(57)【要約】  破断応力の５０％よりも小さい応力を受ける弾性ゾーンにコンクリートが維持されるようにできる、コンクリート・アーマーを形成するための棒鋼であって、鉄筋の公称直径をＤｎ、隣接するリブの中心間距離を「Ｌ」、リブ高さを「ｈ」、リブ面積を「Ａ」とした場合、リブ面積「Ａ」が０．１２×Ｐ×Ｌ＜Ａ＜０．２５×Ｐ×Ｌかつリブ高さ「ｈ」が０．１２×Ｌ＜ｈ＜０．２５×Ｌであることを満足していることを理由として、破断応力の５０％よりも小さい応力を受ける弾性ゾーンにコンクリートが維持されるようにできることを特徴とするコンクリート・アーマーを形成する棒鋼を提供する。【選択図】  図１５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
破断応力の５０％よりも小さな応力を受ける弾性ゾーンにコンクリートが維持されるようにできる、コンクリート・アーマーを形成するための棒鋼であって、鉄筋の公称直径をＤｎ、隣接するリブの中心間距離を「Ｌ」、リブ高さを「ｈ」、リブ面積を「Ａ」とした場合、
リブ面積「Ａ」が０．１２×Ｐ×Ｌ＜Ａ＜０．２５×Ｐ×Ｌを満足していることを理由として、破断応力の５０％よりも小さい応力を受ける弾性ゾーンにコンクリートが維持されるようにできることを特徴とするコンクリート・アーマーを形成するためのリブ付き棒鋼。
【請求項２】
リブ面積「Ａ」が０．１２×Ｄｎ×π×Ｌ＜Ａ＜０．２５×Ｄｎ×π×Ｌを満足していることを理由として、破断応力の５０％よりも小さい応力を受ける弾性ゾーンにコンクリートが維持されるようにできることを特徴とする請求項１に記載のコンクリート・アーマーを形成するためのリブ付き棒鋼。
【請求項３】
リブ高さ「ｈ」が０．１２×Ｌ＜ｈ＜０．２５×Ｌを満足していることを理由として、破断応力の５０％よりも小さい応力を受ける弾性ゾーンにコンクリートが維持されるようにできることを特徴とする請求項１または２に記載のコンクリート・アーマーを形成するためのリブ付き棒鋼。
【請求項４】
リブ間距離「Ｌ」が好ましくはＡＳＴＭ６１５の表１に示されている平均間隔の最大値についての所与の値であるＲｒの値およびｈの値によって決められること理由として、破断応力の５０％よりも小さい応力を受ける弾性ゾーンにコンクリートが維持されるようにできることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のコンクリート・アーマーを形成するためのリブ付き棒鋼。
【請求項５】
距離「Ｌ」が上記鉄筋の公称直径Ｄｎの約７０％であることを理由として、破断応力の５０％よりも小さい応力を受ける弾性ゾーンにコンクリートが維持されるようにできることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のコンクリート・アーマーを形成するリブ付き棒鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来のリブ面積よりも大きなリブ面積を有する、コンクリート・アーマーを形成するための棒鋼（スチールバー）に関し、詳しくは、動的荷重に対する鉄筋コンクリート構造体に関する。このような鉄筋コンクリート構造体は、比較的大きなリブ面積を有することにより疲労耐力があり、これによって、最大圧縮強度の５０％よりも小さな強度を受けるコンクリート応力の弾性ゾーンにコンクリートが維持されるようにできる。
【背景技術】
【０００２】
荷重を受けて疲労する鉄筋コンクリート構造体においては、コンクリートに加わる最大強度が、棒鋼のリブ領域に位置する。この理由で、本発明の目的の一つは、コンクリートが受ける強度をコンクリート強度の５０％よりも小さい値に低減するように、リブの設計を改良することである。そのような強度にすることで、鉄筋コンクリートエレメントが疲労荷重サイクルに対して制限なく耐力を有するようにできる。
【０００３】
鉄筋コンクリート用の棒鋼は、これまでは、静的荷重に耐える必要な固着値を得るように最適化されている。従って、リブの設計は、コンクリート強度の１００％を使うものとして設計されている。この設計によると、疲労強度が小さく、リブ付き（波状）鉄筋を有するコンクリートシステムは、荷重耐力が小さい。ＡＳＴＭは、ＡＳＴＭ６１５Ａ／６１５Ｍの表１に示されるリブ高さの最小値と、リブ間距離とを指示する。このリブ高さとリブ間距離は、０．０５７〜０．０８７の範囲の値の「比較リブ面積」が得られる。「比較リブ面積」の値が大きい鉄筋についてＡＳＴＭ６１５の付録に記載されていることは、この値が０．１０〜０．１４の範囲内になければならないということである。
【０００４】
スラブ、柱、梁および壁の設計の実際の効果については、様々なコンクリート・パラメータで、静的荷重を受けている棒鋼において使用される値が規格化され、当業者であれば、そのような規格化値を用いて耐性スラブを設計することができる。鉄筋コンクリート設計におけるチリ規格は、ＡＣＩ３１８規格に基づいており、本明細書中で考慮されるスチールは、チリ規格ＮＣｈ２０４と、ＡＳＴＭ６１５とからのものである。
【０００５】
それにも拘わらず、動的荷重（すなわち一定期間内に数回繰り返される荷重）に直面したときには、コンクリートの挙動は弱く、疲労によって破断し易い。
【０００６】
疲労は、そのような動的荷重の発動により生じる構造的エレメントの不具合であって、許容動的荷重値は、最大圧縮強度よりも小さい。このような疲労が生じる理由は、所定時間内に動的荷重が「ω」回繰り返されるからである。
【０００７】
図１に、スラブ入りコンクリート（１）の外観が示されているが、これは、一般に、セメントと砂に所定量の砂利（３）を加えてできた混合物（２）から形成されている。鉄筋コンクリート（７）を形成するために棒鋼（４）が使用され、この棒鋼の表面（５）には、図２に示されるように、複数のリブが設けられている。このような棒鋼（４）を有する構造体がコンクリート（１）に取り囲まれるように形成されることで、図３に示されるような鉄筋コンクリートが形成される。
【０００８】
図３に示されるように、鉄筋コンクリート（７）は動的荷重Ｆωを受けるが、この荷重がコンクリート（１）面に有効に働く力の成分が、図４〜図７に示されるとともに、図８にグラフで示されている。図８は、応力度σ＝Ｆ／Ａｈを示しており、これらの図において、Ｆは荷重を表し、Ａｈはコンクリート上の荷重を受ける領域を表している。ひずみは「ε」で表されている。
【０００９】
動的荷重Ｆωがコンクリート強度の５０％よりも小さいとき、コンクリート（１）は、損傷しない。この場合、コンクリート強度の低弾性ゾーンで働くので、図４に示されるように、コンクリートはコンパクトな材料として維持される（図８のグラフに点Ｐ１で示されている）。
【００１０】
動的荷重が増大すると、コンクリート（１）は損傷し始め、小さなクラック（８）が生じ、これがコンクリート強度における疲労に鋭敏な高弾性ゾーンで働き始めるので、図５に示されるように、微小クラックが増加する（図８のグラフに点Ｐ２で示されている）。
【００１１】
動的荷重が増大し続けると、コンクリート（１）はさらに大きな損傷を受け始め、微小クラック（８）が繋がってクラック（９）が生じる。従って、図６に示されるように、コンクリート（１）は、コンクリート強度の弾性限界（降伏点）である極大ゾーンで働く（図８のグラフに点Ｐ３で示されている）。
【００１２】
この理由で、コンクリートは、クラック（９）が生じて、もはやコンパクト材料ではなくなり、コンクリート強度面積「Ａｈ」が低減する。材料は既に降伏しているため、図８のグラフに矢印Ｐ４で示されている小さな応力度σ＝Ｆ／Ａｈで足りる。この場合、図７に示されるように、クラック（９）が破断（１０）に移行している。
【００１３】
コンクリート耐性の５０％よりも大きな強度を受ける弾性ゾーンあるいはチャート（σ，ε）上の疲労ゾーンでコンクリート（１）が働くことがないようにする目的がある。従って、コンクリートは、疲労によって損傷することなく、均等荷重にも動的荷重Ｆωにも耐力を有することが必要である。
【００１４】
このような目的で、本願発明は、棒鋼（１０）であって、この棒鋼（１０）の複数のリブ（６）が従来の鉄筋よりも広いコンクリートとの接触面積を有してなる棒鋼（１０）を提案する。このように強度が低減されるように、鉄筋コンクリート（７）を形成することで、コンクリート（１）が破断（１０）してしまうのを回避できるようにする。
【００１５】
一般に、当技術分野においては、鉄筋コンクリート内の棒鋼の付着力を改善する研究はされているが、疲労問題については取り上げておらず、以前に問題提起されたままの状態である。
【００１６】
１９７６年１０月１６日付け発行の西国特許第４２３８２１号明細書（Ｗｉｓｃｈｉｎ）には、コンクリートとロッドとをさらに密接に結合させるために、鉄筋コンクリートにスチールロッド（棒鋼）アーマーを施すことが開示されている。このロッドには、ほぼ鎌形の形状の長手方方向断面を有する傾きリブが設けられ、これらのリブは、円柱形または多角柱形の形状のロッドコアの表面に少なくとも１グループとして配置され、このグループ内で好ましくは互いに平行に延びている。連続した傾きリブは、これらの傾きリブのロッド軸に対する曲がり角度によって特徴づけられるものであり、ロッド軸方向に関して互いに分離している。さらに、ロッドコアと傾きリブの合計の断面積がロッドのどの断面を切り出してもほぼ等しい大きさとなるように、隣接した複数の傾きリブがオーバラップしているとともに、複数の傾きリブの長さがそれぞれ適切な長さに形成されている。各場合において、同じグループ内ですぐ隣同士の２本の傾きリブのみがロッド表面付近の境界領域でオーバラップしている。隣接した複数の傾きリブは、長さの少なくとも４分の１の部分、好ましくは長さの３分の１の部分がオーバラップしている。この特許文書においては、ロッド軸との直交面上に位置するロッドコア面に投射される傾きリブの側方立面の正射影に依存してロッドの密接な付着強度が得られることは周知であると指摘されている。西国特許第４２３８２１号明細書に記載の発明によると、ロッドが同様の側方領域を有し、これにより周知のロッドが同様の密接な付着強度を有し得る。複数の傾きリブが基本的にさらに狭い間隔で配置されている場合には、周知のロッドよりも弱い。この特許文書は、複数の傾きリブの高さを低くすることにより、ロッド強度の柔軟性と強度が向上することを開示している。従って、西国特許第４２３８２１号明細書に記載のロッドは、周知のロッドと比較して優れた柔軟性と疲労耐性の強度があると言える。
【００１７】
１９８５年９月３０日付け発行のスイス国特許第６５１６１６号明細書（ＢＡＬＺＬＩ）は、少なくとも１つの長手方向リブと複数の傾きリブを有する鉄筋コンクリート用の鉄筋を開示している。鉄筋と、これを取り囲む傾きリブの曲部との断面基部は、ほぼ円形の形状に形成されている。鉄筋表面上で長手方向リブおよび傾きリブの位置が連続的に変位している。複数の傾きリブの境界が、鉄筋構造体の長手方向リブ内で途切れることなく融合している。このように設計された鉄筋は、ゆがむことも疲労強度が損傷することもなく、コンクリートへの良好なジョイント（継手）によって格別なものとされる。
【００１８】
１９７０年６月２５日付け発行の独国特許第１８１３６２７号明細書（ＧＥＲＨＡＲＤ）は、コンクリート用鉄筋の熱ラミネート加工された鉄筋を開示しており、熱ラミネート加工された鉄筋は、その表面上に、コンクリートへの付着を高めるための固着手段として協働する糸状リブ型リブを有する。各鉄筋は、平行に配置された２つ以上の半部品から形成されており、これらの半部品が組み合わされて、鉄筋全体の外面上に糸状リブが設けられてなる円形断面を有する完成ユニットを形成する。これらのリブは、単一のサブプロセスまたはいくつかのサブプロセスを経て形成され得る。鉄筋の半分または一部の接触面が丸く形成されていて、このような面に対して複数のリブが所定の角度をなすように配置され得る。これにより、外周部全体に亘って糸状リブが均等に分布される積層プロセスの製造工程が容易となる。
【００１９】
１９５５年４月２０日付け発行の英国特許第７２８６３６号明細書（ＷＥＳＴＦＡＬＥＮＨＵＥＴＴＥ）は、軟鋼製のコンクリート用鉄筋を開示しており、このコンクリート用鉄筋は、交差リブで冷間積層されている一方で、断面積が２０％よりも小さくなるように縮小されている。その後、これらの鉄筋は、弾性限界（降伏点）を上昇させるために、４００°Ｃの温度まで戻される。この鋼は、０．５％の最大炭素含有量を有するＴｈｏｍａｓとすることができ、析出硬化を良くするために、ホウ素、銅またはベリリウムを含有している場合もある。
【００２０】
１９６３年５月１５日付け発行の英国特許第９２５９３９号明細書（ＲＥＩＭＢＥＲＴ）は、コンクリート用の鉄筋を開示しており、鉄筋の周囲に、長手方向に延在する少なくとも１つのリブを備える。また、鉄筋の外面は、１つ以上の重要な部分において、幅方向に芯円から外方へ延出している凸構成を有し、この芯円は、リブ基面と鋭角をなすようにリブ基面と交わっている。鉄筋が軸を中心として捻じられることで、螺旋形のリブの外観を与え得る。各リブは、狭い面を有し、隣のリブの主要面と接続しており、この面は、芯円と鋭角をなしつつ狭くなっているか、鈍角または直角をなしてもよい。この鉄筋に関して追加の突起も考慮され得る。鉄筋は、該鉄筋の長手方向軸に関して対称に配置された１つまたは複数の長手方向に延びる通路を形成する押し出し成形によって製造され得るものであり、後方の鉄筋トルクによって、これらの通路の断面の一部または全部が閉鎖されることが誘発される。
【００２１】
１９１１年１１月１６日付け発行の英国特許第１９１０２７３７３号明細書（ＨＡＴＴＯＮ）は、鉄筋コンクリート上に使用するための改良された鉄筋を開示している。この鉄筋は、その外面上に、螺旋形の形状に配置された長手方向に延びるリブを有し、さらには交差リブを有し得る。この鉄筋は、その断面内に種々の形態を有し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
一般に、従来の鉄筋は、コンクリートと鉄筋との付着性の問題あるいはその鉄筋の疲労強度の問題を解決することに関する。これらの特許文書のいずれも、鉄筋コンクリートに使用される棒鋼におけるリブについて開示していない。コンクリート用に設計されたそのようなリブ領域は、動的荷重を受けたときに疲労によって損傷しない。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、従来品よりも広いリブの主要領域を有するとともに、動的荷重に対する鉄筋コンクリート構造体として構成された、コンクリート・アーマーを形成するための棒鋼に関する。鉄筋コンクリートにおけるこのような構造体は、リブの主要領域があるために、疲労に耐えることができ、破断強度の５０％よりも小さな応力を受ける弾性ゾーンにコンクリートが維持されるようにすることができる。
【００２４】
添付の図面は、本発明をさらによく理解できるようにするものであって、以下の説明を補足するとともに、本発明の原理を理解するために、いくつかの好ましい実施形態を説明するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来技術におけるコンクリート構造体の断面を示す図。
【図２】従来技術の棒鋼の側面を示す図。
【図３】従来技術の鉄筋コンクリート構造体の断面を示す図。
【図４】第１の荷重Ｆ１を受けているコンクリート構造体の断面図であって、構造的損傷がないことを示している。
【図５】第２の荷重Ｆ２を受けているコンクリート構造体の断面図であって、微小クラックを有することを示している。
【図６】第３の荷重Ｆ３を受けているコンクリート構造体の断面図であって、クラックを有することを示している。
【図７】第４の荷重Ｆ４を受けているコンクリート構造体の断面図であって、構造的疲労を有することを示している。
【図８】図４〜図７に示される構造体を表すグラフ（σ，ε）。
【図９】本発明による棒鋼の断面を示す図。
【図１０】本発明の棒鋼を使用する鉄筋コンクリート構造体の断面を示す図。
【図１１】従来技術の棒鋼を使用する鉄筋コンクリート構造体の拡大図であって、そのような棒鋼からコンクリートのコンクリート荷重ゾーンが生じていることを示している。
【図１２】本発明の棒鋼を使用する鉄筋コンクリート構造体の拡大図であって、棒鋼のリブからコンクリート荷重ゾーンが生じていることを示している。
【図１３】本発明の棒鋼を使用する鉄筋コンクリート構造体の拡大図であって、棒鋼のリブ面積を示している。
【図１４】ゾーンを表すグラフ（σ，ε）であって、本発明の棒鋼を使用してコンクリートが働くことを示している。
【図１５】リブの側面拡大図と前面図であって、本発明の鉄筋を画定するパラメータを強調して示している。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は、コンクリート・アーマーを形成するための棒鋼に関し、この棒鋼は、従来のリブよりも広いリブを有し、広いリブを有することで、このような鉄筋コンクリート構造体は、動的荷重を受けても疲労に耐えることができ、このコンクリートの破断強度の５０％よりも小さな応力を受ける弾性ゾーンにコンクリートが維持されるようにできる。
【００２７】
図９および図１２に示されるように、本発明の棒鋼（１１）は表面（５）を有し、この表面上に複数のリブ（１２）が存在する。コンクリートに加わる応力を小さくする目的で、リブ（１２）の「Ａ」領域は、従来のリブの対応する領域よりも広い。
【００２８】
構造体が荷重を受けると、棒鋼のリブは、コンクリート面積の単位面積当たりの荷重（応力度）を伝え、リブ面積に依存する応力分布をコンクリート上につくり出す。リブ面積がさらに広く形成されている場合、コンクリートに単位面積当たり同じ大きさで伝わる荷重（応力度）は小さくなり、コンクリート上につくられる応力分布でも同様に小さくなる。
【００２９】
従って、図１１および図１２に示されるように、従来の構造体が荷重を受けているときに、コンクリート（１）がゾーン（１３）において耐えなければならない応力は、同じ大きさの荷重を有する構造体からコンクリートがゾーン（１４）において耐えなければならない応力よりもずっと大きい。この理由は、棒鋼（１１）におけるリブの「Ａ」領域が、従来のスチールバー（棒鋼）リブにおける対応する領域よりも広いからである。
【００３０】
以上に開示した通り、コンクリートが疲労しないためには、コンクリートの受ける応力σＡが破断応力の５０％よりも低い弾性ゾーンに含まれるように、「Ａ」面積の大きさが定められる必要がある。
【００３１】
こうして「Ａ」面積の大きさが得られるが、コンクリートが、σＡ１〜σＡ２およびεＡ１〜εＡ２の範囲より小さい弾性ゾーン内で働くように、本発明の棒鋼（１１）のリブ（１２）の「Ａ」面積の値が計算されなければならない。図１４のチャートに示されているように、σＡ２は、コンクリートの破断応力σＲの５０％に等しい応力である。
【００３２】
本発明の鉄筋を画定するためには、ＡＣＩ４０８−３規格パラメータが使用される。この規格は、クラークが行った調査（１９４６年、１９４９年）に基づいており、彼は、鉄筋の改良された性能についての関係式が、Ｒｒリブに関する面積パラメータを使って与えられることを見出した。
【００３３】
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【００３４】
ここで、
（１）ＡＳＴＭ６１５に示される通常の鉄筋について、比較リブ面積の値は、０．０５７〜０．０８７の範囲に含まれる。
（２）比較的広い比較リブ面積を有する鉄筋について、比較リブ面積の値は、０．１０〜０．１４の範囲に含まれる。
（３）複数のリブは、鉄筋軸に対してβ＝４５°〜６５°の角度範囲に設けられる。これらのリブは交差してはならない。また、リブをＸ字形パターンやダイヤモンド形パターンに設けてはいけない。
（４）リブの間隔は、鉄筋の公称直径「Ｄｎ」の少なくとも０．４４倍とする。
（５）リブの平均幅は、リブ間平均距離「Ｌ」の３分の１以下としなければいけない。
（６）鉄筋の寸法は、以下の表の番号１１のものよりも大きな寸法にしてはいけない。
【００３５】
表１．異形鉄筋の公称径（呼び名）、公称重量[質量]、公称寸法とひずみ要求量
【００３６】
【表１】
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【００３７】
Ａ鉄筋の公称直径をインチ単位で丸めた鉄筋の公称径（鉄筋の公称直径をミリメートル単位の概数で表した鉄筋の公称径）
Ｂ異形鉄筋の公称寸法は、この異形鉄筋と１フィート（メートル）当たり同じ重量（質量）を有する滑らかな鉄筋の公称寸法と同値である。
【００３８】
上記の表は、従来の鉄筋について、リブと幾何学的構造を画定する。しかし、疲労破断するときのコンクリート強度の５０％よりも小さい応力を受ける弾性ゾーンにコンクリートが維持されるようにするため、本発明の鉄筋のＲｒの値は、０．１２〜０．２５の範囲に含まれる。
【００３９】
図１５に、本発明の鉄筋を画定するパラメータが明確に示されている。これにより、鉄筋の公称直径から周長「Ｐ」を導くことができる。「Ｌ」は隣接するリブの中心間距離であり、Ｄｎは鉄筋の公称直径であり、ｈは鉄筋のリブ高さであり、「Ａ」は鉄筋のリブ面積である。
【００４０】
図１５に示される鉄筋のパラメータによれば、Ｒｒの値は、
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よって、本発明の鉄筋のリブ面積は、
Ａ＝Ｒｒ×Ｐ×Ｌ                （３）
また公称周長が、
Ｐ＝Ｄｎ×π                    （４）
である場合、本発明のリブ面積は以下の範囲に含まれる。
０．１２×Ｐ×Ｌ＜Ａ＜０．２５×Ｐ×Ｌ         （５）
あるいは、
０．１２×Ｄｎ×π×Ｌ＜Ａ＜０．２５×Ｄｎ×π×Ｌ      （６）
図１５において斜線で示される「Ａ」面積が、
Ａ＝Ｄｎ×π×ｈ                    （７）
に等しいことにより、（７）式および（４）式を（２）式に代入すると、  
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そして、本発明のリブ高さ「ｈ」は、以下の範囲に含まれる。
０．１２×Ｌ＜ｈ＜０．２５×Ｌ             （９）
【００４１】
従って、本発明の鉄筋面積を画定するリブ間距離「Ｌ」は、好ましくはＡＳＴＭ６１５の表１に示されている平均間隔の最大値についての所与の値であるＲｒとｈの値によって決められる。
【００４２】
同様に、２００８年冬号（１０月／１２月）の材料研究の出版物『鉄筋の比較リブ面積の引き抜き試験の分析』（Ｇｏｍｅｓ  Ｂａｒｂｏｓａら）は、「この研究で得られた結果から、直径の７０％の間隔で設けられかつ直径の９％の高さを有する鉄筋は、付着応力が増大した」と結論している。
【００４３】
これは、本発明の鉄筋のリブ面積を画定するリブ間距離「Ｌ」にも言えることである。リブ間距離は、鉄筋の公称直径Ｄｎの約７０％に設定され得る。  
【００４４】
ＡＳＴＭ６１５の表１と、Ｇｏｍｅｓ  Ｂａｒｂｏｓａらの出版物との両方を考慮することが大切である。リブ間距離「Ｌ」を画定することは、このような距離「Ｌ」を求めることは以前から既に知られていて、鉄筋のリブ面積を厳密に画定するのに役立つものとして要求されるときにだけ考慮されるが、本発明の目的にも関わることである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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