JP2007192010A - 極厚壁構造 - Google Patents

Abstract

【課題】極厚の板状部材の特性を考慮した合理的な設計思想に基づいて、コストの低減および施工性の向上を達成する。
【解決手段】地震時水平力に対する平均せん断応力度が、打設するコンクリートの短期許容せん断応力度以下である極厚壁構造１において、前記極厚壁の表層部１１にひび割れ分散帯２０を設けるとともに、表層部１１に挟まれる内部領域１２を無補強コンクリート１３にて構成し、ひび割れ分散帯２０を、表層部１１の表面から所定のかぶり厚さｔ３以上離間した位置に配される横材２１と、この横材２１に接して内部領域１２側に配される縦材２２とで構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、遮蔽性能を有すると共に、耐震設計上必要な耐力をコンクリートで担保する極厚壁構造に関する。

原子力発電施設、ＰＥＴ施設やＲＩ施設等の放射線利用施設で、放射線を遮蔽する区画部分で用いられる遮蔽壁の厚さは、耐震設計上必要な耐力からよりも、放射線の遮蔽要求から決まる場合が多い。

一般に、鉄筋コンクリート構造耐震壁に配される壁筋量は、躯体断面積の０．２５％以上とすることが通例として定められており、この通例が極厚壁にもそのまま適用されている（非特許文献１参照）。
日本建築学会編集著作「鉄筋コンクリート構造計算基準・同解説−許容応力度設計法−」，社団法人日本建築学会，１９９９年，ｐ．２１８−２２０

しかしながら、前述した耐震壁の最小鉄筋比０．２５％は、一般的な建物の付帯ラーメンに囲まれた耐震壁を対象として設定された数値であり、放射線の遮蔽性能から厚さが定まるような極厚壁を想定したものではない。そのため、この数値をそのままこの種の極厚壁に適用すると、壁厚に比例して壁筋を増やすことになり、施工費用の上昇を招くという問題がある。

一方、本発明者らは、原子力発電施設、ＰＥＴ（陽電子放射断層撮影）施設やＲＩ（放射線同位元素）施設等の放射線利用施設で放射線を遮蔽する区画部分で遮蔽壁や遮蔽スラブ等を有する建屋について解析的検討を行った。その結果、耐震設計上要求される壁本体の平均せん断応力度が、コンクリートの短期許容せん断応力度以下になるような壁体に対しては、壁筋が剛性や保有せん断耐力に及ぼす効果は小さく、ほとんど無筋にした場合でも必要な構造性能が得られるという結論を得た。

そこで、本発明は前記の問題を解決すべく案出されたものであって、極厚の板状部材の特性を考慮した合理的な設計思想に基づいて、コストの低減および施工性の向上を達成できる極厚壁構造の提供を課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、地震時水平力に対する平均せん断応力度が、打設するコンクリートの短期許容せん断応力度以下である極厚壁構造において、前記極厚壁の表層部にひび割れ分散帯を設けるとともに、前記表層部に挟まれる内部領域を無補強コンクリートにて構成したことを特徴とする極厚壁構造である。ここで地震時水平力とは、通り芯ごとの平面架構に対して、一次設計で想定しているベースシアから定まる水平力である。

すなわち、本発明は、遮蔽壁や遮蔽スラブ等の極厚壁構造では、荷重−変形性状や保有せん断耐力に及ぼす壁筋の効果は小さく、無筋でも必要な耐力が得られるという特性を活用している。言い換えると、コンクリートの乾燥や収縮によるひび割れが生じ易い壁の表層部において、主としてひび割れの拡幅を抑え、内部への進行を防止して耐久性を高めるためにひび割れ分散帯を設け、地震時水平力は内部のコンクリートだけで負担させるという、合理的な設計思想に基づいた構造である。また、外気に接する表層部に設けたひび割れ分散帯は、水や炭酸ガスなどの浸入を防いでコンクリートの中性化を遅らせるとともに、遮蔽性能も向上させることができる。

請求項２に係る極厚壁構造は、前記ひび割れ分散帯が、前記表層部の表面から所定のかぶり厚さ以上離間した位置に配される横材と、該横材に接して前記内部領域側に配される縦材とで構成されることを特徴とする。

長期荷重時には、壁のひび割れは鉛直方向よりも水平方向の方が生じ難く、また通常、階高さよりもスパンの方が長いためにコンクリートの収縮量は水平方向が大きくなり、ひび割れは、鉛直方向に生じ易い。したがって、横材を表面側に配置する上記の構成の方が、逆に配している従来の鉄筋コンクリート壁よりもひび割れ防止に効果的である。

請求項３に係る極厚壁構造は、前記ひび割れ分散帯が、前記コンクリートよりもヤング係数の大きい材料で構成されることを特徴とする。

このような構成によれば、表層部にひび割れが発生しても、急に拡がることはなく、壁体としての剛性低下も最小限に留めることができる。

請求項４に係る極厚壁構造は、当該鉄筋の配筋量は、必要保有水平耐力状態において前記極厚壁が負担する水平力を前記鉄筋のみで保持できる量であることを特徴とする。ここで必要保有水平耐力とは、二次設計において、柱梁架構の想定する部位に塑性ヒンジが形成されてメカニズム状態に達した時の水平耐力を表す。

かかる極厚壁構造では、ひび割れ分散帯を構成する鉄筋だけでも、極厚壁に作用するメカニズム時の水平力を負担できるので、万一、終局時にコンクリートが損傷した場合でも、壁全体が破壊して耐力を失うことはなく、大地震に対しても高い安全率を確保できる。

請求項５に係る極厚壁構造は、前記横材および前記縦材の定着長が、これらの材の降伏に必要な定着長よりも短いことを特徴とする。

請求項６に係る極厚壁構造は、前記横材の壁本体に対する断面積比が、前記縦材の断面積比よりも大きいことを特徴とする。

このように、横材を縦材よりも多く配することで、水平方向よりも発生しやすい鉛直方向のひび割れの拡大を効率的に防止することができる。

請求項７に係る極厚壁構造は、ひび割れ分散帯が、プレキャスト部材で構成されていることを特徴とする。

このように、ひび割れ分散帯を、予め工場などで製作したプレキャスト部材で構成することで、現場での施工が容易になり、工期の短縮に繋がる。

なお、前記請求項４を除く極厚壁構造では、横材および縦材は、地震時せん断力を負担する必要がないので、定着長さが０でもよいが、各材の繋ぎ目にひび割れが集中するのを避けるために、最低限の定着を持つ重ね継手とする。通常、壁筋の重ね長さは、径の４０倍で規定されているが、ここでは１０倍程度の重ね長で十分である。

本発明によれば、極厚の板状部材の特性を考慮した合理的な設計思想に基づいて、コストの低減および施工性の向上を達成できるといった優れた効果を発揮する。

次に、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明に係る極厚壁構造を実施するための最良の形態を示した鉛直方向断面図、図２は本発明に係る極厚壁構造を実施するための最良の形態を示した水平方向断面図、図３は鉄筋コンクリート造建築物の構造計算フローである。

本実施の形態においては、かかる極厚壁構造を、原子力発電施設、ＰＥＴ（陽電子放射断層撮影）施設やＲＩ（放射線同位元素）施設等の放射線利用施設で放射線を遮蔽する遮蔽壁として用いた場合を例に挙げて説明する。この遮蔽壁は、放射線の遮蔽性能を確保するために、例えば、１メートル〜３メートル程度のコンクリート厚が要求される極厚壁構造となる場合がある。なお、本発明に係る極厚壁構造は、前記のような遮蔽壁に限られるものではなく、例えば、核シェルターなどの遮蔽壁などのような、要求される構造強度から算出される壁厚よりも厚く形成されたコンクリート製の壁にも適用可能である。

図１および図２に示すように、極厚壁構造１は、必要耐力から算出される壁厚よりも厚く形成された極厚のコンクリート壁である。極厚壁構造１は、壁本体１０の表層部１１に配されたひび割れ分散帯２０と、該表層部１１に囲まれる内部領域１２を無補強コンクリート１３にて構成され、地震時水平力（例えば、一次設計で想定しているベースシアから定まる水平力）に対する平均せん断応力度が、打設するコンクリートの短期許容せん断応力度以下に制限されている。

表層部１１とは、壁本体１０の厚さ方向両側の、外気と接する部分で所定の厚さの部分をいう。表層部１１は、例えば、２００〜４００ｍｍ程度の厚さｔ１であって、放射線を遮蔽する遮蔽壁１４以外の通常の構造壁１５（図２参照）の厚さｔ２と同等の厚さｔ１で構成されている。

表層部１１には、構造壁１５と同等の量の鉄筋がひび割れ分散帯２０として、配筋されている。構造壁１５における鉄筋量は、構造壁１５に対する断面積比が、略０．２５パーセントとなるように設定されている。すなわち、ひび割れ分散帯２０の鉄筋量は、構造壁１５の厚さｔ２と同等の厚さｔ１を有する表層部１１に対する断面積比が、略０．２５パーセントとなる。したがって、壁本体１０の全体で見れば、ひび割れ分散帯２０の断面積比は、０．２５パーセント未満となる。

表層部１１に配筋されるひび割れ分散帯２０は、表層部１１の表面から所定のかぶり厚さｔ３以上離間した位置に配される横材２１と、この横材２１に接して内部領域１２側に配される縦材２２とを有している。かぶり厚さｔ３は、耐火性および耐久性上の必要から構造部分の種別およびセメントと骨材の種別ごとに適宜（耐力壁では、通常３０ｍｍ以上（建築基準法施行令第７９条参照））定められている。横材２１および縦材２２は、ともに、コンクリートよりもヤング係数の大きい材質、例えば、鉄筋により構成されている。なお、横材２１および縦材２２は、コンクリートよりもヤング係数の大きいものであれば鉄筋に限られるものではなく、カーボン、アラミド、強化プラスチックなどから構成した棒材や撚り線材などを用いるようにしてもよい。

横材２１は、壁本体１０の表層部１１の表面で、鉛直方向に所定の間隔をあけて複数配設されている。横材２１は、鉛直方向に発生するひび割れを分散させて、その拡大を防止する役目を果たす。通常、コンクリート内の補強筋は、横筋が主たるせん断補強筋であるため、壁の表面側に、縦筋を配置するのが一般的であるが、本実施の形態では、横材２１が主材であるので、壁本体１０の表層部１１の表面側に横材２１を配置している。これは、壁本体１０の自重を考慮すると、水平方向のひび割れは鉛直方向のひび割れよりも生じ難く、また壁本体１０は、通常、階高よりも水平方向に長く、収縮量は水平方向が大きくなるため、鉛直方向のひび割れの方が入り易くなることを考慮したものである。

縦材２２は、横材２１の内部領域１２側に、横材２１と接して配置されており、水平方向に所定の間隔をあけて複数配設されている（図２参照）。縦材２２は、その断面積比が横材２１の断面積比よりも小さくなるように、配置されている。すなわち、本実施の形態におけるひび割れ分散帯２０は、鉛直方向に発生するひび割れの拡大を防止することを主な目的としており、縦材２２は、横材２１を支持するのに必要な量を配筋すればよく、横材２１よりも少ない配筋量で足りる。

横材２１および縦材２２とからなるひび割れ分散帯２０の定着長Ｌ１（図２の部分拡大図参照）は、応力伝達に必要な主筋や耐力壁の鉄筋などに規定される定着長（建築基準法施行令第７３条参照）よりも短く設定されている。これは、ひび割れ分散帯２０は、コンクリートのひび割れの拡大防止用あるいは劣化防止用に配筋されているので、応力伝達が不要であり、理屈上は定着長さがゼロでもよいが、横材２１または縦材２２の繋ぎ目にひび割れが集中するのを避けるために、所定の定着長Ｌ１でひび割れ分散帯２０（横材２１および縦材２２）を重ねるようになっている。すなわち、ひび割れ分散帯２０は、応力伝達に必要な定着長は必要としないので、耐力壁などの鉄筋よりも短い定着長Ｌ１で足りる。本実施の形態では、この点に着目して、ひび割れ分散帯２０の定着長Ｌ１が、鉄筋径の１０倍以下（例えば、５倍程度）となるように構成している。

なお、ひび割れ分散帯２０は、横材２１および縦材２２を工場などで予め打設したプレキャスト部材で構成し、型枠を兼用させることもできる。このような構成によれば、現場の所定の位置に建て方した後に内部にコンクリートを打設するだけで済み、型枠、配筋、脱型等の作業が省略されて、施工手間を大幅に低減することができる。

また、鉄筋からなる横材２１および縦材２２の配筋量は、建物の必要保有水平耐力状態において極厚壁が負担する水平力を前記鉄筋のみで保持できる量とすることもできる。ここで必要保有水平耐力とは、二次設計において、柱梁架構の想定する部位に塑性ヒンジが形成されてメカニズム状態に達した時の水平耐力を表す。このような構成によれば、ひび割れ分散帯２０を構成する鉄筋だけでも、極厚壁に作用するメカニズム時の水平力を負担できるので、万一、終局時にコンクリートが損傷した場合でも、壁全体が破壊して耐力を失うことはなく、大地震に対しても高い安全率を確保できる。

無補強コンクリート１３は、本実施の形態では、補強筋のないコンクリートにて構成されている。なお、コンクリート内に鉄筋が配されていても、その鉄筋が構造的上補強筋として機能するものでなければ、無補強コンクリート１３に含まれる。

ところで、本発明は、所定の条件下では、壁筋の断面積比が０．２５パーセント未満でも、必要な構造強度を確保できるという点と、コンクリートが極端に厚い場合は、剛性や保有せん断耐力等の構造性能に与える壁筋の効果は小さく、無筋でも必要な耐力が得られるという点に着目して、表層部１１にひび割れ分散帯２０を設けるとともに、内部領域を無補強コンクリート１３で構成したことを大きな特徴とする。

ここでいう所定の条件下とは、「建築物の構造関係技術基準解説書（国土交通省住宅局建築指導課，日本建築主事会議，（財）日本建築センター編集，国土交通省建築研究所編集協力）」に記載された鉄筋コンクリート造建築物の構造計算フロー（図３参照）における計算ルート３によって構造設計を行った場合である。図３の太線矢印に示すように、計算ルート３は、建物の規模が２階建て以上で、延床面積が２００ｍ²で、かつ高さが６０ｍ未満の建物について適用される。この条件を満たすと、許容応力度計算による確認を行った後に、建築基準法施工令第８２条の２および昭和５５年建設省告示第１７９０号に定められた特定建築物に該当するかを判断する。その後、特定建築物である場合は、層間変形角が１／２００以下であることが条件となる。そして、偏心率が１５／１００より大きい場合は、保有水平耐力を算出し、必要保有水平耐力以上であればよい。以上のように、計算ルート３で設計を行った場合には、せん断補強筋の断面積比が０．２５パーセント以上必要であるといった規定はない。なお、図３の計算ルート１で構造設計できる物件は、計算ルート３によっても構造設計ができる。本発明を適用する場合には、計算ルート３で構造設計を行うようにする。

保有水平耐力の検討について説明する。ここで、壁厚が１２００〜１７００ｍｍの極厚壁構造において、せん断補強筋の断面積比が０．２５パーセント（最小鉄筋比）であるケース１と、せん断補強筋の断面積比が最小鉄筋比の略半分となる０．１３パーセントであるケース２と、計算上無筋に近い、せん断補強筋の断面積比が最小鉄筋比の１／１００となる０．００２５パーセントであるケース３について、保有水平耐力の検討を行った。その結果、ケース１、ケース２およびケース３ともに、せん断力係数に大きな差は出ず、ケース３において、骨組みの一部に脆性的な破壊（一般壁のせん断破壊）を生じるときにおける保有水平耐力の余裕度（Ｑｕ／Ｑｕｎ）が１．７１〜２．９５となり、極厚壁構造においては、せん断補強筋を配筋しなくても、層全体としての保有水平耐力には、十分に余裕があることが分かった。

そして、ケース３の、各厚さ（１２００ｍｍ、１３００ｍｍ、１５００ｍｍ、１７００ｍｍ）の極厚壁構造において、下記の（１）式に示す壁せん断強度算定式「建築物の構造関係技術基準解説書（国土交通省住宅局建築指導課，日本建築主事会議，（財）日本建築センター編集，国土交通省建築研究所編集協力）」により、極厚壁個別の壁せん断耐力Ｑｕｓを算定した。

その結果、骨組みの一部に脆性的な破壊（一般壁のせん断破壊）を生じるときに極厚壁構造に作用するせん断力に対する、壁せん断耐力Ｑｕｓの比は、２．３〜３．３倍となり、極厚壁構造は、十分な余裕を有することが分かった。

以上の結果より、本実施の形態のようにコンクリートが極端に厚い場合は、剛性や保有せん断耐力等において、壁筋の効果は小さく、ほとんど無筋でも必要な構造強度が得られることが分かる。すなわち、地震時設計せん断力に対する壁本体１０の平均せん断応力度は、コンクリートの短期許容せん断力度よりも小さいこととなる。また、この場合、層間変形角も十分に小さく、変形の問題はなく、計算ルート３の要件を満たす構造設計を行うことができる。

本発明は、基本的に地震時水平力は内部のコンクリートだけで負担させるという設計思想に基づいて、コンクリートの乾燥や収縮によるひび割れが生じ易い壁の表層部１１には、主としてひび割れの拡幅を抑え、内部への進行を防止して耐久性を高めるために、ひび割れ分散帯２０を集中的に配して補強された壁構造である。

このように、前記計算ルート３によって構造設計を行うことによって、必要な性能に応じた合理的な配筋構造とすることができる。特に、本実施の形態の極厚壁構造１では、ほとんど無筋であっても必要な構造強度を得ることができるので、表層部１１にひび割れの拡大防止用の必要最小限のひび割れ分散帯２０を配筋するだけで済み、鉄筋量を大幅に低減することができる。

また、表層部１１の表面側に横材２１を設けるとともに、横材２１に接して内部領域１２側に縦材２２を設けたことによって、壁本体１０において発生しやすい鉛直方向のひび割れを分散してその拡大を効果的に防止することができる。これによって、極厚壁構造１の内部に水や炭酸ガスなどが浸入するのを防止できるとともに、コンクリートの中性化を遅らせ、構造的な欠陥が生じるのを防止でき、さらに遮蔽性能も向上させることができる。さらに、横材２１の断面積比を、縦材２２の断面積比よりも大きくすることで、鉛直方向のひび割れの拡大を効率的に防止できる。

さらに、ひび割れ分散帯２０は、コンクリートよりもヤング係数の大きい材料で構成されているので、表層部１１にひび割れが発生しても、ひび割れ分散帯２０が破断することはなく、ひび割れの拡大を確実にすることが防止できる。

ひび割れ分散帯２０の定着長Ｌ１を、その目的から主筋や耐力壁の鉄筋に規定される定着長よりも短くなるように構成することで、鉄筋量を減らして、施工費用を低減することができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。

本発明に係る極厚壁構造を実施するための最良の形態を示した鉛直方向断面図である。 本発明に係る極厚壁構造を実施するための最良の形態を示した水平方向断面図である。 鉄筋コンクリート造建築物の構造計算フローである。

符号の説明

１ 極厚壁構造
１０ 壁本体
１１ 表層部
１２ 内部領域
１３ 無補強コンクリート
２０ ひび割れ分散帯
２１ 横材
２２ 縦材
ｔ１ 表層部の厚さ
ｔ２ 構造壁の厚さ
ｔ３ かぶり厚さ
Ｌ１ 定着長

Claims (7)

1. 地震時水平力に対する平均せん断応力度が、打設するコンクリートの短期許容せん断応力度以下である極厚壁構造において、
   前記極厚壁の表層部にひび割れ分散帯を設けるとともに、前記表層部に挟まれる内部領域を無補強コンクリートにて構成したことを特徴とする極厚壁構造。
2. 前記ひび割れ分散帯は、前記表層部の表面から所定のかぶり厚さ以上離間した位置に配される横材と、該横材に接して前記内部領域側に配される縦材とで構成されることを特徴とする、請求項１に記載の極厚壁構造。
3. 前記ひび割れ分散帯は、前記コンクリートよりもヤング係数の大きい材料で構成されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の極厚壁構造。
4. 前記横材および前記縦材は、鉄筋にて構成され、
   当該鉄筋の配筋量は、必要保有水平耐力状態において前記極厚壁が負担する水平力を前記鉄筋のみで保持できる量であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の極厚壁構造。
5. 前記横材および前記縦材の定着長は、これらの材の降伏に必要な定着長よりも短いことを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の極厚壁構造。
6. 前記横材の断面積比は、前記縦材の断面積比よりも大きいことを特徴とする、請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の極厚壁構造。
7. 前記ひび割れ分散帯は、プレキャスト部材で構成されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の極厚壁構造。

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