JP2008025236A - 端部と中央部とで強度の異なる緊張材を用いたプレキャストプレストレストコンクリート梁 - Google Patents

Abstract

【課題】地震時にひび割れが拡大せず、梁の偏心モーメントの低下を最小限にする梁を提供する。
【解決方法】少なくとも梁の断面下端部近傍の鉄筋を緊張して所定のプレストレスを導入した、プレキャストプレストレストコンクリート梁において、該鉄筋は端部領域の降伏点が中央領域の降伏点より低く形成されているプレキャストプレストレストコンクリート梁を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、端部と中央部とで強度の異なる鉄筋を用いたプレキャストプレストレストコンクリート梁に関する発明であり、特に、地震時に梁の端部にひび割れを生じた後も梁のエネルギー吸収能力とプレストレスによる吊上げ力を確保できるプレキャストプレストレストコンクリート梁およびこれを用いた架構に関する発明である。

工場にて鉄筋コンクリート梁の断面下端部近傍の鉄筋にプレテンション方式によってプレストレスを導入した、プレキャストプレストレストコンクリート梁（以下ＰＣａＰＣ梁または単に梁と称する）が知られている。ＰＣａＰＣ梁は断面の下端部近傍の鉄筋にプレテンションを与え、プレテンションを開放した後の当該鉄筋の収縮方向の復元力によってコンクリートに軸方向の圧縮応力を発生させた梁である。ＰＣａＰＣ梁は、荷重が加わらない状態では圧縮応力が発生しているので、自重や積載荷重によって梁に曲げモーメントが加わった場合にも、曲げモーメントが一定の値を超えなければコンクリートに引っ張り応力が発生せず、高い圧縮強度に比べて引っ張り強度が低いコンクリートの特性を有効に利用することのできる梁である。

緊張力を導入した鉄筋から付着力を介してコンクリートに加えられる軸方向力および当該軸方向力に起因する偏心モーメントは、梁の両端部で０であり、定着領域で直線的に増加し、これより内側では一定値で分布している。したがって、実用的な観点からは、ＰＣａＰＣ梁においては、図１に示すように梁の端部近傍の定着領域より内側にプレストレスが分布していると考えることができる。

ラーメン架構を構成するには、このようなＰＣａＰＣ梁に工場でプレストレスを与え、つまり鉄筋に緊張力を導入して梁部材を完成させたうえで、現場でＰＣａＰＣ梁を柱頂部に設置し、柱梁接合部にコンクリートを打設して柱梁を一体化する。
特開平７−１３９０８９ 特開平３−９３９２９ 特開昭６０−８５１４９

このように構成されたＰＣａＰＣ梁を有する架構に地震荷重が加わると、梁は曲げモーメントを受ける。当該曲げモーメントは、梁の両端部において最大であって中央部ではゼロになる直線状の分布またはこれに近いものである。したがって、地震荷重が一定の値を超えると、ＰＣａＰＣ梁の端部近傍においてコンクリートの引張応力が所定の値（ひび割れ発生応力）を越えて、梁の長手方向とは直交する方向にひび割れが発生する。ひび割れ発生部位では、鉄筋はコンクリートとの定着力が低下するために、定着領域が梁中央方向に成長するため軸方向のプレテンションと偏心モーメントが低下する領域が拡がる。

図２は、上述のように地震時にＰＣａＰＣ梁のコンクリートにひび割れが発生することによって、軸方向のプレテンションおよび偏心モーメントが低下し、結果的に、梁の両端部の定着領域が梁の中央部近傍に拡がる様子を図示したものである。定着領域が梁の中央部近傍にまで拡がると、結果的にプレストレスを加えた梁の軸方向力は低下し、プレストレスの効果は低減する。

また、プレストレスを加える鉄筋には高強度鉄筋を用いることが多いが、高強度鉄筋は降伏点が高くなるほど折り曲げ加工に適さないために、梁の両端部から外の鉄筋を柱に対して折り曲げ定着することができず、ナットやプレートなどの定着具が必要になることなどのために施工コストが増加する等の問題も有った。さらに、高強度鉄筋は溶接が困難で十分な管理が必要という点も問題になる。

上記の問題に鑑みて本発明は以下のような梁および当該梁を用いた架構を提供する。
（１）少なくとも梁の断面内の鉄筋を緊張して所定のプレストレスを導入した、ＰＣａＰＣ梁と、鉄筋に普通鉄筋を用いた現場打ち梁部で形成されているＰＣａＰＣ梁。
（２）上記（１）に記載したＰＣａＰＣ梁であって、前記鉄筋は端部領域が普通鉄筋であり、中央領域が前記普通鉄筋より高強度な鉄筋で形成され、該普通鉄筋と高強度鉄筋が継手（機械式、圧接、溶接等の継ぎ手も含む）で接合されているＰＣａＰＣ梁。
（３）上記（１）に記載したＰＣａＰＣ梁であって、前記鉄筋は端部領域及び中央領域共に高強度鉄筋であり、端部領域の鉄筋断面積が中央領域の鉄筋断面積よりも小さい梁。
（４）上記（１）のＰＣａＰＣ梁であって、前記端部領域の鉄筋は直線部と折り曲げ部で構成され、該折り曲げ部が柱に定着されて架構を構成するＰＣａＰＣ梁。
（５）前記いずれかに記載のＰＣａＰＣ梁と柱との接合部のコンクリートは前記端部領域と一緒に現場打設される架構。

（１）少なくとも梁の断面内の鉄筋を緊張して所定のプレストレスを導入した、ＰＣａＰＣ梁において、該鉄筋の降伏点が中央領域（ＰＣａＰＣ部）の降伏点より低く形成されているＰＣａＰＣ梁によって、地震時には梁端部付近に塑性ヒンジを形成させて、梁の中央領域にひび割れが発生することを防止する。結果的に鉄筋のプレストレスが加えられる梁の有効長が短縮されることを抑制して、プレストレスの効果低減を抑制する効果が得られる。
加えて、塑性ヒンジが発生する梁の端部領域において、普通鉄筋を用いることによって、地震時に早期に塑性ヒンジが形成され高いエネルギー吸収能力を確保することができる。
さらに、梁の端部領域の普通鉄筋をそのまま柱に対して折り曲げ定着をすることも可能になる。
（２）上記（１）に記載したＰＣａＰＣ梁であって、前記鉄筋は端部領域（端部後打ち部）が普通鉄筋であり、中央領域（ＰＣａＰＣ部）が高強度鉄筋で形成され、該普通鉄筋と高強度鉄筋が継手で接合（機械式、圧接、溶接等の継ぎ手も含む）されているＰＣａＰＣ梁を用いることによって、前記の効果に加えて、梁の中央領域では通常時のみならず地震時においても鉄筋の高いプレストレスおよび偏心モーメントを維持する効果がある。
（３）上記（１）に記載したＰＣａＰＣ梁であって、前記鉄筋は端部領域及び中央領域共に高強度鉄筋であり、端部領域の鉄筋断面積が中央領域の鉄筋断面積よりも小さい梁を提供することによって、前記の効果を図ることができる。
（４）上記（１）または（２）の何れかに記載のＰＣａＰＣ梁であって、前記端部領域の鉄筋は直線部と折り曲げ部で構成され、該折り曲げ部を柱に定着させて架構を構成するＰＣａＰＣ梁によって、前記の効果に加えて、プレストレスを与えた鉄筋を容易に定着しコスト低減を図ることができる。
（５）前記いずれかに記載のＰＣａＰＣ梁と柱との接合部のコンクリートは前記端部領域と一緒に現場打設される架構によれば、架構に関して上述の効果を得ることができる。

以下に図を用いて本発明を説明する。図３は本発明の梁の１スパンの半分の横断面図であり、スパンの中央はＣ´で示されている。図に示されているように梁２０は端部領域３２ａと中央領域３１ａで構成されている。中央領域３１ａは高強度鉄筋３１を有しており、該高強度鉄筋３１は端部領域３２ａに延長している。端部領域３２ａでは普通鉄筋３２と高強度鉄筋３１が接合手段３３、例えば機械式継ぎ手、で接続されており、現場でコンクリートを打設する。普通鉄筋３２と高強度鉄筋３１の接合は機械式継ぎ手を用いても良いが、圧接、溶接でも良い。予め工場等で製造するいわゆるＰＣａＰＣ部は中央領域３１である。また中央領域３１ａは端ｂから一定の距離ｂ´まで定着領域が形成されている。高強度鉄筋には例えばＵＳＤ６８５や異形鉄筋等が使用でき、普通鉄筋には例えばＳＤ３４５等が使用できる。本発明ではＳＤ４９０以上を高強度鉄筋とし、それ以下を普通鉄筋とする。また図では鉄筋は梁の軸方向の中心軸ｃより下方に位置しているが、全圧縮の場合は梁の中心に鉄筋が配置される。また中央領域はＰＣａＰＣ梁であり、端部領域は現場で後打ちする部分である。しかし、これに限定されるものではなく、中央領域も現場でコンクリート打設することもできる。このような応用例は当業者であれば様々な実施例を想到することができるが、これらも全て本発明の範囲に含まれる。

図に示したように梁２０の高強度鉄筋３１が設置されている領域を中央領域３１ａとし、普通鉄筋３２が設置されている領域を端部領域３２ａとする。端部領域の長さは、適宜設定することができる。また普通鉄筋３２は梁２０の外部に延長された延長部分５０を有している。図では延長部分は上方に折り曲げられている。

本発明の梁２０において、中央領域３１ａはＰＣａＰＣ梁であるので、高強度鉄筋３１に引張力（プレテンション）を加えた状態でコンクリートを打設して中央領域３１ａを形成する。その後、プレテンションを開放して鉄筋３１が収縮することにより中央領域３１ａには、中央部が上に凸になるよう上方に曲げようとする偏心モーメントＭが発生する。

図４はこの偏心モーメントＭを１／２スパンについて示したグラフである。横軸は梁２０の端部２１から中央Ｃ´方向の軸方向の距離を示しており、縦軸は偏心モーメントＭの大きさを示している。図示したように偏心モーメントＭは梁端２０端部から端部領域３２ａと中央領域３１ａの境界ｂまでは偏心モーメントＭは０である。該境界ｂからｂ´までの定着領域では偏心モーメントＭは増加し、ｂ´から中央Ｃ´までは一定値である。

図５（ａ）は本発明の梁２０がコンクリート製の柱１に接合している状態の横断面図である。（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における軸方向断面図である。本実施例では図のように鉄筋が２本設置されている。（ａ）において柱梁間の接合はコンクリート打設により接合することが好ましい。このような架構は地震時に加わる水平力によって柱梁接合部には曲げモーメントが働くため、梁の端部領域３２ａにひび割れ４０が発生する。

ひび割れ４０が発生した後の偏心モーメントＭは図４と同様になる。本発明の梁２０は端部領域３２ａの鉄筋は普通鉄筋を用いており、この部分に損傷が集中しヒンジ状に変化するためこれ以上内部、つまり中央領域３１ａ方向にひび割れは拡大しない。よって端部領域３２ａと中央領域３１ａの境界ｂを境にして、偏心モーメントＭは変化せずひび割れ４０発生前の偏心モーメントＭを保つことができる。

このように本発明の梁２０は梁の端部領域３２ａに普通鉄筋３２を用いており、この領域を地震時にヒンジを形成させることによってひび割れの拡大を抑え、梁２０の偏心モーメントＭの低下を最小限にする。よって本発明は梁２０の端部領域３２ａが中央領域３１ａより弱い強度に構成されていれば実現することができる。よって例えば中央領域の鉄筋に異形鉄筋を使用することもできる。また図５に示したように本発明の梁２０は端部領域３２ａは普通鉄筋３２を用いているため、柱１との接合は折り曲げ定着により行うことができる。よってナットやプレート等の定着具を必要としないため施工コストの低減に貢献することができる。

従来技術のプレストレス分布である。 従来技術において、ひび割れによる偏心モーメントの低下を示した図である。 本発明の梁の１スパンの半分の横断面図である。 梁の偏心モーメント力を１／２スパンについて示したグラフである。 （ａ）は本発明の梁２０がコンクリート製の柱１に剛に接合している状態の横断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における軸方向断面図である。

符号の説明

１ 柱
２０ 梁
２１ 梁端部
３０ 鉄筋
３１ 高強度鉄筋
３２ 普通鉄筋
３１ａ 中央領域
３２ａ 端部領域
４０ ひび割れ
５０ 延長部分

Claims (5)

1. 少なくとも梁の断面下端部近傍の鉄筋を緊張して所定のプレストレスを導入した、プレキャストプレストレストコンクリート梁において、該鉄筋は端部領域の降伏点が中央領域の降伏点より低く形成されているプレキャストプレストレストコンクリート梁。
2. 該鉄筋は端部領域が普通鉄筋であり、中央領域が該普通鉄筋よりも強度が高い高強度鉄筋で形成され、該普通鉄筋と該高強度鉄筋が継手で接合されている請求項１に記載のプレキャストプレストレストコンクリート梁。
3. 該鉄筋は端部領域及び中央領域共に高強度鉄筋であり、該端部領域の鉄筋断面積が該中央領域の鉄筋断面積よりも小さい請求項１に記載のプレキャストプレストレストコンクリート梁。
4. 該端部領域の鉄筋は直線部と折り曲げ部で構成され、該折り曲げ部が柱に定着されて架構を構成する請求項１または２のいずれかに記載のプレキャストプレストレストコンクリート梁。
5. 請求項１ないし５の何れかに記載のプレキャストプレストレストコンクリート梁と柱との接合部のコンクリートは該端部領域と一緒に現場打設される架構。

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