JP3832581B2

JP3832581B2 - Ｒｃ造用ブレースレス耐震補強工法

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Publication number: JP3832581B2
Application number: JP2002339274A
Authority: JP
Inventors: 克彦今井
Original assignee: Neturen Co Ltd; Penta Ocean Construction Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd; Penta Ocean Construction Co Ltd
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: US20040250484A1; JP2004169504A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＲＣ造用ブレースレス耐震補強工法に係り、詳しくは、窓等の開口部を備えた鉄筋コンクリート造に鉄骨を取りつけて一体化し、耐震性能の劣るＲＣ建築物を強化するようにした鉄骨ラーメン外付け耐震補強工法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
耐震性能の劣るＲＣ建物を補強しようとする場合、柱サイズを大きくする方法がしばしば採用される。これは図１２の（ａ）に示す既存ＲＣ柱５０に対して、（ｂ）のように鉄筋コンクリート５１で取り巻いたり、（ｃ）のように鉄板５２を巻くという要領で行われる。しかし、これは橋脚のように全側面に対して施工できる場合に限られる。
【０００３】
他の補強法として、すじかいを使用する方法が挙げられる。この補強法は、全側面取り巻き施工不可能な柱を有した校舎や集合住宅もしくはオフィスビルなどを外壁面から補強する場合に適用することができる。すなわち、柱と柱およびその間の左右に連なる梁で構成される格子構造をブレースで強化しようとするものである。
【０００４】
しかし、既存のＲＣ造では、ＲＣ柱とＲＣ梁にブレースを直接掛け渡すことは不可能であるので、枠組構造が導入される。図１３の（ａ）はブレース５３の取りついた鉄骨枠組５４を使用する内付けタイプであり、（ｂ）は壁面外側に鉄骨枠組５５を取りつける外付けタイプである。このような鉄骨ブレース型は工期が短いことや重量増加が少ないことなどの理由で、現在では主流となっている。そのうち、既設建物の窓、腰壁、たれ壁等の撤去を伴わない外付け工法が大幅な工期短縮を実現することもあって著しく増えてきている。
【０００５】
特開平１１−１９３６３９号公報にはその種の外付け工法が開示され、施工の便の図られることが説明されている。このような補強構造においては、ブレースを配することにより鉄骨枠組の安定を得ている。すなわち、ＲＣ柱とＲＣ梁に鉄骨枠組を外側から当てがって一体化し、これにブレースを取りつけておいて、ブレースによる補強効果がＲＣ造に及ぶようにしている。
【０００６】
これによれば、居ながら施工も可能となる利点がある。また、外面が単調なことの多い古い集合住宅等では、Ｈ形鋼フレームが外壁面に現れ却ってシャープな印象を与えたり、施色により適度なアクセントを持たせることになって、デザイン改質に寄与する場合もある。さらに、外径を著しく小さくした二重管鋼管ブレース（例えば特開平１１−１９３５７０号公報を参照）を採用するなどすれば、そのスマートな外観から建物に軽快感を発現させることもできる。
【０００７】
このように鉄骨枠組にブレースを入れているのは、鉄骨がＲＣ柱等よりも柔らかいため、ブレースのない枠組ではＲＣ造の補強として効き目が極めて弱いとの認識に立っているからに外ならない。すなわち、現在の建築業界では、ＲＣ造の補強にブレースは絶対に欠かせないという思想が広く行き渡っている。
【０００８】
ところで、ブレースを使用するなら枠組を形成する鉄骨は強いものである必要がなく、従って敢えて小断面としておいても差し支えない。その一方で、組み込むべきブレースの性能を如何に上げるかということが重要となり、その点の工夫や開発に力が注がれているのが現状であると言える。
【０００９】
これから分かるように、枠組はブレースを取りつけるための足掛かり的なものであり、強いて言えばブレースを取りつけるための補助材として機能しているに過ぎない。鉄骨骨組はＲＣ骨組に比べれば柔らかいものであり、その鉄骨骨組ではＲＣ造を補強するというようなことはできず、上記したように、補強のためにブレースを介在させることは欠かせないとするのが常識となっている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１１−１９３６３９号公報（第４−５頁、図１）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ブレース構造とした場合、ブレースの応力はそれが取りつけられている鉄骨の柱や梁へと移っていくが、ブレース構造は水平剛性がラーメン型構造に比べて例えば５０ないし１００倍と極めて高い。ところで、通常、建物では床スラブが梁を拘束しているので、水平荷重を受けたＲＣ造５６の変形は、図１４の（ａ）に示すように、主としてＲＣ柱５７で起こる。
【００１２】
しかし、図１３の（ｂ）に示すように、そのＲＣ造５６に鉄骨枠組５５を取りつけた場合、鉄骨枠組の方がＲＣ造より剛性が高いため、ＲＣ造より多くの水平力を負担することになる。ちなみに、図１５から分かるように、柱・梁交差部以外の箇所、例えば鉄骨梁５８にのみに固定されたガセットプレート５９ａのところでは集中的に水平力をＲＣ梁６０に伝達することになる。この場合、鉄骨枠組５５からＲＣ梁６０への応力伝達はそのガセットプレート５９ａを基点に矢印Ｂのような分布になり、次に述べるスタッドジベル等の負担が局部的に大きくなることが分かる。
【００１３】
鉄骨枠組５５とＲＣ柱５７やＲＣ梁６０とは、その対面する接合空間にケミカルアンカーやスタッドジベルが配された後に、モルタルやコンクリートを打設して一体化が図られる。ブレース５３で補強された鉄骨枠組５５の鉄骨柱６１とＲＣ造５６のＲＣ柱５７の水平剛性差により負担する水平力の差が大きいと、接合空間を埋めるコンクリートなどに無理な力が掛かる。すなわち、ケミカルアンカー等による力のやり取りが大きくなって接合部位が損傷し、それが損壊すれば枠組による補強機能は減殺されてしまう。
【００１４】
そのブレース自体は、集合住宅の補強のために使用される場合、工業的には洗練されたように仕上げられていても、窓の直ぐ外にあれば目障りとなり開放感が阻害されることは言うまでもない。一つの建物の中でブレースが取りつかない区画の戸との間に不公平が出るのは避けられず、集合住宅の耐震補強がほとんどの場合手つかずとなっているのはこの点にもあると言われている。
【００１５】
ちなみに、ブレースを鉄骨枠組に組み込む場合、ガセットプレート５９の使用は避けられない。その際、鉄骨梁５８に対するガセットプレート５９ａの取付部近傍は、交差部のガセットプレート５９ｂより多くの鋼材を使用するなどしてより強く補強しておかなければならない。耐震補強を必要とするのは古い建物でスパンの短いものが多いために枠組は小さくなることが多い。その場合鉄骨の使用量の割りにはガセットプレートや補強プレート等の鋼材の二次的使用率が増大するという不経済な面もあることは否定できない。
【００１６】
本発明は上記した問題に鑑みなされたもので、その目的は、鉄骨枠組によって外付け補強した場合でも、ブレースの取りつけを避けて窓等の開放感を阻害しなく、建物の外観もすっきりしたものにできること、地震等によって大きな水平荷重が繰り返して作用した場合でも、既存ＲＣ造と鉄骨枠組とが一体化した状態を可及的に長く維持させ、それによって倒壊に到るまで鉄骨枠組による補強効果で水平耐力を倍加し、大地震時の早期倒壊を回避すると共に二次的な鋼材の使用を可及的に少なくし、耐震補強工事の簡便化や低廉化を促すことができるようにしたＲＣ造用ブレースレス耐震補強工法を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、窓等の開口部を備えた鉄筋コンクリート造の外面に鉄骨を取りつけて一体化し、これによって鉄筋コンクリート造を爾後的に強化する耐震補強工法に適用される。その特徴とするところは、図１を参照して、鉄骨が外壁面に位置する既存ＲＣ柱５およびその左右方向に延び鉛直荷重を支持する既存ＲＣ梁８に取りつけられるＨ形鋼フレーム３であって、それに形成された枠組にはブレースが設けられない。既存ＲＣ柱５に取りつけられるＨ形鋼柱４には、ブレース構造が持つ曲げ剛性に比べれば既存ＲＣ柱５と略同等の大きさとみなすことができる曲げ剛性を有するものが選定される。これによって、地震などにより既存ＲＣ梁８やＨ形鋼梁６から水平荷重を受けたとき既存ＲＣ柱５とＨ形鋼柱４とを同程度に変形させ、両者の接合部位９（図２を参照）で付加的に発生する応力を可及的に小さく抑えると共に、ＲＣ柱５が降伏してもその後の変形を抑制しつつ、ＲＣ柱・Ｈ形鋼柱複合体１０の擬弾性変形域をＨ形鋼柱４のそれに匹敵するまで確保し、かつ水平耐力を増大させておくようにしたことである。
【００１８】
図２の（ａ）に示すように、Ｈ形鋼柱４は、そのウエブ４ｗがＲＣ柱側へ寄せられた溶接Ｈ形材としておくことが好ましい。また、（ｂ）に示すように、ＲＣ柱５に取りつけられるＨ形鋼柱４にはそのウエブ４ｗの外面側にフープ筋２２が溶接され、主筋２３を組んでモルタルまたはコンクリート２４を打設することにより、曲げ剛性を増強しておく。
【００１９】
Ｈ形鋼柱４には低降伏点鋼が採用され、補強柱の曲げ剛性を低下させることなく降伏曲げ耐力のみを低減し、既存ＲＣ柱５の２ないし４倍程度で降伏を開始させることにより、大地震時の塑性化を促して応答応力を小さくできるように配慮しておくこともできる。
【００２０】
図９に示すように、Ｈ形鋼柱４のウエブ４ｗの外面側には、このＨ形鋼柱４が取りつけられる既存ＲＣ柱５に連なり外壁面に直交して前後方向へ延びる室内ＲＣ梁２６Ａもしくは耐震壁２６Ｂと芯合わせされる位置で、平面矢視Ｔ形をしたＴ形鋼材２５の脚２５ａの端が全階上下に連なるように接続され、建物の三次元的補強をできるようにしておく。
【００２１】
Ｔ形鋼材２５Ａは各戸のベランダ２７の幅と同じ長さの張り出し量を有したものとしておく。
【００２２】
図１１の（ｃ）に示すように、室内ＲＣ梁２６Ａもしくは既存耐震壁上のＲＣ梁には、その両側に高強度流動化コンクリート３０またはモルタルが打設され、アンボンドＰＣ鋼棒３１によりポストテンションを与えて所望する梁端曲げモーメントを確保し、結果として必要な水平耐力が得られるようにしておく。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るＲＣ造用ブレースレス耐震補強工法を、その実施の形態に基づて詳細に説明する。これは、窓等の開口部を備えた鉄筋コンクリート造の外壁面に鉄骨を取りつけて一体化し、これによってＲＣ造を爾後的に強化するようにしたものである。この工法によれば、居ながら施工が可能となることは言うまでもないが、本発明において特筆すべきは、Ｈ形鋼フレームのＨ形鋼柱にコンクリート造のＲＣ柱と略同等の大きさの曲げ剛性を有するものが選定される。
【００２４】
すなわち、０％として基準にしたＲＣ柱と同じもしくはその−７０％ないし＋２００％内の大きさの曲げ剛性を持たせ、曲げ剛性がＲＣ柱の５０ないし１００倍にも当たる極端に大きいブレース構造を採用しなくてよいようにしたことである。従って、既存ＲＣ柱に取りつけられるＨ形鋼柱には、ブレース構造が持つ曲げ剛性に比べれば既存ＲＣ柱と略同等の大きさとみなすことができる曲げ剛性を有するに過ぎない。
【００２５】
図１はＲＣ造１の中間の或る階における窓２の存在する区画の外壁面にＨ形鋼フレーム３を取りつけた状態を示す。これには、上記したごとくブレースが配されていない。そのＨ形鋼フレーム３のうち柱を形成する鉄骨４は外壁面に位置する既存ＲＣ柱５に取りつけられ、梁を形成する鉄骨６はＲＣ柱５の左右方向に延び外壁７などからの鉛直荷重を含めて支持する既存ＲＣ梁８に取りつけられているのみである。
【００２６】
このＨ形鋼柱４とＨ形鋼梁６とからなるＨ形鋼フレーム３は、ブレースを備えないからと言って、ブレースで補強されたのと同じくらいの強さを備えた剛強な鉄骨枠にしようとするものではない。既存ＲＣ柱５に取りつけられるＨ形鋼柱４は、既存ＲＣ柱と略同等の大きさの曲げ剛性を有する程度のものが選定されるという特異な配慮が払われているのであり、ＲＣ柱と同程度の変形を呈する鉄骨柱（これはブレース骨組に比べれば格段に柔らかい）でＲＣ造を補強しようとしている点に注目すべきである。
【００２７】
概要を述べれば、地震などにより既存ＲＣ梁８やＨ形鋼梁６から水平荷重を受けたとき既存ＲＣ柱５とＨ形鋼柱４とを同程度に変形させ、すなわち、既存ＲＣ柱５に生じる曲げ変形とＨ形鋼柱４に生じる曲げ変形との差を小さくして、図２の（ａ）に示す両者の接合部位９で付加的に発生する応力を可及的に小さく抑えることができるようにしている。
【００２８】
それのみならず、ＲＣ柱５が図３の（ａ）に表したδ_RCなる水平変位量で降伏してもその後の変形を抑え、Ｈ形鋼柱４の弾性水平変形δ_Hに匹敵するまでＲＣ柱・Ｈ形鋼柱複合体１０の折れ線とはなっているがほぼ直線とみなすことができる擬弾性変形域Ｓを大きく確保させている。加えて、水平耐力を後で述べるように飛躍的に増大させようにしているのである。
【００２９】
すなわち、曲げ剛性の同じＲＣ柱５と鉄骨柱４とでは、降伏曲げ応力は鉄骨の方がかなり大きいので、補強後の耐震性能を少なくとも３ないし４倍に上げることができる。通常の補強では既存ＲＣ柱の水平耐力が２倍近くにも上がれば良い方であるが、本発明においてはそれを遙かに凌ぎ、なおかつブレースを省いて開口部を従前通り確保する。Ｈ形鋼フレームは既存のコンクリートの柱と梁の各幅内に納められ、それ以外はほとんど何もないというスッキリとした纏め方ができるという実用性の極めて優れたものとなる。
【００３０】
図２の（ａ）を参照して、Ｈ形鋼フレーム３は、ケミカルアンカー１１、スタッドジベル１２、スパイラルフープ１３や高強度無収縮モルタル１４を用いてＲＣ柱５やＲＣ梁８と一体化される。ところで、通常の建物では、床スラブが梁を拘束しているので、水平荷重を受けたときの変形は、図１４の（ａ）で述べたように主として柱で起こる。
【００３１】
Ｈ形鋼梁６がＲＣ梁８と一体化され、上記したようにＨ形鋼柱４の曲げ剛性がＲＣ柱５のそれに合わされるか近づけられていれば、図１４の（ｂ）に示すように、Ｈ形鋼柱４もＲＣ柱５と同様に変形し、両者の変形量の差を極小化しておくことができる。このようになっていれば、接合部位９（図２を参照）でのケミカルアンカーやスタッドジベルを介してやり取りされる応力は最小値にとどめられる。
【００３２】
すなわち、地震などにより水平荷重を受けてもこの接合部位に付加的な応力が大きく発生することは避けられ、鉄骨フレームとＲＣ枠組との間で一方に作用する水平荷重が他方へ、またその逆へと無理なく伝達されることになる。このようなラーメン鉄骨であると、従来技術で述べたブレース構造とは違って梁全長にわたり剪断力をやりとりすることができるからで、スタッドジベル等への負荷は均されたものとなる。
【００３３】
これを図で示せば、柔らかいとされる鉄骨枠組フレーム３といえども、図１４の（ｂ）のようにＲＣ枠組１とほとんど同じ変形をする。接合構造の簡素化が可能となり、設計から施工に到る工事全般にわたっての合理化を図りやすくなる。なお、既存ＲＣ柱５に取りつけられるＨ形鋼柱４には、０％として基準にした既存ＲＣ柱５と同じもしくはその−７０％ないし２００％内の大きさ、好ましくは−６０％ないし＋１５０％の曲げ剛性を持たせておけば、上記したごとくほとんど同じ変形を与えられることが、発明者の研究において確認することができた。
【００３４】
鉄骨のように柔らかいものではコンクリート構造物を補強することがでず、従って現在ではブレースは絶対に欠かせないという考えが建設業界には浸透している。しかし、本発明は敢えてそのブレースを無くそうとするものである。ブレースは二重鋼管形などの採用によりスマートに仕上げることができるようになってきているとはいえ、目障りであることに変わりがない。そういう意味では、ブレースが無くなれば耐震補強も世に受け容れられやすくなり、手つかずな建物における耐震補強工事が促進されることになる。
【００３５】
ブレースが無くなれば、それを取りつけるためのガセットプレートは必要でない。見た目のスマートなブレースはしばしばピン結合形式を採用しているが、ピン支持構造とした場合に使用されるガセットプレートは勢い厚いものとなる。また、そのようなガセットプレートが取りつけられるＨ形鋼側のウエブには当て板形式にしろ補強が余儀なくされる。ブレースが無ければ、そのような補強材も不要となる。
【００３６】
ましてや、古い建物、特に図４の（ａ）に平面的に示した旧式の集合住宅１５などでは一般にスパンが短く、耐震用鉄骨枠組も小さいので、それを幾つも採用することになる。その耐震補強にブレース構造が適用されると、主補強材であるＨ形鋼に対して上記した補強材の使用比率が無視し得なくなるほど高くなる。
【００３７】
すなわち、至る処に二次的手だての跡が現れることになるが、ブレースレス構造であれば、そのような補強材の使用比率は極端に言って限りなく０に近づき、構造がシンプルで見栄えは向上する。場合によっては、補強を施したものであるかどうかの見極めもつかないほどに外観をまとめあげることができる。
【００３８】
本発明は、ＲＣ造・鉄骨枠組複合体の一体変形・一体挙動を実現し、接合部位に無用な力が作用しないようにしつつ、結果として既存ＲＣ柱の変形を抑制しながら弾性変形域を大きく確保する。そして、元来大きい耐力を有する鉄骨によって補強構造物の水平耐力を飛躍的に増大させる。このような鉄骨枠組にはもはやブレースを介在させておく意味がなく、この知見が得られたことによって初めてＲＣ造のブレースレス補強が達成されるのである。
【００３９】
ここで、上に述べた既存ＲＣ柱に等しい曲げ剛性を持つＨ形鋼柱の実現の裏づけならびに耐力の増強程度について、図５のモデル１６を基にしてその一計算例を示す。ＲＣ柱５の断面を６０ｃｍ×６０ｃｍとすると、その断面二次モーメントＩは、次のようになる。
【数１】
【００４０】
地震時設計では、小さなクラックの発生により、許容耐力（弾性限）時でも断面二次モーメントはＩの７０％程度を確保できることが知られている。従って、そのＩ_RCは次のようになる。
【数２】
【００４１】
これを基にＲＣ柱の降伏曲げ耐力（降伏モーメント）を求めると、以下のようになる。使用されている鉄筋は、その総断面積ａ_tが１７．０２ｃｍ²であり、許容応力度ｆ_tは２．４ｔ／ｃｍ²とする。この場合の応力中心距離ｊおよび降伏曲げ耐力_RCＭ_yは、次のようになる。
【数３】
【００４２】
次に、Ｈ形鋼柱４について求める。縦横は４０ｃｍ×４０ｃｍ、フランジ厚みｔ_f＝２．５ｃｍ、ウエブ厚みｔw ＝１．６ｃｍとすると、断面二次モーメントＩ_Sは以下のようになる。
【数４】
鋼とコンクリートのヤング係数比を１０とすると、コンクリートに等価な断面二次モーメント_eqＩ_Sは、次のようになる。
【数５】
これは、上で求めたＩ_RC＝７５６，０００ｃｍ⁴に略等しい。
【００４３】
これからＨ形鋼柱４の降伏曲げ耐力を求める。断面係数Ｚ_sおよび降伏曲げ耐力_SＭ_yさらには_SＭ_y／_RCＭ_yは、次のとおりとなる。
【数６】
従って、このＨ形鋼柱の耐力を伝えるに十分なスタッドジベルやケミカルアンカーを設置すれば、柱の水平耐力をＲＣ柱の１．０に上記の５．４を加えた６．４倍にも上げることが理論上可能となるのである。
【００４４】
鉄のヤング係数はコンクリートの約１０倍あるから、算定例から分かるようにコンクリートと同じ曲げ剛性の柱を得ることに特に問題は生じない。コンクリートとＨ形鋼とは資質が大いに異なるが、弾性範囲においての挙動は同じである。曲げ剛性を同じにするとＨ形鋼の方がＲＣよりも降伏曲げ耐力が高いから、基本的にほとんど弾性強度ということになる。
【００４５】
図３の（ａ）から分かるように、ＲＣ柱５の水平耐力を１とすれば、補強フレームのＨ形鋼柱４を普通鋼として５．６くらいになる。そこまでは少なくとも弾性である。それに対応する水平変位量δ_Hまで鉄が負担することになり、コンクリートの損傷はその範囲にとどまる。この降伏曲げ耐力が低いとコンクリートが力を分担しなければならなくなるので、変位が大きくＲＣ柱の損傷は酷くなる。本発明においては、鉄骨がコンクリートの損傷をコンクリートの降伏後も進みにくくなるように抑える。
【００４６】
逆に言うと、Ｈ形鋼は弾性挙動であるから、これにつられてコンクリートの破壊が進みにくくなるという大きなメリットが出る。従来の構造ではコンクリートも含めて損傷を受けながら地震エネルギを吸収していたが、本発明ではコンクリートの損傷が可及的に抑制され、従ってその後の補修も楽なものになる。
【００４７】
上記したように、既存ＲＣ柱に取りつけられるＨ形鋼柱の曲げ剛性は、０％として基準にした既存ＲＣ柱の−７０％ないし＋２００％（＝０．３ないし３．０倍）内の大きさとしておけばよい。とりわけ、既存ＲＣ柱の曲げ剛性よりも大きい方がよいが、鋼材消費の抑制を考慮すれば＋１５０％（＝２．５倍）でも十分である。このようにプラス側にしておけば、ＲＣ柱５の弾性限界を超えてからでも、コンクリートにひび割れの発生することを抑制できる効果が発揮される。
【００４８】
一方、マイナス側はその％の絶対値を１００に近づけると補強していないことになるので、精々−７０％に止めておく必要がある。既存ＲＣ柱の３０％程度の曲げ剛性しか有しない鉄骨による補強であっても、ＲＣ造の老朽化が軽い場合には十分なこともあるからである。いずれにしても、鉄骨の曲げ耐力はコンクリートより著しく大きいのでＲＣ柱の補強に大きく貢献する。これによって、コンクリートの損傷を軽減して荷重を基礎にまで導くことができ、建物の早期不安定化の抑止が図られる。
【００４９】
ところで、Ｈ形鋼柱４に低降伏点鋼（σ_y＝１．５ｔ／ｃｍ²）を用いれば、補強柱の曲げ剛性を低下させることなく、図３の（ｂ）のように降伏曲げ耐力のみを１／２程度に下げることができる。上記した計算例による降伏モーメントをＲＣ柱５の５．４倍から２．７倍程度に落とすことができる。
【００５０】
そうなれば、既存ＲＣ柱の２ないし４倍程度で降伏を開始させることができ、大地震時の塑性化は促され、地震に対する応答応力を小さくすることができる。すなわち、過大な力に対しては大きな塑性変形で地震エネルギを吸収し、その際に耐力を急激に低下させないようにして、一気に倒壊することを可及的に少なくしておくことができる。
【００５１】
と言うのは、Ｈ形鋼柱の降伏曲げ耐力が過度に高い場合、多くの中低層建物に適用される強度形補強では何ら問題が生じないが、高層建物を対象とした靱性形補強では問題となることが多い。後者の場合の問題をクリヤする意味で、上記したごとく降伏曲げ耐力を減らしておくことは意義のあることである。
【００５２】
図３は、ＲＣ柱と補強Ｈ形柱の曲げ剛性が同じ場合の水平方向における荷重−変位の関係を表しているが、上の説明からも分かるように、普通鋼のＨ形鋼柱４では（ａ）のごとく弾性的挙動を示す範囲が著しく大きく、大地震を受けて塑性化するまでには大きい変位を要する。
【００５３】
これに比べて、（ｂ）では既存ＲＣ柱の３倍程度で降伏し始め、大地震時には比較的早期に塑性化を促すことができる。地震に対する応答は適切に塑性化させることにより著しく小さくなることが知られており、応答応力が小さいということは建物の基礎をはじめ構造各部の設計が容易となり、経済性の高い設計を推進するうえで大きなプラス要因となる。
【００５４】
前述したように曲げ剛性を等価にすることは本発明の根幹をなすところであるが、これが接合部位の合理化をも促す。図６はＨ形鋼柱４の曲げ剛性をＲＣ柱５のそれとは極端に違えた場合の図３に相当する水平方向における荷重−変位の関係を参考までに、但し線４とＮとは軸スケールを大きく圧縮して表している。この場合、ＲＣ柱・Ｈ形鋼柱複合体は形成されず、それぞれが独立して変位・変形することを表している。従って、図３の破線に似せてＲＣ柱の荷重−変位にＨ形鋼柱の荷重−変位を被せて描いた二点鎖線Ｎのようなものは得られるはずもない。
【００５５】
ところで、本発明の思想をさらに延長して考える。図７のように、ＲＣ柱５にケミカルアンカー１１を打ち込んでおき、そのケミカルアンカーにＨ形鋼柱４を取りつける。（ａ）のごとくＲＣ柱５の出ている部分をＨ形鋼柱で覆うように、または（ｂ）のごとく表面にＨ形鋼柱４を対面させることもできる。Ｈ形鋼柱の出っ張りが最小限にくい止められ、狭い対面空間９Ａだけに高強度無収縮モルタルが充填される。
【００５６】
このようにＨ形鋼柱４をＲＣ柱５に接近させる場合、スタッドジベルは必要でない。張り出し量が僅かな補強構造でも曲げ剛性を等価にできることがあり、その場合には、ラーメン構造に多くの資材を費やすことになるが二次的な資材の消費量が著しく抑えられる。しかも、鉄骨構造がシンプルになるから工事費は半減し、極めて安価な施工を実現する。
【００５７】
ちなみに、Ｈ形鋼柱４の材軸方向の接続は、図８に示すＲＣ柱５の曲げモーメントＭ₅が０となる位置（反曲点位置）で行えばよい。すなわち、上の梁６ｕと下の梁６ｄとの中間の位置は曲げモーメントがＲＣ柱５と同じくＨ形鋼柱４にとってもＭ₄＝０となるからである。Ｈ形鋼柱４の下端部に溶接止めされた板材１７が他のＨ形鋼柱の上端部に取りつけられた板材１７と対面され、両板材が高張力ボルト１８で締結される。
【００５８】
図７に戻って、ＲＣ柱５に固定したケミカルアンカー１１にＨ形鋼柱４を固定しようとする場合、例えば（ｃ）に示すように、Ｈ形鋼柱４のウエブ４ｗに馬鹿穴１９があけられ、Ｈ形鋼柱に対するケミカルアンカーの相対的な位置ずれを吸収できる隙間１９ａを確保しておく。Ｈ形鋼柱４をＲＣ柱に対して位置決めし、ナット２０で締めつけた後に外側のワッシャ２１をウエブ４ｗに溶接してＨ形鋼柱４のずれを防ぐようにしておけばよい。
【００５９】
今まで説明した構造においては、Ｈ形鋼フレーム３が図２の（ａ）中に二点鎖線で描いたウエブ４Ｗを持つ圧延ロール成形のＨ形鋼でも、３枚の長い鋼板をＨ形に溶接した組み立て材のいずれであっても差し支えはない。しかし、後者の場合にはウエブ４ｗの位置や長さを自由に選定することができるので、圧延Ｈ形鋼の規格外品の形も容易に得ることができる。
【００６０】
そこで、Ｈ形鋼梁に大量生産される圧延Ｈ形鋼の規格品を採用するとしても、Ｈ形鋼柱には溶接Ｈ形材を使用してウエブ選定の自由度を上げれば、取りつけの対象となるＲＣ柱５と等価な曲げ剛性をもったＨ形鋼柱が得られやすくなる。図２の（ａ）に示すように、ウエブ４ｗをＲＣ柱側へ寄せれば対面空間９Ａは狭くなり、高価な高強度無収縮モルタル１４の消費量を抑えることができる。
【００６１】
ＲＣ柱５とＨ形鋼柱４との対面距離が小さくなるほど接合部位の耐力も曲げ剛性も大きく発揮され、極めて都合がよい。それだけでなく、Ｈ形鋼梁６のウエブ６ｗとの芯合わせもでき、無用な剪断力やモーメントを伴うことなく他のＨ形鋼に水平力を伝達することができる。しかし、曲げ剛性に不足の生じるおそれがあれば、図２の（ｂ）のように、ウエブ４ｗの外面側にフープ筋２２を溶接し、主筋２３を組んでモルタルまたはコンクリート２４を打設することにより、曲げ剛性を増強する余地も確保できる。
【００６２】
以上の補強は、図４の（ａ）に示すように水平力が建物のｘ方向から作用する場合が対象である。しかし、補強の対象となる古い建物では、内部がｙ方向に延びる壁で区切られ、居住空間としての広さが十分でない場合が多い。ｙ方向すなわち建物の前後方向は、室内ＲＣ梁もしくは耐震壁により水平力に対抗するように設計されている例が多いので、壁を撤去して部屋を大きくすることはできないことが多い。
【００６３】
前後方向の補強は通常耐震壁を増設したり既存の壁を増厚することによって行われるが、そうすれば部屋がますます小さくなる。そこで、本発明においては、図９のように、Ｈ形鋼柱４のウエブ４ｗの外面側に、平面矢視Ｔ形をした鋼材２５を全階上下に連なるように設ける。そのＴ形鋼材は、脚２５ａが既存ＲＣ柱５に連なり外壁面に直交した室内ＲＣ梁２６Ａもしくは耐震壁２６Ｂと芯合わせされる位置でＨ形鋼柱４に溶接される。
【００６４】
このＴ形鋼材２５が設けられると、Ｈ形鋼柱４のウエブ４ｗとＴ形鋼材２５で形成されるＨ形が前後方向（図４の（ａ）中のｙ方向）の耐震補強柱として機能するようになる。Ｈ形鋼柱４自体は左右方向（ｘ方向）の耐震補強柱として機能していること、Ｔ形鋼材２５は継ぎ足し構造となるとはいえ地上から最上階まで通されることから、結局建物のｘ，ｙ，ｚの三方向をカバーした三次元的補強が達成される。なお、Ｔ形鋼材２５は、図４の（ｂ）に示すように、建物の前面外壁のみならず後面外壁にも取りつけられる。
【００６５】
集合住宅等の各階で連続したベランダが備わっている場合には、各戸の仕切り部などにおいて、前後方向の補強をベランダの空間幅を利用して行うことができる。すなわち、図４の（ｂ）に示すように、Ｔ形鋼材２５Ａの脚２５ａをベランダ２７の幅と同じ長さにして、Ｔ形鋼材２５Ａを耐震壁等の延長線上に手摺り２７ａ（図９も参照）まで張り出させておけばよい。
【００６６】
この場合、ＲＣ柱５の外面にＨ形鋼柱４を張りつけるだけでは十分でないことが多く、室内ＲＣ梁２６Ａや耐震壁２６Ｂも補強しておくことが望ましい。図１０は、一つの階における居住空間２８に対して、前（図の左側）と後（図の右側）にＴ形鋼材２５がそれぞれ取りつけられていることを示している。このような場合に、図１１の（ｃ）に示すように、床スラブ２９を支持する室内ＲＣ梁２６Ａに対して補強が必要に応じて施される。
【００６７】
図１１の（ａ）は同図（ｃ）中のＡ−Ａ線矢視断面に相当し、（ｂ）はＢ−Ｂ線矢視断面に相当する。（ｃ）のように室内ＲＣ梁２６Ａの側面に高強度流動化コンクリート３０またはモルタルを増し打ちする。養生後にアンボンドＰＣ鋼棒３１で締め上げて室内ＲＣ梁２６Ａにポストテンションを与えれば、所望する梁端曲げモーメントが確保され、結果として必要な水平耐力も得られる。このような補強により耐震壁の一つでも除去することができれば、内部空間の拡大も可能となる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、既存ＲＣ柱に取りつけられるＨ形鋼柱として既存ＲＣ柱と略同等の大きさの曲げ剛性を有するものを選定しているので、両者を同程度に水平変形させることができる。ＲＣ柱とＨ形鋼柱との接合空間で相互の変形の違いに伴う付加的な応力の発生が可及的に抑えられ、ケミカルアンカー等を介してやり取りされる力は最小限にとどめられる。
【００６９】
これによって、既存ＲＣ造と鉄骨枠組とを一体化した状態を可及的に長く維持させ、建物倒壊に到るまで鉄骨枠組による補強作用で水平耐力を倍加しておき、大地震時の早期倒壊を回避することができる。付け加えて言うなら、Ｈ形鋼柱は弾性挙動を呈する変形範囲がＲＣ柱より大きく、このＨ形鋼が降伏するまでは既に降伏しているはずのＲＣ柱の損傷の進行も抑制される。このようにして、コンクリート側の壊れながらの地震エネルギ吸収を遅らせることができればＲＣ造の破損は少なくでき、その補修程度も軽減される。
【００７０】
ブレースの使用を回避できるので目障りなものが窓に現れることはなくなり、また既存の柱と梁の各幅内にＨ形鋼フレームを納めて建物の外観もすっきりしたものにしておくことができる。フレームの存否による不公平感は取り払われ、集合住宅やテナントビルの耐震補強工事に対する賛同が得られやすくなり、その着工を早めることができる。
【００７１】
ブレースをガセットプレートにピン接合している場合には、ガセットプレートにかなりの厚みが要求されるが、ブレースが無くなるので、そのようなガセットプレートは必要でなくなる。ガセットプレートがなければ、それを取りつけていたＨ形鋼梁のウエブの補強も不要となる。スパンの短い古い建物からは、高比率に使用されていたこの種二次的な鋼材は排除され、耐震補強の低廉化を促すことにもなる。
【００７２】
Ｈ形鋼柱のウエブをＲＣ柱側へ寄せて配置すれば、ＲＣ柱の曲げ剛性に合わせやすくなる。これによって接合空間が狭くなれば、断面がＨ形鋼柱より小さいものが選定されることの多いＨ形鋼梁のウエブとの芯合わせも容易となり、Ｈ形鋼フレームに作用する水平力の伝達のためにも優れた構造となる。
【００７３】
接合空間の対面距離が小さくなるほど接合部位での力のやり取りの距離は短くなり、接合部位の構造材に過分な力が作用しにくくなる。力の負担が減れば接合用のアンカー等二次的な資材の使用量も節減できる。また極めて高価な高強度無収縮モルタルの打設量も大幅に抑えられ、この部分での構造の簡素化、投入資材の節減といった工事遂行上欠かせない合理化やコストダンが図られる。
【００７４】
Ｈ形鋼柱のウエブ外面側にフープ筋を溶接し、主筋を組んでモルタルまたはコンクリートを打設すれば、ウエブをＲＣ柱側へ寄せたことによって曲げ剛性が不足気味になる場合でも、それを補ってＲＣ柱に合わせることができる。
【００７５】
Ｈ形鋼柱に低降伏点鋼を採用すれば、Ｈ形鋼柱の曲げ剛性を低下させることなく降伏曲げ耐力のみを低減し、既存ＲＣ柱の例えば２ないし４倍程度で降伏を開始させることができる。その結果、大地震時の塑性化を促して応答応力を小さくすることができる。
【００７６】
Ｈ形鋼柱のウエブの外面側中央にＴ形鋼材の脚端を溶接し、これを全階上下に連なるように設ければ、前後方向に対しての耐震補強、ならびに上下方向の補強もなされ、外壁面に沿った水平方向の補強とあいまってｘ，ｙ，ｚ三軸方向に対する補強が一挙に達成される。
【００７７】
Ｔ形鋼材の脚長を集合住宅等の階ごとに連続するベランダ等の張り出し量に合わせておけば、ベランダの空間を利用して建物前後方向により一層強力な耐震補強を施すことができる。
【００７８】
耐震壁に連なる既存ＲＣ梁の両側に高強度流動化コンクリートまたはモルタルを打設し、アンボンドＰＣ鋼棒によりポストテンションを与えれば、所望する梁端曲げモーメントを確保することができ、建物の前後方向における水平耐力を倍加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＲＣ造用ブレースレス耐震補強工法を適用したＨ形鋼フレームによる鉄骨枠組を建物の外壁に適用した施工完成図。
【図２】Ｈ形鋼フレームの取付構造を示し、（ａ）は溶接Ｈ形鋼を鉄骨柱とした断面図、（ｂ）はその鉄骨柱の曲げ剛性を増強した場合の断面図。
【図３】柱の水平変形を水平荷重に対して表したもので、（ａ）はＨ形鋼柱として普通鋼を使用した場合の荷重−変位図、（ｂ）はＨ形鋼柱に低降伏点鋼を使用した場合の荷重−変位図。
【図４】耐震壁で仕切られた幾つもの部屋を備える既存集合住宅の平面矢視であって、（ａ）は、左右方向の水平荷重に対処させたＲＣ造用ブレースレス耐震補強構造例、（ｂ）はＴ形鋼材を用いて前後方向の水平荷重にも対処したＲＣ造用ブレースレス耐震補強構造例。
【図５】ＲＣ造用ブレースレス耐震補強構造による強度計算モデル。
【図６】既存ＲＣ柱に曲げ剛性の異なるＨ形鋼柱を取りつけた場合の水平方向の荷重−変位図。
【図７】Ｈ形鋼柱と既存ＲＣ柱とを接近させた場合の一体化構造で、（ａ）はＨ形鋼柱をＲＣ柱に被せた場合の構造図、（ｂ）はＨ形鋼柱をＲＣ柱に対面させただけの場合の構造図、（ｃ）はケミカルアンカーに対するＨ形鋼柱の固定要領図。
【図８】反曲点にＨ形鋼柱の接続部分を配置することの説明図。
【図９】Ｔ形鋼材をＨ形鋼柱のウエブ外面側に設けた取付構造断面図。
【図１０】Ｔ形鋼材を取りつけた場合の居住空間を取り囲む耐震壁補強構造図。
【図１１】（ａ）は室内ＲＣ梁における端部構造詳細であって（ｃ）中のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｂ）は（ｃ）中のＢ−Ｂ線矢視断面図、（ｃ）は床スラブを支持している室内ＲＣ梁の断面図。
【図１２】柱の補強形態を表し、（ａ）はＲＣ柱の断面図、（ｂ）はＲＣ柱の周囲を鉄筋コンクリートで補強した断面図、（ｃ）は鉄板巻き構造とした断面図。
【図１３】（ａ）は鉄骨枠組を内付けした場合の取付図、（ｂ）は外付けした場合の取付図。
【図１４】既存ＲＣ造とそれに取りつけられた鉄骨枠組の水平荷重による変形を示し、（ａ）はＲＣ造におけるＲＣ柱とＲＣ梁の挙動説明図、（ｂ）は既存ＲＣ柱と鉄骨柱とが同じように変形した場合の挙動説明図。
【図１５】ＲＣ造にブレース付き鉄骨枠組を外付けしたときの応力伝達を表した挙動図。
【符号の説明】
１…ＲＣ造（ＲＣ枠組）、２…窓、３…Ｈ形鋼フレーム（鉄骨枠組フレーム）、４…柱を形成する鉄骨（Ｈ形鋼柱）、４Ｗ，４ｗ…ウエブ、５…既存ＲＣ柱、６…梁を形成する鉄骨（Ｈ形鋼梁）、７…外壁、８…既存ＲＣ梁、９…接合部位、１０…ＲＣ柱・Ｈ形鋼柱複合体、２２…フープ筋、２３…主筋、２４…コンクリート、２５，２５Ａ…Ｔ形鋼材、２５ａ…脚、２６Ａ…室内ＲＣ梁、２６Ｂ…耐震壁、２７…ベランダ、３０…高強度流動化コンクリート、３１…アンボンドＰＣ鋼棒。

Claims

窓等の開口部を備えた鉄筋コンクリート造の外面に鉄骨を取りつけて一体化し、これによってＲＣ造を爾後的に強化する耐震補強工法において、
前記鉄骨は外壁面に位置する既存ＲＣ柱およびその左右方向に延び鉛直荷重を支持する既存ＲＣ梁に取りつけられるＨ形鋼フレームであって、それに形成された枠組にはブレースが設けられず、
既存ＲＣ柱に取りつけられるＨ形鋼柱には、既存ＲＣ柱と略同等の大きさの曲げ剛性を有するものが選定され、
地震などにより既存ＲＣ梁やＨ形鋼梁から水平荷重を受けたとき既存ＲＣ柱とＨ形鋼柱とを同程度に変形させ、両者の接合部位で付加的に発生する応力を可及的に小さく抑えると共に、ＲＣ柱が降伏してもその後の変形を抑制しつつ、ＲＣ柱・Ｈ形鋼柱複合体の擬弾性変形域をＨ形鋼柱のそれに匹敵するまで確保し、かつその水平耐力を増大させておくことを特徴とするＲＣ造用ブレースレス耐震補強工法。
前記Ｈ形鋼柱は、そのウエブがＲＣ柱側へ寄せられた溶接Ｈ形材であることを特徴とする請求項１に記載されたＲＣ造用ブレースレス耐震補強工法。
前記ＲＣ柱に取りつけられるＨ形鋼柱にはそのウエブの外面側にフープ筋が溶接され、主筋を組んでモルタルまたはコンクリートを打設することにより、曲げ剛性を増強しておくことを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたＲＣ造用ブレースレス耐震補強工法。
前記Ｈ形鋼柱には低降伏点鋼が採用され、補強柱の曲げ剛性を低下させることなく降伏曲げ耐力のみを低減し、既存ＲＣ柱の２ないし４倍程度で降伏を開始させることにより大地震時の塑性化を促して応答応力を小さくできるようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載されたＲＣ造用ブレースレス耐震補強工法。
前記Ｈ形鋼柱のウエブの外面側には、このＨ形鋼柱が取りつけられる既存ＲＣ柱に連なり外壁面に直交して前後方向へ延びる室内ＲＣ梁もしくは耐震壁と芯合わせされる位置で、平面矢視Ｔ形をしたＴ形鋼材の脚端が全階上下に連なるように接続され、建物の三次元的補強をできるようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載されたＲＣ造用ブレースレス耐震補強工法。
前記Ｔ形鋼材は各戸のベランダ等の幅と同じ長さの張り出し量を有していることを特徴とする請求項５に記載されたＲＣ造用ブレースレス耐震補強工法。
前記室内ＲＣ梁もしくは既存耐震壁上のＲＣ梁には、その両側に高強度流動化コンクリートまたはモルタルが打設され、アンボンドＰＣ鋼棒によりポストテンションを与えて所望する梁端曲げモーメントを確保し、結果として必要な水平耐力が得られるようにしたことを特徴とする請求項６に記載されたＲＣ造用ブレースレス耐震補強工法。