JP7621064B2 - スラブ付き梁のせん断強度評価方法及び構築物 - Google Patents

Description

本発明は、スラブ付き梁のせん断強度評価方法及びこれを用いて評価したスラブ付き梁を備えた構築物に関する。

プレキャストコンクリートで形成した梁下部を構築物の所定位置に設置した後に、梁上部及びこれに接続するスラブの配筋を行って現場コンクリートを一体に打設することにより、梁とスラブとが一体化したスラブ付き梁をハーフプレキャスト梁として形成することが知られている。

ハーフプレキャスト梁は梁の上部と下部とで異種強度のコンクリートを使用することができる。そこで、構造材である梁には高強度のコンクリートが必要であるが、二次部材であるスラブはスラブとして成り立つ強度だけあれば充分であるので、スラブ及び梁上部には普通強度のコンクリートを使用すれば、材料コストの低減に有効である。ただし、この場合、梁の構造的な耐力（主にせん断耐力）を適正に判断する必要があり、強度的に過不足のない設計方法が求められる。

例えば、特許文献１に記載の技術においては、梁の上部の高さｔが梁全体の高さＤの１／２以上（Ｄ／２≧ｔ）の場合、梁の１／２より上側の部分のみを考慮して、梁の上部と下部との高さの比によるコンクリートの平均強度に基づいて梁のせん断強度を算出している。一方、Ｄ／２＜ｔの場合 梁の上部のコンクリート強度をそのまま梁のせん断強度としている。

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術においては、梁全体のせん断強度を求める際に梁の高さの１／２より上側の部分しか考慮していない。また、梁の上部と一体化されたスラブによる梁のせん断強度の向上を何ら考慮していない。

そこで、例えば、特許文献２に記載の技術においては、梁の上部のコンクリート強度をスラブの協力幅と梁の幅との比に応じた値で割り増した値を梁のせん断強度として求めている。ここで、スラブの協力幅Ｂは、スラブ部で負担される圧縮力がスラブと梁上部との境界面で伝達可能なせん断力を上回らない範囲内となるように、梁の内法長さＬと梁上部のコンクリートの圧縮強度σc2とせん断強度σs2から、Ｂ＜Ｌ／（２×σc2／σs2）の範囲内にあるように協力幅Ｂを求めている。

特開２００６－２２５８９４号公報 特開２００６－０９７３２０号公報

しかしながら、本願発明者は、上記特許文献２に記載の技術においても、スラブ付き梁のせん断強度を過少に求めており、スラブ付き梁のせん断耐力が不当に低く評価されていることを見出した。

本発明は、以上の点に鑑み、スラブ付き梁のせん断強度を適正に求めることが可能なスラブ付き梁のせん断強度評価方法、及びこれを用いて評価したスラブ付き梁を備えた構築物を提供することを目的とする。

本発明のスラブ付き梁のせん断強度評価方法は、第１のコンクリートを用いて形成された梁下部と、前記梁下部と一体化され、第１のコンクリートと異なる第２のコンクリートを用いて形成された梁上部及びスラブとからなるスラブ付き梁のせん断強度評価方法であって、前記第１のコンクリートの設計基準強度をＦcd[Ｎ／ｍｍ²]、前記第２のコンクリートの設計基準強度をＦcu[Ｎ／ｍｍ²]、前記梁下部の断面積をＡd[ｍｍ²]、前記梁上部の断面積をＡu [ｍｍ²]、前記スラブの協力幅をｂa[ｍｍ]、前記スラブの厚さをｔ[ｍｍ]、前記梁上部の高さをＴu[ｍｍ]、前記梁下部及び前記梁上部の幅をｂ[ｍｍ]としたとき、前記スラブ付き梁のせん断強度を評価する際のコンクリートの平均強度Ｆce[Ｎ／ｍｍ²]は、式（１）で表され、
Ｆce＝（Ｆcd・Ａd＋αs・Ｆcu・Ａu）／（Ａd＋Ａu） ・・・ （１）
式（１）における割増係数αsは、式（２）で表され、
αs＝１＋ｔ’・ｂ’ ・・・ （２）
ここで、ｔ’＝ｔ／Ｔu、ｂ’＝ｂa／ｂであることを特徴とする。

本発明のスラブ付き梁のせん断強度評価方法によれば、後述するように、スラブ付き梁のコンクリート強度について理論的に検討し、実験で確認したうえでコンクリートの平均強度Ｆceが提案されている。この平均強度Ｆceをせん断強度の評価の際に用いることにより、安全側であって、かつ、過大なせん断耐力を有した設計となることの抑制を図ることが可能となる。

本発明のスラブ付き梁を備えた構築物は、本発明のスラブ付き梁のせん断強度評価方法を用いてせん断強度を評価したことを特徴とする。

本発明のスラブ付き梁を備えた構築物によれば、必要なせん断耐力を確保しながら構築物の構築コストの削減を図ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る構造物の概略側面図。 図１のII－II線における模式断面図。 曲げヒンジの発生前にせん断破壊した試験体における余裕度の関係を示すグラフ。 曲げヒンジが発生した試験体における試験体における余裕度の関係を示すグラフ。 本発明の実施形態の変形例に係るスラブ付き梁の縦断面図。 本発明の実施形態の他の変形例に係るスラブ付き梁の縦断面図。 本発明の実施形態のさらに他の変形例に係るスラブ付き梁の縦断面図。 本発明の実施形態のさらに他の変形例に係るスラブ付き梁の縦断面図。

本発明の実施形態に係る評価方法にて評価される構築物１００について図１及び図２を参照して説明する。

構築物１００は、梁下部１１が第１のコンクリートを用いて形成され、梁下部１１と一体化された梁上部１２及び梁上部１２と一体化されたスラブ２０とが共に第２のコンクリ－トを用いて形成された異種コンクリートを用いた形成されたスラブ付き梁３０を備えた構造物である。

梁下部１１と梁上部１２とによって梁１０全体が構成されている。梁１０は柱４０と柱４０の間に存在し、柱４０間の内法寸法はＬ０である。本構造物１００は、例えば、特許第４０２１５８８号公報に記載された工法によって構築される。

梁下部１１の高さ（厚さ）はＴd[ｍｍ]、梁上部１２の高さはＴu[ｍｍ]であり、梁１０全体の高さ（梁せい）はＤ[ｍｍ]（＝Ｔd＋Ｔu）である。なお、梁上部１２の高さＴuは、梁せいＤの０．５倍以下であることが好ましく、より好ましくは０．２５～０．５倍である。また、梁せいＤは、内法寸法Ｌ０の１／２．５以下が好ましく、より好ましくは、１／６～１／２．５である。

梁１０の幅はｂ[ｍｍ]である。そして、梁下部１１は、その長手方向と直交する縦断面の断面積がＡd[ｍｍ²]（＝Ｔd・ｂ）であり、梁上部１２は、その長手方向と直交する縦断面の断面積がＡu [ｍｍ²]（＝Ｔu ・ｂ）である。

梁上部１２の高さＴuは、スラブ２０の厚さｔ１，ｔ２[ｍｍ]よりも低い。すなわち、梁下部１１とスラブ２０とは接触していない。なお、スラブ２０の厚さｔ１，ｔ２は、梁せいＤの０．１９倍以上であることが好ましく、より好ましくは０．１９～０．５倍である。

梁下部１１を形成する際に用いられる第１のコンクリートは、例えば高強度コンクリートであり、その設計基準強度はＦcd[Ｎ／ｍｍ²]である。梁上部１２及びスラブ２０を形成する際に用いられる第２のコンクリートは、例えば普通強度コンクリートであり、その設計基準強度はＦcu[Ｎ／ｍｍ²]であり、Ｆcdよりも小さい。第１及び第２のコンクリートの設計基準強度Ｆcu，Ｆcdは、好ましくは、２４～６０Ｎ／ｍｍ²であり、第２のコンクリートの設計基準強度Ｆcuは第１のコンクリートの設計基準強度Ｆcdの１／２以上であることが好ましい。

ここでは、梁上部１２の両側方にスラブ２０（２１，２２）が存在し、梁上部１２とスラブ２０との天端は同一面に位置し、梁１０とスラブ２０とは全体として縦断面がＴ字形状となっている。一方の側のスラブ２１は協力幅がｂa１[ｍｍ]、厚さがｔ１[ｍｍ]であり、他方の側のスラブ２２は協力幅がｂa２[ｍｍ]、厚さがｔ２[ｍｍ]である。協力幅ｂa１，ｂa２及び厚さｔ１，ｔ２は同じであっても、相違していてもよい。両方のスラブ２１，２２の厚さは、同じであっても相違していてもよい。

スラブ２１，２２の協力幅ｂa１，ｂa２は、日本建築学会編「鉄筋コンクリート構造計算規準・同解説（２０１０）」に従って算出される。なお、スラブ２１，２２の協力幅の合計ｂa１＋ｂa２は、内法寸法Ｌ０の０．１倍以上であることが好ましく、より好ましくは０．１～０．８３倍である。

梁１０（梁下部１１及び梁上部１２）には、梁主筋１３及びせん断補強筋１４などの鉄筋が配設されている。なお、図２に記載の鉄筋の配設態様は一例であり、他の態様にて鉄筋が配設されていてもよく、例えば、ずれ防止筋、付着補強筋などが配設されていてもよい。これら鉄筋は、ＪＩＳ Ｇ３１１２ 鉄筋コンクリート用棒鋼に規定されるもの、又は国土交通大臣の認定を受けたものを用いることが好ましい。そして、梁主筋の降伏点は２９５～５９０Ｎ／ｍｍ²であることが好ましく、せん断補強筋、ずれ防止筋１５、付着補強筋などの降伏点は２９５～１２７５Ｎ／ｍｍ²であることが好ましい。

なお、ずれ防止筋１５、図２に２点鎖線で示すように、せん断補強筋を除き、水平接合面の応力伝達（ずれ破壊防止）に寄与する補強筋であり、梁下部１１と梁上部１２をつなぐように配置される。具体的には、ずれ防止筋１５は、下向きＵ字型の鉄筋であり、上端の水平部分を梁上部１２の上端筋にかけ、垂直部分の下端は梁下部１１内に一般的な定着長さ以上埋設される。ずれ防止筋１５は、梁の梁下部１１と梁上部１２の水平接合面のずれを考慮したせん断耐力を算定したうえで、必要に応じて配筋される。

ここでは、梁下部１１はプレキャストで形成された鉄筋コンクリートからなり、梁上部１２及びスラブ２０は現場打ちコンクリートにより形成されており、スラブ付き梁３０はハーフプレキャスト梁となっている。ただし、梁下部１１は現場打ちコンクリートによって形成されていてもよい。また、スラブ２０は、リブ付プレキャストコンクリート板（ＦＲ板）スラブ工法、ボイドスラブ工法などによって形成されるものであってもよい。

国土交通省国土技術政策総合研究所他編「壁式ラーメン鉄筋コンクリート造設計施工指針（２００３）」の５１，５２頁には、スラブ付き梁３０のような構造体のせん断変形などを算定する際に、スラブ２０の協力幅ｂaを付け加えて、梁せいＤが等しい等価な長方形断面に置き換えて算出する方法が示されている。

本願発明者は、このように梁１０の断面だけでなく梁１０と一体化されたスラブ２０の協力幅ｂaの部分を含めた断面を考慮して、スラブ付き梁３０のコンクリートの平均強度（等価平均強度）Ｆce[Ｎ／ｍｍ²]を、以下の式（１）によって求めることを提案する。ただし、梁下部１１のコンクリート強度Ｆcdを上限とする。
Ｆce＝（Ｆcd・Ａd＋αs・Ｆcu・Ａu）／（Ａd＋Ａu） ・・・ （１）

ここで、スラブ２０による割増係数αsは、以下の式（２）による。
αs＝１＋ｔ1’・ｂ1’＋ｔ2’・ｂ2’ ・・・ （２）

そして、ｔ1’＝ｔ1／Ｔu、ｔ2’＝ｔ2／Ｔu、ｂ1’＝ｂa1／ｂ、ｂ2’＝ｂa2／ｂである。なお、スラブ２０が片側のスラブ２１だけである場合、式（２）は式（３）のようになる。
αs＝１＋ｔ1’・ｂ1’ ・・・ （３）

このように、本願発明の評価方法によれば、第１に、基本として、梁下部１１と梁上部１２の断面積比による設計基準強度の平均値を等価平均強度Ｆceとしている。第２に、梁上部１２のコンクリートの設計基準強度は、スラブ２０の協力幅ｂaを考慮した等価平均強度Ｆceとしている。そして、第３に、梁上部１２のコンクリートの設計基準強度は、梁上部１２とスラブ２０の協力幅ｂa分の断面積と比に基づいた割増係数αsを乗じて割り増している。

本願発明における等価平均強度Ｆceは、スラブ付き梁３０のコンクリート強度について理論的に検討し、後述するように実験で確認したうえで提案されている。そして、この等価平均強度Ｆceは、後述するように安全側であって、かつ、過大なせん断耐力を有した設計となることの抑制を図ることが可能となる。そして、これにより、必要なせん断耐力を確保しながら構築物１００の構築コストの削減を図ることが可能となる。

図３は、曲げ破壊前にせん断破壊した試験体における余裕度の関係を示すグラフである。Ｘ軸は、トラス・アーチ理論に基づくせん断終局強度Ｑsuを、式（４）に示す曲げ強度Ｍuの略算式を用いて式（５）で算出した曲げ耐力時における梁１０のせん断強度である曲げ強度Ｑfuで除して求めたせん断余裕度Ｑsu／Ｑfuを示している。Ｙ軸は、試験体がせん断破壊又は付着割劣した際の最大耐力Ｑmaxをせん断強度Ｑfuで除して求めた余裕度Ｑmax／Ｑfuを示している。なお、せん断終局強度Ｑsuを求める際に、コンクリート強度として等価平均強度Ｆceを用いる。また、ａtは引張鉄筋の断面積、σyは主筋の降伏強度、ｄは梁１０の有効せいである。
Ｍu＝０．９・ａt・σy・ｄ ・・・ （４）
Ｑfu＝２・Ｍu／Ｌ０ ・・・ （５）

なお、図３において、×印及び四角印は試験体がせん断破壊したことを、白丸印及び斜線丸印は試験体が付着割劣したことを示している。そして、四角印及び斜線丸印は本願発明者が実際に行った試験結果を示し、×印及び白丸印は既往文献に記載の実験データを示している。

図４は、曲げ破壊した試験体における余裕度の関係を示すグラフである。図３と同じように、Ｘ軸はせん断余裕度Ｑsu／Ｑfuを、Ｙ軸は余裕度Ｑmax／Ｑfuを示している。ただし、Ｑmaxは試験体がせん断破壊又は付着割劣した場合に加えて、曲げ破壊した場合の最大耐力を含んでいる。

なお、図４において、白四角印及び斜線四角印は試験体が降伏後にせん断破壊したことを、＋印及び黒四角内＋印は試験体が降伏後に付着割劣したことを、白菱形印及び斜線菱形印は試験体が曲がったことを示している。そして、斜線四角印、黒四角内＋印及び斜線菱形印は本願発明者が実際に行った試験結果を示し、白四角印、＋印及び白菱形印は既往文献に記載の実験データを示している。

図３及び図４を参照して、せん断余裕度Ｑsu／Ｑfuが１以上である領域においては、せん断終局強度Ｑsuが曲げ強度Ｑfuよりも大きく、理論上、せん断破壊ではなく曲げ破壊が生じる。

さらに、せん断余裕度Ｑsu／Ｑfuが１未満である領域において、余裕度Ｑmax／Ｑfuはせん断余裕度Ｑsu／Ｑfuよりも大きいので、せん断破壊又は付着割劣した際の最大耐力Ｑmaxは理論上のせん断終局強度Ｑsuよりも大きい。これにより、式（１）で算出した等価平均強度Ｆceは実際の梁１０がせん断破壊するせん断強度よりも安全側に評価されていることがわかる。

また、せん断余裕度Ｑsu／Ｑfuが１以上である領域において、余裕度Ｑmax／Ｑfuは１以上であるので、曲げ破壊した際の最大耐力Ｑmaxは曲げ強度Ｑfuよりも大きい。これにより、式（１）で算出した等価平均強度Ｆceは実際の梁１０が曲げ破壊する曲げ強度よりも安全側に評価されていることがわかる。

なお、等価平均強度Ｆceを算出する際には、以下のようにみなして算出することが好ましい。

第１に、図５に示すスラブ付き梁３０Ａのように、梁上部１２の天端がスラブ２０の天端よりも上方に位置する場合、梁上部１２はスラブ２０の天端よりも高い位置に存在する部分（図５の斜線部）を除いたものとしてみなして、等価平均強度Ｆceを算出する。

第２に、図６に示すスラブ付き梁３０Ｂのように、梁下部１１と梁上部１２との水平接合面Ａがスラブ２０の底端よりも上方に位置する場合、水平接合面Ａよりも低い位置に存在するスラブ２０の部分（図６の斜線部）を除いたものとしてみなして、等価平均強度Ｆceを算出する。

第３に、図７に示すスラブ付き梁３０Ｃのように、梁上部１２において第１のコンクリートを用いて形成されている部分がある場合、その部分（図７の梁下部１１と同じハッチングの部分）は梁下部１１ではなく、梁上部１２とみなして、等価平均強度Ｆceを算出する。すなわち、梁下部１１とみなす部分は水平断面において全て第１のコンクリートから形成れている部分に限定される。

第４に、図７に示すスラブ付き梁３０Ｃのように、スラブ２０において第１のコンクリートなど第２のコンクリートより設計基準強度が高いコンクリートなどを用いて形成されている部分がある場合、その部分（図７の梁下部１１と同じハッチングの部分）を含めて、スラブ２０は第２のコンクリートからなるものとみなして、等価平均強度Ｆceを算出する。例えば、スラブ２０の一部がプレキャストコンクリートから形成されている場合である。

第５に、図８に示すスラブ付き梁３０Ｄのように、スラブ２０にボイド（空隙）２３が存在している場合、梁上部１２から最も近いボイド２３から外側のスラブ２０の部分（図８の斜線部）は、スラブ２０は協力幅ｂaに含まないで、等価平均強度Ｆceを算出する。すなわち、梁上部１２の側端面から最も近いボイド２３の存在する位置までのスラブ２０を協力幅ｂaとする。

なお、本発明は、上述したスラブ付き梁３０のせん断強度評価方法及びこれを用いて評価したスラブ付き梁を備えた構築物に限定されるものではなく、適宜変更することができる。

１０…梁、 １１…梁下部、 １２…梁上部、 １３…梁主筋、 １４…せん断補強筋、 １５…ずれ防止筋、 ２０…スラブ、 ２１…一方のスラブ、 ２２…他方のスラブ、 ２４…ボイド、 ３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…スラブ付き梁、 ４０…柱、 １００…構築物、 Ａ…水平接合面。

Claims (1)

1. 第１のコンクリートを用いて形成された梁下部と、前記梁下部と一体化され、第１のコンクリートと異なる第２のコンクリートを用いて形成された梁上部及びスラブとからなるスラブ付き梁のせん断強度評価方法であって、
   前記第１のコンクリートの設計基準強度をＦcd[Ｎ／ｍｍ²]、前記第２のコンクリートの設計基準強度をＦcu[Ｎ／ｍｍ²]、前記梁下部の断面積をＡd[ｍｍ²]、前記梁上部の断面積をＡu [ｍｍ²]、前記スラブの協力幅をｂa[ｍｍ]、前記スラブの厚さをｔ[ｍｍ]、前記梁上部の高さをＴu[ｍｍ]、前記梁下部及び前記梁上部の幅をｂ[ｍｍ]としたとき、前記スラブ付き梁のせん断強度を評価する際のコンクリートの平均強度Ｆce[Ｎ／ｍｍ²]は、式（１）で表され、
   Ｆce＝（Ｆcd・Ａd＋αs・Ｆcu・Ａu）／（Ａd＋Ａu）・・・（１）
   式（１）における割増係数αsは、式（２）で表され、
   αs＝１＋ｔ'・ｂ'・・・（２）
   ここで、ｔ'＝ｔ／Ｔu、ｂ'＝ｂa／ｂであることを特徴とするスラブ付き梁のせん断強度評価方法。
   

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