WO2023188024A1 - 機械式鉄筋定着工法の定着耐力の算定（評価）方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械式鉄筋定着における推定される定着耐力の算定の精度を高める。 【解決手段】鉄筋コンクリート造の定着部材２内に定着金物４０を端部に取り付けた主筋１１を配し、定着金物４０によって定着させる機械式鉄筋定着において、主筋１１に生じた引張力Ｔに対して定着部材２がコーン状破壊により定着破壊するときの推定される定着耐力Ｐｎを算定する方法であって、コーン状破壊の破壊形状として想定される円錐形状５０の側面の面積と、コーン状破壊に対するコンクリートの引張強度との乗積に基づいて定着耐力Ｐｎを算定する。

Description

機械式鉄筋定着工法の定着耐力の算定（評価）方法

　本発明は、定着金物を取り付けた鉄筋端部をコンクリート内に配して定着させる機械式鉄筋定着工法に関し、より詳細には、定着耐力を算定する方法に関する。

　従来、鉄筋コンクリート構造物に用いられる鉄筋の定着工法として、定着鉄筋の端部を９０度や１８０度に折り曲げてフックを形成した折り曲げ定着工法が、一般的に用いられてきた（例えば、特許文献１参照）。しかし、近年、構造物の高層化に伴い配筋が過密化・複雑化しコンクリート打設が困難になる問題や、鉄筋の高強度化に伴い折り曲げ加工が困難になる問題等が生じていた。

　これらの問題を解決する工法として、定着鉄筋の端部に定着金物を取り付けて定着する機械式鉄筋定着工法が行われている（例えば、特許文献２参照）。この工法がなされた鉄筋コンクリート造の定着部材内では、定着長として必要な鉄筋部分と定着金物が定着部となり、定着鉄筋に作用する引張力に対し、上記鉄筋部分の付着力と上記定着金物の支圧力とにより抵抗する。

　この抵抗する力を定着鉄筋に作用する引張力が超えると、定着部周囲の定着部材（コンクリート）が破壊されることにより、定着力が喪失される定着破壊が生じる。定着破壊時には鉄筋部分の付着力がほとんどなくなり、定着金物の支圧力による定着耐力が得られる。定着破壊として、定着部材が定着金物から円錐状にかき出されるコーン状破壊と鉄筋端部近傍のコンクリートの破壊に起因して側面かぶり部分が押し出される側面剥離破壊が知られている。コーン状破壊時の定着耐力を算定するために次の式（ａ）が存在し（非特許文献１）、側面剥離破壊時の定着耐力を算定するために次の式（ｂ）が存在している（非特許文献２）。

（数ａ）
　　　　　　　　Ｐ＝γ・0.31√Ｆ_ｃ・Ａ_ｃ　・・・（ａ）
　　　Ｐ：コーン状破壊時の定着耐力（Ｎ）
　　　γ：ひび割れの低減係数
　　　Ｆ_ｃ：コンクリートの設計基準強度（N/mm²）
　　　　　（0.31√Ｆ_ｃ:コーン状破壊に対するコンクリートの引張強度）
　　　Ａ_ｃ：コーン状破壊面の有効水平投影面積（mm²）
（数ｂ）
　　　　　　　　　　Ｐ＝k・a_b・σ_std　・・・（ｂ）
　　　Ｐ：側面剥離破壊時の定着耐力（N）
　　　ｋ：補強筋による拘束効果の影響を表す係数
　　　a_b：鉄筋の断面積（mm²）
　　　σ_std:無補強時の定着破壊時鉄筋応力度（N/mm²）

実開平３－９３５０１号公報 特開２０１４－１０５４９３号公報

日本建築学会　各種合成構造設計指針・同解説（２０１０年改定） （財）国土開発技術研究センター　New RC研究開発概要報告書

　上記算定式（ａ）と上記算定式（ｂ）には連続性がなく、定着耐力算定のためにはそれぞれの算定式による検討が必要であった。また、これらの算定式はコンクリート構造物の各種接合部における実験によって導いた式であり、実験範囲を越える場合は算定ができず、新たな実験にて検証する必要があった。特に上記算定式（ｂ）では、接合部条件、定着長さ、使用材料等の実験範囲が限定的であった。

　上記算定式（ａ）では、コーン状破壊に対するコンクリートの引張強度（0.31√Ｆ_ｃ）に、コーン状破壊面の面積ではなくコーン状破壊面の有効水平投影面積（Ａ_ｃ）を乗じた積に基づいて、コーン状破壊耐力Ｐを算定している。

　例えば図７（Ａ）に示すように、柱１０と梁２０が連結されたト形の接合部３０内に、定着金物４０を取り付けた梁の上側主筋２１の先端部が配された場合において、上側主筋２１に引張力Ｔが作用しコーン状破壊面Ｃｓが生じるときのコーン状破壊耐力Ｐの算定では、図７（Ｂ）に示すように、コーン状破壊面Ｃｓを柱１０の側面に投影した部分Ｃｐの面積が用いられている。そのため算定の精度を落としていた。

　また、上記算定式（ａ）で用いられる、ひび割れの低減係数（γ）は、例えば、コンクリート構造物の接合部に定着する場合コーン状破壊面に横切るひび割れを考慮した係数であって、実験で求めた値を近似したものである。そのため、算定式の適用が、この算定式を導いた実験範囲内に限定されたり、低減係数（γ）により、算定される定着耐力が実際の定着耐力より過小評価となったりしていた。

　本発明は上記課題の少なくとも１つを解決するためになされたものであって、本発明の一態様に係る機械式鉄筋定着の定着耐力算定方法は、鉄筋コンクリート造の定着部材内に定着金物を端部に取り付けた定着鉄筋を配し、定着金物によって定着させる機械式鉄筋定着において、定着鉄筋に生じた引張力に対して定着部材がコーン状破壊により定着破壊するときの推定される定着耐力を算定する方法であって、コーン状破壊の破壊形状として想定される円錐状形状の側面の面積と、コーン状破壊に対するコンクリートの引張強度との乗積に基づいてコーン状破壊のみならず側面剥離破壊を含む定着耐力を算定することを特徴とする。

　上記構成によれば、多様な条件の下での定着耐力の算定に適用することができる。また、コーン状破壊の破壊形状として円錐状形状を想定してその側面の面積を定着耐力の算定に用いることにより、算定の精度を高めることができる。

　好ましくは、上記定着耐力算定方法において、
　上記円錐状形状の側面のうち上記定着部材内にある定着部材内側面の割合に関する係数を上記乗積に乗じて、定着耐力の基準値を算出する基準値算出工程と、
　上記円錐状形状の定着部材内側面のうち、上記定着鉄筋及び定着金物を中心として対称な形状を有する部分を対称部とするとともに上記対称部を除いた部分を非対称部とし、上記非対称部の割合に関する係数を上記定着耐力の基準値に乗じることにより上記非対称部の非対称性により喪失する喪失耐力値とし、これを上記基準値から差し引いて定着耐力の下限値を算出する下限値算出工程と、
　上記円錐形状の定着部材内側面を横切る補強鉄筋の伝達力により定着耐力に寄与できる割合に関する係数を上記喪失耐力値に乗じることにより上記補強鉄筋の伝達力に基づく算入耐力値とし、これを上記下限値に加えて、推定される定着耐力の値を算定する推定耐力値算定工程と、を備えたことを特徴とする。

　上記構成によれば、推定される定着耐力の算定において、定着部材内の破壊面の面積と、定着部材内の破壊面の対称部及び非対称部と、円錐状形状の定着部材内側面を横切る補強鉄筋の伝達力とを考慮することにより、定着耐力の算定の精度をより高めることができる。

　本発明によれば、推定される定着耐力の算定の精度を高めることができる。

定着部材内に配され定着金物が取り付けられた定着鉄筋に引張力が生じた際に、コーン状破壊の破壊形状として想定される円錐形状を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係わる柱梁接合部の機械式鉄筋定着を示す斜視図であって、梁主筋先端側の隅部に配された柱主筋に引張力が生じてコーン状破壊が生じる場合に想定される破壊面を示す。 （Ａ）図２の想定破壊面を単独で示す斜視図である。（Ｂ）図２の想定破壊面を単独で示す斜視図であって、対称部と非対称部とを分離して示す。 本発明の第２実施形態に係わる柱梁接合部の機械式鉄筋定着を示す斜視図であって、柱と梁のなす内角側の隅部に配された柱主筋に引張力が生じてコーン状破壊が生じる場合に想定される破壊面を示す。 （Ａ）図４の想定破壊面を単独で示す斜視図である。（Ｂ）図４の想定破壊面を単独で示す斜視図であって、対称部と非対称部とを分離して示す。 柱と梁を有する鉄筋コンクリート構造物の概略図である。 従来の定着耐力の算定を説明するための模式図であって、先端部の定着金物をト形の柱梁接合部内に配した梁主筋に引張力が作用した状態を示し、（Ａ）は正面から見た図、（Ｂ）は側面から見た図である。

［第１実施形態］
　以下、本発明の第１実施形態に係る機械式鉄筋定着の定着耐力算定方法について、図１～図３、図６を参照して説明する。本実施形態は、鉄筋コンクリート構造物の柱梁接合部における定着耐力の算定に本発明を適用したものである。

　図６に示す鉄筋コンクリート構造物１は、柱１０、梁２０、及び柱１０と梁２０が連結される柱梁接合部３０を有している。柱梁接合部３０は、梁２０の端部と柱１０が連結されたト形接合部３０ａと、柱１０の上端部と梁２０が連結されたＴ形接合部３０ｂと、柱１０の上端部と梁２０の端部が連結されたＬ形接合部３０ｃを含む。

　図２は、本実施形態に係わるＬ形接合部３０ｃの構造を示すが、柱１０の図示を一部省略している。
　梁２０は、同一水平面において互いに平行をなして延びる複数（本実施形態では４本）の上側主筋２１と、その下方の他の水平面において互いに平行をなして延びる複数（本実施形態では４本）の下側主筋２２とを有している。上側主筋２１及び下側主筋２２はコンクリートＣｎに埋設されており、Ｌ形接合部３０ｃ内において、各上側主筋２１の先端には垂直下方に折り曲げられたフック２１ａが形成され、各下側主筋２２の先端にも垂直上方に折り曲げられたフック２２ａが形成されている。

　柱１０は、仮想矩形の隅角部と辺部にそれぞれ配置された複数の主筋１１（定着鉄筋）を備えているが、図２では、Ｌ形接合部３０ｃにおける梁の主筋２１，２２の先端側の隅部（外側隅部）に配置された２つの主筋１１のみを示している。柱１０は、複数の主筋１１を囲む矩形形状のせん断補強筋１２（補強鉄筋）を複数備え、せん断補強筋１２は主筋１１の長手方向に間隔を置いて配置されている。主筋１１とせん断補強筋１２は、その交差部において番線等により連結されコンクリートＣｎに埋設されている。

　本実施形態では、主筋１１にはネジフシを有するネジ鉄筋が用いられているが、縦リブと横フシを有する通常の異形鉄筋が用いられてもよい。Ｌ形接合部３０ｃ内において各主筋１１の先端部には、主筋１０の径方向に突出する鍔部４１を有する定着金物４０が取り付けられている。これにより、Ｌ形接合部３０ｃでは、主筋１０と定着金物４０とによる機械式鉄筋定着がなされている。

　図１は、定着金物４０を取り付けた主筋１１をコンクリートＣｎの直方体状の定着部材２内に配した場合を示している。定着部材２内では、定着長として必要な長さを有する主筋１１の定着長部分１１ａと定着金物４０とが定着部４０Ａとなっている。主筋１１の軸方向に作用する引張力Ｔに対し、定着長部分１１ａの付着力と定着金物４０の支圧力とによって抵抗し、引張力Ｔが定着耐力を超えると定着破壊であるコーン状破壊が生じ、定着部材２が定着金物４０から円錐状にかき出される。

　主筋１１に引張力Ｔが生じた際の定着部材２内では、定着部４０Ａに伝わる付着力と支圧力は、コーン状破壊時に破壊面となる部位の応力を通して支持され、その応力がコンクリート強度を超えるとコーン状破壊が生じることになる。

　そこで、コーン状破壊の破壊形状として円錐形状５０（円錐状形状）を想定すれば、円錐形状５０の側面５１が、想定される破壊面となり、コーン状破壊の耐力（終局時の鉄筋定着耐力）は、側面５１の面積とコンクリート引張強度の積で算定できる。尚、円錐形状５０は、側面５１が主筋１１に対して４５度の傾斜角となるよう規定されている。

　同様に、図２に示すＬ形接合部３０ｃにおける場合には、Ｌ形接合部３０ｃを定着部材２として、外側隅部の主筋１１に生じる引張力Ｔにより生じるコーン状破壊の破壊形状として円錐形状５０を想定すると、円錐形状５０は、Ｌ形接合部３０ｃすなわち定着部材２内に収まっていない。想定される破壊面は、定着部材２内に収まる円錐形状５０の側面５１ｉ（定着部材内側面）となり、図３（Ａ）に示すような形状となる。そのため、定着耐力の算定では、定着部材２内に収まる側面５１ｉを想定破壊面として考慮する必要がある。

　そこで、図２に示す主筋１１の引張力Ｔによるコーン状破壊時の推定される定着耐力Ｐｎについて、円錐形状５０の側面５１に対する定着部材２内に収まる側面５１ｉの面積の割合に関する係数をＣとすれば、次の式（１－１）を上限式として上限値maxＰｎを求めることができ、次の式（１－２）を基準式として基準値Ｐｎ_０を求めることができる。
（数１－１）
　　上限式：maxＰｎ＝Ａ×Ｂ　・・・（１－１）
（数１－２）
基準式：Ｐｎ_０＝Ａ×Ｂ×Ｃ　・・・（１―２）
　　Ａ：破壊形状として想定された円錐形状の側面の面積
　　Ｂ：想定破壊面と定着鉄筋との角度を考慮したコンクリートの引張強度
　　Ｃ：円錐形状の側面の面積に対する定着部材内に収まる側面の面積の割合に関する係数

　上記式（１）の算出において考慮された定着部材２内に収まる側面５１ｉ（想定破壊面）は、図３（Ｂ）に示すように、主筋１１及び定着金物４０を中心として対称な形状を有する部分である対称部５１ａと、非対称な形状を有する部分である非対称部５１ｂ（定着部材２内に収まる側面５１ｉから対称部５１ａを除いた部分）とを有している。対称部５１ａでは、その形状の対称性により定着耐力を確保できるものの、非対称部５１ｂでは、その形状の非対称性により定着耐力を喪失する。

　そのため、定着耐力Ｐｎの算定においては、定着部材２内に収まる側面５１ｉに対する非対称部５１ｂの割合に対応する、非対称部５１ｂの非対称性により喪失する喪失耐力値を、上記式（１―２）で求めた基準値Ｐｎ_０から差し引く必要がある。

　そこで、側面５１ｉに対する非対称部５１ｂの面積の割合に関する係数Ｄを上記式（１―２）で求めた基準値Ｐｎ_０に乗じたものを、非対称部５１ｂの非対称性により喪失する喪失耐力値Ｄ*Ｐｎ_０とし、これを上記基準値Ｐｎ_０から差し引く次の式（２）を下限式として、下限値minＰｎを求めることができる。
（数２）
　　　　　下限式：minＰｎ＝（１－Ｄ）×Ｐｎ_０　・・・（２）
　　Ｄ：定着部材内に収まる側面の面積に対する非対称部の面積の割合に関する係数

　上記式（２）の算出では、非対称部５１ｂでは非対称性により定着耐力を喪失するとしたが、図２に示すように、定着部材２内の側面５１ｉ（想定破壊面）を横切るせん断補強筋１２（補強鉄筋）の伝達力Ｔｒが存在する場合、主筋１１とせん断補強筋１２の力の釣り合いにより、伝達力Ｔｒは、側面５１ｉにおける釣合力Ｔｂを算入耐力として定着耐力Ｐｎに寄与できる。

　そこで、伝達力Ｔｒによる定着耐力Ｐｎへの寄与割合に関する係数Ｅを上記喪失耐力値Ｄ*Ｐｎ_０に乗じて、せん断補強筋１２の伝達力Ｔｒに基づく算入耐力値Ｄ*Ｅ*Ｐｎ_０とし、これを上記（２）で求めた下限値minＰｎに加える次の式（３）を推定耐力式として、推定される定着耐力Ｐｎの値を算定することができる。
（数３）
　　　　　推定耐力式：Ｐｎ＝｛１－Ｄ×（１－Ｅ）｝×Ｐｎ_０　・・・（３）
　　Ｅ：非対称性による喪失耐力値のうち、定着部材内の側面を横切る補強鉄筋の伝達力により定着耐力に寄与できる割合に関する係数

　上記実施形態によれば、コーン状破壊の破壊形状として円錐形状５０を想定してその側面５１の面積を、推定される定着耐力Ｐｎの算定に用いることにより、従来のようなコーン状破壊面の有効水平投影面積を用いる場合に比べ、定着耐力の算定の精度を高めることができる。

　また、推定される定着耐力Ｐｎの算定に、定着部材２内に収まる側面５１ｉ（想定破壊面）の面積、側面５１ｉの対称部５１ａと非対称部５１ｂ、及び側面５１ｉを横切るせん断補強筋１２の伝達力Ｔｒを考慮することにより、定着耐力の算定の精度をより高めることができる。

　さらに、想定される破壊時の定着耐力を理論式である推定耐力式にて算定するため、多様な条件の下でのコーン状破壊の定着耐力の算定に適用することができるとともに、側面剥離破壊等の定着耐力の算定にも適用することができる。

　次に、本発明の他の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態については、上記実施形態と異なる構成だけを説明することとし、同様な構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。

［第２実施形態］
　図４、図５は、本発明の第２実施形態を示す。本実施形態は、第１実施形態とは柱梁接合部内の位置が異なる柱主筋の定着耐力を算定するものである。

　図４に示すＬ形接合部３０ｃにおいて、柱１０と梁２０のなす内角側の隅部（内側隅部）に配された主筋１１に生じる引張力Ｔにより、コーン状破壊が生じる場合を想定する。このとき想定される円錐形状５０は、Ｌ形接合部３０ｃに収まらず、一部がＬ形接合部３０ｃに隣接する梁２０の内部に及ぶ。

　すなわち、本実施形態ではＬ形接合部３０ｃと梁２０が定着部材２となっており、この定着部材２の形状に基づき、上記基準式（式（１―２））における定着部材内に収まる側面の面積の割合に関する係数Ｃが決定されることになる。

　本実施形態で想定される破壊面である、定着部材２内に収まる側面５１ｉは、図５（Ａ）に示すような形状であって、図５（Ｂ）に示す対称部５１ａ及び非対称部５１ｂを有する。

　なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
　上記実施形態では、コーン状破壊の破壊形状として想定される円錐形状５０は、側面５１が主筋１１に対して４５度の傾斜角となるよう規定されているが、その他の傾斜角で規定してもよい。
　上記実施形態では、コーン状破壊の破壊形状として円錐形状５０を円錐状形状として想定したが、円錐状形状は、円錐台形状、その他の形状であってもよい。
　上記実施形態では、柱１０の主筋１１の機械式鉄筋定着の定着耐力の算定ついて説明したが、その他の鉄筋であってもよい。
　上記実施形態では、Ｌ形接合部３０ｃの機械式鉄筋定着の定着耐力の算定ついて説明したが、ト形接合部３０ａ、Ｔ形接合部３０ｂ、その他の定着部材に適用してもよい。

　本発明は、機械式鉄筋定着工法における定着耐力を算定する方法に適用することができる。

　１　　鉄筋コンクリート構造物
　２　　定着部材　
　１０　柱
　１１　主筋（定着鉄筋）
　１１ａ　定着長部分
　１２　せん断補強筋
　２０　梁
　２１　上側主筋
　２１ａ　フック
　２２　下側主筋
　２２ａ　フック
　３０　柱梁接合部
　３０ａ　ト形接合部
　３０ｂ　Ｔ形接合部
　３０ｃ　Ｌ形接合部
　４０　定着金物
　４０Ａ　定着部
　４１　鍔部
　５０　円錐形状
　５１　円錐形状の側面
　５１ｉ　定着部材内に収まる側面（定着部材内側面、想定破壊面）
　５１ａ　対称部
　５１ｂ　非対称部
　Ｃｎ　コンクリート
　Ｃｓ　コーン状破壊面
　Ｃｐ　コーン状破壊面を投影した部分
　Ｔ　　引張力
　Ｔｒ　伝達力
　Ｔｂ　釣合力
 

Claims (2)

1. 　鉄筋コンクリート造の定着部材内に定着金物を端部に取り付けた定着鉄筋を配し、定着金物によって定着させる機械式鉄筋定着において、定着鉄筋に生じた引張力に対して定着部材がコーン状破壊により定着破壊するときの推定される定着耐力を算定する方法であって、
   　コーン状破壊の破壊形状として想定される円錐状形状の側面の面積と、コーン状破壊に対するコンクリートの引張強度との乗積に基づいてコーン状破壊のみならず側面剥離破壊を含む定着耐力を算定することを特徴とする機械式鉄筋定着の定着耐力算定方法。
2. 　請求項１に記載の定着耐力算定方法において、
   　上記円錐状形状の側面のうち上記定着部材内にある定着部材内側面の割合に関する係数を上記乗積に乗じて、定着耐力の基準値を算出する基準値算出工程と、
   　上記円錐状形状の定着部材内側面のうち、上記定着鉄筋及び定着金物を中心として対称な形状を有する部分を対称部とするとともに上記対称部を除いた部分を非対称部とし、上記非対称部の割合に関する係数を上記定着耐力の基準値に乗じることにより上記非対称部の非対称性により喪失する喪失耐力値とし、これを上記基準値から差し引いて定着耐力の下限値を算出する下限値算出工程と、
   　上記円錐形状の定着部材内側面を横切る補強鉄筋の伝達力により定着耐力に寄与できる割合に関する係数を上記喪失耐力値に乗じることにより上記補強鉄筋の伝達力に基づく算入耐力値とし、これを上記下限値に加えて、推定される定着耐力の値を算定する推定耐力値算定工程と、
   　を備えたことを特徴とする機械式鉄筋定着の定着耐力算定方法。
    

Images