JP5154338B2 - プレストレスト鉄筋コンクリート杭 - Google Patents

Description

本発明は、ＰＣ鋼材と軸方向鉄筋を有するプレストレスト鉄筋コンクリート杭に関するものである。

既成コンクリート杭においては、杭の曲げ性能を向上させたものとして、鋼管内に遠心成形でコンクリートを打設した鋼管コンクリート杭、あるいはＰＣ鋼材(鋼棒)を配置し、その間にＤ２９以下の軸方向鉄筋(異形棒鋼)をコンクリート断面積の５．５％以下で配置したプレストレスト鉄筋コンクリート杭(図１参照)がある。

また、鋼管を使用しないで曲げ性能の高い既成コンクリート杭を製造する技術としては、大径の軸方向鉄筋を使用して鉄筋量をコンクリート断面積の６％以上にして曲げ性能を向上させる技術(特許文献１参照)や、プレストレスの代わりにひび割れ防止や曲げ性能を向上させるため膨張材を混入させる技術(特許文献２参照)が提案されている。

特許第３０４８３４３号公報 特許第３１５０９２７号公報

鋼管コンクリート杭に用いる鋼管は鋼材不足による納入期間の長期化や鋼材コスト高などの問題がある。

プレストレスト鉄筋コンクリート杭は、１０５N/mm^２までのコンクリートを使用しているが、コンクリート断面積の５．５％以下の鉄筋量であるため、図２に示すように、鋼材量が少ないことから鋼管コンクリート杭との曲げ性能の差は大きい。

鋼管を使用しないで大径鉄筋を使用することは曲げ性能向上に有効であるが、鋼材量の増加によるコスト増だけでなく、一本当りの鉄筋重量の増加により製造時の作業が困難となることや遠心成形時の鉄筋の固定方法が難しい。

また、ひび割れ防止としてＰＣ鋼材によるプレストレスの代わりにケミカルプレストレスとして膨張材を混入することは一般的に強度低下を発生する。そのため、１２０N/mm^２以上の超高強度コンクリートを得ることが難しくなり、将来的に未反応の膨張材が反応して数年後に遅れ膨張が発生し、杭材が膨張破壊することも予想される。

コンクリートの高強度化は、曲げ性能の向上に有効であるが、１２０N/mm^２以上の超高強度コンクリートになると、コンクリートの短期許容応力時のひずみが増加するため、鉄筋の短期許容応力時のひずみより大きくなる場合が発生する。そのため、図３に示すように、高軸力状態での曲げモーメントでは、杭材断面のコンクリートの縁ひずみεcよりも鉄筋ひずみεsの方が短期許容応力時のひずみに到達してしまい、鉄筋の降伏が先行することになる。図４に示すように、コンクリート設計基準強度Ｆc＝１４０N/mm^２のコンクリートと短期許容応力度が３４５N/mm^２の軸方向鉄筋(ＳＤ３４５)の組み合わせでは、高軸力時の曲げ性能が低下する傾向を示す。短期許容応力度が３９０N/mm^２の軸方向鉄筋(ＳＤ３９０)を使用し、鉄筋の短期許容応力時のひずみを増加させた場合には、高軸力時に曲げ性能が低下することがない。

本発明は、上記のような課題を解消すべくなされたもので、ＰＣ鋼材と軸方向鉄筋を有するプレストレスト鉄筋コンクリート杭において、コンクリート強度と軸方向鉄筋強度の最適な組み合わせにより、鋼管やＤ３２以上の大径の鉄筋を使用することなく、またコンクリート断面積の６％以下の鉄筋比とすることができ、高い曲げ性能を有すると共に、コストの低減が可能となるプレストレスト鉄筋コンクリート杭を提供するものである。

本発明の請求項１に係るプレストレスト鉄筋コンクリート杭は、コンクリート杭本体に強度が１２０Ｎ/ｍｍ ^２ 以上の超高強度コンクリートを用いた中空のコンクリート杭本体に、軸方向のＰＣ鋼材と軸方向鉄筋が埋設されているプレストレスト鉄筋コンクリート杭であって、前記軸方向鉄筋に鉄筋の短期許容応力時のひずみが前記コンクリートの短期許容応力時のひずみ以上となる強度の鉄筋が用いられ、コンクリート断面積に対する軸方向鉄筋の合計断面積が６％以下であることを特徴とする。

本発明においては、コンクリートの高強度化は曲げ剛性の向上に有効であり、また強度が１０５N/mm^２のコンクリートを用いた従来のプレストレスト鉄筋コンクリート杭は鋼管コンクリート杭よりも曲げ性能が大きく低下する（図２参照）等の理由から、１２０N/mm^２以上の超高強度コンクリートを用いる。

また、１２０N/mm^２以上の超高強度コンクリートになると、コンクリートの短期許容応力時のひずみが増加するため、鉄筋の短期許容応力時のひずみより大きくなる場合が発生する（表１参照）。この場合、高軸力状態での曲げモーメントでは、鉄筋の降伏が先行し、高軸力時の曲げ剛性が低下する傾向を示し、Ｍ−Ｎ（許容曲げモーメント−軸力）曲線を有効に利用することができない（図４参照)。従って、本発明では、超高強度コンクリートの設計基準強度に対し、Ｍ−Ｎ曲線を有効に利用するため、軸方向鉄筋に鉄筋の短期許容応力時のひずみが超高強度コンクリートの短期許容応力時のひずみ以上となる最適な鉄筋強度を選定する（表１の○印参照）。

本発明の請求項２に係るプレストレスト鉄筋コンクリート杭は、請求項１に記載のプレストレスト鉄筋コンクリート杭において、
σsy ≧ ０．２×（１１５８．１ ln（Ｆc）−３９１７．２）…（1）
σsy ：鉄筋の短期許容応力度（降伏値）［N/mm^２］
Ｆc ：コンクリート設計基準強度［N/mm^２］
の条件を満たす鉄筋が用いられていることを特徴とする。

コンクリートの設計基準強度（ｘ）と短期許容応力時のひずみ（ｙ）の関係は、ｙ＝１１５８．１ ln（ｘ）−３９１７．２で近似することができ（図５参照）、鉄筋の短期許容応力度（ｙ）と短期許容応力時のひずみ（ｘ）は、ヤング係数一定であることから、ｙ＝０．２ｘと表すことができる（図６参照）。従って、鉄筋の短期許容応力時のひずみ（σsy／Ｅ）がコンクリートの短期許容応力時のひずみ以上であることを、上記の（1）式で表すことができる。

上記の（1）式を用いることにより、コンクリートの各設計基準強度に対応した、鉄筋の短期許容応力時のひずみがコンクリートの短期許容応力時のひずみ以上となる軸方向鉄筋の種類を選別することが可能となる。具体的には、コンクリート設計基準強度１２３N/mm^２ではＳＤ３４５以上、１４０N/mm^２、１６０N/mm^２ではＳＤ３９０以上、１７５N/mm^２ではＳＤ４９０が選択される（表１参照）。

また、コンクリート断面積に対する軸方向鉄筋の合計断面積（鉄筋比）は６％以下とする。土木学会の「コンクリート標準示方書 設計編」に明記されているとおりである。

本発明の請求項３に係るプレストレスト鉄筋コンクリート杭は、請求項１または請求項２のいずれかに記載のプレストレスト鉄筋コンクリート杭において、コンクリート断面積に対する軸方向鉄筋の合計断面積（鉄筋比）が５.５％以下であることを特徴とする。

従来のプレストレスト鉄筋コンクリート杭の場合、杭径３００〜１０００ｍｍに対してＤ１３〜Ｄ２９が６本〜２４本用いられ、いずれも鉄筋比が５．５％以下であるため、本発明においても、従来と同様に、鉄筋比を５．５％以下とし、さらにＤ２９以下の鉄筋を用い、コストの低減を図るのが好ましい。

近年、既製コンクリート杭を用いたより支持力の高い杭工法が開発されている。そのため、従来に比べより高層な建物の基礎杭に用いられつつある。そのため、地震時の杭に発生する曲げ応力が増加し、曲げ性能の高い既製コンクリート杭が必要となっている。曲げ性能の高い既製コンクリート杭として、鋼管内部にコンクリートを充填した鋼管コンクリート杭や大径の鉄筋を使用した鉄筋コンクリート杭がある。しかし、世界的な鋼材不足によるコスト高や納入時期の長期化などにより、鋼管や大径鉄筋を使用することは、既成コンクリート杭のコスト増や生産効率の低下などいろいろな問題が顕在化しつつある。そのため、鋼管や大径鉄筋を使用せずに高い曲げ剛性を有する既製コンクリート杭が必要となっている。

既成コンクリート杭の曲げ性能に関しては、Ｍ−Ｎ曲線で囲まれた面積Ａm-nが大きいほど曲げ剛性が高いことを評価することができる（図７参照）。従来のＦc＝１０５N/mm^２のコンクリートを使用したコンクリートの断面積に対して４.３４％の断面積の鉄筋を配筋したプレストレスト鉄筋コンクリート杭（ＰＲＣ杭）は、短期許容応力度の高い鉄筋を使用しても曲げ性能の顕著な増加はみられないが、本発明のプレストレスト鉄筋コンクリート杭においては、同様の鉄筋仕様でＦc＝１２０N/mm^２以上の設計基準強度のコンクリートを使用し、かつ、コンクリートの短期許容応力度のひずみより鉄筋の短期許容応力時のひずみが大きくなる適切な短期許容応力度の鉄筋を使用することにより、従来のＦc＝１０５N/mm^２のコンクリートを使用した鋼管コンクリート杭（ＳＣ杭）の曲げ性能に近いプレストレスト鉄筋コンクリート杭を得ることが可能となる（図８参照）。

本発明は、以上のような構成からなるので、次のような効果が得られる。

(1) ＰＣ鋼材と軸方向鉄筋を有するプレストレスト鉄筋コンクリート杭において、コンクリート杭本体に強度が１２０N/mm^２以上の超高強度コンクリートを用い、かつ、軸方向鉄筋に鉄筋の短期許容応力時のひずみが前記コンクリートの短期許容応力時のひずみ以上となる強度の鉄筋を用いることにより、鋼管やＤ３２以上の大径の鉄筋を使用することなく、鋼管コンクリート杭と同等程度の高い曲げ性能を有するプレストレスト鉄筋コンクリート杭を製造することが可能となる。

(2) 鋼管やＤ３２以上の大径の鉄筋を使用することなく、またコンクリート断面積の６％以下の鉄筋比とすることができるため、高い曲げ性能を有するプレストレスト鉄筋コンクリート杭を低コストで製造することが可能となる。

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。図１は本発明のプレストレスト鉄筋コンクリート杭の構成の一例を示す部分鉛直断面図と水平断面図である。

図１において、プレストレスト鉄筋コンクリート杭１は、中空円筒状のコンクリート杭本体２にＰＣ鋼材（ＰＣ鋼棒）３と軸方向鉄筋（異形棒鋼）４とせん断補強筋（高強度鉄筋）５を配置して構成されている。水平断面においてＰＣ鋼材３は円周方向に間隔をおいて複数本配置され、その間に軸方向鉄筋４が配置されている。軸方向鉄筋４は軸方向に部分的に設けられる場合もある。

本発明においては、コンクリート杭本体２に強度が１２０N/mm^２以上の超高強度コンクリートを用い、軸方向鉄筋４に鉄筋の短期許容応力時のひずみがコンクリートの短期許容応力時のひずみ以上となる強度の鉄筋を用い、コンクリート断面積に対する軸方向鉄筋４の合計断面積（鉄筋比）を６％以下とする。

コンクリートの弾性係数Ｅは強度と共に変化し、日本建築学会ではその関係を
Ｅ＝３３５００×（γ／２４）^２×（Ｆc／６０）^１／３
γ：コンクリートの単位容積質量（＝２４N/mm^２）
Ｆc：コンクリート設計基準強度［N/mm^２］
としている。

コンクリート設計基準強度の１／３に対する上記式のＥから求めた各コンクリート設計基準強度の短期許容応力時におけるひずみと、各種強度の鉄筋の短期許容応力時におけるひずみの関係を表１に示す。この表１から、コンクリートの設計基準強度が増加するほど許容応力度の高い鉄筋を使用しないと、短期許容応力時の鉄筋ひずみがコンクリートのひずみより小さくなることが分かる。図２等に示すＭ−Ｎ曲線を有効利用するためには高い短期許容応力度の鉄筋が必要となる。

表１の結果から、コンクリートの設計基準強度と短期許容応力時のひずみの関係は、図５に示す関係となる。また、鉄筋の短期許容応力度と短期許容応力時のひずみはヤング係数一定であることから、図６に示す関係となる。従って、鉄筋の短期許容応力時のひずみがコンクリートの短期許容応力時のひずみ以上となるのは、
σsy ≧ ０．２×（１１５８．１ ln（Ｆc）−３９１７．２）
σsy ：鉄筋の短期許容応力度（降伏値）［N/mm^２］
Ｆc ：コンクリート設計基準強度［N/mm^２］
の条件を満足する場合である。これにより、コンクリートの各設計基準強度に対応した、鉄筋の短期許容応力時のひずみがコンクリートの短期許容応力時のひずみ以上となる鉄筋の種類を選別することが可能となる。具体的には、表１に示すように、コンクリート設計基準強度１２３N/mm^２ではＳＤ３４５以上、１４０N/mm^２、１６０N/mm^２ではＳＤ３９０以上、１７５N/mm^２ではＳＤ４９０が選択される。

また、コンクリート断面積に対する軸方向鉄筋の合計断面積（鉄筋比）は、土木学会の「コンクリート標準示方書 設計編」に明記されているとおり６％以下とする。また、従来のプレストレスト鉄筋コンクリート杭の場合、杭径３００〜１０００ｍｍに対してＤ１３〜Ｄ２９が６本〜２４本用いられ、いずれも鉄筋比が５．５％以下であるため、本発明においても、従来と同様に、鉄筋比を５．５％以下とし、さらにＤ２９以下の鉄筋を用い、コストの低減を図るのが好ましい。

杭材の曲げ性能を評価する場合、図７に示すように、Ｍ−Ｎ曲線で囲まれた面積Ａm-nにより評価すると、面積が大きいほど曲げ性能が高いことを評価することができる。

図８はＭ−Ｎ曲線内の面積による杭材性能の評価を示したものであり、Ｆc＝１０５N/mm^２のコンクリートを使用したコンクリートの断面積に対して４.３４％の断面積の鉄筋を配筋したプレストレスト鉄筋コンクリート杭（ＰＲＣ杭）は、短期許容応力度の高い鉄筋を使用しても図８の面積Ａm-nからわかるように曲げ性能の顕著な増加はしない。しかし、本発明のように、同様の鉄筋仕様でＦc＝１２０N/mm^２以上の設計基準強度のコンクリートを使用し、かつ、コンクリートの短期許容応力度のひずみより鉄筋の短期許容応力時のひずみが大きくなる適切な短期許容応力度の鉄筋を使用すると、従来のＦc＝１０５N/mm^２のコンクリートを使用した鋼管コンクリート杭（ＳＣ杭）の曲げ性能に近いプレストレスト鉄筋コンクリート杭にすることが可能となる。

本発明のプレストレスト鉄筋コンクリート杭の構成の一例を示す部分鉛直断面図と水平断面図である。 従来のプレストレスト鉄筋コンクリート杭と鋼管コンクリート杭のＭ−Ｎ曲線の関係を示すグラフである。 高軸力状態での杭材断面ひずみ分布を示す図である。 プレストレスト鉄筋コンクリート杭において超高強度コンクリートに対して鉄筋強度を変えた場合のＭ−Ｎ曲線の関係を示すグラフである。 コンクリート設計基準強度と短期許容応力時のひずみの関係を示すグラフである。 鉄筋の短期許容応力度と短期許容応力時のひずみの関係を示すグラフである。 Ｍ−Ｎ曲線内の面積による杭材性能の評価を示すグラフである。 Ｍ−Ｎ曲線内の面積による杭材性能の評価を種々の杭材で比較して示すグラフである。

符号の説明

１…プレストレスト鉄筋コンクリート杭（ＰＲＣ杭）
２…コンクリート杭本体
３…ＰＣ鋼材（ＰＣ鋼棒）
４…軸方向鉄筋（異形棒鋼）
５…せん断補強筋（高強度鉄筋）

Claims (3)

1. コンクリート杭本体に強度が１２０Ｎ/ｍｍ ^２ 以上の超高強度コンクリートを用いた中空のコンクリート杭本体に、軸方向のＰＣ鋼材と軸方向鉄筋が埋設されているプレストレスト鉄筋コンクリート杭であって、前記軸方向鉄筋に鉄筋の短期許容応力時のひずみが前記コンクリートの短期許容応力時のひずみ以上となる強度の鉄筋が用いられ、コンクリート断面積に対する軸方向鉄筋の合計断面積が６％以下であることを特徴とするプレストレスト鉄筋コンクリート杭。
2. 請求項１に記載のプレストレスト鉄筋コンクリート杭において、
   σsy ≧ ０．２×（１１５８．１ ln（Ｆc）−３９１７．２）
   σsy ：鉄筋の短期許容応力度［N/mm^２］
   Ｆc ：コンクリート設計基準強度［N/mm^２］
   の条件を満たす鉄筋が用いられていることを特徴とするプレストレスト鉄筋コンクリート杭。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載のプレストレスト鉄筋コンクリート杭において、コンクリート断面積に対する軸方向鉄筋の合計断面積が５.５％以下であることを特徴とするプレストレスト鉄筋コンクリート杭。

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