コンクリート充填鋼管柱
【課題】材料コストを削減しつつ、柱鋼管の局部座屈の発生を抑制することができる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の各外側面には、端部補強部材としての縦補強リブ２０がそれぞれ設けられている。各縦補強リブ２０は平板状の鋼板で構成され、軸方向を柱鋼管１２の軸方向（矢印Ｚ方向）にすると共に、幅方向一端部２０Ａが鋼管上端部１２ＢＵの外側面の幅方向中央部に突き当てられて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、各縦補強リブ２０の長さＬは、柱鋼管１２の幅Ｄの略１．５倍とされている。これらの縦補強リブ２０によって鋼管上端部１２ＢＵの４つの側壁に面外剛性が付与されている。
【解決手段】鋼管本体部１２Ｂにおける鋼管上端部１２ＢＵの各外側面には、端部補強部材としての縦補強リブ２０がそれぞれ設けられている。各縦補強リブ２０は平板状の鋼板で構成され、軸方向を柱鋼管１２の軸方向（矢印Ｚ方向）にすると共に、幅方向一端部２０Ａが鋼管上端部１２ＢＵの外側面の幅方向中央部に突き当てられて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、各縦補強リブ２０の長さＬは、柱鋼管１２の幅Ｄの略１．５倍とされている。これらの縦補強リブ２０によって鋼管上端部１２ＢＵの４つの側壁に面外剛性が付与されている。
【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、鋼管の内壁面に、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に開示された技術のように鋼管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の変形を十分に規制することができず、当該鋼管に局部座屈が発生する可能性がある。また、特許文献１に開示された技術では、鋼管の全長に渡ってリブを設ける構成であるため、不経済となる。
【０００６】
本発明は、上記の事実を考慮し、材料コストを削減しつつ、柱鋼管の局部座屈の発生を抑制することができる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、前記柱鋼管の外側面に設けられ、前記鋼管本体部における軸方向中間部の面外剛性に対し、該鋼管本体部における軸方向端部の面外剛性が大きくなるように前記柱鋼管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、鋼管本体部の外側面に設けら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の面外剛性に対し、鋼管本体部における軸方向端部の面外剛性が大きくなるように鋼管本体部が補強されている。これにより、鋼管本体部における軸方向端部の局部座屈の発生が抑制される。
【０００９】
更に、鋼管本体部の全長に渡って鋼管本体部に面外剛性を一律に付与する構成と比較して、補強手段の材料コストを削減することができる。
【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を補強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の面外剛性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軸方向端部を補強する。
【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、鋼管本体部の軸方向端部の面外剛性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、柱鋼管が補強されている。
【００１４】
ここで、補強範囲を局部座屈の発生し易い軸方向端部に限定した場合、補強範囲の曲げ剛性が無補強範囲の曲げ剛性に比べ大きくなるため、補強範囲と無補強範囲の境界面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、上記境界面付近の無補強部分に応力が集中する。梁等の水平部材の軸方向（水平方向）への伸び出し量や柱の負担軸力が大きい場合は、補強範囲と無補強範囲の境界面付近の無補強部分に局部座屈を生じる場合がある。
【００１５】
この対策として本発明では、端部補強部材によって、鋼管本体部の軸方向端部の面外剛性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、柱鋼管が補強されている。これにより、面外剛性の急激な変化に伴う応力集中が低減されるため、鋼管本体部の局部座屈の発生が抑制される。
【００１６】
なお、ここでいう「鋼管本体部の軸方向端部の面外剛性が、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、鋼管本体部の軸方向端部の面外剛性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】
【００１７】
本発明は、上記の構成としたので、材料コストを削減しつつ、柱鋼管の局部座屈の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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）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６（Ａ）の６Ｂ−６Ｂ線断面図である。
【図７】（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（Ｂ）に相当する断面図であり、（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斜視図である。
【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（Ｂ）に相当する断面図であり、（Ｂ）は図９（Ａ）の９Ｂ−９Ｂ線断面図である。
【図１０】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】本発明の一実施形態における補強手段の変形例を示す図１に相当する縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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、補強手段としての縦補強リブ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。
【００２１】
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等によって接合されている。一方、鋼管仕口部１２Ａの外側面には、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。
【００２２】
ここで、上下の鉄骨梁１６の間にある鋼管本体部１２Ｂは、複数の縦補強リブ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の面外剛性が大きくなるように補強されている。
【００２３】
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の４つの外側面には、端部補強部材としての縦補強リブ２０がそれぞれ設けられている。各縦補強リブ２０は平板状の鋼板で構成され、軸方向を柱鋼管１２の軸方向（矢印Ｚ方向）にすると共に、幅方向一端部２０Ａ（長手方向に沿った一端部、図２（Ｂ）参照）が鋼管上端部１２ＢＵの外側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。
【００２４】
また、鋼管本体部１２Ｂの幅（柱せい）をＤとしたときに、各縦補強リブ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。これらの縦補強リブ２０によって鋼管上端部１２ＢＵの４つの側壁に面外剛性（図２（Ｂ）において、矢印Ｒ方向の剛性）が付与されている。なお、鋼管上端部１２ＢＵと同様に、図１に示されるように、鋼管下端部（柱脚部）１２ＢＬの４つの側壁は、複数の縦補強リブ２０によって補強されている。
【００２５】
一方、鋼管本体部１２Ｂにおける鋼管中間部１２ＢＭの外側面には、縦補強リブ２０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。
【００２６】
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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鋼管本体部１２Ｂが縦補強リブ２０によって補強されている。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。
【００３０】
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の全長に渡って鋼管本体部１２Ｂに面外剛性を一律に付与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。
【００３１】
更に、例えば、縦補強リブ２０の幅方向一端部２０Ａを当該縦補強リブ２０の長手方向に沿って鋼管上端部１２ＢＵの外側面に連続溶接することにより、鋼管上端部１２ＢＵと縦補強リブ２０との一体性が向上する。これにより、従来技術（例えば、特許文献１）のように、鋼管の側壁にリブを点溶接する構成と比較して、鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性が大きくなるため、鋼管上端部１２ＢＵの局部座屈の発生をより確実に抑制することができる。なお、鋼管下端部１２ＢＬについても同様である。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
従って、局部座屈Ｋの発生を抑制する観点からすると、縦補強リブ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、縦補強リブ２０の長さＬはＤ≦Ｌ≦２Ｄとすることが望ましい。これにより、縦補強リブ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。
【００３７】
更に、本実施形態では、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの外側面に縦補強リブ２０を設けるため、既存のコンクリート充填鋼管柱に対しても容易に縦補強リブ２０を適用し、面外剛性を付与することができる。従って、汎用性が向上する。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
次に、端部補強部材の変形例について説明する。なお、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。
【００４１】
先ず、図６（Ａ）及び図６（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種類の縦補強リブ２２，２４が用いられている。具体的には、縦補強リブ２２は、その長さＬ１が縦補強リブ２４の長さＬ２の略半分とされている。これらの縦補強リブ２２，２４は、軸方向を鋼管本体部１２Ｂの軸方向（矢印Ｚ方向）にすると共に、幅方向一端部２２Ａ，２４Ａ（図６（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。
【００４２】
このように縦補強リブ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、縦補強リブ２２，２４の材料コストを削減することができる。
【００４３】
また、全ての縦補強リブ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（縦補強リブ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。
【００４４】
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（縦補強リブ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。
【００４５】
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、縦補強リブ２２，２４の長さを変えたが、縦補強リブ２２，２４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。
【００４６】
次に、図７（Ａ）に示される変形例では、端部補強部材として断面Ｔ字形状の縦補強リブ２６が用いられている。縦補強リブ２６はＴ形鋼で構成されており、そのフランジ部２６Ｆが鋼管上端部１２ＢＵの外側面と対向するように配置されると共に、そのウェブ部２６Ｗの幅方向一端部が鋼管上端部１２ＢＵの外側面に突き当てられて溶接等で接合されている。
【００４７】
このように縦補強リブ２６のフランジ部２６Ｆを鋼管上端部１２ＢＵの内側面に対向させることにより、フランジ部２６Ｆ及び鋼管上端部１２ＢＵの側壁の断面２次モーメントが増加する。これにより、鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性が飛躍的に大きくなる。従って、鋼管上端部１２ＢＵの局部座屈の発生をより確実に抑制することができる。
【００４８】
なお、図示を省略するが、縦補強リブとしては、Ｃ形鋼、Ｌ形鋼、Ｈ形鋼、Ｉ形鋼等を用いても良い。また、図７（Ｂ）に示されるように、鋼管上端部１２ＢＵの外側面に端部補強部材としての鉄筋、ＰＣ鋼棒等からなる棒状部材３０を溶接等で接合しても良い。
【００４９】
次に、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示される変形例では、端部補強部材としてメッシュ筋３２が用いられている。メッシュ筋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おり、鋼管上端部１２ＢＵの各外側面に溶接等で接合されている。このように隣接する縦筋３２Ａを複数の横筋３２Ｂで連結することにより、鋼管上端部１２ＢＵに付与される面外剛性が大きくなる。
【００５０】
次に、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示される変形例では、端部補強部材として横補強リブ３８が用いられている。横補強リブ３８は、鋼管本体部１２Ｂの軸方向（矢印Ｚ方向）に間隔を空けて複数（本変形例では、２つ）設けられている。各横補強リブ３８は板状の鋼板で構成され、軸方向を柱鋼管１２の幅方向（周方向）にすると共に、幅方向一端部３８Ａ（長手方向に沿った一端部、図９（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に面外剛性が付与されている。また、鋼管本体部１２Ｂの幅をＤとしたときに、鋼管上端部１２ＢＵの上端から、鋼管中間部１２ＢＭに最も近い（最下段）横補強リブ３８までの距離Ｈは１．０Ｄ以上とされている。
【００５１】
このように横補強リブ３８によって鋼管上端部１２ＢＵを補強することにより、縦補強リブ２０によって鋼管上端部１２ＢＵを補強する構成（図１参照）と比較して、鋼管上端部１２ＢＵの軸剛性を小さく抑えつつ、鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性を大きくすることができる。従って、鋼管上端部１２ＢＵの局部座屈の発生を効率的に抑制することができる。
【００５２】
また、図１０に示されるように、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、隣接する横補強リブ３８の間隔（ピッチ）Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４を鋼管仕口部１２Ａから鋼管中間部１２ＢＭに向って広くし（Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３＜Ｈ４）、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することも可能である。これにより、過剰な補強を無くすことができる。また、鋼管中間部１２ＢＭに最も近い（最下段）横補強リブ３８付近の鋼管中間部１２ＢＭに対する応力集中が低減されるため、当該鋼管中間部１２ＢＭの局部座屈の発生が抑制される。
【００５３】
なお、本変形例では、隣接する横補強リブ３８の間隔を変えたが、隣接する横補強リブ３８の板厚や材料強度を変えても良いし、隣接する横補強リブ３８の間隔や、板厚、材料強度が異なる横補強プレートを適宜組み合わせて用いても良い。また、鋼管本体部１２Ｂの周方向に隣接する横補強リブ３８を環状に連結しても良い。
【００５４】
次に、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示される変形例では、端部補強部材として外殻部材４０が用いられている。外殻部材４０は、鋼管上端部１２ＢＵの外側面を覆う一対の外殻板４０Ａ，４０Ｂを有している。これらの外殻板４０Ａ，４０Ｂは断面Ｃ字形状の鋼板で構成され、鋼管上端部１２ＢＵの外側面を囲むように鋼管上端部１２ＢＵに溶接等によって取り付けられている。また、各外殻板４０Ａ，４０Ｂの高さＴは、鋼管本体部１２Ｂの幅Ｄの１．０倍以上とされている。これにより、鋼管上端部１２ＢＵの各側壁に面外剛性が付与されている。
【００５５】
このように外殻部材４０で鋼管上端部１２ＢＵを補強することにより、鋼管上端部１２ＢＵの板厚を厚くした場合と同様の効果を得ることができる。なお、本実施形態では、断面Ｃ字形状の外殻板４０Ａ，４０Ｂを鋼管上端部１２ＢＵに取り付けたが、平板状の４つの鋼板を鋼管上端部１２ＢＵの各外側面にそれぞれ取り付けても良い。
【００５６】
なお、上記実施形態では、縦補強リブ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にのみ面外剛性を付与したが、これに限らない。柱鋼管１２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補強されていれば良く、例えば、図１２に示されるように、補強手段としての縦補強リブ２０に加えて、柱鋼管１２の全長に渡る補強手段としての補強リブ５２を柱鋼管１２の外側面に溶接等で接合しても良い。この場合、端部補強部材としての縦補強リブ２０の分だけ、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。
【００５７】
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。
【００５８】
更に、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）等でも良い。
【００５９】
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】
【００６０】
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（軸方向中間部）
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 縦補強リブ（補強手段、端部補強部材）
２２ 縦補強リブ（補強手段、端部補強部材）
２４ 縦補強リブ（補強手段、端部補強部材）
２６ 縦補強リブ（補強手段、端部補強部材）
３０ 棒状部材（補強手段、端部補強部材）
３２ メッシュ筋（補強手段、端部補強部材）
３８ 横補強リブ（補強手段、端部補強部材）
４０ 外殻部材（補強手段、端部補強部材）
５２ 補強リブ（補強手段）
【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、鋼管の内壁面に、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に開示された技術のように鋼管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の変形を十分に規制することができず、当該鋼管に局部座屈が発生する可能性がある。また、特許文献１に開示された技術では、鋼管の全長に渡ってリブを設ける構成であるため、不経済となる。
【０００６】
本発明は、上記の事実を考慮し、材料コストを削減しつつ、柱鋼管の局部座屈の発生を抑制することができる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、前記柱鋼管の外側面に設けられ、前記鋼管本体部における軸方向中間部の面外剛性に対し、該鋼管本体部における軸方向端部の面外剛性が大きくなるように前記柱鋼管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、鋼管本体部の外側面に設けら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の面外剛性に対し、鋼管本体部における軸方向端部の面外剛性が大きくなるように鋼管本体部が補強されている。これにより、鋼管本体部における軸方向端部の局部座屈の発生が抑制される。
【０００９】
更に、鋼管本体部の全長に渡って鋼管本体部に面外剛性を一律に付与する構成と比較して、補強手段の材料コストを削減することができる。
【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を補強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の面外剛性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軸方向端部を補強する。
【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、鋼管本体部の軸方向端部の面外剛性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、柱鋼管が補強されている。
【００１４】
ここで、補強範囲を局部座屈の発生し易い軸方向端部に限定した場合、補強範囲の曲げ剛性が無補強範囲の曲げ剛性に比べ大きくなるため、補強範囲と無補強範囲の境界面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、上記境界面付近の無補強部分に応力が集中する。梁等の水平部材の軸方向（水平方向）への伸び出し量や柱の負担軸力が大きい場合は、補強範囲と無補強範囲の境界面付近の無補強部分に局部座屈を生じる場合がある。
【００１５】
この対策として本発明では、端部補強部材によって、鋼管本体部の軸方向端部の面外剛性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、柱鋼管が補強されている。これにより、面外剛性の急激な変化に伴う応力集中が低減されるため、鋼管本体部の局部座屈の発生が抑制される。
【００１６】
なお、ここでいう「鋼管本体部の軸方向端部の面外剛性が、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、鋼管本体部の軸方向端部の面外剛性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】
【００１７】
本発明は、上記の構成としたので、材料コストを削減しつつ、柱鋼管の局部座屈の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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）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６（Ａ）の６Ｂ−６Ｂ線断面図である。
【図７】（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（Ｂ）に相当する断面図であり、（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斜視図である。
【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（Ｂ）に相当する断面図であり、（Ｂ）は図９（Ａ）の９Ｂ−９Ｂ線断面図である。
【図１０】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】本発明の一実施形態における補強手段の変形例を示す図１に相当する縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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、補強手段としての縦補強リブ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。
【００２１】
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等によって接合されている。一方、鋼管仕口部１２Ａの外側面には、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。
【００２２】
ここで、上下の鉄骨梁１６の間にある鋼管本体部１２Ｂは、複数の縦補強リブ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の面外剛性が大きくなるように補強されている。
【００２３】
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の４つの外側面には、端部補強部材としての縦補強リブ２０がそれぞれ設けられている。各縦補強リブ２０は平板状の鋼板で構成され、軸方向を柱鋼管１２の軸方向（矢印Ｚ方向）にすると共に、幅方向一端部２０Ａ（長手方向に沿った一端部、図２（Ｂ）参照）が鋼管上端部１２ＢＵの外側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。
【００２４】
また、鋼管本体部１２Ｂの幅（柱せい）をＤとしたときに、各縦補強リブ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。これらの縦補強リブ２０によって鋼管上端部１２ＢＵの４つの側壁に面外剛性（図２（Ｂ）において、矢印Ｒ方向の剛性）が付与されている。なお、鋼管上端部１２ＢＵと同様に、図１に示されるように、鋼管下端部（柱脚部）１２ＢＬの４つの側壁は、複数の縦補強リブ２０によって補強されている。
【００２５】
一方、鋼管本体部１２Ｂにおける鋼管中間部１２ＢＭの外側面には、縦補強リブ２０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。
【００２６】
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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鋼管本体部１２Ｂが縦補強リブ２０によって補強されている。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。
【００３０】
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の全長に渡って鋼管本体部１２Ｂに面外剛性を一律に付与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。
【００３１】
更に、例えば、縦補強リブ２０の幅方向一端部２０Ａを当該縦補強リブ２０の長手方向に沿って鋼管上端部１２ＢＵの外側面に連続溶接することにより、鋼管上端部１２ＢＵと縦補強リブ２０との一体性が向上する。これにより、従来技術（例えば、特許文献１）のように、鋼管の側壁にリブを点溶接する構成と比較して、鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性が大きくなるため、鋼管上端部１２ＢＵの局部座屈の発生をより確実に抑制することができる。なお、鋼管下端部１２ＢＬについても同様である。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
従って、局部座屈Ｋの発生を抑制する観点からすると、縦補強リブ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、縦補強リブ２０の長さＬはＤ≦Ｌ≦２Ｄとすることが望ましい。これにより、縦補強リブ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。
【００３７】
更に、本実施形態では、鋼管上端部１２ＢＵ及び鋼管下端部１２ＢＬの外側面に縦補強リブ２０を設けるため、既存のコンクリート充填鋼管柱に対しても容易に縦補強リブ２０を適用し、面外剛性を付与することができる。従って、汎用性が向上する。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
次に、端部補強部材の変形例について説明する。なお、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。
【００４１】
先ず、図６（Ａ）及び図６（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種類の縦補強リブ２２，２４が用いられている。具体的には、縦補強リブ２２は、その長さＬ１が縦補強リブ２４の長さＬ２の略半分とされている。これらの縦補強リブ２２，２４は、軸方向を鋼管本体部１２Ｂの軸方向（矢印Ｚ方向）にすると共に、幅方向一端部２２Ａ，２４Ａ（図６（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。
【００４２】
このように縦補強リブ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、縦補強リブ２２，２４の材料コストを削減することができる。
【００４３】
また、全ての縦補強リブ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（縦補強リブ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。
【００４４】
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（縦補強リブ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。
【００４５】
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、縦補強リブ２２，２４の長さを変えたが、縦補強リブ２２，２４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。
【００４６】
次に、図７（Ａ）に示される変形例では、端部補強部材として断面Ｔ字形状の縦補強リブ２６が用いられている。縦補強リブ２６はＴ形鋼で構成されており、そのフランジ部２６Ｆが鋼管上端部１２ＢＵの外側面と対向するように配置されると共に、そのウェブ部２６Ｗの幅方向一端部が鋼管上端部１２ＢＵの外側面に突き当てられて溶接等で接合されている。
【００４７】
このように縦補強リブ２６のフランジ部２６Ｆを鋼管上端部１２ＢＵの内側面に対向させることにより、フランジ部２６Ｆ及び鋼管上端部１２ＢＵの側壁の断面２次モーメントが増加する。これにより、鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性が飛躍的に大きくなる。従って、鋼管上端部１２ＢＵの局部座屈の発生をより確実に抑制することができる。
【００４８】
なお、図示を省略するが、縦補強リブとしては、Ｃ形鋼、Ｌ形鋼、Ｈ形鋼、Ｉ形鋼等を用いても良い。また、図７（Ｂ）に示されるように、鋼管上端部１２ＢＵの外側面に端部補強部材としての鉄筋、ＰＣ鋼棒等からなる棒状部材３０を溶接等で接合しても良い。
【００４９】
次に、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示される変形例では、端部補強部材としてメッシュ筋３２が用いられている。メッシュ筋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おり、鋼管上端部１２ＢＵの各外側面に溶接等で接合されている。このように隣接する縦筋３２Ａを複数の横筋３２Ｂで連結することにより、鋼管上端部１２ＢＵに付与される面外剛性が大きくなる。
【００５０】
次に、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示される変形例では、端部補強部材として横補強リブ３８が用いられている。横補強リブ３８は、鋼管本体部１２Ｂの軸方向（矢印Ｚ方向）に間隔を空けて複数（本変形例では、２つ）設けられている。各横補強リブ３８は板状の鋼板で構成され、軸方向を柱鋼管１２の幅方向（周方向）にすると共に、幅方向一端部３８Ａ（長手方向に沿った一端部、図９（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に面外剛性が付与されている。また、鋼管本体部１２Ｂの幅をＤとしたときに、鋼管上端部１２ＢＵの上端から、鋼管中間部１２ＢＭに最も近い（最下段）横補強リブ３８までの距離Ｈは１．０Ｄ以上とされている。
【００５１】
このように横補強リブ３８によって鋼管上端部１２ＢＵを補強することにより、縦補強リブ２０によって鋼管上端部１２ＢＵを補強する構成（図１参照）と比較して、鋼管上端部１２ＢＵの軸剛性を小さく抑えつつ、鋼管上端部１２ＢＵの面外剛性を大きくすることができる。従って、鋼管上端部１２ＢＵの局部座屈の発生を効率的に抑制することができる。
【００５２】
また、図１０に示されるように、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、隣接する横補強リブ３８の間隔（ピッチ）Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４を鋼管仕口部１２Ａから鋼管中間部１２ＢＭに向って広くし（Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３＜Ｈ４）、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することも可能である。これにより、過剰な補強を無くすことができる。また、鋼管中間部１２ＢＭに最も近い（最下段）横補強リブ３８付近の鋼管中間部１２ＢＭに対する応力集中が低減されるため、当該鋼管中間部１２ＢＭの局部座屈の発生が抑制される。
【００５３】
なお、本変形例では、隣接する横補強リブ３８の間隔を変えたが、隣接する横補強リブ３８の板厚や材料強度を変えても良いし、隣接する横補強リブ３８の間隔や、板厚、材料強度が異なる横補強プレートを適宜組み合わせて用いても良い。また、鋼管本体部１２Ｂの周方向に隣接する横補強リブ３８を環状に連結しても良い。
【００５４】
次に、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示される変形例では、端部補強部材として外殻部材４０が用いられている。外殻部材４０は、鋼管上端部１２ＢＵの外側面を覆う一対の外殻板４０Ａ，４０Ｂを有している。これらの外殻板４０Ａ，４０Ｂは断面Ｃ字形状の鋼板で構成され、鋼管上端部１２ＢＵの外側面を囲むように鋼管上端部１２ＢＵに溶接等によって取り付けられている。また、各外殻板４０Ａ，４０Ｂの高さＴは、鋼管本体部１２Ｂの幅Ｄの１．０倍以上とされている。これにより、鋼管上端部１２ＢＵの各側壁に面外剛性が付与されている。
【００５５】
このように外殻部材４０で鋼管上端部１２ＢＵを補強することにより、鋼管上端部１２ＢＵの板厚を厚くした場合と同様の効果を得ることができる。なお、本実施形態では、断面Ｃ字形状の外殻板４０Ａ，４０Ｂを鋼管上端部１２ＢＵに取り付けたが、平板状の４つの鋼板を鋼管上端部１２ＢＵの各外側面にそれぞれ取り付けても良い。
【００５６】
なお、上記実施形態では、縦補強リブ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にのみ面外剛性を付与したが、これに限らない。柱鋼管１２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補強されていれば良く、例えば、図１２に示されるように、補強手段としての縦補強リブ２０に加えて、柱鋼管１２の全長に渡る補強手段としての補強リブ５２を柱鋼管１２の外側面に溶接等で接合しても良い。この場合、端部補強部材としての縦補強リブ２０の分だけ、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。
【００５７】
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。
【００５８】
更に、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）等でも良い。
【００５９】
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】
【００６０】
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（軸方向中間部）
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 縦補強リブ（補強手段、端部補強部材）
２２ 縦補強リブ（補強手段、端部補強部材）
２４ 縦補強リブ（補強手段、端部補強部材）
２６ 縦補強リブ（補強手段、端部補強部材）
３０ 棒状部材（補強手段、端部補強部材）
３２ メッシュ筋（補強手段、端部補強部材）
３８ 横補強リブ（補強手段、端部補強部材）
４０ 外殻部材（補強手段、端部補強部材）
５２ 補強リブ（補強手段）
【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、
前記柱鋼管の外側面に設けられ、前記鋼管本体部における軸方向中間部の面外剛性に対し、該鋼管本体部における軸方向端部の面外剛性が大きくなるように前記柱鋼管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を補強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の面外剛性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軸方向端部を補強する請求項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、
前記柱鋼管の外側面に設けられ、前記鋼管本体部における軸方向中間部の面外剛性に対し、該鋼管本体部における軸方向端部の面外剛性が大きくなるように前記柱鋼管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を補強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の面外剛性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軸方向端部を補強する請求項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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２５５２８５（Ｐ２０１２−２５５２８５Ａ）
【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２０１１−１２８５１５（Ｐ２０１１−１２８５１５）
【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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