいほど、短柱と中柱の耐力評価は大きく異なる値を示した。
一方、AISC2) では、𝐿𝑘 ⁄𝐷 が増加すると曲げ耐力は連続的に減少し、AIJ1) よりも合理的に CFT 柱の耐力を評価していると考えられる。

図 1 4 点の角形断面の寸法表記と応力度分布

2001751501251007550250570510Case1520

図 4 短柱中心圧縮実験の試験体の𝐷 ⁄𝑡 , 𝐵 ⁄𝑡

YOSHIDA Kotaro5．おわりにCFT 柱について、国内外の耐力評価式、実験データ、実物件への適用実績を調査し、下記の知見を得た。
・ AISC2) より AIJ1) の指針の方が、𝐿𝑘 ⁄𝐷 に応じて曲げ耐力を大きく変えている。
・ 既往の実験では、𝐿𝑘 ⁄𝐷 ≤ 4の範囲の試験体を対象とする実験が最も多いが、実物件で採用例のほとんどを占める4 < 𝐿𝑘 ⁄𝐷 ≤ 12の範囲の試験体は寡少であった。
・ 既往の実験では、角形鋼管は12 ≤ 𝐵 ⁄𝑡 ≤ 152、円形鋼管は5 ≤ 𝐷 ⁄𝑡 ≤ 221と広範であるが、日本の実物件は、角形鋼管は𝐵 ⁄𝑡 ≤ 33、円形鋼管は𝐷 ⁄𝑡 ≤ 40がほとんどであった。

1241530

Case456075

L k /D, L k /BD/t, B/t

図 5 文献 3 に記載された研究の試験体の𝐿𝑘 ⁄𝐷 , 𝐿𝑘 ⁄𝐵
22520017515012510075502505701530456075Case

図 6 文献 3 に記載された研究の試験体の𝐷 ⁄𝑡 , 𝐵 ⁄𝑡
The number of cases

4．実物件に採用されたCFT柱の仕様
文献 4)に記載された、2008 年 5 月から 2020 年 12 月の性能評価シートから、超高層建築物や免震構造物に用いられた CFT 柱の寸法や材料強度等の情報を整理した。図7 に、59 物件の建物最高高さを示す。内訳は、免震構造建築が 21 物件（基礎免震 11 件、中間層免震 9 件、基礎免震・中間層免震併用 1 件）、超高層建築が 38 物件であった。図 8 に、𝐿⁄𝐷 , 𝐿⁄𝐵 の分布を示す。ここに、𝐿は調査した物件の 1 階階高とした。𝐿⁄𝐷 , 𝐿⁄𝐵 は 4 から 12 の範囲が圧倒的に多い。中に、𝐿⁄𝐷 = 20の円形鋼管 CFT の例もあるが、これは長さ 4200mm に対し、外径 216.3mm というデータである。図 9 に、幅厚比の分布を示す。角形鋼管の場合は𝐵 ⁄𝑡 ≤ 33、円形鋼管の場合は𝐷 ⁄𝑡 ≤ 40に集中していた。文献 5)による純鋼ラーメンの FA ランクの制限
は、角形鋼管で𝐵 ⁄𝑡 ≤ 33、円形鋼管で𝐷 ⁄𝑡 ≤ 50であり、コンクリートを充填した CFT でも、純鋼構造の規定がほぼ守られている。

9080706050403020100015121410125

免震構造

75522

超高層

0Range of building height [m]

図 7 59 物件の建物最高高さ
2520L/D, L/B

法比𝐿𝑘 ⁄𝐷 および径厚比または幅厚比𝐷 ⁄𝑡 , 𝐵 ⁄𝑡を示す。図 3、4 に見るように、文献 1)における短柱中心圧縮実験では、
𝐿𝑘 ⁄𝐷 , 𝐿𝑘 ⁄𝐵 は 4 以下、𝐷 ⁄𝑡 , 𝐵 ⁄𝑡は 57 以下の CFT 柱が多く採用されていた。図 5、6 に見るように、文献 3)で収集された実験では、𝐿⁄𝐷 , 𝐿⁄𝐵 は 1 から 8、𝐷 ⁄𝑡 , 𝐵 ⁄𝑡 は 57 のCFT 柱が多く採用されていた。AISC2)のコンパクト断面(全塑性モーメントに到達することが出来る断面)とするための幅厚比制限が、図 2 の例の材料強度に対して、角形鋼管で𝐵 ⁄𝑡 ≤ 57、円形鋼管で𝐷 ⁄𝑡 ≤ 57であるが、特にこの制限値内におさまる試験体が多いことが分かる。

1512105400参考文献1) 日本建築学会：コンクリート充填鋼管構造設計施工指針, 丸善出版, 2008
2) AISC 360-16：Specification for Structural Steel Buildings,4) 日本建築センター：ビルディングレター, No.509 (2008.5)～
No.660 (2020.12)
5) 国土交通省国土技術政策総合研究所ほか監修：2015年版建築物の構造関係技術基準解説書、2015

4050606050403020100FCFBFA02040Case(a)角形鋼管

60120100806040200FCFBFA

D/t

Tube Members, Connections, and Frames, NSEL Report
Series Report No. NSEL-008, 200830

図 8 日本の実物件の CFT 柱の𝐿⁄𝐷 , 𝐿⁄𝐵

American Institute of Steel Construction, 2016
Brett C. Gourley, Cenk Tort, Mark D. Denavit, Paul H.
Schiller, Jerome F. Hajjar：A Synopsis of Studies of theMonotonic and Cyclic Behavior of Concrete-Filled Steel20CaseB/t3)

100204060
Case(b)円形鋼管

図 9 日本の実物件の CFT 柱の𝐷 ⁄𝑡 , 𝐵 ⁄𝑡