T形鉄骨間柱による耐震補強工法の開発 - 三井住友建設

T 形鉄骨間柱による耐震補強工法の開発
T形鉄骨間柱による耐震補強工法の開発
Development of Seismic Strengthening using T-shaped Steel Stud
松永
健太郎
KENTARO
MATSUNAGA
原田
浩之
HIROYUKI
HARADA
小坂
英之
HIDEYUKI
KOSAKA
鈴木
亨
TORU
構造設計ディビジョン
野口
恭司
YASUSHI
構造設計ディビジョン
西笛
晶
AKI
SUZUKI
NOGUCHI
NISHIBUE
既存の RC 建物をバルコニー側から T 形の鉄骨間柱で補強する工法の実験を行った。T 形の鉄骨間柱を RC
架構に接合させることにより耐力が向上し,耐震補強効果が確認された。補強すると梁の曲げ耐力に達した後
でも T 形鉄骨間柱のせん断力の上昇に伴って RC 梁端のせん断力は大きくなり,梁のせん断耐力に達したとき
に最大の水平耐力を発揮した。本工法は,梁の曲げ耐力に対するせん断耐力の余裕度分だけ層せん断力を上昇
させることができる工法であり,その余裕度が大きいほど大きな補強効果が得られることが明らかになった。
キーワード:鉄骨,耐震補強,アンカー筋,せん断耐力,せん断余裕度
Experiments of seismic strengthening method for existing RC building with T-shaped steel stud
attached from outside to the frame were performed. Strengthening RC frame by using it improved the
strength, and a seismic strengthening effect was confirmed. The shear force of RC beam increased in
connection with the increase of that of T-shaped steel stud even after reaching the flexural strength of the
beam, and the maximum strengthening effect was observed when the beam reached the ultimate strength
in shear. The story shear force increased by the ratio of the ultimate strength in shear to the flexural
strength of the beam, and a strengthening effect was achieved as the ratio was larger.
Key Words: Steel Frame, Seismic Strengthening, Anchor Bar, Ultimate Strength in Shear, Safety Factor of
Shear Strength
1.はじめに
2.工法の概要
既存の板状集合住宅の中には,廊下側の構面は袖壁や
T 形鉄骨の水平材(T 梁)は RC 梁と接合し,鉛直材
腰壁が設けられて比較的耐力が確保されているものの,
(T 柱)はバルコニーの床スラブに接合する。T 梁の左
バルコニー側の構面は耐力の低い純ラーメン架構となっ
右の支点(長さ LT)と T 柱の脚部で単純支持された状
ており,桁行き方向架構全体としては強度不足の建物も
態を考えると,T 形鉄骨の接合によって RC 架構に作用
少なくない。本工法は,そのような建物の耐力向上と偏
する力は図-2 に示すようになる。T 梁が取り付く梁の
心率の低減を図ることを目的とし,バルコニー側架構に
左右の端部には T 柱のせん断力 QT と釣り合う圧縮軸力
図-1 に示すような T 形の鉄骨間柱(以下,T 形鉄骨)
または引張軸力が作用する(HL および HR)。また,T 梁
を居室外のバルコニー側から設置して耐震補強を行うも
の鉛直反力(VL および VR)によって梁の端部では梁せ
のである。本研究では,T 形鉄骨による補強効果と T 形
ん断力が大きくなる。したがって,本工法は RC 梁のせ
鉄骨と RC 架構の接合部の性状を確認するため,T 形鉄
ん断強度に余裕のある範囲内で架構耐力を向上させるも
骨により補強した架構試験体の加力実験を 2 シリーズ実
のである。
施した。
T 形鉄骨からの水平反力(QT,HL および HR)は既存
の RC 柱のせん断力を減少させる方向に作用するので,
93
三井住友建設技術開発センター報告
第 12 号
T 形鉄骨なし
T 形鉄骨あり
bMy
bMy
【М 図】
bQend
圧縮
HL
HR
VL
VR
xT
h
bQend
【Q 図】
LT
引張
bMy
QT
RT
EIG
EIC
:梁の降伏曲げモーメント
:T 柱のせん断力
:T 柱の変形角
:T 梁の曲げ剛性
:T 柱の曲げ剛性
EIG
HL
HR
VL EIC
RT
hT
xT
RT QT hT
QT
引張
圧縮
LT
L
梁断面
加力点
柱断面
切り欠き
コ形
LT
12 EI G
hT
3EI C
QT
T 形鉄骨の接合によって RC 架構に作用する力
図-2
T 形鉄骨による耐震補強
図-1
VR
加力点
ロ形 T 梁 コ形
モルタル充填
+:アンカー筋
○:頭付きスタッド T 梁
上梁
断面
降伏想定位置
スラブ
取付金物
切り欠き
スラブ
支持点
スタブ
単位:mm
スラブ
高力ボルト接合
支持点
アンカー筋
下梁断面
:接合範囲
(1) シリーズ 1
柱断面
T柱
(2) シリーズ 2(No.1)
図-3
(3) シリーズ 2(No.2)
試験体図
当該層の上下に T 形鉄骨を連層で設置しない場合には,
あり,No.1 は T 梁の両先端部のみを RC 梁に接合した
水平反力の影響を考慮して T 形鉄骨の断面性能を設定
が,No.2 は T 梁全面を RC 梁に接合した。T-1 および T-
する必要がある。T 形鉄骨の架構剛性および梁端部の付
2 は T 梁の両先端部のみを RC 梁端からスパンの約 1/4
加せん断力(VL および VR )の大きさは,T 梁の支点長
の位置に接合しており,No.1 は T 梁を RC 梁端まで伸
さ LT を変えることによって適宜設定する。T 柱の断面
ばして接合した。
が同じであれば,T 梁の長さによらず RC 梁端のせん断
シリーズ 1 の試験体の RC 梁には側面両側にスラブが
力は等しいが,T 梁を短くすれば RC 梁に大きなせん断
取り付いている。片側のスラブはバルコニー側を想定し
力が作用する範囲が広くなり,逆に T 梁を長くすれば
て梁天端から 50mm 下がった位置とし,その梁側面に T
接合位置が RC 梁のヒンジ領域となる。
梁を取り付けた。T 柱脚部はスタブに設けたスラブに取
り付けた。シリーズ 2 の試験体では,上梁に T 梁を取
3.実験計画
り付け,下梁のスラブに T 柱脚部を取り付けた。
T 梁と RC 梁の接合範囲における T 梁の断面はコ形に
(1)試験体
なっている。T 梁と RC 梁とは,RC 梁に打設したアン
試験体図を図-3 に,試験体一覧を表-1 に示す。シリ
カー筋と,T 梁のウェブの内側に溶接された頭付きスタ
ーズ 1 の試験体 2 体(T-1,T-2)は,T 形鉄骨を RC 架
ッド(JIS B 1198)を図-3 のように重ならないように配
構に取り付けた補強試験体であり,シリーズ 2 の試験体
置し,その間に高強度モルタルを充填することで一体化
3 体は,無補強試験体の No.0 と,T 形鉄骨を RC 架構に
させた。シリーズ 1 ではアンカー筋を接合範囲の外側に
取り付けた補強試験体 No.1 および No.2 である。5 体と
2 本ずつ縦に配置し,内側に頭付きスタッドを 4 本配置
も縮尺を 1/2 とした。
した。シリーズ 2 ではアンカー筋と頭付きスタッドを交
シリーズ 1 の変動因子は T 柱の断面であり,T-2 の断
互に配置した。T 柱は取付金物を介してスラブと接合し,
面は T-1 より大きい。シリーズ 2 の変動因子は補強の有
T 柱と取付金物は高力ボルト接合,取付金物とスラブは
無および T 形鉄骨を RC 梁に固定するときの接合範囲で
アンカー筋をダブルナットで締め付けることにより接合
94
T 形鉄骨間柱による耐震補強工法の開発
表-1
シリーズ
試験体名
スパン長 L
架構
階高 h
断面 B×Dc
柱
主筋
帯筋
断面 b×Db
端部
上端筋
主筋
下端筋
梁
中央部
上端筋
主筋
下端筋
肋筋
スラ
主筋
ブ
配力筋
梁の曲げ耐力時せん断力(kN)
同層せん断力(kN)※1
柱曲げ耐力時層せん断力(kN)
荒川 min 式 1)
梁のせん断 (せん断余裕度 )
耐力(kN)
靱性指針 2)
(せん断余裕度 )
断面
柱
T形
鉄骨
アンカー筋
断面
梁
アンカー筋
接合範囲
T 形鉄骨柱の全塑性耐力(kN)
試験体一覧
シリーズ 1
T-1
T-2
No.0
2700mm
1375mm
300×500mm
12-D13 (SD295A)
[email protected] (SD295A) (p w=0.85%)
225×375mm
6-D13 (SD295A) (p t=1.01%)
5-D13 (SD295A) (p t=0.84%)
シリーズ 2
No.1
No.2
2800mm
1350mm
325×375mm
18-D10 (SD295A) (pg=1.05%)
[email protected] (SD295A) (p w=1.17%)
200×325mm
5+4-D10 (SD295A) (p t=1.20%)
3-D13 (SD295A) (p t=0.49%)
5-D10 (SD295A) (p t=0.63%)
[email protected] (SD295A) (p w=0.38%)
[email protected] (SD295A)
[email protected] (SD295A)
77
523
536
824
856
110
112
(1.42)
(1.44)
[email protected] (SD295A) (p w=0.32%)
[email protected] (SD295A)
[email protected] (SD295A)
46
138
500
482
500
77
71
77
(1.67)
(1.55)
(1.67)
149
154
118
107
118
(1.93)
(1.99)
(2.57)
(2.33)
(2.57)
[-212.5×112.5×87.5 [-212.5×112.5×87.5
□-300~200×100×12×12
(SS400)
×6×12 (SM490A)
×9×19 (SM490A)
6-D10 (SD295A)
8-D10 (SD295A)
12-D10 (SD295A)
[-150×87.5×6×12 [-150×87.5×9×19
[-225×100×19×19※2
(SS400)
(SM490A)
(SM490A)
4-D13 (SD295A)
4-D16 (SD295A)
- 32-D10 (SD295A) 62-D10 (SD295A)
端部のみ
端部のみ
全面
110
150
241
注) B:柱幅,Dc:柱せい,b:梁幅,Db:梁せい,pg:柱主筋比,p w:補強筋比,pt:引張鉄筋比
※1:T-1 および T-2 は梁の曲げ降伏かつ柱脚部曲げ降伏時の値
※2:No.1 のみ T 梁両先端部以外を□-225×100×19×19 とした
表-2
した。
T 形鉄骨の降伏位置は T 柱頭部を想定した。T-1,T-2
および No.1 の T 梁先端部の固定度が小さくなるように,
T 梁のフランジに切り欠きを設けた。No.1 および No.2
の T 柱頭部にはウェブに半径 15mm のスカラップを設
けた。
文献 1 に示された以下の式(1)を用いて算出した T 柱
脚部のアンカー筋のせん断耐力 Qa1 を T 柱全塑性耐力で
除した値は,T-1 および T-2 は 0.93~0.95,No.1 および
No.2 は 0.79 とした。また,T 柱全塑性耐力時の T 梁の
支点反力(VL または VR)に対する Qa1 の比を,T-1 およ
び T-2 では 1.2~1.5 程度確保し,No.1 および No.2 では
2 程度確保した。
Qa1
min 0.7
y
B s ae
T-1
コンク T-2
リート
No.0
No.1
No.2
T-1
モル T-2
タル No.1
No.2
ヤング 割裂引
圧縮
適用部位
係数
張強度
強度
(N/mm2) (N/mm2) (N/mm2)
23.7
25200
2.29 柱・梁・スラブ
スタブ
27.1
26700
2.59
25.2
26200
2.26 柱・梁・スラブ
スタブ
28.6
26900
2.33
24.8
23500
2.28
17.6
18700
2.17 柱・梁・スラブ
24.5
23400
2.03
83.2
T 形鉄骨
75.9
72.1
接合用
54.2
-
(1)
ではコンクリート打設を縦打ちとし,スタブ上面で打ち
分けた。シリーズ 2 では横打ちとし,一体打ちとした。
:アンカー筋の降伏強度
sa e
:アンカー筋の断面積
Ec
:コンクリートのヤング係数
B
試験
体
材料試験結果を表-2 および表-3 に示す。シリーズ 1
0.4 Ec
s ae , ここで,
y
材料
コンクリートとモルタルの材料試験結果
:コンクリートの圧縮強度
(2)施工方法
T 形鉄骨を RC 架構に接合するときの施工方法を以下
のような手順で行った。施工状況を写真-1 に示す。
95
三井住友建設技術開発センター報告
表-3
シ
リ
�
ズ
使用部位
柱・梁主筋
補強筋・スラブ筋
ウェブ(T-1)
ウェブ(T-2)
1
フランジ(T-1)
フランジ(T-2)
T 柱脚部アンカー
T 梁アンカー(T-1)
T 梁アンカー(T-2)
柱・梁主筋
補強筋・スラブ筋
2
T柱
T梁
T 形鉄骨アンカー
第 12 号
鋼材の材料試験結果
種類
D13
D6
PL-6
PL-9
PL-12
PL-19
D10
D13
D16
D10
D6
PL-12
PL-19
D10
降伏
引張 ヤング 伸
強度
強度
係数 び
(N/mm2) (N/mm2) (N/mm2) (%)
348
338
376
345
384
353
349
333
353
361
343
318
270
318
488
512
550
535
550
522
493
472
504
504
506
453
426
513
179400
194600
204700
207000
202600
192700
180900
185600
190900
188200
184900
204600
202100
189400
20
23
34
39
36
42
19
24
25
22
19
42
49
24
負加力
軸力
正加力
R
(1) シリーズ 1
負加力 正加力
軸力
負加力 正加力
R
(2) シリーズ 2
図-4
加力方法
ーズ 2 では,柱下部をピン支持し,柱の上部に一定軸力
(約 450kN)を作用させるとともに,左右の柱の加力
点位置の変形が同一となるように変位制御により水平力
を載荷した。両シリーズとも載荷時の折り返し変形角 R
は,±1/400,1/200,1/100,1/67,1/50rad(各 2 回),
(1) 後施工アンカー打設
(2) 取付金物の設置
1/33,1/25rad(各 1 回),+1/17rad とした。R は図-4 に
示すように定義する。
4.実験結果
(1)破壊状況
T 形鉄骨を接合していない面の最終破壊状況を図-5
(3) T 形鉄骨の設置
写真-1
(4) モルタル充填
T 形鉄骨の施工状況
に示す。T-1 では柱脚部に曲げひび割れが生じた後,梁
端部に曲げひび割れが発生した。柱脚部の主筋および梁
端部主筋の降伏後,T 柱頭部のフランジの降伏とほぼ同
①
RC 梁の側面およびスラブのモルタル充填範囲を
チッピングし,アンカー筋を打設
時に柱にせん断ひび割れが発生した。その後,RC 梁端
部のコンクリートが剥落した。T-2 の破壊経過は T-1 と
②
スラブに T 柱接合用の取付金物を設置
ほぼ同様であり,梁端部にせん断ひび割れが多く見られ
③
T 梁の頭付きスタッドにφ3.0mm の割裂補強筋を
た。最大荷重に達した後,2 体とも T 梁先端と RC 梁と
配した後,RC 梁のアンカー筋と互い違いになるよ
うに T 形鉄骨を仮止め
④
T 柱と取付金物を高力ボルト接合(シリーズ 1 で
は 4 本,シリーズ 2 では 1 本)
⑤
T 梁の注入口からモルタルを圧入
⑥
取付金物とスラブの間にモルタルを充填
の鉛直および面外ずれ変位が顕著に見られた。
No.0 の破壊形式は梁曲げ降伏型であり,加力の進行
に伴って曲げひび割れの範囲が梁中央部に拡大した。
No.1 および No.2 は,梁端の曲げひび割れが伸展した
後,上梁主筋の降伏とほぼ同時に上梁中央部にせん断ひ
び割れが発生した。上梁を見ると,No.1 と No.2 では
No.0 に比べてせん断ひび割れが広範囲に多数発生して
(3)加力方法
いることが分かる。一方,下梁では,RC 梁に付加され
加力方法を図-4 に示す。シリーズ 1 では,スタブを
る軸力の影響により,引張軸力が作用する部分では曲げ
反力床に固定し,各柱に一定軸力(約 570kN)を作用
ひび割れが顕著に見られ,圧縮軸力が作用する部分では
させ,変位制御により梁心位置を水平に加力した。シリ
T 柱脚部から梁端を結ぶ斜めひび割れが確認された。
96
T 形鉄骨間柱による耐震補強工法の開発
(1) T-1
(2) T-2
正加力
負加力
正加力
負加力
(3) No.0
(4) No.1
図-5
表-4
試験体
加力方向
最大荷重 Qmax (kN)
実験
Qmax 時層間変形角 Rmax (×10-3rad)
値
Qmax 時梁端せん断力 (kN)※1
計算
値
せん断耐力 Qsu (kN) 荒川 min 式 1)
下段は実験値※1 に
対するせん断余裕度
靱性指針 2)
(5) No.2
最終破壊状況(T 形鉄骨がない面)
実験値および計算値一覧
T-1
正
負
+859 -867
+10.0 -20.1
186
196
110
110
0.59
0.56
178
0.96
0.91
T-2
正
負
+895 -897
+14.3 -20.1
203
204
112
113
0.55
0.55
190
0.94
0.93
No.0
正
負
+137 -134
+10.0 -9.8
38
34
77
77
2.03
2.26
118
3.11
3.47
No.1
正
負
+231
-211
+14.5 -10.0
127
119
87
79
0.69
0.66
107
0.84
0.90
No.2
正
負
+238 -222
+14.8 -14.8
115
114
90
83
0.78
0.73
118
1.03
1.04
No.1 と No.2 を比較すると,T 形鉄骨を梁全面で接合
+1/275rad で両柱脚部の主筋が初降伏した。その後,R=
した No.2 に比べて,梁端部のみで接合した No.1 の方が
-1/236rad で梁端主筋が初降伏した。T-1 は最大荷重に到
上梁の損傷が大きかった。
達してから,T 柱頭部のフランジが引張降伏した。
T-2 は,R=+1/1961rad で RC 柱脚部に曲げひび割れ,
(2)荷重-変形関係
R=+1/1695rad で RC 梁 端 に曲 げひ び割 れが 生じ , R=
実験値と計算値の一覧を表-4 に,荷重 Q-変形角 R
+1/278rad で柱脚部の主筋が初降伏した。その後,R=
関係を図-6 に示す。Q はジャッキ荷重から得られる架
-1/200rad で梁端主筋が初降伏した。T-2 では T 柱頭部の
構の層せん断力である。
フランジは降伏しなかった。
T-1 の最大荷重に比べて,T 形鉄骨の断面の大きい T-
No.1 と No.2 の最大荷重を比較すると,両試験体は正
2 の最大荷重は 30~36kN 大きくなった。図-6(1)および
負加力ともに同程度の値となり,No.0 に対して層せん
(2)には梁をファイバーモデルとした増分解析結果を破
断力は,正加力時で 1.7 倍(約 100kN 増)に,負加力時
線で示す。解析結果は実験結果とよく対応しており,同
で 1.6 倍(約 80kN 増)になっている。
じモデルを用いた補強前の解析結果(同図一点鎖線)よ
り耐力が上昇した。
T-1 は,R=+1/1667rad で RC 柱脚部に曲げひび割れ,
R=+1/1111rad で RC 梁 端 に 曲 げ ひ び 割 れ が 生 じ , R=
No.0 は,梁の曲げひび割れが R=+1/1250rad 以降で発
生し始め,R=+1/200rad 程度で梁主筋が初降伏し,R=±
1/100rad で最大荷重を示した後も R=±1/33rad まで荷重
を保持した。
97
三井住友建設技術開発センター報告
Q(kN) 1000
750
-40
-20
第 12 号
Q(kN) 1000
750
+Qmax=+859kN
500
500
250
250
0
-250
0
20
40
60 -40
R(×10 -3rad)
-20
-500
-Qmax=
-867kN
0
-250
20
40
60
R(×10 -3rad)
-750
-Qmax=
-897kN
-1000
-1000
(1) T-1
250
200
150
100
50
0
-40
-20
0
-50
-100
-150
-Qmax=-134kN -200
-250
0
-500
-750
Q(kN)
+Qmax=+895kN
(2) T-2
250
200
+Qmax=+137kN
150
100
50
0
20
40
60 -40
-20
0
-3
-50
R(×10 rad)
-100
-150
-Qmax=
-200
-211kN
-250
Q(kN)
(3) No.0
シリーズ2の凡例
上梁の曲げひび割れ
下梁の曲げひび割れ
上梁のせん断ひび割れ
上梁左端の主筋降伏
上梁右端の主筋降伏
下梁左端の主筋降伏
下梁右端の主筋降伏
T柱頭部降伏
最大荷重
増分解析結果
250
200
150
100
50
0
40
60 -40
-20
0
-3
-50
R(×10 rad)
-100
-150
-Qmax=
-200
-222kN
-250
+Qmax=+231kN
20
シリーズ1の凡例
柱の曲げひび割れ
梁の曲げひび割れ
柱のせん断ひび割れ
梁左端の主筋降伏
梁右端の主筋降伏
柱の主筋降伏
T柱頭部降伏
最大荷重
増分解析結果(T形鉄骨なし)
増分解析結果(T形鉄骨あり)
Q(kN)
(4) No.1
図-6
+Qmax=+238kN
20
40
60
R(×10 -3rad)
(5) No.2
荷重-変形関係
T 梁の端部のみで上梁と接合した No.1(梁端接合)
には,RC 梁端の大きなせん断力が作用する範囲は狭く
は,梁の曲げひび割れが R=+1/1299rad 以降で発生し始
なるが,接合部分が RC 梁のヒンジ領域に位置している。
め,T 柱頭部のフランジが R=+1/269rad で圧縮降伏した
No.2 のように T 形鉄骨を全面接合した場合には,見
後,R=+1/215~1/168rad ですべての梁主筋が降伏した。
掛けの LT は短くなるので支点反力は大きくなるが,接
上梁中央部のせん断ひび割れは R=+1/232rad 以降に発生
合部強度を確保しやすくなる。また,T 梁の曲げ剛性が
した。R=1/100~1/69rad で最大荷重を示した後,R=±
高くなるため,T 形鉄骨の架構剛性を高くすることがで
1/67rad 以降の加力で荷重が低下した。
きる。ここで,T-1,T-2 および No.1 の支点位置は T 梁
T 梁の全面で上梁と接合した No.2(全面接合)は,
先端のモルタル充填範囲の中心とした。
梁の曲げひび割れが R=+1/1587rad 以降で発生し始め,
主筋のひずみゲージから求めた No.0~No.2 の正加力
No.1 よりやや早期の R=+1/292~1/200rad で梁主筋が降
時の上梁の曲げモーメント(M)分布を図-7 に示す。図-2
伏した後,T 柱頭部のフランジが R=+1/154rad で引張降
の M 図と同様,無補強試験体 No.0 と比べて,補強試験
伏した。上梁中央部のせん断ひび割れは R=+1/198rad 以
体 No.1 および No.2 の RC 梁端部から 1/4L0(L0:梁の
降に発生した。R=±1/67rad で最大荷重を示した後,R=
内法スパン)の範囲のせん断力は大きくなり,RC 梁中
±1/50rad まで荷重を保持した。
央部のせん断力は小さくなった。図-7 では各値を直線
No.2 に比べて No.1 の方が最大荷重を示した後の荷重
で結んでいるが,仮にひずみゲージを支点位置近傍に貼
低下が大きいのは,T 形鉄骨を接合している梁端の損傷
付して同図にプロットすると,No.1 の RC 梁端近傍で
が進み,T 柱の負担せん断力が減少したことによるもの
のせん断力は図-7(2)に示すせん断力より大きくなると
と考えられる。
予想される。
(3)RC 梁のせん断力
5.各部材の負担せん断力
T-1 および T-2 のように,RC 梁と T 梁の接合位置を
スパンの中間位置とすると,その接合位置から RC 梁端
加力サイクルの各ピーク時における各部のせん断力と
までの範囲で大きなせん断力が作用し,図-5 に示すよ
層間変形角 R の関係を図-8 に示す。図中の Qc(▲印)
うに,RC 梁端部の損傷が大きくなる。一方,No.1 のよ
は RC 柱主筋のひずみゲージから,T 柱のせん断力 QT
うに T 梁の支点距離 LT(図-2 参照)を大きくした場合
(■印)は T 柱のフランジのひずみゲージから平面保
98
T 形鉄骨間柱による耐震補強工法の開発
-1200
M(kN・m) 60
M(kN・m) 60
+1/400
+1/200
+1/100
+1/67
+1/50
+1/400
+1/200
+1/100
+1/67
+1/50
30
-600
0
-30
600
1200 -1200
梁中央からの距離
(mm)
支点
位置
600
1200 -1200
梁中央からの距離
(mm)
-60
-600
30
0
600
1200
梁中央からの距離
(mm)
-30
-60
(2) No.1
図-7
せん断力 1000
(kN)
0
-30
(1) No.0
+1/400
+1/200
+1/100
+1/67
+1/50
30
-600
-60
M(kN・m) 60
支点
位置
(3) No.2
曲げモーメント分布(正加力時)
せん断力 1000
(kN)
せん断力 250
せん断力 250
(kN)
(kN)
200
200
150
150
500
500
100
100
50
50
0
0
0
0
-30 -20 -10 0 10 20 30 -30 -20 -10 0 10 20 30 -30 -20 -10 0 10 20 30 -30 -20 -10 0 10 20 30
-50
-50
-3
-3
-3
R(×10 rad)
R(×10 rad)
R(×10 -3rad)
R(×10 rad)
-100
-100
Q
Q
Q
-500
-500
Q
-150
-150
RC柱(Qc)
RC柱(Qc)
RC柱(Qc)
RC柱(Qc)
T柱(QT)
T柱(QT)
T柱(QT)
T柱(QT)
-200
-200
Q0(No.0)
Q0(No.0)
-1000
-1000
-250
-250
(1) T-1
(2) T-2
図-8
(3) No.1
(4) No.2
各部のせん断力と層間変形角の関係
持を仮定して曲げモーメント分布を求めて算出したせん
6.T 形鉄骨柱の軸力
断力である。同図(3)および(4)には比較用に No.0 の層せ
ん断力 Q0(△印)を併記した。
加力に伴って T 柱に生じた軸力 NT と層間変形角 R の
層せん断力 Q に占める T 柱のせん断力 QT の負担割合
関係を図-9 に示す。NT は T 柱のウェブのひずみゲージ
は,T-1 および T-2 では 1 割程度となっているが,No.1
から算出し,引張軸力を正とする。正加力時は T-1 およ
および No.2 では R=±1/200rad で 7 割程度,最大荷重時
び T-2 は最大値まで同程度の値を示した。NT は梁端接
で 8 割程度を占めている。また,T-1 および T-2 では全
合の No.1 に比べて,T 形鉄骨の水平剛性の高い全面接
塑性耐力の 6 割程度,No.1 および No.2 では 8 割程度ま
合の No.2 の方が大きくなっている。
で耐力を発揮した。
各ピーク時における T 柱のせん断力 QT と T 柱脚部の
一方,RC 柱のせん断力 Qc の負担割合は,梁端の主筋
取付金物-スラブ間の水平ずれ変位の関係を図-10 に示
が降伏する R=±1/200rad 以降で減少している。No.1 お
す。同図および図-9 にはずれ変位が大きくなり始める
よび No.2 における RC 柱の負担せん断力は RC 架構の
時点に S 印を記した。R=±1/200~1/100rad まではずれ
みの No.0 の層せん断力 Q0 より小さくなっており,2 章
はほとんど生じず,それ以降水平ずれが急激に大きくな
で述べたように T 形鉄骨の水平反力が柱せん断力と逆
った。式(1)による T 柱脚部のアンカー筋の耐力は T 柱
向きに作用することによるものと考えられる。
の全塑性耐力よりも小さく,図-8 より T 柱は全塑性耐
QT は No.1 では R=±1/100~1/67rad 程度,No.2 では
力まで達していない。そのため,アンカー筋の本数を増
R=±1/67~1/50rad 程度まで大きくなっている。これは,
やすことで,ずれ変位を抑制することができると考えら
RC 梁端の降伏により梁剛性が低下した後,T 柱の負担
れる。
割合が増加したためであると考えられる。両試験体の
後施工アンカーのせん断耐力計算値として,式(1)に
QT の最大値は同程度であるが,梁端接合の No.1 は RC
よる Qa1 と,式(1)に T 柱の引張軸力 NT (図-9,S 位
梁の損傷が進むと負担せん断力は大きく低下するので,
置)の影響を考慮した式(2)による Qa2 を図-10 中に示す。
T 形鉄骨に変形性能を期待する場合には,No.2 のよう
に T 梁の全面で上梁と接合した方が望ましいことが分
Qa 2 min 0.7
y s ae
NT , 0.4 Ec
B s ae
NT
(2)
かる。
99
三井住友建設技術開発センター報告
第 12 号
NT (kN) 350
NT (kN) 350
NT (kN) 350
NT (kN) 350
300
300
300
300
250
250
250
250
200
200
200
150 S
150
81kN
100
50
-30 -20 -10 0
-50
10
20
30 -30 -20 -10 0
-50
(1) T-1
10
QT (kN) 200
150
100
-15 -10
-5
-50
-100
0
Qa2
50
5 10 15 -15 -10
水平ずれ変位
(mm)
-150
Qa1
100
S
実験結果
-5
0
-50
-100
(1) T-1
図-10
10
20
30
(4) No.2
S
実験結果
0
-50
0
-100
実験結果
剛塑性モデル
-5
Qa2
S
50
5 10 15 -15 -10
水平ずれ変位
(mm)
-150
Qa1
100
Qa2
50
-5
QT (kN) 200
191
150
Qa1
100
5 10 15 -15 -10
水平ずれ変位
(mm)
-150
-200
30 -30 -20 -10 0
-50
QT (kN) 200
191
150
S
0
20
T 柱の軸力と層間変形角の関係
150
Qa2
10
83kN
R(×10 -3rad)
0
(3) No.1
QT (kN) 200
Qa1
50
30 -30 -20 -10 0
-50
(2) T-2
図-9
0
20
50
R(×10 -3rad)
0
S
100
75kN
50
R(×10 -3rad)
0
150
100
68kN
50
200
S
150
100
R(×10 -3rad)
0
S
0
-50
0
-100
5 10 15
水平ずれ変位
(mm)
実験結果
剛塑性モデル
-150
-200
-200 -191
-200 -191
(2) T-2
(3) No.1
(4) No.2
T 柱のせん断力と T 柱脚部の水平ずれ変位の関係
NT を考慮した Qa2 は,T-2 では S 位置よりも大きいせ
では,梁端の降伏曲げモーメントと xT 部のせん断力を
ん断力となり,早期に水平ずれ変位が生じたが,T-1 で
用いたシアスパン比 M/Qd で計算し,式(4)に示す靱性
はおおむね評価できている。No.1 に比べて早期に水平
指針式 2)では原式(Rp=0,Rp は終局限界状態でのヒンジ
ずれ変位を生じた No.2 において Qa2 は S 位置相当のせ
領域の回転角)のまま計算した。補強すると梁端のシア
ん断力に対応することを確認した。
スパン比が小さくなるため,荒川 min 式によるせん断
図-10(3)および(4)に破線で示すように,T 柱のせん断
耐力は見掛け上大きくなった。RC 梁端のせん断力の実
力と水平ずれ変位の関係を Qa1 でずれ始める剛塑性型ば
験値は,最大荷重時の RC 柱のせん断力 Qc と T 柱のせ
ねと仮定し,T 柱脚部の位置に挿入して試験体を増分解
ん断力 QT から力の釣り合いにより求めた。
析した結果を図-6(4)および(5)に破線で示す。RC 梁端の
弾塑性ばねはファイバーモデルにより梁軸力を考慮した。
No.1,No.2 ともに負加力時は耐力をやや過大に評価し
Qsu
ているが,正加力時はおおむね対応している。
Qsu
7.梁のせん断耐力
Qsu1
T 形鉄骨を接合した場合の RC 梁のせん断力は,梁端
から T 梁の支点の範囲(図-2,xT)で大きくなる。その
支点位置を,T-1,T-2 および No.1 では RC 梁と T 梁の
接合範囲の中央位置と仮定した。No.2 は全面接合のた
め T 梁の剛性が高く,T 形鉄骨を剛体とみなしたときの
反力の合力位置として,T 梁中央から 2/3(lT/2)(lT :T
験値と比較して表-4 に示す。式(3)に示す荒川 min 式
100
1)
p we
wy be je
B
pwe
3
Qsu3
Qbu
B
0.85 pw
j
bj
2
Tx je
B
B
wy
5 pwe
wy
be je
be je
B
(3)
(4)
2.5Tx bD
tan
be
2
ここで,
wy
wy
min Qsu1, Qsu 2,Qsu3,Qbu
Qsu 2
梁の全長)を支点位置と仮定した。梁端部の作用せん断
力とせん断耐力 Qsu を計算した結果を,最大荷重時の実
0.053 pt 0.23 18
M / Qd 0.12
:肋筋の降伏強度
:応力中心間距離
:トラス機構の角度を表す係数
bD
tan
2
T 形鉄骨間柱による耐震補強工法の開発
p we :有効肋筋比
果を発揮する。つまり本工法は,梁曲げ耐力時の層
be
:トラス機構に関与する梁断面の有効幅
せん断力から補強前の梁のせん断余裕度分だけ層せ
je
:トラス機構に関与する梁断面の有効せい
ん断力を上昇させることができる工法であり,梁の
:コンクリート圧縮強度の有効係数
せん断余裕度が大きいほど補強効果が得られる。
:トラス機構の有効係数
Tx
③
T 形鉄骨梁の先端部分のみを RC 梁に接合する場
:アーチ機構の圧縮束の角度
合はその接合範囲の中央を支点位置とし,全面に接
:梁の単位長さあたりに負担できる付着力
合する場合は T 形鉄骨梁中央から 2/3(lT/2)(lT:T
形鉄骨梁の全長)の位置を支点位置と仮定した場合,
RC 梁のせん断余裕度(曲げ耐力に対するせん断耐力
の比)は,補強前(表-1)に比べて小さくなった。表-
荒川 min 式および靱性指針式により補強後の梁の
せん断耐力をおおむね評価できた。
4 に示すように,せん断ひび割れが梁端部に多数生じた
T-1 および T-2 のせん断余裕度は,荒川 min 式で 0.55~
参考文献
0.59,靱性指針式で 0.91~0.96 となった。また,せん断
1)日本建築防災協会:2001 年改訂版 既存鉄筋コンク
ひび割れが梁全範囲に分散した No.1 および No.2 のせん
リート造建築物の耐震改修設計指針 同解説,2001
断余裕度は,荒川 min 式で 0.66~0.78,靭性指針式で
2)日本建築協会:鉄筋コンクリート造建物の靱性保証
0.84~1.04 となり,本報の仮定により梁のせん断耐力を
型耐震設計指針・同解説,1999
おおむね評価できるものと考えられる。
表-1 より,梁の曲げ耐力時層せん断力に対する柱の
曲げ耐力時層せん断力は,シリーズ 1 で 1.58~1.60,シ
リーズ 2 で 3.49~3.62 であり,補強前は柱の曲げ降伏
より梁の曲げ降伏が先行する試験体となっている。補強
後の RC 梁端(xT 部)における梁曲げ降伏後の梁せん断
力 bQend は,図-2 の記号を用いて式(5)のように表される。
b Qend
2b M y
QT hT
L0
(5)
つまり,補強後は梁の曲げ耐力に達した後でも T 柱が
全塑性耐力に達するまでは T 柱のせん断力 QT の上昇に
伴って RC 梁端のせん断力 bQend は上昇し,bQend が梁の
せん断耐力に達したときに最大の補強効果を発揮する。
したがって本工法は,梁曲げ耐力時の層せん断力か
ら補強前の梁のせん断余裕度分だけ層せん断力を上昇さ
せることができる工法であり,梁のせん断余裕度が大き
いほど補強効果が得られると考えられる。
8.まとめ
既存建物の耐震補強工法として,T 形鉄骨間柱を用い
て RC 建物を補強する工法の実験を 2 シリーズ行い,以
下の知見を得た。
①
本工法を用いて RC 架構試験体を補強することに
より耐力が上昇し,耐震補強効果が確認された。
②
補強後は梁の曲げ耐力に達した後でも T 柱のせ
ん断力の上昇に伴って RC 梁端のせん断力は大きく
なり,梁のせん断耐力に達したときに最大の補強効
101