(57)【要約】　　　（修正有）【課題】鉄筋と定着金物とを摩擦圧接した補強部材を用いても設計が煩雑とならないコンクリート建築物の補強部材を提供する。【解決手段】鉄筋１２と定着金物１１とが摩擦圧接されたコンクリート建築物の補強部材において、補強部材の接合部を挟んで引張試験を行ったときに、鉄筋１２で破断する。また、鉄筋１２と定着金物１１との接合部の接合面の面積を、鉄筋の軸方向垂直断面の面積の１．０１〜３．００倍とする。さらに、接合部の接合面の少なくとも一部をテーパ状または半球状の凹形状とする。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄筋と定着金物とが摩擦圧接されたコンクリート建築物の補強部材において、前記補強部材の接合部を挟んで引張試験を行ったときに、鉄筋で破断することを特徴とするコンクリート建築物の補強部材。
【請求項２】
前記鉄筋と定着金物との接合部の接合面の面積が鉄筋の軸方向垂直断面の面積の１．０１〜３．００倍の面積であることを特徴とする請求項１に記載のコンクリート建築物の補強部材。
【請求項３】
接合部の接合面の少なくとも一部がテーパ状または半球状の凹形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコンクリート建築物の補強部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンクリート建築物の補強部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０（ａ）（ｂ）は、コンクリート構造物の補強部材（以下、「コンクリート構造物の補強部材」を略して「補強部材」という）を配設した模式断面図である。従来から、図１０に示すように（ａ）柱１０３には柱主筋１０２ａ、（ｂ）梁１０４には梁主筋１０２ｂが配設されている。そして、柱主筋１０２ａと梁主筋１０２ｂにはネジ節鉄筋や異形鉄筋が用いられ、その端部には、コンクリートへの定着性と、圧縮強さおよび引張り強さを高めるために定着金物１０１ａ、１０１ｂがそれぞれ取り付けられている。
【０００３】
摩擦圧接を利用して、定着プレートに異形鉄筋を取り付ける補強部材の従来例について説明する。図９は、特開２００１−１２０１２号公報に開示される定着プレートへの異形鉄筋の取り付け構造の側面図である。図９で、異形鉄筋９２の先端には、異形鉄筋９２と同軸上で外周に雄ネジを形成した鋼製の雄ネジ部材９３を摩擦圧接で接合し、雄ネジ部材９３を定着プレート９１の孔に挿通し、雄ネジ部材９３の雄ネジに螺合した２個のナット９４で雄ネジ部材９３上に定着プレート９１を取り付けている。なお、９５は圧接部である。この特開２００１−１２０１２号公報によれば、鉄筋の種類がネジ節鉄筋に限定されず、また、雄ネジ部材に螺合するナットも通常の機械構造で用いられる市販品が使用可能となり、外形寸法もネジ節鉄筋に螺合されるナットに比べて小さくなるので、柱主筋や梁主筋のコストダウンが図れ、また、配設上も有利であるとしている。
【０００４】
本発明者らは、特開２００１−１２０１２号公報に開示されるコンクリート建築物の補強部材の問題点を鑑みて、例えば、図８に示すような異形鉄筋８２の端部に円板形状の定着金物８１を摩擦圧接によって直接接合することを特徴とするコンクリート建築物の補強部材８０を発明し、特願２００１−２２９６０６号において出願した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特願２００１−２２９６０６号の発明の補強部材は、定着金物に機械構造用炭素鋼などの鋼材を用いた場合、前記鋼材の材料の強度よりも鉄筋の材料の強度が大きくなると、接合部を挟んで引張試験を行ったときに接合部で破断する場合があった。ここで、接合部とは、定着金物と鉄筋のそれぞれの摩擦圧接による熱影響部および接合面によって構成される部位を指す。コンクリート建築物の設計において鉄筋よりも低強度の接合部が存在すると、接合部と鉄筋の両方の強度を考慮しなければならないので設計が煩雑になり、さらに高強度鉄筋の性能を十分に発揮できないという問題があった。
【０００６】
また、上記補強部材において、定着金物の材料の強度が鉄筋の材料の強度より大きい場合においても、接合部の強度が摩擦圧接時の熱影響により鉄筋の材料の強度より劣る場合は、やはり接合部を挟んで引張試験を行ったときに接合部で破断するおそれがあった。このために上記と同様に設計が煩雑になるという問題があった。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、鉄筋と定着金物とを摩擦圧接した補強部材を用いても設計が煩雑とならない補強部材を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の鉄筋と定着金物とが摩擦圧接されたコンクリート建築物の補強部材は、接合部を挟んで引張試験を行ったときに、鉄筋で破断することを特徴とする。鉄筋で破断することで、接合部の強度は鉄筋と同等以上とみなすことができ、鉄筋の強度を用いてコンクリート建築物の設計を行うことができるので、設計が簡便になる。また、本発明の補強部材はより強度が必要とされる部位に使用でき、高強度鉄筋の特徴を生かすことも可能となる。
【０００９】
また、本発明の補強部材においては、前記鉄筋と定着金物との接合部の接合面の面積（以下、「接合部の接合面の面積」を略して「接合面積」という）が鉄筋の軸方向垂直断面の面積の１．０１〜３．００倍の面積であることが好ましい。鉄筋の単位面積当たりの引張強度に対して、定着金物と鉄筋との接合部の単位面積当たりの引張強度は低いが、接合面積を鉄筋の軸方向垂直断面の面積の１．０１倍以上として、接合面積を大きくすることにより、接合部の軸方向の引張強度を向上することができる。一方、接合面積を鉄筋の軸方向垂直断面の面積の３．００倍よりも大きくすると、摩擦圧接前の鉄筋および定着金物の準備に工数を要するとともに、鉄筋の中心軸と定着金物の接合面とでなす角度が小さくなりすぎるため、摩擦圧接時に、定着金物と鉄筋との接合面に軸方向の圧着力（接合面を押付ける圧力）が不足して、摩擦圧接時に接合がうまくいきにくくなる。より好ましい範囲は、鉄筋と定着金物との接合部の接合面の面積が鉄筋の軸方向垂直断面の面積の１．５〜２．５倍の面積である。
【００１０】
また、本発明の補強部材においては、接合部の接合面の少なくとも一部がテーパ状または半球状の凹形状であることが好ましい。例えば、テーパ状または半球状の凹形状の定着金物と、軸方向にほぼ垂直な端面を有する鉄筋とを摩擦圧接すると、摩擦熱により、主に接合部の熱容量の小さい鉄筋に材料の軟化が生じ、鉄筋は定着金物の凹形状に沿って変形し、接合部の形状は接合前の定着金物の凹形状に近い形状となって接合が完了する。接合部の接合面がテーパ状または半球状の凹形状となることで、定着金物と鉄筋とが何れも軸方向に垂直な端面同士の接合に比べ接合面積を増加させることができ、その結果、接合部の強度が増加する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を実施例に基づいて詳細に説明する。なお、試験に供した定着金物と鉄筋の材料の種類（材質）と引張強さを表１にまとめて示す。また、試験に供した鉄筋の呼び径はＤ２５である。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
（実施例１）
実施例１を、図１および図７に基づき説明する。材料は、定着金物および鉄筋で、それぞれ機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ焼準材およびＳＤ４９０である。
【００１４】
図１は、（ａ）異形鉄筋と定着金物との摩擦圧接前、（ｂ）摩擦圧接中、（ｃ）摩擦圧接後の補強部材の各断面図であり、また図７は、異形鉄筋と定着金物とを摩擦圧接している摩擦圧接装置の模式図である。図１（ａ）で、定着金物１１には、軸中心部に、正面１１ｄから端面１１ｅまで貫通する連通孔１１ｃを形成している。また、異形鉄筋１２との接合部となる接合面をテーパ状の凹形状１１ｂに形成している。異形鉄筋１２は、山形１２ａが形成されており、端面１２ｂで所定長さに切断している。異形鉄筋１２の端面１２ｂは鋸等で切断したままの状態で摩擦圧接が可能で、切断によって生じる凹凸や面の垂直度の管理は必要ない。
【００１５】
一方、図７に示す摩擦圧接装置は、機台７１と、この機台７１上で油圧シリンダ７３により往復移動すると共に電動機７４で回転駆動される主軸７５と、この主軸７５の端部で定着金物１１を把持するチャック７６と、異形鉄筋１２を把持固定する取付具７７などからなる。
【００１６】
異形鉄筋１２と定着金物１１との摩擦圧接は次のとおり行う。先ず、定着金物１１をチャック７６で把持し、また取付具７７に異形鉄筋１２の端面１２ｂを突出して固定する。次に、電動機７４を回転して回転力を主軸７５に伝達し、油圧シリンダ７３により定着金物１１を異形鉄筋１２側（図では右側）に移動する。そして、図１（ｂ）に示すように、異形鉄筋１２の端面１２ｂに定着金物１１を回転しつつ接合面である凹形状１１ｂを接触させて摩擦発熱させる。この摩擦発熱工程では、定着金物１１および異形鉄筋１２の材質に応じた摩擦速度、摩擦圧力、摩擦時間を適宜選定する。次に、電動機７４を停止しかつブレーキ（図示せず）により主軸７５を急停止させ、アプセット圧力を付与する。このアプセット工程では、定着金物１１および異形鉄筋１２の材質に応じたアプセット圧力、アプセット時間を適宜選定する。これにより、図１（ｃ）に示すように、定着金物１１と異形鉄筋１２とが、接合面がテーパ状の凹形状の接合部１３で一体となった補強部材１０となる。
【００１７】
摩擦圧接により定着金物１１に形成した連通孔１１ｃに摩擦圧接時のバリ１４が出てくるので、このバリ１４を定着金物１１の正面１１ｄ方向から目視することによって、摩擦圧接が確実に行われていることがわかり、コンクリート建築物に配設する前にその信頼性が容易に確認できる。
【００１８】
（実施例２）
図２は、実施例２での、（ａ）ネジ節鉄筋と定着金物との摩擦圧接前、（ｂ）摩擦圧接後の補強部材の各断面図である。材料は、定着金物および鉄筋で、それぞれ機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ焼入焼戻材およびＳＤ６８５である。図２（ａ）で、定着金物２１は、ネジ節鉄筋２２との接合部となる接合面をテーパ状の凹形状２１ｂに形成している。ネジ節鉄筋２２はネジ山２２ａが形成されており、端面２２ｂで所定長さに切断している。ネジ節鉄筋２２の端面２２ｂは鋸等で切断したままの状態で摩擦圧接が可能で、切断によって生じる凹凸や面の垂直度の管理は必要ない。
【００１９】
実施例２も、図７に示す摩擦圧接装置により、定着金物２１とネジ節鉄筋２２とを摩擦圧接している。摩擦圧接後、図２（ｂ）に示すように、定着金物２１とネジ節鉄筋２２とが接合面がテーパ状の凹形状の接合部２３で一体となった補強部材２０となる。
【００２０】
（実施例３）
図３は、実施例３での、（ａ）ネジ節鉄筋と定着金物との摩擦圧接前、（ｂ）摩擦圧接後の補強部材の各断面図である。材料は、定着金物および鉄筋で、それぞれ機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ焼入焼戻材およびＳＤ６８５である。図３（ａ）で、定着金物３１には、軸中心部に、正面３１ｄから端面３１ｅまで貫通する連通孔３１ｃを形成している。また、ネジ節鉄筋３２との接合部となる接合面を半球状の凹形状３１ｂに形成している。ネジ節鉄筋３２はネジ山３２ａが形成されており、端面３２ｂで所定長さに切断している。ネジ節鉄筋３２の端面３２ｂは鋸等で切断したままの状態で摩擦圧接が可能で、切断によって生じる凹凸や面の垂直度の管理は必要ない。
【００２１】
実施例３も、図７に示す摩擦圧接装置により、定着金物３１とネジ節鉄筋３２とを摩擦圧接している。摩擦圧接後、図３（ｂ）に示すように、定着金物３１とネジ節鉄筋３２とが接合面が半球状の凹形状の接合部３３で一体となった補強部材３０となる。また、定着金物３１に形成した連通孔３１ｃに摩擦圧接時のバリ３４が出てくるので、このバリ３４を定着金物３１の正面３１ｄ方向から目視することによって、摩擦圧接が確実に行われていることがわかり、コンクリート建築物に配設する前にその信頼性が確認できる。
【００２２】
（比較例１）
図４は、比較例１での、（ａ）異形鉄筋と定着金物との摩擦圧接前、（ｂ）摩擦圧接後の補強部材の各断面図である。材料は、定着金物および鉄筋で、それぞれ機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ焼準材およびＳＤ４９０である。図４（ａ）で、定着金物４１には、軸中心部に、正面４１ｄから端面４１ｅまで貫通する連通孔４１ｃを形成している。また、異形鉄筋４２との接合部となる接合面を、平面からなる端面４１ｅとしている。異形鉄筋４２は、山形４２ａが形成されており、端面４２ｂで所定長さに切断している。異形鉄筋４２の端面４２ｂは鋸等で切断したままの状態で摩擦圧接が可能で、切断によって生じる凹凸や面の垂直度の管理は必要ない。
【００２３】
比較例１も、図７に示す摩擦圧接装置により、定着金物４１と異形鉄筋４２とを摩擦圧接している。摩擦圧接後、図４（ｂ）に示すように、定着金物４１と異形鉄筋４２とが接合部４３で一体となった補強部材４０となる。
【００２４】
（比較例２）
図５は、比較例２での、（ａ）ネジ節鉄筋と定着金物との摩擦圧接前、（ｂ）摩擦圧接後の補強部材の各断面図である。材料は、定着金物および鉄筋で、それぞれ機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ焼入焼戻材およびＳＤ６８５である。図５（ａ）で、定着金物５１には、軸中心部に、正面５１ｄから端面５１ｅまで貫通する連通孔５１ｃを形成している。また、ネジ節鉄筋５２との接合部となる接合面をテーパ状の凹形状５１ｂに形成している。ネジ節鉄筋５２は、ネジ山５２ａが形成されており、端面５２ｂで所定長さに切断している。ネジ節鉄筋５２の端面５２ｂは鋸等で切断したままの状態で摩擦圧接が可能で、切断によって生じる凹凸や面の垂直度の管理は必要ない。
【００２５】
比較例２も、図７に示す摩擦圧接装置により、定着金物５１とネジ節鉄筋５２とを摩擦圧接している。摩擦圧接後、図５（ｂ）に示すように、定着金物５１とネジ節鉄筋５２とが接合面がテーパ状の凹形状の接合部５３で一体となった補強部材５０となる。
【００２６】
（引張試験）
実施例１、２、３および比較例１、２の各補強部材１０〜５０について、接合部を挟んで引張試験を実施した。引張試験は接合後の補強部材の定着金物を固定し、もう一方は鉄筋を固定して、鉄筋の軸方向の引張力のみがかかるようにした。表２に実施例１、２、３および比較例１、２における補強部材の定着金物の接合面の形状、接合面積の増加率、補強部材の接合部を挟んで引張試験を行ったときの引張最大荷重（補強部材の引張最大荷重）および破断部位を示す。また、鉄筋単体で引張試験したときに得られた引張最大荷重も併記した。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
実施例１〜３では、接合面積の増加率は１．０２〜２．９２倍となっている。引張試験の結果、実施例１〜３の補強部材の破断部位は全て鉄筋となった。何れの補強部材でも、その引張最大荷重が、鉄筋単体での引張最大荷重と全く同じ値を示したことからも破断部位が鉄筋であることがわかる。一方、比較例１、２の接合面積の増加率は、それぞれ１．００倍および３．４２倍であり、引張試験の結果、補強部材の破断部位は接合部であった。また、比較例１、２の補強部材の引張最大荷重は、鉄筋単体での引張最大荷重よりも小さかった。
【００２９】
実施例１〜３の補強部材１０、２０、３０は、定着金物１１、２１、３１の接合面にテーパ状または半球状の凹形状１１ｂ、２１ｂ、３１ｂを形成し、鉄筋１２、２２、３２は、軸方向にほぼ垂直な端面１２ｂ、２２ｂ、３２ｂを有している。このような構成からなる定着金物と鉄筋とを摩擦圧接すると、摩擦熱によって、主に、接合部の熱容量の小さい鉄筋が軟化し、鉄筋が定着金物の凹形状に沿って変形するので、摩擦圧接後の接合部の形状は、接合前の定着金物の凹形状に近い形状となって接合が完了する。実施例１〜３では、定着金物１１、２１、３１の接合面に凹形状１１ｂ、２１ｂ、３１ｂを形成し、接合面積の増加率を１．０２〜２．９２倍に増加しているので、接合部の強度が増加し、この結果、引張試験における補強部材の引張最大荷重が鉄筋単体での引張最大荷重と同じ値を示し、鉄筋部で破断したと考えられる。
【００３０】
一方、比較例１の補強部材４０は、定着金物４１の接合面を平面からなる端面４１ｅとし、異形鉄筋４２は、軸方向にほぼ垂直な端面４２ｂを有している。比較例１では、定着金物と鉄筋とが何れも軸方向に垂直な端面同士の接合となるので、摩擦圧接後の接合部の形状は、異形鉄筋４２が定着金物４１にわずかに食込むものの、接合面積の増加率は１．００倍と小さく十分でない。このため接合部の強度が増加せず、補強部材の引張最大荷重は２００ｋＮで、鉄筋単体での引張最大荷重３６０ｋＮよりも小さい値となり、接合部で破断したと考えられる。
【００３１】
また、比較例２の補強部材５０は、定着金物５１の接合面にテーパ状の凹形状５１ｂを形成し、ネジ節鉄筋５２は、軸方向にほぼ垂直な端面５２ｂを有している。このような構成からなる定着金物と鉄筋とを摩擦圧接すると、摩擦熱によって、主に、接合部の熱容量の小さい鉄筋が軟化し、鉄筋が定着金物の凹形状に沿って変形するので、摩擦圧接後の接合部の形状は、接合前の定着金物の凹形状に近い形状となって接合が完了する。比較例２では、定着金物５１の接合面に凹形状５１ｂを形成し、接合面積の増加率を３．４２倍に増加しているが、補強部材の引張最大荷重は３７０ｋＮで、鉄筋単体での引張最大荷重４６０ｋＮよりも小さい値となり、接合部で破断している。接合面積の増加率を３．４２倍に増加したにもかかわらず接合部の強度が増加しなかったのは、接合面積の増加率を大きくしたことで、図５（ａ）に示すように、鉄筋の中心軸Ｃと定着金物の接合面であるテーパ面Ｓとでなす角度θが小さくなりすぎたため、摩擦圧接時に、定着金物の接合面（凹形状５１ｂ）と鉄筋の接合面（端面５２ｂ）とに軸方向の圧着力（接合面を押付ける圧力）が十分伝わらず、接合が不十分となったことが原因と考えられる。
【００３２】
図６は実施例２の補強部材２０と、比較例２の補強部材５０との引張試験における荷重と変位の関係を示す曲線である。実施例２の補強部材２０は、荷重が鉄筋単体での引張最大荷重を示し、変位も約５０ｍｍと十分に得られて鉄筋で破断した。一方、比較例２の補強部材５０は、荷重が鉄筋の降伏荷重とほぼ同じ値である３７０ｋＮのところで接合部から破断し、変位も約１０ｍｍと小さい値であった。
【００３３】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能なものである。上記実施例においては、定着金物の接合面にテーパ状または半球状の凹形状を形成し、鉄筋は軸方向にほぼ垂直な端面からなる構成として、摩擦圧接後の接合部の接合面の一部をテーパ状または半球状の凹形状とする実施例について説明したが、鉄筋の端面を垂直ではなく、端面の角部を面取りした形状や尖形としてもよい。また、テーパ状の凹形状としては円錐形のほか、三角錐、四角錐としてもよく、半球状の凹形状としては断面形状で弧状や楕円としてもよい。
【００３４】
また、上記実施例においては、定着金物の材質を機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃとする実施例について説明したが、定着金物の材質はこれに限定されるものではなく、コンクリート建築物の補強部材としての機能を満足すれば、他の機械構造用炭素鋼のほか、鋳鉄材や鋳鋼材、例えば鋳鉄材として球状黒鉛鋳鉄ＦＣＤ４５０などを用いてもよい。定着金物への凹形状の形成手段としては機械加工が考えられるが、鍛造や鋳造により凹形状を一体的に形成すれば、機械加工を省けるので製作コストを低減できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明のとおり、本発明の鉄筋と定着金物とが摩擦圧接されたコンクリート建築物の補強部材は、補強部材の接合部を挟んで引張試験を行ったときに、鉄筋で破断することから、鉄筋の強度を用いてコンクリート建築物の設計を行うことができ、鉄筋と定着金物とを摩擦圧接した補強部材を用いても設計が煩雑とならない補強部材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の補強部材を示し、（ａ）異形鉄筋と定着金物との摩擦圧接前、（ｂ）摩擦圧接中、（ｃ）摩擦圧接後の各断面図である。
【図２】実施例２の補強部材での、（ａ）ネジ節鉄筋と定着金物との摩擦圧接前、（ｂ）摩擦圧接後の各断面図である。
【図３】実施例３の補強部材での、（ａ）ネジ節鉄筋と定着金物との摩擦圧接前、（ｂ）摩擦圧接後の各断面図である。
【図４】比較例１の補強部材での、（ａ）異形鉄筋と定着金物との摩擦圧接前、（ｂ）摩擦圧接後の各断面図である。
【図５】比較例２の補強部材での、（ａ）ネジ節鉄筋と定着金物との摩擦圧接前、（ｂ）摩擦圧接後の各断面図である。
【図６】実施例２の補強部材と、比較例２の補強部材との引張試験における荷重と変位の関係を示す曲線である。
【図７】異形鉄筋と定着金物とを摩擦圧接している摩擦圧接装置の模式図である。
【図８】特願２００１−２２９６０６号に記載される補強部材を示し、異形鉄筋と定着金物との摩擦圧接後の断面図である。
【図９】特開２００１−１２０１２号公報に記載される定着プレートへの異形鉄筋の取り付け構造の側面図である。
【図１０】コンクリート構造物の補強部材を配設した模式断面図であり、（ａ）は柱、（ｂ）は梁でのものを示す。
【符号の説明】
１０，２０，３０，４０，５０，８０：補強部材
１１，２１，３１，４１，５１，８１：定着金物
１１ｂ，２１ｂ，３１ｂ，５１ｂ：凹形状
１１ｃ，３１ｃ，４１ｃ，５１ｃ：連通孔
１１ｄ，３１ｄ，４１ｄ，５１ｄ：定着金物の正面
１１ｅ，３１ｅ，４１ｅ，５１ｅ：定着金物の端面
１２，４２，８２，９２：異形鉄筋
１２ａ，４２ａ：山形
２２，３２，５２：ネジ節鉄筋
２２ａ，３２ａ，５２ａ：ネジ山
１２ｂ，２２ｂ，３２ｂ，４２ｂ，５２ｂ：鉄筋の端面
１３，２３，３３，４３，５３：接合部
１４，３４：バリ
７１：機台
７３：油圧シリンダ
７４：電動機
７５：主軸
７６：チャック
７７：取付具
８５，９５：圧接部
９１：定着プレート
９３：雄ネジ部材
９４：ナット
１０１ａ，１０１ｂ：定着金物
１０２ａ：柱主筋
１０２ｂ：梁主筋
１０３：柱
１０４：梁
Ｃ：鉄筋の中心軸
Ｓ：定着金物の接合面であるテーパ面Ｓ
θ：鉄筋の中心軸Ｃと定着金物の接合面であるテーパ面Ｓとでなす角度
【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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