JP4867445B2 - 鉄筋コンクリート部材のせん断補強構造及びせん断補強方法 - Google Patents

Description

本発明は、せん断荷重の作用する鉄筋コンクリート部材のせん断補強構造及び方法に関する。

せん断荷重の作用する鉄筋コンクリート部材がせん断破壊を生じないように、予め、コンクリート部材内にせん断補強筋を設置する方法により鉄筋コンクリート部材のせん断耐力を向上する方法が広く用いられている。このような方法によりせん断補強を確実に行うためには、せん断補強筋と鉄筋コンクリート部材を構成するコンクリート部材との間で応力の伝達が確実に行われるようにし、せん断補強筋は確実にコンクリート部材内に定着されたせん断補強構造が必要である。このようなせん断補強構造としては、せん断補強筋の両端をフック状に曲げ加工し、このフック状に加工した部分が主鉄筋に係止されるようにせん断補強筋を配置した構造が広く用いられている。

しかしながら、このようにせん断補強筋を両端にフック状に曲げると、主筋の間に挿入して所定の位置に配筋するのが困難になる。また、せん断補強筋の径が大きくなると、異形鉄筋の両端をフック状に曲げ加工するためには非常に労力が必要となる。そこで、図５及び図６に示すような、両端に円盤状に加工した定着材３１を備えるせん断補強筋３２を配置したせん断補強構造３０が用いられることがある。かかる構成によれば、せん断補強筋３２の両端に設けられた定着材３１が定着強度を向上し、コンクリート部材１２のせん断強度を向上することができる。

また、これと同様の工法として、特許文献１には、せん断補強筋の両端に円筒体の定着材を備えたせん断補強部材を鉄筋コンクリート部材内に設置する方法が開示されている。
特開２００５―１０５８０８号公報

しかしながら、これら定着材を有するせん断補強構造は、繰り返し曲げ荷重やせん断荷重を受けると、定着材付近で支圧面のコンクリート部材が塑性変形（粉体化）しつつ、せん断補強筋に対してθ＝２０°程度の方向に滑り破壊が生じて、定着材の支圧定着効果が無くなることがある。

また、せん断荷重等により鉄筋コンクリート部材に斜めひび割れが生じると、せん断補強筋のひずみ量は定着材間の長さに対応して長くなる。かかる場合によれば、斜めひび割れの幅が拡くなって、斜めひび割れを制御することができなくなる。

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、確実に補強部材の支圧定着力を確保することで、せん断耐力を向上させることが可能な鉄筋コンクリート部材のせん断補強構造及びせん断補強方法を提供することである。

前記目的を達成するため、本発明の鉄筋コンクリート部材のせん断補強構造は、直線状の棒状の補強材と、該補強材の外周に取り付けられた少なくとも３以上の支圧機構であってそのうちの２つは前記補強材の両端部に取り付けられた支圧機構とから構成されるせん断補強部材を前記鉄筋コンクリート部材内に備え、
前記３以上の支圧機構のうち、両端に位置する２つの支圧機構をそれぞれ前記鉄筋コンクリート部材の主鉄筋と接するように設けたことを特徴とする（第１の発明）。

本発明による鉄筋コンクリート部材の補強構造によれば、支圧機構を３以上設けることにより、隣接する支圧機構同士の間隔が従来よりも狭くなるために、斜めひび割れが発生しても補強材のひずみ量が小さくなる。また、ひずみ量が小さいと、斜めひび割れの幅も狭くなり、斜めひび割れ面同士の噛み合わせによる滑り抵抗を期待することが可能となる。

また、本発明による鉄筋コンクリート部材の補強構造によれば、支圧機構を３以上設けることにより、支圧機構で区切られた区間を複数設けることができる。かかる構造によれば、せん断荷重等により、ある支圧機構近傍で滑り破壊が生じて、この支圧機構でのくさび効果が得られなくなっても、他の支圧機構でくさび効果を保持することができるために、補強部材を確実に鉄筋コンクリート部材内に支圧定着することが可能となる。

さらに、本発明による鉄筋コンクリート部材の補強構造によれば、支圧機構で区切られた複数の区間でくさび効果を得ることができるために、各支圧機構を小さくすることが可能となる。

第２の発明は、第１の発明において、前記支圧機構は円盤形状を有し、前記補強材の外周面に、外方に延出するように取り付けられることを特徴とする。
本発明による鉄筋コンクリート部材の補強構造によれば、補強材の外周面に、外方に延出するように取り付けられるために、鉄筋コンクリート部材にせん断荷重等が作用すると支圧機構間でくさび効果を得ることが可能となる。

第３の発明は、第１の発明において、前記補強材は、鉄筋等の鋼材又はＦＲＰ等の強化プラスチックからなることを特徴とする。
本発明による鉄筋コンクリート部材の補強構造によれば、鋼材又は強化プラスチックからなる補強材を用いることにより、鉄筋コンクリート部材に作用する引張り荷重に対向することが可能となる。

第４の発明は、第１又は２の発明において、前記支圧機構は、鋼材又はＦＲＰ等の強化プラスチックからなることを特徴とする。
本発明による鉄筋コンクリート部材の補強構造によれば、鋼材又は強化プラスチックからなる支圧機構を用いることにより、鉄筋コンクリート部材に作用する引張り荷重に対向することが可能となる。

第５の発明の鉄筋コンクリート部材は、第１〜４のいずれかの発明のせん断補強構造を備えることを特徴とする。

第６の発明の鉄筋コンクリート部材のせん断補強方法は、直線状の棒状の補強材と、該補強材の外周に取り付けられた少なくとも３以上の支圧機構であってそのうちの２つは前記補強材の両端部に取り付けられた支圧機構とから構成されるせん断補強部材を前記鉄筋コンクリート部材内に埋設し、前記３以上の支圧機構のうち、両端に位置する２つの支圧機構をそれぞれ前記鉄筋コンクリート部材の主鉄筋と接するように設けたことを特徴とする。

本発明によれば、補強部材の支圧箇所が増し、せん断荷重により生じる斜めひび割れの幅が狭くなって、この斜めひび割れ面同士の噛み合わせ効果を有効的に利用するために、鉄筋コンクリート部材のせん断耐力が向上する。

以下、本発明のせん断補強構造の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態においては、新設時の鉄筋コンクリート部材への適用例について説明するが、本発明は新設時への適用に限定されるものではなく、既設の鉄筋コンクリート部材にも適用できることはいうまでもない。

図１、図２は、本実施形態のせん断補強構造２０の設けられた鉄筋コンクリート部材１０を示し、それぞれ部材軸方向の横断面図、縦断面図である。図１及び図２に示すように、鉄筋コンクリート部材１０は、コンクリート部材１２と、主鉄筋１１と、主鉄筋１１に直交するように設けられた配力筋１３とを備える。ここで、図１及び図２に示すように、鉄筋コンクリート部材１０には、せん断荷重Ｐと、その反力Ｐ´が作用しているものとする。後述するようにこのせん断荷重Ｐ及びその反力Ｐ´により、図１に一点鎖線で示すような斜めひび割れ面（せん断荷重による斜めひび割れが生じやすい面）が発生する。

本実施形態のせん断補強構造２０は、上記の斜めひび割れ面と交差するようにコンクリート部材１２内に埋設された補強部材２２を備える。
補強部材２２は、棒状の補強材２３と、この補強材２３の外周に取り付けられた４つの支圧機構２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄとから構成され、軸方向がせん断力の作用方向と略平行に配置される。

補強材２３は、鋼材からなる補強筋により構成される。
支圧機構２４は、鋼材からなる円盤形状の定着板から構成され、補強材２３の外周面に、外方に延出するように取り付けられる。定着板２４は、補強材２３の両端及び中央部の２箇所の合計４箇所に堅固に取り付けられている。

なお、本実施形態においては、支圧機構２４を円盤形状の定着板から構成されているとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、定着板の形状を正方形としてもよく、また、補強材２３としてねじ鉄筋を用いる場合においては、支圧機構２４としてナットを使用してもよい。

なお、本実施形態においては、補強材２３に支圧機構２４を４つ取り付ける方法について説明したが、支圧機構２４は４つに限定されるものではなく、補強材２３の長さ等の現場条件に応じて適宜増減するが、少なくとも３つ以上の支圧機構２４を取り付ける。

また、本実施形態においては、補強材２３及び支圧機構２４の材質は、鋼材を用いているが、これに限定されるものではなく、ＦＲＰ等の強化プラスチックを用いてもよい。

このようなせん断補強構造２０は、例えば、主鉄筋１１や配力筋１３を配筋する際に、予め補強部材２２を主鉄筋１１に結束線などを用いて拘束するなどの方法により配置しておき、コンクリートを打設することにより構築することができる。

また、このような本実施形態のせん断補強構造２０によるせん断補強の対象となる鉄筋コンクリート部材１０としては、例えば、面外せん断力の作用する鉄筋コンクリート構造物の柱や梁などが挙げられ、これ以外にもせん断力の作用する鉄筋コンクリート部材であれば本実施形態のせん断補強構造を適用することができる。

以下、一例として鉄筋コンクリート部材１０の単純梁に、梁の中心に関して対称な任意の２箇所にせん断荷重が作用する場合（作用点と支点間のコンクリート部材１２には、一定のせん断力が生じる）を想定して、せん断補強構造２０により鉄筋コンクリート部材１０のせん断耐力が向上する原理を説明する。なお、以下の説明において、鉄筋コンクリート部材１０に作用する荷重は、鉄筋コンクリート部材１０の中央面に対して対称であるため、鉄筋コンクリート部材１０の片側半分の解析モデルについて考える。

図３は、せん断荷重が作用している状態の鉄筋コンクリート部材１０における応力伝達を示す図である。図３に示すように、鉄筋コンクリート部材１０は、対称性を考慮すると、作用荷重Ｐ１と、その反作用による支点反力Ｐ２（＝Ｐ１）とにより釣合い状態となる。

釣合い状態にあるコンクリート部材１２には、荷重Ｐ１の作用する点と支点反力の作用する点Ｐ２とを結ぶ方向に作用する圧縮応力を伝達する応力伝達機構が形成される。また、上記の応力伝達機構には、モールの応力円の理論により圧縮応力の作用する方向と略垂直に引張応力が作用しており、鉄筋コンクリート部材１０に作用するせん断荷重が大きくなると、それにともなってこの引張応力も大きくなる。引張応力が過大になり、この引張応力にコンクリート部材１２が耐えられなくなると、応力伝達機構に沿ってコンクリート部材１２に斜めひび割れが生じ、せん断破壊を起こしてしまう。すなわち、斜めひび割れ面は、荷重の作用する点と、支点反力の作用する点とを結ぶ方向に発生する。

図４は、定着板２４の定着部におけるくさび効果を示す図である。

鉄筋コンクリート部材１０は、繰り返し曲げ荷重やせん断荷重が作用すると、定着板２４付近で支圧面のコンクリート部材１２が塑性変形（粉体化）しつつ補強筋２３に対してθ＝２０°程度の方向に滑り破壊が生じ、補強部材２２の支圧定着効果が無くなる。

そこで、本発明のせん断補強構造２０は、図１に示すように、補強筋２３に４枚の定着板２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを取り付け、従来のせん断補強構造のようにコンクリート部材１２に作用する引張応力を斜めひび割れ面（図１における一点鎖線）と交差するように設けた補強部材２２に負担させつつ、例えば、一端の定着板２４ａとこれに隣接する定着板２４ｂとの間の区間で滑り破壊が生じた場合でも、補強部材２２は、他方の定着板２４ｄとこれに隣接する定着板２４ｃとの間、及び補強筋２３の中央部分の２つの定着板２４ｂ、２４ｃ間で生じるくさび効果により、補強部材２２をコンクリート部材１２に定着させるものである。つまり、隣接する定着板間（２４ａ、２４ｂ）、（２４ｂ、２４ｃ）、（２４ｃ、２４ｄ）同士の３つの区間でくさび効果を発生させて、補強部材２２をコンクリート部材１２に強固に支圧定着させるものである。

また、図１に示すように、本実施形態のせん断補強構造２０は、鉄筋コンクリート部材１０軸に対して直交方向に補強部材２２を配置している、通常、斜めひび割れは、応力伝達機構に沿って、すなわち、鉄筋コンクリート部材１０軸に対して斜め方向に発生するため、補強部材２２は斜めひび割れと交差する。

この斜めひび割れが、例えば、補強部材２２の中央部分の２つの定着板２４ｂ、２４ｃ間に生じた場合の補強筋２３のひずみ量は、補強部材２３の両端にのみ定着板２４ａ、２４ｄを設けた場合よりも、定着板２４間の距離が短いために、補強筋２３のひずみ量が小さくなる。これにより、コンクリート部材１２の拘束圧が大きくなることで斜めひび割れの幅が狭くなり、せん断荷重が作用しても斜めひび割れ面同士での噛み合わせによる滑り抵抗により、せん断補強効果が得られる。つまり、コンクリート部材１２のせん断方向に斜めひび割れが発生しても、斜めひび割れ面同士での噛み合わせによる滑り抵抗により、急激なせん断破壊を防止するものである。

以上説明したように、本実施形態のせん断補強構造によれば、補強筋２３に定着板２４を４つ取り付けるために、隣接する定着板２４同士の間隔が従来よりも狭くなり、斜めひび割れが発生しても補強筋２３のひずみ量が小さくなる。また、ひずみ量が小さいと、斜めひび割れの幅も狭くなり、斜めひび割れ面同士の噛み合わせによる滑り抵抗を期待することが可能となる。

また、定着板２４を４つ設けることにより、定着板２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄで区切られた区間を複数設けることができる。かかる構造によれば、せん断荷重等により、ある定着板２４近傍で滑り破壊が生じて、この定着板２４でのくさび効果が得られなくなっても、他の定着板２４でくさび効果を保持することができるために、補強部材２２を確実に鉄筋コンクリート部材１０内に支圧定着することが可能となる。

なお、定着板２４で区切られた複数の区間でくさび効果を得ることができるために、従来の補強部材の両端にのみ定着板を設ける場合よりも各定着板２４を小さくすることが可能となるので、特に、既設の鉄筋コンクリート部材１０を補強する場合においては、補強部材２２を挿入するための挿入孔等の削孔作業が困難にならず、施工が容易になる。

なお、本実施形態において、補強材２３は棒状の補強筋を用いる方法について説明したが、棒状に限定されるものではなく、ワイヤー状の屈曲可能な補強材を用いてもよい。

本実施形態のせん断補強構造の設けられた鉄筋コンクリート部材の部材軸方向の横断面図である。 本実施形態のせん断補強構造の設けられた鉄筋コンクリート部材の部材軸方向の縦断面図である。 せん断力が作用している状態の鉄筋コンクリート部材における応力伝達を示す図である。 定着板の定着部におけるくさび効果を示す図である。 せん断補強筋の両端に定着材を設けた従来のせん断補強構造の横断面図である。 せん断補強筋の両端に定着材を設けた従来のせん断補強構造の縦断面図である。

符号の説明

１０ 鉄筋コンクリート部材
１１ 主鉄筋
１２ コンクリート部材
１３ 配力筋
２０ せん断補強構造
２２ 補強部材
２３ 補強材（＝補強筋）
２４ 支圧機構（＝定着板）
３０ 従来のせん断補強構造
３１ 定着材
３２ せん断補強筋

Claims (6)

1. せん断荷重の作用する鉄筋コンクリート部材のせん断補強構造であって、
   直線状の棒状の補強材と、該補強材の外周に取り付けられた少なくとも３以上の支圧機構であってそのうちの２つは前記補強材の両端部に取り付けられた支圧機構とから構成されるせん断補強部材を前記鉄筋コンクリート部材内に備え、
   前記３以上の支圧機構のうち、両端に位置する２つの支圧機構をそれぞれ前記鉄筋コンクリート部材の主鉄筋と接するように設けたことを特徴とする鉄筋コンクリート部材のせん断補強構造。
2. 前記支圧機構は円盤形状を有し、前記補強材の外周面に、外方に延出するように取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の鉄筋コンクリート部材のせん断補強構造。
3. 前記補強材は、鉄筋等の鋼材又はＦＲＰ等の強化プラスチックからなることを特徴とする請求項１に記載の鉄筋コンクリート部材のせん断補強構造。
4. 前記支圧機構は、鋼材又はＦＲＰ等の強化プラスチックからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄筋コンクリート部材のせん断補強構造。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のせん断補強構造を備えることを特徴とする鉄筋コンクリート部材。
6. せん断荷重の作用する鉄筋コンクリート部材のせん断補強方法において、
   直線状の棒状の補強材と、該補強材の外周に取り付けられた少なくとも３以上の支圧機構であってそのうちの２つは前記補強材の両端部に取り付けられた支圧機構とから構成されるせん断補強部材を前記鉄筋コンクリート部材内に埋設し、
   前記３以上の支圧機構のうち、両端に位置する２つの支圧機構をそれぞれ前記鉄筋コンクリート部材の主鉄筋と接するように設けたことを特徴とする鉄筋コンクリート部材のせん断補強方法。

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