特開 2024-217 二重鋼管コンクリート柱

(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】P2024000217

(43)【公開日】2024-01-05

(54)【発明の名称】二重鋼管コンクリート柱

(51)【国際特許分類】

   E04B 1/30 20060101AFI20231225BHJP

   E04C 3/36 20060101ALI20231225BHJP

【ＦＩ】

E04B1/30 A

E04C3/36

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022098873

(22)【出願日】2022-06-20

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．テフロン

(71)【出願人】

【識別番号】591205536

【氏名又は名称】ＪＦＥシビル株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000001258

【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(74)【代理人】

【識別番号】100105854

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 一

(74)【代理人】

【識別番号】100116012

【弁理士】

【氏名又は名称】宮坂 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100066980

【弁理士】

【氏名又は名称】森 哲也

(72)【発明者】

【氏名】入江 千鶴

(72)【発明者】

【氏名】川田 侑子

(72)【発明者】

【氏名】宮川 和明

(72)【発明者】

【氏名】田村 淳一

(72)【発明者】

【氏名】木下 智弘

(72)【発明者】

【氏名】竹内 雅人

【テーマコード（参考）】

2E163

【Ｆターム（参考）】

2E163FA02

2E163FF13

2E163FF17

2E163FG01

(57)【要約】

【課題】自重や積載荷重に対する抵抗力や地震時の繰り返し荷重に対する耐力に優れ、且つ経済的な二重鋼管コンクリート柱を提供する。
【解決手段】 上下方向に延在して配置され、上端が上部構造体４に連結され、下端が下部構造体１に連結された内側鋼管５と、上端が上部構造体に連結されず、下端が下部構造体に連結されずに、内側鋼管の外側に同軸に配置された外側鋼管６と、内側鋼管の外側と外側鋼管の内側とで囲まれた環状空間に充填されている第１コンクリート７と、を備え、内側鋼管は等辺の角形鋼管で構成され、外側鋼管は円形鋼管で構成されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

上下方向に延在して配置され、上端が上部構造体に連結され、下端が下部構造体に連結された内側鋼管と、
上端が前記上部構造体に連結されず、下端が前記下部構造体に連結されずに、前記内側鋼管の外側に同軸に配置された外側鋼管と、
前記内側鋼管の外側と前記外側鋼管の内側とで囲まれた環状空間に充填されている第１コンクリートと、を備え、
前記内側鋼管は等辺の角形鋼管で構成され、前記外側鋼管は円形鋼管で構成されている鋼管コンクリート柱。

【請求項2】

前記外側鋼管の外径をＢ、管厚をｔとし、前記内側鋼管の外幅をＢ１、管厚をｔ１としたとき、
Ｂ／ｔ ≦ ２００ 且つ Ｂ１／ｔ１ ≦ ４０
である請求項１記載の鋼管コンクリート柱。

【請求項3】

前記内側鋼管の内部空間に充填されている第２コンクリートを備えている請求項１記載の鋼管コンクリート柱。

【請求項4】

前記外側鋼管の外径をＢ、管厚をｔとしたとき、
Ｂ／ｔ ≦ ２００
である請求項３記載の鋼管コンクリート柱。

【請求項5】

前記外側鋼管は、高さ方向に分割された複数の分割鋼管体で構成され、前記上部構造体及び前記下部構造体に隣接する所定の前記分割鋼管体の管厚が、前記上部構造体及び前記下部構造体に隣接しない他の分割鋼管体の管厚より大きく設定されている請求項１又は２に記載の鋼管コンクリート柱。

【請求項6】

前記上部構造体及び前記下部構造体に隣接する所定の前記分割鋼管体の高さは、鋼管コンクリート柱全体の高さの10％以上である請求項５記載の鋼管コンクリート柱。

【請求項7】

前記外側鋼管は、高さ方向に分割された複数の分割鋼管体で構成され、前記上部構造体及び前記下部構造体に隣接する所定の前記分割鋼管体の管厚が、前記上部構造体及び前記下部構造体に隣接しない他の分割鋼管体の管厚より大きく設定されている請求項３又は４に記載の鋼管コンクリート柱。

【請求項8】

前記上部構造体及び前記下部構造体に隣接する所定の前記分割鋼管体の高さは、鋼管コンクリート柱全体の高さの10％以上である請求項７記載の鋼管コンクリート柱。

【請求項9】

前記第１コンクリートの内部に、柱補強筋が上下方向に延在して埋設されている請求項１又は２に記載の鋼管コンクリート柱。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、上部構造体及び下部構造体の間に連結された二重鋼管コンクリート柱に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、内側鋼管及び外側鋼管の二重管構造とし、その内部や隙間にコンクリートを充填した二重鋼管コンクリート柱が提案されている（例えば特許文献１の柱、特許文献２のコンクリート充填鋼管）。

【0003】

これら特許文献１、２の二重鋼管コンクリート柱によると、外側鋼管が鉄筋としての強度を発揮できるのに加え、型枠の機能も有し、柱の配筋作業や型枠脱着作業を縮小できるので、施工期間の短縮化や省力化を向上することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５－３０７７０２号公報

【特許文献2】特開２００６－２６５８５１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、特許文献１、２の二重鋼管コンクリート柱は、柱に作用する鉛直荷重、水平荷重、曲げモーメントに対して、内側鋼管、外側鋼管及び充填されているコンクリートの合成柱構造としての抵抗力が明確にされておらず、構成部材の形状、寸法、板厚などが最適にできないため、自重や積載荷重に対する抵抗力や地震時の繰り返し荷重に対する耐力に優れ、且つ経済的な柱を提供することが困難であった。

【0006】

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、自重や積載荷重に対する抵抗力や地震時の繰り返し荷重に対する耐力に優れ、且つ経済的な二重鋼管コンクリート柱を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る二重鋼管コンクリート柱は、上下方向に延在して配置され、上端が上部構造体に連結され、下端が下部構造体に連結された内側鋼管と、上端が上部構造体に連結されず、下端が下部構造体に連結されずに、内側鋼管の外側に同軸に配置された外側鋼管と、内側鋼管の外側と外側鋼管の内側とで囲まれた環状空間に充填されている第１コンクリートと、を備え、内側鋼管は等辺の角形鋼管で構成され、外側鋼管は円形鋼管で構成されている。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係る二重鋼管コンクリート柱によると、自重や積載荷重に対する抵抗力や地震時の繰り返し荷重に対する耐力に優れ、且つ経済的な柱を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明に係る第１実施形態の鋼管コンクリート柱（充填被覆型柱）を示す図である。

【図2】図1のII－II線矢視図（第１実施形態の充填被覆型柱の横断面）を示す図である。

【図3】第１実施形態の柱梁接合部を示す図である。

【図4】本発明に係る第２実施形態の鋼管コンクリート柱（被覆型柱）の横断面を示す図である。

【図5】鋼管コンクリート柱の曲げせん断実験で使用する水平方向正負交番載荷試験機の概要を示す図である。

【図6】水平方向正負交番載荷試験機の水平交番載荷部で供試体に載荷する繰り返し載荷パターンを示す図である

【図7】曲げせん断実験を行った供試体の水平荷重と柱頭部の部材角との関係を示したグラフである。

【図8】曲げせん断実験を行った供試体の鉛直荷重と曲げモーメントの関係を示したグラフである。

【図9】曲げせん断実験を行った供試体の内側鋼管の軸方向のひずみ分布と、外側鋼管の周方向のひずみ分布を示すグラフである。

【図10】短柱圧縮実験で使用する載荷試験機の概要を示す図である。

【図11】第１実施形態の充填被覆型柱を構成する外側鋼管の最適な径厚比Ｂ／ｔを設定するグラフである。

【図12】第２実施形態の被覆型柱を構成する内側鋼管の最適な幅厚比Ｂ１／ｔ１を設定するグラフである。

【図13】本発明に係る第４実施形態の鋼管コンクリート柱（充填被覆型柱、被覆型柱）を示す横断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

次に、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

【0011】

また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
［第１実施形態の鋼管コンクリート柱］

【0012】

図１は、本発明に係る第１実施形態の二重鋼管コンクリート柱２の構造を示すものであり、１階の基礎コンクリート１から立ち上がり、最上部に設けた柱梁接合部３を介して鉄骨梁４が水平方向に延在して接合されている。

【0013】

本実施形態の二重鋼管コンクリート柱２は、図２に示すように、基礎コンクリート１から垂直に立ち上がる正方形断面の角形鋼管で構成した内側鋼管５と、内側鋼管５の外側に同軸に配置された円形鋼管で構成した外側鋼管６と、内側鋼管５の外側及び外側鋼管６の内側で囲まれた空間に充填された第１コンクリート７と、内側鋼管５の内部空間に充填された第２コンクリート８と、を備えている。外側鋼管６は円形鋼管であるが、周方向に分割された分割材を内側鋼管５の側面から建て込み、溶接やボルトなどで接合することで円形鋼管に一体化する構造であってもよい。ここで、第１実施形態の二重鋼管コンクリート柱２を、充填被覆型柱２と称する。

【0014】

充填被覆型柱２の内側鋼管５の下端開口はアンカープレートＡＰで閉塞されており、基礎コンクリート１の内部から立ち上がるアンカーボルト９が、アンカープレートＡＰに貫通して固定されている。また、基礎コンクリート１上には、床面を形成する床板コンクリート１０が敷設されている。なお、この例はアンカーボルトがアンカープレートに貫通して固定されている形式を前提としているが、これに限定されるものではなく、埋込柱脚などの他の柱脚構造でも適用できるものである。

【0015】

柱梁接合部３は、図３に示すように、充填被覆型柱２の内側鋼管５の上部であり、外周に上下方向に離間して２枚の四角枠状のダイヤフラム１２ａ，１２ｂが溶接されている接合用鋼管１１と、フランジ１３ａ，１３ｂがダイヤフラム１２ａ，１２ｂに溶接され、ウェブ１３ｃが接合用鋼管１１に溶接されて水平方向の互いに直交する四方に延在するＨ形鋼からなる４箇所の仕口１３と、を備えている。また、仕口１３のウェブ１３ｃを貫通して接合用鋼管１１の周囲にループ形状に延在する複数本の接合補強筋１６が配置されているとともに、複数本の接合補強筋１６を埋設する第３コンクリート１７が充填されている。

【0016】

図１に戻り、柱梁接合部３の仕口１３には、Ｈ形鋼からなる鉄骨梁４がボルト接合で連結される。そして、鉄骨梁４上に２階の床として床板コンクリート１０が敷設され、柱梁接合部３の接合用鋼管１１の上端に内側鋼管５の下端が溶接されている。この内側鋼管５を２階の充填被覆型柱２の構成部材として、１階の充填被覆型柱２と同一構造の柱が形成されている。

【0017】

図１の符号Ａ１で示す１階の充填被覆型柱２を構成する外側鋼管６の下端と、１階の床板コンクリート１０との間には所定の隙間（10～30mm程度）が設けられている。また、図１の符号Ａ２で示す外側鋼管６の上端と、柱梁接合部３の仕口１３に溶接した外套部材１４との間にも所定の隙間が設けられている。さらに、図１の符号Ａ３で示す２階の充填被覆型柱２を構成する外側鋼管６の下端と、２階の床板コンクリート１０との間にも所定の隙間が設けられている。このように外側鋼管６の下端と１階及び２階の床板コンクリート１０との間に隙間を設け、外側鋼管６の上端と柱梁接合部３の外套部材１４との間に隙間を設けることで、外側鋼管６には曲げモーメント及び軸力が作用しない。

【0018】

１階の充填被覆型柱２の内側鋼管５と外側鋼管６の間及び２階の充填被覆型柱２の内側鋼管５と外側鋼管６の間の第１コンクリート７に埋設され、柱梁接合部３の第３コンクリート１７に埋設された状態で直線状の柱補強筋１５が配置されている（図２参照）。この柱補強筋１５は、基礎コンクリート１から立ち上がる分割柱筋１５ａと、この分割柱筋１５ａに溶接されて上方に延在する分割柱筋１５ｂと、この分割柱筋１５ｂに溶接されて柱梁接合部３まで延在する分割柱筋１５ｃと、この分割柱筋１５ｃに溶接されて２階の充填被覆型柱２の内側鋼管５と外側鋼管６の間に延在する分割柱筋１５ｄとを備えている。なお、溶接接合の例を示したが、これに限定するものではなく、機械式継ぎ手、重ね継ぎ手も想定するものとする。

【0019】

本実施形態の充填被覆型柱２によると、内側鋼管５の両端が建物の構造部材である基礎コンクリート１及び鉄骨梁４と連結されており、これらと一体になって外力に対する抵抗力を発揮する。そして、内側鋼管５を中心として十字方向に鉄骨梁４を設置するため、内側鋼管５の端部に内側鋼管５と同一形状の接合用鋼管１１（柱梁接合部３）が接続されているが、内側鋼管５及び接合用鋼管１１を正方形断面の角形鋼管としたことで、十字方向の鉄骨梁４の設置を容易に行うことができ、経済的な柱構造とすることができる。

【0020】

また、充填被覆型柱２を構成する外側鋼管６の上下端部は、基礎コンクリート１や柱梁接合部３の仕口１３には連結されておらず、10～30mm程度の隙間を有していることから、地震時などに基礎コンクリート１や柱梁接合部３に生じる応力や変形が外側鋼管６に伝達されず、外側鋼管６の鉛直方向に作用する応力が抑制され、座屈などの損傷の発生による耐力低下が防止されるので、外側鋼管６の管厚を過剰に大きくする必要が無く、経済的な柱構造とすることができる。

【0021】

また、外側鋼管６及び内側鋼管５の間に第１コンクリート７を充填した際には、外側鋼管６の内面に充填コンクリートの圧力が水平外方向に作用するが、外側鋼管６を円形鋼管にすることで充填コンクリートの圧力に対して外側鋼管６の外周方向の引張力によって抵抗するため、コンクリート充填時に必要な型枠として必要な外側鋼管６の板厚を最小限にすることができて経済性を向上できる。外側鋼管６の管厚を3mm以上に設定すれば、16m程度の長尺部材で使用しても、第１コンクリート７の充填時に型枠として十分に機能することができる。

【0022】

また、外側鋼管６は、荷重によって柱が変形した場合に、第１コンクリート７がせん断変形して微小なひび割れが生じて体積が膨張することを拘束し、第１コンクリート７の強度を向上させることができる。

【0023】

このように、第１コンクリート７から軸力が作用して体積が膨張しようとするのを外側鋼管６の軸方向圧縮抵抗力で拘束することを、外側鋼管６のコンファインド効果と称する。この場合も、外側鋼管６を円形鋼管とすることで、外側鋼管６の外周方向の引張力によって抵抗するため、外側鋼管６のコンファインド効果を発揮するために必要な外側鋼管６の板厚を最小限にすることができて経済性を向上できる。
［第２実施形態の鋼管コンクリート柱］

【0024】

次に、図４は、本発明に係る第２実施形態の二重鋼管コンクリート柱２０の構造を示すものであり、第１実施形態の充填被覆型柱２と同様に、１階の基礎コンクリート１から立ち上がり、最上部に設けた柱梁接合部３を介して鉄骨梁４が水平方向に延在して接合されている。

【0025】

本実施形態の二重鋼管コンクリート柱２０は、図４に示すように、基礎コンクリート１から垂直に立ち上がる正方形断面（等辺）の角形鋼管で構成した内側鋼管５と、内側鋼管５の外側に同軸に配置された円形鋼管で構成した外側鋼管６と、内側鋼管５の外側及び外側鋼管６の内側で囲まれた空間に充填された第１コンクリート７と、を備えている。そして、内側鋼管５の内部空間には第２コンクリート８が充填されていない点が、第１実施形態の充填被覆型柱２と異なる構造である。ここで、第２実施形態の二重鋼管コンクリート柱２０を、被覆型柱２０と称する。

【0026】

本実施形態の被覆型柱２０も、第１実施形態の充填被覆型柱２と同様に、内側鋼管５及び接合用鋼管１１を正方形断面の角形鋼管としたことで、十字方向の鉄骨梁４の設置を容易に行うことができ、経済的な柱構造とすることができる。

【0027】

また、被覆型柱２０を構成する外側鋼管６の上下端部も、基礎コンクリート１や柱梁接合部３の仕口１３には連結せず、10～30mm程度の隙間を有する構造にすると、地震時などに基礎コンクリート１や柱梁接合部３に生じる応力や変形が外側鋼管６に伝達されず、外側鋼管６の鉛直方向に作用する応力が抑制され、座屈などの損傷の発生による耐力低下が防止され、外側鋼管６の管厚を過剰に大きくする必要が無く、経済的な柱構造とすることができる。

【0028】

次に、前述した充填被覆型柱２及び被覆型柱２０の供試体に対して曲げせん断実験を行った結果について図５から図９に基づいて説明する。この曲げせん断実験は、図５で示す水平方向正負交番載荷試験機を採用した。この試験機では、高さ6m、外径1mの円形鋼管を外側鋼管６と想定した縮尺1/3.3の供試体で行った。供試体の断面は、内側鋼管５が正方形断面の角形鋼管120mm×120mm、管厚6mm、幅厚比20、降伏強度fy=449N/mm²で、外側鋼管６が外径300mm、管厚1.6mm、径厚比187.5、降伏強度fy=234N/mm²の円形鋼管である。

【表1】

【0029】

表１で示すように、５種類の供試体ＳＣ－１～ＳＣ－５を使用して、曲げせん断実験を行った。供試体ＳＣ－１～ＳＣ－４は、内側鋼管５の外側及び外側鋼管６の内側で囲まれた空間に第１コンクリート７が充填され、内側鋼管５の内部空間に第２コンクリート８が充填されている。また、供試体ＳＣ－５は、内側鋼管５の外側及び外側鋼管６の内側で囲まれた空間に第１コンクリート７が充填されているが、内側鋼管５の内部空間にコンクリート８が充填されていない供試体である。そして、供試体ＳＣ－１～ＳＣ－３は第１コンクリート７に鉄筋が配筋されておらず、供試体ＳＣ－４、ＳＣ－５は第１コンクリート７に柱補強筋１５が配筋されている。

【0030】

図５に示すように、鉛直載荷部で供試体の頭部に鉛直荷重を一定載荷し、水平交番載荷部で供試体の頭部に、水平変位が段階的に増加する図６で示すような繰り返し載荷パターンで水平荷重を載荷している。

【0031】

表１で示した軸力比は、コンクリート（第１コンクリート７，第２コンクリート８）と内側鋼管５の両方が降伏するときの荷重（降伏鉛直荷重）の計算値に対する導入した鉛直荷重の比である。

【0032】

実際の鋼管コンクリート柱では、上下端ともに基礎コンクリート１及び鉄骨梁４によって拘束されているため、曲げモーメントは上下両端で大きくなり、中央部でゼロとなる。今回の実験では、柱の下半分をモデル化しており、供試体の頭部で曲げモーメントがゼロで、下端で曲げモーメントが最大になる。

【0033】

図７は、供試体ＳＣ－１についての水平荷重Ｑを縦軸にとり、柱頭部の部材角Ｒ（rad)を横軸にとったものである。荷重の増加によって降伏した後も、繰り返し荷重に対して安定したエネルギー吸収能を示す紡錘形状の履歴曲線を示しており、大地震に対して粘り強い柱であることを示している。

【0034】

図８は、鉛直荷重を縦軸にとり、曲げモーメントの最大値Ｍmaxを横軸にとって、供試体ＳＣ－１～ＳＣ－３の結果をプロットしたものであり、供試体ＳＣ－２、供試体ＳＣ－１、供試体ＳＣ－３の順で軸力比が大きくなると、曲げモーメントの最大値Ｍmaxが増大していることがわかる。ここで、図８において実線で示す線は、鉄骨鉄筋コンクリート柱（ＳＲＣ柱）の理論計算値であり、実験値（供試体ＳＣ－１～ＳＣ－３）は、鉄骨鉄筋コンクリート柱（ＳＲＣ柱）の理論計算値を上回った耐力値を示している。したがって、内側鋼管５の外側及び外側鋼管６の内側に第１コンクリート７が充填され、内側鋼管５の内部に第２コンクリート８が充填されている第１実施形態の充填被覆型柱２が、ＳＲＣ柱よりも優れた耐力を有することがわかる。

【0035】

次に、図９（ａ）は、内側鋼管５の軸方向（鉛直方向）のひずみ分布であり、図９（ｂ）は、外側鋼管６の円周方向（水平方向）のひずみ分布である。またＲは柱高さに対する柱頭部の水平変位量の比であらわされる柱の傾斜角（％）である。これら図９（ａ）、（ｂ）から、繰り返し水平荷重による変形が大きくなるに従って、内側鋼管５では鉛直方向ひずみが増加しており、柱に作用する曲げモーメントによって内側鋼管５に鉛直方向の軸方向応力が発生していることがわかる。これに対して、外側鋼管６では、特に柱基部（例えば柱高さ30mm）において水平方向ひずみが増大している。このことより、コンファインド効果は、外側鋼管６の柱基部の水平方向の引張抵抗力によって、内部に充填されている第１コンクリート７が拘束されて発揮されていることがわかる。

【0036】

また、図９（ｂ）のひずみ分布の実験結果より、柱基部において外側鋼管６がコンファインド効果を顕著に発揮することがわかる。今回の実験の全ての供試体ＳＣ－１～ＳＣ－５は、柱の下半分のモデルであり、実際の鋼管コンクリート柱は、柱の下端及び上端で曲げモーメントが大きくなることから、鋼管コンクリート柱の基部および上部の２か所で外側鋼管６がコンファインド効果を発揮することになる。

【0037】

全ての供試体ＳＣ－１～ＳＣ－５の柱高さが910mmであり、柱基部の水平方向ひずみが増大しているのは、高さ150mmより下の範囲であることから、鋼管コンクリート柱の上下端部において柱高さの10％以上の部分の外側鋼管６の管厚を大きくしておけば、コンファインド効果を効果的に発揮できるといえる。一方、ここでは図示していないが、外側鋼管６の軸方向のひずみは低く抑えられており、外側鋼管６の上下端部を構造体（基礎コンクリート１や柱梁接合部３）に連結していないことにより、柱の変形が進んでも外側鋼管６には軸方向の荷重伝達が少なく、座屈などの損傷が発生しないで、コンファインド効果による耐力増加を発揮していることが分かる。

【0038】

次に、前述した充填被覆型柱２及び被覆型柱２０の供試体に対して短柱圧縮実験を行った結果について説明する。短柱圧縮実験の供試体の断面は、内側鋼管５が正方形断面の角形鋼管125mm×125mm、管厚6mmまたは3.2mm、管厚6mmの場合は降伏強度f_y=397N/mm²、管厚3.2mmの場合は降伏強度f_y=354N/mm²で、外側鋼管６が外径250mm、管厚1.6mmまたは2.3mm、管厚1.6mmの場合は降伏強度f_y=230N/mm²、管厚3.2mmの場合は降伏強度f_y=215N/mm²の円形鋼管で、縮尺率1/4の供試体である。この短柱圧縮実験は、図１０に示す載荷試験機を採用しており、内側鋼管５と充填したコンクリート（第１コンクリート７又は第２コンクリート８）に鉛直荷重を載荷し、外側鋼管６には鉛直荷重をかけていない。また、外側鋼管６と底板は6mmのスリットで縁切りされている。

【表2】

【0039】

表２に示すように、６種類の供試体ＮＯ１～ＮＯ６を使用して短柱圧縮実験を行った。全ての供試体ＮＯ１～ＮＯ６は、内側鋼管５の外側及び外側鋼管６の内側で囲まれた空間に第１コンクリート７が充填されている。また、供試体ＮＯ１～ＮＯ３は、内側鋼管５の内部空間に第２コンクリート８が充填されているが、供試体ＮＯ４～ＮＯ６には、内側鋼管５の内部空間には第２コンクリート８が充填されていない。なお、内側鋼管５の外幅Ｂ１、管厚ｔ１および外側鋼管６の外径Ｂ、管厚ｔは表２に記載した寸法である。

【0040】

表２の実験結果において供試体ＮＯ１及び供試体ＮＯ３の比較、供試体ＮＯ４及び供試体ＮＯ６の比較から明らかなように、内側鋼管５の管厚ｔ１が大きいほど最大耐力Ｎmaxが大きく、内側鋼管５の断面積が耐力に大きく寄与していることがわかる。

【0041】

また、供試体ＮＯ１及び供試体ＮＯ２の比較、供試体ＮＯ４及び供試体ＮＯ５の比較から明らかなように、外側鋼管６には荷重をかけていないにも関わらず、外側鋼管６の管厚ｔが大きいほど最大耐力Ｎmaxが大きいことがわかる。このことから、外側鋼管６の径厚比Ｂ／ｔが小さいほど（管厚が大きいほど）、第１コンクリート７の拘束効果が大きく、コンファインド効果を発揮することがわかる。

【0042】

また、外側鋼管６のコンファインド効果を考慮しない計算値の最大耐力Ｎcalと、実験値の最大耐力Ｎmaxを比較すると、表２に示すように、いずれのケースでも実験値Ｎmaxが計算値Ｎcalを上回っており、コンファインド効果による耐力増加が確認される。

【0043】

ここで、内側鋼管５の管厚ｔ１が3.2mmで、内側鋼管５の内部に第２コンクリート８が充填されている供試体ＮＯ３は、Ｎmax／Ｎcalが1.29であるのに対し、内側鋼管５内部に第２コンクリート８が充填されていない供試体ＮＯ６の場合は1.14であり、外側鋼管６の管厚ｔがともに1.6mmであるにも関わらず、供試体ＮＯ３の方が外側鋼管６のコンファインド効果が大きい。これは、内側鋼管５の内部に第２コンクリート８が充填されていない場合は、内側鋼管５の外面に作用する第１コンクリート７の水平方向の圧力によって内側鋼管５が内側に変形して拘束効果が低減するためである。

【0044】

また、内側鋼管５の管厚ｔ１が6mmの場合で、内側鋼管５の内部に第２コンクリート８が充填されている供試体ＮＯ１と、第２コンクリート８が充填されていない供試体ＮＯ４を比較すると、供試体ＮＯ１のＮmax／Ｎcalが1.17に対して供試体ＮＯ４のＮmax／Ｎcal が1.14であり、内部鋼管５の内部に第２コンクリート８を充填していない場合にも、第２コンクリート８を充填している場合と同等の拘束効果が示されていることがわかる。
［径厚比Ｂ／ｔ、幅厚比Ｂ１／ｔ１の設定について］

【0045】

次に、第１実施形態の充填被覆型柱２及び第２実施形態の被覆型柱２０を構成する外側鋼管６の最適な径厚比Ｂ／ｔ、および内側鋼管の最適な幅厚比Ｂ１／ｔ１について説明する。

【0046】

図１１は、充填被覆型柱２の外側鋼管６の最適な径厚比Ｂ／ｔを検討するグラフであり、縦軸に、外側鋼管６のコンファインド効果によるコンクリート強度上昇係数Ｋを示し、横軸に、外側鋼管６の径厚比Ｂ／ｔを示している。ここで、コンクリート強度上昇係数Ｋ１は、コンファインド効果による強度上昇を考慮したコンクリート強度をｆｃ１とし、無拘束コンクリート強度をｆｐ１とすると、Ｋ１＝ｆｃ１／ｆｐ１の関係を有している。また、図１１のグラフにおいて実線で示す曲線Ｃ１は、Richartらが提案し、論文（Richart, F. E. et al: A Study of the Failure of Concrete under Combined Compressive Stresses, University of Illinois, Engineering Experimental Station, Bulletin, No. 185, 1928.11）記載の円形鋼管横拘束高強度コンクリートの算出式に基づく理論計算値である。

【0047】

表２で示した充填被覆型柱２の供試体ＮＯ１，ＮＯ２，ＮＯ３について、実験値最大耐力から内側鋼管５の最大耐力値を差し引いてコンクリートのみの最大耐力を求めて、これを無拘束コンクリート強度で除した値を〇印でプロットしている。図１１に示すように、〇印で示す実験値は、理論計算値Ｃ１を上回るコンクリート強度上昇係数Ｋ１を示している。また、充填被覆型柱２は、内側鋼管５の内部に第２コンクリート８が充填されていることから、内側鋼管５の幅厚比Ｂ１／ｔ１を特定しなくても、第２コンクリート８が内側鋼管５の変形を拘束する。この理論式は内側鋼管５がないものを対象としたものであるが、今回の実験値の傾向から適応境界の設定を行うための参考として使用する。

【0048】

したがって、図１１のグラフで示すように、第１実施形態の充填被覆型柱２は、径厚比Ｂ／ｔ ≦ ２００程度であれば、コンファインド効果が顕著に現れ、地震時の繰り返し荷重に対する耐力増加も達成できるといえる。

【0049】

一方、被覆型柱２０の外側鋼管６の最適な径厚比Ｂ／ｔに関しては図１１と同様である。ただし、被覆型柱２０の内側鋼管５は、内部の第２コンクリート８による変形の拘束がないため、外力がかかった際に内側鋼管５が大きく変形し、コンファインド効果が低減する可能性が考えられる。そこで、被覆型柱２０の最適な幅厚比Ｂ１／ｔ１を図１２により検討した。

【0050】

表２で示した被覆型柱２０である供試体ＮＯ４，ＮＯ６について、実験値を図１２の〇印で示し、実験値の近似曲線を実線で示す。図１２により、幅厚比Ｂ１／ｔ１ ≦ ４０ であれば１割以上のコンファインド上昇効果が発揮されていることがわかる。

【0051】

したがって、第２実施形態の被覆型柱２０は、図１１で示すように外側鋼管６の径厚比Ｂ／ｔ ≦ ２００とし、図１２に示すように幅厚比Ｂ１／ｔ１ ≦ ４０とすることで、コンファインド効果を高めることができるとともに、地震時の繰り返し荷重に対する耐力増加も達成できるといえる。
［第３実施形態：外側鋼管を軸方向に分割した構造］

【0052】

ここで、図９（ａ）、（ｂ）のひずみ分布の実験結果において、柱の基部及び上部の２か所でコンファインド効果を発揮することが明らかになったことから、外側鋼管６を、互いに溶接やボルトなどで接合される軸方向に複数に分割された上部外側鋼管６ａ、中間外側鋼管６ｂ、下部外側鋼管６ｃで構成し（図１の充填被覆型柱２において一点鎖線で示した部分を参照）、上部外側鋼管６ａ及び下部外側鋼管６ｃの管厚を、中間外側鋼管６ｂの管厚より大きく設定してコンファインド効果が発揮できるようにしてもよい。なお、上部外側鋼管６ａ、中間外側鋼管６ｂ、下部外側鋼管６ｃは、溶接やボルトなどで接合される構造に限らず、例えば重ね合わせや突き合わせしてシールするような接合構造であってもよい。

【0053】

すなわち、上部外側鋼管６ａ及び下部外側鋼管６ｃは、5.3 mm以上（供試体の管厚1.6mm×縮尺3.3＝5.3 mm）とし、中間外側鋼管６ｂの管厚を、充填する第２コンクリート８の型枠として十分な管厚（3～6mm程度）とすることにより、耐力に優れ、且つ、経済的な充填被覆型柱２とすることができる。

【0054】

また、図９（ａ）、（ｂ）のひずみ分布の実験結果において柱の上下端部において柱高さの10％以上の部分の外側鋼管６の管厚を大きくしておけば、コンファインド効果を十分に発揮できることが明らかになったことから、上部外側鋼管６ａ及び下部外側鋼管６ｃの高さを柱高さの10％以上とすることが望ましい。

【0055】

なお、図４で示した被覆型柱２０においても同様に、外側鋼管６を上部外側鋼管６ａ、中間外側鋼管６ｂ及び下部外側鋼管６ｃで構成し、上部外側鋼管６ａ及び下部外側鋼管６ｃの管厚を中間外側鋼管６ｂの管厚より大きく設定してコンファインド効果が発揮できるようにしてもよい。なお、外側鋼管６の分割数は３以上であればよい。
［第４実施形態：外側鋼管と第１コンクリートとの間に絶縁材を介在する］

【0056】

次に、図１３（ａ）は、本発明に係る第４実施形態の充填被覆型柱２を示し、図１３（ｂ）は、本発明に係る第４実施形態の被覆柱２を示すものである。

【0057】

図１３（ａ）に示す充填被覆型柱２は、外側鋼管６の内周面の全域に、ビニールシート、テフロンシートなどの樹脂シートや剥離剤などからなる絶縁材２１が設けられており、外側鋼管６と内側鋼管５の間に第１コンクリート７を充填することで、外側鋼管６の内面と第１コンクリート７の外面との間に絶縁材２１が介在している。

【0058】

外側鋼管６と第１コンクリート７の間に絶縁材２１が介在していると、第１コンクリート７に軸力が発生しても、第１コンクリート７と外側鋼管６との間に介在している絶縁材２１が外側鋼管６への軸力の伝達を阻止する。このため、外側鋼管６の管厚をさほど大きく設定しなくても、コンファインド効果を高めることができる。

【0059】

ここで、図１１のグラフにおいて破線で示す曲線Ｄ１は、外側鋼管６と第１コンクリート７の間に絶縁材２１が介在した充填被覆型柱２を、前述したRichartらが提案した円形鋼管横拘束高強度コンクリートの算出式に基づいて算出した理論計算値であり、絶縁材２１が介在されていない充填被覆型柱２の理論計算値Ｃ１に対してコンファインド効果が一割程度上昇することがわかる。

【0060】

また、図１３（ｂ）に示す被覆型柱２０も、外側鋼管６と内側鋼管５の間に第１コンクリート７を充填することで、外側鋼管６の内面と第１コンクリート７の外面との間に絶縁材２１が介在している。この被覆型柱２０も、第１コンクリート７に軸力が発生しても、第１コンクリート７と外側鋼管６との間に介在している絶縁材２１が外側鋼管６への軸力の伝達を阻止するので、外側鋼管６の管厚をさほど大きく設定しなくても、コンファインド効果を高めることができる。

【符号の説明】

【0061】

１ 基礎コンクリート（下部構造体）
２ 充填被覆型柱（鋼管コンクリート柱）
３ 柱梁接合部
４ 鉄骨梁（上部構造体）
５ 内側鋼管
６ 外側鋼管
６ａ 上部外側鋼管（分割鋼管体）
６ｂ 中間外側鋼管（分割鋼管体）
６ｃ 下部外側鋼管（分割鋼管体）
７ 第１コンクリート
８ 第２コンクリート
ＡＰ アンカープレート
９ アンカーボルト
１０ 床板コンクリート
１１ 接合用鋼管
１２ａ，１２ｂ ダイヤフラム
１３ 仕口
１３ａ，１３ｂ フランジ
１３ｃ ウェブ
１４ 外套部材
１５ 柱補強筋
１５ａ，１５ｂ，１５ｄ 分割柱筋
１５ｃ 分割柱筋
１６ 接合補強筋
１７ 第３コンクリート
２０ 被覆型柱（鋼管コンクリート柱）
２１ 絶縁材

【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】