JP4867370B2

JP4867370B2 - せん断補強構造、せん断補強方法、鉄筋コンクリート部材

Info

Publication number: JP4867370B2
Application number: JP2006023451A
Authority: JP
Inventors: 浩一田中; 隆松田; 光男東野; 誠一沖
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-01-31
Also published as: JP2007204985A

Description

本発明は、せん断荷重の作用する鉄筋コンクリート部材のせん断補強構造及び方法に関する。

せん断荷重の作用する鉄筋コンクリート部材がせん断破壊を生じないように、予め、コンクリート部材内にせん断補強筋を設置する方法により鉄筋コンクリート部材のせん断耐力を向上する方法が広く用いられている。このような方法によりせん断補強を確実に行うためには、せん断補強筋と鉄筋コンクリート部材を構成するコンクリート部材との間で応力の伝達が確実に行われるようにし、せん断補強筋は確実にコンクリート部材内に定着されたせん断補強構造が必要である。このようなせん断補強構造としては、せん断補強筋の両端をフック状に曲げ加工し、このフック状に加工した部分が主鉄筋に係止されるようにせん断補強筋を配置した構造が広く用いられている。

しかしながら、このようにせん断補強筋を両端にフック状に曲げると、主筋の間に挿入して所定の位置に配筋するのが困難になる。また、せん断補強筋の径が大きくなると、異形鉄筋の両端をフック状に曲げ加工するためには非常に労力が必要となる。そこで、図６に示すような、両端に円盤状に加工した定着具３１を備えるせん断補強筋３２を配置したせん断補強構造２０が用いられることがある。かかる構成によれば、せん断補強筋３２の両端に設けられた定着具３１が定着強度を向上し、コンクリート部材のせん断強度を向上するとともに、施工性を向上することができる。

また、これと同様の工法として、特許文献１には、せん断補強筋をねじ節鉄筋とし、このねじに螺合する機械式継手を備えた定着具を有するせん断補強構造が記載されている。
特開２００１―１４０４０５号公報

しかしながら、これら定着具を有するせん断補強構造は、両端にせん断補強筋よりも大きい定着構造を有するため、主鉄筋の間隔が狭いような場合には、配筋作業が困難になることがある。また、定着具を有するせん断補強筋は高価であるため、せん断補強に要するコストが大きくなるという虞がある。本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、施工が容易であり、廉価なせん断補強構造を提供することである。

本発明のせん断補強構造は、せん断荷重の作用する鉄筋コンクリート部材のせん断補強構造であって、前記鉄筋コンクリート部材に、前記せん断荷重により生じる斜めひび割れ面と交差するように、前記鉄筋コンクリート部材に埋設された主鉄筋と交差する向きに鋼管を埋設したことを特徴とする。

ここで、前記鋼管は、前記斜めひび割れ面に作用するせん断荷重よりも大きなせん断耐力を有してもよい。また、前記鋼管は、鉄筋コンクリート部材に前記せん断荷重の作用方向と略平行に埋設されていてもよい。上記のせん断補強構造によれば、斜めひび割れ面において鋼管がほぞのように作用するため、せん断耐力を向上することができる。
さらに、前記主鉄筋は、前記鉄筋コンクリート部材の互いに対向する表面からそれぞれ所定の被り厚で埋設されており、前記鋼管は、その両端部が前記主鉄筋よりも前記鉄筋コンクリートの表面側まで延びるように配置されていることとしてもよい。

また、本発明は、上記のせん断補強構造を備えた鉄筋コンクリート部材を含むものとする。さらに、本発明は、せん断荷重の作用する鉄筋コンクリート部材のせん断補強方法であって、前記鉄筋コンクリート部材に、前記せん断荷重により生じる斜めひび割れ面と交差するように、前記鉄筋コンクリート部材に埋設された主鉄筋と交差する向きに鋼管を埋設することを特徴とするせん断補強方法を含むものとする。

本発明によれば、機械式定着を有するせん断補強筋に比べて廉価な鋼管を用いてせん断補強をしているため、せん断補強に要するコストを削減できる。また、鋼管に、従来のせん断補強構造のせん断補強筋の端部に設けられていた定着具が無いため、配筋作業が困難にならず、施工が容易になる。

以下、本発明のせん断補強構造の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１（Ａ）は、本実施形態のせん断補強構造２０の設けられた鉄筋コンクリート部材１０の部材軸方向の横断面図であり、同図（Ｂ）は縦断面図である。同図に示すように、鉄筋コンクリート部材１０は、コンクリート部材１２と、主鉄筋１１と、主鉄筋１１に直交するように設けられた配力筋１３とを備える。ここで、図１に示すように、鉄筋コンクリート部材１０には、せん断荷重Ｐと、その反力Ｐ´が作用しているものとする。後述するようにこのせん断荷重Ｐ及びその反力Ｐ´により、同図に一点鎖線で示すような斜めひび割れ面（せん断荷重によるひび割れが生じやすい面）が発生する。

本実施形態のせん断補強構造２０は、上記の斜めひび割れ面と交差するようにコンクリート部材１２内に埋設された鋼管２２により構成される。また、鋼管２２は、軸方向がせん断力の作用方向と略平行に配置されている。

このようなせん断補強構造２０は、例えば、鉄筋コンクリート部材を構築する際に、予め、主鉄筋１１や配力筋１３を配筋する際に、鋼管２２を主鉄筋１１に結束線などを用いて拘束するなどの方法により配置しておき、コンクリートを打設することにより構築することができる。

また、このような本実施形態のせん断補強構造１０によるせん断補強の対象となる鉄筋コンクリート部材１０としては、例えば、面外せん断力の作用する鉄筋コンクリート構造物の柱や梁などが挙げられ、これ以外にもせん断力の作用する鉄筋コンクリート部材であれば本実施形態のせん断補強構造を適用することができる。

以下、一例として鉄筋コンクリート部材の単純梁に、梁の中心に関して対称な任意の２箇所にせん断荷重が作用する場合（作用点と支点間のコンクリート部材には、一定のせん断力が生じる）を想定して、せん断補強構造により鉄筋コンクリート部材のせん断耐力が向上する原理を説明する。なお、以下の説明において、鉄筋コンクリート部材に作用する荷重は、鉄筋コンクリート部材の中央面に対して対称であるため、鉄筋コンクリート部材の片側半分の解析モデルについて考える。

図２は、せん断荷重が作用している状態の鉄筋コンクリート部材における応力伝達を示す図である。同図に示すように、鉄筋コンクリート部材は、対称性を考慮すると、作用荷重Ｐ_１と、その反作用による支点反力Ｐ_２（＝Ｐ_１）とにより釣合い状態となる。

釣合い状態にあるコンクリート部材には、荷重Ｐ_１の作用する点と支点反力の作用する点Ｐ_２とを結ぶ方向に作用する圧縮応力を伝達する応力伝達機構が形成される。また、上記の応力伝達機構には、モールの応力円の理論により圧縮応力の作用する方向と略垂直に引張応力が作用しており、鉄筋コンクリート部材に作用するせん断荷重が大きくなると、それにともなってこの引張応力も大きくなる。引張応力が過大になり、この引張応力にコンクリート部材１２が耐えられなくなると、応力伝達機構に沿ってコンクリート部材１２に斜めひび割れが生じ、せん断破壊を起こしてしまう。すなわち、斜めひび割れ面は、荷重の作用する点と、支点反力の作用する点とを結ぶ方向に発生する。

図６に示すような従来のせん断補強構造３０では、コンクリート部材１２の負担できないような過大な引張応力をせん断補強筋３２に負担させるという考えに基づき、鉄筋コンクリート部材内に応力伝達機構の引張力に抵抗するように両端に定着具３１を備えたせん断補強筋３２を配置していた。これにより、コンクリート部材１２の負担していた引張応力がせん断補強筋３２に伝達され、また、せん断補強筋３２は、定着具３１によって確実にコンクリート部材内に定着されているため、せん断補強筋３２が引張応力を充分負担でき、せん断耐力を向上することができた。

これに対し、本発明のせん断補強構造２０は、従来のせん断補強構造のようにコンクリート部材１２に作用する引張応力を他の部材に負担させるのではなく、図１（Ａ）に示すように、斜めひび割れ面（図１における一点鎖線）と交差するように鋼管２２を設け、この鋼管２２がほぞとして作用する効果（いわゆる、ダウエル効果）を利用して、せん断破壊を防止するという考えに基づくものである。

従来のせん断補強構造に用いられるせん断補強筋３２は、引張応力を負担させることを目的として設けられていたため、曲げ耐力の小さい鉄筋が用いられている。したがって、コンクリート部材とともにせん断補強筋も変形してしまうので、ほぞとしての機能が低く、せん断荷重の増加に伴ってせん断破壊の進行を許してしまい、最終的にダウエル効果が充分に発生する以前に鉄筋コンクリート部材が破壊し、せん断耐力を向上することはできない。

これに対し、本実施形態のせん断補強構造２０に用いられている鋼管２２は、せん断補強筋３２に比べて径が大きく、大きな曲げ剛性を有する。このため、ほぞとしての機能が高く、せん断荷重載荷当初から、充分なダウエル効果が期待でき、せん断耐力を向上することができる。また、鋼管２２として、斜めひび割れ面に生じるせん断力以上のせん断耐力を有する鋼管を用いると、斜めひび割れ面に沿って引き離そうとする力に対して抵抗することができるため、確実にせん断耐力を向上できる。

また、図１（Ａ）に示すように、本実施形態のせん断補強構造２０は、部材軸に対して直交方向に鋼管２２を配置している、通常、斜めひび割れは、応力伝達機構に沿って、すなわち、部材軸に対して斜め方向に発生するため、鋼管２２は斜めひび割れと交差する。このため、従来のせん断補強構造におけるせん断補強筋と同様に、部材軸に対して直交方向に鋼管２２を配置しても、せん断補強効果が得られる。

以上説明したように、本実施形態のせん断補強構造によれば、鋼管によるダウエル効果を利用してせん断補強を行うため、コンクリート部材との定着のために用いられていた定着具が不要となり、施工費用を削減できる。また、せん断荷重により生じるひび割れ面と交差するように鋼管を設けるために、効率的な補強が可能である。このため、従来の方法で用いられていたせん断補強筋に比べて、鋼管は少ない本数でせん断補強を行うことができるため、経済性、施工性が向上される。さらに、端部に定着具がないため、配筋作業が容易になる。

ここで、ＦＥＭを用いた数値解析シミュレーションにより、本実施形態のせん断補強構造を有する鉄筋コンクリート部材が充分なせん断耐力を有するか否かを検討したので、以下に説明する。本シミュレーションでは、高さ１２００ｍｍ、幅５００ｍｍの鉄筋コンクリート部材をモデル化したＲＣモデルの一端を固定支持とし、他端に荷重を加え、荷重と変位の関係を調べた。鋼管は、直径φ４８．６ｍｍ、厚さｔ３．２ｍｍのものをモデル化した。

なお、本実施形態のせん断補強構造における鋼管とコンクリート部材との付着については、図３に示すようなライン要素により表すものとした。図４は、ライン要素の荷重―変位特性を説明するための図である。同図（Ａ）及び（Ｂ）は、ライン要素の変位状況を示し、同図（Ｃ）及び（Ｄ）は、夫々（Ａ）及び（Ｂ）のように変位した場合の変位（横軸）と応力τ（縦軸）との関係を示す。同図（Ａ）に示すようにライン要素と平行に変位が生じる場合には、同図（Ｃ）に示すように変位δに対応する応力τが付着応力の限界値τ_ｍａｘに達するまでは、変位δに比例した応力τが作用するものとし、変位δに対応する応力τが付着応力の限界値τ_ｍａｘを超えるような場合には、一定の応力τ（＝τ_ｍａｘ）が作用するものとして表している。また、同図（Ｂ）に示すようにライン要素と垂直に変位が生じる場合には、同図（Ｄ）に示すように、変位δが零以下の場合においては、変位δに比例した応力σが作用するものとし、変位δが零を超えた場合には、応力が作用しないものとして表している。

本シミュレーションでは、せん断補強構造を設けていない場合（条件１）、鋼管を設け、鋼管とコンクリート部材との間で最低限の付着応力はあるが摩擦力が発生しない構成とした場合（条件２）、鋼管を設け、鋼管とコンクリート部材との間である程度の付着応力があり、また摩擦力が発生するとした場合（条件３）、及び、鋼管と、コンクリート部材との間を完全付着とした場合（条件４）について、数値解析を行い、荷重―変位の関係を調べた。すなわち、条件２では、ダウエル効果のみによりせん断力に抵抗する場合に相当し、条件３及び条件４では、ダウエル効果及び鋼管の引張耐力によりせん断力に抵抗する場合に相当する。
なお、摩擦力が発生しないとした場合（条件２）では、τ_ｍａｘを０．２［Ｎ／ｍｍ^２］、摩擦係数μ＝０とした。摩擦力が発生するとした場合（条件３）では、τ_ｍａｘを０．５［Ｎ／ｍｍ^２］、摩擦係数をμ＝０．３とした。

図５は、各試験体の荷重―変位関係を示すグラフである。なお、比較対象として土木学会コンクリート標準示方書等に記載されているＲＣ棒部材のせん断耐力算定式を用いて算出したせん断補強構造を設けていない鉄筋コンクリート部材の設計せん断耐力（図５の下側破線）、及び、従来の手法である、定着具をせん断補強筋の両端に接続したせん断補強構造を設けた鉄筋コンクリート部材の設計せん断耐力（図５の上側破線）を示す。

図５に示すように、本実施形態の鋼管によるせん断補強構造を備えた鉄筋コンクリート部材は、摩擦なしの場合（条件２）、摩擦を考慮した場合（条件３）、完全付着の場合（条件４）、鋼管を設けていない場合（条件１）のせん断耐力を大きく超えている。このことから、本実施形態のせん断補強構造を設けることにより、鉄筋コンクリート部材のせん断耐力が向上することが確認された。

また、比較対象である、従来の定着具を用いたせん断補強構造の設計せん断耐力と、条件２〜４の最大せん断荷重を比較すると、条件２〜４の最大せん断荷重は、従来のせん断補強構造の設計せん断耐力を大きく超えている。これにより、本発明のせん断補強構造によれば、従来のせん断補強構造と同等又はそれ以上のせん断耐力を確保することができることができることが確認された。

（Ａ）は、本実施形態のせん断補強構造の設けられた鉄筋コンクリート部材の部材軸方向の横断面図であり、（Ｂ）は縦断面図である。せん断力が作用した鉄筋コンクリート部材における応力を示す図である。鋼管とコンクリート部材との付着を表すライン要素を示す図である。ライン要素の荷重―変位特性を説明するための図であり、同図（Ａ）及び（Ｂ）は、ライン要素の変位状況を示し、同図（Ｃ）及び（Ｄ）は、夫々（Ａ）及び（Ｂ）のように変位した場合の変位（横軸）と応力τ（縦軸）との関係を示す。各条件における荷重変位関係を示すグラフである。せん断補強筋の両端に定着具を設けた従来のせん断補強構造である。

符号の説明

１０鉄筋コンクリート部材
１１主鉄筋
１２コンクリート部材
１３配力筋
２０せん断補強構造
２２鋼管
３０従来のせん断補強構造
３１定着具
３２せん断補強筋

Claims

せん断荷重の作用する鉄筋コンクリート部材のせん断補強構造であって、
前記鉄筋コンクリート部材に、前記せん断荷重により生じる斜めひび割れ面と交差するように、前記鉄筋コンクリート部材に埋設された主鉄筋と交差する向きに鋼管を埋設したことを特徴とするせん断補強構造。
前記鋼管は、前記斜めひび割れ面に作用するせん断荷重よりも大きなせん断耐力を有することを特徴とする請求項１記載のせん断補強構造。
前記鋼管は、前記鉄筋コンクリート部材に前記せん断荷重の作用方向と略平行に埋設されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のせん断補強構造。
前記主鉄筋は、前記鉄筋コンクリート部材の互いに対向する表面からそれぞれ所定の被り厚で埋設されており、
前記鋼管は、その両端部が前記主鉄筋よりも前記鉄筋コンクリートの表面側まで延びるように配置されていることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項に記載のせん断補強構造。
請求項１から４何れかに記載のせん断補強構造を備えた鉄筋コンクリート部材。
せん断荷重の作用する鉄筋コンクリート部材のせん断補強方法であって、
前記鉄筋コンクリート部材に、前記せん断荷重により生じる斜めひび割れ面と交差するように、前記鉄筋コンクリート部材に埋設された主鉄筋と交差する向きに鋼管を埋設することを特徴とするせん断補強方法。