(57)【要約】【課題】中詰めコンクリートが充填されて鉄筋コンクリート柱を構成する中空外殻プレキャストコンクリート部材を超高強度コンクリートで形成する場合に、圧壊時に爆裂音を伴って破片が飛散することを防止し、更には限界変形角（靭性）を増大することが可能な鉄筋コンクリート柱を提供する。【解決手段】せん断補強筋４を埋設した中空外殻プレキャストコンクリート部材２内方に、柱主筋５を配筋するとともに中詰めコンクリート３を充填して形成される鉄筋コンクリート柱１であって、上記中空外殻プレキャストコンクリート部材が、圧縮強度１００Ｎ／ｍｍ2以上の超高強度コンクリートに、繊維径０．１〜１ｍｍ、繊維長さ６０ｍｍ以下の鋼繊維を下記式（１）を満たす混入率で混入して形成される。  式（１）    限界変形角Ｒu（×１０-3rad）＝2.622×鋼繊維混入率（容積％）＋24.525    但し、鋼繊維混入率（容積％）は２％以下【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
せん断補強筋を埋設した中空外殻プレキャストコンクリート部材内方に、柱主筋を配筋するとともに中詰めコンクリートを充填して形成される鉄筋コンクリート柱であって、
上記中空外殻プレキャストコンクリート部材が、圧縮強度１００Ｎ／ｍｍ2以上の超高強度コンクリートに、繊維径０．１〜１ｍｍ、繊維長さ６０ｍｍ以下の鋼繊維を下記式（１）を満たす混入率で混入して形成されることを特徴とする鉄筋コンクリート柱。
式（１）
限界変形角Ｒu（×１０-3rad）＝2.622×鋼繊維混入率（容積％）＋24.525
但し、鋼繊維混入率（容積％）は２％以下
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中詰めコンクリートが充填されて鉄筋コンクリート柱を構成する中空外殻プレキャストコンクリート部材を超高強度コンクリートで形成する場合に、圧壊時に爆裂音を伴って破片が飛散することを防止し、更には限界変形角（靭性）を増大することが可能な鉄筋コンクリート柱に関する。
【背景技術】
【０００２】
超高層建物の建設にあたって、施工の合理化、工期の短縮を図るため、中空外殻プレキャストコンクリート部材（以下、外殻ＰＣａ部材という）を用いた鉄筋コンクリート柱（以下、ＲＣ柱という）が採用されている。このＲＣ柱は、外殻ＰＣａ部材の内部に中詰めコンクリートを充填して構成される。例えば、外殻ＰＣａ部材を、圧縮強度８０Ｎ／ｍｍ2程度の超高強度コンクリートに鋼繊維を混入して形成するようにしたＲＣ柱が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、外殻ＰＣａ部材に圧縮強度８５Ｎ／ｍｍ2程度の超高強度コンクリートを、中詰めコンクリートに圧縮強度７０Ｎ／ｍｍ2程度の超高強度コンクリートを用いるようにしたＲＣ柱が知られている。
【特許文献１】特開２００４−３３２２３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者は、上述したようなＲＣ柱に軸力をかけた状態で横方向繰り返し荷重を加える加力実験を行って構造性能を検討したところ、外殻ＰＣａ部材に対し、Ｆｃ（圧縮強度）＝１００Ｎ／ｍｍ2級のコンクリートを用い、かつ高軸力を受ける下層階の外柱に相当するＲＣ柱の場合には、巨大地震を受けたとき、層間変形角が１／２００（５×１０-3）〜１／１００（１０×１０-3）radの段階で、圧縮側のＲＣ柱端部コンクリートが、爆裂の様相を呈して圧壊することが分かった。この現象は、地震力により建物の高層部が低層部に対して建物外方へ迫り出すように水平変位することで生じる曲げモーメントによって、下層階の外柱に作用する軸力が増加することに起因する。この圧壊時には、図５の柱せん断力−層間変形角曲線の一例に示すように、耐力が一時的にではあるが急激に低下するため、構造性能上改善する必要がある。また、圧壊時には大きな爆裂音が生じ、破片が飛散するため、居住性の観点からもその改善が必要である。
【０００５】
本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、中詰めコンクリートが充填されてＲＣ柱を構成する外殻ＰＣａ部材を超高強度コンクリートで形成する場合に、耐力性能を向上できるとともに、圧壊時に爆裂音を伴って破片が飛散することを防止することが可能なＲＣ柱を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかるＲＣ柱は、せん断補強筋を埋設した中空外殻プレキャストコンクリート部材内方に、柱主筋を配筋するとともに中詰めコンクリートを充填して形成される鉄筋コンクリート柱であって、上記中空外殻プレキャストコンクリート部材が、圧縮強度１００Ｎ／ｍｍ2以上の超高強度コンクリートに、繊維径０．１〜１ｍｍ、繊維長さ６０ｍｍ以下の鋼繊維を下記式（１）を満たす混入率で混入して形成されることを特徴とする鉄筋コンクリート柱。
式（１）
限界変形角Ｒu（×１０-3rad）＝2.622×鋼繊維混入率（容積％）＋24.525
但し、鋼繊維混入率（容積％）は２％以下
【発明の効果】
【０００７】
本発明にかかるＲＣ柱にあっては、中詰めコンクリートが充填されてＲＣ柱を構成する外殻ＰＣａ部材を鋼繊維混入超高強度コンクリートで形成する場合に、耐力性能並びに靭性性能を向上できるとともに、圧壊時に爆裂音を伴って破片が飛散することを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明にかかるＲＣ柱の好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１には、本実施形態にかかるＲＣ柱１の側断面図および平断面図が示されている。ＲＣ柱１は、薄肉な外殻ＰＣａ部材２内方に中詰めコンクリート３を充填して形成される。外殻ＰＣａ部材２は、平断面四角形の中空筒体状に形成される。外殻ＰＣａ部材２の肉厚部には、高さ方向に適宜間隔を隔てて、環状のせん断補強筋４が複数埋設される。外殻ＰＣａ部材２内方には、周方向に適宜間隔を隔てて、複数の柱主筋５が配筋される。柱主筋５は、外殻ＰＣａ部材２の内周面に対し、隙間をあけて配設される。中詰めコンクリート３は、柱主筋５を埋設するように、外殻ＰＣａ部材２内部に充填される。外殻ＰＣａ部材２は、型枠へコンクリートを流し込んで成形する流し込み成形や、遠心成形など、一般周知の成形方法でプレキャスト成形される。外殻ＰＣａ部材２の内面には、中詰めコンクリート３との付着を向上させるために、シアコッターを形成しても良い。
【０００９】
特に、外殻ＰＣａ部材２は、鋼繊維６を混入した、圧縮強度１００Ｎ／ｍｍ2以上の超高強度コンクリートで形成される。鋼繊維６としては、繊維径が０．１〜１ｍｍ、好ましくは０．２〜０．６ｍｍ程度であって、かつ繊維長さが６０ｍｍ以下、好ましくは１５〜３０ｍｍのものが用いられる。繊維径が０．１ｍｍ未満であると、コンクリートを混練しにくい。また、コンクリートの流動性に劣る。繊維径が１ｍｍを超えると、ひび割れの抑制効果が低減する。繊維径は、０．２〜０．６ｍｍであれば、コンクリートを混練しやすく、コンクリートの流動性の確保が可能である。また、適度なひび割れの抑制効果を期待できる。繊維長さは、６０ｍｍを超えると、コンクリートを混練しにくい。また、厚さ７０〜８０ｍｍ程度の外殻ＰＣａ部材成形用の型枠には、物理的に当該繊維入りコンクリートを充填しにくい。繊維長さは、１５〜３０ｍｍであると、コンクリートの混練が可能である。流動性があるため、コンクリートを打設しやすい。また適度なひび割れの抑制効果を期待できる。
【００１０】
鋼繊維６は下記式（１）を満たす混入率で、超高強度コンクリートに混入される。
式（１）
限界変形角Ｒu（×１０-3rad）＝2.622×鋼繊維混入率（容積％）＋24.525
但し、鋼繊維混入率（容積％）は２％以下
【００１１】
上記式（１）中、「限界変形角」とは、後述するように、実証実験で得られた柱せん断力（Ｑ）−層間変形角（Ｒ）曲線のうち、第１サイクルのＱ−Ｒ曲線の包絡線上で最大耐力から耐力が８０％に低下したときの層間変形角をいう。容積％で、超高強度コンクリートに対する鋼繊維６の混入率は２％を超えると、コンクリートの混練を適切に行うことができないので、これを上限値とする。
【００１２】
以下に、上記式（１）を得るに至った上記ＲＣ柱１の構造性能についての実証試験について説明する。
【００１３】
（Ａ）実験概要
実証試験は、三体のＲＣ柱試験体「ＰＣＮ−１」，「ＰＣＦ−１」，「ＰＣＮ−２」を用いて行った。ＰＣＦ−１とは、図１に示した本実施形態にかかるＲＣ柱１に相当する、繊維補強したＲＣ柱試験体であって、鋼繊維混入率が１％のものをいう。ＰＣＦ−２とは、ＰＣＦ−１に対し、鋼繊維混入率を２％にしたものである。ＰＣＮ−１は、ＰＣＦ−１およびＰＣＦ−２に対し、鋼繊維混入率を０％にしたもの、すなわち繊維補強していないものをいう。三体の試験体の諸元が表１に示されている。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
三体の試験体は、実物の約１／３である。いずれも曲げ破壊型とした。ＰＣＦ−１，ＰＣＦ−２には、鋼繊維６に加えて、有機繊維を０．２容積％混入した。本実験では、鋼繊維６としては表２に示す高強度鋼繊維を用いた。
【００１６】
【表２】
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【００１７】
また、有機繊維としては表３に示すＰＶＡ（ポリビニルアルコール）繊維を用いた。
【００１８】
【表３】
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【００１９】
中詰めコンクリート３には繊維は混入していない。試験体の水平方向断面寸法は３００×３００ｍｍ、柱内法高さは１０８０ｍｍで、シアスパン比は１．８０である。外殻ＰＣａ部材２の厚さは２４ｍｍで内側面にシアコッターを設けている。柱主筋５にはＤ１６でＵＳＤ６８５の高強度筋を用い、主筋比ｐｇは２．６５％である。横補強筋（せん断補強筋４）にはＲＢ６．２でＳＢＰＤＮ１２７５の高強度筋を用い、４０ｍｍピッチに外周筋と中子筋を配筋し、横補強筋比ｐｗは１．０％である。外殻ＰＣａ部材２、中詰めコンクリート３ともに、普通ポルトランドセメントにシリカフュームを混和し混練した。外殻ＰＣａ部材２のコンクリートには最大寸法１０ｍｍの砕石を、中詰めコンクリート３には最大寸法１３ｍｍの砕石を用いた。目標圧縮強度を外殻ＰＣａ部材２は１１５Ｎ／ｍｍ2に、中詰めコンクリート３は１００Ｎ／ｍｍ2に設定した。
【００２０】
建研式加力装置を用い、油圧ジャッキにより一定軸力を加えた状態で水平方向に正負交番漸増繰り返し加力を行い、試験体に逆対称曲げモーメントを作用させた。加力サイクルは、原則として、層間変形角（Ｒ）でＲ＝±１／４００，１／２００，１／１００，１／６７，１／５０radを各２回繰り返し、その後、耐力の低下度合いを勘案してＲ＝±１／３３，１／２５radの加力を行った。導入した軸力は、軸力比（η）にして０．５５である。
【００２１】
（Ｂ）実験結果
（ａ）破壊状況について、ＲＣ柱端部（図１中、二点鎖線で囲んだ領域Ｘ参照）のコンクリートが圧壊し耐力が低下したときの層間変形角Ｒを表４に示す。当該層間変形角Ｒは、比率において、ＰＣＮ−１を１として、ＰＣＦ−１では１．２０，ＰＣＦ−２では１．０６であった。
【００２２】
【表４】
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【００２３】
目視によれば、鋼繊維６が混入されていないＰＣＮ−１では、約１／２００（５×１０-3）radでＲＣ柱端部Ｘのコンクリートが爆裂音を伴って圧壊した。その後、かぶりコンクリートの剥離が進行し、１／５０radではＲＣ柱端部Ｘ全域にわたり損傷を受けた。これに対し、鋼繊維６が１％混入されたＰＣＦ−１では、１／５０radに至ってもＲＣ柱端部Ｘの損傷は軽微であった。超高強度コンクリートへの鋼繊維６の混入の有無により破壊状況が大きく異なることが分かった。
【００２４】
圧壊が始まる１／２００radでのＲＣ柱端部Ｘの状況を検討すると、ＰＣＮ−１では、この層間変形角Ｒの第２サイクルでＲＣ柱端部Ｘのかぶりコンクリートが圧壊により剥離し、耐力が大きく低下した。ＰＣＦ−１では、打ち継ぎ部のコンクリートに圧壊の兆候が若干見られるものの、外殻ＰＣａ部材２にはほとんど圧壊およびかぶりコンクリートの剥離は見られなかった。
【００２５】
この後、１／１００radのサイクルのピークに至る過程の１／１７９〜１／１５４radで圧壊が発生し一時的に耐力が低下したが、その低下の程度はＰＣＮ−１に比べ小さかった。圧壊は徐々に進むため、ＰＣＮ−１で発生したような爆裂音や爆裂に伴うかぶりコンクリートの飛散は生じなかった。
【００２６】
最終破壊状況では、ＰＣＮ−１では、外殻ＰＣａ部材２がほとんど剥離し横補強筋４が露出してしまった。ＰＣＦ−１，ＰＣＦ−２では、ひび割れの発生数は少なく、かぶりコンクリートの剥離も生じなかった。ＰＣＦ−１とＰＣＦ−２とは破壊状況に大きな差は見られなかった。鋼繊維６を混入することにより、ＲＣ柱端部Ｘのコンクリートの圧壊の程度並びにその周辺のかぶりコンクリートの剥離の程度を低減できることが確認された。
【００２７】
（ｂ）柱せん断力−層間変形角曲線
柱せん断力（Ｑ）−層間変形角（Ｒ）曲線を図２に示す。ＰＣＮ−１では、正方向は１／２００（５×１０-3）radのピークで、負方向は１／１００（１０×１０-3）radのピークに向かう途中で圧壊が生じたため急激に耐力が低下したが、ＰＣＦ−１，ＰＣＦ−２では、１／１００radのピークに向かう途中で圧壊したものの圧壊に伴う耐力の低下は小さく、ほぼ安定したＱ−Ｒ曲線を描いた。これにより、鋼繊維６を混入することで、靭性向上を期待できることが分かった。Ｑ−Ｒ曲線の正方向の包絡線を図３に示す。ＰＣＮ−１では、１／２００radで圧壊のため耐力が急激に低下しているが、ＰＣＦ−１，ＰＣＦ−２では１／１００radに向かう途中で一時的に耐力が低下するものの、すぐに回復している。圧壊に伴う耐力の低下傾向が鋼繊維の混入により大きく抑制できることが分かった。
【００２８】
（ｃ）ひび割れ
目視により、鋼繊維６を混入した場合には、混入しない場合に比べ、ひび割れ数が少なく、ひび割れ幅は狭いことを確認できた。
【００２９】
（ｄ）軸方向ひずみ度
ＰＣＮ−１では、かぶりコンクリートの剥離が進行するため、かぶりコンクリートの剥離がほとんど発生しないＰＣＦ−１，ＰＣＦ−２に比べ、軸方向ひずみ度が増大することが確認され、特に大変形時において、鋼繊維６の混入は軸方向ひずみ度の減少に寄与することが分かった。
【００３０】
（ｅ）横補強筋ひずみ度
ＲＣ柱端部Ｘおよび中央部で、ＰＣＮ−１に比べ、ＰＣＦ−１，ＰＣＦ−２のひずみ度は幾分小さかった。圧壊が進む過程では、鋼繊維６を混入した外殻ＰＣａ部材２の方が、横補強筋４のひずみ度が小さいと言える。大変形時でひび割れが拡大する場合には、繊維長さが短いと、鋼繊維６を混入しても、繊維による拘束効果が十分に得られないと考えられる。
【００３１】
（ｆ）限界変形角Ｒuと鋼繊維混入率との関係
限界変形角Ｒuの実験値を、限界変形角Ｒuの正負両方向の平均値と鋼繊維の混入率（％）との関係とともに、図４に示す。限界変形角Ｒuは、実験で得られたＱ−Ｒ曲線のうち、第１サイクルのＱ−Ｒ曲線の包絡線上で最大耐力から耐力が８０％に低下したときの層間変形角として求めたものである。図から、鋼繊維６の混入率が増大すると限界変形角Ｒuは直線的に増大することが分かる。回帰式を求め、この式から推定すると、限界変形角Ｒuは、鋼繊維混入率が０％の場合に比べ、２％混入すると２０％程度増大すると言える。これにより、鋼繊維６による補強が靭性の向上に有効であることが確認できる。上記回帰式は、数１０％というような広い範囲ではなく、せいぜい０〜２％のきわめて狭い範囲を対象とするものであることから、０％、１％、２％の三点のデータにより、適切に特定できる。一般周知の混練方法・混練装置では、超高強度コンクリートに対し、鋼繊維６を２％以上混入すると、混練が困難になる。
【００３２】
（ｇ）最大耐力の実験値の検討
表５に示した実験値からすると、正方向の値で理解されるように、ＰＣＦ−１，ＰＣＦ−２は、ＰＣＮ−１よりも最大耐力が高かった。鋼繊維６を混入することによって靭性のみならず、曲げ耐力も増大することが確認できた。曲げ耐力の上昇は、鋼繊維６の混入により外殻ＰＣａ部材２による拘束効果がさらに高まったものと考えられる。
【００３３】
【表５】
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【００３４】
以上説明したように本実施形態にかかるＲＣ柱１にあっては、外殻ＰＣａ部材２が、圧縮強度１００Ｎ／ｍｍ2以上の超高強度コンクリートに、繊維径０．１〜１ｍｍ、繊維長さ６０ｍｍ以下の鋼繊維６を下記式（１）を満たす混入率で混入して形成されることにより、以下のような作用効果を得ることができる。
式（１）
限界変形角Ｒu（×１０-3rad）＝2.622×鋼繊維混入率（容積％）＋24.525
但し、鋼繊維混入率（容積％）は２％以下
【００３５】
ＲＣ柱端部Ｘのコンクリートの圧壊の程度並びにかぶりコンクリートの剥離の程度を低減できる。鋼繊維６の混入により圧壊に伴って耐力が低下することを抑制することができる。鋼繊維６を混入した場合には、混入しない場合に比べ、ひび割れ数が少なくなり、ひび割れ幅も狭く抑えることができる。層間変形角Ｒ＝１／５０（２０×１０-3）radを超える大変形時には、鋼繊維６の混入によりＲＣ柱１の軸方向ひずみ度を減少することができる。限界変形角Ｒuは、鋼繊維６の混入率の増大に伴い直線的に増大し、鋼繊維６を２（容積％）混入することで、混入しない場合に比べ、限界変形角Ｒuを２０％程度増大させることができる。鋼繊維６を混入した外殻ＰＣａ部材２を用いたＲＣ柱１では、外殻ＰＣａ部材２の拘束効果を高めることができる。鋼繊維６を混入することで、曲げ耐力や靭性を増大させることができる。これにより本実施形態にかかるＲＣ柱１にあっては、中詰めコンクリート３が充填されてＲＣ柱１を構成する鋼繊維混入外殻ＰＣａ部材２を超高強度コンクリートで形成する場合に、耐力性能並びに靭性性能を向上できるとともに、圧壊時に爆裂音を伴って破片が飛散することを防止することができる。
【００３６】
さらに、圧壊が生じるかぶりコンクリート部分、すなわち外殻ＰＣａ部材２にのみ鋼繊維６を混入することでＲＣ柱端部Ｘの爆裂破壊を減ずることができて、かぶりコンクリートの剥離やその他の損傷を軽減できるので、中詰めコンクリート３に繊維を混入しなくてもよく、建設コストの縮減を達成することができる。また、有機繊維を混入することで、靭性の向上をさらに高めることができるとともに、実際の建物に適用した際に想定される火災対策を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明にかかるＲＣ柱の好適な一実施形態を説明する説明図である。
【図２】ＰＣＮ−１，ＰＣＦ−１，ＰＣＦ−２の実証試験におけるＱ−Ｒ曲線のグラフを示す図である。
【図３】図２のＱ−Ｒ曲線の正方向の包絡線のグラフを示す図である。
【図４】ＰＣＮ−１，ＰＣＦ−１，ＰＣＦ−２の実証試験における限界変形角Ｒuの実験値を、限界変形角Ｒuの正負両方向の平均値と鋼繊維の混入率（％）との関係とともに示した説明図である。
【図５】背景技術で説明したＲＣ柱のＱ−Ｒ曲線の一例のグラフを示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  ＲＣ柱
２  外殻ＰＣａ部材
３  中詰めコンクリート
４  せん断補強筋
５  柱主筋
６  鋼繊維
【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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