JP2014015789A

JP2014015789A - 補強構造

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Publication number: JP2014015789A
Application number: JP2012154791A
Authority: JP
Inventors: Hideyoshi Watanabe; 英義渡辺; Hiroyuki Narihara; 弘之成原; Shinichi Takezaki; 真一竹崎; Takeshi Ugata; 健宇賀田
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2014-01-30
Anticipated expiration: 2032-07-10
Also published as: JP6087077B2

Abstract

【課題】簡易かつ安価に構成することを可能で、かつ、貫通孔が形成されたコンクリート部材に対して、コンクリート部材と鋼板間でのせん断力の伝達能力に優れた補強構造をとした補強構造を提案する。
【解決手段】貫通孔２０が形成されたコンクリート部材の表面に配設された鋼板１１と、コンクリート部材と鋼板１１との間に充填された充填材１２とを有する補強構造であって、鋼板１１には、貫通孔２０と同等の形状の開口１０が形成されているとともに、コンクリート部材側の表面に凹凸加工が施されていて、開口１０を貫通孔２０に重ねた状態で鋼板１１が配設されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、後施工により貫通孔が形成されたコンクリート部材の補強構造に関する。

既存構造物の改修工事等において、コンクリート梁等に設備配管用の貫通孔を形成する場合がある。
梁等の構造体に貫通孔を形成すると、構造体の強度が低下してしまうため、貫通孔が形成された部分において、何らかの補強を行う必要がある。

このようなコンクリート部材の補強方法として、例えば特許文献１では、コンクリート部材の表面から隙間をあけて鋼板を取り付け、この隙間に無収縮モルタルを充填する補強方法が開示されている。

また、特許文献２には、コンクリート部材の表面を部分的に除去し、その除去部分に後施工アンカーを介して鋼板を固定した後、この鋼板を覆うようにグラウトを塗着する補強方法が開示されている。

特開２００８−３１８２１号公報特開２０１１−２１３７９号公報

特許文献１または特許文献２の補強方法により構成された補強構造では、地震時等においてコンクリート部材から鋼板へせん断力を伝達する必要がある。せん断力の伝達機構には、接着力や摩擦力のように異なる材料間の界面で直接的に作用するものと、界面と交差するように配設された鋼材等のダボ作用のような間接的なものがある。

前記従来の補強方法では、無収縮モルタルを介してコンクリート部材と鋼板との一体化を図っているものの、無収縮モルタルではせん断力を伝達するための接着力が不十分であった。一方、後施工アンカーによるせん断力の伝達を期待する場合には、後施工アンカーを多数設置する必要があり、作業に手間が掛かるとともに、施工費が嵩む。また、供用中の既存建物への採用には、騒音や振動による悪影響も懸念される。

本発明は、前記の問題点を解決するものであり、簡易かつ安価に構成することが可能で、かつ、貫通孔が形成されたコンクリート部材に対して、コンクリート部材と鋼板との間でのせん断力の伝達能力に優れた補強構造を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の補強構造は、貫通孔が形成されたコンクリート部材の表面に配設された鋼板と、前記コンクリート部材と前記鋼板との間に充填された充填材とを有するものであって、前記鋼板には、前記貫通孔と同等の形状の開口が形成されているとともに、前記コンクリート部材側の表面に凹凸加工が施されていて、前記開口を前記貫通孔に重ねた状態で前記鋼板が配設されていることを特徴としている。

かかる補強構造によれば、鋼板の表面に凹凸加工が施されているため、この凹凸により充填材と鋼板との界面における直接的なせん断力の伝達が可能となる。そのため、後施工アンカー等の固定部材の数量を削減することが可能となり、簡易かつ安価にせん断力の伝達能力に優れた補強構造を構成することができる。
なお、凹凸の高さの差は１ｍｍ以上が望ましい。

前記鋼板が配置される範囲において、前記コンクリート部材の表面が目荒らしされていれば、脆弱部の除去と粗面の形成が可能となる。こうすることで、コンクリート部材と充填材の間のせん断伝達能力が向上するため、より補強効果の高い補強構造を提供することができる。

また、コンクリート部材を貫通して配設された貫通ボルトを用いて鋼板が配置されていれば、地震時等に鋼板がずれようとした際に貫通ボルトに引張力が生じ、その反力として鋼板が充填材を押圧する力が発生するため、界面における摩擦力が向上し、よりせん断力の伝達性能が高まる。

また、前記鋼板が、前記コンクリート部材を貫通して配設された貫通ボルト又は前記コンクリート部材に設置された後施工アンカーの頭部に螺着されたナットにより締め付けられていれば、鋼板が充填材を押圧する力（圧着力）がより大きく作用し、界面における摩擦力がさらに向上するので、せん断力の伝達性能がより高まる。

また、前記ナットと前記鋼板の間に支圧板が配置されていれば、前記圧着力がさらに大きく、かつ、広範囲に作用するため、さらにせん断力の伝達性能が高まる。

本発明の補強構造によれば、貫通孔が形成されたコンクリート部材に対して、コンクリート部材と鋼板間でのせん断力の伝達能力に優れた補強構造を簡易かつ安価に構成することが可能となる。

本発明の実施形態に係る補強構造の概要を示す断面図である。第一の実施形態に係る補強構造を示す断面図である。鋼板を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。ナット締め付けによる圧着力の説明図である。第二の実施形態に係る補強構造を示す断面図である。その他の形態に係る補強構造のナットの締め付けによる圧着力の説明図である。解析モデルを示す概略図である。試験体の目荒らし状況を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態の補強構造は、図１に示すように、後施工により設備配管用の貫通孔２０が形成されたコンクリート部材（梁２１、壁２２、床スラブ２３等）を補強するものである。

第一の実施形態の補強構造１は、図２に示すように、貫通孔２０が形成された梁（コンクリート部材）２１の表面に配設された鋼板１１と、梁２１と鋼板１１との間に充填された充填材１２と、鋼板１１を配置するため、あるいはさらに圧着力を付与するための後施工アンカー１３，１３，…とを有している。

本実施形態の鋼板１１は、矩形状を呈している。鋼板１１の中央には、梁２１に形成された貫通孔２０の断面形状と同等の形状を有する開口１０が形成されていて、この開口１０の周囲には、後施工アンカー１３，１３，…を挿通するためのボルト孔（図示せず）が形成されている。

また、鋼板１１の梁２１側の表面には、凹凸加工が施されている。この凹凸加工の高さの差は１ｍｍ以上となっており、本実施形態では、鋼板１１として、図３に示す縞鋼板を使用している。鋼板１１としては、この縞鋼板のほか、通常の鋼板表面にショットブラスト処理したものや蟻足加工したものを用いることが望ましいが、形状や材料などはこれらに限定されるものではない。

本実施形態では、２枚の鋼板１１，１１により梁２１を挟んでいる。
鋼板１１は、梁２１と鋼板１１との間に充填された充填材１２と、梁２１に植設された後施工アンカー１３，１３，…により梁２１に固定されている。鋼板１１の厚さや大きさは、例えば貫通孔を設けた際に切断された鉄筋と同等以上の断面を有するように決定される。

充填材１２の材質は限定されるものではないが、本実施形態では無収縮モルタルを採用する。

後施工アンカー１３は、梁２１に植設されており、後施工アンカー１３の頭部（露出部分）には、ナット１４が螺着されている。
本実施形態では、図１に示すように、１枚の鋼板１１に対して、４本の後施工アンカー１３が配設されている。

後施工アンカー１３，１３，…は、貫通孔２０の周囲を囲うように配設されている。
なお、後施工アンカー１３の本数や配置は、鋼板１１が面外方向に座屈しないように以下の式（１）によって決定することができる。

Ｂ_１／ｔ≦６００／Ｆ^０．５・・・（１）
ここで、Ｂ_１：後施工アンカーの間隔（ｍｍ）
ｔ：鋼板の厚さ（ｍｍ）
Ｆ：鋼板の許容応力度を決定する場合の基準値（Ｎ／ｍｍ^２）

次に、第一の実施形態の補強方法について説明する。
補強方法は、鋼板設置工程と、充填工程と、圧着工程とを備えている。

鋼板設置工程は、鋼板１１を配置する工程である。
まず、貫通孔２０の周囲に、後施工アンカー１３，１３，…を設置する。

このとき、梁２１の表面に対して、ビシャンハンマーなどによる打撃や高圧水による洗浄によって脆弱部を除去（目荒らし２４）することで、予め梁２１の表面に凹凸を形成しておく。目荒らし処理で形成される凹凸（目荒らし２４）の高さの差は２ｍｍ程度で、鋼板１１が配置される範囲がもれなく全体的に処理されていることが望ましい（図８参照）。なお、梁２１の表面の凹凸は、必要に応じて形成すればよく、必ずしも形成しておく必要はない。また、梁２１の表面の凹凸の形成方法は特に限定されない。

次に、後施工アンカー１３，１３，…を利用して、鋼板１１を、梁２１の表面から隙間をあけて配置する。
このとき鋼板１１は、鋼板１１の開口１０が、梁２１の貫通孔２０と重なるように配置する。

充填工程は、鋼板１１と梁２１の表面との間に充填材１２を充填する工程である。
充填材１２の充填は、梁２１と鋼板１１との隙間の下縁、側縁および貫通孔２０（開口１０）の縁部をシールした状態で行う。充填材１２の充填時には、鋼板１１をハンマー等で叩くなどして、充填性の確認を行う。

圧着工程は、充填材１２の硬化後、後施工アンカー１３の頭部に螺着されたナット１４により、鋼板１１を締め付ける工程である。圧着工程は充填材が十分に強度発現した段階で行うことが望ましいが、目標強度の半分程度の段階で行っても効果を期待できる。
ナット１４により締め付けることで、図４に示すように、鋼板１１と充填材１２との界面に圧着力Ｐが作用する。圧着力Ｐの導入管理は、たとえばトルク管理法などで行う。

次に、第二の実施形態の補強構造２について説明する。
第二の実施形態の補強構造２は、図５に示すように、貫通孔２０が形成された壁（コンクリート部材）２２の表面に配設された鋼板１１と、壁２２と鋼板１１との間に充填された充填材１２と、鋼板１１に対して圧着力を付与する貫通ボルト１５，１５，…とを有している。

本実施形態では、２枚の鋼板１１，１１により壁２２を挟んでいる。鋼板１１は、壁２２と鋼板１１との間に充填された充填材１２と、壁２２を貫通した貫通ボルト１５，１５，…により壁２２に固定されている。

この他の鋼板１１の構成は、第一の実施形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。また、充填材１２の構成も、第一の実施形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。

貫通ボルト１５は、両端部が壁２２から突出した状態で壁２２を貫通している。貫通ボルト１５の端部（壁２２からの突出部分）には、ナット１４が螺着されている。
本実施形態では、図１に示すように、１枚の鋼板１１に対して、４本の貫通ボルト１５，１５，…が配設されている。

貫通ボルト１５，１５，…は、貫通孔２０の周囲を囲うように配設されている。
なお、貫通ボルト１５の本数や配置は、鋼板１１が面外方向に座屈しないように以下の式（２）によって決定することができる。

Ｂ_２／ｔ≦６００／Ｆ^０．５・・・（２）
ここで、Ｂ_２：貫通ボルトの間隔（ｍｍ）
ｔ：鋼板の厚さ（ｍｍ）
Ｆ：鋼板の許容応力度を決定する場合の基準値（Ｎ／ｍｍ^２）

次に、第二の実施形態の補強方法について説明する。
補強方法は、鋼板設置工程と、充填工程と、圧着工程とを備えている。

鋼板設置工程は、鋼板１１を配置する工程である。
まず、壁２２の貫通孔２０の周囲に、壁２２を貫通するボルト孔を形成し、このボルト孔に貫通ボルト１５，１５，…を挿通する。ボルト孔は小径のコア抜きやドリルによって形成することができるが、形成方法は特に限定されない。

このとき、壁２２の表面に対して、ビシャンハンマーなどによる打撃や高圧水による洗浄によって脆弱部を除去（目荒らし２４）することで、予め壁２２の表面に凹凸を形成しておく。目荒らし処理で形成される凹凸（目荒らし２４）の高さの差は２ｍｍ程度で、鋼板１１が配置される範囲がもれなく全体的に処理されていることが望ましい。なお、壁２２の表面の凹凸は、必要に応じて形成すればよく、必ずしも形成しておく必要はない。また、壁２２の表面の凹凸の形成方法は特に限定されない。

次に、貫通ボルト１５，１５，…を利用して、鋼板１１を、壁２２の表面から隙間をあけて配置する。
このとき鋼板１１は、鋼板１１の開口１０が、壁２２の貫通孔２０と重なるように配置する。

充填工程は、鋼板１１と壁２２の表面との間に充填材１２を充填する工程である。
充填材１２の充填は、壁２２と鋼板１１との隙間の下縁、側縁および貫通孔２０（開口１０）の縁部をシールした状態で行う。充填材１２の充填時には、鋼板１１をハンマー等で叩くなどして、充填性の確認を行う。

圧着工程は、充填材１２の硬化後、貫通ボルト１５の頭部に螺着されたナット１４により、鋼板１１を締め付ける工程である。圧着工程は充填材が十分に強度発現した段階で行うことが望ましいが、目標強度の半分程度の段階で行っても効果を期待できる。
ナット１４により締め付けることで、図４に示すように、鋼板１１と充填材１２との界面に圧着力Ｐが作用する。圧着力Ｐの導入管理は、たとえばトルク管理法などで行う。

以上のように構成された補強構造１，２によれば、鋼板１１の表面に凹凸が形成されているため、鋼板１１と充填材１２との界面で直接的なせん断伝達が可能となる。
そのため、鋼板１１と充填材１２との間で十分なせん断伝達能力を確保することができ、後施工アンカー１３や貫通ボルト１５の本数を少なくすることができる。

後施工アンカー１３または貫通ボルト１５の本数を削減することで、施工時の手間や材料費を削減することが可能であるとともに、施工時の騒音や振動を削減することができる。
また、後施工アンカー１３または貫通ボルト１５の本数が少なくて済むため、後施工アンカー１３または貫通ボルト１５の設置の自由度が増す。つまり、後施工アンカー１３または貫通ボルト１５の本数が多い場合は、既設の鉄筋の配置や、後施工アンカー１３同士または貫通ボルト１５同士の間隔により配置が制限され、鋼板１１が大きくなる場合がある。一方、本実施形態の補強構造１によれば、鋼板１１の面積を最小限に抑えることが可能である。

また、後施工アンカー１３または貫通ボルト１５を介して鋼板１１に圧着力Ｐを付与するため、より優れたせん断伝達能力を発現する。そのため、補強効果が高い。
後施工アンカー１３または貫通ボルト１５は、鋼板設置工程における鋼板１１の位置決めのための部材と、鋼板１１に対して圧着力Ｐを作用させるための部材とを兼用しているため、合理的な補強構造である。

また、鋼板１１が配置される範囲において、コンクリート部材（梁２１や壁２２等）の表面を目荒らしすることで、脆弱部の除去と粗面の形成を行っているため、コンクリート部材と充填材１２との界面におけるせん断伝達性に優れている。また、後施工アンカー１３または貫通ボルト１５を介して圧着力Ｐが付与されているため、コンクリート部材と充填材１２との界面における摩擦抵抗によるせん断伝達性能も向上し、より優れた補強効果を得ることができる。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

例えば、前記実施形態では、コンクリート部材（梁や壁）の両側から補強を行う場合について説明したが、片側のみから補強を行う場合に本発明の補強方法を適用してもよい（図１の補強構造３参照）。特に、補強対象が床スラブの場合における下側からの補強や、補強対象が外壁の場合における外側からの補強等のように、施工が困難な場合に片側からの補強を実施すればよい。

また、図６に示すように、鋼板１１とナット１４との間に、ナット１４より大きな面積を有した支圧板１６を配置して締め付けてもよい。こうすると、鋼板１１と充填材１２との界面に作用する圧着力Ｐがさらに大きく、かつ、広範囲に作用するため、せん断力の伝達性能がさらに高まる。

次に、本発明による補強効果を確認するためにＦＥＭ解析と実験による検討を行った結果を示す。
検討対象は図７に示す要素試験体であり、梁や壁に地震力が作用した場合の貫通孔周辺の応力状態をモデル化したものである。

試験体２５は、８００×８００×４００ｍｍのコンクリート部材であって、図７に示すように、試験体２５の上下隅角部は加力のために、２００ｍｍの部分を面取りしてある。貫通孔の大きさは２０８ｍｍ、コンクリート圧縮強度は３０Ｎ/ｍｍ^２である。

鋼板１１には、厚さが６ｍｍの縞鋼板（図３参照）を用いており、大きさは５５０ｍｍ×５５０ｍｍ、降伏点は２４５Ｎ/ｍｍ^２（ＳＳ４００）、貫通孔の大きさは２２０ｍｍである。

後施工アンカー１３には回転・打撃式の接着系アンカーを用い、埋め込み長さは軸径の７倍とした。後施工アンカー１３と貫通ボルトの軸径はＭ１６とし、図７に示す位置に１２本配置した。支圧板を配置したケースでは、大きさが８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚さが１２ｍｍ、降伏点が２４５Ｎ/ｍｍ^２（ＳＳ４００）の支圧板をすべての後施工アンカー１３の位置に均等に配した。

解析では、コンクリートを平面応力要素で、鉄筋を等価な厚さの薄い板状の要素でモデル化し、コンクリートの非線形性は、圧縮領域ではＣＥＢ−ＦＩＰモデルを、引張領域では出雲モデルで係数Ｃ＝０．８としテンションスティフニングを考慮した。

なお、「目荒らし有」の試験体２５には、鋼板１１が配置される範囲に対し、ビシャンハンマーによりコンクリートの表面に凹凸の高さの差が２ｍｍ程度で目荒らしを行った。目荒らしは、鋼板１１の設置範囲が洩れなく全体的に処理されるように行った。図８は、ビシャンハンマーによるコンクリート表面の目荒らしの状況をレーザー変位計によって測定した結果である。

解析及び実験による検討の結果をまとめたものを表１に示す。

表１に示す通り、開口あり補強なし（開口＋無補強）の最大耐力は無開口に対して０．５２倍まで低下し、従来技術による補強方法（開口＋通常鋼板＋目荒らし無）では最大耐力は０．７４倍までしか回復しないことが分かる。

これに対して本発明を適用した「開口＋凹凸鋼板＋後施工アンカー＋目荒らし有」の場合は０．９１倍、後施工アンカーを貫通ボルトに変更した場合は０．９９倍、さらに支圧板を用いた場合は１．１５倍まで最大耐力が上昇しており、本発明の効果が確認できた。

１，２補強構造
１０開口
１１鋼板
１２充填材
１３後施工アンカー
１４ナット
１５貫通ボルト
１６支圧板
２０貫通孔
２１梁（コンクリート部材）
２２壁（コンクリート部材）
２３床スラブ（コンクリート部材）
２４目荒らし

Claims

貫通孔が形成されたコンクリート部材の表面に配設された鋼板と、
前記コンクリート部材と前記鋼板との間に充填された充填材と、を有する補強構造であって、
前記鋼板には、前記貫通孔と同等の形状の開口が形成されているとともに、前記コンクリート部材側の表面に凹凸加工が施されていて、
前記開口を前記貫通孔に重ねた状態で前記鋼板が配設されていることを特徴とする、補強構造。
前記鋼板が配置される範囲において、前記コンクリート部材の表面が目荒らしされていることを特徴とする、請求項１に記載の補強構造。
前記鋼板が、前記コンクリート部材を貫通して配設された貫通ボルトを用いて配置されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の補強構造。
前記鋼板が、前記コンクリート部材を貫通して配設された貫通ボルト又は前記コンクリート部材に設置された後施工アンカーの頭部に螺着されたナットにより締め付けられていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の補強構造。
前記ナットと前記鋼板の間に支圧板が配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の補強構造。