JP5758236B2 - 鉄筋コンクリート製構造物 - Google Patents

Description

本発明は、変形性能に優れた鉄筋コンクリート製の構造物に関するものである。

鉄筋コンクリート製の構造物は地震などの交番載荷荷重を受けることにより、下端には大きな曲げモーメントが作用する。この際、大きな荷重が付与されることにより曲げひび割れが発生し、軸方向鉄筋が降伏し、構造物の下端部分は塑性変形する。このため、構造物にかぶりコンクリートの剥落が始まる。さらに、軸方向鉄筋の座屈が生じ始めるとコアコンクリートの圧縮破壊が生じる。このような繰り返しの載荷を受けると、構造物は、かぶりコンクリートのひび割れや剥脱が進行することにより耐力が低下していく。したがって、構造物の耐震性を向上させるためには、塑性変形する箇所には高い変形性能を必要とする。

従来技術では、帯鉄筋や中間帯鉄筋を多く配筋することにより、軸方向鉄筋の拘束効果およびコアコンクリートの拘束効果を向上させ、軸方向鉄筋の座屈を抑え込むことにより変形性能を向上させてきた（例えば特許文献１）。

また、鉄筋の座屈を防止する方法として、部材基部周りに鋼材などを配置することで座屈を抑制していた（例えば特許文献２）。

特開２０００−１７９０９０号公報 特許第４０５５２９５号公報

しかし、帯鉄筋および中間帯鉄筋の配筋によって軸方向鉄筋およびコアコンクリートの拘束効果をあげることによって十分な変形性能を確保するには、非常に密な配筋が必要となり、配筋作業が煩雑である。また配筋が密であるため、コンクリート打設時の充填性に問題がある。また、部材基部周りに鋼材等を配置することにより座屈を抑制する方法を採用する場合、鉄筋が座屈する可能性のある範囲を特定することが困難であり、構造物中の大きな範囲に座屈防止の鋼材を配置する必要がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、軸方向鉄筋の座屈を抑え、帯鉄筋および中間帯鉄筋の量を削減し、コンクリートの充填性を高め、鉄筋コンクリートに高い変形性能を付与することが可能な鉄筋コンクリート製の構造物を提供する。

前述した目的を達成するため、第１の発明は、鉄筋コンクリート製の構造物であって、前記構造物の一部には、内部に帯鉄筋が埋設されたプレキャスト型枠が埋設され、前記プレキャスト型枠の外面が前記構造物の外縁部に露出し、前記プレキャスト型枠の軸方向には外縁コンクリート部が積層され、前記プレキャスト型枠で、前記外縁コンクリート部が挟み込まれ、前記プレキャスト型枠の圧縮強度は、前記構造物を構成するコンクリートであって前記プレキャスト型枠の軸方向に隣接する前記外縁コンクリート部の圧縮強度よりも高いことを特徴とする鉄筋コンクリート製構造物である。ここで、鉄筋コンクリート製の構造物とは、柱、梁、壁、床等であって、地震時に塑性ヒンジとなる箇所を有するものである。

前記プレキャスト型枠は、前記構造物の下端から塑性ヒンジ部範囲に少なくとも一層形成され、前記構造物に荷重が付与された際に、略剛体である前記プレキャスト型枠よりも略剛体である前記外縁コンクリート部が先に圧縮破壊し、前記プレキャスト型枠には、前記外縁コンクリート部の圧縮強度以上の圧縮応力が付与されることを防止可能であることが望ましい。

前記プレキャスト型枠および外縁コンクリート部は、繊維補強コンクリートによって形成されてもよい。

前記構造物の下端に隙間を設け外側に横拘束プレキャスト部材を配置し、前記横拘束プレキャスト部材は、帯鉄筋が埋設されたコンクリートから形成されてもよい。

前記帯鉄筋の代わりに、軸方向に対して垂直に緊張材を配置しプレストレスを与えてもよい。

前記帯鉄筋の外側に当接させて配置した保持部材と、前記保持部材に取り付けられたアンカー筋と、を具備し、前記アンカー筋は、前記構造物の中核を構成するコアコンクリート部に定着させ、前記プレキャスト型枠に埋設されてもよい。

本発明によれば、プレキャスト型枠の圧縮強度は外縁コンクリート部の圧縮強度より大きいため、荷重が増加すると外縁コンクリート部のみが圧縮破壊する。さらに荷重が増加し、変形が大きくなっても、プレキャスト型枠には外縁コンクリート部の圧縮強度以上の圧縮応力が作用することがない。したがって、軸方向鉄筋の座屈を抑制し、高い変形能力を得ることができる。

また、プレキャスト型枠には帯鉄筋が埋設されているため、帯鉄筋単体よりも、剛性および耐力が高い。したがって、構造物内部に配置されている軸方向鉄筋の座屈変形を、外縁コンクリート部より剛性が高いプレキャスト型枠が拘束する。プレキャスト型枠は前述したとおり、圧縮破壊していないことにより、この効果が発揮できる。

また、柱状体の下端には、大きな曲げモーメントが作用し、弾性限界を超え、曲げモーメントは一定になり、塑性変形が開始する。このときの曲げモーメントを一般的に全塑性モーメントという。全塑性モーメントを持つ断面を塑性ヒンジという。柱状体の塑性ヒンジ部に、少なくとも一層プレキャスト型枠を配置することによって、本発明による構造の変形性能を十分に発揮することができる。

また、プレキャスト型枠によって、座屈を抑制することが可能であるために、従来構造において座屈抑制の目的で必要であった中間帯鉄筋を省略または縮減することができる。同様に、従来構造において座屈抑制の目的で必要であった帯鉄筋量を削減することができる。したがって、配筋作業の省力化が可能であるとともに、密な配筋が不要になることから、コンクリート打設時のコンクリートの充填性を高めることができる。

また、柱状体は、軸方向鉄筋等とコンクリートによって形成されるコアコンクリート部の外縁に、強度の異なる略剛体であるプレキャスト型枠と外縁コンクリート部との積層構造を配置する構造であるため、従来の鉄筋コンクリート製構造物と同等以上の剛性を確保することができる。

また、プレキャスト型枠が繊維補強コンクリートによって形成されることで、プレキャスト型枠の剛性および耐力が向上するため、軸方向鉄筋の座屈抑制効果を高めることができる。また、外縁コンクリート部が繊維補強コンクリートによって形成されることによって、荷重の増加によって発生する外縁コンクリート部の剥落を遅らせることができる。

柱状体には、軸方向鉄筋降伏後に、外縁コンクリート部の圧縮破壊が生じ、次に外縁コンクリート部の剥落が生じる過程を経て、最大耐力に達する。最大耐力に達したのちに、コアコンクリート部の圧縮破壊および軸方向鉄筋の座屈が生じる。外縁コンクリート部が大きく剥落することにより軸方向鉄筋の座屈が生じるため、外縁コンクリート部を繊維補強コンクリートによって形成することにより、座屈の発生を遅延させるため、さらに構造物の変形性能を向上させることができる。

また、プレキャスト型枠と横拘束プレキャスト部材を併用することによって鉄筋コンクリート製の柱状構造物の座屈が生じる範囲を限定し、座屈を効果的に防止することができる。外縁コンクリート部の圧縮強度で頭打ちとなるために、プレキャスト型枠は曲げ応力によって圧縮破壊しない。一方、柱状体の軸方向について、横拘束プレキャスト部材が拘束している位置の外縁コンクリート部に対しては圧縮破壊を許容するため、横拘束プレキャスト部材が拘束している位置の柱状体に配置されている軸方向鉄筋が座屈する可能性がある。

したがって柱状体の座屈が生じる可能性がある範囲を特定することができる。また、横拘束プレキャスト部材と柱状体の間に隙間を設けるため、横拘束プレキャスト部材に対して、柱状体の曲げ圧縮応力や曲げ引張応力が伝達しにくい。横拘束プレキャスト部材によって外縁コンクリートの圧縮破壊による剥離を抑制し、柱状体の圧縮破壊による軸方向鉄筋のはらみ出しを拘束するため、座屈がさらに抑制される。

また、帯鉄筋の代わりに、軸方向に対して垂直に緊張材を配置しプレストレスを与えることによってプレキャスト型枠の剛性および耐力がさらに向上する。したがって軸方向鉄筋の座屈抑制効果をさらに高めることができる。

また、アンカー筋を柱状体の中核を構成するコアコンクリート部に定着させ、プレキャスト型枠に埋設させることにより、プレキャスト型枠の曲げ剛性および曲げ耐力が向上し、軸方向鉄筋の座屈抑制効果をさらに高めることができる。

本発明によれば、軸方向鉄筋の座屈を抑え、帯鉄筋および中間帯鉄筋の量を削減し、コンクリートの充填性を高め、鉄筋コンクリートに高い変形性能を付与することが可能な鉄筋コンクリート製の構造物を提供することができる。

構造物を示す図であり、（ａ）は全体側面図、（ｂ）はプレキャスト型枠から形成される層の断面図、（ｃ）は外縁コンクリート部の断面図。 横拘束プレキャスト部材を有する場合の構造物を示す縦断面図。 アンカー筋および保持部材を有する場合のプレキャスト型枠から形成される層の断面図。 同じ帯鉄筋量で構成した場合の本発明による構造と従来構造の変形性能の差異を示す図。

以下、本発明の実施の形態にかかる変形性能に優れた鉄筋コンクリート製の構造物について説明する。図１は構造物を示す図であり図１（ａ）は全体側面図、図１（ｂ）はプレキャスト型枠から形成される層の断面図、図１（ｃ）は外縁コンクリート部の断面図である。構造物１は、主に基礎５と、基礎５上に形成される柱状体３から構成される。構造物である柱状体３は座屈変形を生じ得る長柱構造物であり、主に鉄筋コンクリートから形成される。また、柱状体３の下端部近傍にはプレキャスト型枠７が少なくとも一層埋設され、プレキャスト型枠７の外面は柱状体３の外縁部に露出する。

柱状体３は、プレキャスト型枠７の内側に、柱状体３の中核であり、主に軸方向鉄筋１３と、配力筋１７およびコンクリートから形成されるコアコンクリート部１５を有する。コアコンクリート部１５の外側で、プレキャスト型枠７の軸方向に隣接する柱状体３の外縁部には、コンクリートによって外縁コンクリート部９が形成される。

プレキャスト型枠７には帯鉄筋１１が埋設される。また、プレキャスト型枠７を形成するコンクリートの圧縮強度は外縁コンクリート部９を形成するコンクリートの圧縮強度より高い。荷重が付与された際にプレキャスト型枠７よりも、外縁コンクリート部９が先に圧縮破壊され、外縁コンクリート部９の圧縮強度以上の圧縮応力がプレキャスト型枠７に付与されることが防止可能であればよい。プレキャスト型枠７としては、例えば５０Ｎ／ｍｍ^２程度以上の設計基準強度であればよく、外縁コンクリート部９としては、例えば２４Ｎ／ｍｍ^２程度の設計基準強度であればよい。

つまり、柱状体３の外縁部は強度の異なる略剛体であるプレキャスト型枠７と、外縁コンクリート部９との積層によって構成される。

また、柱状体３の下端には、大きな曲げモーメントが作用し、弾性限界を超え、曲げモーメントは一定になり、塑性変形が開始する。このときの曲げモーメントを一般的に全塑性モーメントという。全塑性モーメントを持つ断面を塑性ヒンジという。このように塑性変形する箇所を塑性ヒンジ部と称し、図１（ａ）において範囲Ｌで示す。プレキャスト型枠７は、柱状体３の下端から塑性ヒンジ部Ｌに少なくとも一層形成される。なお、塑性ヒンジ部Ｌは、柱状体３の外径（曲げモーメントが付与される方向の厚み）をＤとした場合に、下端から概ね１Ｄ以下の範囲となる。

プレキャスト型枠７はコアコンクリート部１５の外形を包囲する形状である。例えば、柱状体３の断面が矩形であるならば、プレキャスト型枠７の断面も矩形であり、中央部に柱状体３の断面と略同一の矩形の中空部分を有する。前述したとおり、プレキャスト型枠７には帯鉄筋１１が埋設され、コンクリートによって形成される。

構造物１は，まず基礎の配筋を行い、基礎部のコンクリートを打設する。そして軸方向鉄筋および帯鉄筋を配筋し、プレキャスト型枠７を所定の位置に配置する。軸方向鉄筋および帯鉄筋とプレキャスト型枠の配置順序は，施工方法により適宜順番を逆にする。その後に通常の型枠を組み立て、コアコンクリートおよび外縁コンクリート部９を形成するコンクリートを打設する。

プレキャスト型枠７および外縁コンクリート部９は、繊維補強コンクリートによって形成されてもよい。繊維補強コンクリートを用いることで、コンクリートの崩落を防止することができる。

次に、横拘束プレキャスト部材を有する場合の構造物について説明する。図２に、横拘束プレキャスト部材を有する場合の構造物を示す縦断面図を示す。構造物１´は主に柱状体３と基礎５から構成される。柱状体３の下端に隙間１９を設け、外側に横拘束プレキャスト部材２３を配置する。横拘束プレキャスト部材２３には帯鉄筋（図示を省略）が埋設され、コンクリートによって形成される。横拘束プレキャスト型枠２３は、柱状体３を包囲する形状であり、柱状体３の断面と略同一の中空部分を有する。柱状体３の下端部近傍には、前述したプレキャスト型枠７が埋設されている。横拘束プレキャスト部材２３の圧縮強度はプレキャスト型枠７の圧縮強度と同程度か、プレキャスト型枠の圧縮強度より低くてよい。

なお、帯鉄筋１１の代わりとして、柱状体３の軸方向に対して垂直に位置するように緊張材をプレキャスト型枠７に埋設し、プレストレスを与えてもよい。緊張材は、プレキャスト型枠７の内部の内部であって、コアコンクリート部を包囲する向きに配置される。したがって、緊張材は柱状体３の垂直方向にそれぞれ配置される。なお、緊張材としては、例えばＰＣ鋼材が使用できる。緊張材には、あらかじめプレストレス力が付与される。すなわち、柱状体３の略垂直方向には、それぞれプレストレス力が付与される。柱状体３の垂直方向には、それぞれプレストレス力が付与されることにより、軸方向鉄筋のはらみ出しを抑制し、より高い座屈抑制効果を得ることができる。

プレキャスト型枠にアンカー筋および保持部材を取り付けてもよい。図３にアンカー筋および保持部材を有する場合のプレキャスト型枠から形成される層の断面図を示す。プレキャスト型枠７ａに埋設される帯鉄筋１１ａの外側には、アンカー筋２５を保持する保持部材２７が当接される。保持部材２７は帯鉄筋１１ａとともに、プレキャスト型枠７ａに埋設される。アンカー筋２５は、コアコンクリート部１５に埋設し、定着させる。

アンカー筋２５は、帯鉄筋１１ａが外側にはらみ出ることを防止し、軸方向鉄筋１３の座屈を抑制することを目的として設置される。アンカー筋２５は、コアコンクリート部１５に定着しやすい異形鉄筋やスタッドジベル等によって形成される。アンカー筋２５は複数配置され、互いに一定間隔をあけ、略平行に配置される。

図４は同じ帯鉄筋量で構成した場合の、本発明による構造物１と従来構造の変形性能の差異を示すグラフである。縦軸には荷重を、横軸には変位を示し、グラフ中に、本発明による構造（実線）と、従来構造（破線）との変形性能の差異を示す。グラフ中の点Ａにおいて構造物にひび割れが発生し、点Ｂにおいて軸方向鉄筋の降伏が生じる。点Ｂにおける軸方向鉄筋降伏後に、荷重および変位が増加していくと、従来構造は最大耐力に達する（点Ｃ）。点Ｂから点Ｃの間に構造物のかぶりコンクリートは圧縮破壊し、かぶりコンクリートは剥落する。

かぶりコンクリートが大きく剥落することで、点Ｃ以降に軸方向鉄筋は座屈し、コアコンクリートも圧縮破壊する。繰り返し大きな荷重を受けることにより、構造物の損傷が進行し、耐力が低下していく。一方、本発明による構造物１の最大耐力は、構造物１の外縁部の圧縮破壊および外縁コンクリート部９の剥落を遅らせることによって、従来構造と比較して、同一の荷重であっても大きな変位において最大耐力に達する（点Ｄ）。したがって、構造物１は従来構造と同じ帯鉄筋量を用いて設計した場合、高い変形性能を示す。

このように、本発明の実施の形態にかかる構造物１および構造物１´によれば、軸方向鉄筋の座屈を抑え、帯鉄筋および中間帯鉄筋の量を削減し、コンクリートの充填性を高め、鉄筋コンクリートに高い変形性能を付与することが可能な鉄筋コンクリート製の構造物を提供することができる。

本発明によれば、プレキャスト型枠７の圧縮強度は外縁コンクリート部９の圧縮強度より大きいため、荷重が増加すると外縁コンクリート部９のみが圧縮破壊する。さらに荷重が増加し、変形が大きくなっても、プレキャスト型枠７には外縁コンクリート部９の圧縮強度以上の圧縮応力が作用することがない。

また、プレキャスト型枠７には帯鉄筋１１が埋設されているため、帯鉄筋単体よりも、剛性および耐力が高い。したがって、構造物１および構造物１´内部に配置されている軸方向鉄筋１３の座屈変形を、剛性が外縁コンクリート部９より高いプレキャスト型枠７が拘束する。プレキャスト型枠７は前述したとおり、圧縮破壊していないことにより、この効果が発揮できる。

また、柱状体３の塑性ヒンジ部Ｌに少なくとも一層プレキャスト型枠を配置することによって、構造物１および構造物１´の変形性能を十分に発揮することができる。

また、プレキャスト型枠７によって、座屈を抑制することが可能であるために、従来構造において座屈抑制の目的で必要であった中間帯鉄筋を省略または縮減することができる。同様に、従来構造において座屈抑制の目的で必要であった帯鉄筋量を削減することができる。したがって、配筋作業の省力化が可能であるとともに、密な配筋が不要になることから、コンクリート打設時のコンクリートの充填性を高めることができる。

また、柱状体３は、軸方向鉄筋１３等とコンクリートによって形成されるコアコンクリート部１５の外縁に、強度の異なる略剛体であるプレキャスト型枠７と外縁コンクリート部９との積層構造を配置する構造であるため、構造物１および構造物１´は、従来の鉄筋コンクリート製構造物と同等以上の剛性を確保することができる。

また、プレキャスト型枠７は、繊維補強コンクリートによって形成されることによってプレキャスト型枠７の剛性および耐力が向上するため、軸方向鉄筋１３の座屈抑制効果をさらに高めることができる。また、外縁コンクリート部９が繊維補強コンクリートによって形成されることによって、荷重の増加によって発生する外縁コンクリート部９の剥落を遅らせることができる。外縁コンクリート部９が大きく剥落することにより軸方向鉄筋の座屈が生じるため、外縁コンクリート部９を繊維補強コンクリートによって形成することにより、座屈の発生を遅延させるため、さらに構造物１および構造物１´の変形性能を向上させることができる。

また、プレキャスト型枠７と横拘束プレキャスト部材２３を併用することによって柱状体３の座屈が生じる範囲を限定し、座屈を効果的に防止することができる。外縁コンクリート部９の圧縮強度で頭打ちとなるため、プレキャスト型枠７は曲げ応力によって圧縮破壊しない。一方、柱状体３の軸方向について、横拘束プレキャスト部材２３が拘束している位置の外縁コンクリート部９に対しては圧縮破壊を許容するため、横拘束プレキャスト部材２３が拘束している位置の柱状体３に配置されている軸方向鉄筋１３が座屈する可能性がある。

したがって、柱状体３の座屈が生じる可能性がある範囲を特定することができる。また、横拘束プレキャスト部材２３と柱状体３の間に隙間１９を設けるため、横拘束プレキャスト部材２３には、柱状体３の曲げ圧縮応力や曲げ引張応力が伝達しにくい。横拘束プレキャスト部材２３によって外縁コンクリートの圧縮破壊による剥離を抑制し、柱状体３の圧縮破壊による軸方向鉄筋１３のはらみ出しを拘束するため、座屈がさらに抑制される。

また、帯鉄筋１１の代わりに、軸方向に対して垂直に緊張材を配置しプレストレスを与えることによって、プレキャスト型枠７の剛性および耐力がさらに高くなる。

また、構造物１または構造物１´のプレキャスト型枠７ａに保持部材２７を埋設し、アンカー筋２５をコアコンクリート部１５に埋設し、定着させることで、柱状体３の軸方向と垂直方向断面に配置する中間帯鉄筋の配置を省略することができる。また、保持部材２７とアンカー筋２５を有することにより、プレキャスト型枠７ａの剛性および耐力はさらに高くなる。

以上添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、各実施形態は互いに組み合わせることができることはもちろんのこと、各構成の形状や設置範囲、設置個数等は、適宜設定することができる。

また、鉄筋コンクリート製構造物としては、柱状体の例を示したが、本発明はこれに限られない。例えば、柱以外にも、梁、壁、床や、ボックスカルバート等にも適用可能である。いずれの構造物を対象とする場合であっても、プレキャスト型枠をそれぞれの構造物の塑性ヒンジ部に形成すればよい。例えば、柱、梁、壁、床の場合には、下端（端部）から所定の範囲（構造物の曲げモーメントが付与される方向の厚みと略導等の距離以下の範囲）が塑性ヒンジ部となる。また、構造物がボックスカルバート（例えば略矩形のボックスカルバートの本体内部に十字に仕切りが形成されるもの）である場合には、本体の各コーナー部および仕切りとの交差部から、それぞれ本体の厚み程度の範囲と、仕切りの本体との交差部および仕切り同士の交差部からそれぞれ本体の厚み程度の範囲が、それぞれ塑性ヒンジとなる。

１、１´………構造物
３………柱状体
５………基礎
７、７ａ………プレキャスト型枠
９………外縁コンクリート部
１１、１１ａ………帯鉄筋
１３………軸方向鉄筋
１５………コアコンクリート部
１７………配力筋
１９………隙間
２３………横拘束プレキャスト部材
２５………アンカー筋
２７………保持部材

Claims (6)

1. 鉄筋コンクリート製の構造物であって、
   前記構造物の一部には、内部に帯鉄筋が埋設されたプレキャスト型枠が埋設され、
   前記プレキャスト型枠の外面が前記構造物の外縁部に露出し、
   前記プレキャスト型枠の軸方向には外縁コンクリート部が積層され、前記プレキャスト型枠で、前記外縁コンクリート部が挟み込まれ、
   前記プレキャスト型枠の圧縮強度は、前記構造物を構成するコンクリートであって前記プレキャスト型枠の軸方向に隣接する前記外縁コンクリート部の圧縮強度よりも高いことを特徴とする鉄筋コンクリート製構造物。
2. 前記プレキャスト型枠は、前記構造物の下端から塑性ヒンジ部範囲に少なくとも一層形成され、
   前記構造物に荷重が付与された際に、略剛体である前記プレキャスト型枠よりも略剛体である前記外縁コンクリート部が先に圧縮破壊し、前記プレキャスト型枠には、前記外縁コンクリート部の圧縮強度以上の圧縮応力が付与されることを防止可能であることを特徴とする請求項１記載の鉄筋コンクリート製構造物。
3. 前記プレキャスト型枠および外縁コンクリート部は、繊維補強コンクリートによって形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鉄筋コンクリート製構造物。
4. 前記構造物の下端に隙間を設け外側に横拘束プレキャスト部材を配置し、
   前記横拘束プレキャスト部材は、鉄筋が埋設されたコンクリートから形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の鉄筋コンクリート製構造物。
5. 前記帯鉄筋の代わりに、軸方向に対して垂直に緊張材を配置しプレストレスを与えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の鉄筋コンクリート製構造物。
6. 前記帯鉄筋の外側に当接させて配置した保持部材と、
   前記保持部材に取り付けられたアンカー筋と、
   を具備し、
   前記アンカー筋は、前記構造物の中核を構成するコアコンクリート部に定着させ、前記プレキャスト型枠に埋設されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の鉄筋コンクリート製構造物。

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