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特許6223225鉄筋コンクリート柱

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6223225

(24)【登録日】2017年10月13日

(45)【発行日】2017年11月1日

(54)【発明の名称】鉄筋コンクリート柱

(51)【国際特許分類】

E04B 1/20 20060101AFI20171023BHJP

E04C 5/01 20060101ALI20171023BHJP

E04C 3/34 20060101ALI20171023BHJP

E04B 1/94 20060101ALI20171023BHJP

【ＦＩ】

E04B1/20 F

E04C5/01

E04C3/34

E04B1/94 T

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-32443(P2014-32443)

(22)【出願日】2014年2月24日

(65)【公開番号】特開2015-158055(P2015-158055A)

(43)【公開日】2015年9月3日

【審査請求日】2016年11月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000206211

【氏名又は名称】大成建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100064414

【弁理士】

【氏名又は名称】磯野道造

(74)【代理人】

【識別番号】100111545

【弁理士】

【氏名又は名称】多田悦夫

(74)【代理人】

【識別番号】100129067

【弁理士】

【氏名又は名称】町田能章

(72)【発明者】

【氏名】加藤雅樹

(72)【発明者】

【氏名】道越真太郎

【審査官】星野聡志

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３−２５３４４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】登録実用新案第３１４７６９９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００８−０２５２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９−０３９７６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７−０９０９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０８１０４２４２（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ０４Ｂ１／２０

Ｅ０４Ｂ１／９４

Ｅ０４Ｃ３／３４

Ｅ０４Ｃ５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

主筋が配筋された鉄筋コンクリート柱であって、
前記主筋の長手方向の中央部は、高強度鉄筋からなり、
前記主筋の他の部分は、前記高強度鉄筋に連結された普通鉄筋からなることを特徴とする、鉄筋コンクリート柱。

【請求項2】

前記高強度鉄筋と前記普通鉄筋とが摩擦圧接により接合されていることを特徴とする、請求項１に記載の鉄筋コンクリート柱。

【請求項3】

主筋が配筋された鉄筋コンクリート柱であって、
長手方向の中央部において、前記主筋の内側に鉄筋が添設されていることを特徴とする、鉄筋コンクリート柱。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉄筋コンクリート柱に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の鉄筋コンクリート柱の構造設計では、地震時等の外力に対して十分な耐力を発現し得るコンクリート強度や配筋量について検討するものの（例えば、特許文献１参照）、軸力に対する座屈破壊の検討を行うことは一般的ではなかった。

【0003】

鉄筋コンクリート柱は、建築基準法施行令第７７条第５号によって径長さ比（柱高さ／断面の小径）が１５以下に制限されていたため、柱高さ（柱の長さ）に対して十分な大きさの断面寸法（太さ）を有しており、座屈破壊に対して十分な耐力を備えていると考えられていた。

【0004】

また、特許文献２には、地震時の応力が大きくなる部分である柱頭部および柱脚部（高強度部分）と、それ以外の中央部（普通強度部分）において、強度が異なる鉄筋材を主筋として用いた鉄筋コンクリート柱が開示されているが、座屈防止を目的として主筋の高強度部分と普通強度部分が設定されたものではない。

【0005】

ところが、平成２３年の建築基準法の法改正により、鉄筋コンクリート柱に座屈が発生しないことが確認されれば、径長さ比を１５以上にすることが可能となった。
このような長柱については、オイラー座屈の式を用いて座屈耐力の算定を行うのが一般的である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０−２６１２８５号公報

【特許文献2】実用新案登録第３１４７６９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

火災時における鉄筋コンクリート柱は、外部からの加熱により部材表層コンクリートの温度が断面中央に比べて早期に上昇する。その結果、部材表層コンクリートの圧縮強度やヤング係数が低下するため（図５、図６参照）、表層部に配置される主筋に作用する応力が増加する。主筋に作用する応力が降伏点を越えて主筋が降伏すると、主筋のヤング係数が急激に低下し、部材全体のヤング係数も大幅に低下する。そのため、常温時に構造設計において座屈しないように設計された鉄筋コンクリート柱であっても、火災時における座屈の発生が懸念される。

【0008】

本発明は、前記の問題点を解決するためになされたものであって、火災などにより加熱された場合であっても、安全性が確保された鉄筋コンクリート柱を提案することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記の課題を解決するために、第一の発明に係る鉄筋コンクリート柱は、主筋の長手方向の中央部は高強度鉄筋からなり、前記主筋の他の部分は前記高強度鉄筋に連結された普通鉄筋からなることを特徴としている。
なお、前記高強度鉄筋と前記普通鉄筋とは、摩擦圧接により接合されているのが望ましい。

【0010】

かかる鉄筋コンクリート柱によれば、座屈が生じやすいとされる長手方向の中央部に高強度鉄筋を配筋して主筋の降伏点が高められているため、座屈耐力を向上させることができる。
また、比較的高価な高強度鉄筋を主筋の中央部のみに採用しているため、コスト低減化を図ることができる。
また、本発明によれば、柱の断面積や鉄筋量を増加させなくても座屈耐力を高めることができるので、材料費や施工時の手間の増加を抑制することができる。

【0011】

また、第二の発明に係る鉄筋コンクリート柱は、長手方向の中央部において、主筋の内側に鉄筋（補強筋）が添設されていることを特徴としている。

【0012】

かかる鉄筋コンクリート柱によれば、補強筋によって主筋の降伏点が高められているため、座屈耐力を向上させることができる。
また、補強筋は、主筋の内側に配筋されているため、外側の主筋に比べ温度上昇が遅いので圧縮強度やヤング係数の低下が遅く座屈耐力の低下を遅らせることができる。さらに、補強筋のかぶり厚さ確保のために柱の断面積を大きくする必要がない。

【発明の効果】

【0013】

本発明の鉄筋コンクリート柱によれば、火災などにより加熱された場合であっても、安全性を確保することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第一の実施形態に係る鉄筋コンクリート柱を示す斜視図である。

【図2】（ａ）第二の実施形態に係る鉄筋コンクリート柱を示す斜視図、（ｂ）は同断面図である。

【図3】（ａ）〜（ｃ）は鉄筋コンクリート柱の主筋と、計算モデルを示す模式図である。

【図4】（ａ）〜（ｃ）は図３に示す計算モデルの経過時間と座屈耐力との関係を示すグラフである。

【図5】鉄筋の温度と降伏点との関係を示すグラフである。

【図6】（ａ）はコンクリートの温度と圧縮強度の関係を示すグラフ、（ｂ）はコンクリートの温度とヤング係数の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

＜第一の実施形態＞
本実施形態では、径長さ比が１５を超える鉄筋コンクリート柱１について説明する。
本実施形態の鉄筋コンクリート柱１は、図１に示すように、断面正方形のコンクリート硬化体２と、コンクリート硬化体の各角部に配筋された主筋３，３，…とからなる。

【0016】

主筋３は、主筋の長手方向中央部が高強度鉄筋３ａからなり、その他の部分が普通鉄筋３ｂからなる。
主筋３を構成する高強度鉄筋３ａと普通鉄筋３ｂ，３ｂは、端面同士を突き合わせた状態で摩擦圧接により接合されている。

【0017】

本実施形態では、高強度鉄筋３ａとして、降伏点が高いＵＳＤ６８５を使用し、普通鉄筋３ｂとしてＵＳＤ６８５よりも降伏点が低いＳＤ４９０を使用している（図５参照）。
なお、高強度鉄筋３ａおよび普通鉄筋３ｂを構成する材料は、前記のものに限定されない。

【0018】

高強度鉄筋３ａは、主筋３の全長に対して４０％程度の長さを有している。なお、高強度鉄筋３ａの長さは限定されない。
また、高強度鉄筋３ａおよび普通鉄筋３ｂは、同一の鉄筋径を有している。

【0019】

鉄筋コンクリート柱１は、火災時における部材表層コンクリートの温度が、断面中央に比べて早期に上昇して、その結果部材表層コンクリートの圧縮強度やヤング係数が低下するため（図５、図６参照）、表層部に配置される主筋にかかる力が増加する。主筋にかかる応力が降伏点を越えて主筋が降伏すると、主筋のヤング係数が急激に低下し、部材全体のヤング係数が低下するため、部材全体の曲げ剛性（Ｅ(t)・Ｉ）が大きく低下する。

【0020】

そのため、主筋３として高強度鉄筋３ａを使用することで、主筋３の降伏点を上昇させて、火災時に降伏させないようにする。
なお、高強度鉄筋３ａの長さは限定されない。

【0021】

本実施形態の鉄筋コンクリート柱１によれば、中央部に高強度鉄筋３ａを配筋して中央部主筋３の降伏点が高められているため、主筋が中央部で降伏し難く主筋の一部が降伏しても部材全体として座屈耐力の大幅な低減を抑えることができる（図４の（ｂ）参照）。座屈時に変形が大きくなる箇所とその付近のみの主筋を高強度化することにより、鉄筋コンクリート柱１の全長に渡って主筋を高強度化しなくとも、鉄筋コンクリート柱１の初期不整や不均一な加熱による二次曲げが座屈耐力の低減に与える影響を小さくすることができる。
また、主筋３を構成する高強度鉄筋３ａと普通鉄筋３ｂ，３ｂは、端面同士を突き合わせた状態で工場において摩擦圧接により接合されているので、ガス圧接継手、機械式継手、溶接式継手などに比べて、ふくらみが少なく外部から加熱された場合に、熱を受けやすいコンクリート表面に近い部分を減らすことができ、好適である。

【0022】

また、主筋３の中央部のみに高強度鉄筋３ａを採用しているため、主筋３の全てを高強度鉄筋にするのに比べて材料費においてはコスト低減化を図ることができる。
また、鉄筋コンクリート柱１は、主筋全てを普通鉄筋とした場合に比べて断面積や鉄筋量を増加させることなく座屈耐力を高めているので、材料費や施工時の手間の増加を抑制することができる。
そのため、開放的な空間の提供することができ、また、コンクリートの充填性が損なわれることない。

【0023】

＜第二の実施形態＞
第二の実施形態の鉄筋コンクリート柱１は、図２に示すように、断面正方形のコンクリート硬化体２と、コンクリート硬化体２の各角部に配筋された主筋３，３，…と、鉄筋コンクリート柱１の長手方向の中央部に配筋された補強筋４，４，…とからなる。

【0024】

本実施形態の補強筋４は、高強度鉄筋により構成されている。本実施形態では、補強筋４として、ＵＳＤ６８５を使用する。
一方、主筋３は、普通鉄筋からなる。本実施形態では、普通鉄筋としてＵＳＤ６８５よりも降伏点が低いＳＤ４９０を使用している（図５参照）。
なお、主筋３および補強筋４を構成する鉄筋の種類は限定されない。

【0025】

補強筋４は、図２の（ｂ）に示すように、主筋３の内側に沿って配筋（添設）されている。すなわち、補強筋４は、４本の主筋３，３，…で囲まれた領域（４本の主筋３，３，…を頂点とする矩形領域）内に配筋されている。本実施形態では、主筋３と同様に、４本の補強筋４，４，…が配筋されている。

【0026】

本実施形態の補強筋４は、主筋３長さの４０％程度の長さを有している。なお補強筋４の長さは限定されるものではなく、例えば、主筋３と同じ長さであってもよい。

【0027】

補強筋４は、軸方向中間点の高さ位置が、鉄筋コンクリート柱１の軸方向中間点の高さ位置と一致するように配筋されている。
また、本実施形態では、主筋３と補強筋４との離隔距離（あき）が２５ｍｍを確保できるようにする。なお、主筋３と補強筋４との離隔距離（あき）の大きさは限定されず、内側であれば主筋３に接してもよいし、平面視柱中心でもよい。

【0028】

高強度鉄筋３ａは、火災時に座屈による変形が大きくなる箇所に配筋されている。
鉄筋コンクリート柱１は、火災時における部材表層コンクリートの温度が、断面中央に比べて早期に上昇してその結果部材表層コンクリートの圧縮強度やヤング係数が低下するため（図５、図６参照）、表層部に配置される主筋にかかる力が増加する。主筋にかかる応力が降伏点を越えて主筋が降伏すると、主筋のヤング係数が急激に低下し、部材全体のヤング係数が低下するため、部材全体の曲げ剛性が大きく低下する。

【0029】

そのため、補強筋４を主筋３に添設することで、主筋３の降伏点を上昇させて、火災時に降伏させないようにする。

【0030】

本実施形態の鉄筋コンクリート柱１によれば、中央部に補強筋４を配筋して中央部主筋３にかかる応力が低減されているため、主筋が中央部で降伏し難く主筋の一部が降伏しても部材全体として座屈耐力の大幅な低減を抑えることができる（図４の（ｃ）参照）。座屈時に変形が大きくなる箇所とその付近のみの主筋に補強筋を配筋することにより、柱の全長に渡って補強筋を配筋しなくとも、鉄筋コンクリート長柱の初期不整や不均一な加熱による二次曲げが座屈耐力の低減に与える影響を小さくすることができる。

【0031】

また、鉄筋コンクリート柱１の中央部のみに補強筋４（高強度鉄筋）を採用しているため、コスト低減化を図ることができる。補強筋４は、主筋３の内側に配筋されているため、外側の主筋に比べ温度上昇が遅いので圧縮強度やヤング係数の低下が遅く座屈耐力の低下を遅らせることができるし、かぶり厚さ確保のために鉄筋コンクリート柱１の断面積を増加させる必要はない。
そのため、開放的な空間の提供することができ、また、コンクリートの充填性が損なわれることない。

【0032】

主筋３が高強度鉄筋３ａと普通鉄筋３ｂ，３ｂとが連結されてなる場合（図３の（ｂ）参照）と、普通鉄筋からなる主筋３に補強筋４が鉄筋コンクリート柱１の長手方向の中央部に添設されている場合（図３の（ｃ）参照）について、それぞれ火災時の座屈耐力を算出した。
なお、比較例として、主筋３が全長にわたって、高強度鉄筋（ＵＳＤ６８５）により構成されている場合（図３の（ａ）参照）と、普通鉄筋（ＳＤ４９０）からなる主筋のみが配筋された鉄筋コンクリート柱１についても火災時の座屈耐力を算出した。

【0033】

本計算では、図３の（ａ）〜（ｃ）に示すように、１辺が２５０ｍｍの断面正方形の鉄筋コンクリート柱について行った。
具体的な計算方法は次の通りである。

【0034】

まず、鉄筋コンクリート柱１の断面を１９６要素の集合体にモデル化する。
次に、想定される軸力が与えられた鉄筋コンクリート柱１の熱応力解析を行い、加熱開始後の時刻ｔにおける各要素の瞬間ヤング係数を算出する。
外力として軸力が与えられたコンクリート柱１における軸応力とひずみ（軸力ひずみε_σ）の関係は、温度毎に異なる。

【0035】

また、鉄筋コンクリート柱１には、熱膨張に伴う熱膨張ひずみε_thと、単位応力あたりの収縮ひずみである過渡ひずみε_trが生じる。
なお、過渡ひずみε_trは、例えば、４００℃のとき、単位応力あたりの収縮ひずみは約１．５×１０^２μ／（Ｎ／ｍｍ^２）であるので、軸応力が２０Ｎ／ｍｍ^２であれば、１．５×１０^２×２０＝３．０×１０^３μとなる。

【0036】

軸力（応力）とひずみの関係から得られる軸力ひずみε_σに、火災時の熱膨張により要素に発生する熱膨張ひずみε_thおよび火災時の圧縮力と温度により要素に発生する過渡ひずみε_trを加えたひずみを全ひずみε_totとする（式１）。

【0037】

【数1】

【0038】

なお、軸力ひずみε_σに熱膨張ひずみε_thを加えると全体のひずみ量は増加し、過渡ひずみε_trを加えると全体のひずみ量は減少するため、各要素の全ひずみε_totは、ひずみ軸に沿って平行移動する形となる。

【0039】

続いて、各要素の全ひずみε_totが等しくなる（平面保持）と仮定して、時刻ｔにおける熱応力解析を行うことで各要素の軸力ひずみε_σを算出し、当該軸力ひずみε_σに対応する瞬間ヤング係数Ｅ(t)を算出する。熱応力解析を行う際には、温度把握作業Ｓ１で求めたデータを使用する。
瞬間ヤング係数Ｅ (t)は、応力とひずみとの関係により求まる曲線との接線勾配により求めた。

【0040】

次に、各要素の曲げ剛性を断面全体で積分することで断面全体の曲げ剛性である全体曲げ剛性Ｅ(t)・Ｉを算出する。

【0041】

曲げ剛性は、各要素の瞬間ヤング係数Ｅ(t)に、断面全体の図心軸に関する断面二次モーメントＩを乗じることで算出する。

【0042】

各要素の曲げ剛性Ｅ(t)・Ｉを算出したら、式２を用いて断面全体で積分することで、時刻ｔにおける全体曲げ剛性を算出する。

【0043】

【数2】