JP4893233B2 - 開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強構造、開口を有する鉄筋コンクリート梁の製造方法、梁構造 - Google Patents

Description

本発明は、開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強構造及び製造方法に関する。

鉄筋コンクリート造の建物を構築する際に、設備配管等を設置するため、鉄筋コンクリート梁を貫通するように開口を設けることがある。しかし、鉄筋コンクリート梁に開口を設けると、開口周辺のコンクリートに局所的な応力が作用し、鉄筋コンクリート梁の強度が低下してしまうため、鉄筋コンクリート梁に開口を設ける際には、開口の径は一般には梁せいの１／３以下と制限されている。このため、梁部材に大開口を設ける必要がある、設備機器を集中管理するオフィスビルなどには、鉄筋コンクリート構造を用いることは難しかった。

そこで、鉄筋コンクリート梁の強度を確保しつつ、開口を設ける方法として、例えば特許文献１には、鉄筋コンクリート梁を貫通するように鋼管を設け、この鋼管の両端付近にリング状の鉄板を固着し、このリング状の鉄板にせん断補強筋を固着した鉄筋コンクリート梁の開口補強構造が記載されている。
特開平６―１９３１９６号公報

しかしながら、この開口補強構造を用いて大きな径を有する開口を設けようとすると、施工の際には、リング状の鉄板が障害となるため、梁主筋の配筋作業に手間がかかってしまう。また、リング状の鉄板を避けて配筋の設計をしなければならず、例えば梁主筋を２段配筋できないなど、設計の自由度が損なわれる。また、リング状の鉄板を設けるので、鋼材の使用量が増え、経済性が損なわれる。

そこで、発明者らは、例えば、図１２に示すように、鉄筋コンクリート梁１１５の開口１１２の内側に嵌挿された鋼管１１１と、長方形状に形成され、鋼管１１１の外周面に溶接されたせん断補強筋１１３とからなる鉄筋コンクリート梁１１５の補強構造１００を提案している（特願２００５−３５０４３０号参照）。

しかしながら、上記の方法では、配筋作業を行う際に予めせん断補強筋１１３に梁主筋１１４を挿入しておかなければならず、配筋作業を行いづらくなることがある。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、経済性良く、かつ、作業性良く設けることができる鉄筋コンクリート梁の開口の補強構造を提供することを目的とする。

本発明の開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強構造は、前記開口の内側に嵌挿された円筒状の開口補強部材と、前記鉄筋コンクリート梁の少なくとも幅方向両端の梁主筋を含む複数の梁主筋の外周に夫々沿うように屈曲した屈曲部が設けられ、前記開口補強部材の外周面に接合された複数の第１の補強筋と、前記複数の第１の補強筋と一部が重なり合い、かつ前記複数の梁主筋を跨ぐように設けられた第２の補強筋と、で構成されるせん断補強筋と、を備えることを特徴とする。
上記の鉄筋コンクリート梁の補強構造において、前記開口補強部材は、前記開口の軸方向に複数に分割された鋼管からなるものであってもよい。

また、本発明の開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強構造は、開口を有する鉄筋コンクリート梁を補強する構造であって、前記開口の内側に嵌挿され、軸方向に複数に分割された鋼管からなる円筒状の開口補強部材と、前記開口補強部材の外周面に夫々接合され、前記鉄筋コンクリート梁の幅方向両端の梁主筋の外周に沿って略直角に屈曲し、先端同士が継手された一対の補強筋からなるせん断補強筋と、を備えることを特徴とする。

上記の鉄筋コンクリート梁の補強構造において、前記せん断補強筋は、前記開口補強部材表面に対して、ほぼ垂直となるように接合されていてもよい。また、前記開口の径が鉄筋コンクリート梁の梁せいの１／３以上、かつ、梁せいより、前記鉄筋コンクリート梁の上下のかぶり厚と、せん断補強筋の径と、主筋の径と、の合計を減じた値以下であってもよい。

また、本発明の開口を有する鉄筋コンクリート梁を製造方法は、前記鉄筋コンクリート梁の少なくとも幅方向両端の梁主筋を含む複数の梁主筋の外周に夫々沿うように屈曲した屈曲部が設けられた第１の補強筋が外周面に接合された円筒状の開口補強部材を前記開口の内側部分に設置し、前記複数の第１の補強筋と一部が重なり合い、かつ前記梁主筋を跨ぐように第２の補強筋を設け、前記鉄筋コンクリート梁を構成するコンクリートを打設することを特徴とする。

また、本発明の開口を有する鉄筋コンクリート梁の製造方法は、前記鉄筋コンクリート梁の幅方向両端の梁主筋の外周に沿って略直角に屈曲する一対の補強筋が外周面に接合され、前記開口の内側部分に軸方向に複数に分割された鋼管からなる円筒状の開口補強部材を設置し、前記一対の補強筋の先端同士を継手し、前記鉄筋コンクリート梁を構成するコンクリートを打設することを特徴とする。
また、本発明は、上記の製造方法により製造された鉄筋コンクリート梁を含む梁構造を含むものとする。

本発明によれば、鋼材の使用量を減らすことができるため、コストを削減できる。また、梁主筋を配筋した状態であっても、せん断補強筋の接続された鋼管を配置することができるため、配筋作業が容易になり、施工性を向上することができる。

<第１実施形態>
以下、本発明の開口の補強構造の一実施形態について図面に基づき説明する。
図１（Ａ）は、本実施形態の補強構造１０が適用された鉄筋コンクリート梁２０の長手方向断面図であり、同図（Ｂ）は、（Ａ）におけるＡ−Ａ´断面の鉛直断面図である。同図に示すように鉄筋コンクリート梁２０は幅方向に貫通する開口１２を有しており、この開口１２を利用して設備配管などが行われる。

図１に示すように、鉄筋コンクリート梁２０の開口１２以外の部分は、通常の鉄筋コンクリート梁と同様に、梁主筋１６と、梁主筋１６を囲むように配設されたせん断補強筋１７とを備えている。本実施形態の開口１２の補強構造１０は、開口１２に嵌挿された開口補強部材１１と、開口補強部材１１の外周面に上下方向に延びるように接合されたせん断補強筋１５とで構成される。

開口補強部材１１は、軸方向に接合された一対の鋼管１１Ａ、１１Ｂからなる。一対の鋼管１１Ａ、１１Ｂは、端面同士が当接している。なお、鋼管１１Ａ、１１Ｂの当接部分を接着剤又は溶接により接合してもよい。
せん断補強筋１５は、開口補強部材１１の表面に接合された第１の補強筋１３と、梁の幅方向両端の梁主筋１６に跨るように設けられた第２の補強筋１４とで構成される。第１の補強筋１３は、一端は鋼管１１Ａ，１１Ｂの外周面に溶接接合されており、他端には梁主筋１６の外周に沿って引っ掛けられるように屈曲した屈曲部が設けられており、この屈曲部において梁主筋１６と係合するように配置されている。また、第２の補強筋１４の一端（図１（Ｂ）では、左端）には約９０度屈曲された屈曲部が、他端（図１（Ｂ）では、右端）には、約１３５度屈曲された屈曲部が形成され、第２の補強筋１４は、これらの屈曲部において梁主筋１６と係合するように配置されている。なお、図１（Ｂ）の例では、第１の補強筋１３を全ての梁主筋１６に対応して設けているが、これに限らず、少なくとも梁の幅方向両端の梁主筋１６を含む複数の梁主筋１６に対応して設ければよい。
かかる構成により、第１の補強筋１３と第２の補強筋１４とが重なり合う部分において重ね継手が構成されるため、第１の補強筋１３と第２の補強筋１４との間で応力の伝達が可能となり、第１の補強筋１３及び第２の補強筋１４は長方形状に形成されたせん断補強筋と同様に機能することができる。

一般に、鉄筋コンクリート梁に開口を設けると、内部荷重の流れが変化し、開口の周辺の内部応力が局所的に高くなる。このため、開口の周辺より破壊を生じてしまい、鉄筋コンクリート梁の強度が低下してしまう。かかる理由により、鉄筋コンクリート梁には大開口を設けることができず、鉄筋コンクリート梁に開口を設ける場合には、開口の径が梁せいの１／３以下となるように制限されていた。

これに対して、本実施形態の補強構造１０によれば、開口１２の内側に開口補強部材１１が嵌挿されているため、無開口の場合に鉄筋コンクリート梁の開口１２に相当する部分のコンクリート部材が負担する圧縮荷重を開口補強部材１１が負担する。これにより、開口１２を設けることによる応力分布の変化を抑えることができるため、開口１２の周辺のコンクリートに局所的に大きな圧縮応力が作用することを抑止できる。

また、上述のように鋼管に接続された第１の補強筋１３と、第２の補強筋１４とが重ね継手を構成するため、せん断補強筋１５として一体となって機能する。せん断補強筋１５を構成する第１の補強筋１３が開口補強部材１１に溶接されているため、上下のせん断補強筋１５に作用する応力がお互いに伝達され、上下のせん断補強筋１５が一体となり、せん断力に抵抗する。さらに、開口１２の周辺のコンクリート部材に亀裂が入っても、せん断補強筋１５によりコンクリート部材が欠落することを防止する。

これにより、開口１２を設けることによる鉄筋コンクリート梁２０の強度の低下を抑えることができ、鉄筋コンクリート梁２０に、鉄筋コンクリート梁２０の梁せいの１／３以上、かつ、梁せいより、鉄筋コンクリート梁２０の上下のかぶり厚と、せん断補強筋１５の径（すなわち、第２の補強筋１４の径）と、梁主筋１６の径との合計を減じた値以下の径の開口１２を設けることが可能になる。

なお、本実施形態では、開口補強部材１１を端面同士が当接するように設置された複数の鋼管１１Ａ，１１Ｂから構成されるものとしているが、鉄筋コンクリート梁２０には作用する荷重は、主に面内方向に作用する荷重であるため、このように開口補強部材１１を端面同士が当接するように設置された複数の鋼管１１Ａ，１１Ｂにより構成しても、強度が低下してしまうことはない。

以下、本実施形態の補強構造１０を有する鉄筋コンクリート梁２０の構築方法について説明する。
図２は、本実施形態の補強構造１０を有する鉄筋コンクリート梁２０の構築方法を説明するための図である。まず、同図（Ａ）に示すように、通常の鉄筋コンクリート梁を構築する場合と同様に梁主筋１６を配筋する。

次に、同図（Ａ）〜（Ｂ）に示すように、第１の補強筋１３が外周面に接合された鋼管１１Ａ，１１Ｂを、開口１２に相当する位置に、端面同士が当接するように梁側面方向より設置する。

次に、同図（Ｃ）に示すように、鉄筋コンクリート梁の上下より第２の補強筋１４を、両端の梁主筋１６を跨ぐように設置する。
次に、型枠を配置し、鉄筋コンクリート梁２０を構成するコンクリートを打設する。
以上の工程により補強構造１０を有する鉄筋コンクリート梁２０を構築することができる。

本実施形態の開口補強構造によれば、以下の効果が得られる。
鉄筋コンクリート梁２０の強度を低下させることなく、径が梁せいの１／３以上の大開口１２を設けることができる。また、特許文献１記載の開口補強構造に比べて鋼材の使用量が少ないため、コストを削減することができる。さらに、補強構造１０は、従来の開口補強構造に比べてコンパクトであるため、設計の自由度が向上する。

また、せん断補強筋１５を第１の補強筋１３及び第２の補強筋１４からなる構成としたため、予め梁主筋１６が配筋されていても、第１の補強筋１３が溶接接合された鋼管１１Ａ、１１Ｂを設置することができる。このため、配筋作業の作業性を損なうことなく施工できる。また、開口補強部材１１を２つの鋼管１１Ａ，１１Ｂに分割した構成としたため、各鋼管１１Ａ、１１Ｂを軽量化することができ、これにより揚重装置を用いることなく、容易に開口補強部材１１を配置することができる。
なお、本実施形態では、開口補強部材１１が２つの鋼管１１Ａ、１１Ｂに分割される構成としたが、これに限らず、３つ以上に分割される構成としてもよい。ただし、本発明は開口補強部材１１が分割される場合に限らず、一の鋼管からなる構成としてもよい。

<第２実施形態>
本発明の鉄筋コンクリート梁の開口の補強構造は、上記の実施形態に限らない。図３は、第２実施形態の補強構造３０を示す図である。同図に示すように、本実施形態の開口の補強構造３０は、端面同士が当接するように設置された一対の鋼管１１Ａ，１１Ｂからなる円筒状の開口補強部材１１と、鋼管１１Ａ、１１Ｂに接合された一対の補強筋２１Ａ，２１Ｂからなるせん断補強筋２１とで構成される。補強筋２１Ａ，２１Ｂは、一端が鋼管１１Ａ，１１Ｂの外周面に接合され、夫々、梁の幅方向両端の梁主筋１６の外周に沿って、約９０°屈曲されており、補強筋２１Ａ，２１Ｂ同士の先端が互いに重なり合うことにより重ね継手を形成している。なお、この補強筋２１Ａ，２１Ｂはフレアー溶接により溶接接合してもよい。

上記の補強構造３０は、以下のようにして構築することができる。図４は、本実施形態の補強構造３０を構築する方法を説明するための図である。
まず、同図（Ａ）に示すように、通常の鉄筋コンクリート梁を構築する場合と同様に、鉄筋コンクリート梁４０を構成する梁主筋１６を配筋する。
次に、同図（Ｂ）に示すように、予め補強筋２１Ａ，２１Ｂが接合された鋼管１１Ａ，１１Ｂを端面同士が当接するように開口１２に相当する位置に梁の側面方向より設置する。
次に、型枠を配置し、鉄筋コンクリート梁を構成するコンクリートを打設する。
以上の工程により開口の補強構造を有する鉄筋コンクリート梁４０を構築することができる。

本実施形態の補強構造３０によっても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
なお、本実施形態では、補強筋２１Ａ，２１Ｂ同士を重ね継手により継手しているが、これに限らず、溶接継手などを用いることもでき、要するに、補強筋２１Ａ，２１Ｂの間で応力伝達が行われ、一体となってせん断補強筋２１として機能すればよい。

なお、上記説明した実施形態では、開口補強部材１１が２つの鋼管１１Ａ、１１Ｂに分割される構成としたが、これに限らず、３つ以上に分割される構成としてもよい。
また、上記の各実施形態では、せん断補強筋１５、２１を構成する補強筋（第１実施形態では第１の補強筋１３、第２実施形態では一対の補強筋２１Ａ，２１Ｂ）を鉛直方向に鋼管１１Ａ，１１Ｂに接続する構成としたが、これに限らず、図５に示すように、鋼管１１Ａ，１１Ｂの外周面に対して略垂直となるように溶接接合する構成としてもよい。係る構成によれば、以下の効果も得られる。

すなわち、せん断補強筋を鉛直方向に接合する場合には、鋼管が円筒状であるため、鋼管外周面に対してせん断補強筋を傾けた状態で溶接接合しなければならない。しかしながら、このように溶接面に対して斜めに傾斜するようにせん断補強筋を接合する場合には、溶接部の性能確認を目視で行うことができず、性能確認のため、別途、ＵＴ検査などを行う必要がある。

これに対して、図５に示すように、鋼管外周面に対してほぼ垂直となるように溶接接合することにより、目視による検査基準を用いることができ、手間とコストを削減することができる。

次に、鉄筋コンクリート梁に本発明の開口補強構造を設けることで、開口を設けることによる鉄筋コンクリート梁の強度の低下を抑止できることを、有限要素法を用いた数値解析により確認したので、以下説明する。

本検討では、試験体として一般的な鉄筋コンクリート梁の１／２の縮小モデルを用いた。なお、実物大の試験体を用いて解析を行った場合に比べて、せん断強度等は１／４倍になる。試験体は、断面形状：３００×４２５ｍｍ（実物大では６００×８５０ｍｍ）、内法スパン：１７００ｍｍ（実物大では３４００ｍｍ）、開口径：２３６ｍｍ（実物大では４７２ｍｍ）（梁せいの１／１．８）、鋼管の厚さ：１６ｍｍ（実物大では３２ｍｍ）、鋼管の降伏応力：３３０ＭＰａ（鋼種ＳＭ４９０に相当）、梁主筋：３−Ｄ２５、梁主筋降伏応力：５４０ＭＰａ（鋼種ＳＤ４９０に相当）、せん断補強筋：Ｄ６、せん断補強筋降伏応力：３２５ＭＰａ（鋼種ＳＤ２９５に相当）、コンクリート強度：４２Ｎ／ｍｍ^２とした。

本検討では、開口及び開口補強構造を設けていない試験体（試験体ＮＯ．１）、試験体の中央に開口及び開口補強構造を設けた試験体（試験体ＮＯ．２）、試験体の中央に開口を設け、開口補強構造を設けていない試験体（試験体ＮＯ．３）を用い、各試験体に正負交互に変化するせん断荷重を作用させて、荷重−変位曲線及び載荷後の破壊状況について調べた。

図６〜図８は、各試験体の載荷後の破損状況を示す図であり、夫々、試験体ＮＯ．１〜ＮＯ．３を示す。図６と図８を比較するとわかるように、試験体ＮＯ．１は、試験体全体にひび割れが分布しているが試験体ＮＯ．３は、開口１２の周囲にひび割れが分布している。これは、無開口である試験体ＮＯ．１には、局所的な応力の集中が生じないが、開口１２を有する試験体ＮＯ．３では、コンクリート部材の内部応力の流れが変化し、開口１２の周囲の部分に作用する応力が増大しているためである。

しかし、図６に示すように、試験体ＮＯ．２は、開口の周辺にひび割れが集中せず、試験体全体にひび割れが分布している。このことから、開口補強構造を設けることにより応力の流れの変化が抑止され、開口の周囲の応力集中を抑えられることが確認できる。

また、図９〜図１１は、各試験体の荷重―変形関係を示すグラフであり、図９〜図１１は、夫々、試験体ＮＯ．１〜ＮＯ．３を示す。図９と図１１を比較すると、試験体ＮＯ．１の最大せん断力は２９０ｋＮ程度であるが、試験体ＮＯ．３の最大せん断力は１７０ｋＮ程度と、無開口の場合の靭性設計指針に基づき算出したせん断耐力に比べて非常に小さい。このことから、鉄筋コンクリート梁に開口を設けると、開口の周辺より破壊が生じてしまうため、鉄筋コンクリート梁の強度が低下することがわかる。

これに対し、図１０に示すように、試験体ＮＯ．２の最大せん断耐力は、試験体ＮＯ．１の最大せん断耐力と略等しく、また、無開口の場合（試験体ＮＯ．１）の靭性設計指針に基づき算出したせん断耐力を超えている。このことから、開口補強構造により開口１２の周囲への応力の集中を抑え、鉄筋コンクリート梁の強度の低下を抑止し、無開口の鉄筋コンクリート梁と同等の強度を確保できることがわかる。

以上説明したように、本検討により、開口１２を有する鉄筋コンクリート梁に本発明の開口補強構造を設けることで、開口が形成されていない鉄筋コンクリート梁と同程度の強度を持つことが確認された。

（Ａ）は、本実施形態の補強構造が適用された鉄筋コンクリート梁の長手方向断面図であり、同図（Ｂ）は、（Ａ）におけるＡ−Ａ´断面の鉛直断面図である。 本実施形態の開口の補強構造の構築方法を説明するための図である。 本発明の補強構造の別の実施形態を示す図である。 本実施形態の補強構造を構築する方法を説明するための図である。 せん断補強筋を鋼管外周面に対して垂直に溶接接合した補強構造を示す図である。 試験体ＮＯ．１の試験体の載荷後の破損状況を示す図である。 試験体ＮＯ．２の試験体の載荷後の破損状況を示す図である。 試験体ＮＯ．３の試験体の載荷後の破損状況を示す図である。 試験体ＮＯ．１の荷重―変形関係を示すグラフである。 試験体ＮＯ．２の荷重―変形関係を示すグラフである。 試験体ＮＯ．３の荷重―変形関係を示すグラフである。 従来の開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強構造を示す図である。

符号の説明

１０、３０ 補強構造
１１ 開口補強部材
１１Ａ、１１Ｂ 鋼管
１２ 開口
１３ 第１の補強筋
１４ 第２の補強筋
１５、１７、２１ せん断補強筋
１６ 梁主筋
２０、４０ 鉄筋コンクリート梁
２１Ａ，２１Ｂ 補強筋

Claims (8)

1. 開口を有する鉄筋コンクリート梁を補強する構造であって、
   前記開口の内側に嵌挿された円筒状の開口補強部材と、
   前記鉄筋コンクリート梁の少なくとも幅方向両端の梁主筋を含む複数の梁主筋の外周に夫々沿うように屈曲した屈曲部が設けられ、前記開口補強部材の外周面に接合された複数の第１の補強筋と、前記複数の第１の補強筋と一部が重なり合い、かつ前記複数の梁主筋を跨ぐように設けられた第２の補強筋と、で構成されるせん断補強筋と、
   を備えることを特徴とする開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強構造。
2. 前記開口補強部材は、前記開口の軸方向に複数の分割された鋼管からなることを特徴とする請求項１記載の開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強構造。
3. 開口を有する鉄筋コンクリート梁を補強する構造であって、
   前記開口の内側に嵌挿され、軸方向に複数に分割された鋼管からなる円筒状の開口補強部材と、
   前記開口補強部材の外周面に夫々接合され、前記鉄筋コンクリート梁の幅方向両端の梁主筋の外周に沿って略直角に屈曲し、先端同士が継手された一対の補強筋からなるせん断補強筋と、を備えることを特徴とする開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強構造。
4. 前記せん断補強筋は、前記開口補強部材表面に対して、ほぼ垂直となるように接合されていることを特徴とする請求項１から３何れかに記載の開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強構造。
5. 前記開口の径が鉄筋コンクリート梁の梁せいの１／３以上、かつ、梁せいより、前記鉄筋コンクリート梁の上下のかぶり厚と、せん断補強筋の径と、梁主筋の径と、の合計を減じた値以下であることを特徴とする請求項１から４何れかに記載の開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強構造。
6. 開口を有する鉄筋コンクリート梁の製造方法であって、
   前記鉄筋コンクリート梁の少なくとも幅方向両端の梁主筋を含む複数の梁主筋の外周に夫々沿うように屈曲した屈曲部が設けられた第１の補強筋が外周面に接合された円筒状の開口補強部材を前記開口の内側部分に設置し、
   前記複数の第１の補強筋と一部が重なり合い、かつ前記梁主筋を跨ぐように第２の補強筋を設け、
   前記鉄筋コンクリート梁を構成するコンクリートを打設することを特徴とする開口を有する鉄筋コンクリート梁の製造方法。
7. 開口を有する鉄筋コンクリート梁の製造方法であって、
   前記鉄筋コンクリート梁の幅方向両端の梁主筋の外周に沿って略直角に屈曲する一対の補強筋が外周面に接合され、前記開口の内側部分に軸方向に複数に分割された鋼管からなる円筒状の開口補強部材を設置し、
   前記一対の補強筋の先端同士を継手し、
   前記鉄筋コンクリート梁を構成するコンクリートを打設することを特徴とする開口を有する鉄筋コンクリート梁の製造方法。
8. 請求項６又は７記載の製造方法により製造された鉄筋コンクリート梁を含む梁構造。