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日本建築学会大会学術講演梗概集（関東） 2006年 9 月

鋼管と炭素繊維シートによる既存梁開孔部の補強－プリズム形試験体による圧縮実験－

開孔補強
鋼管

CFシート

同同同同

福山洋*2
浅野 芳伸*4
加藤 貴久*6
上田 正生*8れると圧縮束の一部は屈折せずに，鋼管に直接伝わる。
図 2 に鋼管に形成される降伏線の仮定を示す。ここに示したのは鋼管の断面であり，実際には鋼管の長さ方向に降伏線が形成されているものとする。同図 a は水平方向の拘束が無い場合である。円周上に 4 箇所の降伏線を仮定すると，鋼管を横圧縮した時の降伏荷重は降伏線理論により式(1)で表される。
L : 鋼管長 ，t：鋼管厚さ2L ⋅ t 2 ⋅ σ
P1 =(1)3r
r : 鋼管半径，σ：降伏強度
一方，図 1c に示したように開孔に鋼管を入れた場合，鋼管の周囲はコンクリートで拘束される。鋼管周囲のコンクリートに割裂ひび割れが発生すると拘束力は開放されるが，開孔の周囲を CF シートで補強した場合はひび割れ発生後も拘束力を期待できる。図 2b に示すように水平方向の変位を拘束し，8 箇所の降伏線が形成されると仮定
すると，横拘束された鋼管の降伏強度は式(2)で表される。

4 2L ⋅ t 2 ⋅σ( 2)3r
式(1)と式(2)より，水平方向を拘束した時の降伏荷重 P2は P1 の 2.83 倍となる。実際にはコンクリートと鋼管は面で接しているため，明確な降伏線を定義するのは困難であるが，鋼管周囲のコンクリートを CF シートで拘束することによって，効果的な開孔補強の可能性が示された。
4.プリズム形試験体による実験
CFシートと鋼管による開孔部の補強効果を確認する目的で簡易なプリズム形試験体を用いた圧縮試験を行った。
4.1 試験体 図 3 に試験体形状図，表 1 に試験体一覧を示す。試験体は対角部分の加力部を面取りしたプリズム形とした。PNNN が無開孔，PCNN が中央に 60φ の開孔を設けたもの，PCNSS は外径 60φ 厚さ 3.7mm の鋼管を入れたもの，PCNSL は外径 76φ 厚さ 3.8mm の鋼管を入れたもの，PCFSS は PCNSS と同じ鋼管を入れ，開孔の周囲に CF
P2 =

P1 θ

CFシート

降伏線
δ鋼管

M=σ･Z
2
θ=δ/r =σ･L･t /6r

P2 θ√2δr/√2 θ= r

降伏線
変形後の鋼管
変形前の鋼管a.水平方向の拘束無し
b.水平方向の拘束有り
図 2 降伏線の仮定

a.無開孔
b.CF 補強
c.CF+鋼管補強
図 1 開孔の有無による圧縮束の変化
Strengthning for Perforated Beam Using Steel Pipe andCarbon Fiber Sheets－ The compression test of prismatic specimens －洋行*1
効*3
茂治*5
英之*7δ

1.はじめに既存建築物の有効利用の観点から，建築物の改修に伴う用途変更，いわゆるコンバージョンが進められている。
その際，設備機器のリニューアルに伴い，鉄筋コンクリート造の既存梁への開孔を要求されることがある。既存梁にコアカッター等で開孔を設けることで梁の断面が欠損し，場合によってはあばら筋の一部を切断するため，梁のせん断性状が著しく低下することとなる。現在，コンバージョンの対象となる建築物は，建設された年代を考慮すれば耐震性の観点からも補強が必要であることが多く，耐震補強と同時に開孔部の補強を行う必要がある。
しかし，施工性を考慮した効果的な補強方法の提案は少なく，またその補強効果も明確でない。本報では炭素繊維シート（以下CFシート）と鋼管を使用した梁開孔部の補強方法を提案する。
2.開孔部周囲の抵抗機構
図 1 に対角方向に圧縮力を受けるコンクリートブロックを示す。ここで形成される圧縮束は，梁のせん断抵抗機構であるアーチ機構あるいはトラス機構を成立させるためのものであり，実際の梁においては外力，あるいは主筋とあばら筋の引張力と釣り合う要素である。
同図aは無開孔の場合であり，四角形に作用する外力に対して対角線を結ぶコンクリートの圧縮束が釣り合う。
この斜め圧縮束が通る所に開孔を設けた例を同図bに示す。
この時，コンクリートの圧縮束は開孔部の周囲を迂回するように屈折すると考えられる。この機構を成立させるためには開孔周りの 4 辺に引張補強材が必要となる。ここで使用するCFシートは，その引張強度を十分に発揮するために，躯体へ確実に定着させる必要がある。
3.鋼管による開孔補強CF シートによる補強量が多く，かつコンクリート強度が低い場合は，開孔部周囲のコンクリートの圧縮強度で耐力が決定される。図 1c に示すように開孔部に鋼管を入

○中村
藤本
高橋
鈴木

δ

鉄筋コンクリート
炭素繊維シート

δ梁
既存建築物

正会員
同
同
同

NAKAMURA Hiroyuki, FUKUYAMA Hiroshi, FUJIMOTO Isao,ASANO Yoshinobu, TAKAHASHI Shigeharu, KATOH Takahisa,
SUZUKI Hideyuki and UEDA Masaiki―567―

200

加力方向

160A

コンクリート打設方向

表 1 試験体一覧と実験結果

4040

鋼管60φ-3.7

4016060φA

40PNNN 無開孔

PCNN 有開孔無補強

PCNSS 有開孔鋼管補強1B

ひび割れ
178kN
63.6kN
65.6kN
43.1kN70.3kN

鋼管
弾性最大最大鋼管
限界荷重
荷重 試験体207kN K60 60φ-3.7 12.3kN 22.7kN
63.6kN K76 76φ-3.8 13.0kN 20.1kN
79.4kN コンクリート 圧縮強度24.7N/mm2
52.1kN
CFシート 保証強度3400N/mm2
厚さ0.167mm（カタログ値）
120kN

R15面取り300g/m2

25

鋼管76φ-3.8

炭素
ﾌﾟﾘｽﾞﾑ 開鋼管
繊維試験体 孔PNNN 無無無PCNN 有無無PCNSS 有 60φ-3.7 無PCNSL 有 76φ-3.8 無PCFSS 有 60φ-3.7 有252120120

鋼管60φ-3.7

B

PCNSL 有開孔鋼管補強2 PCFSS 有開孔鋼管+CF補強 A-A断面B-B断面図 3 プリズム試験体形状図
250

PNNN
PCNN
PCNS
PCNSSSPCNSLL
PCNS
PCFS
PCFSSS 100δ200l
εv=δ/l

無開孔150

写真 1 実験風景とひび割れ状況(中 PNNN，右 PCNSS)
150

P

荷重P(kN)25

荷重P(kN)

荷重P(kN)

無開孔
20
鋼管+CF補強

P

弾性限界
15

δ

鋼管60φ
1002r

1060φ無補強50

鋼管+CF補強鋼管60φ

5060φ無補強
鋼管76φ

000.20.4

対角方向圧縮ひずみεv(%)
0.60.81対角方向圧縮ひずみεv(%)

000.05図 4 荷重－対角方向圧縮ひずみ関係

図 5 同拡大図

シートを井形に巻き付けた試験体である。K60 と K76 は鋼管であり，それぞれ PCNSS, PCNSL に使用した鋼管と同寸法である。
4.2 加力・計測 プリズム形試験体の加力は 5000kN 圧縮試験機を用いて，面取りされた部分を対角方向に単調圧縮載荷した。K60 と K76 は鋼管を横に寝かせ，単調圧縮載荷した。計測は圧縮方向の変位と CF シート表面のひずみとした。
5.実験結果図 4 に荷重－対角方向圧縮ひずみ関係，図 5 に同じく微少変形時の拡大図を示す。ここで，横軸は加力方向の変位を計測点間距離で除した値とした。写真 1 にひび割れ状況の一例を示す。
無開孔の PNNN は 178kN でひび割れが発生し荷重が低下したが，その後変形と共に荷重が増加し最大耐力は207kN(圧縮ひずみ 0.16%)だった。有開孔無補強の PCNNは 63.6kN で加力点を結ぶひび割れと，加力方向に対して45 °方向のひび割れが入ると同時に破壊に至った。鋼管を入れた PCNSS は PCNN と比較して剛性が高く，ほぼ同じ荷重でひび割れが生じた。最大荷重は PCNN より，15.8kN 高 く ， ピ ー ク 後 は 緩 や か に 荷 重 が 低 下 し た 。
PCNSL は開孔が大きいため，ひび割れ荷重と最大荷重が低いが，PCNSS と同様な経過を示した。PCFSS は PCNSSが最大荷重を迎えた 0.04%までは，ほぼ同じ経過を示した*1 コンステック *2 建築研究所 工博*3 ベターリビング 工博 *4 奥村組*5 川口テクノソリューション *6 三菱化学産資*7 安藤建設 工博 *8 北海道大学院教授 工博

K60（60φ）
K60（60φ）
K70（76φ）
K76（76φ）

5

鋼管76φ0.1

加力方向ひずみε(%)

0012345

図 6 鋼管の横圧縮試験結果が，その後，CF シートの引張ひずみが大きくなり，変形が進むにつれ徐々に荷重が増加した。最大荷重時には開孔周囲の CF シートのひずみはいずれも 3000～4000μであった。最大荷重後の荷重低下は少なく圧縮ひずみ 1.5％まで最大荷重の約 90% を保持しつづけた。鋼管は明らかに塑性変形していたが，鋼管とコンクリート間には隙間が見られず，鋼管が周囲のコンクリートと CF シートによって横拘束されてた。
図 6 に鋼管の横圧縮試験結果を示す。弾性限界は K60が 12.3kN，K76 が 13.0kN であり，その後，徐々に剛性が低下しつつ最大荷重は弾性限界の 1.5～1.8 倍以上となった。PCNSS と PCNN の耐力差が鋼管の降伏強度に近い値であるが，内蔵された鋼管は降伏強度に至るほど変形していなかった。PCFSS と PCNN の荷重差は 56.4kN である。
図 6 より K60 の降伏荷重を 20kN 程度とすれば，これに前述の水平方向を拘束した鋼管の強度上昇率の 2.83 倍を乗じた値と，PCFSS の荷重増加分が近い値であることがわかる。実際には鋼管の拘束条件や CF シートだけによる耐力の増加分等，不明な点が残されているが，鋼管と CF シートによる開孔部補強の有効性が実験により確認された。
6.まとめ 既存梁に後施工で開孔を設けた際の補強方法として，鋼管と CF シートを併用した工法を提案した。また，簡易な実験により鋼管および CF シートによる補強効果を確認した。

*1 Constec Engineering *2 Building Research Institute, Dr.Eng*3 Center for Better Living, Dr.Eng *4 Okumura Corporation*5 Kawaguchi Techno Solution *6 Mitsubishi Chemical Functional Products*7 ANDO Corporation, Dr.Eng *8 Professor, Hokkaido Univ., Dr.Eng―568―