JP7176875B2

JP7176875B2 - 高層建物およびプレキャストプレストレストコンクリート柱

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Publication number: JP7176875B2
Application number: JP2018135983A
Authority: JP
Inventors: 正俊大庭; 仁佐々木; 直樹高森
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2038-07-19
Also published as: JP2019019664A

Description

本発明は、プレキャストプレストレストコンクリート柱と制振装置とを備えた高層建物およびプレキャストプレストレストコンクリート柱に関する。

引張力を付与したプレキャストプレストレストコンクリート柱は、通常のプレキャストコンクリート柱に比べ残留変形がなく、したがって、高層建物では、柱としてプレキャストプレストレストコンクリート柱を用いることが望ましい。
また、高層建物には、その揺れを抑制するための各種の制振装置が用いられている。
従来のプレキャストプレストレストコンクリート柱は、コンクリート柱体に形成された複数の緊張材挿通孔にそれぞれ緊張材が挿通され、緊張材に引張力が掛けられた状態で、コンクリート柱体の緊張材挿通孔の内周面と緊張材の外周面との間にグラウトが充填され、引張力が掛けられた状態の緊張材とコンクリート柱体とを一体化することで構成されている。

特開２０００－７３４４８

このような従来のプレキャストプレストレストコンクリート柱では、緊張材挿通孔にグラウトを充填する作業が必要で、また、グラウトの充填後グラウトが硬化するまでの養生期間を待つ必要があり、それらは各階毎に必要となるため工期の短縮を図る上で改善の余地があった。
また、従来のプレキャストプレストレストコンクリート柱では、緊張材とコンクリート柱体とがグラウトを介して一体化されているため、高層建物が揺れた際に、緊張材がコンクリート柱体に拘束を受けつつ変形し、緊張材に局所的な応力が掛かり，緊張材の耐久性を高める上で不利となり、改善の余地があった。
本発明はこのような緊張材の耐久性に着目して案出されたものであり、本発明の目的は、高層建物の工期の短縮化を図り、緊張材の耐久性の向上を図る上で有利な高層建物およびプレキャストプレストレストコンクリート柱を提供することにある。

上述した目的を達成するために、本発明は、コンクリート柱体の緊張材挿通孔に緊張材が鉛直方向に挿通された複数のプレキャストプレストレストコンクリート柱と、建物の揺れを抑制する複数の制振装置とを備え、前記複数のプレキャストプレストレストコンクリート柱は上下方向に隣り合って設けられた高層建物であって、前記プレキャストプレストレストコンクリート柱は、前記緊張材がアンボンド状態で前記コンクリート柱体に配設されると共に上下方向において隣り合う前記プレキャストプレストレストコンクリート柱の前記緊張材は連続して連結され、前記制振装置は、前記高層建物の揺れによる前記緊張材の変形が前記緊張材の弾性範囲内に収まるように前記高層建物の揺れを抑制することを特徴とする。
また、本発明は、コンクリート柱体と、前記コンクリート柱体に鉛直方向に挿通され引張力が掛けられた緊張材とを含んで構成されたプレキャストプレストレストコンクリート柱であって、前記コンクリート柱体は、断面が矩形を呈し、柱主筋とフープ筋が埋設されると共に、複数の緊張材挿通孔が鉛直方向に貫通形成され、前記複数の緊張材挿通孔は、前記フープ筋の内側で、前記コンクリート柱体の矩形の輪郭に沿って配置され、前記緊張材は、前記複数の緊張材挿通孔それぞれに挿通され、前記コンクリート柱体に対してアンボンド状態で配設されていることを特徴とする。

本発明の高層建物によれば、従来各階毎の複数箇所で行なっていた、緊張材が挿通されたコンクリート柱体の緊張材挿通孔にグラウトを充填する作業を省け、また、グラウトの養生期間を待つ必要がないので、工期を大幅に短縮できる。
また、高層建物が揺れた際に、緊張材がコンクリート柱体の拘束を受けずにその長手方向に自由に変形でき、緊張材に局所的な応力が掛かることもないので、緊張材の耐久性を高める上で有利となる。
さらに、制振装置は、高層建物の揺れによる緊張材の変形が緊張材の弾性範囲内に収まるように高層建物の揺れを抑制するので、緊張材の耐久性を高める上でより有利となる。
本発明のプレキャストプレストレストコンクリート柱によれば、建物の揺れを抑制する上で有利となり、また、建物を構築する際に、緊張材が挿通されたコンクリート柱体の緊張材挿通孔にグラウトを充填する作業を省け、また、グラウトの養生期間を待つ必要がないので、工期を大幅に短縮できる。
また、建物が揺れた際に、緊張材がコンクリート柱体の拘束を受けずにその長手方向に自由に変形でき、緊張材に局所的な応力が掛かることもないので、緊張材の耐久性を高める上で有利となる。

高層建物の概略図である。プレキャストプレストレストコンクリート柱の断面図である。プレキャストプレストレストコンクリート柱の断面図である。緊張材部分のプレキャストプレストレストコンクリート柱の断面図である。第２の実施の形態の説明図である。試験体の配筋図である。試験体の載荷装置の構成図を示す。試験体の最大耐力時のひび割れ状況を示す。各試験体におけるせん断力と部材角との関係を示すグラフである。緊張材引張応力と部材角の関係を示すグラフを示す。

以下、本発明の高層建物およびプレキャストプレストレストコンクリート柱の実施形態を説明する。
まず、図１～図４を参照して第１の実施の形態について説明する。
実施の形態に係る高層建物１０は、例えば高さが６０ｍ以上の超高層建物である。
高層建物１０は、各階毎に設けられた複数のプレキャストプレストレストコンクリート柱１２と、建物の揺れを抑制する複数の制振装置３０とを備えている。

プレキャストプレストレストコンクリート柱１２は、上下階のスラブ１４を連結し、詳細には、鉛直方向に延在して上下階のスラブ１４を構成する梁どうしを連結している。
プレキャストプレストレストコンクリート柱１２は、図２に示すように、コンクリート柱体１６と緊張材１８とを含んで構成されている。
コンクリート柱体１６は、本実施の形態では断面が矩形を呈し、柱主筋１６０２とフープ筋１６０４が埋設されると共に複数の緊張材挿通孔１６０６がその長手方向に貫通形成されている。
緊張材挿通孔１６０６は、フープ筋１６０４の内側で矩形の輪郭に沿って配置され、本実施の形態では、緊張材挿通孔１６０６は、フープ筋１６０４の内側の矩形の各角部と、矩形の各辺の中央部との計８か所に貫通形成されている。なお、本実施の形態では矩形は正方形であるが長方形であってもよいことは無論のことである。

緊張材１８は、各緊張材挿通孔１６０６に挿通され、コンクリート柱体１６に鉛直方向にアンボンド状態で配置されている。
緊張材１８としてＰＣ鋼棒やＰＣケーブルなど従来公知の様々な部材が採用可能である。
緊張材挿通孔１６０６の内径は緊張材１８の外径よりも大きい寸法で形成され、緊張材１８のコンクリート柱体１６に対するアンボンド状態は、緊張材１８の外周面と緊張材挿通孔１６０６の内周面との間の環状の隙間を介して形成される。
各緊張材１８は、例えば、高層建物１０の最下端の階層を構成するプレキャストプレストレストコンクリート柱１２から最上端の階層を構成するプレキャストプレストレストコンクリート柱１２まで連続して連結され、あたかも一本の緊張材１８が鉛直方向に挿通されるように配置される。

なお、本発明においてアンボンド状態とは、上述のように緊張材１８が当初からコンクリート柱体１６に接合されていない状態のほか、例えば、緊張材１８の外周面が鏡面のように滑らかに加工され、緊張材１８の外周面と緊張材挿通孔１６０６の内周面との間の環状の隙間にグラウトが充填され、建物に揺れが生じない状態で緊張材１８の外周面がグラウトを介して緊張材挿通孔１６０６の内周面に接合され一体化されていても、建物に揺れが生じた際に、その接合が解除され緊張材１８が緊張材挿通孔１６０６内でその長手方向に自由に変形できる状態になる場合も広く含み、要するに、本発明においてアンボンド状態とは、建物に揺れが生じた際に、コンクリート柱体１６の内部において緊張材１８がその長手方向に自由に変形できる状態をいう。

このような上下に隣り合う階層の緊張材１８の連結は従来公知の様々の手法が採用可能である。
例えば、緊張材１８がＰＣ鋼棒である場合、図４に示すように、下層階のコンクリート柱体１６の上端の凹部１６１０内に配置したプレート１６１２から緊張材１８の上部を突出させ、ジャッキにより緊張材１８を上方に引張り、その状態でナット１６１４をプレート１６１２上で締め付け、その後ジャッキを緊張材１８から離し、下層階のコンクリート柱体１６から突出する緊張材１８の上端と、上層階のコンクリート柱体１６に配設された緊張材１８の下端とを継手１６１６を介して連結する。
そして、下層階の緊張材１８の上部にグラウト１６２０が流れ込まないように、緊張材１８の周囲にカバー１６２２を設けておき、上層階のコンクリート柱体１６を下降させ、グラウト１６２０を介して下層階のコンクリート柱体１６の上端と上層階のコンクリート柱体１６の下端とを接合することで行なわれる。

制振装置３０は各階毎に設けられている。
制振装置３０は、建物に入力される外力を減衰し建物の振動を抑制するものであり、パッシブ型などの従来公知の様々な形式が採用可能であるが、本実施の形態では、上下の階層を連結する層間ダンパーが用いられている。この場合、ダンパーとしてオイルダンパや粘弾性体、金属が利用可能であり、また、設置様式としてブレース型、壁型などが採用可能である。
制振装置３０は、高層建物１０の揺れによる緊張材１８の変形が緊張材１８の弾性範囲内に収まるように高層建物１０の揺れを抑制するように設定されている。
本実施の形態では、制振装置３０は、高層建物１０の揺れ、すなわち層間変形角を、１／１２０～１／１５０の範囲に抑制するように設定されている。

本実施の形態によれば次の効果が奏される。
従来各階毎の複数箇所で行なっていた、緊張材１８が挿通されたコンクリート柱体１６の緊張材挿通孔１６０６にグラウトを充填する作業を省け、また、従来各階毎の複数箇所で行なっていた、グラウトの養生期間を待つ必要がないので工期を大幅に短縮できる。
また、緊張材１８はコンクリート柱体１６に対してアンボンド状態で配設されているため、高層建物１０が揺れた際に、緊張材１８がコンクリート柱体１６の拘束を受けずにその長手方向に自由に変形でき、緊張材１８に局所的な応力が掛かることもなく、緊張材１８の耐久性を高める上で有利となる。
さらに、制振装置３０は、高層建物１０の揺れによる緊張材１８の変形が緊張材１８の弾性範囲内に収まるように高層建物１０の揺れを抑制するように設定されているので、緊張材１８の耐久性を高める上でより有利となる。

次に、図５を参照して第２の実施の形態について説明する。
なお、以下の実施の形態の説明では、第１の実施の形態と同様な箇所、部材に同一の符号を付してその説明を省略し、異なった箇所を重点的に説明する。
第２の実施の形態では、緊張材１８の外周面にグリス２０が塗られ、そのグリス２０の周囲を覆うカバー２２が設けられている。
緊張材１８が緊張材挿通孔１６０６に挿入される前にグリス２０が緊張材１８に塗られ、また、グリス２０が塗られた緊張材１８を覆うようにカバー２２が設けられ、グリス２０、カバー２２は緊張材１８と共に緊張材挿通孔１６０６に挿入される。
カバー２２としては合成樹脂製やゴム製の筒状体など従来公知の様々な市販品が使用可能である。
このような第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な効果が得られるほか、グリス２０により緊張材１８の錆の発生を抑制でき、緊張材１８の耐久性を高める上でより一層有利となる。

なお、第１、第２の実施の形態では、建物が高層建物１０である場合について説明したが、本発明のプレキャストプレストレストコンクリート柱１２は高層建物１０に限定されず、低層建物、中層建物などにも広く適用可能である。
すなわち、高層建物１０に限らず低層建物、中層建物など建物を構築する際に本発明のプレキャストプレストレストコンクリート柱１２を用いれば、建物の揺れを抑制する上で有利となり、緊張材１８が挿通されたコンクリート柱体１６の緊張材挿通孔１６０６にグラウトを充填する作業を省け、また、グラウトの養生期間を待つ必要がないので、工期を大幅に短縮できる。
また、建物が揺れた際に、緊張材１８がコンクリート柱体１６の拘束を受けずにその長手方向に自由に変形でき、緊張材１８に局所的な応力が掛かることもないので、緊張材１８の耐久性を高める上で有利となる。
この場合、建物の揺れによる緊張材１８の変形が緊張材１８の弾性範囲内に収まるように建物の揺れを抑制する制振装置３０を設けると、緊張材１８の耐久性を高める上でより有利となる。

（実施例）
以下、プレキャストプレストレストコンクリート柱１２の構造性能について検討する。
上述のように、本発明では高層建物１０の揺れによる緊張材１８の変形が緊張材１８の弾性範囲内に収まるように高層建物１０の揺れを抑制するように制振装置３０を設置する。高層建物１０の揺れを表す指標として、例えば層間変形角が用いられるが、層間変形角は例えばプレキャストプレストレストコンクリート柱１２の部材角などの要素を含んだパラメータである。
そこで、本実施例では、プレキャストプレストレストコンクリート柱１２を試験体として逆対称加力による曲げせん断実験を行い、その部材角を測定した。

表１に、試験体４０の構成を示す。本実施例ではコンクリート基準強度を実験パラメータとし、Ｆｃ＝８０Ｎ／ｍｍ^２の試験体Ａ、Ｆｃ＝１２０Ｎ／ｍｍ^２の試験体Ｂの２種類を用いた。このコンクリート基準強度値は、３０階～５０階の超高層建物を想定している。軸圧縮力比（軸力比）は、試験体Ａ，Ｂともに０．１５とした。

図６に、試験体４０の配筋図（図６Ａは柱の延在方向に対して垂直方向の断面図、図６Ｂは柱の延在方向に沿った断面図）を示す。
試験体４０のサイズは、超高層建物の下層階を想定した１／３縮尺である。試験体４０は、断面が３５０×３５０ｍｍで内法長さ２１００ｍｍ（Ｍ／ＱＤ＝３）の柱とした。試験体４０の両端に配置されるスタブ４２の断面は９００×６００ｍｍとし、試験体４０とスタブ４２を別々に打設した後、２５ｍｍ厚の高強度無収縮モルタル（グラウト材）を介して両者をプレストレスにより圧着接合した。また、全ての試験体４０をアンボンドプレキャストプレストレストコンクリート柱とした。試験区間の組立筋はＤ１０（ＳＤ２９５Ａ）の異形普通強度鉄筋、せん断補強筋はＳ１０（ＫＳＳ７８５）の高強度せん断補強筋を使用し５０ｍｍ間隔（Ｐｗ＝１．６３％）で配筋した。緊張材はφ１７ＰＣ鋼棒（Ｃ種１号）を４本、定着端間の距離は７３００ｍｍとした。目標導入プレストレス力のＰＣ鋼棒規格降伏耐力に対する比率は０．６８とした。シースの内径は３０ｍｍ（外径３４ｍｍ）とし、シースによる断面欠損は全断面積に対して２．３１％である。

表２および表３に、試験体４０に用いた各種材料の試験結果を示す。表２はコンクリートおよび目地モルタルの試験結果であり、表３は緊張材の試験結果である。
コンクリート（表２参照）については、本実施例では縮小試験体を用いたため、骨材径１３ｍｍの粗骨材を用いた超高強度コンクリートとした。
なお、コンクリートおよびモルタルの圧縮試験はＪＩＳＡ１１０８、割裂引張試験はＪＩＳＡ１１１３、鉄筋およびＰＣ鋼棒の試験はＪＩＳＺ２２４１に基づいて行った。

図７に、試験体４０の載荷装置（試験装置）５０の構成図を示す。
試験は、載荷装置５０を用いて、試験体４０の両端にジャッキで一定軸力を加えながら、逆対称加力を正負交番繰返しで付加することによって行った。載荷はスタブ４２間で計測した柱部材角（Ｒｃ）で制御し、Ｒｃが１／８００で１回、１／４００，１／２００，１／１３３，１／１００，１／６６．７，１／５０，１／３３，１／２５で，それぞれ正負各２回、１／１６．７で１回の交番載荷を行った。

図８に、試験体４０の最大耐力時のひび割れ状況を示す。
軸力比０．１５の試験体である試験体Ａ、試験体Ｂは、目地部に離間と思われるひび割れが発生（Ｒｃ：０．１１６％および０．１２６％時）し、その後試験体に曲げひび割れが発生（Ｒｃ：０．１３４％および０．２６７％時）した。曲げひび割れ発生本数が増えた後、最大耐力（Ｒｃ：０．８６１％および０．７５３％時）に達した。最大耐力に達した後、試験体端部にコンクリートの圧壊による縦ひび割れが発生しせん断力は徐々に低下した。

図９に各試験体におけるせん断力と部材角との関係を示すグラフを示す。
図９において、○は初曲げひび割れ発生時、▲は最大耐力を示す。
また、表４に初曲げひび割れ時せん断力および部材角、表５に最大せん断力および最大せん断力時部材角をそれぞれ示す。
特に最大せん断力について検討すると、試験体Ａにおける最大せん断力は、正側２６４ｋＮ、負側－２６３ｋＮ、平均２６３．５ｋＮであり、最大せん断力時部材角は、正側０．９８１％、負側－０．８６１％、平均０．９２１％（１／１０９）であった。また、試験体Ｂにおける最大せん断力は、正側３７６ｋＮ、負側－３６６ｋＮ、平均３７１ｋＮであり、最大せん断力時部材角は、正側０．７５３％、負側－０．７５４％、平均０．７５４％（１／１３３）であった。

図１０に緊張材引張応力と部材角の関係を示すグラフを示す。降伏応力はＪＩＳ規格により定められている値であり、降伏応力よりも緊張材引張応力が低く、弾性範囲内であった。以上のことから、緊張材が降伏するよりもコンクリートの方が先に圧壊することがわかった。

本実施例では、部材角を１／１３３以下に抑制するように構成すれば、試験体Ａ、Ｂは曲げ降伏せず、試験体Ａ、Ｂの緊張材も降伏しないことがわかった。
すなわち、制振装置を、高層建物の揺れを１／１２０～１／１５０の範囲に抑制するように構成すれば、緊張材は降伏しない。

１０高層建物
１２プレキャストプレストレストコンクリート柱
１４スラブ
１６コンクリート柱体
１６０６緊張材挿通孔
１６１６継手
１８緊張材
３０制振装置

Claims

コンクリート柱体の緊張材挿通孔に緊張材が鉛直方向に挿通された複数のプレキャストプレストレストコンクリート柱と、建物の揺れを抑制する複数の制振装置とを備え、前記複数のプレキャストプレストレストコンクリート柱は上下方向に隣り合って設けられた高層建物であって、
前記プレキャストプレストレストコンクリート柱は、前記緊張材がアンボンド状態で前記コンクリート柱体に配設されると共に上下方向において隣り合う前記プレキャストプレストレストコンクリート柱の前記緊張材は連続して連結され、
前記制振装置は、前記高層建物の揺れによる前記緊張材の変形が前記緊張材の弾性範囲内に収まるように前記高層建物の揺れを抑制する、
ことを特徴とする高層建物。
前記制振装置は、前記高層建物の揺れを１／１２０～１／１５０の範囲に抑制するように構成されている、
ことを特徴とする請求項１記載の高層建物。
前記制振装置は、前記プレキャストプレストレストコンクリート柱の部材角が前記プレキャストプレストレストコンクリート柱の最大せん断力時部材角を超えないように前記高層建物の揺れを抑制するよう構成されている、
ことを特徴とする請求項１記載の高層建物。
コンクリート柱体と、前記コンクリート柱体に鉛直方向に挿通され引張力が掛けられた緊張材とを含んで構成されたプレキャストプレストレストコンクリート柱であって、
前記コンクリート柱体は、断面が矩形を呈し、柱主筋とフープ筋が埋設されると共に、複数の緊張材挿通孔が鉛直方向に貫通形成され、
前記複数の緊張材挿通孔は、前記フープ筋の内側で、前記コンクリート柱体の矩形の輪郭に沿って配置され、
前記緊張材は、前記複数の緊張材挿通孔それぞれに挿通され、前記コンクリート柱体に対してアンボンド状態で配設されている、
ことを特徴とするプレキャストプレストレストコンクリート柱。
前記緊張材挿通孔の内径は前記緊張材の外径よりも大きい寸法で形成され、
前記アンボンド状態は、前記緊張材の外周面と前記緊張材挿通孔の内周面との間の環状の隙間を介して形成されている、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の高層建物または請求項４記載のプレキャストプレストレストコンクリート柱。
前記緊張材の外周面にグリスが塗られ、そのグリスの周囲を覆うカバーが設けられ、
前記グリスおよび前記カバーは前記環状の隙間に収納されている、
ことを特徴とする請求項５記載の高層建物または請求項５記載のプレキャストプレストレストコンクリート柱。