コンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造
【課題】火災時における鋼管柱の局部座屈を防止しつつ、ボード部材を含めた柱の水平断面積を小さくすることができる施工性に優れたコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造を得ることを目的とする。
【解決手段】鋼管本体部１２Ｂの外側面には、複数の補強リブ２０がそれぞれ設けられている。補強リブ２０は長手方向を鋼管柱１２の軸方向にして配置されると共に、鋼管柱１２の側壁の幅方向に間隔を空けて設けられている。これらの補強リブ２０に渡された取付部材３０に、耐火ボード４０がビス４２で固定されている。
【解決手段】鋼管本体部１２Ｂの外側面には、複数の補強リブ２０がそれぞれ設けられている。補強リブ２０は長手方向を鋼管柱１２の軸方向にして配置されると共に、鋼管柱１２の側壁の幅方向に間隔を空けて設けられている。これらの補強リブ２０に渡された取付部材３０に、耐火ボード４０がビス４２で固定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管柱内にコンクリートが充填されたコンクリート充填鋼管（ＣＦＴ（Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｆｉｌｌｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｔｕｂｅ））柱が知られている。ＣＦＴ柱では、一般に、中空の鋼管柱と比較して負担可能な軸力（負担軸力）が大きく、またコンクリートが充填されている分、熱容量が増加するため、耐火性能に優れている。そのため、設計条件（例えば、柱の負担軸力が比較的小さく火災継続時間が短い場合など）によっては、ＣＦＴ柱の耐火被覆を省略することが可能である。
【０００３】
ここで、特許文献１に開示された技術では、鋼管柱の内壁面に、当該鋼管柱の軸方向へ延びるリブ（フラットバー）が点溶接で取り付けられている。そして、火災時に、鋼管柱とコンクリートとの熱膨張差によってコンクリートに発生する軸方向の引張り力にリブを抵抗させ、コンクリートのひび割れを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２０４９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された技術のように鋼管柱の内壁面にリブを点溶接する構成では、火災時におけるコンクリートのひび割れは抑制されるものの、加熱されて耐力、剛性が低下した鋼管柱の変形を十分に抑制することができず、当該鋼管柱に局部座屈が発生する可能性がある。また、鋼管柱の内側へのリブ溶接は施工が煩雑になり生産性が悪い。
【０００６】
一方、ＣＦＴ柱の耐火被覆を省略した場合でも、柱の表面は仕上げボード（例えば、石膏ボード）等で仕上げる場合が多い。例えば、図９に示されるように、コンクリート１２６が充填された鋼管柱１２０の外周に軽鉄スタッド等による下地材１２２を設置し、その周りに仕上げボード１２４を取り付ける方法が一般的であるが、鋼管柱１２０の周りに軽鉄スタッド等による下地材１２２を設置することで、仕上げボード１２４等を含めた柱の水平断面積が大きくなり、室内スペースが減じられる。また、鋼管柱１２０の外周に軽鉄スタッド等の下地材１２２を立てる作業が発生し、手間がかかる。
【０００７】
本発明は、上記の事実を考慮し、火災時における鋼管柱の局部座屈を防止しつつ、ボード部材を含めた柱の水平断面積を小さくすることができる施工性に優れたコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載のコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造は、鋼管柱と、前記鋼管柱に充填された充填コンクリートと、前記鋼管柱の外周に配置され、該鋼管柱を囲む複数のボード部材と、長手方向を前記鋼管柱の軸方向にして該鋼管柱の側壁の外面に設けられ、前記ボード部材を支持すると共に、前記側壁に面外剛性を付与する複数の補強部材と、を備えている。
【０００９】
請求項１に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造によれば、補強部材によって鋼管柱の外壁面が補強されている。これにより、鋼管柱における軸方向端部の局部座屈の発生が抑制され、優れた耐火性能を発揮することができる。また、鋼管柱の側壁の外面に設けられた補強部材によってボード部材を支持することにより、鋼管柱から外側へ離れた位置に立てられた軽鉄スタッド等による下地材でボード部材を支持する従来の構成（例えば、図９に示す構成）と比較して、ボード部材を含めた柱の水平断面積を小さくすることができる。更に、鋼管柱の周りに軽鉄スタッド等による下地材を立てる作業を省略できるため、従来の構成（例えば、図９に示す構成）と比較して施工性が向上する。
【００１０】
請求項２に記載のコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造は、請求項１に記載のコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造において、前記鋼管柱の周方向に隣接する前記補強部材間に渡され、前記ボード部材が取り付けられる取付部材を備えている。
【００１１】
請求項２に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造によれば、ボード部材の高さ等に応じて、取付部材の数や配置を変更することにより、ボード部材を容易に取り付けることができる。従って、施工性が向上する。
【００１２】
請求項３に記載のコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造は、請求項１又は請求項２に記載のコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造において、前記ボード部材の少なくとも１つが、耐火ボードである。ここで、耐火ボードとは、不燃性と耐火性を有するボード部材で、火災加熱によって容易に溶融、焼失、崩壊しないボード部材を指す。
【００１３】
請求項３に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造によれば、耐火ボードで鋼管柱を囲むことにより、火災時における鋼管柱の温度上昇が抑制される。従って、鋼管柱の耐火性能が向上する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、上記の構成としたので、火災時における鋼管柱の局部座屈を防止しつつ、ボード部材を含めた柱の水平断面積を小さくすることができる施工性に優れたコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造が適用されたコンクリート充填鋼管柱を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造が適用されたコンクリート充填鋼管柱を示す縦断面図である。
【図３】図２の３−３線断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造が適用されたコンクリート充填鋼管柱を示す縦断面図である。
【図５】（Ａ）は、本発明の第２実施形態における鋼管柱の鋼管上端部を示す側面図であり、（Ｂ）は図５（Ａ）の５Ｂ−５Ｂ線断面図である。
【図６】一般的なコンクリート充填鋼管柱と梁で構成された架構を示す立面図であり、（Ａ）は火災前の状態を示し、（Ｂ）は火災後の状態を示している。
【図７】一般的なコンクリート充填鋼管柱の耐火性能評価に用いられる実験評価モデルを示すモデル図であり、（Ａ）は水平力を載荷する前の状態を示し、（Ｂ）は水平力が載荷された際のコンクリート充填鋼管柱の変形状態、及び応力状態を示し、（Ｃ）はコンクリート充填鋼管柱を構成する鋼管柱に局部座屈が発生した状態を示している。
【図８】（Ａ）は本発明の第１，第２実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造の変形例が適用されたコンクリート充填鋼管柱を示す図５（Ａ）に相当する側面図であり、（Ｂ）は図８（Ａ）の８Ｂ−８Ｂ線断面図である。
【図９】従来のコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造を示す図３に相当する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造について説明する。なお、各図において適宜示される矢印Ｘ，Ｙは、本実施形態における鋼管柱の周方向（鋼管柱の側壁の幅方向）をそれぞれ示し、矢印Ｚは鋼管柱の軸方向（上下方向）を示している。
【００１７】
＜第１実施形態＞
先ず、第１実施形態について説明する。
【００１８】
図１〜図３には、第１実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造（耐火被覆構造）が適用されたコンクリート充填鋼管柱１０が示されている。このコンクリート充填鋼管柱１０は、鋼管柱１２と、鋼管柱１２に充填される充填コンクリート１４とを備えている。
【００１９】
図２に示されるように、鋼管柱１２は角形鋼管で構成されており、水平部材としての鉄骨梁１６が接合される上下の鋼管仕口部１２Ａと、これらの鋼管仕口部１２Ａ間に延びる鋼管本体部１２Ｂを有している。
【００２０】
鉄骨梁１６はＨ形鋼で構成され、上下一対のフランジ部１６Ａとフランジ部１６Ａを繋ぐウェブ部１６Ｂを有し、その端部が鋼管仕口部１２Ａの外側面に突き当てられて溶接されている。一方、鋼管仕口部１２Ａの側壁の内面には、上下一対の内ダイアフラム１８が設けられている。各内ダイアフラム１８は、鉄骨梁１６のフランジ部１６Ａと連続するように設けられており、この内ダイアフラム１８によって鋼管仕口部１２Ａが補強されている。また、各内ダイアフラム１８の中央部には充填孔１８Ａが形成されており、これらの充填孔１８Ａを通して鋼管柱１２内に充填コンクリート１４が充填されるようになっている。
【００２１】
上下の鉄骨梁１６の間にある鋼管本体部１２Ｂの４つの側壁の外面（以下、「外側面」という）には、複数の補強リブ２０がそれぞれ設けられている。補強部材としての補強リブ２０は平板状の鋼板で構成され、長手方向を鋼管柱１２の軸方向（矢印Ｚ方向）にして配置されると共に、鋼管本体部１２Ｂの略全長に渡って設けられている。また、補強リブ２０は、鋼管本体部１２Ｂの１つの外側面に対し、対となるように２本ずつ設けられている。一対の補強リブ２０は、図３に示されるように、鋼管柱１２の周方向（矢印Ｘ方向又は矢印Ｙ方向）に間隔を空けて設けられており、幅方向一端部２０Ａ（長手方向に沿った一端部）が鋼管本体部１２Ｂの外側面に突き当てられて溶接、接着剤等で接合されている。これらの補強リブ２０によって鋼管本体部１２Ｂの各側壁に面外剛性（図３において、矢印Ｒ方向の剛性）が付与されている。なお、鋼管本体部１２Ｂの１つの外側面に対する補強リブ２０の本数は２本に限らない。補強リブ２０の本数や配置は適宜変更可能である。
【００２２】
また、鋼管本体部１２Ｂの各側壁に設けられた一対の補強リブ２０には、複数の取付部材３０が取り付けられている。取付部材３０は断面Ｃ形の軽鉄スタッドで構成され、鋼管本体部１２Ｂを囲むように長手方向を鋼管本体部１２Ｂの周方向（矢印Ｘ方向又は矢印Ｙ方向）にして配置されている。また、取付部材３０は、鋼管本体部１２Ｂの１つの側壁に対し、鋼管柱１２の軸方向に間隔を空けて複数設けられている。各取付部材３０は一対の補強リブ２０の間に渡されており、補強リブ２０の幅方向他端部２０Ｂに溶接、接着剤、又はビス等でそれぞれ固定されている。これらの取付部材３０によって耐火ボード４０が支持されている。なお、取付部材３０の断面形状はＣ形に限らず、角形等でも良く、またプレート材でも良い。また、取付部材３０の材質は、軽鉄に限らず、普通鋼材、ステンレス鋼材等でも良い。
【００２３】
本実施形態では、ボード部材を全て耐火ボード４０としている。耐火ボード４０は石膏ボードで構成され、鋼管本体部１２Ｂを囲むように当該鋼管本体部１２Ｂの外周に配置されている。各耐火ボード４０は、鋼管本体部１２Ｂの各側壁に対向して配置され、隣接する耐火ボード４０の幅方向端部同士が略直角に突き当てられている。各耐火ボード４０は、鋼管柱１２の軸方向に隣接する取付部材３０に渡って配置されており、これらの取付部材３０にビス４２で固定されている。これにより、複数の耐火ボード４０によって鋼管柱１２を耐火被覆した柱が構成されている。
【００２４】
なお、ビス４２に替えて、ドリリングタッピンねじ、ステープル等で耐火ボード４０を取付部材３０に固定しても良い。また、耐火ボード４０は、鋼管柱１２の軸方向に複数並べて配置しても良いし、鋼管本体部１２Ｂの側壁の幅方向に複数並べて配置しても良い。
【００２５】
次に、第１実施形態の作用について説明する。
【００２６】
本実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造によれば、鋼管本体部１２Ｂの外側面に複数の補強リブ２０が設けられており、これらの補強リブ２０に取付部材３０を介して耐火ボード４０が支持されている。このように耐火ボード４０によって鋼管柱１２を耐火被覆することにより、火災時における鋼管本体部１２Ｂの温度上昇が抑制される。また、耐火ボード４０を支持する補強リブ２０は、鋼管本体部１２Ｂの側壁に面外剛性を付与する補強部材としても機能する。更には、耐火ボード４０によって補強リブ２０を耐火被覆することで補強リブ２０の温度上昇も抑制されるため、鋼管本体部１２Ｂの面外変形に対する補強効果が失われない。従って、火災時に鋼管本体部１２Ｂが加熱され、その側壁が熱劣化等したとしても、当該側壁の局部座屈が抑制される。よって、鋼管本体部１２Ｂの耐火性能が向上する。
【００２７】
また、鋼管柱１２の外側面に設けられた補強リブ２０に取付部材３０を介して耐火ボード４０を取り付けたことにより、従来の鉄骨柱の仕上げ構造のように、鉄骨柱１２０から外側へ離れた位置に立てられた軽鉄スタッド等による下地材１２２で仕上げボード１２４を支持する従来の構成（例えば、図９に示す構成）と比較して、耐火ボード４０を鋼管本体部１２Ｂに接近させることができる。これにより、耐火ボード４０を含めた柱の水平断面積が小さくなるため、室内スペースを広げることができる。更に、鋼管柱１２０の周りに軽鉄スタッド等による下地材１２２を立てる作業を省略できるため、従来の構成（例えば、図９に示す構成）と比較して施工性が向上する。
【００２８】
このように本実施形態では、鋼管本体部１２Ｂの側壁に設けられた補強リブ２０に耐火ボード４０を支持させたことにより、耐火ボード４０を含めた柱の水平断面積を小さくしつつ、鋼管本体部１２Ｂの局部座屈を抑制することができる。特に、本実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造は、既存の鋼管柱を耐火補強するのに有効である。
【００２９】
更に、耐火ボード４０の高さ等に応じて、取付部材３０の数や配置を変更することにより、耐火ボード４０を容易に取り付けることができる。従って、施工性、汎用性が向上する。
【００３０】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成のものは同符号を付すると共に、適宜省略して説明する。
【００３１】
図４には、第２実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造が適用されたコンクリート充填鋼管柱１０が示されている。第２実施形態では、長さの異なる複数の補強リブ２０，２２によって、鋼管本体部１２Ｂにおける軸方向中間部としての鋼管中間部１２ＢＭの側壁の面外剛性に対し、軸方向端部としての鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの側壁の面外剛性が大きくなるように、鋼管本体部１２Ｂが補強されている。
【００３２】
具体的には、図５（Ａ）、及び図５（Ｂ）に示されるように、鋼管本体部１２Ｂにおける鋼管上端部（柱頭部）１２ＢＵの各外側面には、一対の補強リブ２０よりも長さが短い補強リブ２２が設けられている。この補強リブ２２は平板状の鋼板で構成され、長手方向を鋼管柱１２の軸方向にして一対の補強リブ２０の間に配置されると共に、幅方向一端部２２Ａ（長手方向に沿った一端部、図５（Ｂ）参照）が鋼管上端部１２ＢＵの内壁面の幅方向中央部に突き当てられて溶接、接着剤等で接合されている。これらの補強リブ２０，２２の幅方向他端部２０Ｂ，２２Ｂに取付部材３０が固定されている。なお、全ての補強リブ２０，２２に取付部材３０を固定する必要はなく、取付部材３０は必要に応じて補強リブ２０，２２に固定すれば良い。
【００３３】
また、鋼管本体部１２Ｂの幅（柱せい）をＤとしたときに、補強リブ２２の長さＬ（鋼管本体部１２Ｂの軸方向に沿った長さ）が、鋼管本体部１２Ｂの幅Ｄの１．０倍以上とされている。これらの補強リブ２０，２２によって鋼管上端部１２ＢＵの各側壁に面外剛性が付与されている。これと同様に、複数の補強リブ２０，２２によって鋼管下端部（柱脚部）１２ＢＬ（図４参照）の各側壁に面外剛性が付与されている。
【００３４】
一方、鋼管本体部１２Ｂにおける鋼管中間部１２ＢＭの外側面には、補強リブ２２が設けられていない。これにより、鋼管中間部１２ＢＭにおける各側壁の面外剛性に対し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの各側壁の面外剛性が大きくなっている。
【００３５】
次に、第２実施形態の作用について説明する。
【００３６】
図４に示されるように、例えば、火災時に鉄骨梁１６が熱膨張によって軸方向（水平方向）へ伸張すると、鋼管仕口部１２Ａに水平力Ｆが作用し、鋼管本体部１２Ｂに曲げモーメントＭが発生する。この曲げモーメントＭは、鋼管中間部１２ＢＭから鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬに向って徐々に大きくなる。一方、鋼管柱１２は、火災時に熱膨張によって軸方向（矢印Ｚ方向）へ伸張するが、温度上昇に伴う剛性の低下によって軸方向への伸張は徐々に小さくなり、ある温度に達すると軸方向への伸張変形は止まり、収縮変形に転じる。この状態で、鉄骨梁１６から鋼管仕口部１２Ａへ水平力Ｆが作用すると、前述したように鋼管中間部１２ＢＭと比較して大きな曲げモーメントが発生する鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの圧縮側（矢印Ｃ側）側面に局部座屈Ｋが発生し易くなる。特に、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬが鋼管仕口部１２Ａを介して鉄骨梁１６に剛接合されていて、かつ、鉄骨梁１６の軸方向への伸び出し量が大きい場合は、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬに大きな曲率を伴う変形が生じる。この変形により鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの圧縮側（矢印Ｃ側）側面に大きな圧縮応力度が発生し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬに局部座屈Ｋが生じる。
【００３７】
鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬに局部座屈が発生すると、コンクリート充填鋼管柱１０の曲げ剛性は著しく低下する。コンクリート充填鋼管柱１０に作用する軸力（鉛直荷重）Ｖが大きい場合は、局部座屈Ｋの発生後、曲げモーメントＭによる変形が急激に進展し、局部座屈Ｋ側の充填コンクリート１４に圧壊を生じる。この結果、コンクリート充填鋼管柱１０は荷重支持能力を喪失し、脆性的に崩壊に至る場合がある。
【００３８】
この対策として本実施形態では、鋼管中間部１２ＢＭの面外剛性に対し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの面外剛性が大きくなるように、複数の補強リブ２０，２２によって鋼管本体部１２Ｂが補強されている。これにより、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの局部座屈Ｋの発生が抑制される。
【００３９】
また、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬにのみ補強リブ２２を設けたことにより、鋼管本体部１２Ｂの全長に渡って補強リブ２２を設けた構成と比較して、施工性の向上、工期短縮、及びコスト削減を図ることができる。
【００４０】
ここで、図６（Ａ）には、一般的なコンクリート充填鋼管柱からなる柱１００と梁１０２Ａ，１０２Ｂとで構成された架構の一例が示されている。この架構内で、例えば図６（Ｂ）に示されるように火災１０４が発生すると、梁１０２Ａが水平方向（矢印Ｊ方向）に伸び出すため、柱１００に同図に示されるような変形が生じる。
【００４１】
また、図７（Ａ）には、一般的なコンクリート充填鋼管柱からなる柱１１０の耐火性能評価に用いられる実験評価モデルが示されている。この実験評価モデルでは、加熱時に、図７（Ｂ）に示されるような変形状態、応力状態を示すことから、図６（Ｂ）に示される柱１００の変形状態、応力状態を適切に模擬することができると言われている。そこで、図７（Ａ）に示される実験評価モデルを用いて載荷加熱実験を行ったところ、以下に示す新たな知見が得られた。
【００４２】
即ち、加熱された柱１１０の柱上端部に生じる水平変位（水平力Ｆ）が大きい場合や柱１１０に生じる軸力Ｖが大きい場合は、図７（Ｃ）に示されるように、柱１１０を構成する鋼管柱の上端部及び下端部に局部座屈Ｋを生じることが確認された。また、加熱時間が比較的短く、柱１１０の充填コンクリートが十分耐力を残している状態であっても、柱１１０は前述した鋼管柱の局部座屈Ｋによって荷重支持能力を喪失し、崩壊することが確認された。
【００４３】
本実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造を例により具体的に説明すると、局部座屈Ｋに関しては以下のことが確認された。即ち、鋼管本体部１２Ｂの幅をＤ（図５（Ｂ）参照）としたときに、鋼管上端部１２ＢＵにおける局部座屈Ｋは、その上端から２Ｄまでの領域内で発生し易く、特に、上端からＤの領域内で発生し易い。これと同様に、鋼管下端部１２ＢＬにおける局部座屈Ｋは、その下端から２Ｄまでの領域内で発生し易く、特に、下端からＤの領域内で発生し易い。
【００４４】
従って、局部座屈Ｋの発生を抑制する観点からすると、補強リブ２２の長さＬはＤ以上が好ましく、２Ｄ以上がより好ましい。更に、施工性、材料コストを考慮すると、補強リブ２２の長さＬはＤ≦Ｌ≦２Ｄとすることが望ましい。これにより、補強リブ２２の材料コストを削減しつつ、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの局部座屈Ｋの発生を抑制することができる。
【００４５】
なお、前述した局部座屈Ｋによる破壊はこれまで実験で確認されなかった現象である。これまでは柱１１０の断面を小断面（例えば、３００ｍｍ×３００ｍｍ程度）で実施してきたが、前述した局部座屈Ｋが確認された実験では、柱１１０の断面を大面積（６００ｍｍ×６００ｍｍ）で実施している。鋼管柱の上端部及び下端部に発生する圧縮ひずみは、柱１１０の中立軸位置から鋼管柱までの距離に比例して大きくなる。断面が大きくなれば、鋼管柱に生じる圧縮ひずみもこれに比例して大きくなる。このため、火災によって大断面の柱（例えば、６００ｍｍ×６００ｍｍ以上）の柱上端部に大きな水平力が生じると、柱の上端部及び下端部には大きな圧縮ひずみが発生する。前述の実験では、鋼管柱に生じた圧縮ひずみが当該鋼管柱の局部座屈に対する許容圧縮ひずみを超過したために発生したものと考えられる。この圧縮ひずみは、長期軸力に起因する長期圧縮ひずみε１と、梁の伸長による強制変形（水平力Ｆ）に起因する圧縮ひずみε２と、同梁の伸長による付加曲げモーメントに起因する圧縮ひずみε３の和と考えることも可能である。
【００４６】
なお、本実施形態のように鋼管仕口部１２Ａの両側に鉄骨梁１６が接合される構成では、各鉄骨梁１６の伸長に伴って鋼管仕口部１２Ａの両側に反対向きの水平力が作用するため、これらの水平力が打ち消し合う。従って、前述した圧縮ひずみε２，ε３が小さくなり易い。一方、外周柱のように、鋼管仕口部１２Ａの片側にのみ鉄骨梁１６が接合される構成では、上記圧縮ひずみε２，ε３が大きくなり易い。特に、鋼管仕口部１２Ａの片側に接合される鉄骨梁１６の梁スパンが長くなると（例えば、１０ｍ程度以上）、火災時における鉄骨梁１６の伸長量が増加し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの水平変位（強制変形）が大きくなるため（例えば、部材角１／５０ｒａｄ程度）、上記圧縮ひずみε２，ε３が過大となる可能性がある。本実施形態は、このように鋼管仕口部１２Ａの片側に、若しくは鋼管仕口部１２Ａに３方向から鉄骨梁１６が接合されるコンクリート充填鋼管柱の補強に適している。
【００４７】
＜変形例＞
次に、第１，第２実施形態の変形例について説明する。
【００４８】
上記実施形態では、補強リブ２０を鋼管本体部１２Ｂの略全長に渡って設けたが、これに限らない。補強リブ２０は、鋼管本体部１２Ｂの側壁に面外剛性を付与すると共に、耐火ボード４０を支持可能であれば良く、例えば、上記第１実施形態において、複数の補強リブを鋼管柱１２の軸方向に間隔を空けて設けても良いし、側面視にて補強リブを千鳥状に配列しても良い。また、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬにのみ補強リブを設け、鋼管上端部１２ＢＵに設けられた補強リブで耐火ボード４０の上端部を支持し、鋼管下端部１２ＢＬに設けられた補強リブで耐火ボード４０の下端部を支持しても良い。
【００４９】
また、例えば、鋼管上端部１２ＢＵに補強リブを設ける場合は、鋼管上端部１２ＢＵの側壁の面外剛性が鋼管仕口部１２Ａから鋼管中間部１２ＢＭに向って段階的に、若しくは徐々に小さくなるように補強リブを設けても良い。
【００５０】
具体的には、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示されるように、鋼管上端部１２ＢＵには、長さが異なる２種類の補強リブ２４，２６が設けられている。補強リブ２４は、その長さＬ１が補強リブ２６の長さＬ２の略半分とされている。これらの補強リブ２４，２６は、長手方向を鋼管柱１２の軸方向（矢印Ｚ方向）にすると共に、幅方向一端部２４Ａ，２６Ａ（図８（Ｂ）参照）が鋼管上端部１２ＢＵの外側面に突き当てられて溶接等で接合されている。これにより、鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性が、鋼管仕口部１２Ａから鋼管中間部１２ＢＭに向って段階的に小さくなっている。なお、補強リブ２４の長さＬ１は鋼管本体部１２Ｂの幅Ｄよりも短くされ、補強リブ２６の長さＬ２は鋼管本体部１２Ｂの幅Ｄ以上とされている。
【００５１】
このように補強リブ２４，２６の長さＬ１，Ｌ２を変え、鋼管上端部１２ＢＵに作用する曲げモーメントＭ（図４参照）に応じて鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性を鋼管仕口部１２Ａから鋼管中間部１２ＢＭに向って段階的に小さくすることにより、過剰な補強を無くすことができる。従って、補強リブ２４，２６の材料コストを削減することができる。
【００５２】
また、仮に補強リブ２４の長さＬ１を長くし、補強リブ２６長さＬ２と略同じにした場合は、鋼管上端部１２ＢＵの曲げ剛性が鋼管中間部１２ＢＭの曲げ剛性に比べて大きくなるため、鋼管上端部１２ＢＵと鋼管中間部１２ＢＭの境界面付近（補強リブ２４，２６の先端付近）を中心とした回転変形（大きな曲率を伴う曲げ変形）が生じ、上記境界面付近の鋼管中間部１２ＢＭに応力が集中する。鉄骨梁１６の軸方向（水平方向）への伸び出し量やコンクリート充填鋼管柱１０の負担軸力が大きい場合は、上記境界面付近の鋼管中間部１２ＢＭに局部座屈を生じる場合がある。
【００５３】
これに対して本変形例では、鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性を鋼管仕口部１２Ａから鋼管中間部１２ＢＭに向って段階的に小さくすることにより、鋼管上端部１２ＢＵと鋼管中間部１２ＢＭとの境界面付近（補強リブ２６の下端付近）における鋼管中間部１２ＢＭの応力集中が低減される。従って、上記境界面付近の鋼管柱１２の局部座屈の発生が抑制される。
【００５４】
なお、本変形例において、補強リブ２４の長さＬ１と補強リブ２６長さＬ２とを同じにすることも可能である。また、本変形例では、鋼管上端部１２ＢＵに作用する曲げモーメントＭ（図４参照）に応じて、鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性を鋼管仕口部１２Ａから鋼管中間部１２ＢＭに向って段階的に小さくしたが、例えば、長さが異なる３種類以上の補強リブを用いて、鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性を鋼管仕口部１２Ａから鋼管中間部１２ＢＭに向って徐々に小さくしても良い。また、本変形例では、補強リブ２４，２６の長さＬ１，Ｌ２を変えたが、補強リブ２４，２６の板厚や材料強度を変えても良いし、長さ、板厚、材料強度が異なる補強リブを適宜組み合わせて用いても良い。鋼管下端部１２ＢＬに補強リブを設ける場合も同様である。
【００５５】
また、上記実施形態では、補強部材として平板状の鋼板で構成された補強リブ２０，２２を用いたが、補強部材としてＣ形鋼、Ｌ形鋼、Ｔ形鋼等の形鋼を用いても良い。
【００５６】
更に、上記実施形態では、取付部材３０を介して耐火ボード４０を補強リブ２０，２２に取り付けたが、取付部材３０は必要に応じて設ければ良く、適宜省略可能である。この場合、補強リブ２０，２２に耐火ボード４０をビス等で直接固定すれば良い。
【００５７】
また、上記実施形態では、耐火ボード４０として石膏ボードを用いたが、これに限らない。耐火ボードとしては、例えば、強化石膏ボード、繊維混入けい酸カルシウム板、モルタルボード、ロックウールボード、セラミックファイバーボード、ＰＣ板、ＡＬＣパネル、押し出し成形セメント板等を用いても良い。また、上記実施形態では、耐火ボード４０を１枚で構成しているが、複数枚の耐火ボード４０を積層しても良い。更に、上記実施形態では、ボード部材として耐火ボード４０を用いたが、一般的な仕上げボード（仕上げ材）を用いても良いし、耐火ボードと仕上げボードとを組み合わせて用いても良い。更には、複数のボード部材を積層した状態で補強リブ２０，２２に支持させても良い。
【００５８】
また、上記実施形態では、内ダイアフラム１８を用いた内ダイアフラム形式のコンクリート充填鋼管柱１０を例に説明したが、上記実施形態は、通しダイアフラム形式や外ダイアフラム形式のコンクリート充填鋼管柱にも適用可能である。更に、鋼管柱１２は、断面略正方形の角形鋼管に限らず、断面長方形の角形鋼管や丸形鋼管を用いても良い。なお、断面長方形の角形鋼管では、短辺の長さが鋼管本体部の幅Ｄに相当し、丸形鋼管では、その直径が鋼管本体部の幅Ｄに相当する。また、鋼管柱の周方向とは、角形鋼管のように複数の側壁を備える鋼管柱１２の場合は、鋼管柱１２の側壁の幅方向に沿った方向（矢印Ｘ方向又は矢印Ｙ方向）を意味し、丸形鋼管のように断面円形の側壁を備える鋼管柱の場合は、円周に沿った方向（円周方向）を意味する。
【００５９】
更に、上記実施形態は、コンクリート充填鋼管柱１０に限らず、コンクリートが充填されていない一般的な鋼管柱にも適用可能である。更に、上記実施形態では、水平部材として鉄骨梁１６を例に説明したが、鉄骨梁１６に替えてスラブ（例えば、ＲＣ床スラブやフラットスラブ）等でも良い。
【００６０】
以上、本発明の第１，第２実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に限定されるものでなく、第１，第２実施形態及び各種の変形例を適宜組み合わせて用いても良いし、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００６１】
１２ 鋼管柱
１４ 充填コンクリート
２０ 補強リブ（補強部材）
２２ 補強リブ（補強部材）
２４ 補強リブ（補強部材）
２６ 補強リブ（補強部材）
３０ 取付部材
４０ 耐火ボード（ボード部材）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管柱内にコンクリートが充填されたコンクリート充填鋼管（ＣＦＴ（Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｆｉｌｌｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｔｕｂｅ））柱が知られている。ＣＦＴ柱では、一般に、中空の鋼管柱と比較して負担可能な軸力（負担軸力）が大きく、またコンクリートが充填されている分、熱容量が増加するため、耐火性能に優れている。そのため、設計条件（例えば、柱の負担軸力が比較的小さく火災継続時間が短い場合など）によっては、ＣＦＴ柱の耐火被覆を省略することが可能である。
【０００３】
ここで、特許文献１に開示された技術では、鋼管柱の内壁面に、当該鋼管柱の軸方向へ延びるリブ（フラットバー）が点溶接で取り付けられている。そして、火災時に、鋼管柱とコンクリートとの熱膨張差によってコンクリートに発生する軸方向の引張り力にリブを抵抗させ、コンクリートのひび割れを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２０４９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された技術のように鋼管柱の内壁面にリブを点溶接する構成では、火災時におけるコンクリートのひび割れは抑制されるものの、加熱されて耐力、剛性が低下した鋼管柱の変形を十分に抑制することができず、当該鋼管柱に局部座屈が発生する可能性がある。また、鋼管柱の内側へのリブ溶接は施工が煩雑になり生産性が悪い。
【０００６】
一方、ＣＦＴ柱の耐火被覆を省略した場合でも、柱の表面は仕上げボード（例えば、石膏ボード）等で仕上げる場合が多い。例えば、図９に示されるように、コンクリート１２６が充填された鋼管柱１２０の外周に軽鉄スタッド等による下地材１２２を設置し、その周りに仕上げボード１２４を取り付ける方法が一般的であるが、鋼管柱１２０の周りに軽鉄スタッド等による下地材１２２を設置することで、仕上げボード１２４等を含めた柱の水平断面積が大きくなり、室内スペースが減じられる。また、鋼管柱１２０の外周に軽鉄スタッド等の下地材１２２を立てる作業が発生し、手間がかかる。
【０００７】
本発明は、上記の事実を考慮し、火災時における鋼管柱の局部座屈を防止しつつ、ボード部材を含めた柱の水平断面積を小さくすることができる施工性に優れたコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載のコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造は、鋼管柱と、前記鋼管柱に充填された充填コンクリートと、前記鋼管柱の外周に配置され、該鋼管柱を囲む複数のボード部材と、長手方向を前記鋼管柱の軸方向にして該鋼管柱の側壁の外面に設けられ、前記ボード部材を支持すると共に、前記側壁に面外剛性を付与する複数の補強部材と、を備えている。
【０００９】
請求項１に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造によれば、補強部材によって鋼管柱の外壁面が補強されている。これにより、鋼管柱における軸方向端部の局部座屈の発生が抑制され、優れた耐火性能を発揮することができる。また、鋼管柱の側壁の外面に設けられた補強部材によってボード部材を支持することにより、鋼管柱から外側へ離れた位置に立てられた軽鉄スタッド等による下地材でボード部材を支持する従来の構成（例えば、図９に示す構成）と比較して、ボード部材を含めた柱の水平断面積を小さくすることができる。更に、鋼管柱の周りに軽鉄スタッド等による下地材を立てる作業を省略できるため、従来の構成（例えば、図９に示す構成）と比較して施工性が向上する。
【００１０】
請求項２に記載のコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造は、請求項１に記載のコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造において、前記鋼管柱の周方向に隣接する前記補強部材間に渡され、前記ボード部材が取り付けられる取付部材を備えている。
【００１１】
請求項２に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造によれば、ボード部材の高さ等に応じて、取付部材の数や配置を変更することにより、ボード部材を容易に取り付けることができる。従って、施工性が向上する。
【００１２】
請求項３に記載のコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造は、請求項１又は請求項２に記載のコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造において、前記ボード部材の少なくとも１つが、耐火ボードである。ここで、耐火ボードとは、不燃性と耐火性を有するボード部材で、火災加熱によって容易に溶融、焼失、崩壊しないボード部材を指す。
【００１３】
請求項３に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造によれば、耐火ボードで鋼管柱を囲むことにより、火災時における鋼管柱の温度上昇が抑制される。従って、鋼管柱の耐火性能が向上する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、上記の構成としたので、火災時における鋼管柱の局部座屈を防止しつつ、ボード部材を含めた柱の水平断面積を小さくすることができる施工性に優れたコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造が適用されたコンクリート充填鋼管柱を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造が適用されたコンクリート充填鋼管柱を示す縦断面図である。
【図３】図２の３−３線断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造が適用されたコンクリート充填鋼管柱を示す縦断面図である。
【図５】（Ａ）は、本発明の第２実施形態における鋼管柱の鋼管上端部を示す側面図であり、（Ｂ）は図５（Ａ）の５Ｂ−５Ｂ線断面図である。
【図６】一般的なコンクリート充填鋼管柱と梁で構成された架構を示す立面図であり、（Ａ）は火災前の状態を示し、（Ｂ）は火災後の状態を示している。
【図７】一般的なコンクリート充填鋼管柱の耐火性能評価に用いられる実験評価モデルを示すモデル図であり、（Ａ）は水平力を載荷する前の状態を示し、（Ｂ）は水平力が載荷された際のコンクリート充填鋼管柱の変形状態、及び応力状態を示し、（Ｃ）はコンクリート充填鋼管柱を構成する鋼管柱に局部座屈が発生した状態を示している。
【図８】（Ａ）は本発明の第１，第２実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造の変形例が適用されたコンクリート充填鋼管柱を示す図５（Ａ）に相当する側面図であり、（Ｂ）は図８（Ａ）の８Ｂ−８Ｂ線断面図である。
【図９】従来のコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造を示す図３に相当する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造について説明する。なお、各図において適宜示される矢印Ｘ，Ｙは、本実施形態における鋼管柱の周方向（鋼管柱の側壁の幅方向）をそれぞれ示し、矢印Ｚは鋼管柱の軸方向（上下方向）を示している。
【００１７】
＜第１実施形態＞
先ず、第１実施形態について説明する。
【００１８】
図１〜図３には、第１実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造（耐火被覆構造）が適用されたコンクリート充填鋼管柱１０が示されている。このコンクリート充填鋼管柱１０は、鋼管柱１２と、鋼管柱１２に充填される充填コンクリート１４とを備えている。
【００１９】
図２に示されるように、鋼管柱１２は角形鋼管で構成されており、水平部材としての鉄骨梁１６が接合される上下の鋼管仕口部１２Ａと、これらの鋼管仕口部１２Ａ間に延びる鋼管本体部１２Ｂを有している。
【００２０】
鉄骨梁１６はＨ形鋼で構成され、上下一対のフランジ部１６Ａとフランジ部１６Ａを繋ぐウェブ部１６Ｂを有し、その端部が鋼管仕口部１２Ａの外側面に突き当てられて溶接されている。一方、鋼管仕口部１２Ａの側壁の内面には、上下一対の内ダイアフラム１８が設けられている。各内ダイアフラム１８は、鉄骨梁１６のフランジ部１６Ａと連続するように設けられており、この内ダイアフラム１８によって鋼管仕口部１２Ａが補強されている。また、各内ダイアフラム１８の中央部には充填孔１８Ａが形成されており、これらの充填孔１８Ａを通して鋼管柱１２内に充填コンクリート１４が充填されるようになっている。
【００２１】
上下の鉄骨梁１６の間にある鋼管本体部１２Ｂの４つの側壁の外面（以下、「外側面」という）には、複数の補強リブ２０がそれぞれ設けられている。補強部材としての補強リブ２０は平板状の鋼板で構成され、長手方向を鋼管柱１２の軸方向（矢印Ｚ方向）にして配置されると共に、鋼管本体部１２Ｂの略全長に渡って設けられている。また、補強リブ２０は、鋼管本体部１２Ｂの１つの外側面に対し、対となるように２本ずつ設けられている。一対の補強リブ２０は、図３に示されるように、鋼管柱１２の周方向（矢印Ｘ方向又は矢印Ｙ方向）に間隔を空けて設けられており、幅方向一端部２０Ａ（長手方向に沿った一端部）が鋼管本体部１２Ｂの外側面に突き当てられて溶接、接着剤等で接合されている。これらの補強リブ２０によって鋼管本体部１２Ｂの各側壁に面外剛性（図３において、矢印Ｒ方向の剛性）が付与されている。なお、鋼管本体部１２Ｂの１つの外側面に対する補強リブ２０の本数は２本に限らない。補強リブ２０の本数や配置は適宜変更可能である。
【００２２】
また、鋼管本体部１２Ｂの各側壁に設けられた一対の補強リブ２０には、複数の取付部材３０が取り付けられている。取付部材３０は断面Ｃ形の軽鉄スタッドで構成され、鋼管本体部１２Ｂを囲むように長手方向を鋼管本体部１２Ｂの周方向（矢印Ｘ方向又は矢印Ｙ方向）にして配置されている。また、取付部材３０は、鋼管本体部１２Ｂの１つの側壁に対し、鋼管柱１２の軸方向に間隔を空けて複数設けられている。各取付部材３０は一対の補強リブ２０の間に渡されており、補強リブ２０の幅方向他端部２０Ｂに溶接、接着剤、又はビス等でそれぞれ固定されている。これらの取付部材３０によって耐火ボード４０が支持されている。なお、取付部材３０の断面形状はＣ形に限らず、角形等でも良く、またプレート材でも良い。また、取付部材３０の材質は、軽鉄に限らず、普通鋼材、ステンレス鋼材等でも良い。
【００２３】
本実施形態では、ボード部材を全て耐火ボード４０としている。耐火ボード４０は石膏ボードで構成され、鋼管本体部１２Ｂを囲むように当該鋼管本体部１２Ｂの外周に配置されている。各耐火ボード４０は、鋼管本体部１２Ｂの各側壁に対向して配置され、隣接する耐火ボード４０の幅方向端部同士が略直角に突き当てられている。各耐火ボード４０は、鋼管柱１２の軸方向に隣接する取付部材３０に渡って配置されており、これらの取付部材３０にビス４２で固定されている。これにより、複数の耐火ボード４０によって鋼管柱１２を耐火被覆した柱が構成されている。
【００２４】
なお、ビス４２に替えて、ドリリングタッピンねじ、ステープル等で耐火ボード４０を取付部材３０に固定しても良い。また、耐火ボード４０は、鋼管柱１２の軸方向に複数並べて配置しても良いし、鋼管本体部１２Ｂの側壁の幅方向に複数並べて配置しても良い。
【００２５】
次に、第１実施形態の作用について説明する。
【００２６】
本実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造によれば、鋼管本体部１２Ｂの外側面に複数の補強リブ２０が設けられており、これらの補強リブ２０に取付部材３０を介して耐火ボード４０が支持されている。このように耐火ボード４０によって鋼管柱１２を耐火被覆することにより、火災時における鋼管本体部１２Ｂの温度上昇が抑制される。また、耐火ボード４０を支持する補強リブ２０は、鋼管本体部１２Ｂの側壁に面外剛性を付与する補強部材としても機能する。更には、耐火ボード４０によって補強リブ２０を耐火被覆することで補強リブ２０の温度上昇も抑制されるため、鋼管本体部１２Ｂの面外変形に対する補強効果が失われない。従って、火災時に鋼管本体部１２Ｂが加熱され、その側壁が熱劣化等したとしても、当該側壁の局部座屈が抑制される。よって、鋼管本体部１２Ｂの耐火性能が向上する。
【００２７】
また、鋼管柱１２の外側面に設けられた補強リブ２０に取付部材３０を介して耐火ボード４０を取り付けたことにより、従来の鉄骨柱の仕上げ構造のように、鉄骨柱１２０から外側へ離れた位置に立てられた軽鉄スタッド等による下地材１２２で仕上げボード１２４を支持する従来の構成（例えば、図９に示す構成）と比較して、耐火ボード４０を鋼管本体部１２Ｂに接近させることができる。これにより、耐火ボード４０を含めた柱の水平断面積が小さくなるため、室内スペースを広げることができる。更に、鋼管柱１２０の周りに軽鉄スタッド等による下地材１２２を立てる作業を省略できるため、従来の構成（例えば、図９に示す構成）と比較して施工性が向上する。
【００２８】
このように本実施形態では、鋼管本体部１２Ｂの側壁に設けられた補強リブ２０に耐火ボード４０を支持させたことにより、耐火ボード４０を含めた柱の水平断面積を小さくしつつ、鋼管本体部１２Ｂの局部座屈を抑制することができる。特に、本実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造は、既存の鋼管柱を耐火補強するのに有効である。
【００２９】
更に、耐火ボード４０の高さ等に応じて、取付部材３０の数や配置を変更することにより、耐火ボード４０を容易に取り付けることができる。従って、施工性、汎用性が向上する。
【００３０】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成のものは同符号を付すると共に、適宜省略して説明する。
【００３１】
図４には、第２実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造が適用されたコンクリート充填鋼管柱１０が示されている。第２実施形態では、長さの異なる複数の補強リブ２０，２２によって、鋼管本体部１２Ｂにおける軸方向中間部としての鋼管中間部１２ＢＭの側壁の面外剛性に対し、軸方向端部としての鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの側壁の面外剛性が大きくなるように、鋼管本体部１２Ｂが補強されている。
【００３２】
具体的には、図５（Ａ）、及び図５（Ｂ）に示されるように、鋼管本体部１２Ｂにおける鋼管上端部（柱頭部）１２ＢＵの各外側面には、一対の補強リブ２０よりも長さが短い補強リブ２２が設けられている。この補強リブ２２は平板状の鋼板で構成され、長手方向を鋼管柱１２の軸方向にして一対の補強リブ２０の間に配置されると共に、幅方向一端部２２Ａ（長手方向に沿った一端部、図５（Ｂ）参照）が鋼管上端部１２ＢＵの内壁面の幅方向中央部に突き当てられて溶接、接着剤等で接合されている。これらの補強リブ２０，２２の幅方向他端部２０Ｂ，２２Ｂに取付部材３０が固定されている。なお、全ての補強リブ２０，２２に取付部材３０を固定する必要はなく、取付部材３０は必要に応じて補強リブ２０，２２に固定すれば良い。
【００３３】
また、鋼管本体部１２Ｂの幅（柱せい）をＤとしたときに、補強リブ２２の長さＬ（鋼管本体部１２Ｂの軸方向に沿った長さ）が、鋼管本体部１２Ｂの幅Ｄの１．０倍以上とされている。これらの補強リブ２０，２２によって鋼管上端部１２ＢＵの各側壁に面外剛性が付与されている。これと同様に、複数の補強リブ２０，２２によって鋼管下端部（柱脚部）１２ＢＬ（図４参照）の各側壁に面外剛性が付与されている。
【００３４】
一方、鋼管本体部１２Ｂにおける鋼管中間部１２ＢＭの外側面には、補強リブ２２が設けられていない。これにより、鋼管中間部１２ＢＭにおける各側壁の面外剛性に対し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの各側壁の面外剛性が大きくなっている。
【００３５】
次に、第２実施形態の作用について説明する。
【００３６】
図４に示されるように、例えば、火災時に鉄骨梁１６が熱膨張によって軸方向（水平方向）へ伸張すると、鋼管仕口部１２Ａに水平力Ｆが作用し、鋼管本体部１２Ｂに曲げモーメントＭが発生する。この曲げモーメントＭは、鋼管中間部１２ＢＭから鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬに向って徐々に大きくなる。一方、鋼管柱１２は、火災時に熱膨張によって軸方向（矢印Ｚ方向）へ伸張するが、温度上昇に伴う剛性の低下によって軸方向への伸張は徐々に小さくなり、ある温度に達すると軸方向への伸張変形は止まり、収縮変形に転じる。この状態で、鉄骨梁１６から鋼管仕口部１２Ａへ水平力Ｆが作用すると、前述したように鋼管中間部１２ＢＭと比較して大きな曲げモーメントが発生する鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの圧縮側（矢印Ｃ側）側面に局部座屈Ｋが発生し易くなる。特に、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬが鋼管仕口部１２Ａを介して鉄骨梁１６に剛接合されていて、かつ、鉄骨梁１６の軸方向への伸び出し量が大きい場合は、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬに大きな曲率を伴う変形が生じる。この変形により鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの圧縮側（矢印Ｃ側）側面に大きな圧縮応力度が発生し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬに局部座屈Ｋが生じる。
【００３７】
鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬに局部座屈が発生すると、コンクリート充填鋼管柱１０の曲げ剛性は著しく低下する。コンクリート充填鋼管柱１０に作用する軸力（鉛直荷重）Ｖが大きい場合は、局部座屈Ｋの発生後、曲げモーメントＭによる変形が急激に進展し、局部座屈Ｋ側の充填コンクリート１４に圧壊を生じる。この結果、コンクリート充填鋼管柱１０は荷重支持能力を喪失し、脆性的に崩壊に至る場合がある。
【００３８】
この対策として本実施形態では、鋼管中間部１２ＢＭの面外剛性に対し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの面外剛性が大きくなるように、複数の補強リブ２０，２２によって鋼管本体部１２Ｂが補強されている。これにより、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの局部座屈Ｋの発生が抑制される。
【００３９】
また、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬにのみ補強リブ２２を設けたことにより、鋼管本体部１２Ｂの全長に渡って補強リブ２２を設けた構成と比較して、施工性の向上、工期短縮、及びコスト削減を図ることができる。
【００４０】
ここで、図６（Ａ）には、一般的なコンクリート充填鋼管柱からなる柱１００と梁１０２Ａ，１０２Ｂとで構成された架構の一例が示されている。この架構内で、例えば図６（Ｂ）に示されるように火災１０４が発生すると、梁１０２Ａが水平方向（矢印Ｊ方向）に伸び出すため、柱１００に同図に示されるような変形が生じる。
【００４１】
また、図７（Ａ）には、一般的なコンクリート充填鋼管柱からなる柱１１０の耐火性能評価に用いられる実験評価モデルが示されている。この実験評価モデルでは、加熱時に、図７（Ｂ）に示されるような変形状態、応力状態を示すことから、図６（Ｂ）に示される柱１００の変形状態、応力状態を適切に模擬することができると言われている。そこで、図７（Ａ）に示される実験評価モデルを用いて載荷加熱実験を行ったところ、以下に示す新たな知見が得られた。
【００４２】
即ち、加熱された柱１１０の柱上端部に生じる水平変位（水平力Ｆ）が大きい場合や柱１１０に生じる軸力Ｖが大きい場合は、図７（Ｃ）に示されるように、柱１１０を構成する鋼管柱の上端部及び下端部に局部座屈Ｋを生じることが確認された。また、加熱時間が比較的短く、柱１１０の充填コンクリートが十分耐力を残している状態であっても、柱１１０は前述した鋼管柱の局部座屈Ｋによって荷重支持能力を喪失し、崩壊することが確認された。
【００４３】
本実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造を例により具体的に説明すると、局部座屈Ｋに関しては以下のことが確認された。即ち、鋼管本体部１２Ｂの幅をＤ（図５（Ｂ）参照）としたときに、鋼管上端部１２ＢＵにおける局部座屈Ｋは、その上端から２Ｄまでの領域内で発生し易く、特に、上端からＤの領域内で発生し易い。これと同様に、鋼管下端部１２ＢＬにおける局部座屈Ｋは、その下端から２Ｄまでの領域内で発生し易く、特に、下端からＤの領域内で発生し易い。
【００４４】
従って、局部座屈Ｋの発生を抑制する観点からすると、補強リブ２２の長さＬはＤ以上が好ましく、２Ｄ以上がより好ましい。更に、施工性、材料コストを考慮すると、補強リブ２２の長さＬはＤ≦Ｌ≦２Ｄとすることが望ましい。これにより、補強リブ２２の材料コストを削減しつつ、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの局部座屈Ｋの発生を抑制することができる。
【００４５】
なお、前述した局部座屈Ｋによる破壊はこれまで実験で確認されなかった現象である。これまでは柱１１０の断面を小断面（例えば、３００ｍｍ×３００ｍｍ程度）で実施してきたが、前述した局部座屈Ｋが確認された実験では、柱１１０の断面を大面積（６００ｍｍ×６００ｍｍ）で実施している。鋼管柱の上端部及び下端部に発生する圧縮ひずみは、柱１１０の中立軸位置から鋼管柱までの距離に比例して大きくなる。断面が大きくなれば、鋼管柱に生じる圧縮ひずみもこれに比例して大きくなる。このため、火災によって大断面の柱（例えば、６００ｍｍ×６００ｍｍ以上）の柱上端部に大きな水平力が生じると、柱の上端部及び下端部には大きな圧縮ひずみが発生する。前述の実験では、鋼管柱に生じた圧縮ひずみが当該鋼管柱の局部座屈に対する許容圧縮ひずみを超過したために発生したものと考えられる。この圧縮ひずみは、長期軸力に起因する長期圧縮ひずみε１と、梁の伸長による強制変形（水平力Ｆ）に起因する圧縮ひずみε２と、同梁の伸長による付加曲げモーメントに起因する圧縮ひずみε３の和と考えることも可能である。
【００４６】
なお、本実施形態のように鋼管仕口部１２Ａの両側に鉄骨梁１６が接合される構成では、各鉄骨梁１６の伸長に伴って鋼管仕口部１２Ａの両側に反対向きの水平力が作用するため、これらの水平力が打ち消し合う。従って、前述した圧縮ひずみε２，ε３が小さくなり易い。一方、外周柱のように、鋼管仕口部１２Ａの片側にのみ鉄骨梁１６が接合される構成では、上記圧縮ひずみε２，ε３が大きくなり易い。特に、鋼管仕口部１２Ａの片側に接合される鉄骨梁１６の梁スパンが長くなると（例えば、１０ｍ程度以上）、火災時における鉄骨梁１６の伸長量が増加し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの水平変位（強制変形）が大きくなるため（例えば、部材角１／５０ｒａｄ程度）、上記圧縮ひずみε２，ε３が過大となる可能性がある。本実施形態は、このように鋼管仕口部１２Ａの片側に、若しくは鋼管仕口部１２Ａに３方向から鉄骨梁１６が接合されるコンクリート充填鋼管柱の補強に適している。
【００４７】
＜変形例＞
次に、第１，第２実施形態の変形例について説明する。
【００４８】
上記実施形態では、補強リブ２０を鋼管本体部１２Ｂの略全長に渡って設けたが、これに限らない。補強リブ２０は、鋼管本体部１２Ｂの側壁に面外剛性を付与すると共に、耐火ボード４０を支持可能であれば良く、例えば、上記第１実施形態において、複数の補強リブを鋼管柱１２の軸方向に間隔を空けて設けても良いし、側面視にて補強リブを千鳥状に配列しても良い。また、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬにのみ補強リブを設け、鋼管上端部１２ＢＵに設けられた補強リブで耐火ボード４０の上端部を支持し、鋼管下端部１２ＢＬに設けられた補強リブで耐火ボード４０の下端部を支持しても良い。
【００４９】
また、例えば、鋼管上端部１２ＢＵに補強リブを設ける場合は、鋼管上端部１２ＢＵの側壁の面外剛性が鋼管仕口部１２Ａから鋼管中間部１２ＢＭに向って段階的に、若しくは徐々に小さくなるように補強リブを設けても良い。
【００５０】
具体的には、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示されるように、鋼管上端部１２ＢＵには、長さが異なる２種類の補強リブ２４，２６が設けられている。補強リブ２４は、その長さＬ１が補強リブ２６の長さＬ２の略半分とされている。これらの補強リブ２４，２６は、長手方向を鋼管柱１２の軸方向（矢印Ｚ方向）にすると共に、幅方向一端部２４Ａ，２６Ａ（図８（Ｂ）参照）が鋼管上端部１２ＢＵの外側面に突き当てられて溶接等で接合されている。これにより、鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性が、鋼管仕口部１２Ａから鋼管中間部１２ＢＭに向って段階的に小さくなっている。なお、補強リブ２４の長さＬ１は鋼管本体部１２Ｂの幅Ｄよりも短くされ、補強リブ２６の長さＬ２は鋼管本体部１２Ｂの幅Ｄ以上とされている。
【００５１】
このように補強リブ２４，２６の長さＬ１，Ｌ２を変え、鋼管上端部１２ＢＵに作用する曲げモーメントＭ（図４参照）に応じて鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性を鋼管仕口部１２Ａから鋼管中間部１２ＢＭに向って段階的に小さくすることにより、過剰な補強を無くすことができる。従って、補強リブ２４，２６の材料コストを削減することができる。
【００５２】
また、仮に補強リブ２４の長さＬ１を長くし、補強リブ２６長さＬ２と略同じにした場合は、鋼管上端部１２ＢＵの曲げ剛性が鋼管中間部１２ＢＭの曲げ剛性に比べて大きくなるため、鋼管上端部１２ＢＵと鋼管中間部１２ＢＭの境界面付近（補強リブ２４，２６の先端付近）を中心とした回転変形（大きな曲率を伴う曲げ変形）が生じ、上記境界面付近の鋼管中間部１２ＢＭに応力が集中する。鉄骨梁１６の軸方向（水平方向）への伸び出し量やコンクリート充填鋼管柱１０の負担軸力が大きい場合は、上記境界面付近の鋼管中間部１２ＢＭに局部座屈を生じる場合がある。
【００５３】
これに対して本変形例では、鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性を鋼管仕口部１２Ａから鋼管中間部１２ＢＭに向って段階的に小さくすることにより、鋼管上端部１２ＢＵと鋼管中間部１２ＢＭとの境界面付近（補強リブ２６の下端付近）における鋼管中間部１２ＢＭの応力集中が低減される。従って、上記境界面付近の鋼管柱１２の局部座屈の発生が抑制される。
【００５４】
なお、本変形例において、補強リブ２４の長さＬ１と補強リブ２６長さＬ２とを同じにすることも可能である。また、本変形例では、鋼管上端部１２ＢＵに作用する曲げモーメントＭ（図４参照）に応じて、鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性を鋼管仕口部１２Ａから鋼管中間部１２ＢＭに向って段階的に小さくしたが、例えば、長さが異なる３種類以上の補強リブを用いて、鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性を鋼管仕口部１２Ａから鋼管中間部１２ＢＭに向って徐々に小さくしても良い。また、本変形例では、補強リブ２４，２６の長さＬ１，Ｌ２を変えたが、補強リブ２４，２６の板厚や材料強度を変えても良いし、長さ、板厚、材料強度が異なる補強リブを適宜組み合わせて用いても良い。鋼管下端部１２ＢＬに補強リブを設ける場合も同様である。
【００５５】
また、上記実施形態では、補強部材として平板状の鋼板で構成された補強リブ２０，２２を用いたが、補強部材としてＣ形鋼、Ｌ形鋼、Ｔ形鋼等の形鋼を用いても良い。
【００５６】
更に、上記実施形態では、取付部材３０を介して耐火ボード４０を補強リブ２０，２２に取り付けたが、取付部材３０は必要に応じて設ければ良く、適宜省略可能である。この場合、補強リブ２０，２２に耐火ボード４０をビス等で直接固定すれば良い。
【００５７】
また、上記実施形態では、耐火ボード４０として石膏ボードを用いたが、これに限らない。耐火ボードとしては、例えば、強化石膏ボード、繊維混入けい酸カルシウム板、モルタルボード、ロックウールボード、セラミックファイバーボード、ＰＣ板、ＡＬＣパネル、押し出し成形セメント板等を用いても良い。また、上記実施形態では、耐火ボード４０を１枚で構成しているが、複数枚の耐火ボード４０を積層しても良い。更に、上記実施形態では、ボード部材として耐火ボード４０を用いたが、一般的な仕上げボード（仕上げ材）を用いても良いし、耐火ボードと仕上げボードとを組み合わせて用いても良い。更には、複数のボード部材を積層した状態で補強リブ２０，２２に支持させても良い。
【００５８】
また、上記実施形態では、内ダイアフラム１８を用いた内ダイアフラム形式のコンクリート充填鋼管柱１０を例に説明したが、上記実施形態は、通しダイアフラム形式や外ダイアフラム形式のコンクリート充填鋼管柱にも適用可能である。更に、鋼管柱１２は、断面略正方形の角形鋼管に限らず、断面長方形の角形鋼管や丸形鋼管を用いても良い。なお、断面長方形の角形鋼管では、短辺の長さが鋼管本体部の幅Ｄに相当し、丸形鋼管では、その直径が鋼管本体部の幅Ｄに相当する。また、鋼管柱の周方向とは、角形鋼管のように複数の側壁を備える鋼管柱１２の場合は、鋼管柱１２の側壁の幅方向に沿った方向（矢印Ｘ方向又は矢印Ｙ方向）を意味し、丸形鋼管のように断面円形の側壁を備える鋼管柱の場合は、円周に沿った方向（円周方向）を意味する。
【００５９】
更に、上記実施形態は、コンクリート充填鋼管柱１０に限らず、コンクリートが充填されていない一般的な鋼管柱にも適用可能である。更に、上記実施形態では、水平部材として鉄骨梁１６を例に説明したが、鉄骨梁１６に替えてスラブ（例えば、ＲＣ床スラブやフラットスラブ）等でも良い。
【００６０】
以上、本発明の第１，第２実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に限定されるものでなく、第１，第２実施形態及び各種の変形例を適宜組み合わせて用いても良いし、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００６１】
１２ 鋼管柱
１４ 充填コンクリート
２０ 補強リブ（補強部材）
２２ 補強リブ（補強部材）
２４ 補強リブ（補強部材）
２６ 補強リブ（補強部材）
３０ 取付部材
４０ 耐火ボード（ボード部材）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管柱と、
前記鋼管柱に充填された充填コンクリートと、
前記鋼管柱の外周に配置され、該鋼管柱を囲む複数のボード部材と、
長手方向を前記鋼管柱の軸方向にして該鋼管柱の側壁の外面に設けられ、前記ボード部材を支持すると共に、前記側壁に面外剛性を付与する複数の補強部材と、
を備えるコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造。
【請求項２】
前記鋼管柱の周方向に隣接する前記補強部材間に渡され、前記ボード部材が取り付けられる取付部材を備える請求項１に記載の鋼管柱の仕上げ構造。
【請求項３】
前記ボード部材の少なくとも１つが、耐火ボードである請求項１又は請求項２に記載のコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造。
【請求項１】
鋼管柱と、
前記鋼管柱に充填された充填コンクリートと、
前記鋼管柱の外周に配置され、該鋼管柱を囲む複数のボード部材と、
長手方向を前記鋼管柱の軸方向にして該鋼管柱の側壁の外面に設けられ、前記ボード部材を支持すると共に、前記側壁に面外剛性を付与する複数の補強部材と、
を備えるコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造。
【請求項２】
前記鋼管柱の周方向に隣接する前記補強部材間に渡され、前記ボード部材が取り付けられる取付部材を備える請求項１に記載の鋼管柱の仕上げ構造。
【請求項３】
前記ボード部材の少なくとも１つが、耐火ボードである請求項１又は請求項２に記載のコンクリート充填鋼管柱の仕上げ構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２８９２５（Ｐ２０１３−２８９２５Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６４５１１（Ｐ２０１１−１６４５１１）
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（０００００３６２１）株式会社竹中工務店 (1,669)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（０００００３６２１）株式会社竹中工務店 (1,669)
【Ｆターム（参考）】
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