JP6836476B2 - 鉄筋コンクリート構造物 - Google Patents

Description

本開示は、鉄筋コンクリート構造物に関するものである。

従来、鉄道の高架橋等の土木構造物として、鉄筋コンクリート（Reinforced Concrete ：ＲＣ）製の鉄筋コンクリート構造物（ＲＣ構造物）が広く使用されている。このようなＲＣ構造物における柱と梁との接合部であるＲＣ柱梁接合部では、接合部内での軸方向鉄筋の定着（固定）が重要である。そこで、土木構造物においては、軸方向鉄筋の定着工法として、半円形フックのような標準フックを使用する工法が採用されている。なお、土木学会コンクリート標準示方書設計編（２０１２年）には、標準フックとして、半円形フック、直角フック又は鋭角フックが規定されている。しかし、部材のスリム化、耐震性能向上のための鉄筋の太径化等に伴い、ＲＣ柱梁接合部においては、接合部内での配筋が過密化している。

図１は従来のＲＣ柱梁接合部における接合部内での配筋の例を示す写真である。なお、図において、（ａ）は接合部内での過密配筋の例を示す写真、（ｂ）は過密配筋に起因する施工不良の例を示す写真である。

図１（ａ）に示されるように、従来の仕様で配筋すると、接合部内においては柱軸方向鉄筋の標準フックや梁軸方向鉄筋の折曲げ定着が三次元的に輻輳してしまう。そのため、鉄筋組立の作業性が悪化し、また、鉄筋のあき（鉄筋の面同士の距離）が十分に確保されなくなるのでコンクリート打設の施工性が低下し、図１（ｂ）に示されるように、施工不良が発生する可能性がある。

そこで、標準フックを使用する工法に代えて、鉄筋に機械式定着部材を取り付ける機械式定着工法を採用することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１０−０３７７７７号公報

しかしながら、従来から、機械式定着工法には、様々なものがあり、軸方向鉄筋用と横方向鉄筋用とに区分され、それぞれ、公的審査機関による評定を取得しているが、軸方向鉄筋用として認められているものは、建築評定が多く、土木評定はほとんどない（例えば、非特許文献１参照。）。そのため、土木構造物においては、軸方向鉄筋への機械式定着工法の採用が進んでいない。また、各種の機械式定着工法の性能評価試験（静的耐力、高応力繰返し性能等）では、軸方向鉄筋をマッシブなコンクリートに埋め込んだ状態、すなわち、十分なかぶり（鉄筋表面からコンクリート表面までの最短距離）が確保された状態で行われており、実際のＲＣ柱梁接合部のように、かぶりが１００〔ｍｍ〕前後である状態での軸方向鉄筋の挙動が十分に解明されていない。
土木学会、「コンクリートライブラリー１２８号 鉄筋定着・継手指針〔２００７年版〕」、２００７．８

機械式定着部材を有する鉄筋の引張耐力には、機械式定着部材の取付位置からの鉄筋の長さである定着長と、機械式定着部材からコンクリートに伝達される支圧力とが寄与する。しかし、鉄筋が引張降伏すると、塑性域が進展して鉄筋の表面に沿う付着力が小さくなっていき、終局状態での鉄筋の引張耐力は、ほぼ機械式定着部材からコンクリートに伝達される支圧力によって決定される。

図２は従来の鉄筋の標準フック及び機械式定着部材からコンクリートに伝達される支圧力の相違を説明する図である。なお、図において、（ａ）は鉄筋が標準フックを有する場合の図、（ｂ）は鉄筋が機械式定着部材を有する場合の図である。

図において、２１はコンクリートであり、１１は、コンクリート２１に埋め込まれた軸方向鉄筋としての鉄筋である。そして、図２（ａ）における鉄筋１１は、その上端に標準フックとしての半円形フック１３が形成され、図２（ｂ）における鉄筋１１は、その上端に機械式定着部材としての定着板１４が取り付けられている。該定着板１４は、例えば、鉄筋１１よりも外径の大きな円板であって、鉄筋１１の端部にねじ止めによって取り付けられる板材であるが、いかなる種類の部材であってもよい。

図２（ａ）に示されるように、鉄筋１１に矢印で示されるような引張力Ｐ１が付与されると、半円形フック１３からの力である支圧力Ｐ２は、コンクリート２１の内側へ向かって伝達される。一方、図２（ｂ）に示されるように、定着板１４は、半円形フック１３と比較すると、定着部として機能する部分の体積や占める範囲が小さいので、局所的に、かつ、コンクリート２１の表面２１ａに向かって支圧力Ｐ２を伝達する。そのため、定着板１４におけるかぶり、すなわち、定着板１４の表面からコンクリート２１の表面２１ａまでの最短距離が小さい場合、かぶり部分にひび割れが発生し、側面剥離破壊のように、かぶり部分のコンクリート２１の剥離や剥落が発生する可能性がある。

図３は従来のコンクリートに埋め込まれた軸方向鉄筋の引張試験を説明する図である。なお、図において、（ａ）は一軸引張特性試験の概念図、（ｂ）はコンクリートの破壊状況を示す写真である。

図３（ａ）に示されるように、実際の使用状況を想定した要素試験として、かぶりや横方向鉄筋１２との比をパラメータとして一軸引張特性を確認する静的引張試験が行われている（例えば、非特許文献２参照。）。この場合、定着板１４が取り付けられた鉄筋１１は設計引張耐力を満足したものの、鉄筋１１が引張降伏する前に、定着板１４の位置におけるかぶり部分のコンクリート２１にひび割れが発生し、側面剥離破壊が生じ、脆性的な破壊状態を示す試験体があった。
田所敏弥、谷村幸裕、徳永光宏、米田大樹、「高架橋接合部における機械式定着を用いた定着部の静的引張特性」、コンクリート工学年次論文集、Ｖｏｌ．３１、Ｎｏ．２、２００９

このように、ＲＣ柱梁接合部のように、かぶりが小さい部位における鉄筋１１に機械式定着工法を採用すると、要求性能を満足することができない可能性がある。

ここでは、前記従来の技術の問題点を解決して、コーン状破壊領域の破壊面がコンクリートの表面に到達する範囲における軸方向鉄筋の表面をアンボンド領域とすることによって、軸方向鉄筋に機械式定着工法を採用することができ、コンクリートに側面剥離破壊が発生することを効果的に防止することが可能な鉄筋コンクリート構造物を提供することを目的とする。

そのために、鉄筋コンクリート構造物においては、コンクリートと、該コンクリートに埋め込まれた軸方向鉄筋とを備え、該軸方向鉄筋は、先端に取り付けられた機械式定着部材と、該機械式定着部材から所定長さの範囲の表面に形成されたアンボンド領域とを含み、前記所定長さは、コーン状破壊領域の破壊面が前記軸方向鉄筋の軸方向と平行に延在する前記コンクリートの表面に到達する位置までの軸方向の長さである鉄筋コンクリート構造物であって、前記コーン状破壊領域は、前記アンボンド領域を含まない軸方向鉄筋に軸方向の引張力を付与したときに前記機械式定着部材からの力を受けて前記コンクリートが破壊される領域である。

更に他の鉄筋コンクリート構造物においては、さらに、前記所定長さをＬとし、前記機械式定着部材の周縁から前記コンクリートの表面までの距離をｃ’とし、前記コーン状破壊領域の破壊面の頂角の１／２をθとすると、Ｌ＝ｃ’／ｔａｎθである。

更に他の鉄筋コンクリート構造物においては、さらに、前記θは、略４５度以下である。

更に他の鉄筋コンクリート構造物においては、さらに、前記軸方向鉄筋は、柱梁接合部における接合部内の柱軸方向鉄筋又は梁軸方向鉄筋である。

本開示によれば、コーン状破壊領域の破壊面がコンクリートの表面に到達する範囲における軸方向鉄筋の表面をアンボンド領域とする。これにより、軸方向鉄筋に機械式定着工法を採用することができ、コンクリートに側面剥離破壊が発生することを効果的に防止することが可能となる。

従来のＲＣ柱梁接合部における接合部内での配筋の例を示す写真である。 従来の鉄筋の標準フック及び機械式定着部材からコンクリートに伝達される支圧力の相違を説明する図である。 従来のコンクリートに埋め込まれた軸方向鉄筋の引張試験を説明する図である。 本実施の形態における鉄筋コンクリート構造物の模式断面図である。 本実施の形態における鉄筋コンクリート構造物の比較例の模式断面図である。 本実施の形態におけるコーン状破壊の説明図である。 従来の引張試験における試験体の概要を示す図である。 従来の引張試験における試験結果を示す第１の図である。 従来の引張試験における試験結果を示す第２の図である。

以下、本実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図４は本実施の形態における鉄筋コンクリート構造物の模式断面図、図５は本実施の形態における鉄筋コンクリート構造物の比較例の模式断面図、図６は本実施の形態におけるコーン状破壊の説明図、図７は従来の引張試験における試験体の概要を示す図、図８は従来の引張試験における試験結果を示す第１の図、図９は従来の引張試験における試験結果を示す第２の図である。なお、図７において、（ａ）は試験体が標準フックを有する鉄筋である場合の図、（ｂ）は試験体が機械式定着部材を有する鉄筋である場合の図、（ｃ）は試験体が機械式定着部材を有し、アンボンド処理が施された鉄筋である場合の図である。

図４において、２０は、本実施の形態における鉄筋コンクリート構造物であるが、図示の都合上、一部分の断面のみが示されている。前記鉄筋コンクリート構造物２０は、典型的には高架橋等の土木構造物であって、鉄道用のものであってもよいし、道路用のものであってもよいし、いかなる用途のものであってもよいが、ここでは、説明の都合上、鉄道用の高架橋における柱と梁との接合部であるＲＣ柱梁接合部であるものとして説明する。

なお、本実施の形態においては、「発明が解決しようとする課題」の項における説明を援用し、鉄筋コンクリート構造物２０における各部の構造、動作及び効果であって、「発明が解決しようとする課題」の項において説明したものと同じものについては、図２及び３に示される符号と同じ符号を付与することによって、適宜、説明を省略する。

また、本実施の形態において、鉄筋コンクリート構造物２０の各部及びその他の部材の構成及び動作を説明するために使用される上、下、左、右、前、後等の方向を示す表現は、絶対的なものでなく相対的なものであり、前記鉄筋コンクリート構造物２０の各部及びその他の部材が図に示される姿勢である場合に適切であるが、その姿勢が変化した場合には姿勢の変化に応じて変更して解釈されるべきものである。

図４に示される例において、コンクリート２１に埋め込まれた軸方向鉄筋としての鉄筋１１は、水平方向に延在しているが、必ずしも、これに限定されるものでなく、図２（ｂ）に示されるように、垂直方向に延在するものであってもよいし、斜め方向に延在するものであってもよいし、いかなる方向に延在するものであってもよい。つまり、鉄筋１１は、ＲＣ梁の軸方向鉄筋であってもよいし、ＲＣ柱の軸方向鉄筋であってもよいし、鉄筋コンクリート構造物２０におけるいかなる部分の軸方向鉄筋であってもよい。なお、鉄筋１１の軸方向は、コンクリート２１の一側（図に示される例において上側）の表面２１ａと平行であるものとする。

また、前記鉄筋１１は、表面にリブ、筋等と称される凹凸１５が形成されたいわゆる異形鉄筋であって、表面と周囲のコンクリート２１とが付着するようになっているが、先端に取り付けられた機械式定着部材としての定着板１４から所定長さＬの範囲は、いわゆるアンボンド処理が施されて凹凸１５が除去され、表面と周囲のコンクリート２１とが付着しないアンボンド領域１６となっている。なお、前記アンボンド処理は、凹凸１５の除去に限定されるものでなく、例えば、摩擦抵抗の低い樹脂被膜を鉄筋１１の表面に形成するものであってもよく、表面と周囲のコンクリート２１とが付着しないようにする処理であれば、いかなる処理であってもよい。また、前記定着板１４は、板材に限定されるものでなく、鉄筋１１よりも外径の大きな部材であれば、いかなる種類の部材であってもよい。さらに、定着板１４を鉄筋１１の先端に取り付ける手段は、ねじ止めに限定されるものでなく、溶接であってもよいし、いかなる種類の手段であってもよい。

そして、鉄筋１１に矢印で示されるような引張力Ｐ１が付与されると、アンボンド領域１６以外の鉄筋１１の表面が周囲のコンクリート２１と付着しているので、矢印で示されるような付着力Ｐ３がコンクリート２１に伝達される。しかし、アンボンド領域１６においては、鉄筋１１の表面が周囲のコンクリート２１と付着していないので、付着力Ｐ３がコンクリート２１に伝達されることがない。

図５に示される比較例においては、鉄筋１１にアンボンド領域１６が存在しない。つまり、鉄筋１１の表面の全範囲に亘って凹凸１５が存在している。そのため、鉄筋１１の表面の全範囲に亘って付着力Ｐ３がコンクリート２１に伝達される。なお、図５においては、図示が省略されているが、図２（ｂ）に示されるような定着板１４からの支圧力Ｐ２もコンクリート２１に伝達される。したがって、付着力Ｐ３に加えて支圧力Ｐ２もコンクリート２１に伝達されるので、いわゆるコーン状破壊がコンクリート２１に発生し、図５に示されるように、略円錐状の領域であるコーン状破壊領域２２で、コンクリート２１が破壊する可能性が高くなる。なお、定着板１４を備える鉄筋１１と類似の形状を有するアンカーボルトに引張力が付与されると、図６に示されるように、アンカーボルトが埋め込まれているコンクリートにコーン状破壊が発生することは、既に知られている（例えば、非特許文献３参照。）。
土木学会、「コンクリートライブラリー１４１号 コンクリートのあと施工アンカー工法の設計・施工指針（案）」、２０１４．３

図３に示される静的引張試験においては、図７（ａ）〜（ｃ）に示されるような３種類の試験体、すなわち、試験体Ｓ１、Ｓ３及びＳ４を使用した試験が行われている（例えば、非特許文献２参照。）。なお、図７（ａ）〜（ｃ）において、Ｐ２’は支圧力であるが、鉄筋１１の定着部としての半円形フック１３又は定着板１４が受ける支圧力を示し、半円形フック１３又は定着板１４からコンクリート２１に伝達される支圧力Ｐ２とは、向きが反対であるが、同じ大きさの力である。また、Ｐ３’は付着力であるが鉄筋１１が受ける付着力を示し、鉄筋１１の表面からコンクリート２１に伝達される付着力Ｐ３とは、向きが反対であるが、同じ大きさの力である。さらに、δ２は、半円形フック１３又は定着板１４の位置での変位を示している。

図７（ａ）に示されるように、試験体Ｓ１では、コンクリート２１内における表面２１ａに比較的接近した位置に埋め込まれた鉄筋１１は、その先端に標準フックとしての半円形フック１３が形成されている。また、鉄筋１１は、コンクリート２１の表面２１ａと平行に延在する。そして、鉄筋１１に引張力Ｐ１が付与されると、半円形フック１３は支圧力Ｐ２’を受け、また、アンボンド処理が施されていない鉄筋１１の表面は付着力Ｐ３’を受ける。

図７（ｂ）に示されるように、試験体Ｓ３では、コンクリート２１内における表面２１ａに比較的接近した位置に埋め込まれた鉄筋１１は、その先端に機械式定着部材としての定着板１４が取り付けられている。また、鉄筋１１は、コンクリート２１の表面２１ａと平行に延在する。そして、鉄筋１１に引張力Ｐ１が付与されると、定着板１４は支圧力Ｐ２’を受け、また、アンボンド処理が施されていない鉄筋１１の表面は付着力Ｐ３’を受ける。

図７（ｃ）に示されるように、試験体Ｓ４では、コンクリート２１内における表面２１ａに比較的接近した位置に埋め込まれた鉄筋１１は、その先端に機械式定着部材としての定着板１４が取り付けられている。また、鉄筋１１は、コンクリート２１の表面２１ａと平行に延在する。そして、鉄筋１１に引張力Ｐ１が付与されると、定着板１４は支圧力Ｐ２’を受ける。しかし、鉄筋１１の表面は、アンボンド処理が施されているので、付着力Ｐ３’を受けない。すなわち、Ｐ３’＝０である。

そして、静的引張試験を行って得られた試験体Ｓ１、Ｓ３及びＳ４における引張力Ｐ１と支圧力Ｐ２’との関係は、図８に示されるようになっている。図８において、縦軸は鉄筋１１に付与された引張力Ｐ１を示し、横軸は定着部としての半円形フック１３又は定着板１４が受けた支圧力Ｐ２’、すなわち、定着部負担力Ｐ２’を示している。

図８からは、試験体Ｓ４では、引張力Ｐ１の値と支圧力Ｐ２’の値とが等しく、コンクリート２１にコーン状破壊が発生するときには、Ｐ２’＝１２５〔ｋＮ〕であることが分かる。なお、試験体Ｓ３と試験体Ｓ４との相違点は、鉄筋１１の表面にアンボンド処理が施されているか否かである。そして、試験体Ｓ３では、鉄筋１１の表面が付着力Ｐ３’を受けるので、引張力Ｐ１が大きくなっているが、コンクリート２１にコーン状破壊が発生するときの支圧力Ｐ２’の値は、Ｐ２’＝８５〔ｋＮ〕であって、試験体Ｓ４よりも小さくなっている。

また、静的引張試験を行って得られた試験体Ｓ１、Ｓ３及びＳ４における定着部の位置での変位δ２と支圧力Ｐ２’との関係は、図９に示されるようになっている。図９において、縦軸は定着部としての半円形フック１３又は定着板１４が受けた支圧力Ｐ２’、すなわち、定着部負担力Ｐ２’を示し、横軸は定着部の位置での変位δ２を示している。

図９からは、同じ支圧力Ｐ２’の値に対して、試験体Ｓ３での変位δ２の値が大きいこと、及び、試験体Ｓ１と試験体Ｓ４とでは、支圧力Ｐ２’に対する変位δ２の変化の挙動が近いことが、分かる。これらのことから、鉄筋１１の表面が付着力Ｐ３’を受ける場合、単純に、Ｐ１＝Ｐ２’＋Ｐ３’となることがなく、支圧力Ｐ２’と付着力Ｐ３’との間に相互作用が働いていると推察され、定着板１４の本来の性能が発揮されていない、と言える。換言すると、鉄筋１１の表面と周囲のコンクリート２１とが付着すると、定着板１４の性能が低下する、と言える。

これは、コンクリート２１における定着板１４からの力である支圧力Ｐ２を受ける領域が、鉄筋１１の表面からの付着力Ｐ３を既に受けているためである、と考えられる。つまり、図５に示されるコーン状破壊領域２２では、鉄筋１１の表面からの付着力Ｐ３を受けている分だけ、定着板１４からの支圧力Ｐ２に対する抵抗力が小さくなっている、と言える。

したがって、図４に示されるように、定着板１４からの支圧力Ｐ２を受ける領域であるコーン状破壊領域２２に対応する範囲の鉄筋１１の表面をアンボンド領域１６とすれば、付着力Ｐ３に起因するコンクリート２１の損傷が少なくなり、定着部としての定着板１４の性能を標準フックとしての半円形フック１３の挙動に近付けていくことが可能となる、すなわち、半円形フック１３と同等の定着性能を得ることができる、と考えられる。

アンボンド領域１６の長さＬは、定着板１４から、コーン状破壊領域２２の円錐面状の破壊面２２ａがコンクリート２１の表面２１ａに到達する点までの、鉄筋１１の軸方向の長さである。つまり、円錐面である破壊面２２ａの頂角が２θ（中心軸と円錐面とのなす角、又は、円錐面とコンクリート２１の表面２１ａとがなす角がθ）であり、定着板１４の周縁からコンクリート２１の表面２１ａまでの距離がｃ’であるとすると、Ｌ＝ｃ’／ｔａｎθと表すことができる。一般に、定着板１４のサイズは鉄筋１１の径によってほぼ決定されるので、かぶりの値及び鉄筋１１の径が決まれば、コンクリート２１の表面２１ａまでの距離ｃ’の値を求めることができる。θの値は、実験等によって決定する必要がある。

なお、アンボンド領域１６が形成され、定着板１４を有する鉄筋１１と、引張力に対する抵抗機構が似ていると言われる金属拡張式のアンカーボルトでは、図６に示されるように、一般的に、コーン状破壊領域２２の破壊面２２ａの頂角の１／２の値が０〜４５度となっている（例えば、非特許文献３及び４参照。）。したがって、前記θの値としては、４５度が目安になると考えられる。つまり、前記θの値は略４５度以下である。
鉄道総合技術研究所、「あと施工アンカー工法設計指針の手引き」、１９８７

このように、本実施の形態における鉄筋コンクリート構造物２０は、コンクリート２１と、コンクリート２１に埋め込まれた鉄筋１１とを備え、鉄筋１１は、先端に取り付けられた定着板１４と、定着板１４から所定長さの範囲の表面に形成されたアンボンド領域１６とを含み、所定長さは、コーン状破壊領域２２の破壊面２２ａが鉄筋１１の軸方向と平行に延在するコンクリート２１の表面２１ａに到達する位置までの軸方向の長さである。これにより、鉄筋１１の表面がコンクリート２１と付着することによって発生する付着力Ｐ３に起因するコンクリート２１の損傷が少なくなり、鉄筋１１に定着板１４のような機械式定着工法を採用しても、側面剥離破壊がコンクリート２１に発生することを効果的に防止することができ、半円形フック１３を使用した場合と同等の定着性能を発揮することができる。

また、コーン状破壊領域２２は、アンボンド領域１６を含まない鉄筋１１に軸方向の引張力を付与したときに定着板１４からの力である支圧力Ｐ２を受けてコンクリート２１が破壊される領域である。このように、鉄筋１１の表面にアンボンド領域１６を形成しないと、コーン状破壊が発生する。

さらに、所定長さをＬとし、定着板１４の周縁からコンクリート２１の表面２１ａまでの距離をｃ’とし、コーン状破壊領域２２の破壊面２２ａの頂角の１／２をθとすると、Ｌ＝ｃ’／ｔａｎθである。さらに、θは、略４５度以下である。このようにすると、アンボンド領域１６を形成する範囲を容易に、かつ、適切に設定することができる。

さらに、鉄筋コンクリート構造物２０は、土木構造物における柱梁接合部である。また、鉄筋１１は、柱梁接合部における接合部内の柱軸方向鉄筋又は梁軸方向鉄筋である。このように、土木構造物においても、柱梁接合部の鉄筋１１に定着板１４のような機械式定着工法を採用することができる。

なお、本明細書の開示は、好適で例示的な実施の形態に関する特徴を述べたものである。ここに添付された特許請求の範囲内及びその趣旨内における種々の他の実施の形態、修正及び変形は、当業者であれば、本明細書の開示を総覧することにより、当然に考え付くことである。

本開示は、鉄筋コンクリート構造物に適用することができる。

１１ 鉄筋
１４ 定着板
１６ アンボンド領域
２０ 鉄筋コンクリート構造物
２１ コンクリート
２１ａ 表面
２２ コーン状破壊領域
２２ａ 破壊面

Claims (4)

1. コンクリートと、該コンクリートに埋め込まれた軸方向鉄筋とを備え、
   該軸方向鉄筋は、先端に取り付けられた機械式定着部材と、該機械式定着部材から所定長さの範囲の表面に形成されたアンボンド領域とを含み、
   前記所定長さは、コーン状破壊領域の破壊面が前記軸方向鉄筋の軸方向と平行に延在する前記コンクリートの表面に到達する位置までの軸方向の長さである鉄筋コンクリート構造物であって、
   前記コーン状破壊領域は、前記アンボンド領域を含まない軸方向鉄筋に軸方向の引張力を付与したときに前記機械式定着部材からの力を受けて前記コンクリートが破壊される領域であることを特徴とする鉄筋コンクリート構造物。
2. 前記所定長さをＬとし、前記機械式定着部材の周縁から前記コンクリートの表面までの距離をｃ’とし、前記コーン状破壊領域の破壊面の頂角の１／２をθとすると、
   Ｌ＝ｃ’／ｔａｎθ
   である請求項１に記載の鉄筋コンクリート構造物。
3. 前記θは、略４５度以下である請求項２に記載の鉄筋コンクリート構造物。
4. 前記軸方向鉄筋は、柱梁接合部における接合部内の柱軸方向鉄筋又は梁軸方向鉄筋である請求項１〜３のいずれか１項に記載の鉄筋コンクリート構造物。