JP7210354B2 - 鉄筋コンクリート製梁構造 - Google Patents

Description

本発明は、孔径Ｈが、梁せいＤの１／３よりも大きく１／２以下（Ｄ／３＜Ｈ≦Ｄ／２）の開孔部を有する鉄筋コンクリート製の梁に、当該開孔部に隣接して小開孔部を形成可能な鉄筋コンクリート製梁構造に関する。

鉄筋コンクリート製の梁に、梁幅方向に開孔部を形成する場合の梁構造については、例えば特許文献１や特許文献２が知られている。

特許文献１の「地中梁における人通孔回りの補強構造」は、地中梁に形成される人通孔の両側に２本１組でＸ字状に配筋され、人通孔側の端部が梁主筋にフックで緊結され、他端部がコンクリートに定着され、且つ、梁幅方向に間隔を隔てて対向配置される４組の斜め補強筋と、人通孔の両側で且つせん断補強の有効な範囲に上下の梁主筋群にわたって巻掛け配筋される孔周囲せん断補強筋とを備える孔周囲補強筋と、人通孔の上部および下部に梁主筋と平行に配筋される複数本の軸方向補強筋と最外側の梁主筋とにわたって巻掛け配筋される孔上下部あばら筋とを備える上下一対の孔部補強筋をコンクリートに埋設するようにしている。

特許文献２の「ＲＣ造梁における開口部補強構造」は、補強材が梁幅方向で過密とならないように開口部を補強でき、梁せいを高くすることなく大きな開口部を形成することができる基礎梁等のＲＣ造梁における開口部補強構造を提供することを課題とし、ＲＣ造梁は、上端筋、下端筋、およびあばら筋がコンクリート内に埋め込まれ、前後面に貫通した開口部を有する。台形状の一対の閉鎖型補強筋を互いに上下対称として、それぞれ開口部を囲む位置に配置し、コンクリート内に埋め込む。閉鎖型補強筋は、三角形状であっても良いというものである。

特開２０１３－８７５０４号公報 特開２０１５－１７２２９９号公報

基礎梁を含め、柱間に構築される鉄筋コンクリート製の梁に、人通孔程度の大径の開孔部を形成した場合に、この開孔部に隣接させて、当該開孔部の径よりも孔径の小さな小開孔部を形成することが望まれる場合がある。

しかしながら、従来にあっては、大径の開孔部に対し、隣接する小開孔部を形成することが可能な基準は見出されていなかった。

殊に、大径の開孔部の孔径Ｈが、梁せいＤの１／３よりも大きく１／２以下（Ｄ／３＜Ｈ≦Ｄ／２）である場合に、当該大径の開孔部に対し、梁せいや柱面からの距離も見込んで、隣接位置に形成することが可能な小開孔部の孔径や形成範囲を得ることができれば、鉄筋コンクリート製の梁を利用する設備配置等を効率よく行えるため、そのような基準の案出が望まれていた。

本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、孔径Ｈが、梁せいＤの１／３よりも大きく１／２以下（Ｄ／３＜Ｈ≦Ｄ／２）の開孔部を有する鉄筋コンクリート製の梁に、当該開孔部に隣接して小開孔部を形成可能な鉄筋コンクリート製梁構造を提供することを目的とする。

本発明にかかる鉄筋コンクリート製梁構造は、孔径Ｈが梁せいＤの１／３よりも大きく１／２以下（Ｄ／３＜Ｈ≦Ｄ／２）である開孔部が梁の幅方向に貫通形成され、柱間に架設される鉄筋コンクリート製梁構造であって、上記梁内部には、全長にわたって梁上端主筋及び梁下端主筋と、これら梁上端主筋及び梁下端主筋に掛け回されて、該梁の長さ方向に所定のピッチで、環状のあばら筋とが配筋されると共に、該梁の長さ方向へ、該梁の上面に沿う上辺、該梁の下面に沿う下辺、並びにこれら上辺及び下辺を連結する一対の斜辺から、上記開孔部を包囲する閉鎖型に形成された２つの同一寸法の平行四辺形斜め補強筋を、該開孔部の直上及び直下で該上辺同士及び該下辺同士が所定寸法で重なり合うように、かつ該斜辺同士がそれらの中央付近で互いに交差するように、重ね合わせて構成した複数の補強鉄筋ユニットが梁幅方向に配列して配筋され、上記梁の上記開孔部周辺には、上記補強鉄筋ユニットが、上記梁上端主筋と上記梁下端主筋との間に配筋され、該補強鉄筋ユニットの上記上辺及び上記下辺それぞれの近隣にこれらに沿わせて、該開孔部の両側へ達する直線状の上軸方向補強筋及び下軸方向補強筋が配筋され、該開孔部の上方で、該補強鉄筋ユニットの該上辺を包囲するように該上軸方向補強筋と該梁上端主筋とに掛け回されて、該開孔部の下方で、該補強鉄筋ユニットの該下辺を包囲するように該下軸方向補強筋と該梁下端主筋とに掛け回されて、該梁の長さ方向に上記あばら筋よりも狭いピッチで環状の開孔部あばら筋が配筋され、該開孔部の中心を通過する上記斜辺と平行な直線が、該梁上端主筋に交わる位置と該梁下端主筋に交わる位置との間の範囲で、該開孔部の両側に、該補強鉄筋ユニット及び該上・下軸方向補強筋を包囲するように該梁上端主筋と該梁下端主筋とに掛け回されて、該梁の長さ方向に該あばら筋よりも狭いピッチで環状の開孔際あばら筋が配筋され、上記上・下軸方向補強筋の長さ方向両端は、上記開孔部両側の上記開孔際あばら筋の配筋範囲から突出され、上記開孔部に隣接して上記梁の幅方向に貫通形成される小開孔部は、孔径ｈが上記梁せいＤの１／６以下（ｈ≦Ｄ／６）であり、該開孔部と当該小開孔部の中心間距離Ｌｈが、これら開孔部及び小開孔部の孔径Ｈ，ｈの相加平均値の３倍から（３倍＋１００ｍｍ）である（３×（Ｈ＋ｈ）／２≦Ｌｈ≦３×（Ｈ＋ｈ）／２＋１００）ことを満たし、上記柱の面から該小開孔部の中心までの距離が、該梁せいＤの１／２以上、かつ、該小開孔部が該梁の上面及び下面それぞれから該梁せいＤの１／４以上離れた範囲内に納まるように形成されることを特徴とする。

前記小開孔部には、該小開孔部周りに沿って小開孔部補強筋が配筋される一方、前記梁のあばら筋は、該小開孔部の上下に配筋されないことを特徴とする。

本発明にかかる鉄筋コンクリート製梁構造にあっては、孔径Ｈが、梁せいＤの１／３よりも大きく１／２以下（Ｄ／３＜Ｈ≦Ｄ／２）の開孔部を有する鉄筋コンクリート製の梁に、当該開孔部に隣接して小開孔部を形成することができる。

本発明にかかる鉄筋コンクリート製梁構造が適用される、基準となる梁の一例（基準試験体）を側方から見た説明図である。 図１に示した梁の一例を上方から見下ろした説明図である。 図１に示した梁の横断面を説明する図であって、図３（Ａ）は図２中、Ａ－Ａ線矢視断面図、図３（Ｂ）は図２中、Ｂ－Ｂ線矢視断面図、図３（Ｃ）は図２中、Ｃ－Ｃ線矢視断面図である。 図１に示した梁に適用される補強鉄筋ユニットを説明する説明図である。 本発明にかかる鉄筋コンクリート製梁構造が適用される、小開孔部付きの梁の一例（供試試験体）を側方から見た説明図である。 図５に示した梁の一例を上方から見下ろした説明図である。 図５に示した梁の横断面を説明する図であって、図７（Ｆ）は図６中、Ｆ－Ｆ線矢視断面図、図７（Ｇ）は図６中、Ｇ－Ｇ線矢視断面図、図７（Ｉ）は図６中、Ｉ－Ｉ線矢視断面図、図７（Ｊ）は図６中、Ｊ－Ｊ線矢視断面図である。 本発明にかかる鉄筋コンクリート製梁構造による小開孔部の形成可能範囲を説明する説明図である。 図１及び図５に示した基準試験体及び供試試験体の諸元を説明する説明図である。 基準試験体及び供試試験体に対する実験概要であって、ひび割れ発生荷重及び短期許容せん断力時のひび割れ幅と残留ひび割れ幅を説明する説明図である。 基準試験体及び供試試験体に対する実験概要であって、せん断終局強度時（実験値）のひび割れ幅を説明する説明図である。 基準試験体及び供試試験体に対する実験概要であって、正加力時における一般部あばら筋、開孔際あばら筋ひずみ分布の比較を説明する説明図である。 基準試験体及び供試試験体に対する実験概要であって、正加力時における平行四辺形斜め補強筋のひずみ履歴分布を説明する説明図である。 基準試験体及び供試試験体に対する実験概要であって、正加力時における試験体各部のせん断変形角分布を説明する説明図である。 基準試験体及び供試試験体に対する実験概要であって、Ｑｇ－Ｒ関係の正側加力時の包絡線の比較を説明する説明図である。 基準試験体及び供試試験体に基づく有限要素法（ＦＥＭ）による解析的検討であって、模擬モデルを説明する説明図である。 図１６に示した模擬モデルにおける荷重変形関係を説明する説明図である。 図１６に示した模擬モデルにおける最大耐力の比較を説明する説明図である。 図１６に示した供試試験体の模擬モデルを補正した修正模擬モデルの荷重変形関係を説明する説明図である。 図１９に示した修正模擬モデルの最大耐力の比較を説明する説明図である。 基準試験体及び供試試験体に基づく有限要素法（ＦＥＭ）による解析的検討であって、他の各種模擬モデルを説明する説明図である。 図２１に示した各種模擬モデルにおける荷重変形関係を説明する説明図である。 図２１に示した各種模擬モデルにおける最大耐力の比較を説明する説明図である。 基準試験体及び供試試験体に基づく有限要素法（ＦＥＭ）による解析的検討であって、梁端部を避けた位置に小開孔部が形成される場合の各種模擬モデルを説明する説明図である。 図２４に示した各種模擬モデルにおける荷重変形関係を説明する説明図である。 図２４に示した各種模擬モデルにおける最大耐力の比較を説明する説明図である。

以下に、本発明にかかる鉄筋コンクリート製梁構造の好適な実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１～図３には、基礎梁を含め、人通孔程度の大径の開孔部が形成された鉄筋コンクリート製の梁構造の一例が示されていて、後述する基準試験体＃１として採用される。

図示するように、鉄筋コンクリート製の梁１は、従来周知のように、環状配列で、隣接する柱２間に設置される梁１の全長にわたって配筋される複数本の梁主筋（梁上端主筋３ａ及び梁下端主筋３ｂ）と、梁１の長さ方向に所定のピッチで、これら梁上端主筋３ａ及び梁下端主筋３ｂに掛け回して配筋される複数の環状のあばら筋４とが梁コンクリートＥ中（梁１の内部）に埋設されて構築される。

梁１の長さ方向の途中に、設備配管を通すための貫通孔や人通孔として、梁幅方向に貫通する円形の開孔部５が形成され、当該開孔部５周辺を補強するために、補強用鉄筋が梁１の内部に配筋される。

補強用鉄筋としては、従来周知のどのようなものであってもよい。図示例は、梁１の内部に、開孔部５を包囲して、補強鉄筋ユニット６を配筋した場合を示している。この例の補強鉄筋ユニット６は、図４にも示すように、２つの同一寸法の平行四辺形斜め補強筋７を組み合わせて構成したものである。

平行四辺形斜め補強筋７は、梁１の長さ方向へ、梁１の上面１ａに沿って当該上面１ａと並行に配置される上辺７ａと、梁１の下面１ｂに沿って当該下面１ｂと並行に配置される下辺７ｂと、これら上辺７ａ及び下辺７ｂを連結する一対の斜辺７ｃとを備えて構成される。

平行四辺形斜め補強筋７は、１本の異形鉄筋を平行四辺形状に曲げ加工し、曲げ加工した当該異形鉄筋の長さ方向両端を溶接接合することによって、閉鎖型に形成される。平行四辺形斜め補強筋７は、開孔部５を包囲する寸法で形成される。平行四辺形斜め補強筋７は、上辺７ａ及び下辺７ｂに対する斜辺７ｃの傾斜角が例えば、４５°で形成される。

補強鉄筋ユニット６は、図４に示すように、２つの平行四辺形斜め補強筋７の斜辺７ｃ同士が、それら斜辺７ｃの中央付近で互いに交差するように重ね合わせることで構成される。

すなわち、斜辺７ｃの傾斜方向を異ならせた２つの平行四辺形斜め補強筋７は、一方の上辺７ａの終端と他方の下辺７ｂの終端とが梁せい方向に揃い、開孔部５の直上及び直下で、上辺７ａ同士及び下辺７ｂ同士が所定寸法で重なり合うように組み合わされ、これにより補強鉄筋ユニット６が構成される。

補強鉄筋ユニット６は、いずれも梁幅方向に貫通形成された開孔部５を包囲するようにして、梁幅方向に配列して複数配筋される。これら補強鉄筋ユニット６は、梁せい方向に、ほぼ同じ高さに揃えて配筋される。

補強鉄筋ユニット６は、梁１の横断面（梁幅方向の断面）で見て、梁１の中央と、梁１の両側面１ｃ側それぞれへ寄せて、３つが配筋される（図３（Ａ）参照）。補強鉄筋ユニット６は、梁幅方向に等ピッチで配列される。

この補強鉄筋ユニット６を組み込んだコンクリート製梁構造にあっては、複数の梁上端主筋３ａ及び梁下端主筋３ｂに、複数のあばら筋４を掛け回して構成された一般の梁鉄筋組に対し、梁１の開孔部５周辺では、補強鉄筋ユニット６が設けられる。補強鉄筋ユニット６は、開孔部５を包囲するようにして、梁上端主筋３ａと梁下端主筋３ｂとの間に配筋される。

補強鉄筋ユニット６は、梁幅方向では、梁１の中央縦断面に関し、線対称な位置関係で、等ピッチで３つ配列される。３つの補強鉄筋ユニット６は、梁せい方向では、梁上端主筋３ａ及び梁下端主筋３ｂから等しい距離を隔てて、同じ高さ位置に配設される。

補強鉄筋ユニット６を構成する平行四辺形斜め補強筋７の上辺７ａ及び下辺７ｂそれぞれの近隣には、これらに沿わせて梁１の長さ方向に、補強鉄筋ユニット６の配設範囲から突出して開孔部５の両側へ達する直線状の上軸方向補強筋８及び下軸方向補強筋９が複数配筋される。図示例では、上・下軸方向補強筋８，９はそれぞれ、梁側面側の２つの補強鉄筋ユニット６に対応させて、梁幅方向に４本ずつ、計８本設けられている。

これら上・下軸方向補強筋８，９は、後述する開孔部あばら筋１０を受けるように、これに外接するように配筋される。

上軸方向補強鉄筋８は、開孔部あばら筋１０及び後述する開孔際あばら筋１１内方に補強鉄筋ユニット６の上辺７ａが納まるように、補強鉄筋ユニット６の上辺７ａよりも僅かに下方へ寄せて設けられる。下軸方向補強鉄筋９も、開孔部あばら筋１０及び開孔際あばら筋１１内方に補強鉄筋ユニット６の下辺７ｂが納まるように、補強鉄筋ユニット６の下辺７ｂよりも僅かに上方へ寄せて設けられる。

環状の開孔部あばら筋１０は、開孔部５を、梁せい方向の上下両側から挟む配置で複数配筋される。開孔部あばら筋１０は、開孔部５の上方では、補強鉄筋ユニット６の上辺７ａを包囲するように、上軸方向補強鉄筋８と梁上端主筋３ａとに掛け回されて配筋される。

また、開孔部あばら筋１０は、開孔部５の下方では、補強鉄筋ユニット６の下辺７ｂを包囲するように、下軸方向補強鉄筋９と梁下端主筋３ｂとに掛け回されて配筋される。

開孔部あばら筋１０は、開孔部５の上方及び下方のいずれでも、梁１の長さ方向に、あばら筋４よりも狭いピッチで、すなわち開孔部５以外の梁部分よりも多くの鉄筋量となるように配筋される。

図示例では、上下の開孔部あばら筋１０はいずれも、大小異なる大きさのもの（１０ａ，１０ｂ）が配筋されている。

具体的には、梁幅方向に３つの補強鉄筋ユニット６すべてを包囲する大きな寸法の開孔部あばら筋１０ａと、梁幅方向の中央に配置される１つの補強鉄筋ユニット６だけを包囲する小さな寸法の開孔部あばら筋１０ｂとが重ね合わせて配筋されている。

従って、梁幅方向の３つの補強鉄筋ユニット６のうち、中央の１つの補強鉄筋ユニット６は、すべての開孔部あばら筋１０で包囲され、梁１の側面１ｃ側に位置する他の２つの補強鉄筋ユニット６は、小さな寸法の開孔部あばら筋１０ｂに外接する配置で、大きな寸法の開孔部あばら筋１０ａだけに包囲されるようになっている。

環状の開孔際あばら筋１１は、開孔部５を、梁１の長さ方向両側から挟む配置で配筋される。開孔際あばら筋１１は、平行四辺形斜め補強筋７の斜辺７ｃ同士が互いに交差する箇所を含んで、補強鉄筋ユニット６及び上・下軸方向補強筋８，９を包囲するように、梁上端主筋３ａと梁下端主筋３ｂとに掛け回されて配筋される。

開孔際あばら筋１１も、梁１の長さ方向に、あばら筋４よりも狭いピッチで、すなわち開孔部５周辺以外の梁部分よりも多くの鉄筋量となるように配筋される。

図示例では、開孔際あばら筋１１も、大小異なる大きさのもの（１１ａ，１１ｂ）が配筋されている。

具体的には、梁幅方向に３つの補強鉄筋ユニット６すべてを包囲する大きな寸法の開孔際あばら筋１１ａと、梁幅方向の中央に配置される１つの補強鉄筋ユニット６だけを包囲する小さな寸法の開孔際あばら筋１１ｂとが重ね合わせて配筋されている。

従って、梁幅方向の３つの補強鉄筋ユニット６のうち、中央の１つの補強鉄筋ユニット６は、すべての開孔際あばら筋１１で包囲され、梁１の側面１ｃ側に位置する他の２つの補強鉄筋ユニット６は、小さな寸法の開孔際あばら筋１１ｂに外接する配置で、大きな寸法の開孔際あばら筋１１ａだけに包囲されるようになっている。

環状の開孔際あばら筋１１、開孔部あばら筋１０、あばら筋４の形成については、閉鎖型形式やキャップタイ形式など、どのような形式であってもよい。

そして、上述した上・下軸方向補強筋８，９は、開孔際あばら筋１１との関係では、それらの長さ方向両端が開孔部５両側の開孔際あばら筋１１の配筋領域を超えて、梁１の長さ方向に突出されるように構成される。

図５～７には、上述した大径の開孔部５を有する鉄筋コンクリート製の梁１（基準試験体＃１）に、当該開孔部５に隣接させて円形の小開孔部１２を形成した鉄筋コンクリート製の梁１（供試試験体＃２）が示されている。

小開孔部１２は、開孔部５を補強する補強鉄筋ユニット６の配筋領域の外側に位置させて、梁幅方向に貫通形成される。供試試験体＃２である図示例では、小開孔部１２は、補強鉄筋ユニット６を挟む配置で２つ形成されている。

これら小開孔部１２は、その周囲が小開孔際あばら筋１５の配筋に加えて、従来周知のダイヤレン（登録商標）やＺ－Ｍダイヤレン１３、コ型補強筋１６が施工されることで補強される。ウェブレン（登録商標）であってもよい。図示例では、Ｚ－Ｍダイヤレン１３が採用されている。開孔部５と小開孔部１２の直径比は１：３である。

なお、上記のように既製品（ダイヤレン、Ｚ－Ｍダイヤレン、ウェブレン等）を使用する場合は、小開孔際あばら筋１５やコ型補強筋１６の必要配筋量は、メーカーの指定する方法で求める。

上述した基準試験体＃１に対する供試試験体＃２に関し、下記に説明する実験と解析を行った結果、図８に示すように、孔径Ｈが梁せいＤの１／３よりも大きく１／２以下（Ｄ／３＜Ｈ≦Ｄ／２）である開孔部５が梁１の幅方向に貫通形成され、柱２間に架設される鉄筋コンクリート製梁構造である場合に、当該開孔部５に隣接して梁１の幅方向に貫通形成可能な小開孔部１２の基準が、次のように得られた。

すなわち、当該小開孔部１２は、孔径ｈが梁せいＤの１／６以下（ｈ≦Ｄ／６）であり、開孔部５と小開孔部１２の中心間距離Ｌｈが、これら開孔部５及び小開孔部１２の孔径Ｈ，ｈの相加平均値の３倍から（３倍＋１００ｍｍ）である（３×（Ｈ＋ｈ）／２≦Ｌｈ≦３×（Ｈ＋ｈ）／２＋１００）ことを満たし、柱２の面２ａから小開孔部１２の中心までの距離が、梁せいＤの１／２以上、かつ、小開孔部１２が梁１の上面１ａ及び下面１ｂそれぞれから梁せいＤの１／４以上離れた範囲Ｚ内に納まるように形成される。

この範囲Ｚの基準が満たされることで、隣接する小開孔部１２を形成しても、上記梁構造の安全性を確保することができる。この基準は、臨界的な意義を示すものではなく、許容範囲としての意義を有するものである。

また、小開孔部１２には、小開孔部１２周りに沿って小開孔部補強筋（例えば、Ｚ－Ｍダイヤレン１３や小開孔際あばら筋１５、コ型補強筋１６）が配筋される一方、梁１のあばら筋４は、小開孔部１２の上下には配筋されなくてもよい。

孔径ｈ１が梁せいＤの１／３以下（ｈ１≦Ｄ／３）の追加の開孔部１４が、梁１の上面１ａ及び下面１ｂそれぞれから梁せいＤの１／４以上離れた範囲内に形成されてもよい。

《実験及び解析の概要》
小開孔部１２の孔径ｈがＤ／６であって、開孔部５と小開孔部１２の中心間距離Ｌｈが、これら開孔部５及び小開孔部１２の孔径Ｈ，ｈの相加平均値の３倍である場合に、この小開孔部１２が開孔部５に及ぼす影響について、下記実験及び有限要素解析により、検討を行った。

Ａ．実験概要
試験体は、単一の開孔部５を有する基準試験体＃１（図１～図３参照）と、基準試験体＃１に対し小開孔部１２（孔径ｈ＝１００ｍｍ）を加えた供試試験体＃２（図５～図７参照）であって、ともに１／２縮小試験体を用いた。

小開孔部１２は、Ｌ／Ｄ（１，８００ｍｍ／６００ｍｍ）＝３であるため、小開孔部１２の中心が柱面２ａからＤ／２（＝３００ｍｍ）の距離を隔てた位置に形成している。小開孔部１２の補強は、既往のＺ－Ｍダイヤレン工法によった。

これら試験体＃１，＃２のパラメータは、コンクリート強度、開孔補強筋量、開孔数、開孔径比（Ｈ／Ｄ＝３００ｍｍ／６００ｍｍ＝１／２）とした。試験体断面は、梁幅Ｂ＝３５０ｍｍ、梁せいＤ＝６００ｍｍ、開孔直径Ｈ＝３００ｍｍ、梁の内法スパンは、１８００ｍｍである。コンクリートの設計基準強度Ｆｃは、３０Ｎ／ｍｍ２である。

試験体＃１，＃２は、開孔周囲のせん断破壊先行となるように設計した。曲げ降伏が先行することを防止するため、梁主筋には一般的な基礎梁で想定されるよりも高強度のＳＤ４９０（Ｄ２２）を使用した。

平行四辺形斜め補強筋比Ｐｗｄ＝０．３４％、開孔際あばら筋比Ｐｗｓ＝０．４４％、開孔部あばら筋比Ｐｗｃ＝０．９１％である。詳細は、図９に示されている。

・ひび割れ状況の比較
図１０の表に、開孔部５周囲のせん断ひび割れ発生荷重及び短期許容せん断力時のひび割れ幅（ｍｍ）と残留ひび割れ幅（ｍｍ）が示され、図１１の表に、せん断終局強度（実験値）時のひび割れ幅（ｍｍ）が示されている。

せん断ひび割れ発生荷重は、１９８５年１０月の日本建築学会大会学術講演梗概集における津村らの発表による”孔部せん断ひび割れ強度の推定”から求める。短期許容せん断力は、日本建築学会発行の「鉄筋コンクリート構造計算基準・同解説」による”孔周囲の損傷制御を目的とする短期許容せん断力”の算定式を基にして、孔周囲の鉄筋として、開孔際あばら筋と平行四辺形斜め補強筋の２種類があることから、開孔際あばら筋の鉄筋強度を基準として、平行四辺形斜め補強筋の断面積を、鉄筋強度の比で補正して求める。

供試試験体＃２のひび割れ発生荷重及び短期許容せん断力時のひび割れ幅は、基準試験体＃１と大差はなく、せん断終局強度時についてはひび割れ幅が大きいことが分かる。また、最大耐力時においては、開孔部５と小開孔部１２を結ぶひび割れは見られなかったが、開孔部５周囲に生じるひび割れは、供試試験体＃２で多い傾向が見られた。

・鉄筋ひずみ等の比較
図１２には、短期許容せん断力時と最大耐力時における一般部あばら筋及び開孔際あばら筋のひずみ（εｓｉ）分布について、基準試験体＃１と供試試験体＃２の比較が示されている。

短期許容せん断力時では、開孔部５周りの応力状態に差は見られないが、最大耐力時では、降伏ひずみ以下の値ではあるが、基準試験体＃１よりも供試試験体＃２の方が、開孔際あばら筋及び一般部あばら筋のひずみεｓｉが大きくなっている。

図１３には、正加力時の平行四辺形斜め補強筋のひずみ（εＨｉ）の推移が示されている。基準試験体＃１及び供試試験体＃２両者ともに、短期許容せん断力時には降伏相当のひずみεＨｉが生じており、明確な差は見られない。

図１４には、正加力時のせん断変形角（γｉｏ）の分布が示されている。短期許容せん断力時までは両者に差は見られないが、短期許容せん断力時以降は、供試試験体＃２の方が基準試験体＃１よりも開孔部５近傍のせん断変形角γｉｏが大きいが、小開孔部近傍の領域でのせん断変形は小さい。

これは、コ型補強筋により、小開孔部１２周りの変形が拘束され、開孔部５近傍に変形が集中したと考えられる。

図１５には、基準試験体＃１及び供試試験体＃２について、Ｑｇ―Ｒ関係における正側加力時の包絡線の比較が示されている。供試試験体＃２の最大荷重が基準試験体＃１に比べ、低くなっている。

これは、小開孔部１２を複数とした影響と考えられる。しかし、小開孔部１２が複数であっても、開孔周囲のせん断終局強度で評価すれば、実験値に対する余裕度を１．２確保できることを確認している。

開孔周囲のせん断終局強度は、日本建築学会発行の「鉄筋コンクリート構造計算基準・同解説」による”孔周囲の大地震に対する安全性の確保を目的とした検討”の算定式を基にして、開孔補強筋比は０．００４を上限とすると共に、孔径が梁せいの１／２．４より大きく、コンクリート強度が３０Ｎ／ｍｍ２未満の場合に、コンクリート強度に応じて強度を低減して求める。

開孔部５と小開孔部１２の中心間距離Ｌｈを、開孔部５及び小開孔部１２の孔径Ｈ，ｈの相加平均値の３倍確保した位置に、小開孔部１２を設けた上記実験結果から、
（１）短期許容せん断力時までは、小開孔部１２の有無による影響は小さい、
（２）短期許容せん断力時以降は、小開孔部１２があることにより、開孔部５周りのひび割れ幅が大きくなることや開孔部５近傍のせん断変形が大きくなる、
ことが分かった。

Ｂ．有限要素法（ＦＥＭ）による解析的検討
ａ．実験のシミュレーション解析
供試試験体＃２の実験結果と、供試試験体＃２を模擬した解析用の模擬モデルに対する解析結果とを比較し、解析の妥当性を検証した。まず、供試試験体＃２の実験結果を模擬できるか確認するため、基準試験体＃１に対しても、同様に解析を行った。

図１６には、基準試験体＃１及び供試試験体＃２の模擬モデル＃１Ｓ，＃２Ｓの表及び供試試験体の模擬モデル（（１）コンクリート、（２）鉄筋）＃２Ｓが示されている。試験体と模擬モデルとで、配筋及び断面寸法は同一である。小開孔部１２周りの補強筋であるスーパーダイヤレン及びコ型補強筋、開孔際補強筋についても、モデル化を行った。材料強度は、実強度とした。

図１７には、解析結果の荷重変形関係が示されている。図１８には、解析の最大せん断耐力Ｑｍａｘ及び実験における最大耐力Ｑｍａｘ、実強度によるせん断終局強度の計算値Ｑｓｕｏが示されている。

実験結果では供試試験体＃２の最大耐力は基準試験体＃１に対し１０％程度小さくなったが、解析では、２％程度しか小さくなっておらず、実験結果に対し解析は過大評価となった。

これは、載荷方法の違いが原因と考えられる。すなわち、実験は正負繰り返し載荷であるのに対し、解析は一方向の単調載荷であるため、解析では、実験で観察された短期せん断耐力時以降の剛性低下（開孔部５周りのひび割れ幅の増大、せん断変形の増大）に伴う最大耐力の低下を再現できていない。

実験で生じた短期せん断耐力時以降の剛性低下を解析で再現するため、コンクリートのせん断剛性を調整した。

基準試験体＃１を模擬した模擬モデル＃１Ｓでは、コンクリートのせん断剛性について、ひび割れ発生後の割線剛性を模擬するために、せん断弾性定数（せん断剛性）に低減率β（０．１）を乗じた値で評価しているが、供試試験体＃２を模擬した模擬モデル＃２Ｓについては、この低減率βをさらに０．７５倍（低減率β＝０．０７５）として評価し、修正模擬モデル＃２ＳＸとした。

図１９には、修正模擬モデル＃２ＳＸの解析結果として、荷重変形関係及び最大せん断耐力が、基準試験体＃１及びその模擬モデル＃１Ｓと比較して示されている。

修正模擬モデル＃２ＳＸの最大耐力は、修正前の模擬モデル＃２Ｓよりも低下し、基準試験体＃１の模擬モデル＃１Ｓに対して、８％程度の耐力低下となった。また、修正模擬モデル＃２ＳＸによる解析の場合と供試試験体＃２の実験の場合とで、最大耐力の比は１．０７となり、解析は実験をおおむね再現できた。図２０には、最大耐力時の変形が示されている。

ｂ．小開孔部１２の各種補強筋及び小開孔部１２の鉛直方向偏心（梁せい方向への位置ずれ）が最大耐力に与える影響
小開孔部１２周りの各種補強筋及び小開孔部１２の鉛直方向への偏心が最大耐力に与える影響を解析により確認するため、図２１に示したような模擬モデルを設定した。

模擬モデル＃４Ｓは、小開孔部１２の開孔補強筋を高強度鉄筋（ダイヤレンＮＳ／２組―Ｓ６ＫＳＳ７８５）とし、コ型補強筋を除いたものである。

模擬モデル＃４Ｓ，＃５Ｓは、小開孔部１２のへりあきをＤ／４に設定して偏心したもので、加力方向による影響について確認するため、正・負加力２つのモデルを設定した。

すべての模擬モデルについて、供試試験体＃２の実験結果のシミュレーション結果を反映して、せん断剛性の低減（低減率β１＝０．０７５）を考慮した。

図２２には、解析結果の荷重変形関係が、図２３には、解析の最大せん断耐力Ｑｍａｘ及びせん断終局強度計算値Ｑｓｕｏが示されている。

小開孔部１２の開孔補強筋に高強度のものを用い、かつコ型補強筋を配置していない模擬モデル＃３Ｓでは、耐力低下は１％未満であるが、剛性低下が見られた。これは、コ型補強筋を除いた影響と考えられる。模擬モデル＃４Ｓ，＃５Ｓでは、最大耐力の低下は見られなかった。

模擬モデル＃４Ｓの剛性が高い原因は、解析上鉄筋は埋め込みモデル（完全付着）としており、偏心で小開孔部１２の補強筋であるダイヤレンの鉄筋がコンクリートの曲げ引張部に位置することで、コンクリートの曲げひび割れに伴う剛性低下が抑制されたためと考えられる。

また、小開孔部１２周りのひずみについては、各模擬モデル相互で若干差が見られるものの、開孔部５周りについては同様のひずみ分布となっていることが見受けられた。

ｃ．小開孔部１２が梁端部に位置しない場合の解析
梁端部（柱面２ａから１Ｄ（＝６００ｍｍ）の範囲）を避けた位置に小開孔部１２が位置する場合を想定し、Ｌ／Ｄ（＝３，６００ｍｍ／６００ｍｍ）＝６とした。

図２４には、模擬モデルの一覧が示されている。小開孔部１２の直径ｈは、Ｄ／６（＝１００ｍｍ）とし、小開孔部１２と開孔部５の孔の中心間距離は、これら開孔部５、１２の直径Ｈ，ｈの相加平均値の３倍としている。

模擬モデル＃４Ｓは、基準試験体＃１をベースとして、上記条件で小開孔部１２が無いもの、模擬モデル＃５Ｓは、模擬モデル＃４Ｓに対し、小開孔部１２を普通鉄筋で補強したもの、模擬モデル＃６Ｓは、模擬モデル＃４Ｓに対し、小開孔部１２を高強度鉄筋で補強したもの、模擬モデル＃７Ｓは、模擬モデル＃４Ｓに対し、小開孔部１２を高強度鉄筋で補強し、小開孔部１２を偏心させ、正加力したもの、模擬モデル＃８Ｓは、模擬モデル＃４Ｓに対し、小開孔部１２を高強度鉄筋で補強し、小開孔部１２を偏心させ、負加力したものである。

模擬モデル＃６～８Ｓでは、小開孔部１２の開孔補強は、供試試験体＃２よりも、ひび割れに対して不利な条件となるように、既往の高強度鉄筋を用いた開孔補強の既製品（ダイヤレンＮＳ：２組－Ｓ６ＫＳＳ７８５）とし、小開孔部１２の補強設計は、採用した製品の設計指針に基づき小開孔部１２のせん断終局強度が一般部のせん断強度を上回るように設定した。

小開孔部１２の周辺にコ型補強筋は配置していない。小開孔部１２を梁せい方向に偏心させた模擬モデル＃７Ｓ，＃８Ｓについては、小開孔部１２のへりあきを１２５ｍｍ（＝Ｄ／４．８）とし、さらに不利な条件となるように設定した。

模擬モデルの配筋及び断面寸法は、基準試験体＃１と同一であるが、せん断破壊先行型の破壊モードとなるように、主筋径をＤ２９に変更した。小開孔部１２を設けた模擬モデルについては、実験結果のシミュレーション解析を反映して、せん断剛性の低減を考慮した。

図２５には、解析結果の荷重変形関係が示され、図２６には、各模擬モデルの最大せん断耐力Ｑｍａｘ及び規格強度によるせん断終局強度計算値Ｑｓｕｏが示されている。

小開孔部１２の有無及び小開孔部１２の鉛直移動による耐力低下は、最大でも５％程度であり、また計算値に対する余裕度も十分確保できている。小開孔部１２が梁端部に位置する場合は８％程度の耐力低下となっているが、小開孔部１２が梁端部に位置しない場合には、耐力低下が小さくなることが確認できた。

小開孔部１２の開孔補強筋に高強度鉄筋を使用した場合や、小開孔部１２が梁せい方向に偏心した場合でも、最大耐力に与える影響は見られない。

模擬モデル＃６Ｓ～＃８Ｓでは、小開孔部１２の開孔補強筋に高強度鉄筋を用いているが、開孔部５周りの応力分布に明確な差は見られなかった。小開孔部１２と開孔部５をつなぐようなひずみが集中する傾向は見られなかった。

以上のことから、
（１）小開孔部１２が梁端部に位置しない場合には、耐力低下は、小開孔部１２の鉛直方向への偏心を考慮しても、５％程度で、小開孔部１２が梁端部に位置する場合に比べ、耐力低下が小さく、計算値に対する余裕度も、十分確保できる、
（２）小開孔部１２の開孔補強筋を高強度鉄筋としたことや、小開孔部１２が梁せい方向に偏心したことによっても、最大耐力の低下は見られず、開孔部５周りの応力分布にも明確な差は見られない、
ことが分かった。

《まとめ》
孔径Ｈが梁せいＤの１／３よりも大きく１／２以下（Ｄ／３＜Ｈ≦Ｄ／２）である開孔部が梁の幅方向に貫通形成され、柱間に架設される鉄筋コンクリート製梁構造であって、開孔部に隣接して梁の幅方向に貫通形成される小開孔部は、孔径ｈが梁せいＤの１／６以下（ｈ≦Ｄ／６）であり、開孔部と当該小開孔部の中心間距離Ｌｈが、これら開孔部及び小開孔部の孔径Ｈ，ｈの相加平均値の３倍であることを確保し、柱の面から小開孔部の中心までの距離が、梁せいＤの１／２以上、かつ、小開孔部が梁の上面及び下面それぞれから梁せいＤの１／４以上離れた範囲内に納まるように形成した供試試験体に対する実験結果及び有限要素解析結果から、以下の結論が得られた。

・短期許容せん断時までは、小開孔部１２の有無による影響は小さい。
・短期許容せん断時以降は、小開孔部１２が剛性・耐力に影響を与えることが確認された。ただし、せん断終局強度の計算値に対する、実験値の余裕度は１．２を確保できている。
・小開孔部１２の開孔補強に高強度鉄筋を用いても、最大耐力に与える影響は小さい。
・小開孔部１２が梁せい方向に偏心していても、最大耐力に与える影響は小さい。
・小開孔部１２が梁端部（１Ｄ）に位置しない場合は、梁端部に位置する場合に比べ、小開孔部１２が最大耐力に与える影響が小さくなる。

小開孔部１２が梁端部（１Ｄ）に位置する場合には、実験で確認した配筋と同じ仕様とするため、開孔補強筋として使用する鉄筋は普通鉄筋とし、梁主筋の座屈防止のためのコ型補強筋を設けると共に、小開孔部１２の梁せい方向の位置は、上下にへりあきをＤ／４以上確保した位置にする。

小開孔部１２が梁端部（１Ｄ）に位置しない場合には、実験では小開孔部１２の開孔補強筋に高強度補強筋を用いておらず、解析では実際のひび割れ性状を完全には再現できていないと考えられるため、開孔補強筋として使用する鉄筋は普通鉄筋とし、梁主筋の座屈防止のためのコ型補強筋は設けないと共に、小開孔部１２の梁せい方向の位置は、上下にへりあきをＤ／４以上確保した位置にする。

以上の検討から、鉄筋コンクリート製梁構造として、小開孔部１２には、小開孔部１２周りに沿って小開孔部補強筋が配筋される一方、梁のあばら筋４は、小開孔部１２の上下に配筋されない構造が採用できる。

また、鉄筋コンクリート製梁構造として、孔径ｈ１が梁せいＤの１／３以下（ｈ１≦Ｄ／３）の追加の開孔部１４を、梁１の上面１ａ及び下面１ｂそれぞれから梁せいＤの１／４以上離れた範囲内に形成するようにしてもよい。

１ 梁
１ａ 梁の上面
１ｂ 梁の下面
２ 柱
２ａ 柱の面
４ 梁のあばら筋
５ 開孔部
１２ 小開孔部
１４ 追加の開孔部
Ｚ 範囲

Claims (2)

1. 孔径Ｈが梁せいＤの１／３よりも大きく１／２以下（Ｄ／３＜Ｈ≦Ｄ／２）である開孔部が梁の幅方向に貫通形成され、柱間に架設される鉄筋コンクリート製梁構造であって、
   上記梁内部には、全長にわたって梁上端主筋及び梁下端主筋と、これら梁上端主筋及び梁下端主筋に掛け回されて、該梁の長さ方向に所定のピッチで、環状のあばら筋とが配筋されると共に、該梁の長さ方向へ、該梁の上面に沿う上辺、該梁の下面に沿う下辺、並びにこれら上辺及び下辺を連結する一対の斜辺から、上記開孔部を包囲する閉鎖型に形成された２つの同一寸法の平行四辺形斜め補強筋を、該開孔部の直上及び直下で該上辺同士及び該下辺同士が所定寸法で重なり合うように、かつ該斜辺同士がそれらの中央付近で互いに交差するように、重ね合わせて構成した複数の補強鉄筋ユニットが梁幅方向に配列して配筋され、
   上記梁の上記開孔部周辺には、上記補強鉄筋ユニットが、上記梁上端主筋と上記梁下端主筋との間に配筋され、該補強鉄筋ユニットの上記上辺及び上記下辺それぞれの近隣にこれらに沿わせて、該開孔部の両側へ達する直線状の上軸方向補強筋及び下軸方向補強筋が配筋され、該開孔部の上方で、該補強鉄筋ユニットの該上辺を包囲するように該上軸方向補強筋と該梁上端主筋とに掛け回されて、該開孔部の下方で、該補強鉄筋ユニットの該下辺を包囲するように該下軸方向補強筋と該梁下端主筋とに掛け回されて、該梁の長さ方向に上記あばら筋よりも狭いピッチで環状の開孔部あばら筋が配筋され、該開孔部の中心を通過する上記斜辺と平行な直線が、該梁上端主筋に交わる位置と該梁下端主筋に交わる位置との間の範囲で、該開孔部の両側に、該補強鉄筋ユニット及び該上・下軸方向補強筋を包囲するように該梁上端主筋と該梁下端主筋とに掛け回されて、該梁の長さ方向に該あばら筋よりも狭いピッチで環状の開孔際あばら筋が配筋され、
   上記上・下軸方向補強筋の長さ方向両端は、上記開孔部両側の上記開孔際あばら筋の配筋範囲から突出され、
   上記開孔部に隣接して上記梁の幅方向に貫通形成される小開孔部は、孔径ｈが上記梁せいＤの１／６以下（ｈ≦Ｄ／６）であり、該開孔部と当該小開孔部の中心間距離Ｌｈが、これら開孔部及び小開孔部の孔径Ｈ，ｈの相加平均値の３倍から（３倍＋１００ｍｍ）である（３×（Ｈ＋ｈ）／２≦Ｌｈ≦３×（Ｈ＋ｈ）／２＋１００）ことを満たし、上記柱の面から該小開孔部の中心までの距離が、該梁せいＤの１／２以上、かつ、該小開孔部が該梁の上面及び下面それぞれから該梁せいＤの１／４以上離れた範囲内に納まるように形成されることを特徴とする鉄筋コンクリート製梁構造。
2. 前記小開孔部には、該小開孔部周りに沿って小開孔部補強筋が配筋される一方、前記梁のあばら筋は、該小開孔部の上下に配筋されないことを特徴とする請求項１に記載の鉄筋コンクリート製梁構造。

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