東急建設技術研究所報 No.37
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U.D.C.

624.011.016 : 624. 072. 21

U.D.C. 624.011.016 : 624. 072. 21

材端部造で構成された
材端部RCRC造中央部造中央部 S S造で構成された複合構造梁の構造性能
複合構造梁の構造性能
佐藤

要

約：良介＊ 小澤佐藤良介＊ 小澤潤治＊潤治＊

阪井

阪井

由尚＊＊由尚＊＊材端部 RC 造中央部 S 造で構成された複合構造梁の構造性能について論じられている。このような複合構造梁を構成するにあたって, S 部材を端部の RC 区間に埋込んで両者の応力伝達を図った場合,梁全体として負担しているよりも大きなせん断力が埋込み区間の RC に入力されること等が問題となる。本論文は,これらの問題への対策として新たに提案された「S 区間と RC区間の境界に鋼製のプレートを配し, S 部材を溶接接合, RC 区間の主筋と締結することで応力伝達を確保する」独自の構成による複合構造梁について,鋼製プレートのない既往の仕様を含めた全４体の試験体を対象に行った構造実験の結果に基づいて述べるものであり,実験結果の呈示に加え,鋼製プレートの導入によってせん断性能の向上が認められた本複合構造梁の可能性に関して,若干の検討が加えられている。

ｷｰﾜｰﾄﾞ：目

次：複合構造梁, 鋼コンクリート合成構造，合成部材，接合部，応力伝達1.はじめに3.構造実験による性能確認

2.合理的な応力伝達を意図した複合構造梁の提案

4.まとめ

種々の構成方法たとえば1)～4)が提案され,今日に到っている。

1．はじめに
材端部が鉄筋コンクリート（以下、 RC と略記）造そこで,複合構造梁に関する既往の知見の概括も兼ねてで,中央部が鉄骨（以下、 S と略記）造で構成された

これらの複合構造梁における応力伝達機構について概複合構造梁は,建築物の柱を剛性が高く圧縮に有利な観して合理化のための課題を明らかにし,その解決を目RC 造で,梁を軽量で長スパン化に有利な S 造で構築的とした新たな複合構造梁の提案を試みる。

できる力学的な合理性が古くから注目されているが ,2.1

昨今ではさらに,材端 RC をプレキャスト化すること力学的機能による工業化,架構に用いられる鋼材量の抑制によるコ

図 1 に複合構造梁の模式的な外観を示す。同図 1

ストダウン等,施工性や経済性の面での優位性にも期待に見るように,複合構造梁には,外観上,材軸方向に連なが寄せられ,種々の構成方法が新たに提案されるようにった RC の区間と S の区間が存在するため,本論文で。複合構造梁のように鋼とコンクリは以後,この図に付したように梁端を RC 区間、梁中ートを組み合わせて構築する鋼コンクリート合成構造

央を S 区間と呼称していくことにする。複合構造梁をでは,両者の接合部における応力伝達の確保が肝要とな含めた鋼とコンクリートによる合成構造に関しては,複る5)が,複合構造梁の構築にあって,この応力伝達を「材合構造梁以外にも既に各種の構造が提案・実用化され端の RC にS 部材を埋込む」ことで図る場合には,ているが,これら合成構造の応力伝達と抵抗機構につい「当該埋込み区間の RC に,梁が負担するよりも大きて体系的にまとめられている既往の文献 5) において,複なせん断力が入力される」等,この仕様特有の力学的問

合構造梁は,「１つの部材において,その構造形式が材題が顕在化することが知られている 。

軸方向で RC 造から S 造に変化する直列的な接合部」

1)

なっている

たとえば2)～4)

5)

埋込み形式の複合構造梁の接合部に求められる

そこで,これらの問題へのより合理的な対応を意図しを有する構造として定義されている。直列的な接合部た新たな構成による複合構造梁の開発を試みた。本論

はさらに,「埋込み形式」と「非埋込み形式」とに大別

文は,この複合構造梁の構造性能について述べるものでされる5)が,前者の場合, RC 区間には,梁が負担するよあり,全４体の試験体を対象に行った構造実験の結果に基づいた検討によって,その実用化のための課題を明らかにすることを目的としている。
2．合理的な応力伝達を意図した複合構造梁の提案
図 1

複合構造梁の歴史は浅いものではなく,これまでにも＊基盤技術開発部*基盤技術開発部＊＊設計本部

**設計本部

構造設計部

構造設計部
4545

複合構造梁の概観

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り,実際に梁を構築するために,その機能の確保を目的とした種々の構成方法が提案されている。
まず図 2 ( b ) に示したてこ機構は,既に述べたように RC から S 部材への支圧反力によるものであることから,これを確実に機能させるために, RC 区間が材(a)軸直交方向に膨張して割裂き破壊に到らないような補接合部近傍の模式図

強が必要になる。そのため,たとえば図 2 ( a ) に示したように, RC 区間の主筋の材軸直交方向への拘束を意(b)RC からの支圧反力によるてこ機構

図して埋込み区間の始端と終端位置にせん断補強筋を集中的に配置する等の対応が見られているたとえば1)~2)。
また曲げモーメントに関しては,図 2 ( c ) に示すよ(c)図 2うに, S 部材が露出している区間ではその全てが S 部

曲げモーメント分布図

材によって負担されるが, RC 区間内では,埋込み区間一般的な埋込み形式の複合構造梁の接合部近傍においてこれが RC と S に分配される。この分配は,RC の負担分が,鼻先において零となり,埋込み区間終端において複合構造梁全体の負担曲げモーメントに一致するまで直線的に増加すると仮定されている 5) が,こ(a)の場合,同図 2 ( c ) に示した勾配 rcV および sV が当該接合部近傍の模式図部分の RC と S に入力されるせん断力となる。図 2( c ) より明らかなように,この rcV および sV は,複合構造梁が負担しているせん断力 V よりも大きな値を取(b)図 3

曲げモーメント分布図

り得るため,とりわけ RC としてのせん断補強には慎境界プレートを導入した複合構造梁の接合部近傍重な対応が取られており,この種の複合構造梁の開発における最大の問題として取り扱われているようである。

りも大きなせん断力が入力されるとされている。

さらに,以上に見てきた力学モデルは,複合構造梁を

図 2 ( a ) に,埋込み形式による一般的な複合構造梁構成する S 造, SRC 造, RC 造のそれぞれの断面が確の接合部近傍の構成を模式的に示す。なおこの図 2

実に機能することを前提に成立している 5) ため,たとえ( a ) より明らかなように,埋込み形式の複合構造梁のば図 2 ( b ) のような状況にあって,せん断力 V の漸増

RC 区間には,厳密には,断面が鉄骨鉄筋コンクリートに伴って S 部材が抜出すような状態は想定されていな（以下, SRC と略記する）造となる区間と RC 造とない。したがって, S 部材の定着の確保も重視されておる区間が存在するが,本論文では以降も図 1 での定義

り,たとえば埋込み区間の S 部材に抜出し防止のスチに従い,複合構造梁の梁端部全体を RC 区間と呼称す

フナを設ける等の対応が見られている2)。

る。また同図 2 ( a ) に示したように, RC 区間と S 区2.2間の材軸上の境界を RC 区間の「鼻先」と呼び, RC複合構造梁の新たな構成方法の提案

以上に示したように,埋込み形式の複合構造梁の構築区間の鼻先から梁端までの区間を rcl と定義する。さらには, i )に, S 部材のうち, RC 区間に埋込まれる部位（すなわRC からの支圧反力によるてこ機構, ii )埋込み区間にて割り増される入力せん断力 rcV に対するち SRC 造断面を構成する部位）を「埋込み区間」と適切なせん断設計, iii ) 抜出し等を防止するための S称し,その材軸方向長さを slb とする。

部材の定着,の三条件の確保が特に重要となる。

図 2 ( a ) のような片持ち形式の複合構造梁の自由端にそこで,これら三条件をより合理的に満たすことを目せん断力 V が作用した場合,そのせん断力およびこれに的に,図 3 ( a ) に示す新たな構成の埋込み形式の複合付随して生じる曲げモーメントの,接合部における伝達構造梁（以下,「本構法」と呼称する）を提案する。本は,「主に RC から S 部材への支圧反力によるてこ機構構法の最大の特徴は,鼻先の RC 区間小口に鋼製プレに拠る」とされており,この力学モデルを既往の文献5)にート（以下,「境界プレート」と呼称する）が配されて倣って示すと,図 2 ( b ) および図 2 ( c ) のようになる。

いることにあり,この境界プレートは, RC 区間の主筋既往の埋込み形式の複合構造梁の多くは,このような力とはナット接合, S 部材とは溶接接合によって一体化学モデルによる応力伝達を前提に接合部が構成されてお4646

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表 1試験体一覧されているものとする。この境界プレートの導入によ2900 mm の片持ち形式の梁となっている。これら４体

り本構法に期待される利点を先の三条件に対照させては, S 部材の断面,ならびに RC 区間の断面形状,主筋示すと,次のようになる。の配置および材軸方向長さ rcl を共通因子としており,RC 区間の梁せい rcD と rcl の関係は, rcl = 1.5 rcD =まず, RC 区間の主筋の境界プレートへのナット接合

870 mm となっている。

により,先の条件 i ) に求められる「 RC 区間の主筋の第一の変動因子は境界プレートの有無であり,境界プ材軸直交方向の拘束」は充分に確保されると考えられる。すなわち本境界プレートは,既往の複合構造梁で見られてきた図 2 ( a ) に示す集中補強筋のうち,埋込み試験体 A

境界プレートなし

RC 断面

試験体 B-1

境界プレート

RC 断面

試験体 B-2

境界プレートRC 断面試験体 B-3

境界プレートRC 断面区間始端側に替わる機能を果たすと期待される。
また RC 区間とナット接合された境界プレートが,溶接によって S 部材とも一体化されていることから,鼻先位置の存在曲げモーメントの一部は, RC によって負担されると考えられる。すなわち,本構法による複合構造梁に図 2 と同様のせん断力 V が作用した場合の曲げモーメント分布を既往の力学モデル5)に準じて示すと,図 3 ( b ) のようになると予想される。この図では,
S 部材が負担する曲げモーメント分布に,鼻先位置にて不連続点が形成されているが,これが境界プレートによる RC への伝達分に相当する。この仮定が成立する場
合, RC への入力せん断力 rcV が先の図 2 ( c ) に比して小さくなることは明らかであり,この点において,せん断補強量の抑制によるコストダウンも含めた合理化を期待できることになる。
さらに,このように RC 区間と S 部材が境界プレートを介して一体化されていることは,せん断力 V の作用に対する S 部材の抜出し防止にも寄与し得るため,これは,先の条件 iii ) の満足につながると考えられる。
3．構造実験による性能確認
本構法による複合構造梁の性能を確認するために,構造実験を行った。ここでは,実験の概要に触れた後に得られた結果を示し,本構法の可能性について検討を加える。
3.1.

実験概要

3.1.1

試験体

表 1 に試験体一覧を,図 4 に試験体の形状と配筋を

図 4示す。試験体は全４体であり,いずれもせん断スパンが4747

試験体形状と配筋

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表 2コンクリートの材料試験結果

表 3鉄筋の材料試験結果

表 4鋼材の材料試験結果

図 5
表 5載荷装置

実験結果一覧

レートのない試験体 A に対し, B-1 , B-2 および B-3

3.2.1

では, RC 区間小口全面に, S 部材断面に合わせてくり

表 5 に実験結果一覧を,図 6 に各試験体のせん断力抜かれ, K 形開先を設けて S 部材と部分溶込み溶接さ破壊経過に及ぼす各変動因子の影響－部材変形角関係を示す。

れた 19 mm 厚の鋼板が,境界プレートとして主筋にナッ４体の試験体の破壊形式が,境界プレートの有無によってトで締結されている。なおこれらの３体は,境界プレー大きく異なる結果となった。すなわち,境界プレートのないトが集中補強筋の機能を兼ねることが期待されるため,試験体 A が曲げ降伏前に RC 区間のせん断破壊に到って試験体 A とは異なり,埋込み区間始端側の集中補強筋が耐力低下した一方で,本構法による３体の試験体は, R = ±排されている。第二の変動因子は S 部材の埋込み区間1/100 をやや超過した変形時に想定通りスタブ面において長さ slb であり, S 部材の梁せい sD との関係が,試験体曲げ降伏を見せた。図 6 には, RC 区間スタブ面断面の降A , B-1 , B-2 では slb = 2.0 sD = 800 mm , B-3 では slb =伏モーメントを鉄筋コンクリート構造計算規準・同解説6)の1.5 sD = 600 mm となっている。第三の変動因子は R C

略算式によって求め,これをせん断スパンで除した値も示し区間のせん断補強筋量であり,埋込み区間におけるせんてあるが,この計算値は,境界プレートを有する３体の曲げ断補強筋比が,試験体 A , B-1 ならびに B-3 で 0.58 % ,降伏時耐力との良好な一致を見せている。

B-2 で 0.34 % となるように肋筋が配されている。なお

一方,曲げ破壊した３体の部材剛性には大きな差異がなく,境界プレートを配した３体の試験体はいずれも, RC 区本実験の範囲において, S 部材埋込み区間の長さ slb が部材間のスタブ面における曲げ降伏の先行が想定されている。の挙動に及ぼす影響は僅少であった。

またこれらの試験体に用いた各種材料の材料試験の結同様の傾向は,第三の変動因子であるせん断補強量に関し果は,表 2 ～表 4 に示すとおりであった。
3.1.2ても見られ,境界プレートを有する試験体の破壊経過に,せ実験方法

ん断補強量の多寡による著しい相違は表れなかった。

図 5 に載荷装置を示す。 S 部材に横座屈防止装置

3.2.2

境界プレートの導入効果に関する検討を設置のうえ, 500 kN アクチュエータで試験体の自由

写真 1 に,各試験体における RC 区間の最終破壊状況端に正負交番の静的漸増繰返し載荷を加えた。載荷はを示す。これらの写真からは,境界プレートが配された自由端の変位制御としたが,以後、この自由端変位を試３体の試験体の鼻先近傍の損傷が比較的軽微に止まって験体のせん断スパンで除した値を部材変形角 R とする。

いることを読み取ることができる。すなわちこの近傍に3.2

おける RC は,材軸直交方向に割裂かれることなく終始実験結果全４体の試験体への載荷によって得られた結果につ支圧反力を保っていたと推測され, 境界プレートが,埋いて,まずは破壊に到るまでの経過を比較して各変動因込み始端側の集中補強筋の機能を充分に果たしていたこ

子の影響を概括した後に,その間の変形挙動等を精査しとを窺い知ることができる。
続いて図 7 に,各試験体の RC 区間の上端筋について境界プレートの導入効果に関する検討を行う。

4848

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自由端変位 ( mm )-1000100-200Spec. A

せん断力 ( kN )1000-100
曲げひび割れ曲げせん断ひび割れ-60x10 -40-2002040
部材変形角 ( rad )自由端変位 ( mm )-1000100-200200-2002040
部材変形角 ( rad )自由端変位 ( mm )-100010060B-1200

Spec. B-3300

せん断力 ( kN )200-100
実験値-2002040
部材変形角 ( rad )図 6Spec. A

曲げひび割れ曲げせん断ひび割れ
曲げｌ降伏

計算値（曲げ降伏）-360-60x10 -40

１段目
１段目
１段目
１段目

２段目
２段目
２段目
２段目

800
4000S 部材埋込み終端

スタブ面-2000200

RC 区間鼻先400
600
材軸座標 ( mm )Spec. B-2+1/1000+1/800+1/400+1/200

1200

800

１段目
１段目
１段目
１段目

２段目
２段目
２段目
２段目

0-2000200

RC 区間鼻先400
600
材軸座標 ( mm )

図 7B-3800

Spec. B-1

1000+1/1000+1/800+1/400+1/2001200

最終破壊状況
１段目
１段目
１段目
１段目

２段目
２段目
２段目
２段目

800
4000S 部材埋込み終端

スタブ面-200400

S 部材埋込み終端

60写真 11000

800

スタブ面

-2002040
部材変形角 ( rad )せん断力－部材変形角関係+1/1000+1/800+1/400+1/2001200

実験値-6-60x10 -40-100-300

計算値（曲げ降伏）-3

B-20-200

曲げひび割れ曲げせん断ひび割れ
曲げｌ降伏

-300

100

上端主筋ひずみ ( ×10 )-200-6計算値（曲げ降伏）-200

Spec. B-20

上端主筋ひずみ ( ×10 )曲げひび割れ曲げせん断ひび割れ
曲げ降伏-60x10 -40

100-6

実験値

-360200

上端主筋ひずみ ( ×10 )-100-300

計算値（曲げ降伏）-3A0-200

実験値

-300

100-6

せん断力 ( kN )200-200

せん断力 ( kN )200

Spec. B-1300

200300自由端変位 ( mm )-1000100-200

上端主筋ひずみ ( ×10 )300

2000200

RC 区間鼻先400600
材軸座標 ( mm )Spec. B-3+1/1000+1/800+1/400+1/200

1200

800

１段目
１段目
１段目
１段目

1000

２段目
２段目
２段目
２段目

800
4000

S 部材埋込み終端

スタブ面-2000200

RC 区間鼻先400600
材軸座標 ( mm )

800

1000

正方向処女載荷時の RC 部における上端主筋のひずみ分布の推移て, これが引張主筋となる正方向処女載荷時におけるひり, RC 区間の負担曲げモーメントが,図 3 - ( b ) にて想ずみ分布の推移を示す。これらの図では,いずれの試験定したように不連続的に生じていたことが推測される。

体においても鼻先からスタブ面に向かってひずみが増大既に述べたように,この不連続分は,埋込み区間の RCしているが,特に境界プレートのない試験体 A では,鼻への入力せん断力 rcV を低減し得るが,前掲表 5 およ先位置でのひずみが終始ほぼ零に保たれており, RC 区

び図 6 にて示した曲げせん断ひび割れ発生時耐力が,間の負担曲げモーメントが,図 2 ( c ) に示した既往の力

境界プレートのない試験体 A において他の試験体より学モデル 通りにこの位置から滑らかな漸増を始めていも特に小さい値として得られている事実はこの仮定とたことが分かる。一方,境界プレートを有する３体では,符合しており ,境界プレートが想定通りに機能してい主筋のひずみが鼻先位置において明らかな値を有しておたことを示唆するものと考えられる。

5)49

Spec. A

840平均値
上端側-40

下端側102030 40x10
部材変形角 ( rad )-3

図 8自由端変位 ( mm )20 40 60 80 1000Spec. B-1

840平均値
上端側-40下端側

102030 40x10部材変形角 ( rad )-3

自由端変位 ( mm )20 40 60 80 100

0Spec. B-2840平均値
上端側-40下端側102030 40x10
部材変形角 ( rad )-3

S 部材の抜け出し変位 ( mm )自由端変位 ( mm )20 40 60 80 100

S 部材の抜け出し変位 ( mm )0

S 部材の抜け出し変位 ( mm )S 部材の抜け出し変位 ( mm )東急建設技術研究所報No.370

自由端変位 ( mm )20 40 60 80 100
Spec. B-3840平均値
上端側-40

正方向処女載荷時の S 部材の RC 部からの抜出し変位

下端側102030 40x10
部材変形角 ( rad )最後に図 8 に, S 部材の鼻先からの相対的な抜出し変位

よび S 部材と一体化させることによって「この種の複の正方向処女載荷時における推移を示す。これらの図から合構造梁の接合部に求められる機能を合理的に確保すは,境界プレートの導入によって S 部材の抜出しが著しくる」ことを試みたものであり,実験は,主としてプレー抑制されていることを読み取ることができ,この点でも境界トの有無による複合構造梁の構造性能の比較を意図しプレートの有効性を知ることのできる結果となった。て全４体の試験体を対象に行った。

-3

実験の結果,本構法による複合構造梁において,導入4.

まとめされた境界プレートが想定通り機能すること,また導入材端部 RC 造中央部 S 造で構成された埋込み形式に際して既往の力学モデル5)をもとに設けた仮定が相応の複合構造梁をより効率的に構築することを目的に,新の妥当性を有している可能性が明らかとなった。ただたな構成方法を提案し,その構造性能を確認する実験をしここでの知見は,あくまでプレートの有効性について行った。本構法は,梁端部の RC 区間と中央部の S 区の定性的な検証に基づいたものであるため,今後は,そ間との境界に鋼製のプレートを配し, RC 区間の主筋おの導入効果の定量的な評価が必要になると考えられる。

参考文献
1）金田和浩, 吉崎征二, 他 2 名 : RC 積層工法による超高層骨組の構造実験（その８材端 RC 、中央部鉄骨で構成される複合構造梁の載荷試験）, 日本建築学会大会学術講演会梗概集（近畿）, pp. 305 - 306, 1987. 102）鈴木英之, 西原寛 : 材端部 RC 造中央部鉄骨造で構成される複合構造梁のせん断耐力と変形性能, 日本建築学会構造系論文集, 第73 巻, 第 631 号, pp. 1673 - 1680, 2008. 93）金本清臣, 真瀬伸治, 他 1 名 : 鉄筋コンクリート柱に接合された鉄骨梁端部を鉄筋コンクリートで巻いた混合構造梁構法の耐力評
価, 日本建築学会構造系論文集, 第 76 巻, 第 659 号, pp. 205 - 211, 2011. 14）都祭弘幸, 細井泰行, 他 1 名 : 端部 RC 梁主筋と中央 H 形鋼をプレート接合した複合梁の開発, 日本建築学会構造系論文集, 第76 巻, 第 669 号, pp. 1997 - 2004, 2011. 115）日本建築学会 :鋼コンクリート構造接合部の応力伝達機構と抵抗機構, 2011. 26）日本建築学会 :鉄筋コンクリート構造計算規準・同解説, 2010. 2

STRUCTURAL PERFORMANCE OF STEEL BEAMS
WITH CONCRETE ENCASED COMPOSITE SECTION AT BUILT-IN ENDS
R.Sato, J.Ozawa and Y.Sakai
This is an experiment data report that discusses structural performance of steel beams with composite section encased by reinforced
concrete at built-in ends.
In case of constructing this kind of composite beam, stress transferring system between the steel member and encasing reinforced
concrete is a one of the most significant problem. Because it is known that embedded steel member can damage reinforced concretewith force larger than that acting on the composite beam. In this report, a new stress transferring system of composite beams that isidentified by supporting steel plate located at the border of the steel region and of the reinforced concrete region is proposed forefficiency, and is tested the validity by a experiment. The experiment results in showing the usefulness of the new system.

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