強化したコンクリート柱と、その強化方法

【目的】新設、既設のコンクリート柱の鉛直耐力をＰＣ鋼材によって強化する。
【構成】新設なら柱の水平鉄筋のあい間に、また既設柱の強化なら柱の外側に、水平に多段にＰＣ鋼材を使って、これを緊張させ、内部コンクリートに水平圧縮応力をプレストレスとして与えておく。柱に鉛直荷重が加わると、内部コンクリートは三軸応力となるため鉛直耐力が著増する。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は土木、建築構造等のコンクリート柱に関し、コンクリートに事前に水平圧縮応力を与えるＰＣ鋼材の新しい用法により、柱の鉛直方向耐力を強化するものである。
【０００２】
【従来の技術】コンクリート柱の補強手段としては周知の鉄筋を縦横に加えるほか、フープ筋、スパイラル筋と呼ばれる補強筋を加えるとか、既設の柱なら周囲に鋼板を巻き立てたり、フープ筋を配置した鉄筋コンクリートを外周に打ち足すなどの方法がある。柱ではないが煙突などの円筒状構造物の外周に繊維シート、繊維ロープ等をそのままか、又は若干引張力を加えて巻き付ける補強工法もある。これは風呂桶の「タガ」と同様、円筒の周方向引締めにより周壁の変形を防ぐものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】我が国は地震国であり、度々大地震に見まわれ大多数の死傷者と多くの構築物の損害を経験している。このようなことから我が国の耐震設計は世界で最も厳しく設定され、地震による構造物の倒壊はあり得ないとまで言われてきた。しかし、さきの阪神大震災ではその地震と共に多くの構造物が損傷し、特に構築物の柱が破壊するという問題を生じた。この理由は古い耐震設計規準により施工された構築物が補強されないまま残されていたこと、現行の設計震度をも上回る強烈な縦揺れ、横揺れが作用したことなどによるものである。これらにより生ずる過大な作用力に対して、新たに構造物を作る場合には柱の軸方向筋と共にそれを囲む形で周方向に配置されるフープ筋・スパイラル筋の量を増やすか、コンクリートの強度を上げるなどにより強化していた。また、既設の構造物を補強する場合には柱を巻く形で鋼板を配置し、強化していた。
【０００４】これまで行なわれてきたコンクリート柱の耐力向上工法の問題点には次のようなものがある。
■強い縦揺れが生じた場合、柱構造は鉛直圧縮力の増加と減少が繰り返されることになるが、予め拘束力を付与しない既存の強化工法は圧縮力の増加に対して抵抗しても、減少方向の抵抗力は小さい。
■コンクリート構造物は基本的にメンテナンスフリーであるが、既設構造物の鋼板巻き立て等の補強では鋼板塗装などのメンテナンスが必要になる。
■既設コンクリート建築物の場合には壁・窓などが柱の周囲に配置されているため鋼板巻き立て補強は困難であった。
■鋼板を巻き付ける補強で、鉛直力の増力が著しい場合に、鋼管とコンクリート柱が接着されている場合は鋼管が座屈してぜい性的な破壊となり、鋼管とコンクリートの付着を切ってある場合はコンクリートの変形がある程度進行しなければ耐力向上効果を発揮しないなどの欠点があった。
■新設構造物の柱においてその耐力を上げる目的で軸方向・周方向の鉄筋を増やせばどうしても過密配筋となり、コンクリート打設時にこれらが障害となって施工性が著しく低下するか、最悪の場合にはコンクリートが充填されないなどの問題を生じていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この発明の強化したコンクリート柱は、内部の水平方向鉄筋のあい間に、ほぼ水平に、多段にシース管入りＰＣ鋼材を通したコンクリート柱であって、上記ＰＣ鋼材の緊張により隣接コンクリートに水平圧縮応力を生じており、その水平圧縮応力は、当該コンクリート柱に鉛直荷重が加わった時、コンクリート内応力が三軸になって、柱の垂直耐力を所要値まで増大する値であることを特徴とする。上記シース管入りＰＣ鋼材は柱内をほぼ水平に横断して、両端を柱表面に定着させてよい。あるいはまた、そのシース管入りＰＣ鋼材は柱の外周よりやや内側を水平にほぼ一周しているか、らせん状にめぐっているものも勧められる。
【０００６】この発明のコンクリート柱の強化方法は、コンクリート柱の構築時、水平方向鉄筋のあい間にシース管入りＰＣ鋼材をほぼ水平に多段に配設し、その端部を型枠の外に出してコンクリートを打設し、コンクリート硬化後、上記ＰＣ鋼材端部をけん引してコンクリート表面に定着させることを特徴とする。
【０００７】柱が既設の場合は、既製コンクリート柱の外周にほぼ水平に多段にＰＣ鋼材を沿わし、そのＰＣ鋼材を緊張させて隣接コンクリートに水平圧縮応力を生ぜしめておき、該コンクリート柱が鉛直荷重を受けた時、上記隣接コンクリートに三軸応力を生じて柱の鉛直耐力を所要値まで増大するようにしておくことを特徴とする。柱の断面が円形か類似円形か多角形なら、そのＰＣ鋼材は該柱外周に輪状またはらせん状に巻つけてよい。柱の対向側面が平行していたら、上記柱の平行する両側面に支圧梁材を当て、各梁材の両端部に通した上記ＰＣ鋼材により、上記梁同士を締合わせてよい。あるいは又、既製コンクリート柱に水平に横断穿孔し、その孔内にＰＣ鋼材通して緊張させ、その両端を孔縁に定着させてよい。
【０００８】
【作用】ＰＣ鋼材を使ってコンクリート構造物にプレストレストを与えるということは、従来の概念では、使用時引張り歪みを生ずる位置に予め同方向の圧縮歪みを与えておく事であった。この発明では使用時圧縮歪みを生ずる位置に、予め側方から圧縮歪みを与えておく。つまり鉛直荷重を受ける柱にＰＣ鋼材による水平方向圧縮力を加えておく。多軸応力による耐力向上作用を利用したのである。以上は弾性限内の歪みを考えているが、弾性限を超す歪みについては、次のように考えられる。
【０００９】通常、コンクリート柱のような形状の物質を上下から拘束し、荷重を加えた場合の破壊を便宜的に圧縮破壊と呼んでいるが、厳密には内部に生じた剪断面がずれて破壊するものであって、コンクリートの内部組織が圧縮によって崩壊することにより破壊するものではない。本発明はこのずれを押しとどめる方向の剪断力を拘束力として予め与えておくものであり、本発明者らのさきの発明「剪断プレストレス入りコンクリート床版合成部材とその製法」（特公平７−３１０１）における剪断プレストレスと同価である。図１４ａ、１４ｂにさきの阪神大震災でみられた柱の代表的な破壊形態を示す。図１４ａは破壊前、図１４ｂは破壊後で、１はコンクリート柱、２は鉄筋である。この場合の破壊においても柱には明らかな剪断ひびわれが生じており、コンクリートが圧縮によって粉々に粉砕されたのではないことがわかる。
【００１０】柱構造が地震を受けたとき、柱には曲げと同時に鉛直力が加わる。図に示した柱の破壊形態は明らかに鉛直力が作用したことを示しており、曲げだけではこの様な破壊は生じない。過大な鉛直力Ｌが作用したとき、柱内部の剪断力は図１５のτＬのごとくになる。在来工法のフープ筋やスパイラル筋・鋼管などは、図１６に示されるように、柱の破壊に伴う変位を拘束する形で反力Ｒが生じ、その作用により生じた剪断反力τＲが図１５１５のτＬに抵抗する。本発明においては図１７のごとく、将来発生するであろうτＬに対して、予め拘束力ｐを与えることにより逆向きの剪断力τｐを与えておくもので、この拘束力は在来工法のような柱の破壊に伴う受動的なものではない。もちろん、予め導入した剪断力τｐの耐力向上効果を上回る鉛直力Ｌが作用したときには、荷重による剪断力τＬが卓越することになるが、予め拘束力ｐを与えた材料が反力Ｒを生じて拘束するため、柱の破壊が生じた以降は在来工法と同様な耐力向上効果がある。
【００１１】
【実施例】図１８、１９はこの発明の用途の例として、橋の橋脚８と高層建築の柱９を示す。図２０は従来工法による鉄筋コンクリート柱の例で、１はコンクリート柱、２は軸方向鉄筋（縦筋）、３はいわゆるフープ筋、スパイラル筋等の周方向鉄筋（横筋）で、矢印Ａは鉛直荷重を示す。この従来の構造では荷重Ａによりコンクリート１に生ずる縦方向圧縮応力が弾性限内の時は縦横の鉄筋２、３はほとんど働かず、荷重Ａがさらに大きくなってコンクリートが降伏し、ダイレタンシーにより膨れはじめると横筋３がこれを拘束する。さらに大きな力が加わると、縦筋２が座屈により折れ曲ってコンクリートから飛び出そうとするが、横筋３はそれを拘束する。つまり従来の横筋３はコンクリートが鉛直荷重で降伏し膨れはじめてから働くものであった。図２１は既設のコンクリート柱１に、モルタル、樹脂等の充填材をはさんで鋼板１１を巻きつけ補強した従来技術を示す。この工法は図２０の横筋３が不足する場合に施工するもので、鋼板１１の作用は図２０の横筋３と同様である。
【００１２】図１〜１３にこの発明の実施例を示す。その１はコンクリート柱、２は縦筋、３は横筋で、部分拡大図を添えた４はシース管、５はその中に通して緊張させたＰＣ鋼材である。このＰＣ鋼材５は緊張により、隣接コンクリートを求心方向へ締付けて水平圧縮応力を生ぜしめている。従って柱１に鉛直荷重Ａが加わって垂直圧縮応力が生ずると三軸応力になり、従来の垂直応力だけの場合より鉛直耐力を大きく強める。
【００１３】機械工学便覧の「多軸応力下の静的強度」の項には、最大剪断応力説によればσ₁-σ₃=σ_f但しσ₁、σ₂、σ₃ は主応力（σ₁ ＞σ₂ ＞σ₃ ）で、σ_f は単軸応力下の静的強度である。となっている。従ってσ₁=σ_f+σ₃ となる。これを柱の鉛直耐力に当てはめると、三軸応力下の鉛直耐力σ₁ は、単軸応力下の鉛直耐力σ_f に最も弱い水平圧縮応力σ₃ を加えた値に向上するということである。つまり所要の鉛直耐力と単軸応力下の鉛直耐力との差以上の水平圧縮応力を生ぜしめるようＰＣ鋼材で締付ければよいのである。この簡素な理論がコンクリート柱にはよく適合することを実験で確かめている。
【００１４】図１のＰＣ鋼材５は図２のように環状のものを多段に入れても、また図３のようにらせん状に入れてもよい。いずれにしろＰＣ鋼材５の端部はコンクリートから露出させておき、打設したコンクリートが硬化してから油圧ジャッキ等により緊張させ、コンクリート表面で定着する。定着方法は図４のように、コンクリート表面に出たＰＣ鋼材５の両端を、周知のように油圧ジャッキでけん引して、一体化した二本の鋼管１２に、定着具１３を介して定着するとか、図５のように、コンクリート柱１内に輪状に通したシース管４内のＰＣ鋼材５の両端を、上下に食い違わせて図のように、コンクリート柱１の周面の垂直隆起部１ａから外へ引き出して油圧ジャッキでけん引し、支圧板６と定着具１３とでコンクリート外面に定着するなど自由である。
【００１５】円柱にくらべて角柱の場合、ＰＣ鋼材５の端部処理が簡単である。すなわち図６ａ、６ｂの角柱の場合、縦横のシース管４内ＰＣ鋼材５が柱を横断し、両端を柱表面の凹みに嵌めた支圧板６により定着している。シース管４に通したＰＣ鋼材５は、コンクリート投入前からのアンボンドＰＣ鋼材にするか、またはシース管４だけでコンクリート投入し、その硬化後に挿入するか、どちらでもよい。いずれにしろ従来のＰＣコンクリートへのプレストレス導入工法をそのまま利用するので、詳細説明は略す。
【００１６】図６ａ、６ｂのコンクリート柱は断面が正方形ゆえ、シース管４、ＰＣ鋼材５を水平方向縦横に通したが、図７のコンクリート柱１（又は壁）は長方形断面ゆえ、短辺方向のみに強化を施した例である。短辺方向にのみ多くのＰＣ鋼材５を通し緊張させたが、長辺方向にはポアソン比で短辺方向の三分の一程度の圧縮応力が生ずる。なお図７はシース管を略している。
【００１７】図８は既製コンクリート円柱１を強化するため、その外周にＰＣ鋼材５を巻付け緊張させて、内部コンクリートに求心方向圧縮応力をプレストレスとして付与した例である。外周に巻付けるＰＣ鋼材５は外気にさらされるため、防錆処理が施されたもの（シース管入りアンボンドＰＣ鋼材、樹脂塗装ＰＣ鋼材等）を用いる。ＰＣ鋼材５の配置は前述の新設柱の工法と同様に、一巻き毎、あるいはらせん状にする。ＰＣ鋼材５の端部の定着方法は一巻き毎の場合、図４の要領でよいが、らせん巻きした場合のＰＣ鋼材５の両端は、既製コンクリート柱の周面に図５の隆起部１ａのようなアンカーを作って定着すればよい。
【００１８】図９ａ、９ｂの実施例のコンクリート柱１は既製の角柱で、その強化のため縦横に水平貫通孔７をコアボーリングマシンで削孔し、これにＰＣ鋼材５を通して緊張させ、支圧板６に両端を定着している。その部分の防錆処理が必要である。支圧板６の形状、寸法はコンクリート柱１の寸法・強度によって定められるが、柱に対して、できるだけ平均した拘束力が加わるようにする。
【００１９】図１０の実施例も既製角柱を対象にしたもので、柱１の平行する両側面に支圧梁材１４を当て、その梁材１４の両端部に通したＰＣ鋼材５により、梁材１４同士を締合わせている。ＰＣ鋼材５の締付力の向きが各段毎に９０°ずつ変わるようにして、柱内コンクリートに生ずる水平圧縮応力が縦横均等になるようにする。支圧梁材１４は締付力を均等に分散するため、撓まない剛性が必要である。
【００２０】以上、少数の実施例について説明したが、この発明はその要旨を変えることなく、実施条件に応じて多様に変化、応用し得るもので、円柱、角柱以外の柱にも適用できること言うまでもない。ＰＣ鋼材５の使い方も図１１、１２、１３のように多様になる。すなわち図１１は角柱に対し輪形又はらせん状ＰＣ鋼材５を入れ、柱１の側面に支圧板６により定着している。図１２は円柱１にＰＣ鋼材５を直径方向に通した例である。図１３１３は長円形の柱１に相似形にＰＣ鋼材５を通した例である。この種の応用方法は極めて多様である。
【００２１】
【発明の効果】この発明はコンクリート構造物に対するプレストレス付与方法に新しい分野を開いた。それは従来のように外力で引張応力を生ずる位置に予め圧縮応力を生ぜしめておくのではない。外力で圧縮応力が生ずる位置に、外力とは直角方向の圧縮応力をプレストレスとして与えておく。従って外力がかかると三軸応力になり、外力方向の耐力が高まるという仕組みである。この原理をコンクリート柱の鉛直耐力強化に使ったのである。この発明は新設のコンクリート柱は無論のこと、既設の柱に対しても容易に適用できるので、その効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例説明図である。
【図２】輪形多段に柱に入れたＰＣ鋼材の説明図である。
【図３】らせん状ＰＣ鋼材の説明図である。
【図４】ＰＣ鋼材の両端結合部の一例説明図である。
【図５】円柱内の輪形ＰＣ鋼材の両端定着部実施例説明図である。
【図６】ａは角柱に縦横ＰＣ鋼材を通した実施例の立面説明図である。ｂは図６ａの平面説明図である。
【図７】扁平な柱に適用した実施例説明図である。
【図８】既製コンクリート円柱の実施例説明図である。
【図９】ａは既製の角柱の実施例の立面説明図である。ｂは図９ａの平面説明図である。
【図１０】角柱の他の実施例説明図である。
【図１１】角柱に輪形ＰＣ鋼材を使った実施例の平面説明図である。
【図１２】円柱に直線ＰＣ鋼材を使った実施例の平面説明図である。
【図１３】長円形柱の実施例の平面説明図である。
【図１４】ａはコンクリート柱の圧縮破壊前の説明図である。ｂは図１４ａの破壊後の説明図である。
【図１５】圧縮破壊時の剪断力説明図である。
【図１６】図１５の反力Ｒの状態説明図である。
【図１７】この発明の拘束力Ｐの説明図である。
【図１８】この発明の用途の一例の橋脚説明図である。
【図１９】他の用途の一例の建築物の柱説明図である。
【図２０】従来の鉄筋コンクリート柱の説明図である。
【図２１】既設コンクリート柱強化のため鋼板を巻き立てた従来技術説明図である。
【符号の説明】
４シース管
５ＰＣ鋼材
６支圧板

【特許請求の範囲】
【請求項１】内部の水平方向鉄筋のあい間に、ほぼ水平に、多段にシース管入りＰＣ鋼材を通したコンクリート柱であって、上記ＰＣ鋼材の緊張により隣接コンクリートに水平圧縮応力を生じており、その水平圧縮応力は、当該コンクリート柱に鉛直荷重が加わった時、コンクリート内応力が三軸になって、柱の垂直耐力を所要値まで増大する値であることを特徴とする強化したコンクリート柱。
【請求項２】請求項１に記載のコンクリート柱において、そのシース管入りＰＣ鋼材は柱内をほぼ水平に横断して、両端を柱表面に定着させたものであることを特徴とする強化したコンクリート柱。
【請求項３】請求項１に記載のコンクリート柱において、そのシース管入りＰＣ鋼材は柱の外周よりやや内側を水平にほぼ一周していることを特徴とする強化したコンクリート柱。
【請求項４】請求項１に記載のコンクリート柱において、そのシース管入りＰＣ鋼材は柱の外周よりやや内側をらせん状にめぐっていることを特徴とする強化したコンクリート柱。
【請求項５】コンクリート柱の構築時、水平方向鉄筋のあい間にシース管入りＰＣ鋼材をほぼ水平に多段に配設し、その端部を型枠の外に出してコンクリートを打設し、コンクリート硬化後、上記ＰＣ鋼材端部をけん引してコンクリート表面に定着させることを特徴とするコンクリート柱の強化方法。
【請求項６】既製コンクリート柱の外周にほぼ水平に多段にＰＣ鋼材を沿わし、そのＰＣ鋼材を緊張させて隣接コンクリートに水平圧縮応力を生ぜしめておき、該コンクリート柱が鉛直荷重を受けた時、上記隣接コンクリートに三軸応力を生じて柱の鉛直耐力を所要値まで増大するようにしておくことを特徴とするコンクリート柱の強化方法。
【請求項７】請求項６に記載の強化方法において、そのＰＣ鋼材は該柱外周に輪状またはらせん状に巻つけることを特徴とするコンクリート柱の強化方法。
【請求項８】請求項６に記載の強化方法において、上記柱の平行する両側面に支圧梁材を当て、各梁材の両端部に通した上記ＰＣ鋼材により、上記梁材同士を締合わすことを特徴とするコンクリート柱の強化方法。
【請求項９】既製コンクリート柱に水平に横断穿孔し、その孔内にＰＣ鋼材を通して緊張させ、その両端を孔縁に定着させることを特徴とするコンクリート柱の強化方法。

【図１】