JP4321286B2

JP4321286B2 - 耐震壁の耐力計算方法、耐震壁の補強設計方法、耐震壁

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Publication number: JP4321286B2
Application number: JP2004030200A
Authority: JP
Inventors: 浩也萩尾; 耕三木村; 英雄勝俣
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2024-02-06
Also published as: JP2005220634A

Description

本発明は、耐震壁の耐力評価方法及び設計方法に係り、特に、ＦＲＰ板やＦＲＰシート等の補強材で補強されたコンクリート造耐震壁の耐力評価方法及び設計方法に関する。また、そのような設計方法で補強量が設計された鉄筋コンクリート製又は鉄骨鉄筋コンクリート製耐震壁にも関する。

従来、地震等に対する建物の耐力の増強を図るために、耐震壁を増設したり、壁板を増厚したりする補強方法が採られている。また、建物のリニューアル工事で既存の耐震壁にドア開口などの開口部を設ける場合にも、上記と同様、耐震壁の増設や壁板の増厚によって、開口部を設けることに伴う耐力低下を補っている。このように、増設し、あるいは増厚した耐震壁の耐力は、例えば、非特許文献１に開示されるような実験式に基づいて評価できるので、必要な耐力を得るための補強量を適切に設計することが可能である。

しかし、耐震壁の増設や壁板の増厚による補強方法では鉄筋工事や型枠工事、コンクリート打設工事などの各種工事が必要となるため、時間やコストが掛かる。さらに、耐震壁を増設したり壁板を厚くしたりした分だけ、室内の使用勝手が悪くなり、また、室内の有効面積が減少するという問題もある。

そこで、このような耐震壁の増設や壁板の増厚によらず、例えば、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製のシートを耐震壁に設けることにより補強する方法が提案されている（例えば、特許文献１，２を参照）。
特開平１０−２５９０４号公報特開平１１−６２２６９号公報広沢雅也著、「建築研究資料Ｎｏ．６既往の鉄筋コンクリート造耐震壁に関する実験資料とその解析」、建設省建築研究所、１９７５年３月

また、本願出願人は、特願２００３−３５５０１４において、耐震壁にＦＲＰ製のプレートを接着剤で貼り付けることにより、ＦＲＰ製のシートを用いるよりも簡単に補強を行う方法を提案している。
このようにＦＲＰ製のシートやプレートにより耐震壁を補強する方法は、耐震壁を増設したり壁板を増厚したりする補強方法よりも工事が簡単になるなどの利点はあるものの、補強後の耐力を評価する手法が確立されていない。このため、必要な耐力を確保するために安全を見て必要以上の過剰な補強を行わざるを得ない。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、ＦＲＰ製のシートや板などの補強材で補強した耐震壁の耐力をその補強量に応じて適正に評価できるようにすることを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、繊維強化樹脂製の補強材を、当該繊維強化樹脂の繊維が横方向に延びるように、鉄筋コンクリート製又は鉄骨鉄筋コンクリート製耐震壁の表面に設けることにより補強された前記耐震壁の耐力を評価する方法であって、
鉄筋コンクリート造耐震壁の耐力評価式における壁横補強筋による効果を表す項に、前記補強材による補強効果を表す項を足し込んだ形の評価式を用いて補強後の耐力を計算することを特徴とする。

また、本発明は、繊維強化樹脂製の補強材を、当該繊維強化樹脂の繊維が横方向に延びるように、鉄筋コンクリート製又は鉄骨鉄筋コンクリート製耐震壁の表面に設けることにより補強された前記耐震壁の耐力を評価する方法であって、
壁横補強筋比ｐ_ｗｈと壁横補強筋の降伏点σ_ｗｈとの積ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈをパラメータとして含む鉄筋コンクリート耐力の評価式ｆ（ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈ）において、前記積ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈに、前記補強材の補強筋比ｐ_{ｗｈ（ＣＦ）}と前記補強材の設計強度σ_{ｗｈ（ＣＦ）}との積ｐ_{ｗｈ（ＣＦ）}・σ_{ｗｈ（ＣＦ）}を加えた式ｆ（ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈ＋ｐ_{ｗｈ（ＣＦ）}・σ_{ｗｈ（ＣＦ）}）により補強後の耐力を計算することを特徴とする

この場合、前記耐震壁が開口を有する場合の前記評価式ｆ（ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈ）として、前記耐震壁が開口を有しない場合の評価式ｆ’（ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈ）と等価開口周比γとの積γ・ｆ’ （ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈ）を用いることとしてもよい。

さらに、
次式（１）又は（２）で表される前記評価式ｆ（ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈ）を用いることとしてもよい。

ただし、γ：開口による低減率（min(1-l₀/L_W, 1- (h₀ l₀/h・L_W)^0.5)であってγ≦0.4）、

また、本発明は、既設のコンクリート製耐震壁を繊維強化樹脂製の補強材により補強するための補強設計を行なう方法であって、上記何れかの方法で計算した耐力が所与の目標耐力以上となるように前記補強材による補強量を設計することを特徴とする。

本発明によれば、ＦＲＰ製のシートや板などの補強材で補強した耐震壁の耐力をその補強量に応じて適正に評価できる

図１は、本発明の耐力評価方法による評価の対象の一例である、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）材で補強された耐震壁２の一例を示す正面図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ’線で切断したときの断面図であり、図３は、耐震壁２の内部鉄筋構造を示す図である。図１に示すように、耐震壁２は、コンクリート柱部４とコンクリート梁部６とからなる架構面内に設置されている。

耐震壁２は、鉄筋コンクリート構造により構築されており、その内部には、図２及び図３に示すように、複数本の縦筋８及び横筋１０が格子状に配設されている。ここで、各横筋１０は、それぞれその端部が左右のコンクリート柱部４へとそれぞれ延出されて、コンクリート柱部４の内部に配筋された柱主筋１２の内側へと導出されて埋め込まれている。また、各縦筋８は、それぞれその端部が上下のコンクリート梁部６へとそれぞれ延出されて、コンクリート梁部６の内部に埋め込まれている。このようにして耐震壁２は、コンクリート柱部４およびコンクリート梁部６に対して一体的に構築されている。

耐震壁２の中央部には、開口部１４が設けられている。この開口部１４は、図２に示すように、耐震壁２を表裏貫通して形成されたものであり、例えば、リニューアル工事において、建物の窓部やドア設置部などとして利用すべく形成される。建設当初から開口を設ける場合には、開口補強筋を設けるなどして開口部周辺の補強を行えるのであるが、リニューアル時に開口を設ける場合には、そのような開口補強筋による補強は行えない。そこで、本実施形態では、以下に述べるように、耐震壁２の表面に補強材２０を貼り付けることにより、開口部１４が設けられた耐震壁２の補強を行っている。

すなわち、図１及び図２に示すように、耐震壁２の壁面部に補強材２０を配設する。この補強材２０は、例えば、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）により形成された板材又はシート材として構成される。この補強材２０は、耐震壁２に外部から加わった外力により応力を発生して、耐震壁２に加わる外力に対して抵抗するようになっている。

補強材２０としてＣＦＲＰ板が用いられる場合は、耐震壁２の壁面部に接着剤で貼り付けられる。また、ＣＦＲＰシートが用いられる場合は、コンクリート表面の下地処理、プライマー塗布、含浸用樹脂の塗布、炭素繊維の巻き付け、樹脂の上塗り等の工程によって耐震壁２の表面に施工される。なお、ＣＦＲＰ製シートによる補強の場合は、耐震壁２の表面だけではなく、耐震壁２及びコンクリート柱部４に跨るようにシートを施工することができる。

ＣＦＲＰは、炭素繊維を内部に備えた樹脂であり、この炭素繊維が補強材２０の長手方向に沿って延びるように埋め込まれている。この炭素繊維強化樹脂は、強度、特に引張強度が非常に高い上、非常に軽量であり、補強材の材料として優れる。なお、補強財２０としては、ＣＦＲＰに限らず、アラミド繊維やガラス繊維などといった炭素繊維以外の各種高強度繊維を備えた樹脂であっても構わない。

このように補強材２０によって補強された耐震壁２にあっては、地震等により耐震壁２に外力が加わると、その外力によって補強材２０にも応力が発生し、補強材２０が抵抗するから、耐震壁２の耐力増強を図ることができる。

本発明は、上記のようにＦＲＰ製の補強板やシート等の補強材で補強された耐震壁の耐力を評価する手法を提供するものであり、コンクリート造耐震壁の耐力を評価するための評価式を基本としている。

次式（Ａ），（Ｂ）は、夫々、コンクリート造耐震壁の耐力の評価式の例である。

式（Ａ），（Ｂ）における各パラメータの意味は次の通りである（寸法に関するパラメータについては図４を参照）。
γ：開口による低減率（min(1-l₀/L_W, 1- (h₀ l₀/h・L_W)^0.5)であってγ≦0.4）、

このうち、せん断スパン比M／(QL)は、図５に示すように、壁の全長L、高さHの耐震壁の上端部に作用したせん断力QによるモーメントM（＝Q・H）によって生ずるせん断変形に関するパラメータであり、
M/Q・L＝Q・H/Q・L＝H/L
である。

本実施形態では、ＣＦＲＰ製の補強材で補強された耐震壁の耐力を評価すべく、上記（Ａ）、（Ｂ）式において、壁横補強筋の効果を示す項である

を、

に置換した下記の式を用いて評価計算を行う。

なお、（１），（２）式において、p_wh（CF)は補強材の補強筋比であり、σ_wh(CF)は補強材の設計強度（N/mm²）である。

すなわち、本発明は、補強材であるＣＦＲＰ板又はＣＦＲＰシートがコンクリートに完全固定されているとの前提で、ＣＦＲＰ板又はＣＦＲＰシートである補強材による耐震壁の補強が、壁横筋の量を増やしたことに相当することに着目し、壁横筋による効果を表す項に、補強材による補強効果を足し込んだ形の評価式を用いた耐力評価方法を提案するものである。

なお、σ_wh(CF)の値としてＣＦＲＰシート及びＣＦＲＰ板のせん断設計用引張強度を用いる。具体的には、ＣＦＲＰシート及びＣＦＲＰ板の夫々につき、ＲＣ造の設計基準であるF=1の場合（層間部材角4/1000として設計する場合）と、ＳＲＣ造の設計基準であるF=1.27の場合（層間部材角1/150として設計する場合）について、として、例えば、以下の値を用いる。なお、ＣＦＲＰシート及びＣＦＲＰ板のせん断設計用引張強度が、請求項における「補強材の設計強度」に相当する。
F=1；ＣＦＲＰシートの場合： σ_wh(CF) =440 N/mm²
F=1；ＣＦＲＰ板の場合： σ_wh(CF) =300 N/mm²
F=1.27；ＣＦＲＰシートの場合： σ_wh(CF) =660 N/mm²
F=1.27；ＣＦＲＰ板の場合： σ_wh(CF) =450 N/mm²

また、上記式（１），（２）による耐力評価の前提として、耐震壁の開口部以外の全面に壁両面から補強を行い、また、開口位置は壁中央部にあるものとする。

以下、上記式（１）及び（２）を用いて行った補強耐力の評価計算の結果を説明する。図６は、部材角４／１０００を基準とする場合（Ｆ＝１）の耐力の計算値を、また、図７は、最大耐力の計算値を、夫々、実験値と対比して示す（計算値に対する実験値の比率を括弧内に記載している）。

なお、図６及び図７に示す評価計算では、次の３通りの補強方法を評価計算の対象としている。
ＣＦＲＰ板を壁に貼り付けた場合：図中の記号W-L
ＣＦＲＰシート<1>を壁及び柱に跨って貼り付けた場合：図中の記号CW-CF2
ＣＦＲＰシート<2>を壁及び柱に跨って貼り付けた場合：図中の記号CW-CF3
なお、ＣＦＲＰシート<1>とＣＦＲＰシート<2>は炭素繊維の密度が異なるものであり、ＣＦＲＰシート<1>の繊維密度は200g/m²、ＣＦＲＰシート<2>の繊維密度は300g/m²である。

また、図６では、無開口の耐震壁（図中の記号RC）と有開口・無補強の耐震壁（図中の記号RC-O）についても評価計算を行っている。

図６及び図７に示す結果において、実験値と、上記式（１），（２）による計算値とを比べると、実験値に対して１／１．２〜１／２程度の計算値が得られている。このように、式（１），（２）により、実験値に近似し、かつ、実験値よりも小さな値が計算されており、安全側の適切な耐力評価がなされていることが分かる。なお、式（１）による計算値と式（２）による計算値とを比べると、式（１）の方が式（２）式よりも実験値に近い計算値が得られていることが分かる。

以上説明したように、本実施形態では、ＣＦＲＰ板あるいはＣＦＲＰシートである補強材による耐震壁の補強が、壁横筋の量を増やしたことに相当することに着目し、コンクリート造耐震壁の耐力評価式（Ａ）あるいは（Ｂ）において、壁横筋の効果を表す項に、補強材による補強効果を足しこんだ式（１），（２）式を用いることにより、補強した耐震壁の耐力を適切に評価することができる。したがって、式（１）又は（２）を用いて、必要な耐力が得られるような補強量（具体的には、ＣＦＲＰ板又はＣＦＲＰシートの補強筋比ｐ_wh(CF)）を設計し、その設計に従って、上記図１〜図３に例示するように耐震壁２の表面にＣＦＲＰ板を貼り付け、あるいは、ＣＦＲＰシートを施工することで、過剰な補強がなく、かつ、必要な耐力を確保することが可能な補強を行うことができる。

また、式（１）、（２）は、等価開口周比γをパラメータの一つとして含んでいるので、開口部を有する耐震壁の補強耐力も計算できる。このため、例えば、建物のリニューアル工事の際に、既設の耐震壁に開口を設けたために補強が必要になった場合にも、その補強量を開口寸法に応じて適切に設計することができる。

なお、上記実施形態では、コンクリート造耐震壁の耐力評価式である式（Ａ）あるいは（Ｂ）に基づいて、補強後の耐震壁の耐力評価式（１）あるいは（２）を用いて耐力の評価計算を行うものとしたが、本発明はこれに限らず、適宜なコンクリート造耐震壁の耐力評価式において、壁横筋の効果を表す項に、補強材による補強効果を足し込んで得られる補強後耐力の評価式を用いることが可能である。

また、上記実施形態では、鉄筋コンクリート製耐震壁を補強する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、鉄骨鉄筋コンクリート製（ＳＲＣ）耐震壁を補強する場合にも適用が可能である。ＳＲＣの場合も、鉄骨による補強効果を鉄筋による補強効果で置き換えて式（１）又は（２）を用いることにより耐力を評価できる。

本発明の耐力評価方法による耐力評価の対象となる、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）材で補強された耐震壁の一例を示す正面図である。図１中のＡ−Ａ’線で切断したときの断面図である。耐震壁の内部鉄筋構造を示す図である。耐震壁の耐力評価式で用いられる耐震壁の寸法に関するパラメータを示す図である。せん断スパン比を説明するための図である。部材角４／１０００を基準とする場合（Ｆ＝１）の耐力の計算結果を実験値と比較して示す図である。最大耐力の計算結果を実験値と比較して示す図である。

符号の説明

２耐震壁
１４開口部
２０補強材

Claims

繊維強化樹脂製の補強材を、当該繊維強化樹脂の繊維が横方向に延びるように、鉄筋コンクリート製又は鉄骨鉄筋コンクリート製耐震壁の表面に設けることにより補強された前記耐震壁の耐力を評価する方法であって、
鉄筋コンクリート製耐震壁の耐力評価式における壁横補強筋による効果を表す項に、前記補強材による補強効果を表す項を足し込んだ形の評価式を用いて補強後の耐力を計算することを特徴とする方法。
繊維強化樹脂製の補強材を、当該繊維強化樹脂の繊維が横方向に延びるように、鉄筋コンクリート製又は鉄骨鉄筋コンクリート製耐震壁の表面に設けることにより補強された前記耐震壁の耐力を評価する方法であって、
壁横補強筋比ｐ_ｗｈと壁横補強筋の降伏点σ_ｗｈとの積ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈをパラメータとして含む鉄筋コンクリート耐力の評価式ｆ（ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈ）において、前記積ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈに、前記補強材の補強筋比ｐ_{ｗｈ（ＣＦ）}と前記補強材の設計強度σ_{ｗｈ（ＣＦ）}との積ｐ_{ｗｈ（ＣＦ）}・σ_{ｗｈ（ＣＦ）}を加えた式ｆ（ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈ＋ｐ_{ｗｈ（ＣＦ）}・σ_{ｗｈ（ＣＦ）}）により補強後の耐力を計算することを特徴とする方法。
前記耐震壁が開口を有する場合の前記評価式ｆ（ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈ）として、前記耐震壁が開口を有しない場合の評価式ｆ’（ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈ）と等価開口周比γとの積γ・ｆ’ （ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈ）を用いることを特徴とする請求項２記載の耐震壁の耐力評価方法。
次式（１）又は（２）で表される前記評価式ｆ（ｐ_ｗｈ・σ_ｗｈ）を用いることを特徴とする請求項３記載の耐震壁の耐力評価方法。

ただし、γ：開口による低減率（min(1-l₀/L_W, 1- (h₀ l₀/h・L_W)^0.5)であってγ≦0.4）、

である。
既設の鉄筋コンクリート製又は鉄骨鉄筋コンクリート製耐震壁を繊維強化樹脂製の補強材により補強するための補強設計を行なう方法であって、
請求項１〜４のうち何れか１項記載の方法で計算した耐力が所与の目標耐力以上となるように前記補強材による補強量を設計することを特徴とする方法。
請求項５項記載の方法で設計された補強量の前記補強材により補強された鉄筋コンクリート製又は鉄骨鉄筋コンクリート製耐震壁。