形鋼及び該形鋼を用いた壁体
【課題】 コンクリートとの付着力に優れた形鋼を得ること、及び壁厚みを薄くすることができる壁体を得ること。
【解決手段】 内面側に複数の突起を有するH形鋼であって、前記突起が形成されたH形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが、P/h≦10、かつ、P/b2≧4を満たすようにした。また、前記H形鋼を構造部材として使用した壁体であって、前記H形鋼がフランジ外面を壁面に向けて壁体長手方向に複数立設されてなるものである。
【解決手段】 内面側に複数の突起を有するH形鋼であって、前記突起が形成されたH形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが、P/h≦10、かつ、P/b2≧4を満たすようにした。また、前記H形鋼を構造部材として使用した壁体であって、前記H形鋼がフランジ外面を壁面に向けて壁体長手方向に複数立設されてなるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、土木、建築分野に適用できる形鋼及び該形鋼を用いた壁体に関する。
【背景技術】
【0002】
鋼・コンクリート合成構造として、例えばH形鋼の表面に突起を設け、該H形鋼の周囲にコンクリートを付着させるものがある。このような、突起付のH形鋼としてはフランジ内面に突起を設けたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
他方、形鋼を芯材として用いた壁体としては、例えば図27に示すように、H形鋼101を用いたSRC壁体がある。この、図27に示す壁体は、コンクリート103の両側に壁体に対して横方向に敷設された横鉄筋104と、横鉄筋104に交叉させて壁体に対して縦方向に敷設された主鉄筋105とを有し、壁体の中央部にH形鋼101を配置したものである。
この壁体においては、コンクリート103と横鉄筋104及び主鉄筋105が一体となって鋼・コンクリート構造を構成しているが、H形鋼101とコンクリート103との付着はとられておらずH形鋼101とコンクリート103との一体化は図られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特公平1-55042 号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記特許文献1においては、コンクリートとの結合力を増加させるためにはH形鋼の内面に突起を設けることが望ましいとの記載があるのみで、どのような突起をどのような配置で設けることがコンクリートとの付着力を高めるために望ましいかについては何らの開示もない。実際、形鋼内面に突起を設けたとしても突起の大きさや配置によっては十分な付着力を得られないことが発明者の研究により分かっている。
そこで、本発明の第1の目的は、突起の大きさや配置を特定することによりコンクリートとの付着力に優れた形鋼を得ることを目的としている。
【0006】
また、図27に示した壁体では、横鉄筋104及び主鉄筋105とコンクリート103との間で鋼・コンクリート合成構造を構成しており、横鉄筋104及び主鉄筋105の周囲に一定量のコンクリート103を配置することを要する。そのため、図27において示すB10の距離が一定量必要となり、その結果、壁体の厚みA10が大きくなるという問題がある。
近年、土木、建築分野においては、有効利用できる面積を広くするため、地下壁や建物の構造壁の壁厚みを薄くすることが指向されているが、図27に示すような壁体では、壁体の耐力を維持しつつ、壁厚みを薄くすることが困難である。
そこで、本発明の第2の目的は壁厚みを薄くすることができる壁体を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
(1)形鋼との付着力を増すために、本発明に係る形鋼は、内面側に複数の突起を有する形鋼であって、前記突起が形成された形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とするものである。
P/h≦10、かつ、P/b2≧4
以下、上式の根拠について説明する。まず、P/h≦10とした根拠について説明し、次にP/b2≧4として根拠を説明する。
【0008】
(ア)P/h≦10とした根拠
図18は突起が形成された形鋼面に垂直な突起断面の一例を示しており、図18(a)は台形断面の突起を示し、図18(b)は矩形断面の突起を示している。
鋼・コンクリート構造において、高耐力・高剛性化を実現するため必要不可欠なことは、両者を一体化させ、鋼とコンクリートで作用外力をバランスよく負担する構造を得ることである。鋼・コンクリートの一体化とは、鋼とコンクリートの間で応力のやりとりができる構造であり、そのためには、鋼とコンクリート間において十分な付着力(性能)を有することが必要となる。
【0009】
上述した突起付き形鋼とコンクリートとの付着力は、形鋼内面に形成した突起とコンクリートとの噛み込みによって生み出され、コンクリートの支圧破壊τ1、もしくはせん断破壊τ2に依存する。
ここで、支圧破壊τ1とは、突起前面のコンクリートの支圧破壊により定まるせん断強度であり、τ2とは突起とコンクリート境界面でのせん断破壊により定まるせん断強度である。
そして、支圧破壊τ1及びせん断破壊τ2を一般モデル式で表すと、下式のとおりとなる。
【0010】
【数1】
【0011】
前述のように、付着力はτ1、τ2に依存するが、τ1、τ2のうち、値の小さい方が鋼材とコンクリート間の付着強度に対するボトルネックとなるので、これが鋼・コンクリート間の付着応力度τmaxとなる。したがって、付着強度を増すための条件を検討するためには付着応力度τmaxを求める必要がある。
付着応力度τmaxを求めるためには、τ1、τ2を比較する必要があり、そのため下記の仮定をおこなう。
(仮定1)
建設材料として通常用いられるコンクリートの一軸圧縮強度σcとせん断強度τcの関係として、下式を仮定する(設計基準等にも近似)。
τc=0.1×σc -------------------(3)
【0012】
上記仮定をもとにτ1、τ2とP/hの関係を示すと、図19のようになる。両破壊形式のうち小さい方の値が鋼・コンクリート間の付着応力度τmaxとなるが、上記のグラフからおよそP/h=10を境に、それ以下の領域ではコンクリート破壊がせん断破壊形式(τ2依存)となり、τmaxに大きな変化がないのに対し、それ以上になるとコンクリート破壊が支圧破壊形式(τ1依存)となり、τmaxの低下が顕著となる。したがって、付着力を大きく確保するためには、コンクリート破壊がせん断破壊形式の領域になるようにするのが望ましい。
そこで、コンクリートの一軸圧縮強度σcとせん断強度τcの関係のばらつきも考慮した上で、安定した付着応力度τmaxが得られる突起ピッチとして下式を満たすことを条件とした。
P/h≦10 ------------------------(4)
【0013】
(イ) P/b2≧4の根拠
鋼・コンクリート間のせん断破壊は、主として、コンクリートと突起上辺b2との境界線上(図20参照)で発生する。一般的に、前記境界線上にあるコンクリートの占める割合が大きい程(即ち、上辺b2が占める割合が小さい程)、せん断強度は上昇する。
突起ピッチPと突起上辺幅b2との比が、鋼・コンクリート間のせん断強度τ2に及ぼす影響は次式で評価できる。
τ2=(P−b2)/P・τc ------------------------(5)
τc:コンクリートのせん断強度
(5)式は突起上辺幅b2分のコンクリートせん断破壊面長さ損失による強度低下を考慮したせん断強度τ2を表現したものであり、コンクリートせん断強度τcに、せん断破壊面長さ損失率(P−b2)/Pを乗じたものがτ2と表せる。
【0014】
(5)式におけるτcを左辺に移行すると、τ2/τc=(P−b2)/Pとなるが、この関係をグラフ化したものが図21となる。図21よりP/b2が4未満の領域で、せん断強度τ2は急激に低下することがわかる。
また、τ2/τcの増分変化率(一階微分)とP/b2の関係を図22に示す。図22よりP/b2が4以上の領域で、増分変化率はサチュレートすることがわかる。
以上のことから安定した付着応力度を維持するための突起ピッチPと突起上辺幅b2との関係は下式を満たす必要がある。
P/b2≧4 ------------------------(6)
【0015】
(2)本発明に係る形鋼は、内面側に複数の突起を有するものであって、前記突起が形成された形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とするものである。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b2≦P≦10h
【0016】
突起高さhを上記範囲にしたのは以下の理由による。
高さが2mmよりも小さいと、地下壁体のように水中コンクリート打設を行う場合、突起へのスライムと呼ばれる不純物の付着や突起の腐食等により、コンクリートとの確実な付着の確保が困難になるため、2mmを下限とした。
一方、突起高さが50mmを超えるとトレミー管挿入時あるいは引き上げ時の障害になる恐れが高まるため、50mmを上限とした。
【0017】
ただし、圧延製造する場合には、突起高さの上限は5mmとすることが好ましい。圧延で5mm以上の突起高さを形成するためには、過大な圧延荷重が必要となり、経済的ではない為である。また、突起を棒鋼、角材等の溶接等により取り付ける場合は、突起高さは9mmを下限とすることが好ましい。突起高さが9mmより小さい場合、溶接取付作業が煩雑でかつ取付数量が多くなるため現実的ではないためである。
【0018】
なお、突起ピッチPの範囲を規定する4b2≦P≦10hは、これを2つの式に分解して整理すると、P/h≦10、かつ、P/b2≧4となる。そして、この関係に規定した根拠は上記(1)で説明した通りである。
【0019】
(3)本発明に係る形鋼は、内面側に複数の突起を有するものであって、前記突起が形成された形鋼面に垂直な断面における該突起の下辺幅b1、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とするものである。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b1≦P≦10h
【0020】
上記の関係において、4b1≦Pとした理由は以下の通りである。突起の強度を考慮すると突起の上辺幅b2と突起の下辺幅b1との関係は1 ≦b1/b2とすることが好ましい。そうすれば、b1/b2
の下限値は1となる。そこで、上記(2)の4b2≦Pにおける突起の上辺幅b2に代えて突起の下辺幅b1を用いることができ、上記(2)における突起の上辺幅b2を突起の下辺幅b1に代えたものが、4b1≦Pである。
【0021】
なお、突起断面が図18(b)に示す矩形の場合には、b2=b1=bとなる。
また、突起は圧延等によって形成することも可能であるが、その場合にはその断面形状等が必ずしも、図18(a)、(b)に示すような理想的な台形又は矩形となるとは限らない。例えば、図23に示す突起のように、先端方向に向かって高さが低くなる湾曲した略三角形となる場合は、場所によって断面形状が異なることもある。
このような場合には、代表値を設けて評価し、上記(1)〜(3)に示した本発明の条件式にあてはめればよい。例えば、図23に示した例では、以下のように代表値を設ければよい(図24参照)。
(ア)突起高さh:突起付け根(ウェブ側)から1/2L地点における高さの値
(L:突起長さ(突起付け根から突起先端までの距離))
(イ)突起幅b1:突起付け根(ウェブ側)から1/2L地点における下辺の値
(ウ)突起幅b2:突起付け根(ウェブ側)から1/2L地点における上辺の値
(エ)突起ピッチP:突起付け根(ウェブ側)から1/2L地点における突起(幅方向)中央位置間の距離
【0022】
なお、突起高さhを突起付け根(ウェブ側)から1/2L地点における下辺の値で評価したのは、この地点においてコンクリートと鋼材の有効支圧面積(突起側面の投影面積)が四角形状の場合と等しくなるからである。
また、突起幅b1、b2および突起ピッチPについては、突起付け根(ウェブ側)から1/2L地点においてコンクリートと鋼材の有効コンクリートせん断長(隣接する突起間のコンクリート長さ)が四角形状の場合と等しくなるからである。
【0023】
(4)本発明における形鋼は、ウェブ面を互いに対向させて壁体長手方向に複数立設して鋼・コンクリート壁体の構造部材として使用されるH型の形鋼であって、フランジ内面側に複数の突起を有すると共に前記突起が形成されたH形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とするものである。
P/h≦40、かつ、P/b2≧4
上記の数値限定のうちP/b2≧4とした根拠は上記(1)で説明した通りである。以下においてはP/h≦40とした根拠について説明する。
【0024】
H形鋼の突起による鋼−コンクリート間の付着応力度τmaxは、コンクリート支圧破壊形式時の強度(τ1)と、コンクリートせん断破壊形式時の強度(τ2)との比較で、両者のうちの小さい方の値として定義される。
τ1とτ2について、一般モデル式で表すと、前述したように下記のようになる。
【0025】
【数2】
【0026】
実際にコンクリートにこの突起付H形鋼を埋め込んで壁体として使用する場合、ウェブ面を対向させて連続的に離散配置される(図25参照)。
この構造では、隣り合うH形鋼が内部のコンクリートの変形を、ウェブ面とフランジ面で拘束することから、その強度が割増される。よって、現実に使用する鋼・コンクリート間の付着応力度τ’maxは、上記τ1、τ2について強度の割増係数
α1 :フランジ間の拘束効果による支圧破壊に対する割増係数
α2 :フランジ間の拘束効果によるせん断破壊に対する割増係数
をそれぞれ乗じた値 α1・τ1とα2・τ2との比較で、両者のうちの小さい方の値として定義される。
【0027】
壁体のとしてH形鋼を用いる場合、その割増分を実験結果をもとに算定すると、それぞれ割増係数として、α1=10、α2=3程度が導かれる。
ここで、α1・τ1、α2・τ2の両者を比較するため前述したτc=0.1×σcという仮定をおこない、この仮定をもとにα1×τ1、α2×τ2とP/hの関係を示すと図26の通りになる。
両破壊形式のうち小さい方の値が鋼・コンクリート間の付着応力度τ’maxとなるが、上記のグラフからおよそP/h=42を境に、それ以下の領域ではコンクリート破壊がせん断破壊形式(τ2依存)となり、τ’maxに大きな変化がないのに対し、それ以上になるとコンクリート破壊が支圧破壊形式(τ1依存)となり、τ’maxの低下が顕著となる。したがって、付着力を大きく確保するためには、コンクリート破壊がせん断破壊形式の領域になるように突起ピッチを決めるのが望ましい。
この関係から、コンクリートの一軸圧縮強度σcとせん断強度τcの関係のばらつきも考慮した上で、安定した付着応力度τ’maxが得られる突起ピッチの形状として、P/h≦40とした。
【0028】
(5)本発明に係る形鋼は、ウェブ面を互いに対向させて壁体長手方向に複数立設して鋼・コンクリート壁体の構造部材として使用されるH型の形鋼であって、フランジ内面側に複数の突起を有すると共に前記突起が形成されたH形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とするものである。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b2≦P≦40h
【0029】
突起高さhを2mm≦h≦50mmとした理由は上記(2)で述べたとおりである。また、突起ピッチPについて規定する4b2≦P≦40hは、これを2つの式に分解して整理すると、P/h≦40、かつ、P/b2≧4となる。そして、P/h≦40の根拠については上記(4)で述べた通りであり、P/b2≧4については上記(1)で述べた通りである。
【0030】
(6)本発明に係る形鋼は、ウェブ面を互いに対向させて壁体長手方向に複数立設して鋼・コンクリート壁体の構造部材として使用されるH型の形鋼であって、フランジ内面側に複数の突起を有すると共に前記突起が形成されたH形鋼面に垂直な断面における該突起の下辺幅b1、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とするものである。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b1≦P≦40h
【0031】
突起高さhを2mm≦h≦50mmとした理由は上記(2)で述べたとおりである。また、4b1≦P≦40hは上記(5)における突起の上辺幅b2を下辺幅b1に代えたものであり、この代替の根拠は上記(3)で述べた通りである。
【0032】
(7)本発明に係る形鋼は、上記(1)〜(6)に記載の形鋼において、付着力強化手段をウェブ面に設けたことを特徴とするものである。
このウェブ面に設ける付着力強化手段としては、突起であってもよいし、あるいは凹部のようなものでもよい。突起の場合には、上記(1)〜(6)に示した条件を満たすものであってもよいし、あるいは満たさないものであってもよい。いずれにしても、付着力強化手段ウェブ面に付着力強化手段を設けることで、上記(1)〜(6)で設けた突起と相まって付着力を向上させることができる。
【0033】
(8)本発明に係る形鋼は、上記(1)〜(7)に記載の形鋼において、突起の下辺幅をb1としたときに、h≦b1であることを特徴とするものである。
【0034】
h≦b1としたのは、突起幅下辺b1が狭すぎると突起部に変形が生じてコンクリートのずれ止め効果が低減する恐れがあるので、少なくとも突起高さh以上としたものである。
なお、上記の説明は突起幅下辺b1についてであるが、突起幅上辺b2についてもこれが広すぎるとコンクリートとのせん断面積を減少(せん断応力減少)させる要因になるので、一定の制限が必要となる。しかし、この点については、上記(2)で既にせん断応力τ2の低下を防止するための制限式として4b2 ≦Pを設けているので、新たに加える必要はない。
【0035】
(9)本発明に係る形鋼は、上記(1)〜(8)に記載の形鋼において、突起がフランジ内面及びウェブ面に設けられると共に、これら両方に設けた突起が一体化されていることを特徴とするものである。
【0036】
(10)本発明に係る壁体は、上記(1)〜(9)のいずれかに記載の形鋼を構造部材として使用した壁体であって、前記形鋼がフランジ外面を壁面に向けて壁体長手方向に複数立設されてなることを特徴とするものである。
【0037】
(11)また、上記(10)のものにおいて、隣接する形鋼同士が連結部材により連結されていることを特徴とするものである。
【0038】
(12)また、上記(10)のものにおいて、形鋼のフランジ外面に接触して壁体高さ方向複数箇所に横鉄筋を配設したことを特徴とするものである。
【0039】
(13)また、上記(12)のものにおいて、隣接する形鋼のフランジ間であって横鉄筋の内側に該横鉄筋に接触すると共に十字状に交叉するように主鉄筋を配設したことを特徴とするものである。
【0040】
(14)また、上記(12)又は(13)のものにおいて、横鉄筋を形鋼のフランジ外面に固着したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0041】
本発明においては、形鋼内面側に複数の突起を設け、これら突起が所定の数値条件を満たすように設定したので、コンクリートとの付着力を増すことができる。その結果、このような形鋼を壁体の構造部材として使用することで、壁厚みを薄くできる。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【図1】本発明の実施の形態1に係る突起付きH形鋼1の説明図であり、図1(a)は概略平面図、図1(b)はX−X部分断面図である。
【図2】本発明の実施の形態2に係る突起付きH形鋼11の説明図であり、図2(a)は概略平面図、図2(b)はY−Y部分断面図である。
【図3】本発明の実施の形態3に係る突起付きH形鋼21の概略平面図である。
【図4】本発明の実施の形態4に係る壁体を説明する説明図である。
【図5】本発明の実施の形態4の効果を説明する説明図である。
【図6】本発明に係る壁体の構築方法の一例を示す模式図である。
【図7】実施例における突起付きH形鋼の付着力測定実験を説明する説明図であり、図7(a)は側面図、図7(b)は正面図である。
【図8】実施例1における突起付きH形鋼の効果を示すグラフである。
【図9】実施例2における突起ピッチの影響を説明するグラフである。
【図10】実施例2における突起高さの影響を説明するグラフである。
【図11】実施例2における突起の向きの説明図である。
【図12】実施例2における突起の向きの影響を説明するグラフである。
【図13】実施例2における突起の形状の説明図である。
【図14】実施例3における模擬壁体構造を示す図であり、図14(a)は正面図、図14(b)は側面図、図14(c)はZ−Z断面図である。
【図15】実施例3における模擬壁体における突起付きH形鋼の効果を示すグラフである。
【図16】実施例4の試験体装置の説明図である。
【図17】実施例4の効果を説明するグラフである。
【図18】本発明に係る突起の断面形状の説明図である。
【図19】本発明の数値限定の根拠を説明するための説明図である。
【図20】せん断破壊を説明する説明図である。
【図21】本発明の数値限定の根拠を説明するための説明図である。
【図22】本発明の数値限定の根拠を説明するための説明図である。
【図23】本発明の突起形状の説明図である。
【図24】本発明の突起形状及び配置を説明する説明図である。
【図25】本発明に係る壁体構造の説明図である。
【図26】本発明の数値限定の根拠を説明するための説明図である。
【図27】従来のSRC壁体の構造を示す横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0043】
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態1に係る突起付きH形鋼1の説明図であり、図1(a)は概略平面図、図1(b)はX−X部分断面図である。
実施の形態1に係る突起付きH形鋼1は、図1に示すようにフランジ内面の4面に断面矩形状の突起2が突起長手方向をフランジ幅Wf 方向として、H形鋼長手方向複数箇所に形成されてなる。フランジ内面の突起2は、突起高さh1、突起幅bおよび突起長さL1を有し、フランジとウェブとで構成される角部に接触せずに形成されている。
【0044】
突起の形状及び配置については、コンクリートもしくは固化処理土との間の付着力を増大させるために、突起ピッチPが4b≦P≦40h1、突起高さh1が2mm≦h1≦50mm、に設定されている。また、突起2は、突起長手方向をフランジ幅Wf方向と平行になるように形成されている。
突起2がフランジ幅方向と平行であれば、左右どちらの向きに生じる付着特性も同様のものとなり強弱の差がなくなり安定した付着性能を得ることができる。一方、突起の向きがフランジ幅方向に対し傾きを持つと、付着の働く向きによってその特性が異なる可能性はあるものの、圧延成形により得られた突起の場合、一方向に傾きを持つ形状であったが、付着の向きによる特性の違いはごくわずかであった。
【0045】
[実施の形態2]
図2は、本発明の実施の形態2に係る突起付きH形鋼11の説明図であり、図2(a)は概略平面図、図2(b)はX−X部分断面図である。
実施の形態2に係る突起付きH形鋼11は、図2に示すように、フランジ内面の4面に断面矩形状の突起2が第1実施の形態に係る突起2と同様に形成されていると共に、ウェブ両表面に付着力強化手段としての突起2Aがそれぞれ突起長手方向をウェブ高さ方向とし、H形鋼長手方向複数箇所に形成されている。
【0046】
ウェブ面の突起2Aはウェブ両表面にそれぞれ形成され、突起高さh2、突起幅bおよび突起長さL2を有し、フランジ内面の突起2およびウェブ面の突起2A共にフランジとウェブとで構成される角部に接触せずに形成されている。なお、ウェブ面に形成する突起2Aの突起高さh2、突起幅bおよび突起長さL2は、フランジ内面に形成する突起2に対して独自に決めることができる。
【0047】
ウェブ面に形成する突起の形状及び配置については、実施の形態1と同様に、コンクリートもしくは固化処理土との間の付着力を増大させるために、突起ピッチPが4b≦P≦40h2、突起高さh2が2mm≦h2≦50mmを満たすように設定されていることが好ましい。
もっとも、フランジ面に形成した突起によって必要とされる付着力の大半が確保できるのであれば、ウェブ面に形成する突起は補助的に付着力を増加させるものと位置づけ、その場合には必ずしも上記の形状・配置を満たす必要はない。
【0048】
[実施の形態3]
図3は、本発明の実施の形態3に係る突起付きH形鋼21の説明図である。実施の形態3に係る突起付きH形鋼21は、図3に示すように、フランジ内面にフランジ内面の4面に突起高さh1、突起幅b、突起長さL1の突起2が形成されていると共にウェブ面に突起高さh2、突起幅b、突起長さL3の突起2Bが形成されている。またフランジ内面の突起2およびウェブ面の突起2Bが共にフランジとウェブとで構成される角部に接触して形成され、ウェブ面の突起2Bは、ウェブ面の中央部に形成されていない。
前記した角部の接触により、さらにコンクリートもしくは固化処理土との間の付着力増大させること(一体化効果)ができる。実施の形態3に係る突起付きH形鋼21のウェブ面に形成されている突起2Bの突起長さL3は、第2実施の形態に係る突起付きH形鋼11のウェブ面に形成されている突起2Aの突起長さL2より短く設定されている。
なお、突起の形状及び配置、すなわち突起ピッチP、突起幅b、突起高さh1とh2については、実施の形態1及び2と同様である。
【0049】
上述した実施の形態1〜3に係る突起付きH形鋼1、11、21は、突起2が突起長手方向をフランジ幅方向と平行にした場合を示したが、本発明に係る突起付きH形鋼としては、突起2がフランジ幅方向に対して傾斜させて形成されていても一定の付着力を得ることができるのは前述した通りである。
【0050】
なお、実施の形態1に示した突起2をフランジ内面に形成する方法は、圧延で形成してもよいし、角材、丸棒、異形鉄筋、スタッド等の突起部材をそれぞれ用い、所定長さに切断し、フランジ内面に固着することにより形成してもよい。突起2を突起部材により形成する場合には、容易に固着することができるようにするため突起部材を鋼製とするのが好ましい。突起2Aおよび2Bも突起2と同様にして形成できる。
【0051】
[実施の形態4]
図4は本発明の実施の形態4に係る壁体の説明図であり、壁体を立設した場合の水平断面を示している。
本実施の形態4に係る壁体は、図4に示すように、実施の形態1に示した突起付きH形鋼1を構造部材として使用した壁体であり、構造部材として突起付きH形鋼1のみを用いたもの(図4(a))、突起付きH形鋼1に加えて横鉄筋4を構造部材としたもの(図4(b))、さらに縦鉄筋5を構造部材として加えたもの(図4(c))を示している。
【0052】
図4(a)に示した壁体においては、突起付きH形鋼1がコンクリートもしくは固化処理土との付着力に優れているので、H形鋼1とコンクリートもしくは固化処理土が一体化して、引張力は主として鋼が負担し、圧縮力はコンクリート等が主として負担するという鋼・コンクリート構造を構成する。
この結果、H形鋼とコンクリート間で付着をとらない従来例の場合(図27参照)には、鉄筋104、105との間で付着をとって鋼・コンクリート構造にする必要があったが、本実施の形態においては、コンクリート等との付着を取るために鉄筋104、105を配置したり、これらの周囲に所定の厚み以上のコンクリートを配置したりすることを必要としない。しかも突起がフランジの内面側に形成されているので、フランジ外面にはH形鋼1との付着を取るためのコンクリート等を必要としない。
その結果、突起付きH形鋼1のフランジ外面から壁面までの間隔B1を従来例におけるフランジ外面から壁面までの間隔B10より小さくすることができ、壁厚みを薄くすることができる。
また、構造体自体の耐力が増加しているので、その意味でも壁厚みを薄くできる。
【0053】
また、本実施の形態の壁体は複数のH形鋼1をウェブ面を対向させて配置していることから各H形鋼1のフランジ間でのコンクリートの拘束効果が壁体幅方向全長に渡って期待でき、より付着力を高めることができる。すなわち、図5(a)に示すように、H形鋼1の隣に何もない場合にはコンクリートにひび割れが発生した場合にはフランジ間で拘束されたコンクリートが図中左右方向に離れてしまい付着力が大きく低減する。これに対して、図5(b)に示すように、H形鋼1が互いにウェブ面を対向させて配置されていると、各H形鋼1のフランジで挟まれたコンクリートが離れようとしたときに隣接間相互に拘束しあってこれを防ぐ。このため付着力を維持することができ、壁体の耐力低下を防止できる。
【0054】
突起付きH形鋼1を複数立設した壁体のコンクリートに対する最大付着応力度τ’max (N/mm2 )は、フランジ間の拘束なしの場合(すなわち突起付き形鋼が一つの場合)に対して2.7〜25倍となる。
【0055】
なお、突起付きH形鋼1を構造部材として使用した壁体においては、隣接する突起付きH形鋼1の中心同士の間隔を過度に空けると、耐力および剛性が極端に低下し、例えば、地下壁においてはコンクリートのパンチング(脆性破壊の一種)が生じる恐れがあると共に、壁厚を薄くする効果が低くなる。そこで、隣接する突起付きH形鋼1の中心同士の間隔は壁体に加わる力に応じてフランジ幅の1.0〜2.5倍の範囲に設定するのが望ましい。
【0056】
なお、地下壁を構築する場合には、隣接する突起付きH形鋼1間にトレミー管(一般に直径;200〜250mm)と呼ばれるパイプが挿入できるようにする一方、十分な薄壁化を達成するために、突起付きH形鋼1のウェブ高さが600mm以上、フランジ幅Wf が300mm以上、鋼材降伏点が315N/mm2 以上のものを使用するのが望ましい。
【0057】
次に、図4(b)の壁体構造について説明する。この壁体は、前述したように、突起付きH形鋼1のフランジ外面に接触させて壁体高さ方向複数箇所に横鉄筋4を配設したものである。図4(b)に示したものにおいては、壁体に対して作用する横鉄筋4に直交方向の曲げに対する抵抗力を増すことができる。
【0058】
なお、図4(b)の壁体構造においては、横鉄筋4は補助的な構造部材であり、図27に示したようにコンクリート103と鉄筋104との付着を必須とする場合と比べて、フランジ外面から壁面までの間隔B2を小さくすることができる。
【0059】
次に、図4(c)の壁体構造について説明する。この壁体は、前述したように、横鉄筋4に加えて隣接する突起付きH形鋼1のフランジ間であって横鉄筋4の内側に接触すると共に十字状に交叉するように主鉄筋5を配設したものである。
この壁体においては、壁体に対して作用する主鉄筋5に直交方向の曲げに対する抵抗力を増すことができる。
【0060】
また、この壁体においては、主鉄筋5を横鉄筋4の内側に配置したので、主鉄筋5を配置することによってフランジ外面から壁面までの間隔B3が大きくなることはなく、全体として壁厚を薄くできる。
【0061】
なお、本実施の形態4の壁体においては、壁体構築時、隣接する突起付きH形鋼1同士を連結することによりH形鋼部材の建て込み精度を高めることができる。
例えば図4(a)に示した壁体構造においては、連結部材として例えば平鋼を用い、壁体構築時、平鋼を突起付きH形鋼1のフランジに溶接で固着することにより、突起付きH形鋼1に固着された平鋼により隣接するH形鋼1同士が連結されてなる壁体とすることができる。
また、図4(b)および(c)に示した壁体構造においては、壁体構築時、横鉄筋4をフランジ面に溶接することにより、鉄骨構造部の隣接する突起付きH形鋼1同士が連結されてなる壁体とすることができる。
【0062】
このような隣接するH形鋼1同士が連結部材または横鉄筋4により連結されてなる壁体は、壁体長手方向に不均一な力、例えば地下壁の場合には偏土圧等が作用したとしても、連結部材により横方向へ力を伝搬することができ、隣接する突起付きH形鋼1のウェブ面と接触し、かつフランジ内面に挟まれたコンクリートの拘束力をより高めることができる。
【0063】
なお、横鉄筋4および主鉄筋5としては、適宜な異形鉄筋を用いればコンクリート等との付着力を増すことができ、より好ましい。
【0064】
なお、上記実施の形態4においては、実施の形態1で示した突起付のH形鋼1を例に挙げて説明したが、実施の形態2、3に示したH形鋼11,21を構造部材として壁体を構築できることはいうまでもない。
そして、実施の形態2、3に示したH形鋼11,21を構造部材として壁体を構築した場合には、H形鋼11,21とコンクリート等との付着力が大きいことからより大きな耐力を有する壁体とすることができる。
【0065】
なお、本発明に係る壁体の構築方法は特に限定されないが、例えば、図6(a)、(b)に示すようにして地下壁とすることができる。まず、地盤内に土留め壁を構築し、土留め壁に到達するまで地盤内空間側の地盤を掘削して、土砂を除去した後、突起付きH形鋼のフランジ外面を壁面と向かい合わせ、壁体長手方向に間隔を空けて突起付きH形鋼を複数立設して鉄骨構造部を作成する。その後、コンクリート、もしくは固化処理土を型枠内に打設することにより、鉄骨構造部とコンクリート、もしくは固化処理土とを一体化させて壁体を構築する。その後、突起付きH形鋼が構造部材として使用された鉄骨構造部を有する壁体と土留め壁との間を埋め戻し、地下壁とする。
【実施例1】
【0066】
ウェブ高さHが588mm、フランジ幅Wfが300mm、ウェブ厚みが12mm、フランジ厚みが20mmのH形鋼1、及び固化後の圧縮強度σcが29(N/mm2)のコンクリート31を用いて図7に示すようなH形鋼とコンクリート間の付着力を測定する試験体により本発明の効果を検証した。
【0067】
その際、フランジ内面に突起を形成していないH形鋼(突起なしH形鋼という)を試験体1に用い、突起2を設けたものを試験体2〜4とした。試験体2〜4における突起ピッチP、突起高さh、突起幅b、はそれぞれ以下の通りである。
試験体2:P=50mm、P/h=17、b=12.5mm
試験体3:P=100mm、P/h=33、b=12.5mm
試験体4:P=150mm、P/h=50、b=12.5mm
なお、試験体2、3および4に用いた突起付きH形鋼1の突起2は、鋼製角材を突起部材として用いてH形鋼に溶接した。また、試験に際しては、鋼製冶具を用いて、側部のコンクリート面を両面から挟み込み拘束した。
【0068】
得られた各試験体に図7中の矢印で示す方向に荷重を載荷し、その際の相対ずれ量を検出し、横軸に相対ずれ量(mm)、縦軸に付着応力度τ(N/mm2 )を取って図8に示した。付着応力度τ(N/mm2 )は、載荷重をコンクリートと接しているフランジ内面積の総和SUM(SUM=(300-12)×500×2=288000mm2
)で除した値である。載荷方法は、変位制御により押し抜き単調載荷方式で行った。
また、上述した各試験体における最大付着応力度τ’max 、各試験体の最大付着応力度τ’max と試験体1の最大付着応力度τ’max
の比、最大載荷重、最大載荷重時の相対ずれ量をまとめて表1に示した。なお、鋼・コンクリート壁体とした場合の鋼−コンクリート間の相対ずれ量の許容値は、5mm程度と想定されるので、その範囲にて比較した。
【0069】
【表1】
【0070】
表1から分かるように、突起を設けた試験体2〜4では突起なしの試験体1に比べて最大付着応力度が格段に大きくなっている。
もっとも、壁体構造として必要な付着強度は3.0N/mm2であるところ、試験体2(突起ピッチP=50mm)、および試験体3(突起ピッチP=100mm)では、3.0N/mm2を大きく超えていたが、試験体4(突起ピッチP=150mm)では最大付着応力度は3.0N/mm2未満であった。
このことから、壁体構造として必要な付着強度を確保するには、本発明の範囲であるP/h≦40かつP/b≧4を満たすことが必要であることが分かる。
つまり、本発明の範囲内の突起を有するフランジ内面突起付きH形鋼1を用いることにより、高耐力、高剛性を有する壁体とすることができ、より薄壁とすることができる。
【実施例2】
【0071】
圧延成形突起(図11、図24参照)の付着特性を調べるために、実施例1と同様の実験を行った。本実施例では本発明例を試験体5,9,10とし、突起ピッチの影響を検証するための比較例を試験体6、突起高さの影響を検証するための比較例を試験体7、突起の向きの影響を検証するための本発明例を試験体8とした。なお、試験に際しては実施例1と同様に鋼製冶具を用いて、側部のコンクリート面を両面から挟み込み拘束した。
【0072】
【表2】
【0073】
(1)突起ピッチPの影響についての考察
突起ピッチの影響を考察するために、試験体1、試験体5および試験体6についての付着応力度(N/mm2)と相対ズレ量(mm)の関係を図9に示す。
図9から分かるように、相対ずれ量δ=5mm以内における最大付着応力度は、試験体5(突起ピッチP=50mm)では、壁体構造として必要な付着強度3.0N/mm2を大きく超えていたが、試験体6(突起ピッチP=150mm)では最大付着応力度は3.0N/mm2未満であった。このことから、圧延成形突起において、突起ピッチをP/h≦40とすることが、壁体構造として必要な付着強度を得るのに有効であることがわかる。
【0074】
(2)突起高さhの影響についての考察
突起ピッチの影響を考察するために、試験体1、試験体5および試験体7についての付着応力度(N/mm2)と相対ズレ量(mm)の関係を図10に示す。
図10から分かるように、相対ずれ量δ=5mmにおける最大付着応力度は、試験体5(突起高さh=3mm)では、壁体構造として必要な付着強度3.0N/mm2を大きく超えていたが、試験体7(突起高さh=1.2mm)では最大付着応力度は3.0N/mm2未満であった。
また、試験体9(突起高さh=2mm)、試験体10(突起高さh=2.5mm)についても、表2に示すように最大付着応力度はそれぞれ3.95N/mm2、4.01N/mm2であり、壁体構造として必要な付着強度3.0N/mm2を超えている。
以上の結果から、所定の付着強度を得るための突起高さhは、本発明の範囲内(P/h≦40)とすることが望ましいことがわかる。
【0075】
(3)突起向き(湾曲形状)の影響についての考察
図11に示すような湾曲形状の突起を設けた場合に、凹面側がコンクリートを押し抜く面となる場合を逆方向(図11(a)、試験体8)とし、凸面側がコンクリートを押し抜く面となる場合を逆方向(図11(b)、試験体5)とした。
突起向き(湾曲形状)の影響を考察するために、試験体5と試験体8についての付着応力度(N/mm2)と相対ズレ量(mm)の関係を図12に示す。
図12から分かるように、相対ずれ量δ=5mm以内における最大付着応力度は、両試験体ともに壁体構造として必要な付着強度3.0N/mm2を大きく超えており、コンクリート押し抜く突起の湾曲面が変わっても付着特性に大きな差異はみられなかった。すなわち、突起向き(湾曲形状)は付着特性に大きな影響を与えず、湾曲方向はいずれの向きであってもよいことがわかる。
【0076】
なお、本実施例のように圧延によって突起を成形した場合には、図13に示すように、フランジとウェブの境界部に出っ張りが形成されることがある。そこで、この出っ張りが形成されることによる付着力への影響を検証したが、少なくとも出っ張りが形成されることで付着力が低下することはないことを確認した。
【実施例3】
【0077】
実施例1と同じ断面寸法を有するH形鋼を用い、そのフランジ内面に突起高さが3mm、突起幅が12.5mm、突起長さが50mmの突起2を突起ピッチP=50mmで形成した。但し、フランジ内面突起付きH形鋼1の突起2は、鋼製角材を突起部材として用い、図1に示すように溶接取付けにより配設した。
上記フランジ内面突起付きH形鋼1を構造部材として図14に示すように直方体状の基部に模擬壁体を構築し、図中矢印で示す方向の繰り返し荷重を載荷して試験を行った。
【0078】
この結果、図15に示すように、本発明の範囲内の突起をフランジ内面に有するフランジ内面突起付きH形鋼を用いた模擬壁体は、載荷点位置の変位に対する最大荷重が突起なしH形鋼を用いた模擬壁体の最大荷重に比べて1.3倍以上という値を示し、高耐力を有することがわかった。また、本発明の範囲内の突起をフランジ内面に有するフランジ内面突起付きH形鋼を用いた模擬壁体の剛性は、突起なしH形鋼を用いた模擬壁体の剛性に対しても1.3倍以上となった。
【実施例4】
【0079】
上記実施例1〜3によって押し抜き力に対して所定の付着強度が確保できていることが実証された。
しかしながら、実際の壁体に卓越して作用する力は、曲げ・せん断力であるため、押し抜き力に対する性能の実証のみでは壁体としての性能の実証としては十分とは言えない。
そこで、本実施例では曲げ・せん断力に対する鋼・コンクリート壁体の性能を実大サイズの試験体により確認した。
図16は本実施例の試験体の説明図であり、H形鋼1を中心部に配置し、その周囲をコンクリート31で囲んだ構造である。試験体の両端部及び軸方向中央部にはコンクリート31を保護するための保護プレート33を設け、両端部を支持すると共に軸方向中央部に載荷する構造とした。なお、H形鋼の仕様は、実施例1に示したものと同様であり、突起の仕様(製法、寸法を含む)及びコンクリートの仕様は実施例2の試験体5と同様とした。
【0080】
鋼・コンクリート壁体として備えるべき性能については、FEM解析による計算を実施して求めた。なお、解析モデルとしては、本試験体モデルに対しコンクリートおよびH形鋼の力学特性は各要素試験結果により得られた応力−ひずみ曲線(非線形モデル)によりモデル化するとともに、コンクリートとH形鋼間の境界面には、押し抜き付着試験に基づき、インターフェース要素を用いて付着特性をモデル化した。
【0081】
試験としては、図16に示した試験体に対してその中央部に載荷したときに載荷点のたわみを求めた。図17はこの試験結果を示すグラフであり、横軸が載荷点のたわみ(mm)を示し、縦軸が荷重(kN)を示している。
図17から分かるように、実験結果は付着特性を考慮した計算値と良く一致していることから、曲げ・せん断力に対し、鋼・コンクリート壁体として期待どおりの性能を有しているが確認できた。
【符号の説明】
【0082】
1、11、21 突起付きH形鋼
2 突起部材
3、31、32 コンクリート(固化処理土)
4 横鉄筋
5 主鉄筋
h、h1、h2 突起高さ
b 矩形断面突起の突起幅
b1 突起断面における下辺突起幅
b2 突起断面における上辺突起幅
L、L1、L2、L3 突起長さ:突起付け根から突起先端までの距離
P 突起ピッチ
A1、A2、A3、A10 壁厚み
B1、B2、B3、B10 フランジ外面から壁面までの間隔
H ウェブ高さ
Wf フランジ幅
【技術分野】
【0001】
本発明は、土木、建築分野に適用できる形鋼及び該形鋼を用いた壁体に関する。
【背景技術】
【0002】
鋼・コンクリート合成構造として、例えばH形鋼の表面に突起を設け、該H形鋼の周囲にコンクリートを付着させるものがある。このような、突起付のH形鋼としてはフランジ内面に突起を設けたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
他方、形鋼を芯材として用いた壁体としては、例えば図27に示すように、H形鋼101を用いたSRC壁体がある。この、図27に示す壁体は、コンクリート103の両側に壁体に対して横方向に敷設された横鉄筋104と、横鉄筋104に交叉させて壁体に対して縦方向に敷設された主鉄筋105とを有し、壁体の中央部にH形鋼101を配置したものである。
この壁体においては、コンクリート103と横鉄筋104及び主鉄筋105が一体となって鋼・コンクリート構造を構成しているが、H形鋼101とコンクリート103との付着はとられておらずH形鋼101とコンクリート103との一体化は図られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特公平1-55042 号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記特許文献1においては、コンクリートとの結合力を増加させるためにはH形鋼の内面に突起を設けることが望ましいとの記載があるのみで、どのような突起をどのような配置で設けることがコンクリートとの付着力を高めるために望ましいかについては何らの開示もない。実際、形鋼内面に突起を設けたとしても突起の大きさや配置によっては十分な付着力を得られないことが発明者の研究により分かっている。
そこで、本発明の第1の目的は、突起の大きさや配置を特定することによりコンクリートとの付着力に優れた形鋼を得ることを目的としている。
【0006】
また、図27に示した壁体では、横鉄筋104及び主鉄筋105とコンクリート103との間で鋼・コンクリート合成構造を構成しており、横鉄筋104及び主鉄筋105の周囲に一定量のコンクリート103を配置することを要する。そのため、図27において示すB10の距離が一定量必要となり、その結果、壁体の厚みA10が大きくなるという問題がある。
近年、土木、建築分野においては、有効利用できる面積を広くするため、地下壁や建物の構造壁の壁厚みを薄くすることが指向されているが、図27に示すような壁体では、壁体の耐力を維持しつつ、壁厚みを薄くすることが困難である。
そこで、本発明の第2の目的は壁厚みを薄くすることができる壁体を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
(1)形鋼との付着力を増すために、本発明に係る形鋼は、内面側に複数の突起を有する形鋼であって、前記突起が形成された形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とするものである。
P/h≦10、かつ、P/b2≧4
以下、上式の根拠について説明する。まず、P/h≦10とした根拠について説明し、次にP/b2≧4として根拠を説明する。
【0008】
(ア)P/h≦10とした根拠
図18は突起が形成された形鋼面に垂直な突起断面の一例を示しており、図18(a)は台形断面の突起を示し、図18(b)は矩形断面の突起を示している。
鋼・コンクリート構造において、高耐力・高剛性化を実現するため必要不可欠なことは、両者を一体化させ、鋼とコンクリートで作用外力をバランスよく負担する構造を得ることである。鋼・コンクリートの一体化とは、鋼とコンクリートの間で応力のやりとりができる構造であり、そのためには、鋼とコンクリート間において十分な付着力(性能)を有することが必要となる。
【0009】
上述した突起付き形鋼とコンクリートとの付着力は、形鋼内面に形成した突起とコンクリートとの噛み込みによって生み出され、コンクリートの支圧破壊τ1、もしくはせん断破壊τ2に依存する。
ここで、支圧破壊τ1とは、突起前面のコンクリートの支圧破壊により定まるせん断強度であり、τ2とは突起とコンクリート境界面でのせん断破壊により定まるせん断強度である。
そして、支圧破壊τ1及びせん断破壊τ2を一般モデル式で表すと、下式のとおりとなる。
【0010】
【数1】
【0011】
前述のように、付着力はτ1、τ2に依存するが、τ1、τ2のうち、値の小さい方が鋼材とコンクリート間の付着強度に対するボトルネックとなるので、これが鋼・コンクリート間の付着応力度τmaxとなる。したがって、付着強度を増すための条件を検討するためには付着応力度τmaxを求める必要がある。
付着応力度τmaxを求めるためには、τ1、τ2を比較する必要があり、そのため下記の仮定をおこなう。
(仮定1)
建設材料として通常用いられるコンクリートの一軸圧縮強度σcとせん断強度τcの関係として、下式を仮定する(設計基準等にも近似)。
τc=0.1×σc -------------------(3)
【0012】
上記仮定をもとにτ1、τ2とP/hの関係を示すと、図19のようになる。両破壊形式のうち小さい方の値が鋼・コンクリート間の付着応力度τmaxとなるが、上記のグラフからおよそP/h=10を境に、それ以下の領域ではコンクリート破壊がせん断破壊形式(τ2依存)となり、τmaxに大きな変化がないのに対し、それ以上になるとコンクリート破壊が支圧破壊形式(τ1依存)となり、τmaxの低下が顕著となる。したがって、付着力を大きく確保するためには、コンクリート破壊がせん断破壊形式の領域になるようにするのが望ましい。
そこで、コンクリートの一軸圧縮強度σcとせん断強度τcの関係のばらつきも考慮した上で、安定した付着応力度τmaxが得られる突起ピッチとして下式を満たすことを条件とした。
P/h≦10 ------------------------(4)
【0013】
(イ) P/b2≧4の根拠
鋼・コンクリート間のせん断破壊は、主として、コンクリートと突起上辺b2との境界線上(図20参照)で発生する。一般的に、前記境界線上にあるコンクリートの占める割合が大きい程(即ち、上辺b2が占める割合が小さい程)、せん断強度は上昇する。
突起ピッチPと突起上辺幅b2との比が、鋼・コンクリート間のせん断強度τ2に及ぼす影響は次式で評価できる。
τ2=(P−b2)/P・τc ------------------------(5)
τc:コンクリートのせん断強度
(5)式は突起上辺幅b2分のコンクリートせん断破壊面長さ損失による強度低下を考慮したせん断強度τ2を表現したものであり、コンクリートせん断強度τcに、せん断破壊面長さ損失率(P−b2)/Pを乗じたものがτ2と表せる。
【0014】
(5)式におけるτcを左辺に移行すると、τ2/τc=(P−b2)/Pとなるが、この関係をグラフ化したものが図21となる。図21よりP/b2が4未満の領域で、せん断強度τ2は急激に低下することがわかる。
また、τ2/τcの増分変化率(一階微分)とP/b2の関係を図22に示す。図22よりP/b2が4以上の領域で、増分変化率はサチュレートすることがわかる。
以上のことから安定した付着応力度を維持するための突起ピッチPと突起上辺幅b2との関係は下式を満たす必要がある。
P/b2≧4 ------------------------(6)
【0015】
(2)本発明に係る形鋼は、内面側に複数の突起を有するものであって、前記突起が形成された形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とするものである。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b2≦P≦10h
【0016】
突起高さhを上記範囲にしたのは以下の理由による。
高さが2mmよりも小さいと、地下壁体のように水中コンクリート打設を行う場合、突起へのスライムと呼ばれる不純物の付着や突起の腐食等により、コンクリートとの確実な付着の確保が困難になるため、2mmを下限とした。
一方、突起高さが50mmを超えるとトレミー管挿入時あるいは引き上げ時の障害になる恐れが高まるため、50mmを上限とした。
【0017】
ただし、圧延製造する場合には、突起高さの上限は5mmとすることが好ましい。圧延で5mm以上の突起高さを形成するためには、過大な圧延荷重が必要となり、経済的ではない為である。また、突起を棒鋼、角材等の溶接等により取り付ける場合は、突起高さは9mmを下限とすることが好ましい。突起高さが9mmより小さい場合、溶接取付作業が煩雑でかつ取付数量が多くなるため現実的ではないためである。
【0018】
なお、突起ピッチPの範囲を規定する4b2≦P≦10hは、これを2つの式に分解して整理すると、P/h≦10、かつ、P/b2≧4となる。そして、この関係に規定した根拠は上記(1)で説明した通りである。
【0019】
(3)本発明に係る形鋼は、内面側に複数の突起を有するものであって、前記突起が形成された形鋼面に垂直な断面における該突起の下辺幅b1、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とするものである。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b1≦P≦10h
【0020】
上記の関係において、4b1≦Pとした理由は以下の通りである。突起の強度を考慮すると突起の上辺幅b2と突起の下辺幅b1との関係は1 ≦b1/b2とすることが好ましい。そうすれば、b1/b2
の下限値は1となる。そこで、上記(2)の4b2≦Pにおける突起の上辺幅b2に代えて突起の下辺幅b1を用いることができ、上記(2)における突起の上辺幅b2を突起の下辺幅b1に代えたものが、4b1≦Pである。
【0021】
なお、突起断面が図18(b)に示す矩形の場合には、b2=b1=bとなる。
また、突起は圧延等によって形成することも可能であるが、その場合にはその断面形状等が必ずしも、図18(a)、(b)に示すような理想的な台形又は矩形となるとは限らない。例えば、図23に示す突起のように、先端方向に向かって高さが低くなる湾曲した略三角形となる場合は、場所によって断面形状が異なることもある。
このような場合には、代表値を設けて評価し、上記(1)〜(3)に示した本発明の条件式にあてはめればよい。例えば、図23に示した例では、以下のように代表値を設ければよい(図24参照)。
(ア)突起高さh:突起付け根(ウェブ側)から1/2L地点における高さの値
(L:突起長さ(突起付け根から突起先端までの距離))
(イ)突起幅b1:突起付け根(ウェブ側)から1/2L地点における下辺の値
(ウ)突起幅b2:突起付け根(ウェブ側)から1/2L地点における上辺の値
(エ)突起ピッチP:突起付け根(ウェブ側)から1/2L地点における突起(幅方向)中央位置間の距離
【0022】
なお、突起高さhを突起付け根(ウェブ側)から1/2L地点における下辺の値で評価したのは、この地点においてコンクリートと鋼材の有効支圧面積(突起側面の投影面積)が四角形状の場合と等しくなるからである。
また、突起幅b1、b2および突起ピッチPについては、突起付け根(ウェブ側)から1/2L地点においてコンクリートと鋼材の有効コンクリートせん断長(隣接する突起間のコンクリート長さ)が四角形状の場合と等しくなるからである。
【0023】
(4)本発明における形鋼は、ウェブ面を互いに対向させて壁体長手方向に複数立設して鋼・コンクリート壁体の構造部材として使用されるH型の形鋼であって、フランジ内面側に複数の突起を有すると共に前記突起が形成されたH形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とするものである。
P/h≦40、かつ、P/b2≧4
上記の数値限定のうちP/b2≧4とした根拠は上記(1)で説明した通りである。以下においてはP/h≦40とした根拠について説明する。
【0024】
H形鋼の突起による鋼−コンクリート間の付着応力度τmaxは、コンクリート支圧破壊形式時の強度(τ1)と、コンクリートせん断破壊形式時の強度(τ2)との比較で、両者のうちの小さい方の値として定義される。
τ1とτ2について、一般モデル式で表すと、前述したように下記のようになる。
【0025】
【数2】
【0026】
実際にコンクリートにこの突起付H形鋼を埋め込んで壁体として使用する場合、ウェブ面を対向させて連続的に離散配置される(図25参照)。
この構造では、隣り合うH形鋼が内部のコンクリートの変形を、ウェブ面とフランジ面で拘束することから、その強度が割増される。よって、現実に使用する鋼・コンクリート間の付着応力度τ’maxは、上記τ1、τ2について強度の割増係数
α1 :フランジ間の拘束効果による支圧破壊に対する割増係数
α2 :フランジ間の拘束効果によるせん断破壊に対する割増係数
をそれぞれ乗じた値 α1・τ1とα2・τ2との比較で、両者のうちの小さい方の値として定義される。
【0027】
壁体のとしてH形鋼を用いる場合、その割増分を実験結果をもとに算定すると、それぞれ割増係数として、α1=10、α2=3程度が導かれる。
ここで、α1・τ1、α2・τ2の両者を比較するため前述したτc=0.1×σcという仮定をおこない、この仮定をもとにα1×τ1、α2×τ2とP/hの関係を示すと図26の通りになる。
両破壊形式のうち小さい方の値が鋼・コンクリート間の付着応力度τ’maxとなるが、上記のグラフからおよそP/h=42を境に、それ以下の領域ではコンクリート破壊がせん断破壊形式(τ2依存)となり、τ’maxに大きな変化がないのに対し、それ以上になるとコンクリート破壊が支圧破壊形式(τ1依存)となり、τ’maxの低下が顕著となる。したがって、付着力を大きく確保するためには、コンクリート破壊がせん断破壊形式の領域になるように突起ピッチを決めるのが望ましい。
この関係から、コンクリートの一軸圧縮強度σcとせん断強度τcの関係のばらつきも考慮した上で、安定した付着応力度τ’maxが得られる突起ピッチの形状として、P/h≦40とした。
【0028】
(5)本発明に係る形鋼は、ウェブ面を互いに対向させて壁体長手方向に複数立設して鋼・コンクリート壁体の構造部材として使用されるH型の形鋼であって、フランジ内面側に複数の突起を有すると共に前記突起が形成されたH形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とするものである。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b2≦P≦40h
【0029】
突起高さhを2mm≦h≦50mmとした理由は上記(2)で述べたとおりである。また、突起ピッチPについて規定する4b2≦P≦40hは、これを2つの式に分解して整理すると、P/h≦40、かつ、P/b2≧4となる。そして、P/h≦40の根拠については上記(4)で述べた通りであり、P/b2≧4については上記(1)で述べた通りである。
【0030】
(6)本発明に係る形鋼は、ウェブ面を互いに対向させて壁体長手方向に複数立設して鋼・コンクリート壁体の構造部材として使用されるH型の形鋼であって、フランジ内面側に複数の突起を有すると共に前記突起が形成されたH形鋼面に垂直な断面における該突起の下辺幅b1、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とするものである。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b1≦P≦40h
【0031】
突起高さhを2mm≦h≦50mmとした理由は上記(2)で述べたとおりである。また、4b1≦P≦40hは上記(5)における突起の上辺幅b2を下辺幅b1に代えたものであり、この代替の根拠は上記(3)で述べた通りである。
【0032】
(7)本発明に係る形鋼は、上記(1)〜(6)に記載の形鋼において、付着力強化手段をウェブ面に設けたことを特徴とするものである。
このウェブ面に設ける付着力強化手段としては、突起であってもよいし、あるいは凹部のようなものでもよい。突起の場合には、上記(1)〜(6)に示した条件を満たすものであってもよいし、あるいは満たさないものであってもよい。いずれにしても、付着力強化手段ウェブ面に付着力強化手段を設けることで、上記(1)〜(6)で設けた突起と相まって付着力を向上させることができる。
【0033】
(8)本発明に係る形鋼は、上記(1)〜(7)に記載の形鋼において、突起の下辺幅をb1としたときに、h≦b1であることを特徴とするものである。
【0034】
h≦b1としたのは、突起幅下辺b1が狭すぎると突起部に変形が生じてコンクリートのずれ止め効果が低減する恐れがあるので、少なくとも突起高さh以上としたものである。
なお、上記の説明は突起幅下辺b1についてであるが、突起幅上辺b2についてもこれが広すぎるとコンクリートとのせん断面積を減少(せん断応力減少)させる要因になるので、一定の制限が必要となる。しかし、この点については、上記(2)で既にせん断応力τ2の低下を防止するための制限式として4b2 ≦Pを設けているので、新たに加える必要はない。
【0035】
(9)本発明に係る形鋼は、上記(1)〜(8)に記載の形鋼において、突起がフランジ内面及びウェブ面に設けられると共に、これら両方に設けた突起が一体化されていることを特徴とするものである。
【0036】
(10)本発明に係る壁体は、上記(1)〜(9)のいずれかに記載の形鋼を構造部材として使用した壁体であって、前記形鋼がフランジ外面を壁面に向けて壁体長手方向に複数立設されてなることを特徴とするものである。
【0037】
(11)また、上記(10)のものにおいて、隣接する形鋼同士が連結部材により連結されていることを特徴とするものである。
【0038】
(12)また、上記(10)のものにおいて、形鋼のフランジ外面に接触して壁体高さ方向複数箇所に横鉄筋を配設したことを特徴とするものである。
【0039】
(13)また、上記(12)のものにおいて、隣接する形鋼のフランジ間であって横鉄筋の内側に該横鉄筋に接触すると共に十字状に交叉するように主鉄筋を配設したことを特徴とするものである。
【0040】
(14)また、上記(12)又は(13)のものにおいて、横鉄筋を形鋼のフランジ外面に固着したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0041】
本発明においては、形鋼内面側に複数の突起を設け、これら突起が所定の数値条件を満たすように設定したので、コンクリートとの付着力を増すことができる。その結果、このような形鋼を壁体の構造部材として使用することで、壁厚みを薄くできる。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【図1】本発明の実施の形態1に係る突起付きH形鋼1の説明図であり、図1(a)は概略平面図、図1(b)はX−X部分断面図である。
【図2】本発明の実施の形態2に係る突起付きH形鋼11の説明図であり、図2(a)は概略平面図、図2(b)はY−Y部分断面図である。
【図3】本発明の実施の形態3に係る突起付きH形鋼21の概略平面図である。
【図4】本発明の実施の形態4に係る壁体を説明する説明図である。
【図5】本発明の実施の形態4の効果を説明する説明図である。
【図6】本発明に係る壁体の構築方法の一例を示す模式図である。
【図7】実施例における突起付きH形鋼の付着力測定実験を説明する説明図であり、図7(a)は側面図、図7(b)は正面図である。
【図8】実施例1における突起付きH形鋼の効果を示すグラフである。
【図9】実施例2における突起ピッチの影響を説明するグラフである。
【図10】実施例2における突起高さの影響を説明するグラフである。
【図11】実施例2における突起の向きの説明図である。
【図12】実施例2における突起の向きの影響を説明するグラフである。
【図13】実施例2における突起の形状の説明図である。
【図14】実施例3における模擬壁体構造を示す図であり、図14(a)は正面図、図14(b)は側面図、図14(c)はZ−Z断面図である。
【図15】実施例3における模擬壁体における突起付きH形鋼の効果を示すグラフである。
【図16】実施例4の試験体装置の説明図である。
【図17】実施例4の効果を説明するグラフである。
【図18】本発明に係る突起の断面形状の説明図である。
【図19】本発明の数値限定の根拠を説明するための説明図である。
【図20】せん断破壊を説明する説明図である。
【図21】本発明の数値限定の根拠を説明するための説明図である。
【図22】本発明の数値限定の根拠を説明するための説明図である。
【図23】本発明の突起形状の説明図である。
【図24】本発明の突起形状及び配置を説明する説明図である。
【図25】本発明に係る壁体構造の説明図である。
【図26】本発明の数値限定の根拠を説明するための説明図である。
【図27】従来のSRC壁体の構造を示す横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0043】
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態1に係る突起付きH形鋼1の説明図であり、図1(a)は概略平面図、図1(b)はX−X部分断面図である。
実施の形態1に係る突起付きH形鋼1は、図1に示すようにフランジ内面の4面に断面矩形状の突起2が突起長手方向をフランジ幅Wf 方向として、H形鋼長手方向複数箇所に形成されてなる。フランジ内面の突起2は、突起高さh1、突起幅bおよび突起長さL1を有し、フランジとウェブとで構成される角部に接触せずに形成されている。
【0044】
突起の形状及び配置については、コンクリートもしくは固化処理土との間の付着力を増大させるために、突起ピッチPが4b≦P≦40h1、突起高さh1が2mm≦h1≦50mm、に設定されている。また、突起2は、突起長手方向をフランジ幅Wf方向と平行になるように形成されている。
突起2がフランジ幅方向と平行であれば、左右どちらの向きに生じる付着特性も同様のものとなり強弱の差がなくなり安定した付着性能を得ることができる。一方、突起の向きがフランジ幅方向に対し傾きを持つと、付着の働く向きによってその特性が異なる可能性はあるものの、圧延成形により得られた突起の場合、一方向に傾きを持つ形状であったが、付着の向きによる特性の違いはごくわずかであった。
【0045】
[実施の形態2]
図2は、本発明の実施の形態2に係る突起付きH形鋼11の説明図であり、図2(a)は概略平面図、図2(b)はX−X部分断面図である。
実施の形態2に係る突起付きH形鋼11は、図2に示すように、フランジ内面の4面に断面矩形状の突起2が第1実施の形態に係る突起2と同様に形成されていると共に、ウェブ両表面に付着力強化手段としての突起2Aがそれぞれ突起長手方向をウェブ高さ方向とし、H形鋼長手方向複数箇所に形成されている。
【0046】
ウェブ面の突起2Aはウェブ両表面にそれぞれ形成され、突起高さh2、突起幅bおよび突起長さL2を有し、フランジ内面の突起2およびウェブ面の突起2A共にフランジとウェブとで構成される角部に接触せずに形成されている。なお、ウェブ面に形成する突起2Aの突起高さh2、突起幅bおよび突起長さL2は、フランジ内面に形成する突起2に対して独自に決めることができる。
【0047】
ウェブ面に形成する突起の形状及び配置については、実施の形態1と同様に、コンクリートもしくは固化処理土との間の付着力を増大させるために、突起ピッチPが4b≦P≦40h2、突起高さh2が2mm≦h2≦50mmを満たすように設定されていることが好ましい。
もっとも、フランジ面に形成した突起によって必要とされる付着力の大半が確保できるのであれば、ウェブ面に形成する突起は補助的に付着力を増加させるものと位置づけ、その場合には必ずしも上記の形状・配置を満たす必要はない。
【0048】
[実施の形態3]
図3は、本発明の実施の形態3に係る突起付きH形鋼21の説明図である。実施の形態3に係る突起付きH形鋼21は、図3に示すように、フランジ内面にフランジ内面の4面に突起高さh1、突起幅b、突起長さL1の突起2が形成されていると共にウェブ面に突起高さh2、突起幅b、突起長さL3の突起2Bが形成されている。またフランジ内面の突起2およびウェブ面の突起2Bが共にフランジとウェブとで構成される角部に接触して形成され、ウェブ面の突起2Bは、ウェブ面の中央部に形成されていない。
前記した角部の接触により、さらにコンクリートもしくは固化処理土との間の付着力増大させること(一体化効果)ができる。実施の形態3に係る突起付きH形鋼21のウェブ面に形成されている突起2Bの突起長さL3は、第2実施の形態に係る突起付きH形鋼11のウェブ面に形成されている突起2Aの突起長さL2より短く設定されている。
なお、突起の形状及び配置、すなわち突起ピッチP、突起幅b、突起高さh1とh2については、実施の形態1及び2と同様である。
【0049】
上述した実施の形態1〜3に係る突起付きH形鋼1、11、21は、突起2が突起長手方向をフランジ幅方向と平行にした場合を示したが、本発明に係る突起付きH形鋼としては、突起2がフランジ幅方向に対して傾斜させて形成されていても一定の付着力を得ることができるのは前述した通りである。
【0050】
なお、実施の形態1に示した突起2をフランジ内面に形成する方法は、圧延で形成してもよいし、角材、丸棒、異形鉄筋、スタッド等の突起部材をそれぞれ用い、所定長さに切断し、フランジ内面に固着することにより形成してもよい。突起2を突起部材により形成する場合には、容易に固着することができるようにするため突起部材を鋼製とするのが好ましい。突起2Aおよび2Bも突起2と同様にして形成できる。
【0051】
[実施の形態4]
図4は本発明の実施の形態4に係る壁体の説明図であり、壁体を立設した場合の水平断面を示している。
本実施の形態4に係る壁体は、図4に示すように、実施の形態1に示した突起付きH形鋼1を構造部材として使用した壁体であり、構造部材として突起付きH形鋼1のみを用いたもの(図4(a))、突起付きH形鋼1に加えて横鉄筋4を構造部材としたもの(図4(b))、さらに縦鉄筋5を構造部材として加えたもの(図4(c))を示している。
【0052】
図4(a)に示した壁体においては、突起付きH形鋼1がコンクリートもしくは固化処理土との付着力に優れているので、H形鋼1とコンクリートもしくは固化処理土が一体化して、引張力は主として鋼が負担し、圧縮力はコンクリート等が主として負担するという鋼・コンクリート構造を構成する。
この結果、H形鋼とコンクリート間で付着をとらない従来例の場合(図27参照)には、鉄筋104、105との間で付着をとって鋼・コンクリート構造にする必要があったが、本実施の形態においては、コンクリート等との付着を取るために鉄筋104、105を配置したり、これらの周囲に所定の厚み以上のコンクリートを配置したりすることを必要としない。しかも突起がフランジの内面側に形成されているので、フランジ外面にはH形鋼1との付着を取るためのコンクリート等を必要としない。
その結果、突起付きH形鋼1のフランジ外面から壁面までの間隔B1を従来例におけるフランジ外面から壁面までの間隔B10より小さくすることができ、壁厚みを薄くすることができる。
また、構造体自体の耐力が増加しているので、その意味でも壁厚みを薄くできる。
【0053】
また、本実施の形態の壁体は複数のH形鋼1をウェブ面を対向させて配置していることから各H形鋼1のフランジ間でのコンクリートの拘束効果が壁体幅方向全長に渡って期待でき、より付着力を高めることができる。すなわち、図5(a)に示すように、H形鋼1の隣に何もない場合にはコンクリートにひび割れが発生した場合にはフランジ間で拘束されたコンクリートが図中左右方向に離れてしまい付着力が大きく低減する。これに対して、図5(b)に示すように、H形鋼1が互いにウェブ面を対向させて配置されていると、各H形鋼1のフランジで挟まれたコンクリートが離れようとしたときに隣接間相互に拘束しあってこれを防ぐ。このため付着力を維持することができ、壁体の耐力低下を防止できる。
【0054】
突起付きH形鋼1を複数立設した壁体のコンクリートに対する最大付着応力度τ’max (N/mm2 )は、フランジ間の拘束なしの場合(すなわち突起付き形鋼が一つの場合)に対して2.7〜25倍となる。
【0055】
なお、突起付きH形鋼1を構造部材として使用した壁体においては、隣接する突起付きH形鋼1の中心同士の間隔を過度に空けると、耐力および剛性が極端に低下し、例えば、地下壁においてはコンクリートのパンチング(脆性破壊の一種)が生じる恐れがあると共に、壁厚を薄くする効果が低くなる。そこで、隣接する突起付きH形鋼1の中心同士の間隔は壁体に加わる力に応じてフランジ幅の1.0〜2.5倍の範囲に設定するのが望ましい。
【0056】
なお、地下壁を構築する場合には、隣接する突起付きH形鋼1間にトレミー管(一般に直径;200〜250mm)と呼ばれるパイプが挿入できるようにする一方、十分な薄壁化を達成するために、突起付きH形鋼1のウェブ高さが600mm以上、フランジ幅Wf が300mm以上、鋼材降伏点が315N/mm2 以上のものを使用するのが望ましい。
【0057】
次に、図4(b)の壁体構造について説明する。この壁体は、前述したように、突起付きH形鋼1のフランジ外面に接触させて壁体高さ方向複数箇所に横鉄筋4を配設したものである。図4(b)に示したものにおいては、壁体に対して作用する横鉄筋4に直交方向の曲げに対する抵抗力を増すことができる。
【0058】
なお、図4(b)の壁体構造においては、横鉄筋4は補助的な構造部材であり、図27に示したようにコンクリート103と鉄筋104との付着を必須とする場合と比べて、フランジ外面から壁面までの間隔B2を小さくすることができる。
【0059】
次に、図4(c)の壁体構造について説明する。この壁体は、前述したように、横鉄筋4に加えて隣接する突起付きH形鋼1のフランジ間であって横鉄筋4の内側に接触すると共に十字状に交叉するように主鉄筋5を配設したものである。
この壁体においては、壁体に対して作用する主鉄筋5に直交方向の曲げに対する抵抗力を増すことができる。
【0060】
また、この壁体においては、主鉄筋5を横鉄筋4の内側に配置したので、主鉄筋5を配置することによってフランジ外面から壁面までの間隔B3が大きくなることはなく、全体として壁厚を薄くできる。
【0061】
なお、本実施の形態4の壁体においては、壁体構築時、隣接する突起付きH形鋼1同士を連結することによりH形鋼部材の建て込み精度を高めることができる。
例えば図4(a)に示した壁体構造においては、連結部材として例えば平鋼を用い、壁体構築時、平鋼を突起付きH形鋼1のフランジに溶接で固着することにより、突起付きH形鋼1に固着された平鋼により隣接するH形鋼1同士が連結されてなる壁体とすることができる。
また、図4(b)および(c)に示した壁体構造においては、壁体構築時、横鉄筋4をフランジ面に溶接することにより、鉄骨構造部の隣接する突起付きH形鋼1同士が連結されてなる壁体とすることができる。
【0062】
このような隣接するH形鋼1同士が連結部材または横鉄筋4により連結されてなる壁体は、壁体長手方向に不均一な力、例えば地下壁の場合には偏土圧等が作用したとしても、連結部材により横方向へ力を伝搬することができ、隣接する突起付きH形鋼1のウェブ面と接触し、かつフランジ内面に挟まれたコンクリートの拘束力をより高めることができる。
【0063】
なお、横鉄筋4および主鉄筋5としては、適宜な異形鉄筋を用いればコンクリート等との付着力を増すことができ、より好ましい。
【0064】
なお、上記実施の形態4においては、実施の形態1で示した突起付のH形鋼1を例に挙げて説明したが、実施の形態2、3に示したH形鋼11,21を構造部材として壁体を構築できることはいうまでもない。
そして、実施の形態2、3に示したH形鋼11,21を構造部材として壁体を構築した場合には、H形鋼11,21とコンクリート等との付着力が大きいことからより大きな耐力を有する壁体とすることができる。
【0065】
なお、本発明に係る壁体の構築方法は特に限定されないが、例えば、図6(a)、(b)に示すようにして地下壁とすることができる。まず、地盤内に土留め壁を構築し、土留め壁に到達するまで地盤内空間側の地盤を掘削して、土砂を除去した後、突起付きH形鋼のフランジ外面を壁面と向かい合わせ、壁体長手方向に間隔を空けて突起付きH形鋼を複数立設して鉄骨構造部を作成する。その後、コンクリート、もしくは固化処理土を型枠内に打設することにより、鉄骨構造部とコンクリート、もしくは固化処理土とを一体化させて壁体を構築する。その後、突起付きH形鋼が構造部材として使用された鉄骨構造部を有する壁体と土留め壁との間を埋め戻し、地下壁とする。
【実施例1】
【0066】
ウェブ高さHが588mm、フランジ幅Wfが300mm、ウェブ厚みが12mm、フランジ厚みが20mmのH形鋼1、及び固化後の圧縮強度σcが29(N/mm2)のコンクリート31を用いて図7に示すようなH形鋼とコンクリート間の付着力を測定する試験体により本発明の効果を検証した。
【0067】
その際、フランジ内面に突起を形成していないH形鋼(突起なしH形鋼という)を試験体1に用い、突起2を設けたものを試験体2〜4とした。試験体2〜4における突起ピッチP、突起高さh、突起幅b、はそれぞれ以下の通りである。
試験体2:P=50mm、P/h=17、b=12.5mm
試験体3:P=100mm、P/h=33、b=12.5mm
試験体4:P=150mm、P/h=50、b=12.5mm
なお、試験体2、3および4に用いた突起付きH形鋼1の突起2は、鋼製角材を突起部材として用いてH形鋼に溶接した。また、試験に際しては、鋼製冶具を用いて、側部のコンクリート面を両面から挟み込み拘束した。
【0068】
得られた各試験体に図7中の矢印で示す方向に荷重を載荷し、その際の相対ずれ量を検出し、横軸に相対ずれ量(mm)、縦軸に付着応力度τ(N/mm2 )を取って図8に示した。付着応力度τ(N/mm2 )は、載荷重をコンクリートと接しているフランジ内面積の総和SUM(SUM=(300-12)×500×2=288000mm2
)で除した値である。載荷方法は、変位制御により押し抜き単調載荷方式で行った。
また、上述した各試験体における最大付着応力度τ’max 、各試験体の最大付着応力度τ’max と試験体1の最大付着応力度τ’max
の比、最大載荷重、最大載荷重時の相対ずれ量をまとめて表1に示した。なお、鋼・コンクリート壁体とした場合の鋼−コンクリート間の相対ずれ量の許容値は、5mm程度と想定されるので、その範囲にて比較した。
【0069】
【表1】
【0070】
表1から分かるように、突起を設けた試験体2〜4では突起なしの試験体1に比べて最大付着応力度が格段に大きくなっている。
もっとも、壁体構造として必要な付着強度は3.0N/mm2であるところ、試験体2(突起ピッチP=50mm)、および試験体3(突起ピッチP=100mm)では、3.0N/mm2を大きく超えていたが、試験体4(突起ピッチP=150mm)では最大付着応力度は3.0N/mm2未満であった。
このことから、壁体構造として必要な付着強度を確保するには、本発明の範囲であるP/h≦40かつP/b≧4を満たすことが必要であることが分かる。
つまり、本発明の範囲内の突起を有するフランジ内面突起付きH形鋼1を用いることにより、高耐力、高剛性を有する壁体とすることができ、より薄壁とすることができる。
【実施例2】
【0071】
圧延成形突起(図11、図24参照)の付着特性を調べるために、実施例1と同様の実験を行った。本実施例では本発明例を試験体5,9,10とし、突起ピッチの影響を検証するための比較例を試験体6、突起高さの影響を検証するための比較例を試験体7、突起の向きの影響を検証するための本発明例を試験体8とした。なお、試験に際しては実施例1と同様に鋼製冶具を用いて、側部のコンクリート面を両面から挟み込み拘束した。
【0072】
【表2】
【0073】
(1)突起ピッチPの影響についての考察
突起ピッチの影響を考察するために、試験体1、試験体5および試験体6についての付着応力度(N/mm2)と相対ズレ量(mm)の関係を図9に示す。
図9から分かるように、相対ずれ量δ=5mm以内における最大付着応力度は、試験体5(突起ピッチP=50mm)では、壁体構造として必要な付着強度3.0N/mm2を大きく超えていたが、試験体6(突起ピッチP=150mm)では最大付着応力度は3.0N/mm2未満であった。このことから、圧延成形突起において、突起ピッチをP/h≦40とすることが、壁体構造として必要な付着強度を得るのに有効であることがわかる。
【0074】
(2)突起高さhの影響についての考察
突起ピッチの影響を考察するために、試験体1、試験体5および試験体7についての付着応力度(N/mm2)と相対ズレ量(mm)の関係を図10に示す。
図10から分かるように、相対ずれ量δ=5mmにおける最大付着応力度は、試験体5(突起高さh=3mm)では、壁体構造として必要な付着強度3.0N/mm2を大きく超えていたが、試験体7(突起高さh=1.2mm)では最大付着応力度は3.0N/mm2未満であった。
また、試験体9(突起高さh=2mm)、試験体10(突起高さh=2.5mm)についても、表2に示すように最大付着応力度はそれぞれ3.95N/mm2、4.01N/mm2であり、壁体構造として必要な付着強度3.0N/mm2を超えている。
以上の結果から、所定の付着強度を得るための突起高さhは、本発明の範囲内(P/h≦40)とすることが望ましいことがわかる。
【0075】
(3)突起向き(湾曲形状)の影響についての考察
図11に示すような湾曲形状の突起を設けた場合に、凹面側がコンクリートを押し抜く面となる場合を逆方向(図11(a)、試験体8)とし、凸面側がコンクリートを押し抜く面となる場合を逆方向(図11(b)、試験体5)とした。
突起向き(湾曲形状)の影響を考察するために、試験体5と試験体8についての付着応力度(N/mm2)と相対ズレ量(mm)の関係を図12に示す。
図12から分かるように、相対ずれ量δ=5mm以内における最大付着応力度は、両試験体ともに壁体構造として必要な付着強度3.0N/mm2を大きく超えており、コンクリート押し抜く突起の湾曲面が変わっても付着特性に大きな差異はみられなかった。すなわち、突起向き(湾曲形状)は付着特性に大きな影響を与えず、湾曲方向はいずれの向きであってもよいことがわかる。
【0076】
なお、本実施例のように圧延によって突起を成形した場合には、図13に示すように、フランジとウェブの境界部に出っ張りが形成されることがある。そこで、この出っ張りが形成されることによる付着力への影響を検証したが、少なくとも出っ張りが形成されることで付着力が低下することはないことを確認した。
【実施例3】
【0077】
実施例1と同じ断面寸法を有するH形鋼を用い、そのフランジ内面に突起高さが3mm、突起幅が12.5mm、突起長さが50mmの突起2を突起ピッチP=50mmで形成した。但し、フランジ内面突起付きH形鋼1の突起2は、鋼製角材を突起部材として用い、図1に示すように溶接取付けにより配設した。
上記フランジ内面突起付きH形鋼1を構造部材として図14に示すように直方体状の基部に模擬壁体を構築し、図中矢印で示す方向の繰り返し荷重を載荷して試験を行った。
【0078】
この結果、図15に示すように、本発明の範囲内の突起をフランジ内面に有するフランジ内面突起付きH形鋼を用いた模擬壁体は、載荷点位置の変位に対する最大荷重が突起なしH形鋼を用いた模擬壁体の最大荷重に比べて1.3倍以上という値を示し、高耐力を有することがわかった。また、本発明の範囲内の突起をフランジ内面に有するフランジ内面突起付きH形鋼を用いた模擬壁体の剛性は、突起なしH形鋼を用いた模擬壁体の剛性に対しても1.3倍以上となった。
【実施例4】
【0079】
上記実施例1〜3によって押し抜き力に対して所定の付着強度が確保できていることが実証された。
しかしながら、実際の壁体に卓越して作用する力は、曲げ・せん断力であるため、押し抜き力に対する性能の実証のみでは壁体としての性能の実証としては十分とは言えない。
そこで、本実施例では曲げ・せん断力に対する鋼・コンクリート壁体の性能を実大サイズの試験体により確認した。
図16は本実施例の試験体の説明図であり、H形鋼1を中心部に配置し、その周囲をコンクリート31で囲んだ構造である。試験体の両端部及び軸方向中央部にはコンクリート31を保護するための保護プレート33を設け、両端部を支持すると共に軸方向中央部に載荷する構造とした。なお、H形鋼の仕様は、実施例1に示したものと同様であり、突起の仕様(製法、寸法を含む)及びコンクリートの仕様は実施例2の試験体5と同様とした。
【0080】
鋼・コンクリート壁体として備えるべき性能については、FEM解析による計算を実施して求めた。なお、解析モデルとしては、本試験体モデルに対しコンクリートおよびH形鋼の力学特性は各要素試験結果により得られた応力−ひずみ曲線(非線形モデル)によりモデル化するとともに、コンクリートとH形鋼間の境界面には、押し抜き付着試験に基づき、インターフェース要素を用いて付着特性をモデル化した。
【0081】
試験としては、図16に示した試験体に対してその中央部に載荷したときに載荷点のたわみを求めた。図17はこの試験結果を示すグラフであり、横軸が載荷点のたわみ(mm)を示し、縦軸が荷重(kN)を示している。
図17から分かるように、実験結果は付着特性を考慮した計算値と良く一致していることから、曲げ・せん断力に対し、鋼・コンクリート壁体として期待どおりの性能を有しているが確認できた。
【符号の説明】
【0082】
1、11、21 突起付きH形鋼
2 突起部材
3、31、32 コンクリート(固化処理土)
4 横鉄筋
5 主鉄筋
h、h1、h2 突起高さ
b 矩形断面突起の突起幅
b1 突起断面における下辺突起幅
b2 突起断面における上辺突起幅
L、L1、L2、L3 突起長さ:突起付け根から突起先端までの距離
P 突起ピッチ
A1、A2、A3、A10 壁厚み
B1、B2、B3、B10 フランジ外面から壁面までの間隔
H ウェブ高さ
Wf フランジ幅
【特許請求の範囲】
【請求項1】
内面側に複数の突起を有する形鋼であって、前記突起が形成された形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とする形鋼。
P/h≦10、かつ、P/b2≧4
【請求項2】
内面側に複数の突起を有する形鋼であって、前記突起が形成された形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とする形鋼。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b2≦P≦10h
【請求項3】
内面側に複数の突起を有する形鋼であって、前記突起が形成された形鋼面に垂直な断面における該突起の下辺幅b1、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とする形鋼。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b1≦P≦10h
【請求項4】
ウェブ面を互いに対向させて壁体長手方向に複数立設して鋼・コンクリート壁体の構造部材として使用されるH型の形鋼であって、フランジ内面側に複数の突起を有すると共に前記突起が形成されたH形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とする形鋼。
P/h≦40、かつ、P/b2≧4
【請求項5】
ウェブ面を互いに対向させて壁体長手方向に複数立設して鋼・コンクリート壁体の構造部材として使用されるH型の形鋼であって、フランジ内面側に複数の突起を有すると共に前記突起が形成されたH形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とする形鋼。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b2≦P≦40h
【請求項6】
ウェブ面を互いに対向させて壁体長手方向に複数立設して鋼・コンクリート壁体の構造部材として使用されるH型の形鋼であって、フランジ内面側に複数の突起を有すると共に前記突起が形成されたH形鋼面に垂直な断面における該突起の下辺幅b1、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とする形鋼。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b1≦P≦40h
【請求項7】
付着力強化手段がウェブ面に設けられていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の形鋼。
【請求項8】
突起の下辺幅をb1としたときに、h≦b1であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の形鋼。
【請求項9】
突起がフランジ内面及びウェブ面に設けられると共に、これら両方に設けた突起が一体化されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の形鋼。
【請求項10】
請求項1〜9のいずれか一項に記載の形鋼を構造部材として使用した壁体であって、前記形鋼がフランジ外面を壁面に向けて壁体長手方向に複数立設されてなることを特徴とする壁体。
【請求項11】
隣接する形鋼同士が連結部材により連結されていることを特徴とする請求項10記載の壁体。
【請求項12】
形鋼のフランジ外面に接触して壁体高さ方向複数箇所に横鉄筋を配設したことを特徴とする請求項10記載の壁体。
【請求項13】
隣接する形鋼のフランジ間であって横鉄筋の内側に該横鉄筋に接触すると共に十字状に交叉するように主鉄筋を配設したことを特徴とする請求項12記載の壁体。
【請求項14】
横鉄筋を形鋼のフランジ外面に固着したことを特徴とする請求項12又は13に記載の壁体。
【請求項1】
内面側に複数の突起を有する形鋼であって、前記突起が形成された形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とする形鋼。
P/h≦10、かつ、P/b2≧4
【請求項2】
内面側に複数の突起を有する形鋼であって、前記突起が形成された形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とする形鋼。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b2≦P≦10h
【請求項3】
内面側に複数の突起を有する形鋼であって、前記突起が形成された形鋼面に垂直な断面における該突起の下辺幅b1、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とする形鋼。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b1≦P≦10h
【請求項4】
ウェブ面を互いに対向させて壁体長手方向に複数立設して鋼・コンクリート壁体の構造部材として使用されるH型の形鋼であって、フランジ内面側に複数の突起を有すると共に前記突起が形成されたH形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とする形鋼。
P/h≦40、かつ、P/b2≧4
【請求項5】
ウェブ面を互いに対向させて壁体長手方向に複数立設して鋼・コンクリート壁体の構造部材として使用されるH型の形鋼であって、フランジ内面側に複数の突起を有すると共に前記突起が形成されたH形鋼面に垂直な断面における該突起の上辺幅b2、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とする形鋼。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b2≦P≦40h
【請求項6】
ウェブ面を互いに対向させて壁体長手方向に複数立設して鋼・コンクリート壁体の構造部材として使用されるH型の形鋼であって、フランジ内面側に複数の突起を有すると共に前記突起が形成されたH形鋼面に垂直な断面における該突起の下辺幅b1、突起高さh、突起ピッチPが下式を満たすことを特徴とする形鋼。
2mm≦h≦50mm、かつ、4b1≦P≦40h
【請求項7】
付着力強化手段がウェブ面に設けられていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の形鋼。
【請求項8】
突起の下辺幅をb1としたときに、h≦b1であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の形鋼。
【請求項9】
突起がフランジ内面及びウェブ面に設けられると共に、これら両方に設けた突起が一体化されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の形鋼。
【請求項10】
請求項1〜9のいずれか一項に記載の形鋼を構造部材として使用した壁体であって、前記形鋼がフランジ外面を壁面に向けて壁体長手方向に複数立設されてなることを特徴とする壁体。
【請求項11】
隣接する形鋼同士が連結部材により連結されていることを特徴とする請求項10記載の壁体。
【請求項12】
形鋼のフランジ外面に接触して壁体高さ方向複数箇所に横鉄筋を配設したことを特徴とする請求項10記載の壁体。
【請求項13】
隣接する形鋼のフランジ間であって横鉄筋の内側に該横鉄筋に接触すると共に十字状に交叉するように主鉄筋を配設したことを特徴とする請求項12記載の壁体。
【請求項14】
横鉄筋を形鋼のフランジ外面に固着したことを特徴とする請求項12又は13に記載の壁体。
【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14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【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14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【公開番号】特開2009−102986(P2009−102986A)
【公開日】平成21年5月14日(2009.5.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−30245(P2009−30245)
【出願日】平成21年2月12日(2009.2.12)
【分割の表示】特願2003−431714(P2003−431714)の分割
【原出願日】平成15年12月26日(2003.12.26)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 平成15年9月24日〜26日 社団法人 土木学会主催の「土木学会平成15年度全国大会」に文書をもって発表
【出願人】(000001258)JFEスチール株式会社 (8,589)
【出願人】(000000549)株式会社大林組 (1,758)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年5月14日(2009.5.14)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年2月12日(2009.2.12)
【分割の表示】特願2003−431714(P2003−431714)の分割
【原出願日】平成15年12月26日(2003.12.26)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 平成15年9月24日〜26日 社団法人 土木学会主催の「土木学会平成15年度全国大会」に文書をもって発表
【出願人】(000001258)JFEスチール株式会社 (8,589)
【出願人】(000000549)株式会社大林組 (1,758)
【Fターム(参考)】
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