JP6182843B2

JP6182843B2 - 開口を有するコンクリート梁のせん断補強効果の評価方法

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Publication number: JP6182843B2
Application number: JP2012222439A
Authority: JP
Inventors: 訓祥杉本; 克彦渋市
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2032-10-04
Also published as: JP2014074299A

Description

本発明は、開口を有するコンクリート梁のせん断補強効果の評価方法に関する。

コンクリート梁に開口（貫通孔）を設けた場合、当該開口によりコンクリート梁のせん断終局強度が低下するため、開口近傍の両側面及び下面に亘って複数のＣＦＲＰ板（炭素繊維補強樹脂板）を梁軸方向に並べて貼り付けると共に、該複数のＣＦＲＰ板を定着プレートとアンカーボルトとでコンクリート梁に定着させることによって、開口を設けたコンクリート梁のせん断終局強度を増大させることが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−６８９２１号公報

上述したように、開口を設けたコンクリート梁の開口近傍に補強材を貼り付けることによって、開口を設けたコンクリート梁のせん断補強を行うにあたり、補強材による補強効果が適正に評価されない場合には、補強材を過剰に用いてコストが増大したり、逆に補強材が不足して必要なせん断終局強度を確保できなかったりする等、コンクリート梁の構造設計が適正に行われないことが考えられる。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、開口を有するコンクリート梁を補強材を貼り付けてせん断補強する工法において、補強材によるコンクリート梁のせん断補強効果を適正に評価することを課題とするものである。

本発明に係る開口を有するコンクリート梁のせん断補強効果の評価方法は、開口を有するコンクリート梁を、ＣＦＲＰ板である補強材を貼り付けることによってせん断補強する工法における、前記補強材によるせん断補強の効果を評価する方法であって、前記補強材によるせん断補強の効果を、前記開口の中心から梁軸方向に±Ｄ（ただし、Ｄは梁せい）の範囲において、前記開口の中心からの前記補強材の貼り付け位置の前記開口からの梁軸方向への距離が長くなるほど低減され、かつ、前記距離が長くなるほど低減の勾配が小さくなる低減係数を、前記補強材のせん断補強性能に乗じることにより算出し、前記低減係数は、前記開口からの梁軸方向のすることを特徴とする。

本発明によれば、開口を有するコンクリート梁を補強材を貼り付けてせん断補強する工法において、補強材によるコンクリート梁のせん断補強効果を適正に評価することができる。

一実施形態に係るコンクリート梁を示す斜視図である。想定破壊区間の梁軸方向の長さＬ_φを示す図である。破壊モードを説明するための図である。第一の実験で用いた試験体の仕様をまとめた表である。第一の実験で用いた試験体における使用材料の強度をまとめた表である。第一の実験で用いた試験体の形状寸法の一例を示している。第二の実験で用いた試験体の仕様をまとめた表である。第二の実験で用いた試験体における使用材料の強度をまとめた表である。第二の実験で用いた試験体の形状寸法の一例を示している。第一及び第二の実験で使用する加力装置を示す立面図である。第一の実験の結果をまとめた表である。第二の実験の結果をまとめた表である。（Ａ）、（Ｂ）は、せん断力と変形角（部材角）との関係を示すグラフである。変形角が＋１／２５０の時の、ＣＦＲＰ板の歪度と開口からの距離との関係をまとめたグラフである。変形角が＋１／１５０の時の、ＣＦＲＰ板の歪度と開口からの距離との関係をまとめたグラフである。開口の中心からの距離Ｌ_ｎと低減係数α_ｎとの関係を示すグラフである。ｎ番目のＣＦＲＰ板の定着プレートとの付着面積を説明するための図である。ｎ番目のＣＦＲＰ板の定着部の位置の定着プレートの付着面積を説明するための図である。第一及び第二の実験結果と上述の評価方法による算出結果とを比較するグラフである。４枚２組のＣＦＲＰ板により補強したコンクリート梁を示す図である。８枚４組のＣＦＲＰ板により補強したコンクリート梁を示す図である。１２枚６組のＣＦＲＰ板により補強したコンクリート梁を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係るコンクリート梁１０を示す斜視図である。これらの図に示すように、コンクリート梁１０の上面はスラブ１に接合されており、梁軸方向の中間部には、梁幅方向に貫通する円状の開口１２が形成されている。

また、コンクリート梁１０の開口１２を梁軸方向に挟んだ両側にはそれぞれ、複数組（例えば図示するように片側３組）のＣＦＲＰ板（炭素繊維強化樹脂板）１４が、梁軸方向に所定間隔おきに配されている。各ＣＦＲＰ板１４はＬ字状に構成されており、各組一対のＣＦＲＰ板１４の一方は、コンクリート梁１０の一方の側面と下面とにエポキシ樹脂系接着剤により接着され、他方のＣＦＲＰ板１４は、コンクリート梁１０の他方の側面と一方のＣＦＲＰ板１４の下辺に接着されている。即ち、各組一対のＣＦＲＰ板１４はＵ字状に組み合わせられて、コンクリート梁１０の両側面と下面とに亘って接着されている。また、各ＣＦＲＰ板１４の両端は、開口１２の上端よりも上側のスラブ１の近傍まで延びている。

コンクリート梁１０の開口１２の両側面にはそれぞれ、定着プレート１６が配されている。定着プレート１６は、コンクリート梁１０の側面上部においてコンクリート梁１０の長手方向に延びる長尺の鋼板であり、コンクリート梁１０の側面上部及び複数のＣＦＲＰ板１４の上端にエポキシ樹脂系接着剤により接着されている。この定着プレート１６の長手方向中央下部には、開口１２を塞がないようにするための円弧状の切欠き部が形成されている。

また、コンクリート梁１０には、複数のアンカーボルト１８が、梁軸方向に所定間隔おきに配されている。各アンカーボルト１８は、開口１２より上側におけるＣＦＲＰ板１４間、又はＣＦＲＰ板１４よりも開口１２側、又はＣＦＲＰ板１４よりも開口１２の反対側に配されている。また、各アンカーボルト１８の両端にはナットが取り付けられており、該ナットにより定着プレート１６が締め付けられることにより、ＣＦＲＰ板１４の上端がコンクリート梁１０に定着されている。

以下、コンクリート梁１０のせん断補強効果の評価方法について説明する。本実施形態に係る評価方法では、開口１２を設けることにより低下したコンクリート梁１０のせん断終局強度に対するＣＦＲＰ板１４による補強効果を評価する。また、本実施形態では、下記（１）式で示すように、補強後のコンクリート梁１０のせん断終局強度Ｑ_{ｓｕｏ_ｓｔ}が、開口１２を設ける前のコンクリート梁のせん断終局強度Ｑ_ｓｕ以上となるように、コンクリート梁１０を補強する。

ここで、開口１２を設ける前のコンクリート梁のせん断終局強度Ｑ_ｓｕ[Ｎ]は、耐震診断基準において示される一般の梁のせん断終局強度と同様に、下記（２）式で表される。

また、補強後のコンクリート梁１０のせん断終局強度Ｑ_{ｓｕｏ_ｓｔ}[Ｎ]は下記（３）式で表される。ここで、開口１２を設けることによりコンクリート梁１０のせん断補強筋が切断される可能性があることを考慮して、開口１２の周囲のせん断補強筋比Ｐｓを求め、ＣＦＲＰ板１４による補強効果Ｑ_ＣＦＲＰ[Ｎ]は、本来はせん断補強筋による効果を表す下記（３）式の第二項に導入している。

なお、図２に示すように、想定破壊区間の梁軸方向の長さＬ_φは、複数のＣＦＲＰ板１４のうち梁軸方向の両側の最外に位置する一対のＣＦＲＰ板１４の、その梁軸方向の外端同士の距離とする。ただし、Ｑ_ＣＦＲＰ／ｂＬ_φが過大にならないように、Ｌ_φは１．０Ｄ以上とする。

ところで、コンクリート梁１０の開口１２の周囲では３つの破壊モードが想定される。１つ目はＣＦＲＰ板１４の破壊、２つ目は接着剤の破壊、３つ目はアンカーボルトの破壊である。ここで、ＣＦＲＰ板１４による補強効果Ｑ_ＣＦＲＰ[Ｎ]は、上記３つの破壊モードの何れかが発生したら発揮されなくなるため、下記（４）式で示すように、ＣＦＲＰ板１４の引張強度により決まる補強効果Ｎ_{ＣＦ_ａｌｌ}と、アンカーボルト１８のせん断耐力又はコンクリートへの定着耐力により決まる補強効果Ｑ_ｂｏｌｔと、接着により決まる補強効果Ｑ_ｂｏｎｄとのうちの最小値とする（図３参照）。

ここで、ＣＦＲＰ板１４による補強効果Ｑ_ＣＦＲＰ[Ｎ]を確認する試験を実施したので、当該実験について以下説明する。本実験は、ＣＦＲＰ板１４による補強効果を確認することを目的とする第一の実験と、ＣＦＲＰ板１４の枚数、すなわち補強量によるコンクリート梁１０の構造性能の変化を、開口１２が梁の中央または端部（梁端から１．０Ｄ）に設けられた場合において確認することを目的とする第二の実験とを実施した。

図４の表は、上記第一の実験で用いた試験体の仕様をまとめたものであり、図５の表は、本実験で用いた試験体における使用材料の強度をまとめたものである。さらに、図６では、本実験で用いた試験体１００、１０１の形状寸法の一例を示している。なお、Ｂ１５−ＲＣ、Ｂ１５−Ｏ、Ｂ１５−ＣＦＲＰなる試験体は、せん断スパン比が１．５の試験体である。また、Ｂ２０−ＲＣ、Ｂ２０−Ｏ、Ｂ２０−ＣＦＲＰなる試験体は、せん断スパン比が２．０の試験体である。また、Ｂ１５−ＲＣ、Ｂ２０−ＲＣなる試験体は、開口が無くＣＦＲＰ板による補強も無い試験体であり、Ｂ１５−Ｏ、Ｂ２０−Ｏなる試験体は、開口が有りＣＦＲＰ板による補強が無い試験体である。さらに、Ｂ１５−ＣＦＲＰ、Ｂ２０−ＣＦＲＰなる試験体は、開口が有りＣＦＲＰ板による補強も有る試験体である。

また、図７の表は、上記第二の実験で用いた試験体の仕様をまとめたものであり、図８の表は、本実験で用いた試験体における使用材料の強度をまとめたものである。さらに、図９では、本実験で用いた試験体１０２、１０３の形状寸法の一例を示している。

本実験では、図１０に示すように、梁軸方向に離して配された２台のアクチュエータ３と加力用治具４とを備える加力装置２を使用して試験体に逆対称分布となる曲げモーメントを作用させた。即ち、試験体１００〜１０３の左右のスタブ１０４（図６及び図９参照）を平行に維持するように試験体１００〜１０３の変形を制御しながら正負交番繰り返し載荷を実施することにより、試験体１００〜１０３にせん断力を与えた。

そして、試験体に曲げによるひび割れ、せん断によるひび割れが発生したときのせん断力と、試験体が破壊に至ったときのせん断力（最大せん断耐力）を測定した。なお、最大せん断耐力と上述のせん断終局強度は同義である。また、試験体１００の全体変位（部材角）、各部の変位を計測するとともに、主筋、せん断補強筋とＣＦＲＰ板１４の表面とに貼り付けた歪みゲージにより歪度を計測した。なお、部材角は、左右のスタブ１０４に固定した変位計測用治具の間の相対変位として計測した全体変位を、部材のスパン長で除した値である。

図１１は、第一の実験の結果（ひび割れ発生時のせん断力と最大せん断耐力）をまとめた表である。この表に示すように、開口を設けてＣＦＲＰ板による補強を施していない試験体（Ｂ１５−Ｏ、Ｂ２０−Ｏ）の最大せん断耐力[Ｎ]は、開口の無い試験体（Ｂ１５−ＲＣ、Ｂ２０−ＲＣ）の最大せん耐力[Ｎ]と比較して低下した。また、ＣＦＲＰ板による補強を施した試験体（Ｂ１５−ＣＦＲＰ、Ｂ２０−ＣＦＲＰの最大せん断耐力[Ｎ]が、開口の無い試験体（Ｂ１５−ＲＣ、Ｂ２０−ＲＣ）の最大せん断耐力[Ｎ]と同等以上になった。

図１２は、第二の実験の結果（ひび割れ発生時のせん断力と最大せん断力）をまとめた表である。この表に示すように、Ｎｏ．２の梁軸方向中央部に開口を設けた試験体と、Ｎｏ．３の梁端部に開口を設けた試験体とは、Ｎｏ．１の開口無し補強無しの試験体と比較して最大せん断耐力が低下した。また、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３の試験体とでは、共に開口周辺の損傷が顕著であり、破壊時には開口上下のコンクリートの多くが剥落した。一方、開口の周辺に補強を施したＮｏ．４、Ｎｏ．５、Ｎｏ．６、Ｎｏ．７では、最大せん断耐力はＮｏ．１の試験体と同等以上であり、開口周辺の損傷についてもＣＦＲＰ板による拘束によって抑制された。

また、梁軸方向中央に開口を設け補強量を変化させたＮｏ．４、Ｎｏ．５の試験体を比較し、梁端部に開口を設け補強量を変化させたＮｏ．６、Ｎｏ．７の試験体を比較したところ、それぞれ補強量を増やしたことによって最大せん断耐力の増加は確認できた。しかしながら、Ｎｏ．５の補強量はＮｏ．４の補強量の３倍、Ｎｏ．７の補強量はＮｏ．６の補強量の３倍であることを考慮すると、補強量を増やすことによる最大せん断耐力の増加はわずかであったといえる。

また、図１３（Ａ）、（Ｂ）は、せん断力と変形角（部材角）との関係を示すグラフである。図１３（Ａ）のグラフに示すように、梁軸方向中央に開口を設け補強量を変化させたＮｏ．４、Ｎｏ．５の試験体を比較し、図１３（Ｂ）のグラフに示すように、梁端部に開口を設け補強量を変化させたＮｏ．６、Ｎｏ．７の試験体を比較したところ、変形角に大きな差がないことが確認できた。これは、開口からの距離が長い位置のＣＦＲＰ板は、それよりも開口からの距離が短い位置のＣＦＲＰ板と比べて補強性能を発揮できなかったことが原因であると考えられる。

また、図１４は、変形角が＋１／２５０の時の、ＣＦＲＰ板の歪度と開口からの距離との関係をまとめたグラフであり、図１５は、変形角が＋１／１５０の時の、ＣＦＲＰ板の歪度と開口からの距離との関係をまとめたグラフである。これらのグラフでは、横軸は梁端からの距離であり、Ｎｏ．６、Ｎｏ．７の試験体の開口は梁端から５００ｍｍの位置に設けられ、Ｎｏ．４，Ｎｏ．５の試験体の開口は梁端から１０００ｍｍの位置に設けられている。

これらのグラフから、ＣＦＲＰ板の歪度は、開口に最も近い位置のものが最も大きく、開口からの距離が長くなるにつれて小さくなる傾向があることが確認できた。このことから、ＣＦＲＰ板の配置を開口の近傍にすればするほど、高い補強性能が発揮されると考えられる。

以上の実験結果に鑑み、ＣＦＲＰ板１４による補強効果Ｑ_ＣＦＲＰ[Ｎ]を評価するにあたっては、下記（５）式に示す、開口１２の中心からの距離が長くなるほどせん断終局強度への寄与度を低減するための低減係数α_ｎを用いる。図１６は、開口１２の中心からの距離Ｌ_ｎと低減係数α_ｎとの関係を示すグラフである。

それにより、全てのＣＦＲＰ板１４の有効引張力、即ち、全てのＣＦＲＰ板１４により決まる補強効果の大きさは下記（６）式により表される。

また、定着プレート１６により決まる補強効果の大きさは下記（７）、（７．１）〜（７．４）式により表される。

なお、図１７に示すように、ｎ番目のＣＦＲＰ板１４の定着プレート１６との付着面積は、各ＣＦＲＰ板１４の定着プレート１６と重なり合う面積ａ_{ＣＦ_１}〜ａ_{ＣＦ_６}である。また、図１８に示すように、ｎ番目のＣＦＲＰ板１４の定着部の位置の定着プレート１６の付着面積は、ａ_{ＦＢ_１}〜ａ_{ＦＢ_６}であり、定着プレート１６の中央部分の付着面積は、ａ_{ＦＢ_ｃｅｎ}である。

また、アンカーボルト１８により決まる補強効果の大きさは下記（８）、(８．１)、（８．２）式により表される。

図１９は、第一及び第二の実験結果と上述の評価方法による算出結果とを比較するグラフである。このグラフでは、せん断終局強度の実験値Ｑ_ｍａｘと日本建築学会の鉄筋コンクリート構造計算規準の曲げ強度略算式により求めた曲げ強度Ｑ_ｍｕとの比Ｑ_ｍａｘ／Ｑ_ｍｕを縦軸に、せん断終局強度の上述の評価方法により求めた値Ｑ_ｓｕと上記曲げ強度Ｑ_ｍｕとの比Ｑ_ｓｕ／Ｑ_ｍｕを横軸にとっている。

このグラフに示すように、縦軸のＱ_ｍａｘ／Ｑ_ｍｕと横軸のＱ_ｓｕ／Ｑ_ｍｕとは近似しているといえるので、本評価方法により、開口を有するコンクリート梁のＣＦＲＰ板による補強効果が適切に評価できているといえる。

以下、開口を有するコンクリート梁のせん断終局強度を評価した実施例について説明する。

まず、開口が無いコンクリート梁のせん断終局強度Ｑ_ｓｕについて検討する。当該コンクリート梁の仕様は、以下に示すとおりであり、せん断終局強度Ｑ_ｓｕは（２）式により次のようになる。

次に、図２０に示すように、４枚２組のＣＦＲＰ板１４により補強したコンクリート梁１１１のせん断終局強度Ｑ_{ｓｕｏ_ｓｔ}について検討する。以下に示す仕様のアンカーボルト１８を各面４本計８本使用する。せん断終局強度Ｑ_{ｓｕｏ_ｓｔ}は上記（３）〜（８）式により次のようになる。

ここで、補強後のコンクリート梁１１１のせん断終局強度Ｑ_{ｓｕｏ_ｓｔ}は、開口が無いコンクリート梁１１０のせん断終局強度Ｑ_ｓｕよりも小さくなるため、目標値を満足しない。よって、ＣＦＲＰ板１４の数をさらに増やした場合について検討する。

図２１に示すように、８枚４組のＣＦＲＰ板１４により補強したコンクリート梁１１２のせん断終局強度Ｑ_{ｓｕｏ_ｓｔ}について検討する。上記コンクリート梁１１１と同様の仕様のアンカーボルト１８を各面６本計１２本使用する。せん断終局強度Ｑ_{ｓｕｏ_ｓｔ}は上記（３）〜（８）式により次のようになる。

ここで、補強後のコンクリート梁１１２のせん断終局強度Ｑ_{ｓｕｏ_ｓｔ}は、開口が無いコンクリート梁１１０のせん断終局強度Ｑ_ｓｕよりも小さくなるため、目標値を満足しない。よって、ＣＦＲＰ板１４の数をさらに増やした場合について検討する。

図２２に示すように、１２枚６組のＣＦＲＰ板１４により補強したコンクリート梁１１３のせん断終局強度Ｑ_{ｓｕｏ_ｓｔ}について検討する。上記コンクリート梁１１１、１１２と同様の仕様のアンカーボルト１８を各面８本計１６本使用する。せん断終局強度Ｑ_{ｓｕｏ_ｓｔ}は次のようになる。

補強後のコンクリート梁１１３のせん断終局強度Ｑ_{ｓｕｏ_ｓｔ}は、開口が無いコンクリート梁のせん断終局強度Ｑ_ｓｕよりも大きくなるため、目標値を満足する。

以上説明したように、本実施形態に係る開口１２を有するコンクリート梁１０のせん断補強効果の評価方法では、補強材たるＣＦＲＰ板１４によるせん断補強の効果を、ＣＦＲＰ板１４の貼り付け位置の開口１２からの梁軸方向への距離が長くなるほど低減されるとして算出する。即ち、ＣＦＲＰ板１４による補強効果は、ＣＦＲＰ板１４の貼付位置が開口１２から梁軸方向に離れるにつれて低減するという上記実験により得られた知見に従って、開口１２を有するコンクリート梁１０のＣＦＲＰ板１４によるせん断補強効果を評価する。

これにより、例えば、より少ない数のＣＦＲＰ板１４を、その貼付位置が開口１２により近くなるようにする等して、開口１２を有するコンクリート梁１０のせん断補強を効率よく行うことが可能になる。また、ＣＦＲＰ板１４によるせん断補強効果を過大に評価することを防止できるため、コンクリート梁１０の構造設計においてせん断終局強度が不足すること等を防止できる。

また、ＣＦＲＰ板１４によるせん断補強の効果を、ＣＦＲＰ板１４の貼り付け位置の開口１２からの梁軸方向への距離が長くなるほど低減される低減係数α_ｎを、ＣＦＲＰ板１４の補強性能（有効引張荷重Ｎ_ＣＦＲＰやＣＦＲＰ板１４の上側定着部における接着力Ｑ_{ｂｏｎｄ＿ＣＦＲＰ}や定着プレート１６の梁側面への接着力Ｑ_{ｂｏｎｄ＿ＦＢ}等）に乗じることにより算出する。これにより、ＣＦＲＰ板１４によるせん断補強の効果を、ＣＦＲＰ板１４の貼り付け位置の開口１２からの梁軸方向への距離が長くなるほど低減されるとして算出することができる。

なお、上述の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。例えば、上述の実施形態では、補強材としてＣＦＲＰ板を用いたが、鋼材等の他の補強材を用いてもよい。また、補強材のコンクリート梁への貼り付け方は、せん断補強効果が得られればよく、例えば、本実施形態のように、補強材を梁軸方向に対して直交するようにコンクリート梁に貼り付けるのではなく、補強材を梁軸方向及びその直交方向に対して傾斜するようにコンクリート梁に貼り付けてもよい。

さらに、上記実施形態では、開口の両側にそれぞれ複数の補強材を貼り付けたが、開口の両側にそれぞれ梁軸方向に長い１枚の面状の補強材を貼り付ける等してもよい。この場合には、補強効果を積分計算により求めることができる。

１スラブ、２加力装置、３アクチュエータ、４加力用治具、１０コンクリート梁、１２開口、１４ＣＦＲＰ板、１６定着プレート、１８アンカーボルト、１００、１０１、１０２、１０３試験体、１０４スタブ、１１１、１１２、１１３コンクリート梁

Claims

開口を有するコンクリート梁を、ＣＦＲＰ板である補強材を貼り付けることによってせん断補強する工法における、前記補強材によるせん断補強の効果を評価する方法であって、
前記補強材によるせん断補強の効果を、前記開口の中心から梁軸方向に±Ｄ（ただし、Ｄは梁せい）の範囲において、前記開口の中心からの前記補強材の貼り付け位置の前記開口からの梁軸方向への距離が長くなるほど低減され、かつ、前記距離が長くなるほど低減の勾配が小さくなる低減係数を、前記補強材のせん断補強性能に乗じることにより算出し、
前記低減係数は、前記開口からの梁軸方向のすることを特徴とするコンクリート梁のせん断補強効果の評価方法。