(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
せん断荷重の作用する既存の鉄筋コンクリート部材のせん断補強方法であって、
前記せん断荷重により生じる斜めひび割れ面と交差するように、鉄筋コンクリート部材に掘削孔を設け、
前記掘削孔に棒状補強部材を挿入し、
前記掘削孔に、前記鉄筋コンクリート部材と前記棒状補強部材との間に摩擦力が発生しないようにグラウトを充填し、
前記棒状補強部材のダウエル効果により、前記鉄筋コンクリート部材に作用するせん断力に抵抗することを特徴とするせん断補強方法。
【請求項２】
前記棒状補強部材は、前記斜めひび割れ面に作用するせん断荷重よりも大きなせん断耐力を有することを特徴とする請求項１記載のせん断補強方法。
【請求項３】
前記棒状補強部材は鋼管であることを特徴とする請求項１又は２記載のせん断補強方法。
【請求項４】
前記既存の鉄筋コンクリート部材はカルバートであることを特徴とする請求項１から３何れかに記載のせん断補強方法。
【請求項５】
前記掘削孔を、前記鉄筋コンクリート部材の一方の面のみに設けることを特徴とする請求項１から４何れかに記載のせん断補強方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カルバートなどの既存鉄筋コンクリート部材のせん断補強方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カルバートの外壁などのせん断荷重の作用する鉄筋コンクリート部材のせん断補強を行う場合には、コンクリート部材が負担していた引張応力を負担するようにコンクリート部材内にせん断補強筋を新たに埋設する方法が広く用いられている。この際、充分なせん断補強効果を得るためには、せん断補強筋とコンクリート部材との間で応力の伝達が確実に行われるようにし、せん断補強筋は引張応力に抵抗できるように、確実にコンクリート部材内に定着する必要がある。
【０００３】
このような確実に応力の伝達を行う定着構造を備えたせん断補強構造の一つに、図７に示すような、鉄筋コンクリート部材１０の表面より掘削孔２１を設け、両端に円盤状に加工した定着具３１を備えるせん断補強筋３２を配置し、掘削孔２１内にグラウト２３を注入することにより形成されたせん断構造３０が用いられることがある。かかる構成によれば、せん断補強筋３２の両端に設けられた定着具３１が定着強度を向上し、せん断補強筋は引張応力に抵抗できるので、コンクリート部材のせん断強度が向上する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記説明したせん断補強構造では、充分な効果を得るためには、多くのせん断補強筋を配置する必要があり、また、鉄筋コンクリート部材の主鉄筋を損傷させないために、主鉄筋と干渉しないように掘削孔を設けなければならず、高い施工精度が要求される。また、せん断補強筋の両端に定着具を取付けると、加工の手間がかかり、また、部材自体の単価が高くなる。
【０００５】
本発明は、以上の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、施工が容易であり、廉価なせん断補強方法を提供することとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のせん断補強方法は、せん断荷重の作用する既存の鉄筋コンクリート部材のせん断補強方法であって、前記せん断荷重により生じる斜めひび割れ面と交差するように、鉄筋コンクリート部材に掘削孔を設け、前記掘削孔に棒状補強部材を挿入し、前記掘削孔に、前記鉄筋コンクリート部材と前記棒状補強部材との間に摩擦力が発生しないようにグラウトを充填し、前記棒状補強部材のダウエル効果により、前記鉄筋コンクリート部材に作用するせん断力に抵抗することを特徴とする。
【０００７】
ここで、前記棒状補強部材は、前記斜めひび割れ面に作用するせん断荷重よりも大きなせん断耐力を有してもよい。また、前記棒状補強部材は鋼管であってもよい。また、前記既存の鉄筋コンクリート部材は、カルバートであってもよい。また、前記掘削孔は、前記鉄筋コンクリート部材の一方の面に設けられていてもよい。
【０００８】
上記のせん断補強方法によれば、斜めひび割れ面において棒状補強部材がほぞのように作用するため、せん断耐力を向上することができる。また、これにより、従来のせん断補強構造で用いていた定着具などの定着機構が不要となりコストを削減することができる。また、従来のせん断補強構造に用いられていたせん断補強筋の本数よりも少ない棒状補強部材の本数でせん断補強が可能であるため、掘削孔の数を減らすことができ、施工性を向上することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、機械式定着を有するせん断補強筋に比べて廉価な鋼管を用いてせん断補強をしているため、せん断補強に要するコストを削減できる。また、せん断荷重により生じる斜めひび割れ面と交差するように補強部材を設けるために、効率的な補強が可能である。従って、補強部材を設置するための掘削本数を低減することができるため、施工性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明のせん断補強構造の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態のせん断補強構造２０の設置の対象となるＢＯＸカルバート４１を示す断面図である。同図に示すように、ＢＯＸカルバート４１の外側には、土砂４２が存在しており、ＢＯＸカルバートの外壁部４３には、土砂４２の土圧Ｑが作用している。
図２（Ａ）は、図１におけるＢＯＸカルバートの外壁部の破線で囲まれた部分の鉄筋コンクリート部材を拡大した横断面図であり、同図（Ｂ）は縦断面図である。一般的にＢＯＸカルバート４１を構成する鉄筋コンクリート部材１０は、コンクリート部材１２と、その外側及び内側に配置された主鉄筋１１と、主鉄筋１１と直交するように配置された配力筋１３とを備える。鉄筋コンクリート部材１０に作用する応力を考えると、同図に示すように、土圧Ｑがせん断荷重Ｐとして作用し、その反力Ｐ´が図１における外壁部４３の支持部に作用している。後述するように、このせん断荷重Ｐ及びその反力Ｐ´により、同図に一点鎖線で示すような斜めひび割れ面（せん断荷重によるひび割れが生じやすい面）が発生する。
【００１２】
本実施形態のせん断補強構造２０は、このような鉄筋コンクリート部材１０の一方の面に適宜な間隔で上記の斜めひび割れ面と交差するように掘削孔２１を設け、この掘削孔２１に鋼管２２を挿入し、掘削孔２１内の空隙にグラウト２３を充填し、このグラウト２３が硬化することで形成される。すなわち、せん断補強構造２０は、図２に示すように、鉄筋コンクリート部材１０の表面に設けられた掘削孔２１と、掘削孔２１内に挿入された鋼管２２と、掘削孔２１内の空隙に充填されたグラウト２３とを備えた構成となる。
【００１３】
以下、一例として鉄筋コンクリート部材の単純梁に、梁の中心に関して対称な任意の２箇所にせん断荷重が作用する場合（作用点と支点間のコンクリート部材には、一定のせん断力が生じる）を想定して、せん断補強構造により鉄筋コンクリート部材のせん断耐力が向上する原理を説明する。なお、以下の説明において、鉄筋コンクリート部材に作用する荷重は、鉄筋コンクリート部材の中央面に対して対称であるため、鉄筋コンクリート部材の片側半分の解析モデルについて考える。
図３は、せん断荷重が作用している状態の鉄筋コンクリート部材における応力伝達を示す図である。同図に示すように、鉄筋コンクリート部材は、対称性を考慮すると、作用荷重Ｐ１と、その反作用による支点反力Ｐ２（＝Ｐ１）とにより釣合い状態となる。
【００１４】
釣合い状態にあるコンクリート部材には、荷重Ｐ１の作用する点と支点反力の作用する点Ｐ２とを結ぶ方向に作用する圧縮応力を伝達する応力伝達機構が形成される。また、上記の応力伝達機構には、モールの応力円の理論により圧縮応力の作用する方向と略垂直に引張応力が作用しており、鉄筋コンクリート部材に作用するせん断荷重が大きくなると、それにともなってこの引張応力も大きくなる。引張応力が過大になり、この引張応力にコンクリート部材１２が耐えられなくなると、応力伝達機構に沿ってコンクリート部材１２に斜めひび割れが生じ、せん断破壊を起こしてしまう。すなわち、斜めひび割れ面は、荷重の作用する点と、支点反力の作用する点とを結ぶ方向に発生する。
【００１５】
図７に示すような、従来のせん断補強構造３０では、コンクリート部材１２の負担できないような過大な引張応力をせん断補強筋３２に負担させるという考えに基づき、鉄筋コンクリート部材内に応力伝達機構の引張力に抵抗するように両端に定着具３１を備えたせん断補強筋３２を配置していた。これにより、コンクリート部材１２の負担していた引張応力がせん断補強筋３２に伝達され、また、せん断補強筋３２は、定着具３１によって確実にコンクリート部材内に定着されているため、せん断補強筋３２が引張応力を充分負担でき、せん断耐力を向上することができた。
【００１６】
これに対し、本発明のせん断補強構造２０は、従来のせん断補強構造のようにコンクリート部材１２に作用する引張応力を他の部材に負担させるのではなく、図２（Ａ）に示すように、斜めひび割れ面（図２における一点鎖線）と交差するように棒状補強部材（本実施形態では鋼管２２）を設け、この棒状補強部材がほぞとして作用する効果（いわゆる、ダウエル効果）を利用して、せん断破壊を防止するという考えに基づくものである。
【００１７】
従来のせん断補強構造に用いられるせん断補強筋３２は、引張応力を負担させることを目的として設けられていたため、曲げ耐力の小さい鉄筋が用いられている。したがって、コンクリート部材とともにせん断補強筋も変形してしまうので、ほぞとしての機能が低く、せん断荷重の増加に伴ってせん断破壊の進行を許してしまい、最終的にダウエル効果が充分に発生する以前に鉄筋コンクリート部材が破壊し、せん断耐力を向上することはできない。
【００１８】
これに対し、本実施形態のせん断補強構造２０に用いられている鋼管２２は、せん断補強筋３２に比べて径が大きく、大きな曲げ剛性を有する。このため、ほぞとしての機能が高く、せん断荷重載荷当初から、充分なダウエル効果が期待でき、せん断耐力を向上することができる。また、鋼管２２として、斜めひび割れ面に生じるせん断力以上のせん断耐力を有する鋼管を用いると、斜めひび割れ面に沿って引き離そうとする力に対して抵抗することができるため、確実にせん断耐力を向上できる。
【００１９】
また、図２（Ａ）に示すように、本実施形態のせん断補強構造２０は、部材軸に対して直交方向に鋼管２２を配置している、通常、斜めひび割れは、応力伝達機構に沿って、すなわち、部材軸に対して斜め方向に発生するため、鋼管２２は斜めひび割れと交差する。このため、本実施形態のせん断補強構造２０のように、部材軸に対して直交方向に鋼管２２を配置しても、せん断補強効果が得られる。
【００２０】
また、鉄筋コンクリート部材１０の一方の面のみから鋼管２２を部材直交方向に挿入することで、鋼管２２を斜めひび割れと交差するように配置させることできる。このため、本実施形態のせん断補強構造２０は、鉄筋コンクリート部材１０の一方の面からせん断補強を行うことが可能となる。
【００２１】
このように鉄筋コンクリート部材１０の一方の面からせん断補強を行うことができるので、地中構造物であるＢＯＸカルバートの外壁部のせん断補強を行う場合などに、特に有効である。図１に示すように、ＢＯＸカルバート４１の外壁部４３の外側には土砂４２が存在している。本実施形態のせん断補強構造２０によれば、上記説明したように、鉄筋コンクリート部材１０の一方から施工を行うことが可能であり、ＢＯＸカルバート４１の外壁部４３にせん断補強工事を行う場合であっても、外壁部４３の両面から作業する必要はなく、従って、土砂４２を掘削することなく、ＢＯＸカルバート４１内側より施工を行うことができる。
なお、本実施形態では、ＢＯＸ形状のカルバートについて説明したが、これに限定されるものではなく、アーチ形状、Ｄ型形状等の様々な形状のカルバートを用いることが可能である。
【００２２】
以上説明したように、本実施形態のせん断補強構造によれば、鋼管によるダウエル効果を利用してせん断補強を行うため、コンクリート部材との定着のために用いられていた高価な機械式定着が不要となり、施工費用を削減できる。また、せん断荷重により生じるひび割れ面と交差するように鋼管を設けるために、効率的な補強が可能である。このため、従来の方法で用いられていたせん断補強筋に比べて、鋼管は少ない本数でせん断補強を行うことができるため、コンクリート部材に設ける掘削孔を減らすことができ、施工性が向上される。また、鉄筋コンクリート部材の一方の側から施工できるため、ＢＯＸカルバートのような他方に外壁背面に土砂があるような場合にも、土砂を掘削することなく、内側から施工できる。
【００２３】
なお、本実施形態では、ダウエル効果を発生する部材として鋼管を用いたが、これに代えて太径の鉄筋やフラットバーなどの、曲げ耐力を有する部材であり、かつ、掘削孔に容易に挿入することができる部材であれば用いることができる。
【００２４】
ここで、ＦＥＭを用いた数値解析シミュレーションにより、本実施形態のせん断補強構造を有する鉄筋コンクリート部材が充分なせん断耐力を有するか否かを検討したので、以下に説明する。本シミュレーションでは、高さ１２００ｍｍ、幅５００ｍｍの鉄筋コンクリート部材をモデル化したＲＣモデルの一端を固定支持とし、他端に荷重を加え、荷重と変位の関係を調べた。鋼管は、直径φ４８．６ｍｍ、厚さｔ３．２ｍｍのものをモデル化した。
【００２５】
なお、本実施形態のせん断補強構造における鋼管とコンクリート部材との付着については、図４に示すようなライン要素により表すものとした。図５は、ライン要素の荷重―変位特性を説明するための図である。同図（Ａ）及び（Ｂ）は、ライン要素の変位状況を示し、同図（Ｃ）及び（Ｄ）は、夫々（Ａ）及び（Ｂ）のように変位した場合の変位（横軸）と応力（縦軸）との関係を示す。同図（Ａ）に示すようにライン要素と平行に変位が生じる場合には、同図（Ｃ）に示すように変位δに対応する応力τが付着応力の限界値τｍａｘに達するまでは、変位δに比例した応力τが作用するものとし、変位δに対応する応力τが付着応力の限界値τｍａｘを超えるような場合には、一定の応力τ（＝τｍａｘ）が作用するものとして表している。また、同図（Ｂ）に示すようにライン要素と垂直に変位が生じる場合には、同図（Ｄ）に示すように、変位δが零以下の場合においては、変位δに比例した応力σが作用するものとし、変位δが零を超えた場合には、応力が作用しないものとして表している。
【００２６】
本シミュレーションでは、せん断補強構造を設けていない場合（条件１）、鋼管を設け、鋼管とコンクリート部材との間で最低限の付着応力はあるが、摩擦力が発生しない構成とした場合（条件２）、鋼管を設け、鋼管とコンクリート部材との間である程度の付着応力があり、また摩擦力が発生するとした場合（条件３）、及び、鋼管と、コンクリート部材との間を完全付着とした場合（条件４）について、数値解析を行い、荷重―変位の関係を調べた。すなわち、条件２では、ダウエル効果のみによりせん断力に抵抗する場合に相当し、条件３及び条件４では、ダウエル効果及び鋼管の引張耐力によりせん断力に抵抗する場合に相当する。
なお、摩擦力が発生しないとした場合（条件２）では、τｍａｘを０．２［Ｎ／ｍｍ２］、摩擦係数μ＝０とした。摩擦力が発生するとした場合（条件３）では、τｍａｘを０．５［Ｎ／ｍｍ２］、摩擦係数をμ＝０．３とした。
【００２７】
図６は、各試験体の荷重―変位関係を示すグラフである。なお、比較対象として土木学会コンクリート標準示方書等に記載されているＲＣ棒部材のせん断耐力算定式を用いて算出したせん断補強構造を設けていない鉄筋コンクリート部材の設計せん断耐力（図６の下側破線）、及び、従来の手法である、定着具をせん断補強筋の両端に接続したせん断補強構造を設けた鉄筋コンクリート部材の設計せん断耐力（図６の上側破線）を示す。
【００２８】
図６に示すように、本実施形態の鋼管によるせん断補強構造を備えた鉄筋コンクリート部材は、摩擦なしの場合（条件２）、摩擦を考慮した場合（条件３）、完全付着の場合（条件４）、鋼管を設けていない場合（条件１）のせん断耐力を大きく超えている。このことから、本実施形態のせん断補強構造を設けることにより、鉄筋コンクリート部材のせん断耐力が向上することが確認された。
【００２９】
また、比較対象である、従来の定着具を用いたせん断補強構造の設計せん断耐力と、条件２〜４の最大せん断荷重を比較すると、条件２〜４の最大せん断荷重は、従来のせん断補強構造の設計せん断耐力を大きく超えている。これにより、本発明のせん断補強構造によれば、従来のせん断補強構造と同等又はそれ以上のせん断耐力を確保することができることができることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】地中ＢＯＸカルバートを示す図である。
【図２】（Ａ）は、本実施形態のせん断補強構造の設けられた鉄筋コンクリート部材の部材軸方向の横断面図であり、（Ｂ）は縦断面図である。
【図３】せん断力が作用した鉄筋コンクリート部材における応力を示す図である。
【図４】鋼管とコンクリート部材との付着を表すライン要素を示す図である。
【図５】ライン要素の荷重―変位特性を説明するための図であり、同図（Ａ）及び（Ｂ）は、ライン要素の変位状況を示し、同図（Ｃ）及び（Ｄ）は、夫々（Ａ）及び（Ｂ）のように変位した場合の変位（横軸）と応力（縦軸）との関係を示す。
【図６】各条件における荷重―変位関係を示すグラフである。
【図７】せん断補強筋の両端に定着具を有する従来のせん断補強構造である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  鉄筋コンクリート部材            １１  主鉄筋
１２  コンクリート部材                １３  配力筋
２０  せん断補強構造                  ２１  掘削孔
２２  鋼管                            ２３  グラウト
３０  従来のせん断補強構造            ３１  定着具
３２  せん断補強筋                    ４１  ＢＯＸカルバート
４２  土砂                            ４３  外壁部
【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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