(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023149871
(43)【公開日】2023-10-16
(54)【発明の名称】ハイブリッド梁の設計方法
(51)【国際特許分類】
E04C 3/293 20060101AFI20231005BHJP
【ＦＩ】
E04C3/293
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022058658
(22)【出願日】2022-03-31
(71)【出願人】
【識別番号】000140292
【氏名又は名称】株式会社奥村組
(74)【代理人】
【識別番号】110002170
【氏名又は名称】弁理士法人翔和国際特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】110000800
【氏名又は名称】デロイトトーマツ弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】山上 聡
(72)【発明者】
【氏名】岸本 剛
(72)【発明者】
【氏名】小山 慶樹
(72)【発明者】
【氏名】岡 靖弘
(72)【発明者】
【氏名】反町 敦
【テーマコード（参考）】
2E163
【Ｆターム（参考）】
2E163FA12
2E163FF13
2E163FF15
(57)【要約】
【課題】ＳＲＣ造の梁端部に埋め込まれた鉄骨による梁主筋の付着応力度への影響を考慮することが可能なハイブリッド梁の設計方法を提供する。
【解決手段】鉄骨１２からなる鉄骨梁１４の梁端部がＲＣ部に埋設して構成されるＳＲＣ造梁部１５の、先端部に定着ピース１８が設けられた梁主筋１６の付着応力度を算定する際、梁主筋１６が引張側にあるときは、梁主筋１６の実際の長さＬよりも減じた長さを梁主筋１６の付着長さとし、梁主筋１６が圧縮側にあるときは、梁主筋１６の実際の長さＬをそのまま付着長さとする。
【選択図】図４
【解決手段】鉄骨１２からなる鉄骨梁１４の梁端部がＲＣ部に埋設して構成されるＳＲＣ造梁部１５の、先端部に定着ピース１８が設けられた梁主筋１６の付着応力度を算定する際、梁主筋１６が引張側にあるときは、梁主筋１６の実際の長さＬよりも減じた長さを梁主筋１６の付着長さとし、梁主筋１６が圧縮側にあるときは、梁主筋１６の実際の長さＬをそのまま付着長さとする。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
鉄骨からなる鉄骨梁の梁端部が鉄筋コンクリート部に埋設して構成される鉄骨鉄筋コンクリート造梁部の、先端部に定着具が設けられた梁主筋の付着応力度を算定する際、前記梁主筋が引張側にあるときは、前記梁主筋の実際の長さよりも減じた長さを前記梁主筋の付着長さとし、前記梁主筋が圧縮側にあるときは、前記梁主筋の実際の長さをそのまま付着長さとすることを特徴とするハイブリッド梁の設計方法。
【請求項2】
前記梁主筋が引張側にあるときは、前記主梁筋の直径をｄh、前記梁主筋の終局限界状態における応力度の差をΔσ、前記梁主筋の前記鉄骨鉄筋コンクリート造梁部内における実際の付着長さをＬ、前記鉄骨鉄筋コンクリート梁部の有効せいをｄとして、前記梁主筋の設計用付着応力度τfをΤf＝ｄh・Δσ／｛４（Ｌ－０．５ｄ）｝として算定することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド梁の設計方法。
【請求項3】
前記梁主筋が圧縮側にあるときは、前記主梁筋の直径をｄh、前記梁主筋の終局限界状態における応力度の差をΔσ、前記梁主筋の前記鉄骨鉄筋コンクリート梁部内における実際の付着長さをＬ、前記鉄骨鉄筋コンクリート造梁部の有効せいをｄとして、前記梁主筋の設計用付着応力度τfを、Τf＝ｄh・Δσ／４Ｌとして算定することを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド梁の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ハイブリッド梁の設計方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、中央部が鉄骨（Ｓ）造であり、両端部は鉄骨を鉄筋コンクリート（ＲＣ）で覆った複合構造の梁（ハイブリッド梁）を梁躯体とする建物が増加している（例えば、特許文献１から３参照）。ハイブリッド梁は、中央部がＳ造であるため、ＲＣ造の梁と比較して梁自重の軽減及び梁せいの減少を図ることができるので、梁のロングスパン化、コスト低減、平面計画の自由度の増大が可能になるなどの利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２１－１１３４６４号公報
【特許文献2】特開２０２１－１１３４６５号公報
【特許文献3】特開２０２１－１１３４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、従来のハイブリッド梁は、ＳＲＣ造の梁端部における梁主筋の付着長さをＲＣ造の場合と同様にして、梁主筋の付着応力度を算定していた。しかし、これでは、ＳＲＣ造の梁端部に埋め込まれた鉄骨による梁主筋の付着応力度への影響が考慮されていない。
【0005】
本発明は、以上の点に鑑み、ＳＲＣ造の梁端部に埋め込まれた鉄骨による梁主筋の付着応力度への影響を考慮することが可能なハイブリッド梁の設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のハイブリッド梁の設計方法は、鉄骨からなる鉄骨梁の梁端部が鉄筋コンクリート部に埋設して構成される鉄骨鉄筋コンクリート造梁部の、先端部に定着具が設けられた梁主筋の付着応力度を算定する際、前記梁主筋が引張側にあるときは、前記梁主筋の実際の長さよりも減じた長さを前記梁主筋の付着長さとし、前記梁主筋が圧縮側にあるときは、前記梁主筋の実際の長さをそのまま付着長さとすることを特徴とする。
【0007】
本発明によれば、鉄骨梁の梁端部が埋設されてなる鉄骨鉄筋コンクリート造梁部の、先端部に定着具が設けられた梁主筋の付着応力度を算定する際、下述する実験結果から、梁主筋が引張側にあるときは、梁主筋の実際の長さよりも減じた長さを梁主筋の付着長さとしている。これにより、鉄骨鉄筋コンクリート造梁部のひび割れ幅を考慮して許容せん断応力を算定することが可能となる。鉄骨鉄筋コンクリート造梁部に埋設されている鉄骨の影響を考慮して、梁主筋の付着長さを定めることが可能となる。
【0008】
そして、本発明のハイブリッド梁の設計方法において、下述する試験結果から、例えば、前記梁主筋が引張側にあるときは、前記主梁筋の直径をｄh、前記梁主筋の終局限界状態における応力度の差をΔσ、前記梁主筋の前記鉄骨鉄筋コンクリート造梁部内における実際の付着長さをＬ、前記鉄骨鉄筋コンクリート造梁部の有効せいをｄとして、前記梁主筋の設計用付着応力度τfをΤf＝ｄh・Δσ／｛４（Ｌ－０．５ｄ）｝として算定することが好ましい。
【0009】
また、本発明のハイブリッド梁の設計方法において、下述する試験結果から、例えば、前記梁主筋が圧縮側にあるときは、前記主梁筋の直径をｄh、前記梁主筋の終局限界状態における応力度の差をΔσ、前記梁主筋の前記鉄骨鉄筋コンクリート造梁部内における実際の付着長さをＬ、前記鉄骨鉄筋コンクリート造梁部の有効せいをｄとして、前記梁主筋の設計用付着応力度τfを、Τf＝ｄh・Δσ／４Ｌとして算定することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の実施形態に係るハイブリッド梁の設計方法が適用されるハイブリッド梁の一例を示す概略正面図。
【図2】試験体の概略縦断面図。
【図4】ハイブリッド梁の部分概略正面図と、引張応力及び曲げ応力とＳＲＣ造梁部の柱からの距離との関係を示すグラフ。
【図5】試験体Ｎｏ．４－５における引張ひずみとその計測箇所との関係を示すグラフ。
【図6】試験体Ｎｏ．４－６における引張ひずみとその計測箇所との関係を示すグラフ。
【図7】試験体Ｎｏ．４－５における圧縮ひずみとその計測箇所との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明の実施形態に係るハイブリッド梁の設計方法が適用されるハイブリッド梁１０の一例について図面を参照して説明する。本設計方法が適用されるハイブリッド梁は、例えば、上記特許文献１から３に記載されたものである。なお、図１から図４は模式的に説明するための図であり、寸法はデフォルメされている。
【0012】
ハイブリッド梁１０は、図１に示すように、対向する柱１１の間に架け渡されたＨ型鋼やＩ型鋼等の型鋼からなる鉄骨１２の両端部が鉄筋コンクリート（ＲＣ）造の構造体１３に埋設されてなる梁である。なお、ハイブリッド梁１０は、図示しないが、ＲＣ造の基礎と一体化したＲＣ造の構造体に鉄骨１２の端部が埋設されてなるものであってもよい。
【0013】
ハイブリッド梁１０は、その中央部が、鉄骨１２がそのまま露出した鉄骨造梁部（Ｓ造梁部）１４となっており、その両端部が、鉄骨１２がＲＣ造の構造体１３で覆われたＳＲＣ造梁部１５となっている。
【0014】
柱１１は、鉄筋コンクリート造からなるものであり、詳細は図示しないが、内部に、複数の柱主筋、及び柱主筋を囲繞するせん断補強筋などが配筋されている。
【0015】
ＳＲＣ造梁部１５は、図２及び図３を参照して、その内部に、鉄骨１２、鉄骨１２の上方および下方に配置されハイブリッド梁１０の長手方向に沿って延在する複数の梁主筋１６、及び、これら梁主筋１６を囲繞する複数のせん断補強筋１７などが設けられている。梁主筋１６は柱１１内まで延びている。また、梁主筋１６の柱梁接合部への定着は、定着金物あるいは折り曲げ定着により行われる。梁主筋１６の先端部には定着ピース１８が設けられている。定着ピース１８は、梁主筋１６の先端のねじ部に螺合するナット部と、このナット部に固定された鋼鉄板とからなっている、なお、定着ピース１８は本発明の定着具に相当する。本発明の定着具として、定着ピース１８に替えて、１８０°フックや機械式定着具などを用いることができる。
【0016】
そして、ＳＲＣ造梁部１５の基端部（柱１１側の端部）及び先端部（Ｓ造梁部１４側の端部）においては、せん断補強筋１７が配筋されている中間領域よりも間隔が狭く密に集中補強筋（せん断補強筋）１９が配筋されている。また、各せん断補強筋１７及び集中補強筋１９には、中子筋２０が配筋されている。
【0017】
さらに、必要に応じて、ＳＲＣ造梁部１５の内部の鉄骨１２において、終端部（柱１１側の端部）及び始端部（Ｓ造梁部１４側の端部）に、左右の上フランジと下フランジとの間をそれぞれ接続する鉄鋼製のリブプレート（塞ぎ板）２１が隅肉溶接により設けられていてもよい。なお、リブプレート２１の板厚は鉄骨１２のウエブの厚さ以上であることが好ましい。
【0018】
そして、ＳＲＣ造梁部１５は、現場打ちコンクリートで製作される。コンクリートは、普通コンクリートでも、繊維補強コンクリートでもよい。
【0019】
ハイブリッド梁１０を備えた建築物の設計を行う場合、その梁端部であるＳＲＣ造梁部１５においては、終局限界状態における梁主筋１６の設計用付着応力度τfが付着信頼強度τhuを下回ることが前提となる。そのため、梁主筋１６の設計用付着応力度τfを求める必要がある。梁主筋１６が多段配置された部材では、設計用付着応力度τfは、断面内でＲＣ部材せいＤの引張側、圧縮側のそれぞれ１／４の範囲に配筋されている全ての梁主筋１６について確認する必要がある。なお、設計用作用せん断力が、付着破壊の影響を考慮したせん断信頼強度Ｖhuを下回ることを確認すれば、付着強度は確保されていると考えてもよい。
【0020】
ＳＲＣ造梁部１５は、ハイブリッド梁１０の端部に位置して、梁主筋１６の先端部に定着ピース１８が設けられているため、付着長さを引張側と圧縮側とに分けて考える。
【0021】
ＳＲＣ造梁部１５における梁主筋１６の引張側と圧縮側の付着長さを定めるために、以下で説明する試験体を用意した。
【0022】
試験体として、Ｎｏ．４－１～Ｎｏ．４－６の合計６体の試験体を用意した。各試験体の緒元を表１にまとめた。試験体Ｎｏ．４－１～Ｎｏ．４－４は曲げ降伏型とあり、試験体Ｎｏ．４－５及びＮｏ．４－６はせん断破壊型であった。
【0023】
【表1】
【0024】
試験体は、実建物を１／２から２／３程度に縮小したものを想定して寸法を定めた。図２及び図３を参照して、片持ち状態である試験体の加力点までの距離Ｌ1は２４２５ｍｍであり、反曲点間の距離Ｌ2は２３５０ｍｍであった。
【0025】
試験体Ｎｏ．４－１においては、鉄骨１２として、高さ（Ｓ造梁部１４の梁せい）５００ｍｍ、辺の長さ（Ｓ造梁部１４の梁幅）２００ｍｍ、ウエブの厚さ９ｍｍ、フランジの厚さ１６ｍｍのＳＮ４９０ＢからなるＨ型鋼を用いた。この鉄骨１２のＳＲＣ造梁部１５への埋め込み長さは１０００ｍｍであり、リブプレート２１は設けなかった。
【0026】
試験体Ｎｏ．４－１においては、ＳＲＣ造梁部１５は、高さ（梁せい）ｄが８００ｍｍ、幅（梁幅）６５０ｍｍ、長さ１０７５ｍｍであり、設計基準強度Ｆｃが３６Ｎ／ｍｍ2のコンクリートを用いて形成した。
【0027】
試験体Ｎｏ．４－１においては、ＳＲＣ造梁部１５において、梁主筋１６として、直径１９ｍｍのＳＤ３９０からなる鉄筋を上段及び下段に水平方向に８本ずつ、その内側に２本ずつ配筋した。中間領域のせん断補強筋１７として、直径８ｍｍのＫＳＳ７８５からなる鉄筋を、梁主筋１６を囲繞させて６０ｍｍの間隔で配筋した。さらに、ＳＲＣ造梁部１５の始端部に集中補強筋１９として、直径１０ｍｍのＫＳＳ７８５からなる鉄筋で梁主筋１６を囲繞させて３０ｍｍの間隔で５組配筋した。また、ＳＲＣ造梁部１５の終端部に集中補強筋１９として、直径８ｍｍのＫＳＳ７８５からなる鉄筋で梁主筋１６を囲繞させて３０ｍｍの間隔で５組配筋した。
【0028】
そして、試験体Ｎｏ．４－１においては、ＳＲＣ造梁部１５の端部のせん断余裕度（＝曲げ耐力時のせん断耐力JＱU_vu／せん断耐力時のせん断耐力JＱU_mu）は、１を超えており、破壊形式は、曲げ破壊形式である。
【0029】
試験体Ｎｏ.４－２は、試験体Ｎｏ.４－１とは、ＳＲＣ造梁部１５の梁せいｄが６７０ｍｍと低く、集中補強筋１９の配筋を４組ずつに減じた点のみが相違する。
【0030】
試験体Ｎｏ.４－３は、試験体Ｎｏ.４－２とは、ＳＲＣ造梁部１５の梁幅が５００ｍｍと狭く、せん断補強筋１７の間隔を７５ｍｍに広げた点のみが相違する。試験体Ｎｏ.４－４は、試験体Ｎｏ.４－２とは、ＳＲＣ造梁部１５の始端部及び終端部において、鉄骨１２のウエブと同じ厚さの鋼板からなるリブプレート２１を隅肉溶接で鉄骨１２に固定した点のみが相違する。
【0031】
試験体Ｎｏ.４－５は、試験体Ｎｏ.４－３とは、ＳＲＣ造梁部１５の上段及び下段における梁主筋１６の本数を６本ずつに削減した点のみが相違する。試験体Ｎｏ.４－６は、試験体Ｎｏ.４－５とは、ＳＲＣ造梁部１５に設計基準強度Ｆｃを３０Ｎ／ｍｍ2に低下させたコンクリートを用いた点のみが相違する。
【0032】
上述した各試験体を用いて載荷試験を行った。この試験は、各試験体の基端を固定した片持ち梁の形式により、鉄骨１２の自由端側の加力点にジャッキにより荷重を付加した。なお、図示しないが、載荷に伴う変形によりＳ造梁部１４にねじれが生じないようにＳ造梁部１４の先端に図示しないが面外振れ止め装置を取り付けた。また、最上段及び最下段の梁主筋１６に、それぞれ複数個所にひずみゲージを貼り付けた。
【0033】
載荷は、Ｓ造梁部１４の先端の撓み角が±（１／４００，１／２００，１／１００）ｒａｄの３水準を順次行った。なお、Ｓ造梁部１４の上端が引張となる方向が正方向である。ひずみゲージからひずみ量を検出した。
【0034】
例として、図５に試験体Ｎｏ.４－５の試験結果を、図６に試験体Ｎｏ.４－６の試験結果をそれぞれ示した。これらは、それぞれ、最上段の梁主筋１６の５か所に貼り付けたひずみゲージによる測定結果である。他の試験体Ｎｏ.４―１～４－４もこれらと同様の試験結果であった。ただし、試験体Ｎｏ.４－１、４－２、４－４はひずみゲージは３か所ずつにしか貼り付けていなかった。
【0035】
これらの試験結果から、図４も参照して、Ｌを柱１１のＳＲＣ造梁部１５側の面から定着ピース１８までの距離（ＳＲＣ造梁部１５内の梁主筋１６の長さ）、ｄをＳＲＣ造梁部１５の有効せいとしたとき、柱１１のＳＲＣ造梁部１５側の面から（Ｌ－０．５ｄ）までの範囲においては、各撓み角においてひずみ量はほぼ一定であり、これを超えた範囲においては、ひずみ量が低減していることが分かる。
【0036】
また、ＳＲＣ造梁部１５の梁主筋１６が降伏する撓み角は約１／１００ｒａｄであり、その時点で、梁主筋１６が降伏ひずみに概ね達している範囲はＳＲＣ造梁部１５の基端より０．５ｄ程度までの範囲であった。これにより、圧縮側の梁主筋１６の付着長さは（Ｌ－０．５ｄ）とすればよいことが分かる。
【0037】
このことから、引張側の梁主筋１６の設計用付着応力度τfは、次式（１）により算出すればよい。
Τf＝ｄh・Δσ／｛４（Ｌ－０．５ｄ）｝ ・・・ （１）
ここで、ｄhはＳＲＣ造梁部１５の主梁筋１６の直径である。
Τf＝ｄh・Δσ／｛４（Ｌ－０．５ｄ）｝ ・・・ （１）
ここで、ｄhはＳＲＣ造梁部１５の主梁筋１６の直径である。
【0038】
Δσは、終局限界状態におけるＳＲＣ造梁部１５の梁主筋１６の応力度の差であり、平面保持の仮定に基づく構造解析により求めればよい。なお、実験時のＳＲＣ造梁部１５梁主筋１６のひずみに着目すると、基端部から先端部に向かってひずみ量は減少している。梁主筋１６は、カットオフ鉄筋ではなく、定着ピース１８が取り付けられた先端部において、約１０００μｍのひずみが生じていた。これは、梁主筋１６を構成する素材であるＳＤ４５０の降伏強度の約０，４倍の引張応力が生じていたことを意味する。
【0039】
なお、材質がＳＤ３９０からなる梁主筋１６を用いて実験した場合も同じ程度のひずみが生じた。この場合、ＳＤ３９０の降伏強度の約０，５倍の引張応力が生じていたことになる。また、破損につながるような損傷は生じていなかった。これより、Δσは、式（２）によって算定してもよい。
ＳＤ３９０の場合 Δσ＝σyu－０．５σy
ＳＤ４９０の場合 Δσ＝σyu－０．４σy ・・・ （２）
ここで、σyuは梁主筋１６の上限強度算定用強度であり、σyは梁主筋１６の降伏強度である。
ＳＤ３９０の場合 Δσ＝σyu－０．５σy
ＳＤ４９０の場合 Δσ＝σyu－０．４σy ・・・ （２）
ここで、σyuは梁主筋１６の上限強度算定用強度であり、σyは梁主筋１６の降伏強度である。
【0040】
一方、圧縮側の梁主筋１６の例として、図７に試験体Ｎｏ.４－５の試験結果を示した。他の試験体Ｎｏ.４―１～４－４、４－６もこれらと同様の試験結果であった。これらは、それぞれ、最下段の梁主筋１６の５か所に貼り付けたひずみゲージによる測定結果である。
【0041】
これらの試験結果から、圧縮側の梁主筋１６のひずみは、ＳＲＣ造梁部１６の基端部で最大となるが降伏ひずみには達せず、先端部ではほとんどひずみは生じていない。これにより、圧縮側の梁主筋１６にヒンジ領域は存在せず、付着長さは実際の長さＬのままでよいことが分かる。
【0042】
よって、圧縮側の梁主筋１６の設計用付着応力度τfは、次式（３）、（４）により算出すればよい。
Τf＝ｄh・Δσ／４Ｌ ・・・ （３）
Δσ＝σyu ・・・ （４）
Τf＝ｄh・Δσ／４Ｌ ・・・ （３）
Δσ＝σyu ・・・ （４）
【0043】
なお、上述した各計算式は、鉄骨１２のＳＲＣ造梁部１５への埋め込み長さや、リブプレート２１を設けたか否かには依存しない。
【0044】
なお、本発明の設計方法は、上述した実施形態に具体的に記載したハイブリッド梁１０に限定して適用されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内であれば適宜変更することができる。
【符号の説明】
【0045】
１０…ハイブリッド梁、 １１…柱、 １２…鉄骨、 １３…鉄筋コンクリート（ＲＣ）造の構造体、 １４…鉄骨造梁部（Ｓ造梁部）、 １５…鉄骨鉄筋コンクリート造梁部（ＳＲＣ造梁部）、 １６…梁主筋、 １７…せん断補強筋、 １８…定着ピース（定着具）、 １９…集中補強筋、 ２０…中子筋、 ２１…リブプレート。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】