JP6632276B2 - 定着筋の定着方法 - Google Patents

Description

本発明は、定着筋の定着方法に関するものである。

一般に、建築構造の増改築、補修・補強の分野においては、鉄筋コンクリート製の建築構造物の構造躯体に、新たな構造躯体を増築することが行われている。この場合、既存の構造躯体と新たな構造躯体を接合して、相互に応力を伝達する手段として、あと施工アンカーが多く用いられている。

あと施工アンカーの一端は、既存のコンクリート躯体にドリルなどで開設した孔内に挿入されて、既存のコンクリート躯体に定着される。他端は、既存のコンクリート躯体から突出しており、これに新たな構造躯体の鉄筋やコンクリートが接合される。このようにして、既存の構造躯体と新たな構造躯体は接合される。

躯体間の接合において、構造躯体に作用する力を、既存の構造躯体と新たな構造躯体との間で伝達させるために、接着系あと施工アンカーが多用されている。接着系あと施工アンカーにおいては、既存躯体に穿孔した孔にあと施工アンカーと接着剤を設置し、接着剤を硬化させることにより、あと施工アンカーが既存コンクリートに定着される。これにより、アンカーと既存コンクリート間で応力が伝達される。この先行技術としては、以下の特許文献１−３が知られている。

特許文献１には、図１２に示すような、あと施工アンカー用カプセルが開示されている。カプセル１００には、接着剤が封入されている。カプセル１００は、構造躯体に開設された孔１０１に挿入された後、ハンマーなどによって、アンカー部材１０２が挿入されることで、破砕される。カプセル１００内部の接着剤は、孔１０１とアンカー部材１０２との間に充填されて硬化することで、アンカー部材１０２が構造躯体に定着されている。接着剤としては、樹脂組成物が使用されている。

特許文献２には、コンクリート構造物の表面に孔を開設して、一定の値の膨張圧を有する充填材を充填し、アンカー筋を挿入する、あと施工アンカー工法が開示されている。充填材としては、充填材を膨張させて圧力を発生させるために、セメントなどの無機系充填材に対して特殊に膨張材を配合したものが使用されている。

特許文献３には、図１３に示すような、合成樹脂アンカー工法が開示されている。本方法においては、構造躯体に開設された孔１１０に合成樹脂１１１を充填した後、先端にナット１１３が螺合されたアンカー１１２が挿入されている。

一般に、上記のような接着系あと施工アンカーは、既存の構造躯体と新たな構造躯体との間に、主としてせん断力を伝達するために用いられている。せん断力を伝達するためには、あと施工アンカーの定着長さ、すなわち、あと施工アンカーが孔に挿入されて、接着剤により定着される部分の長さは、あと施工アンカーの径の７〜１０倍程度あれば十分であり、したがって、あと施工アンカーは、一般には、径の７〜１０倍程度の深さだけ、孔に挿入されて、定着されている。

また、穿孔される孔の径は、接着剤の使用量を減らすため、図１２に示されるように極力小さく、あと施工アンカーの径と概ね同じ程度であるように、穿孔されるのが通常である。

特開２０１０− １３９０２号公報 特開２０１５− ４０４０７号公報 特開昭５７− ６６２５１号公報

上記のように、あと施工アンカーの定着長さが径の７〜１０倍程度しかない場合には、既存の構造躯体と新たな構造躯体との間に作用する引張力に対しては、十分に対抗することができない。このような構造において、大きな引張力が構造躯体間に作用すると、あと施工アンカーの定着部近辺のコンクリートが、付着破壊、あるいはコーン状破壊により破壊される。コンクリートが破壊されると、以降は、既存の構造躯体と新たな構造躯体との間に力が伝達されなくなる。すなわち、既存の構造躯体と新たな構造躯体との間に作用する引張力に十分に対抗するためには、定着長さをより長くして引張力をコンクリートに十分に伝達させて、引張力が作用したときにコンクリートが破壊されることなく、鉄筋が降伏して伸びるように設計しなくてはならない。

十分な付着性能を確保するためには、上記のように、通常よりも深く孔を開設して、この深い孔に、接着剤を充填する必要があるが、このとき、定着長さの全長にわたって、接着剤が、空隙がないように、確実に充填されなければならない。しかし、孔を深くした場合、図１２に示されているような、カプセル１００を挿入する方法によって、長い孔の中全体に接着剤を確実に充填することは容易ではない。特に、紙等のフィルムで密封されているカプセル１００を挿入する方法においては、カプセル１００が破砕された後に、カプセル１００の外容器を構成して接着剤を包む紙や布などの物質が孔内に残留するため、これによって接着剤の十分な充填が妨げられ、施工が確実でなくなる可能性もある。また、接着剤を孔の中に直接注入する場合であっても、上記のように、孔の径が小さく、孔壁とあと施工アンカー間の隙間が小さい場合は、長い孔の中に接着剤を確実に充填することは容易ではない。すなわち、引張力への十分な対抗と、施工の容易性を両立させることは困難である。

また、孔壁の付着強度を高く確保し、施工の確実性を向上させるために、上記の特許文献１、３に開示されているように、接着剤として有機系材料を用いることが多いが、有機系材料は高価である。特許文献２は、無機系材料を使用しているが、有機系材料と比較すると孔壁における付着強度が低くなるため、上記のように、接着剤を膨張させて圧力を発生させるために、無機系材料に対して特殊に膨張材を配合している。このため、上記のような方法においては、材料費が嵩むという問題がある。

更に、接着剤と孔壁との間の付着強度を、少なくともあと施工アンカーと接着剤との間の付着強度よりも高くしようとすると、上記のように、孔の径があと施工アンカーの径と概ね同じ程度となるように、孔を穿孔する場合には、単位面積当たりの孔壁の付着強度は、あと施工アンカーと同等の付着強度が必要となる。したがって、高い付着強度を実現するために、孔壁表面が凹凸を有するように、ハンマードリルなどで孔を開設するのが一般であるが、ハンマードリルは使用時に大きな騒音を発するという問題がある。他方、騒音を小さくするためにコアドリルを使用すると、孔壁表面が滑らかとなり、十分な付着強度を確保できない。このように、従来の施工方法においては、施工時の騒音の低減と、引張力への十分な対抗を両立させることが困難である。

本発明が解決しようとする課題は、引張力への対抗力が高く、施工コストが低減可能な、定着筋の定着構造及び定着方法を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、鉄筋コンクリート製の既存構造躯体に、新たな構造躯体を増築する際に適用される、定着筋の定着構造であって、前記既存構造躯体のコンクリートに設けられた孔に、定着筋が挿入され、該定着筋が、前記孔と定着筋との間隙に注入方式により充填された充填材によって定着されており、前記孔の深さは、前記定着筋の径ｄの１５倍以上であり、前記孔の径Ｈは、Ｈ≧τ_{ｂｓｕ（ｃ）}／τ_ｂｈｕ×ｄまたはＨ≧Ｋ×ｄを満たし（ただし、τ_{ｂｓｕ（ｃ）}は前記定着筋周長におけるコンクリートに対する単位面積あたりの付着強度、τ_ｂｈｕは前記孔の壁面における単位面積あたりの付着強度、Ｋは前記定着筋表面のコンクリートに対する付着抵抗と前記孔の壁面における付着抵抗の比である）、前記充填材は、前記既存構造躯体のコンクリートよりも圧縮強度が高い無機系材料である、定着筋の定着構造を提供する。
上記のような構成によれば、孔の深さが定着筋の径ｄの１５倍以上深くなるようにして、定着長さを十分に長くしている。また、孔の径Ｈは、τ_{ｂｓｕ（ｃ）}／τ_ｂｈｕ×ｄまたはＫ×ｄ以上の値を有している。更に、充填材として既存構造躯体のコンクリートよりも圧縮強度が高いものを使用している。本発明は、これらの条件を満たすことにより、大きな引張力が発生した際に、定着筋と充填材との間に、また、充填材と孔壁との間に、付着破壊を発生させず、その代わりに定着筋が降伏して伸びる構造を実現している。一旦付着破壊が発生すると、以降は破壊された部位の定着筋は、荷重を維持することができないが、降伏して伸びた鉄筋は荷重を維持し続けることが可能である。したがって、従来の構造よりも確実に引張力を伝達し続けることが可能である。
また、孔壁と定着筋の間に十分な間隙が設けられる程度に、孔の径Ｈは十分に大きくなっている。これにより、充填材を密実に充填することが可能となり、施工が容易となる。
また、充填材として無機系材料を使用している。上記のような構成は、上述したように高い定着性能を有しているため、充填材を膨張させて圧力を発生させるために、無機系材料に対して、膨張材を特殊に配合する必要がない。これにより、材料費を低減することが可能である。特に、孔に充填材を充填した後に定着筋を挿入する場合を考えると、高価な充填材を使用する際には、定着筋により押しだされて孔から溢れ出る無駄な充填材がないように、孔への充填量を正確に計算する必要があるし、充填量を懸念するあまり充填量が少なくなり、充填材が密実に充填されない可能性もある。安価な無機系材料を使用することによって、このような懸念をなくし、施工を容易にすることも可能である。
したがって、上記の構成によって、確実な引張力の伝達、施工の容易性、及び材料費の低減を両立させることが可能である。
また、孔への充填材の充填が、充填材が封入されたカプセルを挿入するカプセル方式ではなく、充填材を孔の中に直接注入する注入方式によって行われるため、孔が深い場合であっても、孔の中全体に確実に充填材を充填することが可能であり、また、カプセル方式の場合に生じ得た、カプセルを構成する物質の孔内への残留をなくすことが可能となる。これによって、施工を確実にし、かつ、引張力の伝達性能を更に高めることができる。
更に、孔の径Ｈは、τ_{ｂｓｕ（ｃ）}／τ_ｂｈｕ×ｄまたはＫ×ｄ以上の、十分な大きさを有しているため、孔壁の表面積が大きくなり、単位面積当たりで負担すべき付着強度が小さくなる。したがって、孔壁表面が凹凸を有さずとも、定着構造全体で十分に強い付着性能を実現することができるため、穿孔にコアドリルを使用することが可能となり、施工時の騒音を低減することができる。

前記定着筋の挿入端に、該定着筋の径ｄよりも大きな定着具が接合されていてもよい。
このような構成によれば、定着具によって定着性能を更に向上させることができるため、定着長さを短くすることが可能となる。すなわち、定着具や充填材の量を低減することができるため、材料費を更に低減することが可能となる。
また、孔に充填材を充填した後に定着筋を挿入する場合には、孔への挿入時に、定着具が孔内に充填された充填材に圧力をかけることにより、孔内に充填材を密実に充填することが可能となる。したがって、付着性能を向上させ、更に確実に引張力を伝達することが可能である。

前記孔の壁面は粗面処理されていてもよい。
このような構成によれば、付着性能を向上させ、更に確実に引張力を伝達することが可能である。

また、本発明は、鉄筋コンクリート製の既存構造躯体に、新たな構造躯体を増築するに際し、前記既存構造躯体のコンクリートに孔を設けること、前記孔に定着筋を挿入すること、前記孔と定着筋との間隙に注入方式により充填材を充填すること、を含む、定着筋の定着方法であって、前記孔の深さは、前記定着筋の径ｄの１５倍以上であり、前記孔の径Ｈは、Ｈ≧τ_{ｂｓｕ（ｃ）}／τ_ｂｈｕ×ｄまたはＨ≧Ｋ×ｄを満たし（ただし、τ_{ｂｓｕ（ｃ）}は前記定着筋周長におけるコンクリートに対する単位面積あたりの付着強度、τ_ｂｈｕは前記孔の壁面における単位面積あたりの付着強度、Ｋは前記定着筋表面のコンクリートに対する付着抵抗と前記孔の壁面における付着抵抗の比である）、前記充填材は、前記既存構造躯体のコンクリートよりも圧縮強度が高い無機系材料である、定着筋の定着方法を提供する。
上記のような構成によれば、孔の深さが定着筋の径ｄの１５倍以上深くなるようにして、定着長さを十分に長くしている。また、孔の径Ｈは、τ_{ｂｓｕ（ｃ）}／τ_ｂｈｕ×ｄまたはＫ×ｄ以上の値を有している。更に、充填材として既存構造躯体のコンクリートよりも圧縮強度が高いものを使用している。本発明は、これらの条件を満たすことにより、大きな引張力が発生した際に、定着筋と充填材との間に、また、充填材と孔壁との間に、付着破壊を発生させず、その代わりに定着筋が降伏して伸びる構造を実現している。一旦付着破壊が発生すると、以降は破壊された部位の定着筋は、荷重を維持することができないが、降伏して伸びた鉄筋は荷重を維持し続けることが可能である。したがって、従来の構造よりも確実に引張力を伝達し続けることが可能である。
また、孔壁と定着筋の間に十分な間隙が設けられる程度に、孔の径Ｈは十分に大きくなっている。これにより、充填材を密実に充填することが可能となり、施工が容易となる。
また、充填材として無機系材料を使用している。上記のような構成は、上述したように高い定着性能を有しているため、充填材を膨張させて圧力を発生させるために、無機系材料に対して、膨張材を特殊に配合する必要がない。これにより、材料費を低減することが可能である。特に、孔に充填材を充填した後に定着筋を挿入する場合を考えると、高価な充填材を使用する際には、定着筋により押しだされて孔から溢れ出る無駄な充填材がないように、孔への充填量を正確に計算する必要があるし、充填量を懸念するあまり充填量が少なくなり、充填材が密実に充填されない可能性もある。安価な無機系材料を使用することによって、このような懸念をなくし、施工を容易にすることも可能である。
したがって、上記の構成によって、確実な引張力の伝達、施工の容易性、及び材料費の低減を両立させることが可能である。
また、孔への充填材の充填が、充填材が封入されたカプセルを挿入するカプセル方式ではなく、充填材を孔の中に直接注入する注入方式によって行われるため、孔が深い場合であっても、孔の中全体に確実に充填材を充填することが可能であり、また、カプセル方式の場合に生じ得た、カプセルを構成する物質の孔内への残留をなくすことが可能となる。これによって、施工を確実にし、かつ、引張力の伝達性能を更に高めることができる。
更に、孔の径Ｈは、τ_{ｂｓｕ（ｃ）}／τ_ｂｈｕ×ｄまたはＫ×ｄ以上の、十分な大きさを有しているため、孔壁の表面積が大きくなり、単位面積当たりで負担すべき付着強度が小さくなる。したがって、孔壁表面が凹凸を有さずとも、定着構造全体で十分に強い付着性能を実現することができるため、穿孔にコアドリルを使用することが可能となり、施工時の騒音を低減することができる。

本発明によれば、引張力への対抗力が高い定着筋の定着構造及び定着方法を、提供することが可能となる。

好ましい様態では、施工コストの低減が可能である。

本発明の第１の実施形態として示した定着筋の定着構造の、一部断面視した側面図である。 本発明の第１の実施形態として示した定着筋の定着構造において、定着長さと定着筋の径との関係の一例を示した表である。 本発明の第１の実施形態として示した定着筋の定着構造における、付着強度の説明図である。 本発明の第１の実施形態として示した定着筋の定着構造における、付着強度の説明図である。 本発明の第１の実施形態として示した定着筋の定着方法を示す、一部断面視した側面図である。 本発明の第２の実施形態として示した定着筋の定着構造の、一部断面視した側面図である。 本発明の第２の実施形態として示した定着筋の定着方法を示す、一部断面視した側面図である。 本発明の第２の実施形態として示した定着筋の定着方法において使用する型枠を示す斜視図である。 定着筋の定着構造の実験に用いた試験装置への、定着筋の設置状況を示す説明図である。 定着筋の定着構造の実験結果を示すグラフである。 定着筋の定着構造の実験結果を示す表である。 従来の定着筋の定着構造を示す説明図である。 従来の定着筋の定着構造を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態として示した定着筋の定着構造１の、一部断面視した側面図である。定着筋の定着構造１は、鉄筋コンクリート製の既存構造躯体３に、新たな構造躯体を増築する際に適用される。

定着筋の定着構造１においては、既存構造躯体３のコンクリートＣに設けられた孔４に、定着筋２が挿入され、定着筋２が、孔４と定着筋２との間隙に充填された充填材５によって定着されている。

定着筋２、すなわちあと施工アンカーとしては、異形鉄筋を使用するのが好適であるが、定着筋２表面への、充填材５の付着が確実になされるものであれば、鋼材以外であっても構わない。

定着筋２の挿入端には、定着筋２の径ｄよりも大きな、例えば、定着筋２の径ｄの１．５〜２倍程度の大きさの、定着具２ａが接合されている。定着具２ａは円形のプレートである。定着具２ａとしては、鋼材を使用するのが望ましい。定着具２ａは、定着筋２に対して、摩擦圧接や溶接などで接合されているが、定着筋２の引張力が定着具２ａに確実に伝達されるものであれば、他の接合方法を用いて接合されていてもよい。

充填材５は、既存構造躯体３のコンクリートＣよりも圧縮強度が高い、例えばモルタル、コンクリートなどの、無機系材料である。充填材５は、無機系材料であればどのような材質であっても構わないが、硬化前の特性として、チクソトロピー性（揺変性）が優れているものが望ましい。チクソトロピー性に優れている物質は、力が加えられない状態では形状が変化せず、力が加わった場合に形状が変化する。後述のように、本第１の実施形態においては、孔４には、充填材５を孔４の中に直接注入する注入方式によって充填材５を充填した後に、定着筋２が挿入される。このような施工方法の場合において、チクソトロピー性に優れた充填材５を使用することで、定着筋２挿入後に、充填材５が孔４内に密実に充填された状態にすることができる。

本第１の実施形態における定着筋の定着構造１は、上記に加えて、孔４の深さと径に関し、次のような特徴を備えている。すなわち、孔４の深さは、定着筋２の径ｄの１５倍以上であり、孔４の径Ｈは、Ｈ≧τ_{ｂｓｕ（ｃ）}／τ_ｂｈｕ×ｄまたはＨ≧Ｋ×ｄを満たしている（ただし、τ_{ｂｓｕ（ｃ）}は定着筋２周長におけるコンクリートＣに対する単位面積あたりの付着強度、τ_ｂｈｕは孔２の壁面における単位面積あたりの付着強度、Ｋは定着筋２表面のコンクリートＣに対する付着抵抗と孔４の壁面における付着抵抗の比である）。

まず、孔４の深さについて、説明する。以降、既存のコンクリートに孔を開設して鉄筋を挿入するのではなく、予め配設された鉄筋を埋設するようにコンクリートを打設して硬化させた場合の鉄筋を、先付鉄筋と称する。本第１の実施形態における定着筋の定着構造１における、孔４の深さは、以下既往の設計手法から説明するように、先付と同様に引張力が作用したときにコンクリートが破壊されることなく、鉄筋が降伏するためには、鉄筋径の１５倍以上の定着長さが必要となる。

異形鉄筋による引張鉄筋の必要定着長さｌ_ａｂを求めるための、次の式が知られている（社団法人日本建築学会「鉄筋コンクリート構造計算基準・同解説」、２０１０年版、２２９ページ）。

ここで、Ｓは必要定着長さの補正係数、σ_ｔは仕口面における鉄筋の応力度、ｄ_ｂは異形鉄筋の呼び名に用いた数値、ｆ_ｂは付着割裂の基準となる強度、αは横補強筋で拘束されたコア内に定着する場合は１．０、それ以外の場合は１．２５とする係数である。σ_ｔを異形鉄筋の規格降伏点とすることで、鉄筋の降伏を確保される。

また、接着系アンカーボルトの強度算定用埋込み長さｌ_ｃｅに関する、次の式が知られている（社団法人日本建築学会「各種合成構造設計指針・同解説」、２０１０年版、２５２―２５３ページ）。

ここで、ｐ_ａ１は接着系アンカーボルトの降伏により決まる場合のアンカーボルト１本当たりの許容引張力、ｐ_ａ３は接着系アンカーボルトの付着力により決まる場合のアンカーボルト１本当たりの許容引張力、Φ_１、Φ_３は低減係数、_ｓσ_ｐａは接着系アンカーボルトの引張強度、_ｓｃａは接着系アンカーボルトの断面積、τ_ａはへり空き及びアンカーボルトのピッチを考慮した接着系アンカーボルトの引張力に対する付着強度、ｄ_ａは接着系アンカーボルトの径である。_ｓσ_ｐａをアンカーボルトの規格降伏点の１．２５倍に割増して算出したｐ_ａ１よりもｐ_ａ３が上回る耐力となる埋め込み長さｌ_ｃｅとすることで鉄筋の降伏を確保している。

図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、上記数１、数２に基づいて、本発明の第１の実施形態として示した定着筋の定着構造１において、定着筋２の定着長さと径との関係を検討した結果を示す表である。図２に示される各々の値は、定着筋２の定着長さを、定着筋２の径で除算した値である。図２からわかるように、定着長さ、すなわち孔４の深さは、定着筋２の径の１５倍以上必要である。ここでは数１においてはα＝１．０、Ｓ＝１．２５とし、数２においては、τ_ａは、基本平均付着強度τ_bavgの０．５倍（＝０．５・τ_bavg＝０．５×１０√（Ｆ_ｃ／２１）、Ｆ_ｃ：コンクリート圧縮強度）として検討した結果である。

孔４の深さは、長いほど付着強度が高くなるが、長くなればそれだけ鉄筋や充填材を多く要するため、定着筋２の径の５２倍以下とするのが望ましい。

次に、孔４の径について、説明する。

図３は、本発明の第１の実施形態として示した定着筋の定着構造１における、付着強度の説明図である。図３（ａ）は、先付鉄筋２Ａに関する付着強度を示している。この場合、先付鉄筋２Ａに引張力Ｔが作用すると、先付鉄筋２Ａに付着しているコンクリートＣに応力が発生している。先付の場合の、先付鉄筋２Ａ表面における単位面積あたりの、先付鉄筋２ＡとコンクリートＣとの間の付着強度をτ_{ｂｓｕ（ｃ）}とする。

図３（ｂ）、（ｃ）は、本第１の実施形態に関して図１に示されたような、既存のコンクリートＣに孔４を開設し、定着筋２Ｂ、２Ｃをそれぞれ挿入して定着させた場合に関する付着強度を示している。この場合、定着筋２Ｂ、２Ｃに引張力Ｔが作用すると、定着筋２Ｂ、２Ｃに付着している充填材５、及び、充填材５が付着しているコンクリートＣの孔壁に応力が発生している。図３（ｂ）に示すような、定着筋２Ｂ表面における単位面積あたりの、定着筋２Ｂと充填材５との間の付着強度をτ_{ｂｓｕ（ｇ）}とする。また、図３（ｃ）に示すような、孔壁表面における単位面積あたりの、充填材５とコンクリートＣの孔壁との間の付着強度をτ_ｂｈｕとする。

定着筋２に引張力Ｔが作用すると、定着筋２表面と孔壁表面には付着力が生じる。図４（ａ）は、定着筋表面における単位面積当たりの付着応力度τ_ｓと、孔壁表面における単位面積当たりの平均付着応力度τ_ｈの関係を、モデル化した図である。

定着筋２の周囲には充填材５が付着しており、また、充填材５の周囲にはコンクリートＣが付着しているため、これらの付着作用によって、引張力ＴがコンクリートＣに伝達される。定着筋２の、埋設深度が浅い部位、例えばコンクリートＣの表面近傍においては、コンクリートＣ表面から当該埋設深度までの間には殆ど充填材５とコンクリートＣ間での付着作用が存在せず、定着筋２の付着域が短いため、引張力Ｔは殆ど伝達されていない。しかし、埋設深度が深くなると、コンクリートＣ表面から当該埋設深度までの間で定着筋２と充填材５、及び充填材５とコンクリートＣの間の付着作用によって、既に埋設深度に応じた引張力が付着作用で伝達されている。したがって、定着筋２の当該埋設深度の部位が支持すべき引張力は、定着筋２の、コンクリートＣの表面近傍の部位よりも、少なくなる。

図４（ｂ）は、図４（ａ）の深さｈ_１―ｈ_２間を拡大したものである。ｈ_１、ｈ_２における、定着筋２が負担すべき荷重をそれぞれＴ_１、Ｔ_２とすると、Ｔ_１はＴ_２よりΔＴ大きい値となっている。すなわち、ｈ_１―ｈ_２間の付着によって、ΔＴの引張力が、充填材５を介してコンクリートＣに伝達されている。

上記のように、定着筋２のある単位長さにおいて、当該長さにおいて負担されるべき引張力は、定着筋２から充填材５に伝達され、更にコンクリートＣに伝達されるため、孔４の径をＨ、定着筋２の径をｄとすると、定着筋２と充填材５、及び、充填材５とコンクリートＣの、それぞれの間の付着応力に関して、次の式が成立する。

定着筋の定着構造１の全体の強度を、先付鉄筋の場合よりも強くするために、本第１の実施形態においては、定着筋２の単位長さあたりの付着強度が、先付鉄筋の場合における単位長さあたりの付着強度よりも強くなるように、孔４の径Ｈを決定する。これにより、先付鉄筋と同等以上の付着強度を、先付鉄筋の場合よりも短い定着長さで、実現することが可能となる。

定着筋２の先端に、定着具が設置されていない場合を検討する。

まず、定着筋２表面における単位面積あたりの付着強度τ_{ｂｓｕ（ｇ）}に関しては、上記のように定着筋の定着構造１において、充填材５として、コンクリートＣよりも圧縮強度が高い材料を使用しているため、先付鉄筋における単位面積あたりの付着強度τ_{ｂｓｕ（ｃ）}よりも強くなっている。したがって、先付鉄筋と定着筋２の径が同じだとすると、定着筋２表面における単位長さあたりの付着強度は、先付鉄筋表面における単位長さあたりの付着強度よりも高くなる。

次に、孔壁表面における単位面積あたりの付着強度τ_ｂｈｕに関して検討する。孔壁表面における単位長さあたりの付着強度は、上記のように、先付鉄筋における単位長さあたりの付着強度よりも強い必要がある。したがって、数３を基にした、次の式が成立する。

数４を変形することにより、次の式が導出される。

すなわち、孔４の径Ｈは、定着筋２の径ｄの（τ_{ｂｓｕ（ｃ）}／τ_ｂｈｕ）倍あれば、定着筋２の単位長さあたりの付着強度が、先付鉄筋の場合における単位長さあたりの付着強度よりも強くなることがわかる。

また、定着筋２表面における付着強度は、定着筋２が異形鉄筋の場合には、その節高さと間隔に影響されるし、孔壁表面における付着強度は、孔壁の粗面粗さに影響される。このような、主に表面の凹凸によって決定される、定着筋表面の付着抵抗力の係数をｋ_ｓ、孔壁表面の付着抵抗力の係数をｋ_ｈとする。更に、付着強度は、モルタル、コンクリートなどの材料強度の平方根に比例することが、一般に知られている。コンクリート強度をσ_Ｂとすると、上記のｋ_ｓ、ｋ_ｈにより、τ_{ｂｓｕ（ｃ）}、τ_ｂｈｕは、次式のように表すことも可能である。

Ｋを、定着筋表面と孔壁表面の付着抵抗の比（ｋ_ｓ／ｋ_ｈ）とすると、数５と数６から、次式が導出される。

すなわち、孔４の径Ｈは、定着筋２の径ｄのＫ（＝ｋ_ｓ／ｋ_ｈ）倍あればよいことがわかる。

例えば、孔壁表面が平滑で、単位面積当たりの付着強度が低い場合に、適している孔４の径について説明する。孔壁表面と定着筋２表面の付着抵抗力が、丸鋼と異形鉄筋程度の大きな差がある場合において、異形鉄筋と丸鋼のそれぞれの、コンクリートに対する許容付着応力度は、Ｆ_ｃをコンクリートの設計基準強度とすると、（１／１０）×Ｆ_ｃ、（６／１００）×Ｆ_ｃであることから（社団法人日本建築学会「鉄筋コンクリート構造計算基準・同解説」、２０１０年版、５３ページ）、定着筋表面と孔壁表面の付着抵抗の比（ｋ_ｓ／ｋ_ｈ）は１．７となる。したがって、この場合において、孔４の径Ｈは、定着筋２の径ｄの１．７倍以上あればよいことがわかる。

定着筋２の先端に、定着具が設置されている場合においては、定着具による支圧抵抗が得られるため、定着筋の定着構造１の全体の強度は、定着筋２表面の付着強度ではなく、孔壁４表面の付着強度によって決定される。したがって、数５または数７を満たすように、孔４の径を設計することにより、定着具がない場合よりも容易に、定着筋の定着構造１の全体の強度を先付鉄筋の場合よりも強くすることができる。

孔４の径Ｈは、大きくなり過ぎると穿孔作業が手間となるため、定着筋２の径ｄの２倍以下であることが望ましい。

次に、図５を用いて、本発明の第１の実施形態として示した定着筋の定着方法を説明する。本方法は、鉄筋コンクリート製の既存構造躯体３に、新たな構造躯体を増築するに際し、既存構造躯体３のコンクリートＣに孔４を設けること、孔４に定着筋２を挿入すること、孔４と定着筋２との間隙に注入方式により充填材５を充填すること、を含んでいる。本方法において、孔４の深さは、定着筋２の径ｄの１５倍以上であり、孔４の径Ｈは、Ｈ≧τ_{ｂｓｕ（ｃ）}／τ_ｂｈｕ×ｄまたはＨ≧Ｋ×ｄを満たし（ただし、τ_{ｂｓｕ（ｃ）}は定着筋２周長におけるコンクリートＣに対する単位面積あたりの付着強度、τ_ｂｈｕは孔４の壁面における単位面積あたりの付着強度、Ｋは定着筋２表面のコンクリートＣに対する付着抵抗と孔４の壁面における付着抵抗の比である）、充填材５は、既存構造躯体３のコンクリートＣよりも圧縮強度が高い無機系材料である。

まず、図５（ａ）に示すように、既存構造躯体３の表面に、ドリル１０等を使用して孔４を開設する。開設された孔４を図５（ｂ）に示す。

次に、図５（ｃ）に示すように、ポンプ１１により、モルタル、コンクリートなどの充填材５を、孔４に直接充填する。充填材５が充填された孔４を図５（ｄ）に示す。充填材５は、既存構造躯体３の表面まで緊密に充填されている。

最後に、図５（ｅ）に示すように、定着筋２を、充填材５が充填された孔４に位置付けた後、孔４に挿入する。定着筋２が挿入された状態を図５（ｆ）に示す。

次に、上記の定着筋の定着構造１の作用、効果について説明する。

図４に示されるように、地震時に、定着筋２に大きな引張力Ｔが作用すると、定着筋２と充填材５との間、及び、充填材５とコンクリートＣとの間に応力が発生する。

このとき、充填材５はコンクリートＣよりも圧縮強度が高い材料を使用しているため、定着筋２表面における単位面積あたりの付着強度τ_{ｂｓｕ（ｇ）}は、先付鉄筋における単位面積あたりの付着強度τ_{ｂｓｕ（ｃ）}よりも強くなっている。定着筋２表面の付着強度は、定着具２ａによる支圧抵抗によって、更に支えられる。

また、孔壁表面における単位面積あたりの付着強度τ_ｂｈｕは、孔４の径Ｈが上記の数５または数７を満たしている。したがって、定着筋２の単位長さあたりの付着強度が、先付鉄筋の場合における単位長さあたりの付着強度よりも強くなっている。

更に、定着筋２の定着長さは、定着筋２の径の１５倍以上あるので、引張力Ｔは定着筋２の充填材５を介した付着によって十分に伝達される。

すなわち、定着筋の定着構造１においては、大きな引張力が発生した際に、定着筋２と充填材５との間に、また、充填材５と孔壁との間に、付着破壊を発生させず、その代わりに定着筋２が降伏して伸びる構造を実現している。一旦付着破壊が発生すると、以降は破壊された部位の定着筋は、荷重を維持することができないが、降伏して伸びた鉄筋は荷重を維持し続けることが可能である。したがって、従来の構造よりも確実に引張力を伝達し続けることが可能である。

また、孔壁と定着筋２の間に十分な間隙が設けられる程度に、孔４の径Ｈは十分に大きくなっている。これにより、充填材５を密実に充填することが可能となり、施工が容易となる。

また、充填材５として無機系材料を使用している。定着構造１は、上述したように高い定着性能を有しているため、充填材５を膨張させて圧力を発生させるために、無機系材料に対して、膨張材を特殊に配合する必要もない。これにより、材料費を低減することが可能である。特に、孔４に充填材５を充填した後に定着筋２を挿入する場合を考えると、高価な充填材５を使用する際には、定着筋２により押しだされて孔４から溢れ出る無駄な充填材５がないように、孔４への充填量を正確に計算する必要があるし、充填量を懸念するあまり充填量が少なくなり、充填材５が密実に充填されない可能性もある。安価な無機系材料を使用することによって、このような懸念をなくし、施工を容易にすることも可能である。

したがって、定着筋の定着構造１の構成によって、確実な引張力の伝達、施工の容易性、及び材料費の低減を両立させることが可能である。

また、定着具２ａによって定着性能を更に向上させることができるため、向上した定着性能に相当する分だけ、定着長さを短くすることが可能となる。すなわち、定着具２や充填材５の量を低減することができるため、材料費を更に低減することが可能となる。

また、孔４への充填材５の充填が、充填材５が封入されたカプセルを挿入するカプセル方式ではなく、図５に示されるように、充填材５を孔４の中に直接注入する注入方式によって行われるため、孔４が深い場合であっても、孔４の中全体に確実に充填材５を充填することが可能であり、また、カプセル方式の場合に生じ得た、カプセルを構成する物質の孔４内への残留をなくすことが可能となる。これによって、施工を確実にし、かつ、引張力の伝達性能を更に高めることができる。

孔４に充填材５を充填した後に定着筋２を挿入する場合には、孔４への挿入時に、定着具２ａが孔４内に充填された充填材５に圧力をかけることにより、孔４内に充填材５を密実に充填することが可能となる。したがって、付着性能を向上させ、更に確実に引張力を伝達することが可能である。

更に、孔４の径Ｈは、τ_{ｂｓｕ（ｃ）}／τ_ｂｈｕ×ｄまたはＫ×ｄ以上の、十分な大きさを有しているため、孔壁の表面積が大きくなり、単位面積当たりで負担すべき付着強度が小さくなる。したがって、孔壁表面が凹凸を有さずとも、定着構造全体で十分に強い付着性能を実現することができるため、穿孔にコアドリルを使用することが可能となり、施工時の騒音を低減することができる。

次に、図６から図８を用いて、本発明の第２の実施形態として示した定着筋の定着構造２０を説明する。定着筋の定着構造２０の、第１の実施形態として示した定着筋の定着構造１との差異は、充填材５が、既存構造躯体３の表面から外方に突出した増打部２１を備えている点である。

増打部２１は、孔４の開口部を介して孔４内の充填材５と連続するように、充填材５と同じ物質で形成されている。増打部２１は、肉厚の円形形状を成しており、孔４の径方向外側に張出すように、孔４の径より大きな径を有している。増打部２１の中心は、定着筋２により挿通されている。

次に、図７を用いて、本発明の第２の実施形態として示した定着筋の定着方法を説明する。

定着筋の定着構造２０は、図７（ａ）から図７（ｅ）に示される、孔４の開設から、定着筋２の位置づけまでの工程においては、図５を用いて説明した、第１の実施形態として示した定着筋の定着方法と同様に形成される。

本第２の実施形態においては、図７（ｅ）において定着筋２を、充填材５が充填された孔４に位置付けた後、図７（ｆ）に示されるように、型枠２２を定着筋２の周りに設置する。

型枠２２は、小径の円筒形状を有する把持部２２ａ、大径の円筒形状を有する増打部形成部２２ｂ、及び、把持部２２ａと増打部形成部２２ｂを接続する円板形状の板部２２ｃを備えている。

把持部２２ａの内周は、定着筋２の径と同程度の径を有している。増打部形成部２２ｂの内周は、増打部２１の径と同程度の径を有している。把持部２２ａと増打部形成部２２ｂは、それぞれ板部２２ｃの反対側の表面に、各部材の中心が同一軸線Ａ上に位置するように、接続されている。板部２２ｃの中央は、把持部２２ａの内周に沿って切り抜かれた形状を有しており、これにより、把持部２２ａの内部空間と、増打部形成部２２ｂの内部空間は連通している。

型枠２２は、図８に示されるように、中心線を通る平面で、第１型枠２３と第２型枠２４に２分割されている。型枠２２は、木、金属、プラスチックなどの材質で形成されている。

図７（ｆ）においては、第１、第２型枠２３、２４が定着筋２を挟み込んで、把持部２２ａの内側表面が定着筋２の外表面に接触するように、第１、第２型枠２３、２４を向い合せて設置することにより、型枠２２を形成している。増打部形成部２２ｂの端部は、既存構造躯体３の表面に接触するように、型枠２２は設置されている。

次に、図７（ｆ）に示されるように、片手で定着筋２を、他方の手で把持部２２ａを、それぞれ把持したうえで、図７（ｇ）に示されるように、定着筋２を孔４の内部に押し込む。このとき、孔４から溢れ出た充填材５によって、増打部形成部２２ｂと板部２２ｃの内側表面と、既存構造躯体３の表面によって形成された空間が充填される。

最後に、図７（ｈ）に示されるように、充填材５の硬化後に、型枠２２を脱型する。

次に、上記の定着筋の定着構造２０の作用、効果について説明する。

定着筋の定着構造２０においては、孔４の開口部の定着筋２の周囲に増打部２１を設けたため、充填材５が流出して充填材５の充填が多少不十分となっても、この充填材５の充填が不十分となる部分は増打部２１に生じることになるので、定着筋２の定着長の算定には影響しない。したがって、定着筋２に必要な定着長さを容易かつ確実に確保して、高い定着耐力を実現することが可能である。

本第２の実施形態が、確実に引張力を伝達する、施工が容易である、施工時の騒音を低減することができるなどの、上記第１の実施形態が有する様々な効果を同様に奏することは、いうまでもない。

次に、上記第１及び第２の実施形態として示した定着筋の定着構造１、２０の変形例を説明する。本変形例と、定着構造１、２０との差異は、孔の壁面は粗面処理されていることである。

孔壁表面を粗面処理することにより、定着性能を更に向上させることができるため、向上した定着性能に相当する分だけ、定着長さを短くすることが可能となる。すなわち、定着具や充填材の量を低減することができるため、材料費を更に低減することが可能となる。

本変形例が、確実に引張力を伝達する、施工が容易である、施工時の騒音を低減することができるなどの、上記第１及び第２の実施形態が有する様々な効果を同様に奏することは、いうまでもない。

次に、本発明に関して参考になる技術事項について説明する。

定着筋の定着構造に関して、実験を行った。図９に試験装置を示す。図９（ａ）は鉄筋２Ａが先付されている場合、（ｂ）、（ｃ）は、コンクリートＣに開設された孔４に定着筋２Ｂ、２Ｃが挿入されて充填材５で定着されている場合であって、（ｂ）は定着筋２Ｂの先端に定着具２ａがない場合、（ｃ）は定着具２ａがある場合である。図９（ａ）（ｂ）、（ｃ）をそれぞれ、「先付」、「定着具無」、「定着具有」と呼称して区別する。

図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の全ての場合において、孔４の径は５５ｍｍであり、先付鉄筋２Ａ、及び、定着筋２Ｂ、２Ｃの径は３２ｍｍである。また、先付鉄筋２Ａ、及び、定着筋２Ｂ、２Ｃの定着長さは、装置の都合上、先付鉄筋２Ａ、及び、定着筋２Ｂ、２Ｃの径の７倍、すなわち２２４ｍｍという、上記の実施形態で示した条件よりは短い長さで実験を行っている。孔４は、削岩機によって開設されており、孔壁の凹凸は大きく、孔壁面での付着強度は確保しやすい状況になっている。

図１０（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、先付鉄筋２Ａ、及び、定着筋２Ｂ、２Ｃの先端、すなわち孔４内に埋設された紙面下方向の端部の変位δ_Ｆと、先付鉄筋２Ａ、及び、定着筋２Ｂ、２Ｃの孔４から突出している部位の、引張荷重が付与されている部位の変位δ_Ｌの、荷重との関係を表すグラフである。また、図１１は、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各々の定着構造の付着強度、及び、これらの定着構造が破壊された状態を示す表である。

「先付」においては、単位面積当たりの付着強度τ_{ｂｓｕ（ｃ）}は１２．４〜１３．６Ｎ／ｍｍ^２（ｋ_ｓ＝２．３６〜２．５９）となっている。また、「定着具有」において、孔壁における単位面積当たりの付着強度τ_ｂｈｕの最小値は９．９Ｎ／ｍｍ^２（ｋ_ｈ＝１．８９）であり、最大値は１３．８Ｎ／ｍｍ^２（ｋ_ｈ＝２．６３）を超える値となっている。

数５及び数７により決定される孔４の径Ｈの下限は、τ_{ｂｓｕ（ｃ）}及びｋ_ｓに関しては最大値を、τ_ｂｈｕ及びｋ_ｈに関しては最小値を、それぞれとった場合に、最大の値となる。「定着具有」の場合、孔４の径Ｈの下限は、数５によると、（１３．６／９．９）×３２≒４４ｍｍとなる。また、数７によると、（２．５９／１．８９）×３２≒４４ｍｍとなる。本実験における孔４の径Ｈである５５ｍｍは、４４ｍｍを超えた値となっている。すなわち、「定着具有」の場合の付着は、「先付」の場合の強度以上となっている。

また、定着筋２周辺の単位面積当たりの付着強度τ_{ｂｓｕ（ｇ）}に関しては、「定着具無」の場合は１３．６〜１４．７Ｎ／ｍｍ^２、及び、「定着具有」の場合は１７．６〜２４．６Ｎ／ｍｍ^２となっており、これらは共に、「先付」の場合の単位面積当たりの付着強度τ_{ｂｓｕ（ｃ）}１２．４〜１３．６Ｎ／ｍｍ^２よりも大きな値となっている。

以上より、「定着具無」、「定着具有」の場合共に、定着構造全体として、「先付」の場合よりも高い付着強度を示している。

本実験においては、図１１に示されるように、「定着具無」の全ての実験と、「定着具有」の一部の実験においては、鋼材が降伏せずに、定着筋表面あるいは孔壁表面の付着が破壊されて、実験が終了している。これは、上記のように、孔４の深さとして、上記の実施形態で示した下限である、定着筋２の径ｄの１５倍よりも、短い値を採用したためである。実際の施工においては、孔４の深さは、定着筋２の径ｄの１５倍以上の値とすべきである。

なお、本発明の定着筋の定着構造及び定着方法は、図面を参照して説明した上述の実施形態及び変形例に限定されるものではなく、その技術的範囲において他の様々な変形例が考えられる。
例えば、定着具２ａは必ずしも設置されなくてもよい。上記の実施形態において説明したように、数５、及び数７に記載の条件は、定着具２ａがない場合に基づいているからである。ただし、定着具２ａが設置された方が、定着性能を更に向上させることができるため、向上した定着性能に相当する分だけ、定着長さを短くすることが可能となる。
また、定着具２ａが設置されたとしても、その形状は円形に限られない。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

１、２０ 定着筋の定着構造
２ 定着筋
３ 既存構造躯体
４ 孔
５ 充填材
２１ 増打部
２２ 型枠

Claims (3)

1. 鉄筋コンクリート製の既存構造躯体に、新たな構造躯体を増築するに際し、
   前記既存構造躯体のコンクリートに孔を設けること、
   前記孔に注入方式により充填材を充填すること、
   前記孔に定着筋を挿入すること、を含む、定着筋の定着方法であって、
   前記孔の深さを、前記定着筋の直径ｄの１５倍以上となるように決定し、
   前記孔の直径Ｈを、以下の式（１）または（２）を用いて算出して決定し、
   Ｈ≧τ_ｂｓｕ（ｃ）／τ_ｂｈｕ×ｄ （１）
   Ｈ≧Ｋ×ｄ （２）
   （ただし、τ_ｂｓｕ（ｃ）は前記定着筋周長におけるコンクリートに対する単位面積あたりの付着強度、τ_ｂｈｕは前記孔の壁面における単位面積あたりの付着強度、Ｋは前記定着筋表面のコンクリートに対する付着抵抗と前記孔の壁面における付着抵抗の比である。）
   前記充填材として、前記既存構造躯体のコンクリートよりも圧縮強度が高い無機系材料を使用する、定着筋の定着方法。
2. 前記定着筋の挿入端に、該定着筋の直径ｄよりも大きな定着具が接合されている、請求項１に記載の定着筋の定着方法。
3. 前記孔の壁面は粗面処理されている、請求項１または２に記載の定着筋の定着方法。
   

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