JP2012162927A - ２次応力の発生しないプレストレストコンクリート躯体 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンクリート躯体の構成を簡素化しながらも、応力に耐えることができる。
【解決手段】 コンクリート躯体（１００）は、複数の柱（１０）と、複数の柱に架け渡される梁（２０）と、梁の長手方向に延びるＰＣ鋼材（３１）を用いてプレストレスが与えられ、柱および梁を接合するための接合部材（３０）と、梁に配置される鉄筋と、接合部材に配置される鉄筋およびＰＣ鋼材とを接続し、鉄筋コンクリート構造である打継ぎ部（４０）と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プレストレスの導入された梁と柱で構成されたコンクリート躯体に関する。

柱に架け渡された梁にプレストレスを与えたコンクリート躯体がある。具体的には、梁の一端から他端にかけてＰＣ鋼材を配置し、ＰＣ鋼材を緊張させることにより、梁の全体にプレストレスを与えている。

梁にプレストレスを与えると、梁には変形が生じる。梁は、複数の柱に接合されるため、梁全長にわたってプレストレスを与えると、当該の柱および梁を含むコンクリート躯体には、この変形に起因する２次応力が発生する。このような場合、コンクリート躯体の設計等は、２次応力を考慮しなければならないため、非常に煩雑なものになる。

本発明におけるコンクリート躯体は、複数の柱と、これらの柱に架け渡された梁と、柱および梁を接合するための接合部材と、梁および接合部材を接続する打継ぎ部とを有する。接合部材には、ＰＣ鋼材を用いてプレストレスが与えられており、打継ぎ部には、プレストレスが与えられていない。打継ぎ部では、梁に配置される鉄筋と、接合部材に配置される鉄筋およびＰＣ鋼材と、が接続されている。

ここで、柱から接合部材の端部までの距離Ｗは、梁の梁成Ｄに対して下記式（Ｉ）の関係を有することが好ましい。

１．５×Ｄ＜Ｗ＜３．０×Ｄ ・・・（Ｉ）

式（Ｉ）を満たす位置に打継ぎ部を設けることで、許容値を超える外力がコンクリート躯体に作用したとき、梁の片端の打継ぎ部において、鉄筋を降伏させてコンクリート躯体にかかるエネルギーを吸収することができる。

また、打継ぎ部に制震装置を組み込んで積極的にエネルギー吸収を図ることもでき、エネルギーを吸収する場所を特定できる。

接合部材の構造としては、プレストレスト・鉄筋コンクリート構造を用いることができる。ここで、プレストレスを与えるためのＰＣ鋼材は、接合部材の内部において、接合部材の上部領域および下部領域にそれぞれ配置することができる。

また、梁の構造としては、鉄筋コンクリート構造、プレストレストコンクリート構造又は、プレストレスト・鉄筋コンクリート構造を用いることができる。梁に、プレストレストコンクリート構造又はプレストレスト・鉄筋コンクリート構造を用いれば、この梁が取り付いている柱の間隔（梁の長手方向の長さ）を広げることができる。これにより、建物の内部における柱の数を低減でき、建物の内部スペースを有効活用することができる。

本発明によれば、接合部材は、ＰＣ鋼材を用いてプレストレスが与えられているため、接合部材の強度を向上させることができ、コンクリート躯体に作用する応力に耐えることができる。また、梁端部を含む接合部材は、鉄筋コンクリート構造の打継ぎ部によって接続されるだけであるため、コンクリート躯体全体を鉄筋コンクリート構造として扱うことができる。すなわち、従来のように、複数の柱に架け渡される梁の全体にプレストレスを与えるものではなく、梁の変形に伴う２次応力の発生を防止することができる。

実施例１であるコンクリート躯体の概略図である。 実施例１における接合部材の断面図である。 実施例１において、梁および接合部材の斜視図である。 コンクリート躯体に水平方向の荷重が作用したときの応力分布を示す図である。 コンクリート躯体に垂直方向の荷重が作用したときの応力分布を示す図である。 実施例１において、柱から接合部材の端部までの距離と、梁成との関係を説明する図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１であるコンクリート躯体について、図１を用いて説明する。図１は、コンクリート躯体の概略図であり、コンクリート躯体の施工途中の状態を示す。図１において、Ｘ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸であり、Ｚ軸は、垂直方向に相当する軸である。Ｘ軸およびＺ軸に直交する軸を、Ｙ軸とする。また、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の関係は、他の図面においても同様である。

コンクリート躯体１００は、複数の柱１０および複数の梁２０を有する。柱１０および梁２０は、プレキャストコンクリート部材である。最下層に位置する柱１０は、基礎２００に固定されている。柱１０は、鉄筋コンクリート構造（ＲＣ構造）を有しており、柱１０の内部には、柱１０の長手方向に延びる鉄筋（主筋）１１が組み込まれている。なお、本実施例では、柱１０の構造として、鉄筋コンクリート構造を用いているが、他の構造であってもよい。例えば、柱１０の構造として、プレストレスト・鉄筋コンクリート構造を用いることができる。

梁２０は、一対の柱１０に架け渡される。接合部材３０は、柱１０および梁２０を接合するために用いられる。接合部材３０は、プレキャストコンクリート部材である。

接合部材３０は、柱１０の上端に固定される。接合部材３０を柱１０に組み付ける前において、柱１０の上端からは、鉄筋１１が突出している。接合部材３０は、Ｚ方向に延びて接合部材３０を貫通する複数のシース管を有している。このシース管には、柱１０の鉄筋１１が挿入される。シース管に挿入された鉄筋１１は、接合部材３０を貫通して、接合部材３０の上端から突出する。シース管と鉄筋１１の隙間には充填材が充填されており、シース管および鉄筋１１を一体化させている。また、鉄筋１１は、柱１０の下側に出してもよい。

接合部材３０の上端から突出した鉄筋１１には、スリーブ式鉄筋継手５１が接続されている。スリーブ式鉄筋継手５１は、Ｚ方向に並んで配置される２つの柱１０を接合するために用いられる。

スリーブ式鉄筋継手５１は、筒状に形成されており、その内部には、２つの柱１０に設けられた鉄筋１１が挿入される。スリーブ式鉄筋継手５１の内部で２つの鉄筋１１の端部を突き合わせ、スリーブ式鉄筋継手５１の内部に充填材を充填して固化させれば、２つの柱１０を接合することができる。

充填材は、スリーブ式鉄筋継手５１および鉄筋１１の間に形成されたスペースに充填される。充填材としては、例えば、モルタル等の流動性に優れた材料を用いることができる。

なお、Ｚ方向に並んで配置される２つの柱１０を接合する技術は、本実施例で説明した技術に限るものではなく、公知の技術を適宜適用することができる。

接合部材３０は、柱１０と直交する方向（Ｘ方向）に延びており、Ｘ方向における接合部材３０の先端部には、打継ぎ部４０が設けられている。

梁２０は、２つの接合部材３０に挟まれた位置にあり、打継ぎ部４０を介して、接合部材３０とつながっている。梁２０には、床スラブ５０が設けられている。床スラブ５０は、床構造を形成し、床面に垂直な荷重を支えるために用いられる。

図１は、コンクリート躯体が施工途中にあるときの状態を示しているため、梁２０は、支保工２０１によって支えられている。梁２０を接合部材３０に固定した後は、支保工２０１は、取り除かれる。

梁２０は、プレストレスト・鉄筋コンクリート構造（ＰＲＣ構造）であり、梁２０の内部には、梁２０の長手方向に延びる鉄筋およびＰＣ鋼材２１が配置されている。ＰＣ鋼材２１は、梁２０にプレストレスを与えるために用いられる。ＰＣ鋼材２１は、アンボンドタイプであってもよいし、ボンドタイプであってもよい。また、ＰＣ鋼材の代わりに高強度の鉄筋を用いてプレストレスを与えてもよい。

梁２０にプレストレスを与えるためには、梁２０の内部にシース管を配置し、シース管の内部に、ＰＣ鋼材２１を挿入する。シース管の両端から突出したＰＣ鋼材２１の両端は、定着具によって梁２０に固定される。また、シース管の内部には、ＰＣ鋼材を緊張した後、グラウトが充填される。ＰＣ鋼材２１は、緊張された状態において、定着具によって固定されるため、梁２０のコンクリートに対して、プレストレスを与えることができ、梁２０の強度を向上させることができる。また、梁２０を工場で製作する場合、プレテンション方式でプレストレスを与えてもよい。

ＰＣ鋼材２１は、梁２０の内部において、梁２０の下面側に配置されている。梁２０は、上部から荷重を受けるため、本実施例のように、ＰＣ鋼材２１を配置することにより、上部からの荷重に耐えることができる。なお、ＰＣ鋼材２１の数は、適宜設定することができる。梁２０の端部に位置するＰＣ鋼材２１の一部分を、梁２０の中央部に位置するＰＣ鋼材２１の一部分よりも上方に配置することができる。

本実施例では、梁２０がプレストレスト・鉄筋コンクリート構造であるが、これに限るものではない。具体的には、梁２０の構造として、ＰＣ鋼材２１を省略した鉄筋コンクリート構造や、ＰＣ鋼材２１だけを用いたプレストレスト・コンクリート構造（ＰＣ構造）を採用することができる。

ここで、梁２０の構造として、プレストレスト・鉄筋コンクリート構造又はプレストレスト・コンクリート構造を用いれば、２つの柱１０の間隔（スパン）Ｓを広げやすくなる。スパンＳを広げれば、建物の内部における柱１０の数を減らすことができ、建物の内部スペースを有効活用することができる。また、梁２０の構造として、鉄筋コンクリート構造を用いれば、ＰＣ鋼材２１を省略することができ、コスト等を低減することができる。

一方、接合部材３０は、プレストレスト・鉄筋コンクリート構造を有する。図２は、接合部材３０の長手方向と直交する面で切断したときの断面図（図１のＡ−Ａ断面図）である。接合部材３０は、ＰＣ鋼材３１、鉄筋（主筋）３２および、鉄筋（あばら筋）３３を有する。ＰＣ鋼材３１および鉄筋３２は、接合部材３０の長手方向（Ｘ方向）に延びている。

ＰＣ鋼材３１は、接合部材３０にプレストレスを与えるために用いられる。接合部材３０にプレストレスを与えるためには、接合部材３０の内部にシース管を配置し、シース管の内部に、ＰＣ鋼材３１を挿入する。シース管の両端から突出したＰＣ鋼材３１の両端は、定着具によって接合部材３０に固定される。また、シース管の内部には、グラウトが充填される。ＰＣ鋼材３１は、緊張された状態において、定着具によって固定されるため、接合部材３０のコンクリートに対して、プレストレスを与えることができ、接合部材３０の強度を向上させることができる。ＰＣ鋼材は、アンボンドでもボンドタイプでもよい。

図３は、接合部材３０の外観図を示す。図３に示すように、接合部材３０は、Ｘ方向だけでなく、Ｙ方向にも延びており、Ｘ方向およびＹ方向に関して、鉄筋３２およびＰＣ鋼材３１が配置されている。ここで、接合部材３０の形状は、接合部材３０が配置される位置に応じて異なる。

具体的には、コンクリート躯体１００の端部に配置される接合部材３０と、コンクリート躯体１００の中央に配置される接合部材３０とは、外観形状が互いに異なる。図３に示す接合部材３０は、コンクリート躯体１００の内部に配置される。接合部材３０の外観形状が異なっていても、接合部材３０は、プレストレスト・鉄筋コンクリート構造であればよい。

本実施例では、図２に示すように、接合部材３０の上部領域および下部領域に、ＰＣ鋼材３１および鉄筋３２が配置されている。ＰＣ鋼材３１および鉄筋３２の配置は、接合部材３０の上部領域および下部領域において、対称となっている。

ここで、ＰＣ鋼材３１が配置された箇所は、鉄筋３２を配置できる箇所である。すなわち、本実施例では、ＰＣ鋼材３１を用いない構造において、鉄筋３２が配置される位置に、鉄筋３２の代わりにＰＣ鋼材３１を配置している。このように鉄筋３２およびＰＣ鋼材３１を置き換えるようにすれば、接合部材３０の設計が容易になる。

本実施例では、図２に示すように、ＰＣ鋼材３１および鉄筋３２を配置しているが、これに限るものではない。すなわち、ＰＣ鋼材３１および鉄筋３２の数や、ＰＣ鋼材３１および鉄筋３２を設ける位置は、適宜設定することができる。

本実施例のように、接合部材３０の下部領域と上部領域にＰＣ鋼材３１を配置することにより、垂直方向に作用する荷重に対応することができる。

一方、接合部材３０に作用する応力に応じて、ＰＣ鋼材３１および鉄筋３２の比率を適宜設定することができる。ここでいう比率とは、ＰＣ鋼材３１および鉄筋３２の総数に対して、ＰＣ鋼材３１および鉄筋３２のそれぞれの数の比である。具体的には、接合部材３０に作用する応力が大きくなるほど、ＰＣ鋼材３１の比率を高めることができる。

打継ぎ部４０は、鉄筋コンクリート構造である。ここで、梁２０の鉄筋とＰＣ鋼材２１および、接合部材３０の鉄筋とＰＣ鋼材３１は、継手金物を用いて接続されている。打継ぎ部４０では、プレストレスを導入せず鋼材を繋いでいるだけなので、鉄筋コンクリート構造になる。打継ぎ部４０の応力によっては、鉄筋だけを繋いでもよい。

本実施例によれば、接合部材３０がプレストレスト・鉄筋コンクリート構造を有しているため、コンクリート躯体１００に働く応力に耐えることができる。図４および図５には、コンクリート躯体１００に働く応力分布を示す。図４は、地震などの水平方向の荷重を受けたときの応力分布を示し、図５は、垂直方向の荷重を受けたときの応力分布を示している。図５に示す荷重としては、コンクリート躯体１００の自重や、積載荷重がある。

図４および図５に示すように、接合部材３０が配置される位置では、応力が大きくなりやすい。このため、接合部材３０の構造として、プレストレスト・鉄筋コンクリート構造を用いることにより、接合部材３０の強度を向上させ、応力に耐えることができる。

本実施例では、図２で説明したように、接合部材３０の上部領域および下部領域に、ＰＣ鋼材３１を配置している。ここで、接合部材３０の上部領域にＰＣ鋼材３１を配置することにより、図５に示す応力に対応することができる。また、接合部材３０の上部領域だけでなく、上部領域と対称な下部領域にも、ＰＣ鋼材３１を配置することにより、図４に示す応力に対応することができる。

ここで、図６に示すように、柱１０に対する接合部材３０の突出量、言い換えれば、柱１０から接合部材３０の先端部までの距離Ｗは、梁２０の梁成Ｄに対して、下記式（１）の関係を有することが好ましい。

１．５×Ｄ＜Ｗ＜３．０×Ｄ ・・・（１）

式（１）を満たす位置に打継ぎ部４０を設けることにより、許容値を超える外力がコンクリート躯体に作用したとき、梁２０の片端の打継ぎ部４０において、鉄筋を降伏させてコンクリート躯体１００にかかるエネルギーを吸収することができる。

また、打継ぎ部４０に制震装置を組み込んで積極的にエネルギー吸収を図ることもでき、エネルギーを吸収する場所を特定できる。

距離Ｗが式（１）の条件を満たすことにより、コンクリート躯体１００に発生する応力に耐えながら、接合部材３０のサイズを最適化することができる。距離Ｗが式（１）の下限値（１．５×Ｄ）よりも小さいと、接合部材３０の鉄筋とＰＣ鋼材３１の付着長さが十分に取れず発生応力に対応しきれない。また、距離Ｗが式（１）の上限値（３．０×Ｄ）よりも大きいと、接合部材３０が必要以上に大型化してしまう。

本実施例のように、接合部材３０をプレストレスト・鉄筋コンクリート構造とし、接合部材３０の強度を確保することにより、梁２０の両端に配置される２つの接合部材３０を離して配置することもできる。２つの接合部材３０の距離を広げれば、柱１０の間隔（スパン）Ｓを広げることができる。これにより、コンクリート躯体１００のＸ−Ｙ平面内において、柱１０の数を減らすことができ、コンクリート躯体１００を備えた建物の内部におけるスペースを効率良く利用することができる。

１００：コンクリート躯体
２００：基礎
２０１：支保工
１０：柱
２０：梁
２１：ＰＣ鋼材
２２：鉄筋
３０：接合部材
３１：ＰＣ鋼材
４０：打継ぎ部
５０：床スラブ
５１：スリーブ式鉄筋継手

Claims (5)

1. 複数の柱と、
   前記複数の柱に架け渡される梁と、
   前記梁の長手方向に延びるＰＣ鋼材を用いてプレストレスが与えられ、前記柱および前記梁を接合するための接合部材と、
   前記梁に配置される鉄筋と、前記接合部材に配置される鉄筋および前記ＰＣ鋼材とを接続し、鉄筋コンクリート構造である打継ぎ部と、
   を有することを特徴とするコンクリート躯体。
2. 前記柱から前記接合部材の端部までの距離Ｗは、前記梁の梁成Ｄに対して下記式（Ｉ）の関係を有する、
   １．５×Ｄ＜Ｗ＜３．０×Ｄ ・・・（Ｉ）
   ことを特徴とする請求項１に記載のコンクリート躯体。
3. 前記接合部材は、プレストレスト・鉄筋コンクリート構造であることを特徴とする請求項１又は２に記載のコンクリート躯体。
4. 前記ＰＣ鋼材は、前記接合部材の内部において、前記接合部材の上部領域および下部領域にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項３に記載のコンクリート躯体。
5. 前記梁は、鉄筋コンクリート構造、プレストレスト・コンクリート構造又は、プレストレスト・鉄筋コンクリート構造であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のコンクリート躯体。
   

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