JP7012525B2

JP7012525B2 - 梁構造

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Publication number: JP7012525B2
Application number: JP2017243262A
Authority: JP
Inventors: 正美戸澤; 清長嶋; 雅敏仙海; 一智横山
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2037-12-19
Also published as: JP2019108757A

Description

特許法第３０条第２項適用（１）公開日平成２９年７月１４日公開した場所コンクリート工学年次大会２０１７（仙台）第３９回コンクリート工学講演会仙台国際センター（宮城県仙台市青葉区青葉山無番地）第８会場（会議室２／展示棟１階）にて、講演発表（２）公開日平成２９年７月２０日公開した場所２０１７年度日本建築学会大会（中国）学術講演梗概集建築デザイン発表梗概集を収録したＤＶＤを一般社団法人日本建築学会により発行、配布（３）公開日平成２９年８月３１日公開した場所２０１７年度日本建築学会大会（中国）学術講演会広島工業大学「三宅の森Ｎｅｘｕｓ２１」５０５室（広島県広島市佐伯区三宅２－１－１）にて、講演発表

本発明は、梁の構造に関する。

マンションなどの超高層ＲＣ建物においては、現場生産性向上技術として、プレキャストコンクリート（ＰＣａ）を採用するケースが多くなっている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。

また、ＰＣａ部材の組合せは、案件ごとに工程、コスト等を勘案して選択することになるが、ＰＣａ部材を用いた場合であっても、柱梁接合部や梁中央部、あるいはその両方を在来型枠＋現場打コンクリートで施工することが一般的である。

特開平０８－２９６２７２号公報特開２００９－１３８４５３号公報特開２００６－３２２２７２号公報特開２０１７－２５６８０号公報

しかしながら、将来的に熟練工の不足などが予想され、ＰＣａ部材を用いた場合においても、現場での型枠労務等をなくすなど、さらなる施工の省力化が強く求められている。

本発明は、上記事情に鑑み、より効率的に構築することを可能にする梁構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の梁構造は、互いに接合する一方のハーフＰＣａ部材と他方のハーフＰＣａ部材がそれぞれ、凹所を設けて接合端面側が断面コ字状に形成されるとともに、前記凹所に主筋を突出させて形成されており、前記一方のハーフＰＣａ部材と前記他方のハーフＰＣａ部材が互いの接合端面同士を突き合わせるように所定位置に配設され、前記一方のハーフＰＣａ部材と前記他方のハーフＰＣａ部材の上方に主筋を配設するとともに、互いの凹所の上方に配された主筋同士に重ねるように添筋が設けられ、且つ、前記一方のハーフＰＣａ部材と前記他方のハーフＰＣａ部材の前記凹所内に突出して配された主筋同士に重ねるように添筋が設けられるとともに、上方の主筋と下方の主筋と前記添筋を囲繞するように前記凹所内に複数のせん断補強筋が設けられ、前記一方のハーフＰＣａ部材及び前記他方のハーフＰＣａ部材の上方と、互いの前記凹所内とに、前記主筋と前記添筋と前記せん断補強筋を埋設するようにコンクリートが打設充填され、前記一方のハーフＰＣａ部材と前記他方のハーフＰＣａ部材とが前記添筋による重ね継手を備えて一体に接合されており、前記添筋は、一部の主筋のみに設けられていることを特徴とする。

本発明の梁構造においては、梁構造の上端側と下端側の前記一方のハーフＰＣａ部材と前記他方のハーフＰＣａ部材の主筋同士が前記添筋による重ね継手で繋げられていることが望ましい。

本発明の梁構造において、前記添筋による重ね継手は、前記主筋に対し前記添筋が小径であることがより望ましい。

本発明の梁構造においては、梁構造の下端側の前記一方のハーフＰＣａ部材と前記他方のハーフＰＣａ部材のそれぞれの主筋が上下方向及び／又は幅方向に折り曲げ加工され、該折り曲げ加工した主筋同士が前記添筋による重ね継手で繋げられていることがさらに望ましい。

本発明の梁構造によれば、より効率的に構築することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る梁構造（ＰＣａ梁）を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る梁構造のハーフＰＣａ部材を示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）のＸ１－Ｘ１線矢視図、（ｃ）が（ａ）のＸ２－Ｘ２線矢視図、（ｄ）が（ａ）のＸ３－Ｘ３線矢視図である。本発明の一実施形態に係る梁構造の曲げせん断実験で用いた試験体の概要を示す図である。本発明の一実施形態に係る梁構造の曲げせん断実験における試験体への載荷方法の概要を示す図である。本発明の一実施形態に係る梁構造の曲げせん断実験の結果であり、各試験体の最終破壊状況を示す図である。本発明の一実施形態に係る梁構造の曲げせん断実験の結果であり、各試験体のせん断力と部材角の関係を示す図である。本発明の一実施形態に係る梁構造の曲げせん断実験の結果であり、Ｎｏ．１の試験体の主筋と添筋の軸方向応力度分布を示す図である。主筋と添筋の付着応力度分布の仮定を示す図である。主筋と添筋の付着応力度の実験結果と評価結果の関係を示す図である。

以下、図１から図９を参照し、本発明の一実施形態に係る梁構造について説明する。

本実施形態のＰＣａ梁（梁構造／梁部材）Ａは、図１に示すように、一方の柱に一端部を接合してスパン中央側に延設された一方のハーフＰＣａ部材１と、他方の柱に一端部を接合してスパン中央側に延設された他方のハーフＰＣａ部材２とを備え、一方のハーフＰＣａ部材１の他端部１ａと他方のハーフＰＣａ部材２の他端部２ａを一体に接合するとともに互いのハーフＰＣａ部材１、２の上方に主筋３等を配筋しつつコンクリート４を打設して一体形成されている。

一方、本実施形態のＰＣａ梁Ａにおいては、図１及び図２に示すように、互いに接合する一方のハーフＰＣａ部材１と他方のハーフＰＣａ部材２の各ハーフＰＣａ部材が、接合面端側の他端部１ａ、２ａ側に上方及び接合端面に開口する凹所５を設け、この接合端面側が断面コ字状に形成されている。また、各ハーフＰＣａ部材１、２は、凹所５に主筋６を軸方向に突出させて形成されている。

さらに、各ハーフＰＣａ部材１、２は、凹所５を形成する内面に複数のシアコッター７が規則的に配置して設けられている。なお、図１において符号８の領域にシアコッターが設けられている。

本実施形態のＰＣａ梁Ａは、図１に示すように、一方のハーフＰＣａ部材１と他方のハーフＰＣａ部材２が互いの接合端面同士を突き合わせるように所定位置に配設され、一方のハーフＰＣａ部材１と他方のハーフＰＣａ部材１の上方に主筋３を配設し、これら互いの凹所５の上方に配された主筋３同士に重ねるように添筋１０が設けられている。また、一方のハーフＰＣａ部材１と他方のハーフＰＣａ部材２の互いの凹所５内に突出して配された主筋６同士に重ねるように添筋１１が設けられ、且つ、上方の主筋３と下方の主筋６と添筋１０、１１を囲繞するように凹所５内に軸方向に所定の間隔をあけて複数のスターラップ（せん断補強筋）１２が設けられている。

そして、本実施形態のＰＣａ梁Ａにおいては、一方のハーフＰＣａ部材１及び他方のハーフＰＣａ部材２の上方と、互いの凹所５内とに、主筋３、６と添筋１０、１１とスターラップ１２を埋設するようにコンクリート４が打設充填され、一方のハーフＰＣａ部材１と他方のハーフＰＣａ部材２とが添筋１０、１１による重ね継手を用いて一体に接合されている。

なお、本実施形態では、図１に示すように、ＰＣａ梁Ａの上端側と下端側の主筋３、６を添筋１０、１１による重ね継手で継ぎ、これら主筋３、６の上下方向の間の主筋は添筋で継いでいない。これは次のような考え方に基づいている。梁端部の応力は大きく、梁の中央部分（梁の長さ方向中央部分）の応力は小さい。このため、例えば、梁端部で主筋を１０本設け、梁の中央部分で主筋を５～６本とするなど、梁端部よりも中央部分の主筋の配筋数を少なくする。そして、添筋は、中央部分の主筋に対して必要本数分だけ配筋すればよいため、半分の５本（あるいは、実験では厳しい状況として４本）となっている。

また、本実施形態において、中央部分で不要となる主筋は、途中でカットオフしている。このカットオフ長さは、付着により必要な長さとして計算し、主に上端側の主筋３と下端側の主筋６の上下方向の間の主筋（２段筋／内側の鉄筋）は中央部分で不要なのでカットオフする。一方、上端側の主筋３と下端側の主筋６（１段筋／外側の鉄筋）は中央まで伸ばして添筋１０、１１（径落とし重ね継手）で継ぐ。なお、従来では圧接や機械式継手で継いでいる。

さらに、本実施形態では、図１に示すように、下端の主筋６を上下方向に折り曲げ加工している。なお、下端の主筋６を幅方向（横方向）や上下方向及び幅方向に折り曲げ加工してもよい。この主筋６の曲げ加工は、例えば、曲げ角度（勾配）を０～１／６の範囲、横曲げ幅ｔ１を３５０～７００ｍｍ（下記の試験体では２５０ｍｍ）程度、上曲げ幅ｔ１（下記の試験体では３５ｍｍ）を６０～１００ｍｍ程度とすることが好ましい。

さらに、例えば、下型枠を兼ねるハーフＰＣａ部材１、２の厚さは８０～１００ｍｍ程度、ハーフＰＣａ部材１、２の接合部分の凹所５の軸方向長さは９００～１４００ｍｍ程度、添筋１０、１１の長さは１８００～２６００ｍｍ程度とすることが好ましい。

ここで、上記構成からなる本実施形態のＰＣａ梁の曲げせん断実験を行った結果について説明する。

はじめに、表１に試験体一覧、図１及び図３に試験体概要を示している。
なお、図３に示すように主筋にＤ１９、添筋にＤ１６を用いて試験体を形成したが、例えば、実物は主筋にＤ４１、添筋にＤ３５を用いることを検討しており、本発明は特に主筋や添筋の径を限定する必要はない。

本実施形態のＰＣａ梁Ａの試験体は全４体とし、実大の約４０％縮小モデルとした。試験体はハーフＰＣａ部材、あと打ちコンクリート及びスタブからなり、左右の部材の主筋に沿うように添筋を配し、主筋との重ね継手とした。

一対のハーフＰＣａ部材の凹所が形成された他端部側は、厚さ３５ｍｍのＰＣａ型枠として用い、ひび割れ防止用の溶接金網（φ２．６@５０）を配した。また、あと打ちコンクリートと接する面には深さ５ｍｍのシアコッターを設けた。

実験パラメータは、部材断面と内法スパンとした。

主筋にはＳＤ４９０－Ｄ１９の鉄筋を用い、その配筋は上下端同様で２段配筋とした。下端１段目主筋を折り曲げており、試験体端部と中央部で部材断面が異なる。添筋にはＳＤ４９０－Ｄ１６の鉄筋を用い、上端及び下端の配筋は同仕様とした。

せん断補強筋には高強度鉄筋（ＫＳＳ７８５－Ｓ６）を用い，その配筋は@５０とした。内法スパンは試験体Ｎｏ．１～３で２５００ｍｍ、Ｎｏ．４で２０００ｍｍとした。せん断スパン比（Ｍ／Ｑ_ｄ）は試験体Ｎｏ．順に、４．９、７．１、３．８、３．０である。

表２に試験体の材料特性を示す。

コンクリートの設計基準強度Ｆ_ｃは全て４８Ｎ／ｍｍ^２で計画した。

図４に載荷概要（載荷装置）を示す。
載荷は長期荷重下で地震力により逆対称曲げを受ける梁を模擬し、部材中央に長期荷重を与えながら、左右スタブが平行に変位するようにした。載荷履歴は左右スタブの変位から求めた部材角Ｒを制御し、Ｒ＝±０．１２５％ｒａｄからＲ＝±３％ｒａｄまで正負交番漸増繰返しとし，最終的には正方向に１／２０ｒａｄまで載荷した。

以下、実験結果を示す。
図５は最終破壊状況を示している。
全ての試験体で初期に導入した長期荷重載荷時にはひび割れは確認されなかった。その後、部材角Ｒ＝＋１／８００ｒａｄ時に試験体端部の曲げひび割れが生じた。Ｒ＝１／１００程度で試験体中央部のせん断ひび割れが顕著になった。
ハーフＰＣａ部材とあと打ちコンクリートの鉛直打継面を通るひび割れ幅が大きく、Ｒ＝＋１／２０ｒａｄ時に最大で３．５ｍｍ程度となった。但し、このひび割れ発生によるせん断力の低下は見られなかった。一方で、水平打継面及び左右のハーフＰＣａ部材を突合せた試験体中央のひび割れ状況は一般部と同様であった。

図６にせん断力Ｑと部材角Ｒの関係を、正載荷時のみを抽出して示す。
ただし、負載荷も以下と同様の傾向であることを確認している。図中に主筋と添筋に貼付した歪ゲージより鉄筋が降伏歪度に達した点、及び最大せん断力Ｑ_ｍａｘを示し、計算値として曲げ降伏耐力Ｑ_ｙ、及び降伏点剛性α_ｙＳを併せて示す。

Ｑ_ｙは危険断面位置が曲げ降伏モーメントＭ_ｙに達したときのせん断力である。Ｍ_ｙは上下端で異なるが、最小値を用いた。α_ｙＳはいわゆる菅野式により危険断面で導出し、長期荷重を考慮して５０ｋＮシフトさせている。

図６に示す通り、２段目主筋の降伏まで剛性の大きな低下は確認されていない。試験体Ｎｏ．１、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４は部材角Ｒ＝＋１／６７ｒａｄ時から降伏が生じ、Ｒ＝－１／５０ｒａｄ時には両端部の全主筋が降伏した。その後、Ｎｏ．１、Ｎｏ．３ではＲの増大に伴いせん断力Ｑは増大し、Ｒ＝１／２０ｒａｄ時に最大せん断力Ｑ_ｍａｘに達した。Ｎｏ．４ではＲ＝１／２０ｒａｄ時に下端添筋の降伏も確認され、Ｑ_ｍａｘに達した。

Ｎｏ．２はＲ＝＋１／５０ｒａｄ時から主筋の降伏が生じ、Ｒ＝１／２０ｒａｄ時には両端部の全主筋が降伏し、その後、Ｑ_ｍａｘに達した。なお、全試験体でせん断補強筋は降伏していない。

破壊性状に関し、全試験体でせん断力Ｑと部材角Ｒの関係は実験終了時まで安定しており、耐力の低下も認められなかった。このことから、曲げ破壊であったものと判断できる。

計算値との比較において、図６に示す通り、危険断面での曲げ降伏耐力Ｑ_ｙは、１段目主筋と２段目主筋の歪が降伏歪度に達したせん断力の間となった。また、図６から、降伏点剛性α_ｙＳは、試験体Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３の主筋の歪が降伏歪度に達した点を良く捉えている。一方で、試験体Ｎｏ．４に対してはせん断力Ｑが大きくなると、剛性を大きく評価した。これは、内法スパンＬが小さくせん断変形が大きかったためと考えられる。

以上の結果から、部材中央で添筋を用いて一体化したハーフＰＣａ梁（梁構造）に対して、鉄筋コンクリートと同様に部材を一体とした有効断面を用いると、剛性は精度よく評価でき、曲げ降伏耐力の計算値は１段目主筋と２段目主筋の降伏荷重の間の値となることが確認された。

次に、部材中央に添筋重ね継手を有するハーフＰＣａ梁の主筋と添筋の軸方向応力度分布と付着応力度について検討した結果について説明する。

図７に試験体Ｎｏ．１の試験体端部全主筋降伏時における主筋と添筋の軸方向応力度分布を示す。

軸方向応力度は、鉄筋の材料試験からＢｉ－Ｌｉｎｅａｒに仮定した応力度と歪度の関係を用いて、鉄筋の歪度から求めた。図中には主筋の降伏応力度σ_ｙを併せて示す。また、後述する主筋の軸方向応力度の評価結果を併せて示す。

図７に示す通り、１段目主筋はテンションシフトし、下端添筋には長期荷重により大きな引張応力度が作用することが確認された。これは既往の研究と同様の結果である。

次に、梁が曲げ破壊したときの主筋、添筋の付着応力度と軸方向応力度を評価し、実験結果と比較する。

主筋と添筋の付着応力度は以下の仮定を用いて評価する。
すなわち、せん断力はトラス機構により伝達され、一般断面では下記の式（１）が成立つとする。また、主筋、添筋の付着応力度は同一断面で一定とし、１段目主筋のみテンションシフトを考慮する。ただし、長期荷重による曲げモーメントの影響は試験体中央でのみ考慮することとする。

付着応力度分布の仮定を図８に示す。また、実験での鉄筋の付着応力度τ_ｅは下記の式（２）よって求める。

ここで、Ｑ_ｕは試験体両端部全主筋が降伏したとき試験体中央に作用していたせん断力（Ｎ）、ｊは応力中心間距離で部材端部での有効せいｄに７／８を乗じた値（ｍｍ）である。τ_ｅは歪ゲージより求め、△εは隣接する歪ゲージの歪度の差、ＥＡはその鉄筋の軸剛性（Ｎ）、ψはその鉄筋の周長（ｍｍ）、△ｌは隣接する歪ゲージ間距離（ｍｍ）である。

２段目主筋の付着応力度τ_２は、試験体端部で降伏応力度σ_ｙに達し、図８に示すように、鉄筋の軸方向応力度を直線分布と仮定すると、下記の式（３）により求めることができる。そして、式（１）を用いて、式（４）により１段目主筋付着応力度τ_１を求める。

ここで、_ｍａは主筋断面積（ｍｍ^２）、_ｍψ_２は２段目主筋周長（ｍｍ）、ｌ_２は２段目主筋長さ（ｍｍ）である。_ｍψ_１は１段目主筋周長（ｍｍ）である。

さらに、下記の式（５）により、１段目主筋と添筋が重なる断面での１段目主筋軸方向応力度σ_１を求め、式（３）と同様に、下記の式（６）から１段目主筋付着応力度τ_１’を求める。また、添筋について、図８より式（１）を用い、下記の式（７）、式（８）によって添筋付着応力度τ_ｓ、τ_ｓ’を求める。ここで、_ｓψ_１は添筋周長（ｍｍ）である。

最後に、下記の式（９）により試験体中央の添筋の軸方向応力度σ_ｓを求める。また、長期荷重による応力を考慮し、下端筋軸方向応力度σ_ｓ ^下を下記の式（１０）で求める。ここで、Ｍ_０は長期荷重による試験体中央の曲げモーメント（Ｎｍｍ）である。

以上により、主筋と添筋の付着応力度τと軸方向応力度σが求められる。

表３に算出の結果を示す。図９に実験結果と評価結果の対応を示す。また、図７に評価したσを併せて示す。
なお、図９には試験体左右で全主筋が降伏したときに引張力が作用する鉄筋のみを示している。

図７で評価した軸方向応力度と実験値を比較すると、２段目下端主筋で軸方向応力度をやや過小に評価しているが顕著な差ではないものと判断でき、主筋の各応力度を精度よく評価できることが確認された。

図９より、仮定した付着応力度分布は試験体中央の１段目、２段目主筋の付着応力度を精度よく評価できることが確認された。
これは、図７の結果と対応する。添筋の付着応力度に関して、主筋と比べるとその精度は低く、試験体Ｎｏ．３では大きく評価する傾向にあった。一方で、全試験体に対して最大の付着応力度を概ね評価できていると判断できる。

これにより、主筋と添筋の付着応力度分布の評価法を提案し、主筋については仮定した付着応力度分布によって精度よく評価することができた。一方、添筋について、評価精度は低下するが最大の付着応力度を概ね捉える結果であった。

したがって、本実施形態のＰＣａ梁（梁構造／梁部材）においては、互いに接合する一方のハーフＰＣａ部材と他方のハーフＰＣａ部材がそれぞれ、凹所を設けて接合端面側を断面コ字状に形成するとともに凹所に主筋を突出させて形成し、凹所内に突出して配された主筋同士に重ねるように添筋を設け、一方のハーフＰＣａ部材及び他方のハーフＰＣａ部材の上方と、互いの凹所内とに、主筋と添筋を埋設するようにコンクリートを打設充填し、一方のハーフＰＣａ部材と他方のハーフＰＣａ部材とを添筋による重ね継手を備えて一体に接合する。

これにより、現場での型枠労務をゼロにすることができ、しかも、正しい位置にセットしてグラウトを充填するという手間のかかる機械式継手から、細径鉄筋を添えて結束するだけという径落し重ね継手にすることで鉄筋労務も大幅に削減することが可能になる。

よって、本実施形態のＰＣａ梁によれば、従来と比較し、大幅に効率的にＰＣａ梁を構築することが可能になる。

以上、本発明に係る梁構造の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１一方のハーフＰＣａ部材
１ａ他端部
２他方のハーフＰＣａ部材
２ａ他端部
３主筋
４コンクリート
５凹所
６主筋
７シアコッター
８シアコッター設置領域
１０添筋
１１添筋
１２スターラップ（せん断補強筋）
ＡＰＣａ梁（梁構造／梁部材）

Claims

互いに接合する一方のハーフＰＣａ部材と他方のハーフＰＣａ部材がそれぞれ、凹所を設けて接合端面側が断面コ字状に形成されるとともに、前記凹所に主筋を突出させて形成されており、
前記一方のハーフＰＣａ部材と前記他方のハーフＰＣａ部材が互いの接合端面同士を突き合わせるように所定位置に配設され、
前記一方のハーフＰＣａ部材と前記他方のハーフＰＣａ部材の上方に主筋を配設するとともに、互いの凹所の上方に配された主筋同士に重ねるように添筋が設けられ、
且つ、前記一方のハーフＰＣａ部材と前記他方のハーフＰＣａ部材の前記凹所内に突出して配された主筋同士に重ねるように添筋が設けられるとともに、上方の主筋と下方の主筋と前記添筋を囲繞するように前記凹所内に複数のせん断補強筋が設けられ、
前記一方のハーフＰＣａ部材及び前記他方のハーフＰＣａ部材の上方と、互いの前記凹所内とに、前記主筋と前記添筋と前記せん断補強筋を埋設するようにコンクリートが打設充填され、
前記一方のハーフＰＣａ部材と前記他方のハーフＰＣａ部材とが前記添筋による重ね継手を備えて一体に接合されており、
前記添筋は、一部の主筋のみに設けられていることを特徴とする梁構造。
請求項１記載の梁構造において、
梁構造の上端側と下端側の前記一方のハーフＰＣａ部材と前記他方のハーフＰＣａ部材の主筋同士が前記添筋による重ね継手で繋げられていることを特徴とする梁構造。
請求項１または請求項２に記載の梁構造において、
前記添筋による重ね継手は、前記主筋に対し前記添筋が小径であることを特徴とする梁構造。
請求項１または請求項２に記載の梁構造において、
梁構造の下端側の前記一方のハーフＰＣａ部材と前記他方のハーフＰＣａ部材のそれぞれの主筋が上下方向及び／又は幅方向に折り曲げ加工され、該折り曲げ加工した主筋同士が前記添筋による重ね継手で繋げられていることを特徴とする梁構造。