JP6813002B2 - 床スラブ付鉄骨梁およびその設計方法 - Google Patents
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Description
本発明は、両端部が柱に剛接合されると共に、鉄骨梁の上フランジに接合部材としての頭付きスタッドを介して床スラブが接合され、かつ床スラブが梁材軸直交方向の一方側に連続し、他方側には連続することなく縁部となっている床スラブ付鉄骨梁およびその設計方法に関するものである。
鋼構造建物では地震時に、鉄骨梁において横座屈と呼ばれる材軸直交方向の変形が生じるおそれがある。このため、通常、小断面の鋼構造部材を鉄骨梁間に配置して、鉄骨梁の材軸直交方向の移動を拘束することで横座屈を防止することが行われている。
また、床スラブには内部に鉄筋を配したコンクリートを用いることが多く、その際、頭付きスタッドで床スラブと鉄骨梁を接合して合成梁と挙動させることが一般的である。このような一般的な床スラブ付鉄骨梁１００は、図１３〜図１５に示すように、両端部が角形鋼管からなる柱３にダイアフラム５を介して剛接合されており、上フランジ７の上面には鉄筋９が配筋された鉄筋コンクリートからなる床スラブ１１との接合部材としての頭付きスタッド１３が梁材軸方向に複数配置されている。
床スラブ１１は、建物外周部などでは、図１５に示すように、鉄骨梁の上部と梁材軸直交方向の一方側のみに配置されている。なお、床スラブ１１は、鉄筋コンクリートの他に例えば打設の際に用いるデッキプレート１５が構成要素とされている。
床スラブ１１は、建物外周部などでは、図１５に示すように、鉄骨梁の上部と梁材軸直交方向の一方側のみに配置されている。なお、床スラブ１１は、鉄筋コンクリートの他に例えば打設の際に用いるデッキプレート１５が構成要素とされている。
ダイアフラム５としては、例えば通しダイアフラム、内ダイアフラム、外ダイアフラムがあり、また、鉄筋９としては、例えば異形鉄筋、丸鋼、溶接金網等で構成され、梁材軸方向と梁材軸直交方向の2方向のものが組み合わされて用いられる。
また、デッキプレート１５には型枠用のフラットデッキとコンクリートと一体となって挙動する波形の合成デッキがある。
また、デッキプレート１５には型枠用のフラットデッキとコンクリートと一体となって挙動する波形の合成デッキがある。
合成梁では、非特許文献1の指針に従い、鉄骨梁と床スラブの強度、断面積から鉄骨梁‐床スラブ間に生じうる最大のせん断力に対して頭付きスタッド等の接合部の設計が行われる。そして、梁全長での接合部の有する耐力が、生じうる最大のせん断力以上となるよう設計された合成梁は完全合成梁と呼ばれる。
近年、鉄骨梁の材軸直交方向の変形に対し、床スラブと鉄骨梁が一体として挙動することで梁の材軸直交方向の変形が抑制され、前述した横座屈補剛材を省略することができるとする考え方が広まっている。
この点、特許文献１では、鉄骨梁に接合されている床スラブのねじれ剛性を鉄骨梁のねじれ剛性の１０倍とすることで横座屈補剛材がなくても横座屈を防止できる設計法を提案している。
この点、特許文献１では、鉄骨梁に接合されている床スラブのねじれ剛性を鉄骨梁のねじれ剛性の１０倍とすることで横座屈補剛材がなくても横座屈を防止できる設計法を提案している。
また、特許文献２では、ワーグナーねじり（反りねじり）とサンブナンねじり（純ねじり）の和にモーメント勾配係数を乗じて求められる従来の合成梁の横座屈耐力の計算式に対し、ワーグナーねじりとサンブナンねじりのそれぞれに異なる修正係数を乗じて求められる横座屈耐力を用いた設計法を提案している。
これらの設計法では鉄骨梁の上部が床スラブと完全に接合されていることを前提としている。
しかしながら、鉄骨梁に横座屈が生じる場合、頭付きスタッドには梁材軸直交方向のせん断力が作用し、頭付きスタッドから床スラブの縁までの距離が短いと、コンクリートにコーン状破壊が生じる。図１６はこのようなコーン状破壊のひび割れを示しており、ひび割れ１７は、図１６に示すように、梁材軸直交水平方向から約45度の方向に生じ（図１６（ｂ）、（ｃ）参照）、床縁側面で半円状に投影される（図１６（ａ）参照）。
このようなひび割れ１７が生ずることで、頭付きスタッド１３のせん断耐力が低下する恐れがある。
しかしながら、鉄骨梁に横座屈が生じる場合、頭付きスタッドには梁材軸直交方向のせん断力が作用し、頭付きスタッドから床スラブの縁までの距離が短いと、コンクリートにコーン状破壊が生じる。図１６はこのようなコーン状破壊のひび割れを示しており、ひび割れ１７は、図１６に示すように、梁材軸直交水平方向から約45度の方向に生じ（図１６（ｂ）、（ｃ）参照）、床縁側面で半円状に投影される（図１６（ａ）参照）。
このようなひび割れ１７が生ずることで、頭付きスタッド１３のせん断耐力が低下する恐れがある。
この点、特許文献３、４では梁材軸直交方向の一方側のみに床スラブがついている場合について、梁材軸直交方向のせん断力によるコーン状破壊に対する対策として、鉄筋をスタッド近傍でスタッドを囲う形で配置し、コーン状破壊の防止とコーン状破壊した場合の急激な耐力劣化が生じないようにしている。
日本建築学会「各種合成構造設計指針・同解説，2010」
特許文献３、４においては、鉄骨梁に横座屈が生じる場合の構面外変形を考慮し、頭付きスタッドに生ずる梁材軸直交方向のせん断力耐力を増すような設計がなされている。
しかしながら、発明者の知見によると、鉄骨梁に横座屈が生じる場合、梁には構面外変形と同時にねじれ変形が生じる。その際、床スラブと鉄骨梁のねじれ剛性が異なるため、両者をつなぐ頭付きスタッドには鉄骨梁の上フランジを支点として引抜力が作用し、引抜力が作用すると、コンクリートに鉛直方向のコーン状破壊が生じる。図１７はこのようなコーン状破壊のひび割れ１９を示しており、ひび割れ１９は、図１７に示すように、鉄骨梁の上フランジ７上部の頭付きスタッド１３の頭部から鉛直下方向から約45度の方向に生じて床スラブ下面に円状に投影される。この投影線をひび割れ投影線という。
しかしながら、発明者の知見によると、鉄骨梁に横座屈が生じる場合、梁には構面外変形と同時にねじれ変形が生じる。その際、床スラブと鉄骨梁のねじれ剛性が異なるため、両者をつなぐ頭付きスタッドには鉄骨梁の上フランジを支点として引抜力が作用し、引抜力が作用すると、コンクリートに鉛直方向のコーン状破壊が生じる。図１７はこのようなコーン状破壊のひび割れ１９を示しており、ひび割れ１９は、図１７に示すように、鉄骨梁の上フランジ７上部の頭付きスタッド１３の頭部から鉛直下方向から約45度の方向に生じて床スラブ下面に円状に投影される。この投影線をひび割れ投影線という。
この引抜力によるコーン状破壊時の耐力は、頭付きスタッドがコンクリート縁付近に存在する場合に低下することがある。つまり、建物外周部などの、梁材軸直交方向の一方のみに床スラブがついている場合は、引抜耐力が小さく、床スラブの鉄骨梁に対するねじれ拘束効果が期待できなくなるおそれがある。
この点、例えば特許文献３の解析ではスタッドを梁材軸直交水平方向のバネとしてモデル化しており、従来例においては、上述したようなねじれによる鉛直下方向の引抜力は考慮しておらず、鉄骨梁の横座屈を十分に防止することはできない。
この点、例えば特許文献３の解析ではスタッドを梁材軸直交水平方向のバネとしてモデル化しており、従来例においては、上述したようなねじれによる鉛直下方向の引抜力は考慮しておらず、鉄骨梁の横座屈を十分に防止することはできない。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、梁材軸直交方向の一方向にのみ床スラブがついている場合、すなわち図１５に示すように、床スラブが梁材軸直交方向の一方側に連続し、他方側には連続することなく縁部となっている場合であっても、横座屈による鉄骨梁のねじれ変形によって頭付きスタッドが床スラブから引き抜かれるのを防止して、床スラブの横座屈変形拘束効果が消失しないようにした床スラブ付鉄骨梁およびその設計方法を提供することを目的としている。
鉄骨梁に横座屈が生じると、梁には構面外変形と同時にねじれ変形が生じ、ねじれ変形が生ずると頭付きスタッドには鉄骨梁の上フランジを支点として引抜力が作用する。このため、特に梁材軸直交方向の一方向にのみ床スラブがついている場合において鉄骨梁の横座屈を防止するにはこの引抜耐力を向上させる必要がある。
本発明はかかる知見に基づくものであり、具体的には以下の構成を備えるものである。
本発明はかかる知見に基づくものであり、具体的には以下の構成を備えるものである。
（１）本発明に係る床スラブ付鉄骨梁は、両端部が柱に剛接合されると共に、鉄骨梁の上フランジに接合部材としての頭付きスタッドを介して床スラブが接合され、かつ前記床スラブが梁材軸直交方向の一方側に連続し、他方側には連続することなく縁部となっている床スラブ付鉄骨梁であって、
梁端から梁長さの少なくとも２割の範囲に配置される前記頭付きスタッドの引抜時の有効投影面積の合計ΣsAcが下式（１）を満たすことを特徴とするものである。
ΣsAc≧1.2×bN×bAc ・・・（１）
但し、bAc：鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における頭付きスタッド1本当りの引抜時の有効投影面積
bN：鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における、地震荷重時の荷重条件で完全合成梁として必要とされる頭付きスタッドの本数のうち、（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲と同じ範囲に必要とされる頭付きスタッドの本数
梁端から梁長さの少なくとも２割の範囲に配置される前記頭付きスタッドの引抜時の有効投影面積の合計ΣsAcが下式（１）を満たすことを特徴とするものである。
ΣsAc≧1.2×bN×bAc ・・・（１）
但し、bAc：鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における頭付きスタッド1本当りの引抜時の有効投影面積
bN：鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における、地震荷重時の荷重条件で完全合成梁として必要とされる頭付きスタッドの本数のうち、（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲と同じ範囲に必要とされる頭付きスタッドの本数
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記床スラブが鉄筋コンクリート床スラブであって、かつ（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲において、梁材軸直交方向に補強鉄筋を２段以上で配設し、各段における補強鉄筋の断面積の合計ΣsArが下式（２）を満たすことを特徴とするものである。
ここで、
scａ ：頭付きスタッドの軸部断面積
Fc ：コンクリート強度
Ec ：コンクリートのヤング係数
sQs ：頭付きスタッドの破断又はコンクリートの破壊によって決まる頭付きスタッドのせん断耐力
rσy ：補強鉄筋の降伏応力
sN ：（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの本数
Aqc ：頭付きスタッドが抜け出る際のせん断力に対する（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの有効投影面積
scａ ：頭付きスタッドの軸部断面積
Fc ：コンクリート強度
Ec ：コンクリートのヤング係数
sQs ：頭付きスタッドの破断又はコンクリートの破壊によって決まる頭付きスタッドのせん断耐力
rσy ：補強鉄筋の降伏応力
sN ：（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの本数
Aqc ：頭付きスタッドが抜け出る際のせん断力に対する（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの有効投影面積
（３）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記床スラブが合成デッキ床スラブであって、かつ（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲において、梁材軸直交方向に補強鉄筋を１段で配設し、該補強鉄筋の断面積の合計ΣsArが下式（２）を満たすことを特徴とするものである。
ここで、
scａ ：頭付きスタッドの軸部断面積
Fc ：コンクリート強度
Ec ：コンクリートのヤング係数
sQs ：頭付きスタッドの破断又はコンクリートの破壊によって決まる頭付きスタッドのせん断耐力
rσy ：補強鉄筋の降伏応力
sN ：（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの本数
Aqc ：頭付きスタッドが抜け出る際のせん断力に対する（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの有効投影面積
scａ ：頭付きスタッドの軸部断面積
Fc ：コンクリート強度
Ec ：コンクリートのヤング係数
sQs ：頭付きスタッドの破断又はコンクリートの破壊によって決まる頭付きスタッドのせん断耐力
rσy ：補強鉄筋の降伏応力
sN ：（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの本数
Aqc ：頭付きスタッドが抜け出る際のせん断力に対する（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの有効投影面積
（４）本発明に係る床スラブ付鉄骨梁の設計方法は、両端部が柱に剛接合されると共に、鉄骨梁の上フランジに接合部材としての頭付きスタッドを介して床スラブが接合され、かつ前記床スラブが梁材軸直交方向の一方側に連続し、他方側には連続することなく縁部となっている床スラブ付鉄骨梁の設計方法であって、
梁端から梁長さの少なくとも２割の範囲に配置される前記頭付きスタッドの引抜時の有効投影面積の合計ΣsAcが下式（１）を満たすように、前記頭付きスタッドの形状及び又は本数を設定することを特徴とするものである。
ΣsAc≧1.2×bN×bAc ・・・（１）
但し、bAc：鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における頭付きスタッド1本当りの引抜時の有効投影面積
bN：鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における、地震荷重時の荷重条件で完全合成梁として必要とされる頭付きスタッドの本数のうち、（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲と同じ範囲に必要とされる頭付きスタッドの本数
梁端から梁長さの少なくとも２割の範囲に配置される前記頭付きスタッドの引抜時の有効投影面積の合計ΣsAcが下式（１）を満たすように、前記頭付きスタッドの形状及び又は本数を設定することを特徴とするものである。
ΣsAc≧1.2×bN×bAc ・・・（１）
但し、bAc：鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における頭付きスタッド1本当りの引抜時の有効投影面積
bN：鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における、地震荷重時の荷重条件で完全合成梁として必要とされる頭付きスタッドの本数のうち、（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲と同じ範囲に必要とされる頭付きスタッドの本数
（５）また、上記（４）に記載のものにおいて、前記床スラブが鉄筋コンクリート床スラブであって、かつ（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲において、梁材軸直交方向に補強鉄筋を２段以上で配設し、各段における補強鉄筋の断面積の合計ΣsArを下式（２）によって設定することを特徴とするものである。
ここで、
scａ ：頭付きスタッドの軸部断面積
Fc ：コンクリート強度
Ec ：コンクリートのヤング係数
sQs ：頭付きスタッドの破断又はコンクリートの破壊によって決まる頭付きスタッドのせん断耐力
rσy ：補強鉄筋の降伏応力
sN ：（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの本数
Aqc ：頭付きスタッドが抜け出る際のせん断力に対する（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの有効投影面積
scａ ：頭付きスタッドの軸部断面積
Fc ：コンクリート強度
Ec ：コンクリートのヤング係数
sQs ：頭付きスタッドの破断又はコンクリートの破壊によって決まる頭付きスタッドのせん断耐力
rσy ：補強鉄筋の降伏応力
sN ：（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの本数
Aqc ：頭付きスタッドが抜け出る際のせん断力に対する（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの有効投影面積
（６）また、上記（４）に記載のものにおいて、前記床スラブが合成デッキ床スラブであって、かつ（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲において、梁材軸直交方向に補強鉄筋を１段で配設し、該補強鉄筋の断面積の合計ΣsArを下式（２）によって設定することを特徴とするものである。
ここで、
scａ ：頭付きスタッドの軸部断面積
Fc ：コンクリート強度
Ec ：コンクリートのヤング係数
sQs ：頭付きスタッドの破断又はコンクリートの破壊によって決まる頭付きスタッドのせん断耐力
rσy ：補強鉄筋の降伏応力
sN ：（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの本数
Aqc ：頭付きスタッドが抜け出る際のせん断力に対する（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの有効投影面積
scａ ：頭付きスタッドの軸部断面積
Fc ：コンクリート強度
Ec ：コンクリートのヤング係数
sQs ：頭付きスタッドの破断又はコンクリートの破壊によって決まる頭付きスタッドのせん断耐力
rσy ：補強鉄筋の降伏応力
sN ：（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの本数
Aqc ：頭付きスタッドが抜け出る際のせん断力に対する（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの有効投影面積
本発明によれば、梁端から梁長さの少なくとも２割の範囲に配置される頭付きスタッド１３の引抜時の有効投影面積の合計ΣsAcが（１）式を満たすようにしたので、梁材軸直交方向の一方側のみに床スラブがついている場合でも、横座屈による鉄骨梁のねじれ変形によって頭付きスタッドが床スラブから引き抜かれるのを防止して、床スラブの横座屈変形拘束効果を保持することができる。
［実施の形態１］
本実施の形態に係る床スラブ付鉄骨梁を図１に基づいて説明する。なお、図１において、従来例を示した図１３〜図１６と同一部分には同一の符号を付している。
本実施の形態に係る床スラブ付鉄骨梁１は、図１に示すように、両端部が柱３に剛接合されると共に、鉄骨梁の上フランジ７に接合部材としての頭付きスタッド１３を介して鉄筋コンクリートからなる床スラブ１１が接合され、かつ床スラブ１１が梁材軸直交方向の一方側に連続し、他方側には連続することなく縁部となっている床スラブ付鉄骨梁である。
本実施の形態に係る床スラブ付鉄骨梁を図１に基づいて説明する。なお、図１において、従来例を示した図１３〜図１６と同一部分には同一の符号を付している。
本実施の形態に係る床スラブ付鉄骨梁１は、図１に示すように、両端部が柱３に剛接合されると共に、鉄骨梁の上フランジ７に接合部材としての頭付きスタッド１３を介して鉄筋コンクリートからなる床スラブ１１が接合され、かつ床スラブ１１が梁材軸直交方向の一方側に連続し、他方側には連続することなく縁部となっている床スラブ付鉄骨梁である。
そして、本実施の形態に係る床スラブ付鉄骨梁１は、梁端から梁長さＬの少なくとも２割の範囲（0.2Ｌ）に配置される頭付きスタッド１３の引抜時の有効投影面積の合計ΣsAcが下式（１）を満たすことを特徴とするものである。
ΣsAc≧1.2×bN×bAc ・・・（１）
但し、bAc：鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における頭付きスタッド1本当りの引抜時の有効投影面積
bN：鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における、地震荷重時の荷重条件で完全合成梁として必要とされる頭付きスタッドの本数のうち、（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲と同じ範囲に必要とされる頭付きスタッドの本数
ΣsAc≧1.2×bN×bAc ・・・（１）
但し、bAc：鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における頭付きスタッド1本当りの引抜時の有効投影面積
bN：鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における、地震荷重時の荷重条件で完全合成梁として必要とされる頭付きスタッドの本数のうち、（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲と同じ範囲に必要とされる頭付きスタッドの本数
頭付きスタッド１３の引抜時の有効投影面積の合計ΣsAcが式（１）を満たすようにした理由は以下の通りである。
一般的な床スラブ付鉄骨梁は、床スラブ１１が梁材軸直交方向の一方側にのみ連続している場合と、床スラブ１１が梁材軸直交方向の両側に連続している場合とで、床スラブ１１を接合するための頭付きスタッド１３の数や形状は同じである。
一般的な床スラブ付鉄骨梁は、床スラブ１１が梁材軸直交方向の一方側にのみ連続している場合と、床スラブ１１が梁材軸直交方向の両側に連続している場合とで、床スラブ１１を接合するための頭付きスタッド１３の数や形状は同じである。
しかしながら、鉄骨梁に横座屈が生じると、頭付きスタッド１３に鉄骨梁の上フランジ７を支点として引抜力が作用し、引抜時の頭付きスタッド１３の耐力にはコンクリートの強度とひび割れ投影線で囲まれた面積とが影響する。そして、前述したように、床スラブ１１が梁材軸直交方向の一方側にのみ連続している場合には、頭付きスタッド１３と床縁までの距離が短い場合は床スラブ下面のひび割れ投影線で囲まれた面積が減少するため、頭付きスタッド１３の引抜時の耐力が低下する。なお、ひび割れ投影線で囲まれた面積を有効投影面積という。
したがって、この減少面積分を補えるように、頭付きスタッド１３の形状や本数を調整する必要がある。このような観点からは、引抜耐力をアンカー等において引抜耐力を規定するこの投影面積で評価するとすれば、この投影面積を鉄骨梁の上フランジ７上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブ１１が頭付きスタッド１３を介して接合されている場合における頭付きスタッド１３の引抜時の有効投影面積に設定すればよいと言える。
しかしながら、発明者の知見によれば、45度方向のひび割れ投影線が円状になるよう床縁と頭付きスタッド１３間の距離が確保されている場合、すなわち投影面積が梁材軸直交方向の両側に床スラブ１１が接合されている場合と同等に確保しても、ひび割れ投影線と床縁が近い場合に耐力がやや低くなることが確認されている。
しかしながら、発明者の知見によれば、45度方向のひび割れ投影線が円状になるよう床縁と頭付きスタッド１３間の距離が確保されている場合、すなわち投影面積が梁材軸直交方向の両側に床スラブ１１が接合されている場合と同等に確保しても、ひび割れ投影線と床縁が近い場合に耐力がやや低くなることが確認されている。
そこで、発明者は、この点について検討し、頭付きスタッド１３がコンクリートから抜け出す際のコンクリートに起因するバラツキによるものであると考え、このバラツキがどの程度あるかについて引抜実験を行って確認した。図２は引抜実験に用いた２種類の試験体の構造の説明図であり、図３は試験体に用いた２種類（Ａタイプ（図３（ａ））、Ｂタイプ（図３（ｂ）））の頭付きスタッド１３の説明図である。図２において、２１は鋼板、２３は異形鉄筋、１３は頭付きスタッド、２５はコンクリートである。なお、試験体は頭付きスタッド１３の引抜荷重を調べるためのものであるため、頭付きスタッド１３と対向する側の鋼板２１がコンクリート２５と離れないようにする必要から、鋼板２１とコンクリート２５とを強固に付着させるために複数の異形鉄筋２３を設けている。
引抜試験の結果を表１に示す。
引抜試験の結果を表１に示す。
表１には、試験体１〜４のそれぞれについて、引抜荷重の「計算値」及び「実験値」、「実験値と計算値の差（実験値/計算値）」を記載している。なお、表１の試験体１は、図２（ａ）の構造で図３（ａ）のＡタイプの頭付きスタッド、試験体２は図２（ｂ）の構造で図３（ａ）のＡタイプの頭付きスタッド、試験体３は図２（ａ）の構造で図３（ｂ）のＢタイプの頭付きスタッド、試験体４は図２（ｂ）の構造で図３（ｂ）のＢタイプの頭付きスタッドをそれぞれ組み合わせたものである。
また、「実験値と計算値の差（実験値/計算値）」を記載しているのは、試験体の形状（鋼板や頭付きスタッドの形状）の違いを捨象するためである。
また、「実験値と計算値の差（実験値/計算値）」を記載しているのは、試験体の形状（鋼板や頭付きスタッドの形状）の違いを捨象するためである。
表１における「実験値と計算値の差（実験値/計算値）」を見ると、最小値は試験体１の1.31で、最大値は試験体３の1.50である。したがって、最大値は最小値の（1.50/1.31＝）1.15倍であることが分かる。よって、バラツキを考慮すると、引抜荷重としては最小値の1.2倍を確保しておくことで安全であることが分かる。
以上の検討から、（１）式では、頭付きスタッド１３の引抜時の有効投影面積の合計ΣsAcを、鉄骨梁の上フランジ７上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブ１１が頭付きスタッド１３を介して接合されている床スラブ付鉄骨梁１における頭付きスタッド１３の引抜時の有効投影面積（＝bN×bAc）の1.2倍以上とした。
以上の検討から、（１）式では、頭付きスタッド１３の引抜時の有効投影面積の合計ΣsAcを、鉄骨梁の上フランジ７上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブ１１が頭付きスタッド１３を介して接合されている床スラブ付鉄骨梁１における頭付きスタッド１３の引抜時の有効投影面積（＝bN×bAc）の1.2倍以上とした。
なお、頭付きスタッド１３の配置は、図１に示すように、梁軸線方向に直線状に一列に配置することに限られず、例えば図４に示すような千鳥配置や、鉄骨梁の上フランジ７幅方向に２列（あるいはそれ以上の列）配置するようにしてもよい。
また、頭付きスタッド１３の引抜時の有効投影面積を増やす方法としては、頭付きスタッド１３の数を増加させることに限られず、頭付きスタッド１３の高さを高くしたり、頭付きスタッド１３の頭部径を大きくするなどの形状を工夫するようにしてもよい。
また、頭付きスタッド１３の引抜時の有効投影面積を増やす方法としては、頭付きスタッド１３の数を増加させることに限られず、頭付きスタッド１３の高さを高くしたり、頭付きスタッド１３の頭部径を大きくするなどの形状を工夫するようにしてもよい。
なお、頭付きスタッド１３の配置が（１）式を満たすようにするのは、梁端から梁長さの少なくとも２割の範囲であるが、この範囲を上記のように規定したのは、後述の実施例で実証しているように、梁端から梁長さの２割の位置が構面外変位が最も大きくなるため、この位置での頭付きスタッド１３の抜け出しを防止する必要があるからである。
以上のように、本実施の形態の床スラブ付鉄骨梁１においては、梁端から梁長さの少なくとも２割の範囲に配置される頭付きスタッド１３の引抜時の有効投影面積の合計ΣsAcが（１）式を満たすようにしたので、梁材軸直交方向の一方側のみに床スラブ１１がついている場合であるにも拘わらず、床スラブ１１による梁のねじれ変形の拘束効果を保持することができる。
なお、（１）式を満たすように頭付きスタッド１３が配置された範囲以外の範囲に設ける頭付きスタッド１３の本数は、鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における、地震荷重時の荷重条件で完全合成梁として必要とされる頭付きスタッドの本数のうち、（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲以外の範囲に必要とされる頭付きスタッドの本数としてもよいし、あるいはそれ以上としてもよい。
なお、（１）式を満たすように頭付きスタッド１３が配置された範囲以外の範囲に設ける頭付きスタッド１３の本数は、鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における、地震荷重時の荷重条件で完全合成梁として必要とされる頭付きスタッドの本数のうち、（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲以外の範囲に必要とされる頭付きスタッドの本数としてもよいし、あるいはそれ以上としてもよい。
［実施の形態２］
実施の形態１では、頭付きスタッド１３の抜け出し防止を主眼としたものであった。これは、例えば鉄骨梁の上フランジ７のフランジ幅が広く、頭付きスタッド１３から床スラブ１１の縁までの距離が十分に確保されている場合を想定している。
しかし、頭付きスタッド１３から床スラブ１１の縁までの距離が短いと、横座屈により鉄骨梁が材軸直交水平方向に変位した場合、前述した図１６に示すように、梁材軸直交水平方向から約45度の方向にひび割れ１７が生じ（図１６（ｂ）、（ｃ）参照）、このひび割れ１７は床縁側面で半円状に投影される（図１６（ａ）参照）。
実施の形態１では、頭付きスタッド１３の抜け出し防止を主眼としたものであった。これは、例えば鉄骨梁の上フランジ７のフランジ幅が広く、頭付きスタッド１３から床スラブ１１の縁までの距離が十分に確保されている場合を想定している。
しかし、頭付きスタッド１３から床スラブ１１の縁までの距離が短いと、横座屈により鉄骨梁が材軸直交水平方向に変位した場合、前述した図１６に示すように、梁材軸直交水平方向から約45度の方向にひび割れ１７が生じ（図１６（ｂ）、（ｃ）参照）、このひび割れ１７は床縁側面で半円状に投影される（図１６（ａ）参照）。
このようなひび割れが生ずると、頭付きスタッド１３のせん断耐力が低下する恐れがある。
そこで、本実施の形態２では、耐力低下により頭付きスタッド１３の梁材軸直交方向せん断耐力が、鉄骨梁の両側に床スラブ１１が付いている完全合成梁より低くなる場合は、その耐力低下分を補えるだけの補強鉄筋２７を梁材軸直交方向に配置するようにしたものである。
そこで、本実施の形態２では、耐力低下により頭付きスタッド１３の梁材軸直交方向せん断耐力が、鉄骨梁の両側に床スラブ１１が付いている完全合成梁より低くなる場合は、その耐力低下分を補えるだけの補強鉄筋２７を梁材軸直交方向に配置するようにしたものである。
具体的には、本実施の形態の床スラブ付鉄骨梁２８は、実施の形態１の頭付きスタッド１３の配置を前提とし、図６に示すように、（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲において、梁材軸直交方向に補強鉄筋２７を２段以上で配設し、各段における補強鉄筋２７の断面積の合計ΣsArが下式（２）を満たすことを特徴とするものである。
ここで、
scａ ：頭付きスタッドの軸部断面積
Fc ：コンクリート強度
Ec ：コンクリートのヤング係数
sQs ：頭付きスタッドの破断又はコンクリートの破壊によって決まる頭付きスタッドのせん断耐力
rσy ：補強鉄筋の降伏応力
sN ：（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの本数
Aqc ：頭付きスタッドが抜け出る際のせん断力に対する（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの有効投影面積
scａ ：頭付きスタッドの軸部断面積
Fc ：コンクリート強度
Ec ：コンクリートのヤング係数
sQs ：頭付きスタッドの破断又はコンクリートの破壊によって決まる頭付きスタッドのせん断耐力
rσy ：補強鉄筋の降伏応力
sN ：（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの本数
Aqc ：頭付きスタッドが抜け出る際のせん断力に対する（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの有効投影面積
なお、（２）式におけるカッコ（）内の１項目は、鉄骨梁の両側に床スラブ１１が付いている完全合成梁の場合の、頭付きスタッド１３のせん断耐力を示している。
また、sQsは、本実施の形態の床スラブ付き鉄骨梁のように、梁材軸直交方向の一方側のみに床スラブ１１がついている場合の頭付きスタッド１３の破断又はコンクリートの破壊によって決まる頭付きスタッド１３のせん断耐力であり、（３）式によって与えられる。
また、sQsは、本実施の形態の床スラブ付き鉄骨梁のように、梁材軸直交方向の一方側のみに床スラブ１１がついている場合の頭付きスタッド１３の破断又はコンクリートの破壊によって決まる頭付きスタッド１３のせん断耐力であり、（３）式によって与えられる。
なお、（３）式は、sQsをカッコ{}内の１項目と、２項目の小さい方で与えるというものであるが、１項目の意味は、頭付きスタッド１３の周囲にコンクリートが十分に存在し、頭付きスタッド１３のせん断耐力が頭付きスタッド１３の破断時の耐力によって与えられる場合であり、２項目の意味は、頭付きスタッド１３の周囲のコンクリート量が少なく、頭付きスタッド１３のせん断耐力がコンクリートの破壊時の耐力によって与えられる場合である。
本実施の形態では、補強鉄筋２７を２段で配筋しているが、この理由は以下の通りである。
補強鉄筋２７は頭付きスタッド１３のせん断耐力の補強用であるが、床スラブ１１がねじれにより大きくひび割れる場合は頭付きスタッド１３のせん断耐力がさらに低下する恐れもある。そこで、ねじれによるひび割れを防止して補強するために２段で配筋している。
補強鉄筋２７は頭付きスタッド１３のせん断耐力の補強用であるが、床スラブ１１がねじれにより大きくひび割れる場合は頭付きスタッド１３のせん断耐力がさらに低下する恐れもある。そこで、ねじれによるひび割れを防止して補強するために２段で配筋している。
本実施の形態によれば、頭付きスタッド１３から床スラブ１１の縁部までの距離が短い場合であっても、頭付きスタッド１３のせん断耐力低下を防止して、床スラブ１１による梁のねじれ変形の拘束効果を保持することができる。
なお、図６に示す例は、床スラブ１１が鉄筋コンクリート床スラブの場合であったが、床スラブ１１が、図７に示すようなデッキプレート２９を用いた合成デッキ床スラブの場合には、デッキプレート２９と床スラブ１１の付着が期待でき、この付着の効果で床下面に生じるねじれによるひび割れ防止効果を期待できるため、補強鉄筋２７は上述の２段内の上側のみの１段にすることができる。
本発明の効果を確認するために試験体を用いた床スラブ付き鉄骨梁の曲げ実験を実施したので、以下説明する。
試験体は、図８〜図１０に示す３体（No.1〜3）であり、いずれの試験体も所定の間隔を離して立設された一対の柱体３１と、両端が一対の柱体３１に剛接合された大梁３３と、各柱体３１における大梁材軸直交方向の両側に接合された４本の直交梁３５と、鉄筋３７が格子状に配筋された鉄筋コンクリートからなり大梁３３及び直交梁３５に接合された床スラブ３９によって構成されている。
試験体は、図８〜図１０に示す３体（No.1〜3）であり、いずれの試験体も所定の間隔を離して立設された一対の柱体３１と、両端が一対の柱体３１に剛接合された大梁３３と、各柱体３１における大梁材軸直交方向の両側に接合された４本の直交梁３５と、鉄筋３７が格子状に配筋された鉄筋コンクリートからなり大梁３３及び直交梁３５に接合された床スラブ３９によって構成されている。
試験体No.1は、図８に示すように、大梁３３の梁材軸直交方向の両側に床スラブ３９が付いており、頭付きスタッド１３の本数は完全合成梁として機能するのに必要な最小数に設定されている。
試験体No.2は、図９に示すように、大梁３３の梁材軸直交方向の一方側にのみ床スラブ３９が付いており、頭付きスタッド１３本数は試験体No.1と同様に完全合成梁として機能するのに必要な最小数に設定され、補強鉄筋２７を１段のみ配筋したものであり、比較例に相当する。
試験体No.3は、図１０に示すように、梁材軸直交方向の一方側にのみ床スラブ３９が付いている点は試験体No.2と同様であるが、梁端の柱面から梁材長の２割の範囲において、前記（１）式、（２）式に従って頭付きスタッド１３本数を増加し、梁材軸直交方向に補強鉄筋２７を２段で配筋したものであり、発明例に相当するものである。
試験体の梁はいずれも規格降伏強度385N/mm2の鋼材を用い、床スラブ３９のコンクリートはいずれも設計強度21N/mm2の普通コンクリートである。
大梁３３、直交梁３５の仕様を表２に、コンクリート床、頭付きスタッド１３及び補強鉄筋２７の仕様を表３にそれぞれ示す。
試験体No.2は、図９に示すように、大梁３３の梁材軸直交方向の一方側にのみ床スラブ３９が付いており、頭付きスタッド１３本数は試験体No.1と同様に完全合成梁として機能するのに必要な最小数に設定され、補強鉄筋２７を１段のみ配筋したものであり、比較例に相当する。
試験体No.3は、図１０に示すように、梁材軸直交方向の一方側にのみ床スラブ３９が付いている点は試験体No.2と同様であるが、梁端の柱面から梁材長の２割の範囲において、前記（１）式、（２）式に従って頭付きスタッド１３本数を増加し、梁材軸直交方向に補強鉄筋２７を２段で配筋したものであり、発明例に相当するものである。
試験体の梁はいずれも規格降伏強度385N/mm2の鋼材を用い、床スラブ３９のコンクリートはいずれも設計強度21N/mm2の普通コンクリートである。
大梁３３、直交梁３５の仕様を表２に、コンクリート床、頭付きスタッド１３及び補強鉄筋２７の仕様を表３にそれぞれ示す。
試験は、図１１に示すように、各試験体の柱体３１の下端を架台４１に、上端を載荷梁４３にそれぞれピン結合し、載荷梁４３を油圧ジャッキ４５によって水平方向に層間変形角で制御して移動させ、繰返し載荷を与えた後に押し切る形式とした。
図１２は、各試験体の最大耐力時の大梁下フランジの構面外変位分布を示すものであり、縦軸が構面外変位[mm]、横軸が梁材軸方向位置[mm]を示している。図１２に示されるように、いずれの試験体でも変位のピークは梁端から大梁長さの２割の位置以下となっており、このことから頭付きスタッド１３や補強鉄筋２７による補強の範囲は梁端から梁全長の少なくとも２割を行うことが有効であることが分かる。なお、本発明では補強の範囲を梁全長の２割を越える場合を排除するものではないが、この実験結果からすれば、梁端から２割の範囲を補強すれば効果が得られるとも言える。
表４に他の試験結果を示す。
図１２は、各試験体の最大耐力時の大梁下フランジの構面外変位分布を示すものであり、縦軸が構面外変位[mm]、横軸が梁材軸方向位置[mm]を示している。図１２に示されるように、いずれの試験体でも変位のピークは梁端から大梁長さの２割の位置以下となっており、このことから頭付きスタッド１３や補強鉄筋２７による補強の範囲は梁端から梁全長の少なくとも２割を行うことが有効であることが分かる。なお、本発明では補強の範囲を梁全長の２割を越える場合を排除するものではないが、この実験結果からすれば、梁端から２割の範囲を補強すれば効果が得られるとも言える。
表４に他の試験結果を示す。
表４には各試験体の塑性変形能力の指標となる最大耐力時の塑性変形倍率を記載しているが、これを見ると、比較例である試験体No.2では他試験体に比べて値が低く、変形能力が小さいことが分かる。他方、発明例である試験体No.3は、試験体No.2と同様に大梁３３の一方側にのみ床スラブ３９が付いている仕様にもかかわらず、大梁３３の両側に床スラブ３９が付いている試験体No.1と同等以上の変形能力を有していることが分かる。
これによって、本発明の頭付きスタッド１３及び補強鉄筋２７の配設形態を施すことの効果が実証された。
これによって、本発明の頭付きスタッド１３及び補強鉄筋２７の配設形態を施すことの効果が実証された。
１ 床スラブ付鉄骨梁（実施の形態１）
３ 柱
５ ダイアフラム
７ 上フランジ
９ 鉄筋
１１ 床スラブ
１３ 頭付きスタッド
１５ デッキプレート
１７ ひび割れ
１９ ひび割れ
２１ 鋼板
２３ 異形鉄筋
２５ コンクリート
２７ 補強鉄筋
２８ 床スラブ付鉄骨梁（実施の形態２）
２９ デッキプレート
３１ 柱体
３３ 大梁
３５ 直交梁
３７ 鉄筋
３９ 床スラブ
４１ 架台
４３ 載荷梁
４５ 油圧ジャッキ
１００ 床スラブ付鉄骨梁（従来例）
３ 柱
５ ダイアフラム
７ 上フランジ
９ 鉄筋
１１ 床スラブ
１３ 頭付きスタッド
１５ デッキプレート
１７ ひび割れ
１９ ひび割れ
２１ 鋼板
２３ 異形鉄筋
２５ コンクリート
２７ 補強鉄筋
２８ 床スラブ付鉄骨梁（実施の形態２）
２９ デッキプレート
３１ 柱体
３３ 大梁
３５ 直交梁
３７ 鉄筋
３９ 床スラブ
４１ 架台
４３ 載荷梁
４５ 油圧ジャッキ
１００ 床スラブ付鉄骨梁（従来例）
Claims (3)
- 両端部が柱に剛接合されると共に、鉄骨梁の上フランジに接合部材としての頭付きスタッドを介して床スラブが接合され、かつ前記床スラブが梁材軸直交方向の一方側に連続し、他方側には連続することなく縁部となっている床スラブ付鉄骨梁の設計方法であって、
梁端から梁長さの少なくとも２割の範囲に配置される前記頭付きスタッドの引抜時の有効投影面積の合計ΣsAcが下式（１）を満たすように、前記頭付きスタッドの形状及び又は本数を設定することを特徴とする床スラブ付鉄骨梁の設計方法。
ΣsAc≧1.2×bN×bAc ・・・（１）
但し、bAc：鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における頭付きスタッド1本当りの引抜時の有効投影面積
bN：鉄骨梁の上フランジ上部において梁材軸直交方向の両側に床スラブが頭付きスタッドを介して接合されている床スラブ付鉄骨梁における、地震荷重時の荷重条件で完全合成梁として必要とされる頭付きスタッドの本数のうち、（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲と同じ範囲に必要とされる頭付きスタッドの本数 - 前記床スラブが鉄筋コンクリート床スラブであって、かつ（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲において、梁材軸直交方向に補強鉄筋を２段以上で配設し、各段における補強鉄筋の断面積の合計ΣsArを下式（２）によって設定することを特徴とする請求項１記載の床スラブ付鉄骨梁の設計方法。
scａ ：頭付きスタッドの軸部断面積
Fc ：コンクリート強度
Ec ：コンクリートのヤング係数
sQs ：頭付きスタッドの破断又はコンクリートの破壊によって決まる頭付きスタッドのせん断耐力
rσy ：補強鉄筋の降伏応力
sN ：（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの本数
Aqc ：頭付きスタッドが抜け出る際のせん断力に対する（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの有効投影面積 - 前記床スラブが合成デッキ床スラブであって、かつ（１）式を満たすように頭付きスタッドが配置された範囲において、梁材軸直交方向に補強鉄筋を１段で配設し、該補強鉄筋の断面積の合計ΣsArを下式（２）によって設定することを特徴とする請求項１記載の床スラブ付鉄骨梁の設計方法。
scａ ：頭付きスタッドの軸部断面積
Fc ：コンクリート強度
Ec ：コンクリートのヤング係数
sQs ：頭付きスタッドの破断又はコンクリートの破壊によって決まる頭付きスタッドのせん断耐力
rσy ：補強鉄筋の降伏応力
sN ：（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの本数
Aqc ：頭付きスタッドが抜け出る際のせん断力に対する（１）式を満たすように配置された頭付きスタッドの有効投影面積
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