JP2005200994A

JP2005200994A - 閉鎖断面部材の接合構造

Info

Publication number: JP2005200994A
Application number: JP2004010121A
Authority: JP
Inventors: Kuniaki Sato; 邦昭佐藤; Koji Shimada; 晃治嶋田; Takuro Yaguchi; 卓郎矢口
Original assignee: Artes Corp
Current assignee: Artes Corp
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】柱と柱の接合、柱とコンクリート部材の接合、柱脚などの接合構造において、比較的簡易で低コストの接合構造により十分な接合強度が得られ、現場での接合作業が極めて容易で、接合部の外側に何もない美麗でコンパクトな接合部を得る。
【解決手段】閉鎖断面鉄骨の角形鋼管や円形鋼管からなる上柱１と下柱２の接合端部における内側面に柱軸方向に平行で柱周方向に間隔をおいて複数のスリーブ１０を予め工場等で溶接により固着し、異形棒鋼１１の下部を下スリーブ１０に挿入してグラウト材１２で固定しておき、下柱２の上に上柱１を吊り込み、異形棒鋼１１の上部を上スリーブ１０内に挿入しつつ下柱２上に上柱１を建て込み、上スリーブ１０内にグラウト材１２を充填して上スリーブ１０と異形棒鋼１１とを固定し、あるいは異形棒鋼１１の下部を下スリーブ１０内に位置決めスペーサー等で仮止めし、上柱と下柱で同時にグラウトする。
【選択図】図１

Description

本発明は、建築や土木構造物における円形鋼管や角形鋼管等の閉鎖断面部材の接合、例えば、柱と柱の接合、柱と鉄筋コンクリート部材の接合、柱脚などに適用される閉鎖断面部材の接合構造に関するものである。

従来、鉄骨柱と鉄骨柱の接合には、所謂エレクションピースが用いられている。図７は、工事現場において角形鋼管からなる上柱１と下柱２とを接合する例であり、上柱１と下柱２の接合端部における外側面にそれぞれ取付板５０を予め溶接しておき（工場溶接）、上下の取付板５０を継手板５１を用いボルト接合して仮固定する。上柱１と下柱２の接合端面には溶接開先が予め形成されており（工場加工）、現場溶接により上柱１と下柱２とが接合一体化される。溶接完了後に取付板５０が切断除去される。円形鋼管の場合も同様である。

図８は、従来の柱脚の例であり、角形鋼管からなる柱３の接合端面にベースプレート６０が溶接で固定されており、基礎コンクリート４内に埋設固定されたアンカーボルト６１の先端部をベースプレート６０の取付穴に挿通し、ナット６２を締め付けることでベースプレート６０を基礎上に固定している。このような柱脚の曲げモーメントは、ベースプレート６０の一端で圧縮力として基礎に伝達され、他端で引張力としてアンカーボルト６１に伝達され、定着金物６３により基礎に伝達される。なお、基礎には、アンカーボルト６１の定着力を基礎に分布伝達させるため、アンカーボルト外周を囲むように主筋とフープ筋からなる鉄筋籠が埋設されている（図示省略) 。

また、本発明に関連する先行技術文献として、接合スリーブと異形棒鋼とグラウト材を用いた鉄骨構造物の柱・梁接合部構造（特許文献１参照）、接合金物と接合ボルトを用いた柱・梁の接合部構造（特許文献２参照）、内面に凹凸が設けられたスリーブ金物と異形棒鋼と高強度モルタルを用いた鉄骨柱と基礎コンクリートとの接合構造（特許文献３参照）、内面に凹凸が設けられた断面略Ｕ字状のスリーブ状接合金物と異形棒鋼とグラウト材を用いたアンカー筋の接合金物・接合構造・接合方法（特願２００２ー２５６４９５）等がある。
特許第２９５４５４８号公報特許第３１２９６８５号公報特許第３１８９９５３号公報

従来の図７のエレクションピースによる鉄骨柱と鉄骨柱の接合の場合、取付板５０の切断除去に際して、柱母材３を傷めるため、取付板５０を完全に除去することができず、図７(b) に示すように、取付板５０の基部が残る欠点がある。外観を損なうだけでなく、切削仕上をしても、取付板５０の溶接部分が起点となって、地震時にぜい性破壊を起す危険性がある。さらに、鋼管内部にコンクリートを充填したＰＣ柱の場合、現場溶接の熱の影響で内部コンクリートが劣化するため、これを避けるべく、熱影響が予想される部分を空洞化し、溶接後、柱の側面の穴からコンクリートを充填せざるを得ない。あるいは、下柱の途中までコンクリートを充填し、上柱は接合後に頂部からコンクリートを流し込み、もしくは柱側面に穴をあけコンクリートを圧入する。何れにせよ、現場での施工性が悪いという問題がある。

従来の図８のベースプレートとアンカーボルトによる柱脚の場合、アンカーボルト６１がベースプレート６０上でナット６２で固定されているため、圧縮側ではアンカーボルト６１が無効となる。また、ベースプレート６０が大きく、基礎コンクリート４の立上がり幅ａはベースプレート６０の外側に余幅ｂが必要となり、柱の位置は隣地境界線より後退せざるを得ない。さらに、デザインの面でアンカーボルト６１の先端部とナット６２を隠すために増打コンクリート５が必要な場合が多い。

本発明は、建築や土木構造物における円形鋼管や角形鋼管等の閉鎖断面部材の接合、例えば、柱と柱の接合、柱と鉄筋コンクリート部材の接合、柱脚などの接合構造において、比較的簡易で低コストの接合構造により十分な接合強度が得られると共に、現場での接合作業が極めて容易となり、しかも接合部の外側に突起物が何もない美麗でコンパクトな接合部が得られる閉鎖断面部材の接合構造を提供することを目的としている。

本発明の請求項１は、閉鎖断面鉄骨柱と閉鎖断面鉄骨柱とを接合するための接合構造であり、上下の閉鎖断面鉄骨柱（角形鋼管や円形鋼管など) のそれぞれの接合端部における内側面に、柱軸方向に平行なスリーブ（内面に凹凸の付いたスリーブまたは内面に凹凸のないスリーブ) が柱周方向に間隔をおいて複数固着（突合せ溶接、すみ肉溶接、溝溶接など) され、上下の閉鎖断面鉄骨柱の上下のスリーブ内にそれぞれ異形棒鋼の上部と下部が挿入され、前記上下のスリーブ内にグラウト材（高強度モルタルや樹脂系接着剤など）が充填されていることを特徴とする閉鎖断面部材の接合構造である（図１参照、以下、第１発明という) 。

この請求項１は、鋼管柱同士あるいはコンクリート充填鋼管柱同士などの接合に適用されるものである。接合作業は次のように行う。上柱の下部と下柱の上部の内部に、それぞれ上下のスリーブが予め工場等で溶接により固定されており、下柱の下スリーブに異形棒鋼の下部を挿入し、この下スリーブ内にグラウト材を充填し、異形棒鋼を所定のスリーブ定着長分だけ突出させて固定しておき、この下柱の上に上柱を吊り込み、異形棒鋼の上部を上スリーブ内に挿入しつつ下柱上に上柱を建て込み、上スリーブ内にグラウト材を注入し、異形棒鋼の上部を上スリーブに固定する。あるいは下スリーブに異形棒鋼をスペーサー等を用いて仮固定しておき、下スリーブと上スリーブ同時に工事現場でグラウトすることもできる。上柱と下柱とが、柱内部の上下のスリーブと異形棒鋼とグラウト材とにより接合一体化される。

以上のような本発明の柱と柱の接合構造によれば、(a) 従来の柱と柱の接合における取付板及び継手板が不要となる、(b) 現場溶接が不要となる、(c) 現場溶接後の取付板の切断除去作業が不要となる、(d) 取付板を切断除去した箇所からのぜい性破壊の危険性が無くなる、(e) 接合時間が溶接の 1/3〜1/5 となり、現場での作業性が良い、(f) ＰＣ化した柱の場合、予め工場等で柱の端面までコンクリートを打設しておくことができ、従来のような現場でのコンクリート充填が不要となる、(g) 接合部の外面には何も無く、美麗であると共に、連続した平面が得られる。

本発明の請求項２は、閉鎖断面鉄骨柱をコンクリート部材に接合するための接合構造であり、閉鎖断面鉄骨柱（角形鋼管や円形鋼管など) の接合端部における内側面に、柱軸方向に平行なスリーブ（内面に凹凸の付いたスリーブまたは内面に凹凸のないスリーブ) が柱周方向に間隔をおいて複数固着（突合せ溶接、すみ肉溶接、柱外側からの溝溶接など) され、コンクリート部材内に基部が埋設固定された異形棒鋼の先端部が前記スリーブ内に挿入され、このスリーブ内にグラウト材（高強度モルタルや樹脂系接着剤など）が充填されていることを特徴とする閉鎖断面部材の接合構造である（図２参照、以下、第２発明という) 。

この請求項２は、鋼管柱と、下部コンクリート、基礎コンクリート（柱脚) あるいは鉄筋コンクリート柱などとの接合に適用されるものである。接合作業は次のように行う。下部のコンクリート部材内には異形棒鋼が所定のスリーブ定着長分だけ突出させて埋設されており、柱の下部の内部には、スリーブが予め工場等で溶接により固定されており、下部のコンクリート部材の上に柱を吊り込み、異形棒鋼の上部をスリーブ内に挿入しつつコンクリート部材上に柱を建て込み、柱のスリーブ内にグラウト材を注入し、異形棒鋼の上部をスリーブに固定する。柱とコンクリート部材とが、柱内部のスリーブと異形棒鋼とグラウト材とにより接合一体化される。

以上のような本発明の柱とコンクリート部材の接合構造によれば、(a) 基礎等に用いた場合、従来のベースプレートが不要となる、(b) 基礎等に用いた場合、地震時にアンカーボルトが引張力を受けたとき従来のようなアンカーボルトのナット下部のねじ部の伸び歪みの発生が無く、性能が劣化することがない、(c) 基礎等に用いた場合、異形棒鋼の外径とスリーブ内径のクリアランスが大きいため、従来のようにアンカーボルトをベースプレートのボルト孔に挿通するための厳しい精度管理が不要となる、(d) 基礎等に用いた場合、ベースプレートが無いため、隣地境界に接近して柱を建てることができ、敷地の有効利用が可能となる、(e) ＲＣフレーム上にＳ造の柱を立設し易くなり、また接合部の固定度が確保でき、下部構造とラーメン構造を構成することができる、(f) 接合部の外側には何も無く、美麗であると共に、基礎等に用いた場合、足元に突出物がないため増打コンクリートが不要となる。

請求項１及び２において、スリーブの柱内面への固着には溶接が用いられるが、欠陥の発生しやすいフレア溶接を避けるためには、スリーブの両側部に板状の突起を設け、この突起を裏当て材として突合せ溶接またはすみ肉溶接を行う。また、作業性が悪い場合には、柱側板にスリーブ長手方向のスリットを設けて溝溶接することもできる。

本発明の閉鎖断面部材の接合構造は、以上のように構成されているので、次のような効果を有する。

(1) 柱と柱の接合あるいは柱とコンクリート部材の接合において、柱内部に固着したスリーブと異形棒鋼とグラウト材とを用いて接合するため、比較的簡易で低コストの接合構造により十分な接合強度が得られる。

(2) 予め工場等で柱内部にスリーブを固着しておき、現場では異形棒鋼をスリーブ内に挿入し、グラウト材で固定一体化するため、現場での接合作業が極めて容易となり、施工コストの低減が図られる。

(3) スリーブが柱内部に設けられているため、接合部の外側に突起物が何もなく、美麗であり、かつ、コンパクトな接合部が得られる。

(4) ＰＣ化した柱の場合、予め工場等で柱の端面までコンクリートを打設しておくことができ、従来のような現場でのコンクリート充填が不要となる。

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。図１は本発明の閉鎖断面鉄骨柱と閉鎖断面鉄骨柱とを接合するための接合構造の一例を示したものである。図２は本発明の閉鎖断面鉄骨柱とコンクリート部材とを接合するための接合構造の一例を示したものである。図３は閉鎖断面鉄骨柱の例とスリーブ配置の例を示したものである。図４、図５は、２種類のスリーブ形状の例を示したものである。図６はスリーブの溶接の例を示したものである。

図１の実施形態において、本発明の接合構造は、閉鎖断面鉄骨である角形鋼管からなる上柱１と下柱２の接合端部における内側面にそれぞれ溶接で固着される柱軸方向に平行で柱周方向に間隔をおいて複数のスリーブ１０と、丸鋼外面にふしが一体形成され、上下のスリーブ１０に上部と下部がそれぞれ挿入される異形棒鋼１１と、上下のスリーブ１０の内部に充填される高強度モルタルやエポキシ樹脂系接着剤等からなるグラウト材１２から構成されている。

上下のスリーブ１０は、横断面がＵ字状等のものでもよいが、横断面が円形リング状の円筒形スリーブが好ましい。また、この上下のスリーブ１０は、上柱１と下柱２の内部に完全に収納し、外から見えないようにし、さらにスリーブ端面と柱端面とを面一とするのが好ましい。異形棒鋼１１は、接合状態で連続した上下のスリーブ１０の内部に完全に収納される長さとされている。

上柱１と下柱２は、円形鋼管、その他の閉鎖断面鉄骨柱でもよい。また、上柱１と下柱２は中空のままでもよいし、コンクリート１３を充填してＰＣ柱（コンクリート充填鋼管柱）としてもよい。スリーブ１０は、底のある円筒形スリーブあるいは両端を漏れ止め部材で閉塞した円筒形スリーブとし、グラウト材が漏れ出ないようにし、ＰＣ柱の場合はコンクリートがスリーブ内に流入しないようにする。

以上のような鉄骨柱と鉄骨柱の接合構造において、次のような手順で鉄骨柱と鉄骨柱の接合作業を行う（図１参照）。

(1) 図１(d) に示すように、上柱１の下部と下柱２の上部には、それぞれ上下のスリーブ１０が予め工場等で溶接により固定されており、下スリーブ１０に異形棒鋼１１の下部を挿入し、この下スリーブ１０内にグラウト材１２を充填し、異形棒鋼１１を固定しておく。ＰＣ柱の場合は、図１(e) に示すように、予め工場等でコンクリート１３を上柱１及び下柱２の端面まで打設しておく。

(2) 下柱２の上に上柱１を吊り込み、異形棒鋼１１の上部を上スリーブ１０内に挿入しつつ下柱２上に上柱１を建て込む。

(3) 図１(a) に示すように、上スリーブ１０及び上柱１には、スリーブ内と外部とを連通する注入口１４と排出口１５がそれぞれスリーブの下部位置と上部位置に設けられており、グラウト材１２を注入口１４から上スリーブ１０内に注入し、排出口１５から排出させてグラウト材１２の充填を確認する。

ここで、ＰＣ柱の場合、上柱１と下柱２との当接面に若干の隙間を設け、その周辺をガムテープ等でシールして漏れ止めとし、その一部に形成した注入口からグラウト材１２を注入すれば、グラウト材１２が上スリーブ１０だけではなく、当接面の隙間にも充填されるため、上柱１と下柱２とが確実に固定される。

また、下柱のスリーブへのグラウト注入は、現場で上柱と同時に行うこともできる。この場合、例えば図１(f) に示すようなネオプレーン製の位置決めスペーサー１９を用いて下スリーブ１０内に異形棒鋼１１を仮止めする。

次に、図２の実施形態において、本発明の接合構造は、角形鋼管からなる柱３の接合端部における内側面にそれぞれ溶接で固着される柱軸方向に平行で柱周方向に間隔をおいて複数のスリーブ１０と、丸鋼外面にふしが一体形成され、下の基部が鉄筋コンクリート部材４内に埋設固定され、上の先端部がスリーブ１０内に挿入される異形棒鋼１１と、スリーブ１０の内部に充填される高強度モルタルやエポキシ樹脂系接着剤等からなるグラウト材１２から構成されている。

柱３及びスリーブ１０は、図１の上柱１及び上スリーブ１０と同じである。柱３は円形鋼管、その他の閉鎖断面鉄骨柱でもよい。異形棒鋼１１は、予め鉄筋コンクリート部材４内に埋設され、先端部が鉄筋コンクリート部材４の上面から所定のスリーブ定着長さ分だけ突出している。鉄筋コンクリート部材４内には鉄筋が配筋されている（図示省略) 。図示例の場合、異形棒鋼１１の下端には定着金物１６が設けられている。鉄筋コンクリート部材４が鉄筋コンクリート柱の場合には、その主筋が異形棒鋼１１であり、この主筋を鉄筋コンクリート柱の上面から所定のスリーブ定着長さ分だけ突出させておけばよい。また、柱３がＰＣ柱の場合のグラウト材の充填方法は、前述した図１のＰＣ柱の充填方法に準ずる。

この接合構造は、鉄筋コンクリートフレームから鉄骨フレームの鋼管柱を立設するときに適用できる。また、鉄筋コンクリート基礎との接合すなわち柱脚にも適用できる。柱脚等の場合、接合部は柱内部で行われるのでスマートであり、突出部がないので遮蔽するための増打コンクリートの必要がない。また、ベースプレートがないため、基礎の立上がりコンクリート部をコンパクトなものとすることができる。さらに、異形棒鋼１１を立上がり主筋とし、これにフープ筋を結束線等で固定すれば、通常の鉄筋籠を外側に配置する場合と比べて鉄筋コンクリート部材４の平面視の形状を小さくすることができる。

以上のような鉄骨柱とコンクリート部材の接合構造において、次のような手順で鉄骨柱とコンクリート部材の接合作業を行う（図２参照）。

(1) 図２(c) に示すように、鉄筋コンクリート部材４内には異形棒鋼１１が埋設されており、柱３の下部には、スリーブ１０が予め工場等で溶接により固定されている。ＰＣ柱の場合は、図２(d) に示すように、予め工場等でコンクリート１３を柱３の端面まで打設しておく。

(2) 鉄筋コンクリート部材４の上に柱３を吊り込み、異形棒鋼１１の上部をスリーブ１０内に挿入しつつ鉄筋コンクリート部材４上に柱３を建て込む。

(3) 異形棒鋼１１の上部突出部はスリーブ１０内に完全に収納されており、グラウト材１２を注入口１４からスリーブ１０内に注入し、排出口１５から排出させてグラウト材１２の充填を確認する。ＰＣ柱の場合、図１と同様に、柱３と鉄筋コンクリート部材４との当接面に若干の隙間を設け、ガムテープ等でシールしてグラウトすれば、充填されるため、柱３と鉄筋コンクリート部材４とが確実に固定される。

図３の(a) は円形鋼管に複数のスリーブを配置した例、(b) は角形鋼管に複数のスリーブを配置した例であり、スリーブ１０の両側部を溶接で鋼管内面に固定する。この溶接は、後述するように鋼管内面に直接突合せ溶接するのが好ましい。また、作業性が悪い場合には、鋼管側板のスリーブ当接部分にスリーブ長手方向のスリットを設け、溝溶接（プラグ溶接やスロット溶接) などを用いることもできる。

スリーブ１０は２種類用いることができる。図４に示すように、スリーブ１０は内面に凹凸１７のあるスリーブを用い、高強度モルタルまたはエポキシ樹脂系接着剤等のグラウト材１２で異形棒鋼１１と一体化する。スリーブ１０内に異形棒鋼１１を挿入し、スリーブ１０の両端を図示しない漏れ止め部材で閉塞し、注入口１４からスリーブ１０内に注入し、排出口１５から排出させる。このように内側に凹凸を有するスリーブに異形棒鋼を挿入しグラウトする場合、スリーブ内径と棒鋼外径のクリアランスが大きくても棒鋼の引張強さを十分に確保することができ、接合時の施工誤差の許容範囲が大きいという利点がある。

図５に示すように、エポキシ樹脂系接着剤を用いる場合には、スリーブ１０は凹凸のないスリーブを用いることができ、スリーブ１０の長さは棒鋼径の２．５倍以上とする。この場合、挿入精度は厳しくなるものの、スリーブ長は棒鋼直径の２．５倍以上あればよく、鋼管内への配置が容易となる。

図６は、欠陥が発生しやすいフレア溶接を避けるため、溶接性の良い鋳鋼品等のスリーブ１０の側面にスリーブ長手方向に延在する突起１８を設ける場合であり、この突起１８を裏当てとして用いることにより、突合せ溶接やすみ肉溶接が可能となる。図６(a) は入隅部、図６(b) は平坦部の場合であり、開先角度が３０〜４５°の範囲となるように突起１８を設けるのが好ましい。開先角度が３０°程度でスリーブ径が比較的小さい場合には突合せ溶接とし、開先角度が４５°程度でスリーブ径が比較的大きい場合にはすみ肉溶接が可能である。このような突起を設けることで、裏当て付きグルーブ溶接に準じた溶接を行うことができ、溶接欠陥のない健全な溶接部が得られる。

なお、本発明は以上のような図示例に限定されないことは言うまでもない。

本発明の閉鎖断面鉄骨柱と閉鎖断面鉄骨柱とを接合するための接合構造の一実施形態であり、(a) は接合後の正面図、(b) は柱が角形鋼管の場合の水平断面図、(c) は柱が円形鋼管の場合の水平断面図、(d) は接合前の鉛直断面図、(e) はＰＣ柱の接合前の鉛直断面図、(f) は位置決めスペーサーの斜視図である。本発明の閉鎖断面鉄骨柱とコンクリート部材とを接合するための接合構造の一実施形態であり、(a) は接合後の正面図、(b) は水平断面図、(c) は接合前の鉛直断面図、(d) はＰＣ柱の接合前の鉛直断面図である。本発明の閉鎖断面鉄骨柱の例とスリーブの配置の例を示す水平断面図である。本発明で用いるスリーブ形状の一例を示す異形棒鋼の正面図・側面図とスリーブの断面図である。本発明で用いるスリーブ形状の他の例を示す断面図である。本発明で用いるスリーブの溶接の例を示す断面図である。従来の柱と柱の接合構造を工程順に示す正面図と断面図である。従来の柱脚構造を示す(a) は鉛直断面図、(b) は水平断面図である。

符号の説明

１……上柱
２……下柱
３……柱
４……鉄筋コンクリート部材
１０……スリーブ
１１……異形棒鋼
１２……グラウト材
１３……コンクリート
１４……注入口
１５……排出口
１６……定着金物
１７……凹凸
１８……突起
１９……位置決めスペーサー

Claims

閉鎖断面鉄骨柱と閉鎖断面鉄骨柱とを接合するための接合構造であり、上下の閉鎖断面鉄骨柱のそれぞれの接合端部における内側面に、柱軸方向に平行なスリーブが柱周方向に間隔をおいて複数固着され、上下の閉鎖断面鉄骨柱の上下のスリーブ内にそれぞれ異形棒鋼の上部と下部が挿入され、前記上下のスリーブ内にグラウト材が充填されていることを特徴とする閉鎖断面部材の接合構造。
閉鎖断面鉄骨柱をコンクリート部材に接合するための接合構造であり、閉鎖断面鉄骨柱の接合端部における内側面に、柱軸方向に平行なスリーブが柱周方向に間隔をおいて複数固着され、コンクリート部材内に基部が埋設固定された異形棒鋼の先端部が前記スリーブ内に挿入され、このスリーブ内にグラウト材が充填されていることを特徴とする閉鎖断面部材の接合構造。