コンクリート充填鋼管柱
【課題】火災時における耐力の急激な低下が抑制されたコンクリート充填鋼管柱を得ることを目的とする。
【解決手段】鋼管本体部１２Ｂにおける鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４には、端部補強部材としての複数の補強鉄筋２０が埋設されている。各補強鉄筋２０は、軸方向を柱鋼管１２の軸方向にすると共に、柱鋼管１２の周方向に所定の間隔を空けて配列され、各々の上端部が内ダイアフラム１８に溶接等で接合されている。また、鋼管本体部１２Ｂの幅をＤとしたときに、各補強鉄筋２０の長さＬは、鋼管本体部１２Ｂの幅Ｄの１．０倍以上とされている。これらの補強鉄筋２０によって鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４が補強されると共に、内ダイアフラム１８及び補強鉄筋２０を介して鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間で曲げモーメントが伝達されるようになっている。
【解決手段】鋼管本体部１２Ｂにおける鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４には、端部補強部材としての複数の補強鉄筋２０が埋設されている。各補強鉄筋２０は、軸方向を柱鋼管１２の軸方向にすると共に、柱鋼管１２の周方向に所定の間隔を空けて配列され、各々の上端部が内ダイアフラム１８に溶接等で接合されている。また、鋼管本体部１２Ｂの幅をＤとしたときに、各補強鉄筋２０の長さＬは、鋼管本体部１２Ｂの幅Ｄの１．０倍以上とされている。これらの補強鉄筋２０によって鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４が補強されると共に、内ダイアフラム１８及び補強鉄筋２０を介して鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間で曲げモーメントが伝達されるようになっている。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管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、鋼管の内周面に、当該鋼管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に開示された技術では、耐火性能（耐火時間）は向上するものの、鋼管に局部座屈が発生すると、ＣＦＴ柱の耐力が急激に低下し、変形が過大となる。
【０００６】
本発明は、上記の事実を考慮し、火災時における耐力の急激な低下が抑制されたコンクリート充填鋼管柱を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載のコンクリート充填鋼管柱は、水平部材が接合される上下の鋼管仕口部と、前記鋼管仕口部間に延びる鋼管本体部と、を有する柱鋼管と、前記柱鋼管内に充填された充填コンクリートと、前記充填コンクリートに埋設され、前記鋼管本体部における軸方向中間部内の前記充填コンクリートの曲げ耐力に対し、該鋼管本体部における軸方向端部内の前記充填コンクリートの曲げ耐力が大きくなるように該充填コンクリートを補強する補強手段と、を備えている。
【０００８】
請求項１に係るコンクリート充填鋼管柱によれば、充填コンクリートに埋設された補強手段によって、鋼管本体部における軸方向中間部内の充填コンクリートの曲げ耐力に対し、鋼管本体部における軸方向端部内の充填コンクリートの曲げ耐力が大きくなるように充填コンクリートが補強されている。これにより、鋼管本体部の軸方向端部に局部座屈が発生しても、当該軸方向端部内の充填コンクリートが曲げモーメントを負担すると共に、局部座屈によって生じる圧縮力に抵抗することで、充填コンクリートの圧壊を防ぐことができる。この結果、鋼管本体部の軸方向端部は、局部座屈後も軸力を負担することが可能となり、また、その軸力を鋼管の軸方向中央部に円滑に伝達することが可能となる。従って、火災時におけるコンクリート充填鋼管柱の局部座屈後の急激な耐力低下（崩壊）が抑制される。
【０００９】
更に、鋼管本体部の全長に渡って充填コンクリートを同じ曲げ耐力で補強する構成と比較して、施工性の向上、及びコスト削減を図ることができる。
【００１０】
請求項２に記載のコンクリート充填鋼管柱は、請求項１に記載のコンクリート充填鋼管柱において、前記補強手段が、前記鋼管本体部における軸方向端部内の前記充填コンクリートに埋設され、前記鋼管仕口部内の前記充填コンクリートとの間で曲げモーメントを伝達する端部補強部材を有し、前記端部補強部材の前記鋼管本体部の軸方向に沿った長さが、該鋼管本体部の幅以上とされている。
【００１１】
請求項２に係るコンクリート充填鋼管柱によれば、端部補強部材の鋼管本体部の軸方向に沿った長さを鋼管本体部の幅以上としたことにより、材料コストを削減しつつ、鋼管本体部における軸方向端部の局部座屈の発生を抑制することができる。鋼管本体部の軸方向端部では、前述した端部補強部材の長さの領域内において局部座屈が発生し易いためである。
【００１２】
請求項３に記載のコンクリート充填鋼管柱は、請求項２に記載のコンクリート充填鋼管柱において、前記端部補強部材が、前記鋼管本体部における軸方向端部内の前記充填コンクリートの曲げ耐力が前記鋼管仕口部から前記鋼管本体部の軸方向中間部に向うに従って小さくなるように該充填コンクリートに埋設されている。
【００１３】
請求項３に係るコンクリート充填鋼管柱によれば、端部補強部材によって、鋼管本体部における軸方向端部内の充填コンクリートの曲げ耐力が、鋼管仕口部から鋼管本体部の軸方向中間部に向うに従って小さくなるように補強されている。これにより、応力状態に応じた最適な補強を行うことで、過剰な補強を無くすことができ、施工性の向上とコスト削減を図ることができる。
【００１４】
なお、ここでいう「充填コンクリートの曲げ耐力が鋼管仕口部から鋼管本体部の軸方向中間部に向うに従って小さくなるように」は、充填コンクリートの曲げ耐力を鋼管仕口部から鋼管本体部の軸方向中間部に向けて段階的に小さくする構成や、徐々に小さくする構成を含む概念である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、上記の構成としたので、火災時における耐力の急激な低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱を示す縦断面図である。
【図２】（Ａ）は図１の一部拡大図であり、（Ｂ）は図２（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の応力状態を示す図１に相当する縦断面図である。
【図４】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５】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）はコンクリート鋼管柱の構成する鋼管に局部座屈が発生した状態を示している。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図２（Ｂ）に相当する拡大図である。
【図７】（Ａ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図２（Ａ）に相当する拡大図であり、（Ｂ）は図７（Ａ）の７Ｂ−７Ｂ線断面図である。
【図８】（Ａ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図２（Ａ）に相当する拡大図であり、（Ｂ）は図８（Ａ）の８Ｂ−８Ｂ線断面図である。
【図９】（Ａ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図２（Ａ）に相当する拡大図であり、（Ｂ）は図９（Ａ）の９Ｂ−９Ｂ線断面図である。
【図１０】（Ａ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図２（Ａ）に相当する拡大図であり、（Ｂ）は図１０（Ａ）の１０Ｂ−１０Ｂ線断面図である。
【図１１】（Ａ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図２（Ａ）に相当する拡大図であり、（Ｂ）は図１１（Ａ）の１１Ｂ−１１Ｂ線断面図である。
【図１２】（Ａ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図２（Ａ）に相当する拡大図であり、（Ｂ）は図１２（Ａ）の１２Ｂ−１２Ｂ線断面図である。
【図１３】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図１の一部拡大図に相当する拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱について説明する。なお、各図において適宜示される矢印Ｚは、本実施形態における柱鋼管の軸方向（上下方向）を示している。
【００１８】
図１には、一実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱１０が示されている。コンクリート充填鋼管柱１０は、柱鋼管１２と、柱鋼管１２内に充填される充填コンクリート１４と、補強手段としての補強鉄筋２０と、を備えている。柱鋼管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。
【００１９】
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の内壁面には、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を通して柱鋼管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。
【００２０】
ここで、上下の鉄骨梁１６の間にある鋼管本体部１２Ｂ内に充填された充填コンクリート１４は、複数の補強鉄筋２０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内の充填コンクリート１４の曲げ耐力に対し、軸方向端部としての鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力が大きくなるように補強されている。
【００２１】
具体的には、図２（Ａ）及び図２（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内の充填コンクリート１４には、端部補強部材としての複数（本実施形態では、４本）の補強鉄筋２０が埋設されている。各補強鉄筋２０は、軸方向を柱鋼管１２の軸方向（矢印Ｚ方向）にすると共に、柱鋼管１２の周方向に所定の間隔を空けて配列され、各々の上端部が内ダイアフラム１８に溶接等で接合されている。また、鋼管本体部１２Ｂの幅（柱せい）をＤとしたときに、各補強鉄筋２０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。これらの補強鉄筋２０によって鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４が補強されると共に、内ダイアフラム１８及び補強鉄筋２０を介して鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間で曲げモーメントが伝達されるようになっている。これと同様に、図１に示されるように、鋼管下端部（柱脚部）１２ＢＬ内の充填コンクリート１４は、複数の補強鉄筋２０によって補強されている。
【００２２】
一方、鋼管本体部１２Ｂにおける鋼管中間部１２ＢＭ内の充填コンクリート１４は、補強鉄筋２０によって補強されていない。これにより、鋼管中間部１２ＢＭ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力に対し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力が大きくなっている。
【００２３】
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００２４】
図３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、柱鋼管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の軸方向への伸張量が大きい場合は、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。
【００２５】
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。
【００２６】
この対策として本実施形態では、補強鉄筋２０によって鋼管中間部１２ＢＭ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力に対し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力が大きくなるように充填コンクリート１４を補強している。これにより、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬに局部座屈Ｋが発生しても、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬ内の充填コンクリート１４が曲げモーメントＭを負担すると共に、局部座屈Ｋによって生じる圧縮力に抵抗することで、充填コンクリート１４の圧壊が抑制される。この結果、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬが局部座屈Ｋの発生後も軸力Ｖを負担することが可能となり、また、その軸力Ｖを柱鋼管１２の鋼管中間部１２ＢＭに円滑に伝達することが可能となる。従って、火災時におけるコンクリート充填鋼管柱１０の局部座屈Ｋ発生後の急激な耐力低下（崩壊）が抑制される。なお、せん断力は、柱鋼管１２及び充填コンクリート１４の残存せん断耐力と補強鉄筋２０のダボ効果によって伝達される。
【００２７】
また、本実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱１０では、鋼管本体部１２Ｂの全長に渡って充填コンクリート１４を同じ曲げ耐力で補強する構成と比較して、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。更に、補強鉄筋２０を設ける範囲を鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬに限定することにより、工場等で内ダイアフラム１８に補強鉄筋２０を予め接合することができるため、現場での接合作業を省略することができる。
【００２８】
ここで、図４（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４（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。
【００２９】
また、図５（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５（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４（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５（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。
【００３０】
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５（Ｃ）に示されるように、柱１１０を構成する柱鋼管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は前述した柱鋼管の局部座屈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。
【００３１】
本実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱１０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２（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。
【００３２】
従って、局部座屈Ｋの発生を抑制する観点からすると、補強鉄筋２０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、補強鉄筋２０の長さＬはＤ≦Ｌ≦２Ｄとすることが望ましい。これにより、補強鉄筋２０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。
【００３３】
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。柱鋼管の上端部及び下端部に発生する圧縮ひずみは、柱１１０の中立軸位置から柱鋼管までの距離に比例して大きくなる。断面が大きくなれば、柱鋼管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、柱鋼管に生じた圧縮ひずみが当該柱鋼管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。
【００３４】
なお、本実施形態のように鋼管仕口部１２Ａの両側に鉄骨梁１２が接合される構成では、各鉄骨梁１２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、１０ｍｍ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、１／５０ｒａｄ以上）、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。
【００３５】
なお、補強鉄筋２０の本数や配置（ピッチ）は、適宜変更可能である。例えば、図６（Ａ）に示されるように、平面視にて補強鉄筋２０を円形状に配置しても良いし、図６（Ｂ）に示されるように、平面視にて補強鉄筋２０を角形状に配置しても良い。
【００３６】
次に、端部補強部材の変形例について説明する。なお、以下に説明する変形例では、柱鋼管１２内に充填される充填コンクリート１４（図１参照）の図示を適宜省略している。また、以下では、各種の変形例を鋼管上端部１２ＢＵに適用した場合を例に説明するが、これらの変形例は鋼管下端部１２ＢＬにも適用可能である。
【００３７】
先ず、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示される変形例では、端部補強部材として、長さが異なる２種類の補強鉄筋２２，２４が用いられている。具体的には、補強鉄筋２２は、その長さＬ１が補強鉄筋２４の長さＬ２の略半分とされている。これらの補強鉄筋２２，２４は、軸方向を柱鋼管１２の軸方向（矢印Ｚ方向）にすると共に、柱鋼管１２の周方向に所定の間隔を空けて交互に配列され、各々の上端部が内ダイアフラム１８に溶接等で接合されている。これにより、鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力が、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。
【００３８】
このように補強鉄筋２２，２４の長さを変え、鋼管上端部１２ＢＵに作用する曲げモーメントＭ（図３参照）に応じて鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力を鋼管仕口部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、補強鉄筋２２，２４の材料コストを削減することができる。
【００３９】
また、全ての補強鉄筋２０の長さＬを略同じにした上記実施形態（図１参照）では、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（補強鉄筋２０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。
【００４０】
これに対して本変形例では、鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力を鋼管仕口部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（補強鉄筋２４の先端付近）の鋼管中間部１２ＢＭの応力集中が低減される。従って、上記境界面付近の柱鋼管１２の局部座屈の発生が抑制される。
【００４１】
なお、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３参照）に応じて、鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力を鋼管仕口部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種類以上の補強鉄筋を用いて、当該充填コンクリート１４の曲げ耐力を鋼管仕口部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、補強鉄筋２２，２４の長さを変えたが、補強鉄筋２２，２４の鉄筋径や材料強度を変えても良いし、長さ、鉄筋径、材料強度が異なる補強鉄筋を適宜組み合わせて用いても良い。
【００４２】
次に、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示される変形例では、柱鋼管１２の軸方向に間隔を空けて配列された複数のリング状のフープ筋２６によって、補強鉄筋２０が結束されている。これにより、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間でより大きな曲げモーメントが伝達可能となる。従って、鋼管上端部１２ＢＵに作用する軸力が大きい場合や、鉄骨梁１６の軸方向（水平方向）への伸び出しが過大となった場合でも、鋼管中間部１２ＢＭに軸力が円滑に伝達される。よって、上記実施形態（図１参照）と比較して、より高い軸力を負担することができる。
なお、フープ筋２６の径や配置（ピッチ）は適宜変更可能である。また、フープ筋２６はリング状ではなく、スパイラル状に配筋してもよい。
【００４３】
次に、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示される変形例では、補強鉄筋２０の先端部に、定着部材としての機械式定着３４が設けられている。このように補強鉄筋２０の先端部に機械式定着３４を設けることにより、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間で曲げモーメントがより円滑に伝達される。従って、上記実施形態（図１参照）と比較して、より高い軸力を負担することができる。
なお、定着部材としては、機械式定着３４に替えて、例えば、定着板、プレートナット等を用いることができる。
【００４４】
次に、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示される変形例では、端部補強部材として複数のＬ形鋼２８が用いられている。各Ｌ形鋼２８は、軸方向を柱鋼管１２の軸方向（矢印Ｚ方向）にすると共に、開口側を内側に向けて鋼管上端部１２ＢＵの各角部に配置されており、各々の上端部が内ダイアフラム１８に溶接等で接合されている。また、各Ｌ形鋼２８の長さＬは、鋼管本体部１２Ｂの幅Ｄの１．０倍以上とされている。
【００４５】
このように端部補強部材をＬ形鋼２８とすることにより、充填コンクリート１４（図１参照）との接触面積を増加する。これにより、Ｌ形鋼２８のダボ効果が向上するため、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間でより大きな曲げモーメント、せん断力を伝達することができる。
【００４６】
なお、Ｌ形鋼２８の表面にスタッドや凹凸を設けたり、Ｌ形鋼２８に貫通孔を形成したりして、Ｌ形鋼２８と充填コンクリート１４との一体性（付着力）を高めても良い。また、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示されるように、隣接するＬ形鋼２８に渡された水平プレート３０によって、これらのＬ形鋼２８を連結しても良い。これにより、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間で、更に大きな曲げモーメント、せん断力を伝達することができる。
【００４７】
次に、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示される変形例では、端部補強部材として籠状に構成された籠状鉄筋３２が用いられている。籠状鉄筋３２は、複数の縦筋３２Ａと複数の横筋３２Ｂとを格子状に連結して構成されている。また、籠状鉄筋３２の長さＬは、鋼管本体部１２Ｂの幅Ｄの１．０倍以上とされている。このように縦筋３２Ａと横筋３２Ｂとを格子状に連結することにより、籠状鉄筋３２と充填コンクリート１４（図１参照）との一体性が高まるため、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間でより大きな曲げモーメント、せん断力を伝達することができる。
【００４８】
なお、上記実施形態及び各種の変形例では、内ダイアフラム１８に補強鉄筋２０等を溶接で接合したが、例えば、補強鉄筋２０の一端部にネジ部を設け、当該ネジ部を内ダイアフラム１８に形成された取付孔にネジ留めしても良いし、ナットで固定しても良い。また、内ダイアフラム１８に替えて通しダイアフラムに補強鉄筋２０等を接合しても良い。
【００４９】
更には、内ダイアフラム１８を省略することも可能である。例えば、図１３（Ａ）に示される変形例では、鋼管仕口部１２Ａと鉄骨梁１６とが外ダイアフラム３６を介して接合されている。具体的には、鋼管仕口部１２Ａの外周面には、上下一対の外ダイアフラム３６が設けられると共に、一対の外ダイアフラム３６の間にガゼットプレート３８が設けられている。各外ダイアフラム３６には、鉄骨梁１６のフランジ部１６Ａがそれぞれ溶接されている。また、ガゼットプレート３８には、鉄骨梁１６のウェブ部１６Ｂが高力ボルト４０で接合されている。
【００５０】
このように内ダイアフラム１８（図１参照）が存在しない構成では、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリートとにまたがって補強鉄筋２０を埋設すれば良い。これにより、鋼管仕口部１２Ａに局部座屈が発生しても、当該鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間で曲げモーメントが伝達される。また、局部座屈によって生じる圧縮力に鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４が抵抗可能になるため、当該充填コンクリート１４の圧壊が抑制される。
【００５１】
なお、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４に対する補強鉄筋２０の定着長さは、鋼管上端部１２ＢＵに作用する曲げモーメントに応じて適宜調整すれば良い。また、図１３（Ｂ）に示されるように、鋼管下端部１２ＢＬ、鋼管仕口部１２Ａ、及び鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４にまたがって補強鉄筋４２を埋設しても良い。これにより、施工性が向上すると共に、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間でより大きな曲げモーメントを伝達することができる。なお、施工時には、図示しない保持金具等で補強鉄筋４２を柱鋼管１２に取り付けた状態で、柱鋼管１２内に充填コンクリート１４を充填すれば良い。
【００５２】
更に、上記実施形態では、補強鉄筋２０等の端部補強部材によって鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬ内の充填コンクリート１４のみを補強したが、これに限らない。柱鋼管１２内の充填コンクリート１４は、鋼管中間部１２ＢＭ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力に対し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力が大きくなるように補強されていれば良く、例えば、補強手段としての補強鉄筋２０に加えて、柱鋼管１２の全長に渡る補強手段としての鉄筋を充填コンクリート１４に埋設しても良い。この場合、端部補強部材としての補強鉄筋２０の分だけ、鋼管中間部１２ＢＭ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力に対し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力が大きくなる。
【００５３】
更にまた、柱鋼管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、柱鋼管１２には、耐火被覆を施しても良い。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）等を用いても良い。
【００５４】
以上、本発明の一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、一実施形態及び各種の変形例を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】
【００５５】
１０ コンクリート充填鋼管柱
１２ 柱鋼管
１２Ａ 鋼管仕口部
１２Ｂ 鋼管本体部
１２ＢＵ 鋼管上端部（軸方向端部）
１２ＢＭ 鋼管中間部
１２ＢＬ 鋼管下端部（軸方向端部）
１４ 充填コンクリート
１６ 鉄骨梁（水平部材）
２０ 補強鉄筋（補強手段、端部補強部材）
２４ 補強鉄筋（補強手段、端部補強部材）
２８ Ｌ形鋼（補強手段、端部補強部材）
３２ 籠状鉄筋（補強手段、端部補強部材）
４２ 補強鉄筋（補強手段、端部補強部材）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリート充填鋼管柱に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管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、鋼管の内周面に、当該鋼管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に開示された技術では、耐火性能（耐火時間）は向上するものの、鋼管に局部座屈が発生すると、ＣＦＴ柱の耐力が急激に低下し、変形が過大となる。
【０００６】
本発明は、上記の事実を考慮し、火災時における耐力の急激な低下が抑制されたコンクリート充填鋼管柱を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載のコンクリート充填鋼管柱は、水平部材が接合される上下の鋼管仕口部と、前記鋼管仕口部間に延びる鋼管本体部と、を有する柱鋼管と、前記柱鋼管内に充填された充填コンクリートと、前記充填コンクリートに埋設され、前記鋼管本体部における軸方向中間部内の前記充填コンクリートの曲げ耐力に対し、該鋼管本体部における軸方向端部内の前記充填コンクリートの曲げ耐力が大きくなるように該充填コンクリートを補強する補強手段と、を備えている。
【０００８】
請求項１に係るコンクリート充填鋼管柱によれば、充填コンクリートに埋設された補強手段によって、鋼管本体部における軸方向中間部内の充填コンクリートの曲げ耐力に対し、鋼管本体部における軸方向端部内の充填コンクリートの曲げ耐力が大きくなるように充填コンクリートが補強されている。これにより、鋼管本体部の軸方向端部に局部座屈が発生しても、当該軸方向端部内の充填コンクリートが曲げモーメントを負担すると共に、局部座屈によって生じる圧縮力に抵抗することで、充填コンクリートの圧壊を防ぐことができる。この結果、鋼管本体部の軸方向端部は、局部座屈後も軸力を負担することが可能となり、また、その軸力を鋼管の軸方向中央部に円滑に伝達することが可能となる。従って、火災時におけるコンクリート充填鋼管柱の局部座屈後の急激な耐力低下（崩壊）が抑制される。
【０００９】
更に、鋼管本体部の全長に渡って充填コンクリートを同じ曲げ耐力で補強する構成と比較して、施工性の向上、及びコスト削減を図ることができる。
【００１０】
請求項２に記載のコンクリート充填鋼管柱は、請求項１に記載のコンクリート充填鋼管柱において、前記補強手段が、前記鋼管本体部における軸方向端部内の前記充填コンクリートに埋設され、前記鋼管仕口部内の前記充填コンクリートとの間で曲げモーメントを伝達する端部補強部材を有し、前記端部補強部材の前記鋼管本体部の軸方向に沿った長さが、該鋼管本体部の幅以上とされている。
【００１１】
請求項２に係るコンクリート充填鋼管柱によれば、端部補強部材の鋼管本体部の軸方向に沿った長さを鋼管本体部の幅以上としたことにより、材料コストを削減しつつ、鋼管本体部における軸方向端部の局部座屈の発生を抑制することができる。鋼管本体部の軸方向端部では、前述した端部補強部材の長さの領域内において局部座屈が発生し易いためである。
【００１２】
請求項３に記載のコンクリート充填鋼管柱は、請求項２に記載のコンクリート充填鋼管柱において、前記端部補強部材が、前記鋼管本体部における軸方向端部内の前記充填コンクリートの曲げ耐力が前記鋼管仕口部から前記鋼管本体部の軸方向中間部に向うに従って小さくなるように該充填コンクリートに埋設されている。
【００１３】
請求項３に係るコンクリート充填鋼管柱によれば、端部補強部材によって、鋼管本体部における軸方向端部内の充填コンクリートの曲げ耐力が、鋼管仕口部から鋼管本体部の軸方向中間部に向うに従って小さくなるように補強されている。これにより、応力状態に応じた最適な補強を行うことで、過剰な補強を無くすことができ、施工性の向上とコスト削減を図ることができる。
【００１４】
なお、ここでいう「充填コンクリートの曲げ耐力が鋼管仕口部から鋼管本体部の軸方向中間部に向うに従って小さくなるように」は、充填コンクリートの曲げ耐力を鋼管仕口部から鋼管本体部の軸方向中間部に向けて段階的に小さくする構成や、徐々に小さくする構成を含む概念である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、上記の構成としたので、火災時における耐力の急激な低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱を示す縦断面図である。
【図２】（Ａ）は図１の一部拡大図であり、（Ｂ）は図２（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱の応力状態を示す図１に相当する縦断面図である。
【図４】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５】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）はコンクリート鋼管柱の構成する鋼管に局部座屈が発生した状態を示している。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図２（Ｂ）に相当する拡大図である。
【図７】（Ａ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図２（Ａ）に相当する拡大図であり、（Ｂ）は図７（Ａ）の７Ｂ−７Ｂ線断面図である。
【図８】（Ａ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図２（Ａ）に相当する拡大図であり、（Ｂ）は図８（Ａ）の８Ｂ−８Ｂ線断面図である。
【図９】（Ａ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図２（Ａ）に相当する拡大図であり、（Ｂ）は図９（Ａ）の９Ｂ−９Ｂ線断面図である。
【図１０】（Ａ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図２（Ａ）に相当する拡大図であり、（Ｂ）は図１０（Ａ）の１０Ｂ−１０Ｂ線断面図である。
【図１１】（Ａ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図２（Ａ）に相当する拡大図であり、（Ｂ）は図１１（Ａ）の１１Ｂ−１１Ｂ線断面図である。
【図１２】（Ａ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図２（Ａ）に相当する拡大図であり、（Ｂ）は図１２（Ａ）の１２Ｂ−１２Ｂ線断面図である。
【図１３】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施形態における端部補強部材の変形例を示す図１の一部拡大図に相当する拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱について説明する。なお、各図において適宜示される矢印Ｚは、本実施形態における柱鋼管の軸方向（上下方向）を示している。
【００１８】
図１には、一実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱１０が示されている。コンクリート充填鋼管柱１０は、柱鋼管１２と、柱鋼管１２内に充填される充填コンクリート１４と、補強手段としての補強鉄筋２０と、を備えている。柱鋼管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。
【００１９】
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の内壁面には、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を通して柱鋼管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。
【００２０】
ここで、上下の鉄骨梁１６の間にある鋼管本体部１２Ｂ内に充填された充填コンクリート１４は、複数の補強鉄筋２０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内の充填コンクリート１４の曲げ耐力に対し、軸方向端部としての鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力が大きくなるように補強されている。
【００２１】
具体的には、図２（Ａ）及び図２（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内の充填コンクリート１４には、端部補強部材としての複数（本実施形態では、４本）の補強鉄筋２０が埋設されている。各補強鉄筋２０は、軸方向を柱鋼管１２の軸方向（矢印Ｚ方向）にすると共に、柱鋼管１２の周方向に所定の間隔を空けて配列され、各々の上端部が内ダイアフラム１８に溶接等で接合されている。また、鋼管本体部１２Ｂの幅（柱せい）をＤとしたときに、各補強鉄筋２０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。これらの補強鉄筋２０によって鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４が補強されると共に、内ダイアフラム１８及び補強鉄筋２０を介して鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間で曲げモーメントが伝達されるようになっている。これと同様に、図１に示されるように、鋼管下端部（柱脚部）１２ＢＬ内の充填コンクリート１４は、複数の補強鉄筋２０によって補強されている。
【００２２】
一方、鋼管本体部１２Ｂにおける鋼管中間部１２ＢＭ内の充填コンクリート１４は、補強鉄筋２０によって補強されていない。これにより、鋼管中間部１２ＢＭ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力に対し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力が大きくなっている。
【００２３】
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００２４】
図３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、柱鋼管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の軸方向への伸張量が大きい場合は、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。
【００２５】
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。
【００２６】
この対策として本実施形態では、補強鉄筋２０によって鋼管中間部１２ＢＭ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力に対し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力が大きくなるように充填コンクリート１４を補強している。これにより、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬに局部座屈Ｋが発生しても、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬ内の充填コンクリート１４が曲げモーメントＭを負担すると共に、局部座屈Ｋによって生じる圧縮力に抵抗することで、充填コンクリート１４の圧壊が抑制される。この結果、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬが局部座屈Ｋの発生後も軸力Ｖを負担することが可能となり、また、その軸力Ｖを柱鋼管１２の鋼管中間部１２ＢＭに円滑に伝達することが可能となる。従って、火災時におけるコンクリート充填鋼管柱１０の局部座屈Ｋ発生後の急激な耐力低下（崩壊）が抑制される。なお、せん断力は、柱鋼管１２及び充填コンクリート１４の残存せん断耐力と補強鉄筋２０のダボ効果によって伝達される。
【００２７】
また、本実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱１０では、鋼管本体部１２Ｂの全長に渡って充填コンクリート１４を同じ曲げ耐力で補強する構成と比較して、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。更に、補強鉄筋２０を設ける範囲を鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬに限定することにより、工場等で内ダイアフラム１８に補強鉄筋２０を予め接合することができるため、現場での接合作業を省略することができる。
【００２８】
ここで、図４（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４（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。
【００２９】
また、図５（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５（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４（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５（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。
【００３０】
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５（Ｃ）に示されるように、柱１１０を構成する柱鋼管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は前述した柱鋼管の局部座屈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。
【００３１】
本実施形態に係るコンクリート充填鋼管柱１０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２（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。
【００３２】
従って、局部座屈Ｋの発生を抑制する観点からすると、補強鉄筋２０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、補強鉄筋２０の長さＬはＤ≦Ｌ≦２Ｄとすることが望ましい。これにより、補強鉄筋２０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。
【００３３】
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。柱鋼管の上端部及び下端部に発生する圧縮ひずみは、柱１１０の中立軸位置から柱鋼管までの距離に比例して大きくなる。断面が大きくなれば、柱鋼管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、柱鋼管に生じた圧縮ひずみが当該柱鋼管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。
【００３４】
なお、本実施形態のように鋼管仕口部１２Ａの両側に鉄骨梁１２が接合される構成では、各鉄骨梁１２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、１０ｍｍ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、１／５０ｒａｄ以上）、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。
【００３５】
なお、補強鉄筋２０の本数や配置（ピッチ）は、適宜変更可能である。例えば、図６（Ａ）に示されるように、平面視にて補強鉄筋２０を円形状に配置しても良いし、図６（Ｂ）に示されるように、平面視にて補強鉄筋２０を角形状に配置しても良い。
【００３６】
次に、端部補強部材の変形例について説明する。なお、以下に説明する変形例では、柱鋼管１２内に充填される充填コンクリート１４（図１参照）の図示を適宜省略している。また、以下では、各種の変形例を鋼管上端部１２ＢＵに適用した場合を例に説明するが、これらの変形例は鋼管下端部１２ＢＬにも適用可能である。
【００３７】
先ず、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示される変形例では、端部補強部材として、長さが異なる２種類の補強鉄筋２２，２４が用いられている。具体的には、補強鉄筋２２は、その長さＬ１が補強鉄筋２４の長さＬ２の略半分とされている。これらの補強鉄筋２２，２４は、軸方向を柱鋼管１２の軸方向（矢印Ｚ方向）にすると共に、柱鋼管１２の周方向に所定の間隔を空けて交互に配列され、各々の上端部が内ダイアフラム１８に溶接等で接合されている。これにより、鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力が、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。
【００３８】
このように補強鉄筋２２，２４の長さを変え、鋼管上端部１２ＢＵに作用する曲げモーメントＭ（図３参照）に応じて鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力を鋼管仕口部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、補強鉄筋２２，２４の材料コストを削減することができる。
【００３９】
また、全ての補強鉄筋２０の長さＬを略同じにした上記実施形態（図１参照）では、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（補強鉄筋２０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。
【００４０】
これに対して本変形例では、鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力を鋼管仕口部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（補強鉄筋２４の先端付近）の鋼管中間部１２ＢＭの応力集中が低減される。従って、上記境界面付近の柱鋼管１２の局部座屈の発生が抑制される。
【００４１】
なお、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３参照）に応じて、鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力を鋼管仕口部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種類以上の補強鉄筋を用いて、当該充填コンクリート１４の曲げ耐力を鋼管仕口部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、補強鉄筋２２，２４の長さを変えたが、補強鉄筋２２，２４の鉄筋径や材料強度を変えても良いし、長さ、鉄筋径、材料強度が異なる補強鉄筋を適宜組み合わせて用いても良い。
【００４２】
次に、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示される変形例では、柱鋼管１２の軸方向に間隔を空けて配列された複数のリング状のフープ筋２６によって、補強鉄筋２０が結束されている。これにより、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間でより大きな曲げモーメントが伝達可能となる。従って、鋼管上端部１２ＢＵに作用する軸力が大きい場合や、鉄骨梁１６の軸方向（水平方向）への伸び出しが過大となった場合でも、鋼管中間部１２ＢＭに軸力が円滑に伝達される。よって、上記実施形態（図１参照）と比較して、より高い軸力を負担することができる。
なお、フープ筋２６の径や配置（ピッチ）は適宜変更可能である。また、フープ筋２６はリング状ではなく、スパイラル状に配筋してもよい。
【００４３】
次に、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示される変形例では、補強鉄筋２０の先端部に、定着部材としての機械式定着３４が設けられている。このように補強鉄筋２０の先端部に機械式定着３４を設けることにより、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間で曲げモーメントがより円滑に伝達される。従って、上記実施形態（図１参照）と比較して、より高い軸力を負担することができる。
なお、定着部材としては、機械式定着３４に替えて、例えば、定着板、プレートナット等を用いることができる。
【００４４】
次に、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示される変形例では、端部補強部材として複数のＬ形鋼２８が用いられている。各Ｌ形鋼２８は、軸方向を柱鋼管１２の軸方向（矢印Ｚ方向）にすると共に、開口側を内側に向けて鋼管上端部１２ＢＵの各角部に配置されており、各々の上端部が内ダイアフラム１８に溶接等で接合されている。また、各Ｌ形鋼２８の長さＬは、鋼管本体部１２Ｂの幅Ｄの１．０倍以上とされている。
【００４５】
このように端部補強部材をＬ形鋼２８とすることにより、充填コンクリート１４（図１参照）との接触面積を増加する。これにより、Ｌ形鋼２８のダボ効果が向上するため、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間でより大きな曲げモーメント、せん断力を伝達することができる。
【００４６】
なお、Ｌ形鋼２８の表面にスタッドや凹凸を設けたり、Ｌ形鋼２８に貫通孔を形成したりして、Ｌ形鋼２８と充填コンクリート１４との一体性（付着力）を高めても良い。また、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示されるように、隣接するＬ形鋼２８に渡された水平プレート３０によって、これらのＬ形鋼２８を連結しても良い。これにより、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間で、更に大きな曲げモーメント、せん断力を伝達することができる。
【００４７】
次に、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示される変形例では、端部補強部材として籠状に構成された籠状鉄筋３２が用いられている。籠状鉄筋３２は、複数の縦筋３２Ａと複数の横筋３２Ｂとを格子状に連結して構成されている。また、籠状鉄筋３２の長さＬは、鋼管本体部１２Ｂの幅Ｄの１．０倍以上とされている。このように縦筋３２Ａと横筋３２Ｂとを格子状に連結することにより、籠状鉄筋３２と充填コンクリート１４（図１参照）との一体性が高まるため、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間でより大きな曲げモーメント、せん断力を伝達することができる。
【００４８】
なお、上記実施形態及び各種の変形例では、内ダイアフラム１８に補強鉄筋２０等を溶接で接合したが、例えば、補強鉄筋２０の一端部にネジ部を設け、当該ネジ部を内ダイアフラム１８に形成された取付孔にネジ留めしても良いし、ナットで固定しても良い。また、内ダイアフラム１８に替えて通しダイアフラムに補強鉄筋２０等を接合しても良い。
【００４９】
更には、内ダイアフラム１８を省略することも可能である。例えば、図１３（Ａ）に示される変形例では、鋼管仕口部１２Ａと鉄骨梁１６とが外ダイアフラム３６を介して接合されている。具体的には、鋼管仕口部１２Ａの外周面には、上下一対の外ダイアフラム３６が設けられると共に、一対の外ダイアフラム３６の間にガゼットプレート３８が設けられている。各外ダイアフラム３６には、鉄骨梁１６のフランジ部１６Ａがそれぞれ溶接されている。また、ガゼットプレート３８には、鉄骨梁１６のウェブ部１６Ｂが高力ボルト４０で接合されている。
【００５０】
このように内ダイアフラム１８（図１参照）が存在しない構成では、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリートとにまたがって補強鉄筋２０を埋設すれば良い。これにより、鋼管仕口部１２Ａに局部座屈が発生しても、当該鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間で曲げモーメントが伝達される。また、局部座屈によって生じる圧縮力に鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４が抵抗可能になるため、当該充填コンクリート１４の圧壊が抑制される。
【００５１】
なお、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４に対する補強鉄筋２０の定着長さは、鋼管上端部１２ＢＵに作用する曲げモーメントに応じて適宜調整すれば良い。また、図１３（Ｂ）に示されるように、鋼管下端部１２ＢＬ、鋼管仕口部１２Ａ、及び鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４にまたがって補強鉄筋４２を埋設しても良い。これにより、施工性が向上すると共に、鋼管仕口部１２Ａ内の充填コンクリート１４と鋼管上端部１２ＢＵ内の充填コンクリート１４との間でより大きな曲げモーメントを伝達することができる。なお、施工時には、図示しない保持金具等で補強鉄筋４２を柱鋼管１２に取り付けた状態で、柱鋼管１２内に充填コンクリート１４を充填すれば良い。
【００５２】
更に、上記実施形態では、補強鉄筋２０等の端部補強部材によって鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬ内の充填コンクリート１４のみを補強したが、これに限らない。柱鋼管１２内の充填コンクリート１４は、鋼管中間部１２ＢＭ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力に対し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力が大きくなるように補強されていれば良く、例えば、補強手段としての補強鉄筋２０に加えて、柱鋼管１２の全長に渡る補強手段としての鉄筋を充填コンクリート１４に埋設しても良い。この場合、端部補強部材としての補強鉄筋２０の分だけ、鋼管中間部１２ＢＭ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力に対し、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬ内の充填コンクリート１４の曲げ耐力が大きくなる。
【００５３】
更にまた、柱鋼管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、柱鋼管１２には、耐火被覆を施しても良い。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）等を用いても良い。
【００５４】
以上、本発明の一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、一実施形態及び各種の変形例を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】
【００５５】
１０ コンクリート充填鋼管柱
１２ 柱鋼管
１２Ａ 鋼管仕口部
１２Ｂ 鋼管本体部
１２ＢＵ 鋼管上端部（軸方向端部）
１２ＢＭ 鋼管中間部
１２ＢＬ 鋼管下端部（軸方向端部）
１４ 充填コンクリート
１６ 鉄骨梁（水平部材）
２０ 補強鉄筋（補強手段、端部補強部材）
２４ 補強鉄筋（補強手段、端部補強部材）
２８ Ｌ形鋼（補強手段、端部補強部材）
３２ 籠状鉄筋（補強手段、端部補強部材）
４２ 補強鉄筋（補強手段、端部補強部材）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平部材が接合される上下の鋼管仕口部と、前記鋼管仕口部間に延びる鋼管本体部と、を有する柱鋼管と、
前記柱鋼管内に充填された充填コンクリートと、
前記充填コンクリートに埋設され、前記鋼管本体部における軸方向中間部内の前記充填コンクリートの曲げ耐力に対し、該鋼管本体部における軸方向端部内の前記充填コンクリートの曲げ耐力が大きくなるように該充填コンクリートを補強する補強手段と、
を備えるコンクリート充填鋼管柱。
【請求項２】
前記補強手段が、前記鋼管本体部における軸方向端部内の前記充填コンクリートに埋設され、前記鋼管仕口部内の前記充填コンクリートとの間で曲げモーメントを伝達する端部補強部材を有し、
前記端部補強部材の前記鋼管本体部の軸方向に沿った長さが、該鋼管本体部の幅以上とされている請求項１に記載のコンクリート充填鋼管柱。
【請求項３】
前記端部補強部材が、前記鋼管本体部における軸方向端部内の前記充填コンクリートの曲げ耐力が前記鋼管仕口部から前記鋼管本体部の軸方向中間部に向うに従って小さくなるように該充填コンクリートに埋設されている請求項２に記載のコンクリート充填鋼管柱。
【請求項１】
水平部材が接合される上下の鋼管仕口部と、前記鋼管仕口部間に延びる鋼管本体部と、を有する柱鋼管と、
前記柱鋼管内に充填された充填コンクリートと、
前記充填コンクリートに埋設され、前記鋼管本体部における軸方向中間部内の前記充填コンクリートの曲げ耐力に対し、該鋼管本体部における軸方向端部内の前記充填コンクリートの曲げ耐力が大きくなるように該充填コンクリートを補強する補強手段と、
を備えるコンクリート充填鋼管柱。
【請求項２】
前記補強手段が、前記鋼管本体部における軸方向端部内の前記充填コンクリートに埋設され、前記鋼管仕口部内の前記充填コンクリートとの間で曲げモーメントを伝達する端部補強部材を有し、
前記端部補強部材の前記鋼管本体部の軸方向に沿った長さが、該鋼管本体部の幅以上とされている請求項１に記載のコンクリート充填鋼管柱。
【請求項３】
前記端部補強部材が、前記鋼管本体部における軸方向端部内の前記充填コンクリートの曲げ耐力が前記鋼管仕口部から前記鋼管本体部の軸方向中間部に向うに従って小さくなるように該充填コンクリートに埋設されている請求項２に記載のコンクリート充填鋼管柱。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−２５５２８３（Ｐ２０１２−２５５２８３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２８５１３（Ｐ２０１１−１２８５１３）
【出願日】平成２３年６月８日（２０１１．６．８）
【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２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月８日（２０１１．６．８）
【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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