JP4113217B2 - コンクリート部材の塑性ヒンジ領域における補強鉄筋の配筋構造 - Google Patents

Description

本発明は、靭性が大きく耐震性の良い構造物を構成するための、コンクリート部材の塑性ヒンジ領域における補強鉄筋の配筋構造に関する。

ラーメン構造などの構造物では、これに地震力などの外力が作用したとき、柱や梁などの各部材の端部の領域に大きな曲げモーメントがかかり、この領域が曲げ変形する（「塑性ヒンジ」が形成される）。例えば、ラーメン構造では、地震時に、構造物の最下層の柱脚と、各層の梁の両端部に塑性ヒンジが形成されることを想定し、この塑性ヒンジ領域の靭性が確保されるように、構造物の設計が行われている。

鉄筋コンクリート構造物においても、その柱や梁などの端部に形成される塑性ヒンジの靭性（変形能力）を確保する必要がある。通常、図５に示すように、コンクリート部材（コンクリート柱１）は、その外周面に沿って軸方向鉄筋３（主鉄筋）が並列された状態に配置され、これらの軸方向鉄筋３をその外側から取り囲むように補強鉄筋（帯鉄筋５、あばら鉄筋など）が、鉄筋コンクリート部材の長さ方向に所定間隔で配置される構造になっている。

そして、図４に示すように、補強鉄筋（帯鉄筋５）の配筋は、軸方向鉄筋３を取り囲むようにして配置し、補強鉄筋の端部５ａを鋭角フックなどの形状に加工し、そのフックを軸方向鉄筋３に引っ掛けて行われている。これは、コンクリート部材の断面の外側から内側に軸方向鉄筋３およびコンクリート２を拘束するためである。

このようなコンクリート部材の変形挙動は、変形が小さい範囲では表面にひび割れが発生する程度である。しかし、徐々にコンクリート部材の変形が大きくなると軸方向鉄筋が降伏する。軸方向鉄筋の降伏以降に、大きな変形を繰り返し受けると軸方向鉄筋が外側にはらみ出し、かぶりコンクリートを大きく剥落させる。この軸方向鉄筋のはらみ出しは、軸方向鉄筋が降伏した後に生じる塑性ひずみが残留している段階で反対側に載荷されると、少し伸びている状態から圧縮変形を受けるので軸方向鉄筋に外側への変形が生じることによる。

かぶりコンクリートの剥落は、その部材断面を減少させるとともに、軸方向鉄筋を取り囲むように配置している補強鉄筋も変形させる。この帯鉄筋の変形に伴い、軸方向鉄筋や内部コアコンクリートの拘束が低下する。このため、このような状態まで変形が進んだコンクリート部材は、耐荷性能を急激に失っていく。

上記のような変形挙動となるコンクリート部材の変形性能を向上させる方法としては、補強鉄筋（帯鉄筋、中間帯鉄筋、あばら鉄筋など）を密に配置することが行われている。補強鉄筋を密に配置することで、拘束力を高めて軸方向鉄筋のはらみ出しを小さくするためである。

また、コンクリート部材の塑性ヒンジ領域において、軸方向鉄筋の内側に補強鉄筋を配置する方法も考えられている（例えば、特許文献１、２、３参照。）。この方法によれば、かぶりコンクリートが剥落し、軸方向鉄筋が外側にはらみ出しても、軸方向の内側に配置された補強鉄筋がその内側のコンクリートを拘束するため、変形性能が向上する。さらに、軸方向鉄筋の付着破壊を生じないようにし、変形性能をさらに向上させるために、軸方向鉄筋の外側にも従来のように補強鉄筋（帯鉄筋）を配置している。
特開２０００−１７９０９０号公報 特開２００３−４１６５７号公報 特開２００３−２４７２９７号公報

しかし、補強鉄筋を密に配置する方法では、補強鉄筋の間隔（軸方向鉄筋の座屈長）が短いため、軸方向鉄筋には補強鉄筋間で局部的に大きな変形が発生する。そして、局部的に大きな変形となる軸方向鉄筋は、少数回の繰り返し載荷だけで破断するようになる。軸方向鉄筋が破断すると、コンクリート部材の耐荷性能は急激に低下する。つまり、コンクリート部材において、補強鉄筋の増加は変形性状の改善には効果があるが、大変形で数回の繰り返し載荷を受ける場合、軸方向鉄筋の破断を誘導する原因になるという問題があった。

同様に、塑性ヒンジ領域において軸方向鉄筋の内側に補強鉄筋を配置する方法でも、軸方向鉄筋の外側に従来のように補強鉄筋を配置すると、軸方向鉄筋の破断を誘導する原因となり、変形性能の向上は望めなかった。

本発明の課題は、コンクリート部材において、地震時の変形性能を向上させるとともに、大変形となる繰り返し載荷を受けても塑性ヒンジ領域における軸方向鉄筋の破断を防止することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、例えば図１に示すように、軸方向鉄筋３が並列された状態に配置されたコンクリート部材（コンクリート柱１）の塑性ヒンジ領域Ｐにおける補強鉄筋の配筋構造であって、前記塑性ヒンジ領域Ｐには、前記軸方向鉄筋３の内側において前記コンクリート部材の断面の外側から内側にコンクリート２を拘束する内側拘束補強鉄筋（スパイラル筋４）が配置され、前記軸方向鉄筋３の外側において前記軸方向鉄筋３の外側へのはらみ出しを拘束しない外側非拘束補強鉄筋（外側非拘束帯鉄筋６１）が配置されており、
前記外側非拘束補強鉄筋（外側非拘束帯鉄筋６１）は、前記軸方向鉄筋３を取り囲むように少なくとも１箇所で切り離されて配置されており、前記外側非拘束補強鉄筋の切り離されて隣り合う端部６１ａどうしが、前記軸方向鉄筋３を取り囲む包囲線上で離間していることを特徴とする。

このように、塑性ヒンジ領域Ｐにおいて、コンクリート部材の断面の外側から内側にコンクリート２を拘束する内側拘束補強鉄筋を軸方向鉄筋３の内側に配置することにより、かぶりコンクリート２が剥落し、軸方向鉄筋３が外側にはらみ出しても内側拘束補強鉄筋がその内側のコンクリート２を逃がさないように確保するため、変形性能が向上する。そして、外側非拘束補強鉄筋を軸方向鉄筋３の外側に配置していることにより、軸方向鉄筋３が外側にはらみ出さない範囲の変形では、軸方向鉄筋３の付着破壊を生じないようにし、コンクリート部材のせん断抵抗を大きくすることができる。さらに、この外側非拘束補強鉄筋は、軸方向鉄筋３が外側へはらみ出す際には、これを拘束しないため、軸方向鉄筋３の局部変形を防止して滑らかに変形させ、軸方向鉄筋３の破断を防止することができる。

また、外側非拘束補強鉄筋の切り離されて隣り合う端部６１ａどうしを、軸方向鉄筋３を取り囲む包囲線上で離間させることにより、かぶりコンクリート２が剥落した後、外側非拘束補強鉄筋が軸方向鉄筋３の外側へのはらみ出しに伴って開き、軸方向鉄筋３の局部変形の防止が可能となる。

請求項２に記載の発明は、例えば図２に示すように、軸方向鉄筋３が並列された状態に配置されたコンクリート部材（コンクリート柱１）の塑性ヒンジ領域Ｐにおける補強鉄筋の配筋構造であって、前記塑性ヒンジ領域Ｐには、前記軸方向鉄筋３の内側において前記コンクリート部材の断面の外側から内側にコンクリート２を拘束する内側拘束補強鉄筋（スパイラル筋４）が配置され、前記軸方向鉄筋３の外側において前記軸方向鉄筋３の外側へのはらみ出しを拘束しない外側非拘束補強鉄筋（外側非拘束帯鉄筋６２）が配置されており、
前記外側非拘束補強鉄筋（外側非拘束帯鉄筋６２）は、前記軸方向鉄筋３を取り囲むように少なくとも１箇所で切り離されて配置されており、前記外側非拘束補強鉄筋の切り離されて隣り合う端部６２ａどうしが、前記軸方向鉄筋３を取り囲む包囲線上で重ねられていることを特徴とする。

このように、外側非拘束補強鉄筋の切り離されて隣り合う端部６２ａどうしを、軸方向鉄筋３を取り囲む包囲線上で重ねることにより、かぶりコンクリート２が剥落した後、外側非拘束補強鉄筋が軸方向鉄筋３の外側へのはらみ出しに伴って開き、軸方向鉄筋３の局部変形の防止が可能となる。

請求項３に記載の発明は、例えば図３に示すように、軸方向鉄筋３が並列された状態に配置されたコンクリート部材（コンクリート柱１）の塑性ヒンジ領域Ｐにおける補強鉄筋の配筋構造であって、前記塑性ヒンジ領域Ｐには、前記軸方向鉄筋３の内側において前記コンクリート部材の断面の外側から内側にコンクリート２を拘束する内側拘束補強鉄筋（スパイラル筋４）が配置され、前記軸方向鉄筋３の外側において前記軸方向鉄筋３の外側へのはらみ出しを拘束しない外側非拘束補強鉄筋（外側非拘束帯鉄筋６３）が配置されており、
前記外側非拘束補強鉄筋（外側非拘束補強鉄筋６３）は、前記軸方向鉄筋３を取り囲むように少なくとも１箇所で切り離されて配置されており、前記外側非拘束補強鉄筋の切り離されて隣り合う端部６３ａどうしが、前記軸方向鉄筋３を取り囲む包囲線上で弾性継手６３ｂにより連結されていることを特徴とする。

このように、外側非拘束補強鉄筋の切り離されて隣り合う端部６３ａどうしを、軸方向鉄筋３を取り囲む包囲線上で弾性継手６３ｂにより連結することにより、かぶりコンクリート２が剥落した後、弾性継手６３ｂが軸方向鉄筋３の外側へのはらみ出しに追随して変形し、軸方向鉄筋３の局部変形の防止が可能となる。

本発明によれば、軸方向鉄筋が並列された状態に配置されたコンクリート部材の塑性ヒンジ領域において、軸方向鉄筋の内側に、コンクリート部材の断面の外側から内側にコンクリートを拘束する内側拘束補強鉄筋が配置されているので、かぶりコンクリートが剥落し、軸方向鉄筋が外側にはらみ出しても内側拘束補強鉄筋がその内側のコンクリートを逃がさないように確保するため、変形性能を向上させることができる。そして、軸方向鉄筋の外側に軸方向鉄筋の外側へのはらみ出しを拘束しない外側非拘束補強鉄筋が配置されているので、軸方向鉄筋が外側にはらみ出さない範囲の変形では、軸方向鉄筋の付着破壊を生じないようにし、コンクリート部材のせん断抵抗を大きくすることができ、軸方向鉄筋が外側にはらみ出す際には、軸方向鉄筋の局部変形を防止して滑らかに変形させ、軸方向鉄筋の破断を防止することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
図５に示すように、本発明のコンクリート部材の塑性ヒンジ領域における補強鉄筋の配筋構造を、断面形状が矩形のコンクリート柱１に適用したものである。なお、図５においては、補強鉄筋の位置を主に示しており、補強鉄筋の配筋構造の詳細は、図１から３に示している。

コンクリート柱１は、その外周面の各面から所定距離だけ内側の位置に、軸方向鉄筋３（主鉄筋）が並列された状態に配置されている。また、コンクリート柱１に外力が作用した際にこのコンクリート柱１の長さ方向の一部に形成される塑性ヒンジ領域Ｐには、軸方向鉄筋３の内側においてコンクリート柱１の断面の外側から内側にコンクリート２を拘束するスパイラル筋４（内側拘束補強鉄筋）が配置されている。

このスパイラル筋４により、地震時の大きな変形を繰り返し受けて、かぶりコンクリートが剥落して軸方向鉄筋３が外側にはらみ出しても、軸方向鉄筋３の内部コンクリートが安定して保持される。このため、地震時の交番繰り返し荷重作用下におけるかぶりコンクリートの剥落以降の変形性能を向上させることが可能である。

また、塑性ヒンジ領域以外の領域Ｅには、軸方向鉄筋３の外側においてコンクリート柱１の断面の外側から内側にコンクリート２を拘束する通常の帯鉄筋５（外側拘束補強鉄筋）が所定間隔で配置されている。この帯鉄筋５の配筋は、図４に示すように、軸方向鉄筋３を取り囲むようにして配置し、補強鉄筋の端部５ａを鋭角フックなどの形状に加工し、そのフックを軸方向鉄筋３に引っ掛けて行われている。これは、コンクリート部材１の断面の外側から内側に軸方向鉄筋３およびコンクリート２を強固に拘束するためである。

そして、塑性ヒンジ領域Ｐには、さらに軸方向鉄筋３の外側において軸方向鉄筋３の外側へのはらみ出しを拘束しない外側非拘束帯鉄筋６（外側非拘束補強鉄筋）が配置されている。この外側非拘束帯鉄筋６の配筋構造については、後述する実施例で詳細に説明する。

この外側非拘束帯鉄筋６により、軸方向鉄筋３が外側にはらみ出さない程度にコンクリート柱１が変形する際には、コンクリート柱１のせん断補強機能を発揮し、また軸方向鉄筋３の付着破壊を生じないようにすることができる。そして、軸方向鉄筋３が外側へはらみ出す際には、軸方向鉄筋３を拘束することなく、軸方向鉄筋３の局部変形を防止して滑らかに変形させ、軸方向鉄筋３の破断を防止することができる。

実施例１では、図１に示すように、外側非拘束帯鉄筋６１が、軸方向鉄筋３を取り囲むように平面形状が矩形に配置されている。そして、外側非拘束帯鉄筋６１は４箇所で切り離され、切り離されて隣り合う端部６１ａどうしが軸方向鉄筋３を取り囲む包囲線上で離間している。

外側非拘束帯鉄筋６１が切り離されて離間している位置は、矩形断面のコンクリート柱１の４箇所の隅角部である。すなわち、外側非拘束帯鉄筋６１は、コンクリート柱１の各面に沿って配置される４本の直線状の鉄筋によって構成されている。

このような補強鉄筋の配筋構造とすることにより、かぶりコンクリートが剥落した後、外側非拘束補強鉄筋が軸方向鉄筋３の外側へのはらみ出しに伴って開き、軸方向鉄筋３の局部変形の防止が可能となる。

実施例２では、図２に示すように、外側非拘束帯鉄筋６２が、軸方向鉄筋３を取り囲むように平面形状が矩形に配置されている。そして、外側非拘束帯鉄筋６２は１箇所で切り離され、切り離されて隣り合う端部６２ａどうしが軸方向鉄筋３を取り囲む包囲線上で重ねられている。

外側非拘束帯鉄筋６２が切り離されて重ねられている位置は、矩形断面のコンクリート柱１の１箇所の隅角部である。すなわち、外側非拘束帯鉄筋６２は、コンクリート柱１の外周面に沿って配置される１本の鉄筋によって構成され、隅角部の１箇所において各端部６２ａが互いに９０度の角度をもってフック状に形成されている。この９０度フックの余長は、外側非拘束帯鉄筋６２の鉄筋径の３〜６倍程度が好ましい。

このような補強鉄筋の配筋構造とすることにより、かぶりコンクリートが剥落した後、外側非拘束補強鉄筋が軸方向鉄筋３の外側へのはらみ出しに伴って開き、軸方向鉄筋３の局部変形の防止が可能となる。

実施例３では、図３に示すように、外側非拘束帯鉄筋６３が、軸方向鉄筋３を取り囲むように平面形状が矩形に配置されている。そして、外側非拘束帯鉄筋６３は、２箇所で切り離さ、切り離されて隣り合う端部６３ａどうしが軸方向鉄筋３を取り囲む包囲線上で弾性継手６３ｂにより連結されている。

外側非拘束帯鉄筋６３が切り離されて弾性継手６３ｂにより連結されている位置は、矩形断面のコンクリート柱１の２個所の隅角部付近である。すなわち、外側非拘束帯鉄筋６３は、コンクリート柱１の外周面に沿って配置される２本のほぼＬ字状の鉄筋によって構成されている。

なお、弾性継手６３ｂとしては、例えばゴムなどの樹脂製のものが考えられる。

このような補強鉄筋の配筋構造とすることにより、かぶりコンクリートが剥落した後、弾性継手６３ｂが軸方向鉄筋３の外側へのはらみ出しに追随して変形し、軸方向鉄筋３の局部変形の防止が可能となる。

以上の実施の形態によれば、塑性ヒンジ領域Ｐにおける軸方向鉄筋の外側の補強鉄筋の配筋構造を変更するのみで済むため建設コストを増加させることなく、軸方向鉄筋の破断が防止され地震時の変形性能が大幅に向上するため構造物の耐震安全性が大幅に向上する。

なお、以上の実施の形態においては、コンクリート部材を柱として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、梁などの他の塑性ヒンジを形成する部材であっても良い。また、その部材断面形状を矩形としたが、これ以外の多角形状であっても良いし、円形状などであっても良い。

また、内側拘束補強鉄筋は、スパイラル筋に限らず、帯鉄筋、あばら鉄筋であってもよい。また、外側非拘束補強鉄筋の切り離される位置、数等、その他具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

本発明を適用した実施例１の構成を示す斜視図である。 本発明を適用した実施例２の構成を示す斜視図である。 本発明を適用した実施例３の構成を示す斜視図である。 従来の補強鉄筋の配筋構造の構成を示す斜視図である。 コンクリート部材の一例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１ コンクリート柱（コンクリート部材）
２ コンクリート
３ 軸方向鉄筋
４ スパイラル筋（内側拘束補強鉄筋）
５ （通常の）帯鉄筋
６、６１、６２、６３ 外側非拘束帯鉄筋（外側非拘束補強鉄筋）
６１ａ、６２ａ、６３ａ （外側非拘束帯鉄筋の）端部
６３ｂ 弾性継手
Ｐ 塑性ヒンジ領域
Ｅ 塑性ヒンジ領域以外の領域

Claims (3)

1. 軸方向鉄筋が並列された状態に配置されたコンクリート部材の塑性ヒンジ領域における補強鉄筋の配筋構造であって、
   前記塑性ヒンジ領域には、前記軸方向鉄筋の内側において前記コンクリート部材の断面の外側から内側にコンクリートを拘束する内側拘束補強鉄筋が配置され、前記軸方向鉄筋の外側において前記軸方向鉄筋の外側へのはらみ出しを拘束しない外側非拘束補強鉄筋が配置されており、
   前記外側非拘束補強鉄筋は、前記軸方向鉄筋を取り囲むように少なくとも１箇所で切り離されて配置されており、
   前記外側非拘束補強鉄筋の切り離されて隣り合う端部どうしが、前記軸方向鉄筋を取り囲む包囲線上で離間していることを特徴とするコンクリート部材の塑性ヒンジ領域における補強鉄筋の配筋構造。
2. 軸方向鉄筋が並列された状態に配置されたコンクリート部材の塑性ヒンジ領域における補強鉄筋の配筋構造であって、
   前記塑性ヒンジ領域には、前記軸方向鉄筋の内側において前記コンクリート部材の断面の外側から内側にコンクリートを拘束する内側拘束補強鉄筋が配置され、前記軸方向鉄筋の外側において前記軸方向鉄筋の外側へのはらみ出しを拘束しない外側非拘束補強鉄筋が配置されており、
   前記外側非拘束補強鉄筋は、前記軸方向鉄筋を取り囲むように少なくとも１箇所で切り離されて配置されており、
   前記外側非拘束補強鉄筋の切り離されて隣り合う端部どうしが、前記軸方向鉄筋を取り囲む包囲線上で重ねられていることを特徴とするコンクリート部材の塑性ヒンジ領域における補強鉄筋の配筋構造。
3. 軸方向鉄筋が並列された状態に配置されたコンクリート部材の塑性ヒンジ領域における補強鉄筋の配筋構造であって、
   前記塑性ヒンジ領域には、前記軸方向鉄筋の内側において前記コンクリート部材の断面の外側から内側にコンクリートを拘束する内側拘束補強鉄筋が配置され、前記軸方向鉄筋の外側において前記軸方向鉄筋の外側へのはらみ出しを拘束しない外側非拘束補強鉄筋が配置されており、
   前記外側非拘束補強鉄筋は、前記軸方向鉄筋を取り囲むように少なくとも１箇所で切り離されて配置されており、
   前記外側非拘束補強鉄筋の切り離されて隣り合う端部どうしが、前記軸方向鉄筋を取り囲む包囲線上で弾性継手により連結されていることを特徴とするコンクリート部材の塑性ヒンジ領域における補強鉄筋の配筋構造。

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