JP5654725B2 - せん断補強部材 - Google Patents

Description

本発明は、せん断力が作用する既設のコンクリート部材の補強に用いるせん断補強部材に関する。

既設のコンクリート部材の中には、非常に大きな地震力によって、せん断破壊に至る可能性が高いものがある。特に、阪神大震災以前に設計および施工された地下鉄、上下水道浄化施設などの各種施設において、その構造物躯体を構成する鉄筋コンクリート造のボックスカルバートや鉄筋コンクリート造の地中埋設構造物の壁やスラブ、橋梁の壁式橋脚などは、せん断補強鉄筋が配筋されていない場合が多く、レベル２地震動に対するせん断耐力の不足や曲げモーメントによる靱性性能の不足が各種の耐震診断の結果から明らかになっており、速やかに耐震補強を行う必要性が指摘されている。
そのため、このような鉄筋コンクリート構造物について、せん断破壊が生じることのないように、補強を行う場合がある。

従来、これらの鉄筋コンクリート構造物の補強方法としては、鉄筋コンクリート構造物の表面に沿って鉄筋を配筋して、コンクリートを打設する増厚工法、鉄筋コンクリート構造物の周囲に鋼板を巻き立て、鉄筋コンクリート構造物と鋼板との隙間にモルタルや樹脂等の充填材を充填する鋼板巻き立て工法（例えば、特許文献１参照）、鉄筋コンクリート構造物の周囲を接着剤等を介して貼着された炭素繊維シートで覆う炭素繊維シート接着工法（例えば、特許文献２参照）等が採用されていた。

ところが、増厚工法は、主鉄筋が増加することから、せん断耐力が向上する一方で、曲げ耐力も増加するため、補強後においてせん断先行破壊型を曲げ先行破壊型に移行させるという要請を実現して、曲げ耐力以上にせん断耐力を増加させることが困難であった。

また、鋼板巻き立て工法は、鋼板の搬入や組み立て等に手間がかかるとともに、大掛かりな揚重機械を必要とし、例えば、地下構造物内や橋梁等の限られた空間では、これらの揚重機械の制約があり、施工が困難な場合があった。

また、炭素繊維シート接着工法は、せん断耐力を向上させるためには、鉄筋コンクリート構造物の全周囲を、炭素繊維シートで囲む必要があり、壁、底版、頂版等の部材のせん断補強には不向きであった。

そのため、特許文献３に示すように、せん断先行破壊型を曲げ先行破壊型に移行させるとともに、現場状況に限定されることなく施工を行うことが可能なコンクリート構造物の補強方法として、既設のコンクリート構造物の補強面から内部に向けて補強部材挿入孔を形成し、この補強部材挿入孔に、異形鉄筋等からなるせん断補強部材を挿入するとともに充填材を充填する補強方法が開示されている。

特開平１０−０７７６８３号公報 特開平０９−２７７４２８号公報 特開２００３−１１３６７３号公報

前記特許文献３に記載の補強方法は、補強部材挿入孔に挿入されたせん断補強部材が、その周面摩擦力により定着することで、補強効果を発揮することを可能とするものである。ところが、コンクリート構造物の部材厚等の施工条件よっては、せん断補強部材としての機能を発揮するために必要な定着長を確保することができず、十分な補強効果を得ることができない場合があるという問題点を有していた。

本発明は、前記の問題点を解決するためになされたものであり、より大きなせん断補強効果を得ることを可能とした、せん断補強部材を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明のせん断補強部材は、既設のコンクリート部材に形成された補強部材挿入孔の内部に埋設されるものであって、前記補強部材挿入孔の延長よりも短い長さの棒材と、該棒材の軸方向に沿って所定の間隔を空けて当該棒材に固定される３つ以上の突材と、からなり、前記突材が、前記棒材の周囲に３か所以上の凸部を形成し、該凸部の外幅が、前記棒材の直径に対して１１０％乃至２００％であり、最も基端側に形成された前記突材が前記コンクリート部材の鉄筋と同程度のコンクリート被りが確保できる位置に配置されていることを特徴としている。

かかるせん断補強部材によれば、棒材の直径に対して１１０％乃至２００％の幅を有した凸部が複数形成されているため、せん断補強部材の定着性に優れており、優れたせん断補強効果を発現することが可能となる。

前記せん断補強部材について、前記棒材の軸方向の中間部には棒材のみからなる直線区間を有し、前記直線区間の前後には前記突材を有する凹凸区間を有していてもよい。

かかるせん断補強部材によれば、直線区間において突材を省略することで、せん断補強部材の製作時の手間を省略し、安価に構成することが可能となる。

本発明のせん断補強部材により、せん断力が作用する既設のコンクリート部材について、大きなせん断補強効果を得ることが可能となった。

本発明の補強方法の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略する。

第１の実施の形態に係る補強構造１は、図１に示すように、既設のコンクリート部材（以下、単に「コンクリート部材」という場合がある）１０に、コンクリート部材１０の内面側から主鉄筋と交差する方向に形成された有底の補強部材挿入孔１１の内部に配設されるせん断補強部材２０と、前記補強部材挿入孔１１に充填される充填材３０とから構成されている。

コンクリート部材１０は、図１に示すように、所定の間隔により縦筋（主鉄筋）Ｒ１，Ｒ２および横筋（主鉄筋）Ｒ３，Ｒ４が配筋された鉄筋コンクリート造の部材である。なお、第１の実施の形態では、地下に埋設された既設の鉄筋コンクリート構造物の側壁（コンクリート部材１０）を補強する場合について説明するが、補強を行う既設の鉄筋コンクリート構造物の構造体（コンクリート部材１０）は側壁等の面材に限定されるものではなく、例えば床版（底版）、天井版（頂版）、梁、柱等であってもよい。また、既設のコンクリート部材１０の設置箇所も限定されるものではない。また、第１の実施の形態では、コンクリート部材１０として、鉄筋コンクリート部材を補強する場合について説明したが、コンクリート部材１０は無筋コンクリート部材であってもよく、その形式は限定されるものではない。

補強部材挿入孔１１は、コンクリート部材１０の内面側（地山Ｇと反対側の面）から外面側（地山Ｇ側の面）に向けて、せん断補強部材２０を設置するために穿孔されたものであり、図２に示すように、コンクリート部材１０の施工時の配筋図や非破壊試験の情報をもとに、穿孔時に縦筋（主筋）Ｒ１，Ｒ２及び横筋（主筋）Ｒ３，Ｒ４に損傷を与えることのないように、横間隔は縦筋Ｒ１，Ｒ２と、縦間隔は横筋Ｒ３，Ｒ４と同間隔で両鉄筋の中央に配置されている。図２（ｂ）に示すように、補強部材挿入孔１１の穿孔は、コンクリート部材１０の内面側（一面側）から地盤Ｇと接している外面側（他面側）方向であってコンクリート部材１０面に略垂直な方向に、インパクト・ドリルやロータリーハンマ・ドリル、コア・ドリルなどの穿孔手段を用いて、外面側の縦筋Ｒ１の位置近傍の深さまで行なわれている。また、補強部材挿入孔１１の孔径は、図１に示すように、せん断補強部材２０に取り付けられている突材２２の外幅に若干の余裕を見込んだ値に形成されている。

なお、補強部材挿入孔１１は、せん断補強部材２０の挿入時において、充填材３０を充填する際に、内部の空気を排出しやすくするために、やや下向きの傾斜を有して形成し、当該充填材３０の充填をより完全に行うことができるようにしてもよい。

せん断補強部材２０は、図３（ａ）に示すように、補強部材挿入孔１１の延長よりも短い長さの棒材２１と、この棒材２１の軸方向に沿って所定の間隔を空けて配設される複数の突材２２，２２，…とにより構成されている。
本実施形態では、せん断補強部材２０が、先端（地山Ｇ側の端部）が主筋Ｒ１，Ｒ３の近傍に位置し、また、基端（地山Ｇと反対側の端部）が、主筋Ｒ２，Ｒ４よりもコンクリート部材１０の表面側に位置するように補強部材挿入孔１１に挿入されている。

せん断補強部材２０は、棒材２１の外周囲に所定の間隔により配設された複数の突材２２，２２，…により、棒材２１の周囲に複数の凸部が形成されている。

第１の実施の形態に係るせん断補強部材２０は、図３（ａ）に示すように、棒材２１がねじ鉄筋により構成されており、突材２２が棒材２１に螺合されるナットにより構成されている。
棒材２１を構成する材料はねじ鉄筋に限定されるものではなく、その他の異形鉄筋や鋼棒等、コンクリート部材１０のせん断補強に必要な耐力を有するものであれば、限定されるものではない。また、棒材２１の断面寸法等も限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。

突材２２は、棒材２１への螺合が可能なナットにより構成されている。突材２２は、棒材２１の直径に対して１１０％乃至２００％の外幅（外径）を有しており、ねじ鉄筋からなる棒材２１に装着されることで、棒材２１の周囲に凸部を形成している。本実施形態では、最も基端側（地山Ｇと反対側）の凸部が、横筋Ｒ４と同程度のコンクリート被りが確保できる位置に配置されている。
複数の突材２２，２２，…は、棒材２１の略全長に亘って等間隔で配置された状態で、溶接等により固定されている。なお、突材２２の固定方法は限定されるものではなく、例えば接着剤により固定してもよい。

充填材３０には、上向きに充填しても流れ落ちることのない性質を有した可塑性のあるセメント系モルタルを用いる。ここで、可塑性のあるセメント系モルタルは、セメントとシリカヒュームや石英粉などのポゾラン物質と増粘材と水とから構成される材料である。なお、充填材３０の材質等は、同様の特性を有するものであれば、これに限定されるものではない。

第１の実施の形態に係る補強構造１の構築は、（１）補強部材挿入孔を穿孔する工程と、（２）せん断補強部材を挿入する工程と、の各工程により行う。

（１）補強部材挿入孔を穿孔する工程
本工程は、コンクリート部材１０である側壁の内側から外側（地山Ｇ側）に向けて、せん断補強部材２０を設置するための補強部材挿入孔１１を形成する作業を行う工程である。

図２（ａ）に示すように、補強部材挿入孔１１は、コンクリート部材１０の施工時の配筋図や非破壊試験の情報をもとに、穿孔時に縦筋Ｒ１，Ｒ２及び横筋Ｒ３，Ｒ４に損傷を与えることのないように、横間隔は縦筋Ｒ１，Ｒ２と、縦間隔は横筋Ｒ３，Ｒ４と同間隔で両鉄筋の中央に配置する。図２（ｂ）に示すように、補強部材挿入孔１１の穿孔は、コンクリート部材１０の内側（一面側）から地盤Ｇと接している外側（他面側）方向であってコンクリート部材１０面に略垂直な方向に、インパクト・ドリルやロータリーハンマ・ドリル、コア・ドリルなどの穿孔手段を用いて行う。
そして、補強部材挿入孔１１の穿孔が完了したら、当該補強部材挿入孔１０内に穿孔のために生じたコンクリート粉を除去する。

（２）せん断補強部材を挿入する工程
本工程は、補強部材挿入孔１０にせん断補強部材２０を挿入するとともに、当該補強部材挿入孔１０に充填材３０を注入して、一体化する作業を行う工程である。

まず、補強部材挿入孔１０にエポキシ樹脂、セメント系ミルクあるいはセメント系モルタルなどからなる充填材３０を注入する。このとき、充填材３０の注入量は、適宜設定すればよいが、第１の実施の形態では、せん断補強部材２０を挿入した状態で補強部材挿入孔１１内が充填される量とする。次に、せん断補強部材２０を、補強部材挿入孔１０に挿入する。なお、せん断補強部材２０の挿入と充填材３０の注入の順序はこれに限定されるものではなく、せん断補強部材２０を補強部材挿入孔１１に挿入した後に、せん断補強部材２０と周囲の補強部材挿入孔１０の内面の隙間に充填材３０を充填してもよい。

以上、第１の実施の形態に係る補強構造１によれば、せん断補強部材２０として棒材２１の直径に対して１１０％乃至２００％の幅を有する突材２２により、異形鉄筋のふしに比べて大きな凸部が形成しているため、大きな定着効果を有している。そのため、従来のせん断補強部材と比較してより大きなコンクリート部材１０のせん断補強効果を得ることを可能としている。

なお、前記実施形態では、棒材２１に対して突材２２を所定の間隔によりほぼ全長に配設するものとしたが、図３（ｂ）に示すせん断補強部材２０’のように、比較的付着力が大きな棒材２１の中央部分については、突材２２の配置を省略して直線区間としてもよい。
このように、突材２２の設置を直線区間２０ａ以外の凹凸区間２０ｂのみに限定することで、突材２２の材料費の削減およびせん断補強部材２０’の製造時の手間を省略することで、費用の削減を図ることが可能となる。

また、せん断補強部材２０は、充填材３０を介してコンクリート部材１０と一体化がなされているため、コンクリート部材１０にせん断力Ｓが作用した際に、このせん断力Ｓをせん断補強部材２０により受け持つことで、コンクリート部材１０に発生する亀裂Ｃを抑制することが可能となる。

また、せん断補強部材２０は、先端側に主筋Ｒ１，Ｒ３と同程度以上のコンクリート被りを確保しているため、何らかの原因で地山Ｇ側の表面のコンクリートが剥がれたとしても、定着長は確保しているため、せん断補強部材２０による補強効果を維持することを可能としている。
一方、せん断補強部材２０の基端側は、最も基端側の凸部が主筋Ｒ２，Ｒ４と同程度のコンクリート被りを確保できるように配置されていることで、何らかの原因により主筋Ｒ２，Ｒ４よりも表面側のコンクリートが剥がれたとしても、せん断補強部材２０の定着は凸部により確保されているため、せん断補強部材２０による補強効果が低下することがない。

なお、図１に示すように、第１の実施の形態では、せん断補強部材２０を、せん断補強部材２０の基端（地山Ｇと反対側の端部）が縦筋Ｒ２よりも表面側となるように配置しているが、せん断補強部材２０の配置はこれに限定されるものではなく、縦筋Ｒ２または横筋Ｒ４と同程度のコンクリート被りを確保できる位置まで挿入してもよいことはいうまでもない。
また、第１の実施の形態では、せん断補強部材２０の先端（地山Ｇ側の端部）を、縦筋Ｒ１よりも表面側に配置しているが、例えば、横筋Ｒ３と同等のコンクリート被りを確保できる深さまで挿入するなど、せん断耐力を増強させるために必要な長さを確保することができれば、せん断補強部材２０の先端側の位置は限定されるものではない。
また、せん断補強部材２０を横間隔は縦筋Ｒ１，Ｒ２と、縦間隔は横筋Ｒ３，Ｒ４と同間隔に配置するものとしたが、例えば、縦筋Ｒ１，Ｒ２または横筋Ｒ３，Ｒ４の配筋ピッチの２倍の間隔により配置するなど、せん断補強部材２０の配置間隔は限定されるものではない。

＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態（参考実施形態）に係る補強構造２は、図４（ａ）に示すように、コンクリート部材１０と、コンクリート部材１０に形成された補強部材挿入孔１１の内部に埋設されるせん断補強部材４０と、補強部材挿入孔１１に充填される充填材３０とを有しており、このせん断補強部材４０が、補強部材挿入孔１１の延長よりも短い長さの棒材４１と、この棒材４１の外周面に巻き付けられる螺旋状の突材４２とから構成されている点で、第１の実施の形態で示したせん断補強部材２０と異なっている。

せん断補強部材４０は、棒材４１の外周囲に巻き付けられた螺旋状の突材４２により、所定の間隔により形成された複数の凸部が、棒材４１の周囲に形成されている。

第２の実施の形態では、せん断補強部材４０を構成する棒材４１を、鋼棒により構成するものとするが、棒材４１を構成する材料は、せん断補強部材として必要とされる強度を有した棒材であれば限定されるものではなく、例えば、異形鉄筋、ねじ鉄筋、鋼管等、適宜公知の材料から選定して使用すればよい。また、棒材４１の断面寸法等も限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。

突材４２は、棒材４１の直径の１０％〜１００％の直径を有するように構成されたワイヤーや番線の束等からなる。この突材４２を棒材４１の外周囲に巻き付ける事により、棒材２１の直径に対して１１０％乃至２００％の外幅（外径）を有した凸部を所定の間隔により形成している。
突材４２は、棒材４１に巻き付けられた状態で溶接や接着等により一体に固定されている。

本実施形態では、せん断補強部材４０を補強部材挿入孔１１に配置した状態で、主筋Ｒ１，Ｒ３とＲ２，Ｒ４との間に突材４２のほぼ全体が配置されるように構成されている。これにより、何らかの原因によりコンクリート被りが剥がれたとしても、せん断補強部材４０はせん断補強に必要な定着を維持することが可能となる。

この他、第２の実施の形態に係る補強構造の構成は、第１の実施の形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。

以上、第２の実施の形態に係る補強構造２およびせん断補強部材４０によれば、突材により複数の凸部がせん断補強部材４０に形成されていることにより、大きな定着効果を奏する。そのため、従来のせん断補強部材と比較してより大きなコンクリート部材１０のせん断補強効果を得ることを可能としている。
この他、第２の実施の形態に係るせん断補強部材４０が配設された補強構造２は、第１の実施の形態に係る補強構造１と同様の作用効果を奏する。

なお、第２の実施の形態では、棒材４１に対して突材４２をほぼ全長に巻き付けるものとしたが、図４（ｂ）に示すせん断補強部材４０’のように、比較的付着力が大きな棒材４１の中央部分については、突材４２の配置を省略して直線区間４０ａとしてもよい。
このように、突材４２を直線区間４０ａ以外の凹凸区間４０ｂのみに限定することで、突材４２の材料費の削減およびせん断補強部材４０’の製造時の手間を省略し、費用の削減を図ることが可能となる。

また、突材４２として、番線の束やワイヤーではなく、螺旋状の鋼棒や小径パイプを使用してもよい。

＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態（参考実施形態）に係る補強構造３は、図５（ａ）に示すように、コンクリート部材１０と、コンクリート部材１０に形成された補強部材挿入孔１１の内部に埋設されるせん断補強部材５０と、補強部材挿入孔１１に充填される充填材３０とを有ており、せん断補強部材５０が、線材を螺旋状に加工することで内径に対して外径が１１０％乃至２００％となる部材である点で、第１の実施の形態で示した補強構造１と異なっている。

第３の実施の形態に係るせん断補強部材５０は、鋼棒や小径パイプ等からなる線材を、この線材の直径に対して１倍〜１０倍程度の直径により螺旋状に加工することにより構成されている。
この他、第３の実施の形態に係る補強構造３の構成は、第１の実施の形態に係る補強構造１の構成と同様なため、詳細な説明は省略する。

以上、第３の実施の形態に係る補強構造３およびせん断補強部材５０によれば、螺旋状に形成されたせん断補強部材５０が、複数の凹凸が形成された棒材と同様に、大きな定着効果を有している。そのため、従来のせん断補強部材と比較してより大きなコンクリート部材１０のせん断補強効果を得ることを可能としている。
この他、第３の実施の形態に係る補強構造３およびせん断補強部材５０は、前記１の実施の形態に係る補強構造１およびせん断補強部材２０と同様の作用効果を奏するため、詳細な説明は省略する。

＜第４の実施の形態＞
第４の実施の形態（参考実施形態）に係る補強構造４は、コンクリート部材１０と、コンクリート部材１０に形成された補強部材挿入孔１１の内部に埋設されるせん断補強部材６０と、補強部材挿入孔１１に充填される充填材３０とを有しており、このせん断補強部材６０が、補強部材挿入孔１１の延長よりも短い長さからなり、外周面に複数の凹部６２が形成された棒材６１により構成されている点で、第１の実施の形態乃至第３の実施の形態の補強構造１乃至補強構造３と異なっている。

なお、せん断補強部材６０は、図５（ｂ）に示すように、棒材６１に対して略全長に凹部６２を形成してもいいし、図５（ｃ）に示すせん断補強部材６０’のように、比較的付着力が大きな棒材６１の中央部分については、凹部６２を省略して直線区間６０ａとしてもよい。

この他の第４の実施の形態に係る補強構造４およびせん断補強部材６０に関する構成は、第１の実施の形態乃至第３の実施の形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。

以上、第４の実施の形態に係る補強構造４およびせん断補強部材６０によれば、せん断補強部材６０に形成された複数の凹部６２により、大きな定着効果が発現される。そのため、従来のせん断補強部材と比較してより大きなコンクリート部材１０のせん断補強効果を得ることを可能としている。
この他、第４の実施の形態に係る補強構造４およびせん断補強部材６０に関する作用効果は、第１の実施の形態乃至第３の実施の形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の各実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜設計変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、補強対象である既設のコンクリート部材は、コンクリート造であればよく、現場打ち鉄筋コンクリート部材や、プレキャストコンクリート部材等その種類は問わないとともに、補強を行う部位についても限定されず、面材や版材等にも適用可能である。
また、せん断補強部材２０の挿入間隔、挿入数、挿入位置等は、前記実施形態に限られず、適宜に定めることができる。

また、前記各実施形態では、せん断補強部材について、同形状のものを所定の間隔により複数配置するものとしたが、コンクリート部材の形状や想定される作用応力の大きさや方向等に応じて、例えば、異なる形状のせん断補強部材を配置したり、せん断補強部材同士の間隔を変化させたりしてもよく、状況に応じて適宜変更することが可能である。

第１の実施の形態に係る補強構造を示す断面図である。 図１に示す補強構造について鉄筋と補強部材挿入孔との位置関係を示す図であって、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 （ａ）は図１に示す補強構造の拡大図、（ｂ）は第１の実施の形態に係るせん断補強部材の変形例を示す断面図である。 （ａ）は第２の実施の形態に係るせん断補強部材を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のせん断補強部材の変形例を示す断面図である。 （ａ）は第３の実施の形態に係るせん断補強部材を示す断面図、（ｂ）は第４の実施の形態に係るせん断補強部材を示す断面図、（ｃ）は（ｂ）のせん断補強部材の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１，２，３，４ 補強構造
１０ コンクリート部材
１１ 補強部材挿入孔
２０，４０，５０，６０ せん断補強部材
２１，４１，６１ 棒材
２２，４２ 突材
３０ 充填材

Claims (2)

1. 既設のコンクリート部材に形成された補強部材挿入孔の内部に埋設されるせん断補強部材であって、
   前記補強部材挿入孔の延長よりも短い長さの棒材と、該棒材の軸方向に沿って所定の間隔を空けて当該棒材に固定される３つ以上の突材と、からなり、
   前記突材が、前記棒材の周囲に３か所以上の凸部を形成し、該凸部の外幅が、前記棒材の直径に対して１１０％乃至２００％であり、
   最も基端側に形成された前記突材が、前記コンクリート部材の鉄筋と同程度のコンクリート被りが確保できる位置に配置されていることを特徴とするせん断補強部材。
2. 前記棒材の軸方向の中間部には棒材のみからなる直線区間を有し、前記直線区間の前後には前記突材を有する凹凸区間を有していることを特徴とする請求項１に記載のせん断補強部材。

Images