JP7160537B2 - 鉄筋コンクリート構造体 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 公益財団法人 土木学会から発行された土木学会第７２回年次学術講演会（平成２９年９月）のＤＶＤ版公演概要集、「杭頭部の半剛結化の載荷実験」（Ｉ－４５８）（補充資料）

本開示は、棒状の第１コンクリート部材が、フーチング等の第２コンクリート部材に結合された鉄筋コンクリート構造体に関する。

例えば、特許文献１に記載の鉄筋コンクリート構造体では、第１コンクリート部材のうちフーチングとの結合部分の外径寸法が他の部位の外形寸法に比べて小さくなっているとともに、当該結合部分に埋設された帯鉄筋量が当該他の部位に比べて多くなっている。

特許第４５０５２４９号公報

本願は、鉄筋コンクリート構造体に地震等による加振力が作用した場合等において、高剛性及び高耐力を発揮可能な鉄筋コンクリート構造体の一例を開示する。

鉄筋コンクリート構造体は、例えば、第１コンクリート部材（１）内に埋設された複数の第１軸方向鉄筋（１１）であって、当該第１コンクリート部材（１）の長手方向と平行な方向に延びるとともに、当該第１コンクリート部材（１）の中心軸線（Ｌ１）周りに配置された複数の第１軸方向鉄筋（１１）と、第１コンクリート部材（１）内のうち複数の第１軸方向鉄筋（１１）より第２コンクリート部材（２）に近い位置に埋設された複数の第２軸方向鉄筋（１２）であって、前記長手方向と平行な方向に延びて一部が第２コンクリート部材（２）に埋設されているとともに、複数の第１軸方向鉄筋（１１）より中心軸線（Ｌ１）に近い位置にて当該中心軸線（Ｌ１）周りに配置された複数の第２軸方向鉄筋（１２）と、第１コンクリート部材（１）内に埋設され、当該第１コンクリート部材（１）のうち複数の第２軸方向鉄筋（１２）が配置された部位に発生するせん断に対抗するせん断補強鋼（１４）とを備え、せん断補強鋼（１４）のせん断補強筋比は、２％以上、３％以下であることが望ましい。

これにより、鉄筋コンクリート構造体に地震等による加振力が作用した場合等において、高剛性及び高耐力を発揮することが可能となり得る。
なお、鉄筋コンクリート構造体は、以下の構成であってもよい。

すなわち、第１コンクリート部材（１）のうち複数の第２軸方向鉄筋（１２）が配置された部位における「かぶり寸法」である第２かぶり寸法（Ａ）は、第１コンクリート部材（１）のうち複数の第１軸方向鉄筋（１１）が配置された部位における「かぶり寸法」である第１かぶり寸法（Ｂ）より大きいことが望ましい。

これにより、鉄筋コンクリート構造体に地震等による加振力が作用した場合、変形の初期段階において大きな耐力を得ることが可能となり得る。変形が初期段階を越えると、第２軸方向鉄筋（１２）が配置された部位は、金属材料が塑性変形するように、当該耐力より小さい荷重で変形が進行する。

したがって、当該変形により加振力が吸収されるため、第２軸方向鉄筋（１２）が配置された部位に大きな曲げモーメントは発生することを抑制でき得る。延いては、鉄筋コンクリート構造体に地震等による加振力が作用した場合等において、高剛性及び高耐力を発揮することが可能となり得る。

因みに、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的構成等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記括弧内の符号に示された具体的構成等に限定されるもではない。

実施形態に係る鉄筋コンクリート構造体を示す図である。 Ａは実施形態に係る杭のうち杭頭部より下部の断面を示す図である。Ｂは実施形態に係る杭頭部の断面を示す図である。 実施形態に係る鉄筋コンクリート構造体を示す図である。 Ａ～Ｃは実施形態に係る鉄筋コンクリート構造体に発生する曲げモーメントを示す図である。 試験体を示す図表である。 試験体１の試験結果を示す図である。 試験体２の試験結果を示す図である。 試験体３の試験結果を示す図である。

以下の「発明の実施形態」は、本願発明の技術的範囲に属する実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的構成や構造等に限定されるものではない。

なお、各図に付された方向を示す矢印等は、各図相互の関係を理解し易くするために記載されたものである。本明細書に記載された発明は、各図に付された方向に限定されるものではない。

少なくとも符号が付されて説明された部材又は部位は、「１つの」等の断りがされた場合を除き、少なくとも１つ設けられている。つまり、「１つの」等の断りがない場合には、当該部材は２以上設けられていてもよい。

（第１実施形態）
１．鉄筋コンクリート構造体の概要
本実施形態は、図１に示される杭基礎フーチング周りに本願に係る鉄筋コンクリート構造体の一例を適用したものである。杭１は第１コンクリート部材の一例である。フーチング２は第２コンクリート部材の一例である。杭１は、棒状の部材であって、フーチング２に結合されている。フーチング２は、構造物の基礎低板部である。

２．鉄筋コンクリート構造体の詳細
２．１ 鉄筋構造について
杭１は、複数の第１軸方向鉄筋１１、複数の第２軸方向鉄筋１２、第１帯鉄筋１３及び第２帯鉄筋１４等を少なくとも有して構成されている。各第１軸方向鉄筋１１～第２帯鉄筋１４は、杭１を構成するコンクリートＣＲ内に埋設されている。

複数の第１軸方向鉄筋１１は、杭１の長手方向と平行な方向に延びるとともに、当該杭１の中心軸線Ｌ１周りに等間隔で配置されている。換言すれば、複数の第１軸方向鉄筋１１は、筒状のワイヤーフレーム（以下、第１ワイヤーフレームという。）を構成するように配置されている。

第１帯鉄筋１３は、複数の第１軸方向鉄筋１１と交差する１本又は複数（本実施形態では、複数）の鉄筋により構成されている。つまり、第１帯鉄筋１３は、第１ワイヤーフレームの外周側又は内周側（本実施形態では、外周側）に巻き付けられた帯状の鉄筋である。

すなわち、複数の第１帯鉄筋１３は、杭１のうち複数の第１軸方向鉄筋１１が配置された部位に発生するせん断に対抗するせん断補強鋼として機能する。なお、本実施形態では、図２Ａに示されるように、二重円筒状の第１ワイヤーフレームが構成されるように、複数の第１軸方向鉄筋１１が配置されている。

複数の第２軸方向鉄筋１２は、図１に示されるように、杭１内のうち複数の第１軸方向鉄筋１１よりフーチング２に近い位置に埋設されている。各第２軸方向鉄筋１２は、杭１の長手方向と平行な方向に延びて一部がフーチング２に埋設されている。

つまり、杭１とフーチング２とは、フーチング２を構成するコンクリートＣＲに埋設された複数の第２軸方向鉄筋１２、及びフーチング２のコンクリートＣＲと杭１のコンクリートＣＲとが一体化することにより結合される。

なお、複数の第２軸方向鉄筋１２のうちフーチング２内に埋設された部位には、当該第２軸方向鉄筋１２と交差する方向に延びる鉄筋１２Ａと一体化されている。当該鉄筋１２Ａは、フーチング２を構成する鉄筋である。

複数の第２軸方向鉄筋１２は、中心軸線Ｌ１周りに配置されて筒状のワイヤーフレーム（以下、第２ワイヤーフレーム）を構成している。各第２軸方向鉄筋１２は、複数の第１軸方向鉄筋１１より中心軸線Ｌ１に近い位置に配置されている。

つまり、第２ワイヤーフレームの直径寸法Ｃは、図３に示されるように、第１ワイヤーフレームの直径寸法Ｄより小さい。なお、第１軸方向鉄筋１１と第２軸方向鉄筋１２とは、所定の鉄筋の定着が確保されている。「鉄筋の定着」とは、例えば「コンクリート標準示方書」等に記載されている「鉄筋の定着」と同意語である。

第２帯鉄筋１４は、複数の第２軸方向鉄筋１２と交差する１本又は複数（本実施形態では、複数）の鉄筋により構成されている。つまり、第２帯鉄筋１４は、第２ワイヤーフレームの外周側又は内周側（本実施形態では、外周側）に巻き付けられた帯状の鉄筋である。

すなわち、複数の第２帯鉄筋１４は、杭１のうち複数の第２軸方向鉄筋１２が配置された部位に発生するせん断に対抗するせん断補強鋼として機能する。本実施形態では、図２Ｂに示されるように、二重円筒状の第２ワイヤーフレームが構成されるように、複数の第２軸方向鉄筋１２が配置されている。

そして、隣り合う第２帯鉄筋１４間の寸法、つまり第２帯鉄筋１４のピッチ寸法Ｅ（図３参照）は、コンクリートＣＲを構成する粗骨材の最大寸法以下である。なお、「粗骨材の最大寸法」とは、例えば「コンクリート標準示方書」等に記載されている「粗骨材の最大寸法」と同意義である。

第２帯鉄筋１４のせん断補強筋比は、２％以上、４％以下である。具体的には、当該せん断補強筋比は、２％以上、３％以下である。さらに望ましくは、せん断補強筋比は、２．５％以上、３％以下である。

「せん断補強筋比」とは、いわゆる「帯鉄筋比」と同様な技術的意義を有するパラメータである。つまり、「せん断補強筋比」とは、杭１のうち対象となる帯鉄筋（せん断補強鋼）が占める面積割合である。したがって、「せん断補強筋比」が大きくなるほど、帯鉄筋（せん断補強鋼）が占める面積が大きくなる。

２．２ 「かぶり」について
「かぶり」とは、杭１の表面から最外周に位置する軸方向鉄筋までのコンクリートＣＲの厚み寸法、又は杭１の表面から最外周に位置する帯鉄筋までのコンクリートＣＲの厚み寸法である。

そして、本実施形態では、図３に示されるように、第２かぶり寸法Ａは、第１かぶり寸法Ｂより大きい。具体的には、第２かぶり寸法Ａは、第１かぶり寸法Ｂの１．２倍以上、５倍以下である。望ましくは、第２かぶり寸法Ａは、第１かぶり寸法Ｂの２倍以上、５倍以下である。

第２かぶり寸法Ａとは、杭１のうち複数の第２軸方向鉄筋１２が配置された部位（以下、杭頭部ともいう。）における「かぶり寸法」である。第１かぶり寸法Ｂとは、杭１のうち杭頭部以外の部位における「かぶり寸法」をいう。

３．本実施形態に係る鉄筋コンクリート構造体の特徴
３．１ 半剛結合による合理的な杭基礎構造について
杭１の杭頭部とフーチング２との結合状態は、概ね、（ａ）「剛結合」、（ｂ）「半剛結合」、（ｃ）「ヒンジ結合」の３つがある。

ヒンジ結合は、杭頭部とフーチング２とが互いに回転自在に結合された結合状態である。剛結合は、杭頭部とフーチング２とが互いに回転不可な状態で結合された結合状態である。半剛結合は、剛結合とヒンジ結合との中間状態で結合された結合状態である。

ヒンジ結合では、杭頭部とフーチング２とが互いに回転自在に結合されているので、トラス構造とする必要がある。剛結合では、杭頭部とフーチング２とが互いに回転不可な状態で結合されているので、ラーメン構造を採用することができる。

しかし、剛結合では、杭頭部とフーチング２とが互いに回転不可な状態で結合されているので、杭頭部とフーチング２との結合部に大きな曲げモーメントが発生してしまう。このため、地震等による加振力が結合部に作用すると、当該結合部に大きな曲げ応力及びせん断力応力が発生する。

したがって、半剛結合として結合部に過度に大きな曲げモーメントが発生することを抑制することにより（図４参照）、コンクリート及び鉄筋の量を削減することができ得る。延いては、低コスト化が可能な杭基礎構造（鉄筋コンクリート構造体）を得ることが可能となる。

杭頭部とフーチング２との結合強度を杭頭部固定度αとすると、ヒンジ結合は杭頭部固定度α＝０であり、剛結合は杭頭部固定度α＝１．０である。そして、本実施形態に係る杭頭部とフーチング２との結合強度、つまり杭頭部固定度αは、概ね０．３以上、０．７以下となる半剛結合である。

そして、本実施形態では、複数の第２軸方向鉄筋１２が複数の第１軸方向鉄筋１１より中心軸線Ｌ１に近い位置に配置されていることにより、杭頭部固定度αが１未満となる。さらに、本実施形態では、複数の第２軸方向鉄筋１２がフーチング２に埋設されていることにより、杭頭部固定度αが０より大きくなる。

このため、本実施形態では、数値シミレーション及び実験により最適な杭頭部固定度αが決定された後、当該決定された最適な杭頭部固定度αに基づいて第２ワイヤーフレームの直径寸法Ｃ、つまり杭頭部の曲げ剛性が決定されている。

半剛結合とした場合の直径寸法Ｃは、剛結合とした場合の直径寸法Ｃより小さくなる。このため、杭頭部のせん断耐力が過度に低下するおそれがある。そこで、本実施形態では、第２帯鉄筋１４のせん断補強筋比を２％以上、４％以下とすることにより、十分なせん断耐力を確保している。

本実施形態では、第２かぶり寸法Ａが第１かぶり寸法Ｂより大きい寸法となっている。これにより、地震等による加振力が作用した場合、図６～図８の○で囲まれた部分に示されるように、変形の初期段階において大きな耐力を得ることが可能となり得る。

変形が初期段階を越えると、杭頭部は、金属材料が塑性変形するように、当該耐力より小さい荷重で変形が進行する。したがって、当該変形により加振力が吸収されるため、杭頭部に大きな曲げモーメントは発生することを抑制でき得る。

延いては、地震等による加振力が作用した場合等において、高剛性及び高耐力を発揮することが可能となり得る。なお、第２かぶり寸法Ａが第１かぶり寸法Ｂの１．２倍未満であると、変形の初期段階において大きな耐力を得難くなる。

３．２ 試験による効果の確認
＜試験体と載荷方法＞
３つの試験体の諸元を図表５に示す。各試験体は、１／３～１／２スケールを想定したものである。それら試験体は、微小変形領域では高い耐力を有し、かつ、大変形領域では一定耐力で変形性能を有すことを想定したものである。

杭頭部φ３５０の構造は、密帯鉄筋の外側は無筋コンクリートの７５ｍｍかぶりとし、他の部分はφ５００と同径である。これにより、微小変形領域では主にφ５００の断面が変形し、大変形領域ではかぶり部分が杭本体から剥離し塑性ヒンジ化となり、半剛結構造となる。

配筋は、せん断破壊を発生させず、より変形性能を向上させるため、公知の実験ケースに対し密帯鉄筋量を２．２４倍にし、計算上では同値と想定される密帯鉄筋の仕様を変化させたものである。

試験体１は帯鉄筋間に隙間有りのタイプである。試験体２は隙間なしタイプである。試験体３は、帯鉄筋比が試験体１及び試験体２と略同一の値となる鋼管タイプである。載荷は、レベル２地震時の最大軸力を想定した値であって、鉛直方向に軸圧縮力１５００ｋＮが作用し、水平方向に基準変位δｙ＝７．５ｍｍで正負交番する。

＜載荷実験結果＞
図６～図８は、各試験体の損傷状況及び荷重－変位関係を示すグラフである。
試験体１は、曲げひび割れ発生後、縦方向にひび割れが生じ、主鉄筋が降伏、３δｙ後に杭頭部のかぶりコンクリートが剥落し荷重が低下する。しかし、その後３０δｙまで顕著な荷重低下もなく、４６．６δｙまで押し切るが主鉄筋の顕著な座屈及び破断は生じない。

試験体２は、試験体１と比較し、ほぼ同様な結果である。なお、試験体２では、かぶりコンクリートの剥落に差が生じ、４δｙ～６δｙでは若干荷重は上回り、その後３０δｙでフーチング上４００ｍｍの位置で主鉄筋の座屈及び破断が生じた。

試験体３は、試験体２と比べ、かぶりコンクリートの剥落に差が生じ、４δｙ～１０δｙで荷重が上回った。しかし、２０δｙで鋼管とフーチング間５０ｍｍの位置で主鉄筋の破断が生じ、２５δｙで荷重低下となった。

したがって、せん断補強鋼として、鋼管を用いることで若干のコスト増となるものの、かぶりコンクリート剥落による荷重低下を少しでも回避するのであれば効果的であるとことが確認できる。

＜実験結果のまとめ＞
密帯鉄筋の仕様、つまり、せん断補強鋼を構成する鉄筋のピッチ寸法の違いにより各載荷時の損傷度や荷重－変位に差が生じる。しかし、載荷時の損傷度や荷重－変位の差に大きな違いは無い。

そして、本実施形態では、密帯鉄筋比を２．５％程度とすることで、５５％を超える高軸応力比の条件であっても、密帯鉄筋比を２．５％程度としたことによる拘束効果によって内部のコアコンクリートの損傷を抑制できる。

さらに、当該拘束効果により、主鉄筋の座屈・破断を抑制し、かつ、変形性能の向上を図ることが可能となる。なお、本実施形態では、密帯鉄筋比を２．５％程度であるため、鉄筋のピッチ寸法は、粗骨材の最大寸法以下となる。

図６～図８の○で囲まれた部分で示されるように、「常時・レベル１地震時」には、高い剛性・耐力を有する。図６～図８の○で囲まれた部分のピーク値以降においては、コアコンクリート及び主鉄筋より、杭頭部のかぶりコンクリートが優先的に損傷する。

つまり、本実施形態では、ピーク値以降において、杭頭部のかぶりコンクリートを積極的に損傷させることで、コアコンクリート及び主鉄筋の損傷を抑制することができる。このため、本実施形態に係る杭基礎構造は、レベル１地震時から、それを少し上回る程度の地震までは揺れ難い構造となる。

ピーク値以降においては、剛性・耐力が低下するものの変形性能が向上するので、各状態での荷重に適応して安全性や使用性の構造性能を確保可能なスマート構造となり、合理的な半剛結化が可能となる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態に係る杭１では、第１軸方向鉄筋１１と第２軸方向鉄筋１２とは、連続した１本の鉄筋ではなく、互いに独立した鉄筋にて構成されていた。しかし、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。すなわち、第１軸方向鉄筋１１と第２軸方向鉄筋１２とが連続した１本の鉄筋で構成されていてもよい。

上述の実施形態では、せん断補強筋比が２％以上、４％以下であった。しかし、本願明細書に開示された発明に係るせん断補強筋比は、上記された値に限定されるものではない。

上述の実施形態では、第２かぶり寸法Ａが第１かぶり寸法Ｂより大きい寸法となっていた。しかし、本願明細書に開示された発明に係る第２かぶり寸法Ａと第１かぶり寸法Ｂとの大小関係は上記関係に限定されるものではない。

上述の実施形態では、杭１とフーチング２との結合構造に本願に係る鉄筋コンクリート構造体が適用されたものであった。しかし、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。

すなわち、例えば、第１コンクリート部材が水平方向に延び、かつ、第２コンクリート部材が当該第１コンクリート部材と交差する方向に延びた鉄筋コンクリート構造体にも適用可能である。

上述の実施形態に係る杭１では、円形断面にて構成されていた。しかし、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。すなわち、当該杭１は、例えば、矩形状等の多角形、又は楕円や長円等の断面形状にて構成されていてもよい。

上述の実施形態に係るせん断補強鋼は、第２帯鉄筋１４にて構成されていた。しかし、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。すなわち、試験体３に示されるような鋼管にてせん断補強鋼が構成されていてもよい。

上述の実施形態に係るせん断補強鋼を構成する鉄筋のピッチ寸法は０より大きい値であった。しかし、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ピッチ寸法が０である第２帯鉄筋１４、又はせん断補強鋼が１本の鉄筋にて螺旋状に構成された構成であってもよい。

さらに、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。したがって、上述した複数の実施形態のうち少なくとも２つの実施形態を組み合わせてもよい。

１… 杭
２… フーチング
１１… 第１軸方向鉄筋
１２… 第２軸方向鉄筋
ＣＲ… コンクリート

Claims (7)

1. 棒状の杭をなす第１コンクリート部材、及び構造物の基礎低板部を構成するフーチングである第２コンクリート部材を備え、当該第１コンクリート部材が当該第２コンクリート部材の下面側に結合された鉄筋コンクリート構造体において、
   前記第１コンクリート部材内に埋設された複数の第１軸方向鉄筋であって、当該第１コンクリート部材の長手方向と平行な方向に延びるとともに、当該第１コンクリート部材の中心軸線周りに配置された複数の第１軸方向鉄筋と、
   前記第１コンクリート部材内のうち前記複数の第１軸方向鉄筋より前記第２コンクリート部材に近い位置に埋設された複数の第２軸方向鉄筋であって、前記長手方向と平行な方向に延びて一部が前記第２コンクリート部材に埋設されているとともに、前記複数の第１軸方向鉄筋より前記中心軸線に近い位置にて当該中心軸線周りに配置された複数の第２軸方向鉄筋と、
   前記第１コンクリート部材内に埋設され、当該第１コンクリート部材のうち前記複数の第２軸方向鉄筋が配置された部位に発生するせん断に対抗するせん断補強鋼とを備え、
   前記せん断補強鋼のせん断補強筋比は、２％以上、４％以下であり、
   前記複数の第１軸方向鉄筋は、径方向に近接して並んで配置された少なくとも２本の第１軸方向鉄筋を１組として、それら組をなす第１軸方向鉄筋が前記中心軸線周りに配置されて二重筒状のワイヤーフレーム（以下、第１ワイヤーフレームという。）を構成するように配置され、
   前記複数の第２軸方向鉄筋は、径方向に近接して並んで配置された少なくとも２本の第２軸方向鉄筋を１組として、それら組をなす第２軸方向鉄筋が前記中心軸線周りに配置されて二重筒状のワイヤーフレーム（以下、第２ワイヤーフレーム）を構成するとともに、当該第２ワイヤーフレームの直径寸法が前記第１ワイヤーフレームの直径寸法より小さくなるように配置されており、
   さらに、前記第１コンクリート部材のうち前記複数の第２軸方向鉄筋が配置された部位（以下、第２部位という。）における「かぶり寸法」である第２かぶり寸法は、前記第１コンクリート部材のうち前記複数の第１軸方向鉄筋が配置された部位（以下、第１部位という。）における「かぶり寸法」である第１かぶり寸法より大きく、かつ、前記第１部位の外径寸法と前記第２部位の外径寸法とが同一である鉄筋コンクリート構造体。
2. 前記第２かぶり寸法は、前記第１かぶり寸法の１．２倍以上、５倍以下である請求項１に記載の鉄筋コンクリート構造体。
3. 前記第２かぶり寸法は、前記第１かぶり寸法の２倍以上、５倍以下である請求項１に記載の鉄筋コンクリート構造体。
4. 前記せん断補強鋼は、前記複数の第２軸方向鉄筋と交差する１本又は複数の鉄筋により構成されており、
   さらに、前記せん断補強鋼を構成する鉄筋のピッチ寸法は、粗骨材の最大寸法以下である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の鉄筋コンクリート構造体。
5. 前記せん断補強鋼は、筒状の鋼管により構成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の鉄筋コンクリート構造体。
6. 前記せん断補強鋼のせん断補強筋比は、２％以上、３％以下である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の鉄筋コンクリート構造体。
7. 前記せん断補強鋼のせん断補強筋比は、２．５％以上、３％以下である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の鉄筋コンクリート構造体。

Images