JP5614086B2 - 耐久性に優れたコンクリート柱 - Google Patents
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Description
PC鋼線は、金属組織として脆性破断を生じにくいことが知られているが、高価であるためコンクリート柱内のすべての鋼材に適用することは難しい。現状のコンクリート柱は、応力のかかる緊張鋼材に脆性破断を生じにくい高価なPC鋼線を使用し、直接応力が作用しない非緊張鋼材には安価なPC鋼棒を適用することで、コストと耐久性を両立した設計となっている。
コンクリート柱の異常損傷時に緊張鋼材(PC鋼線)の優れた耐久性能を発揮するには、損傷を受けてから建替えまでの短期間の非緊張鋼材(PC鋼棒)の性能維持が重要となってくる。コンクリート柱が災害などにより受けた損傷状態によっては、非緊張鋼材にも応力が作用する場合があり、安価に非緊張鋼材の腐食ならびに脆性破断を遅延できる技術は安定供給の観点から重要である。
緊張鋼材3には、JISに定めるPC鋼線を用いる。PC鋼線では損傷を受けたコンクリート柱内で腐食による断面減少に応じて延性的な破断を示しており、損傷後から破断まで長期間緊張を保持しうるためである。
非緊張鋼材4にはコストの観点から焼き戻しマルテンサイト組織を有するPC鋼棒を用いる。ただし、本実施形態ではPC鋼棒の耐久性を高めるため、かぶり厚等について特段の配慮を行う。
所要最低腐食代
=表面疵+建て替えに要する期間(3年間)に進行する腐食厚
=20+60
=80μm
ただし、軟化層は80μmを大幅に超えた厚さにする必要はない。建替え期間を超えて耐久性を向上させても、鋼材製造にかかるコストが大きくなるだけで費用対効果に劣るためである。
また、コンクリート柱1の地際断面の非緊張鋼材4の総面積Sn(mm2)は、コンクリート柱1の風圧荷重を考慮した設計荷重L(N)として、3L以上15L以下の応力を負担できる面積であることが好ましい。総面積Snが3L以上であれば、大きな負荷がかかり易い地際部分の応力を非緊張鋼材4でも十分に負担でき、緊張鋼材3を補助できる。また、同15L以上では鋼材量の増加に伴う効果が飽和するため、総面積Snの上限値を15Lと定めることで、鋼材を不必要に多量に使用することを防止し、コンクリート柱1のコストの増大を抑制できる。
さらに、コンクリート柱1の地際断面の緊張鋼材3の総面積Ss(mm2)は、5L以上25L以下の応力を負担できる面積であることが好ましい。総面積Ssが5L以上であれば、過大な負荷がかかりコンクリートにひび割れが発生しても、プレストレスによりひび割れ幅の増大を抑制できる。また、同25L以下とすることにより、非緊張鋼材4と同様に不必要なコスト増大を抑制できる。
以上説明の通り、本実施形態のコンクリート柱1によれば、自動車の衝突や台風などの自然災害により設計想定外のひび割れが入り、ひびを介して雨水が侵入する状態に非緊張鋼材がさらされても、非緊張鋼材の腐食劣化の進展や破断を低コストで抑制することが可能な耐久性に優れたコンクリート柱を提供することができる。
遠心成型したコンクリート柱に幅0.1mmと0.5mmのひび割れを導入し、実環境で暴露試験を行い、コンクリートをはつって鋼材表面からの腐食速度を測定した。なお、ひび割れ幅0.5mmは通常の管理基準を超える範囲から設定した。
検討に使用した鋼材の組成は、C:0.4%、Si:1.8%、Mn:0.6%、P:0.01%、S:0.05%、Ti:0.03%、B:0.001%、および、C:0.2%、Si:1.3%、Mn:0.7%、P:0.02%、S:0.03%、Ti:0.03%である。
緊張鋼材および非緊張鋼材を配筋したコンクリート柱を、地際から約2m位置に約1.0mmのひび割れが発生するように柱頂部に水平方向の荷重を付与した状態で実環境に3年間保持した。
荷重を保持したコンクリート柱について、ひび割れ部分のコンクリートをはつり、鋼材の腐食箇所を圧延方向に平行に切断し、断面腐食深さと、割れあるいは破断の有無を確認した(評価1〜評価3)。また、荷重保持中のひび割れ拡大有無を測定した(評価4)。
表2に試験条件を、表3に評価結果をそれぞれ示す。両表において「−」は測定値がないものを示す。また、表3において評価4では、予め導入した1.0mmのひび割れ幅が、荷重保持開始から3年後に1.5mm以下であったものを○、同1.5mmを超えて拡大しているものを×とした。
一方、比較例22および比較例23では、ひび割れ幅が1.5mm以上に拡大した(表3評価3参照)。比較例22の緊張鋼材総面積対設計荷重比Ss/Lは3(N/mm2)であり、また比較例23の非緊張鋼材総面積対設計荷重比Sn/Lは2(N/mm2)であり、それぞれ実施例21〜実施例23の値よりも小さくなっている。この影響で、損傷が著しく拡大したものと想定される。
2 籠状鋼材
3 緊張鋼材
4 非緊張鋼材
5 フープ筋
Claims (4)
- 緊張鋼材としてPC鋼線を用い、非緊張鋼材としてPC鋼棒を用いて遠心成型で製造されるコンクリート柱であって、
非緊張鋼材は、かぶり厚15mm以上35mm以下となるように配筋され、
非緊張鋼材の中心部の平均硬度である中心硬度HVcと表層から80μm位置の硬度である表層硬度HVfとの差(HVc−HVf)が、ビッカース硬度で80超過200以下であることを特徴とする耐久性に優れたコンクリート柱。 - 前記非緊張鋼材の中心部分と硬度が略同一の母材部分が、引張強度の略70%を負荷したFIP試験で破断時間が80時間以上となる焼戻しマルテンサイト組織を有することを特徴とする請求項1に記載の耐久性に優れたコンクリート柱。
- 前記コンクリート柱の地際断面の非緊張鋼材の総面積Sn(mm2)は、前記コンクリート柱の風圧荷重を考慮した設計荷重L(N)として、3L以上15L以下の応力を負担できる面積であることを特徴とする請求項1または2に記載の耐久性に優れたコンクリート柱。
- 前記コンクリート柱の地際断面の緊張鋼材の総面積Ss(mm2)は、前記コンクリート柱の風圧荷重を考慮した設計荷重L(N)として、Ssが5L以上25L以下の応力を負担できる面積であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の耐久性に優れたコンクリート柱。
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