2022年03月27日

RC柱梁接合部の検討について考えるB 〜 効率の良い設計方法!

 RC造の断面設計は通常、大梁曲げ(主筋)→大梁せん断(スターラップ)→柱曲げ(主筋)→柱せん断(フープ)→柱梁接合部の順で行われます。
 柱の曲げ(主筋)、せん断(フープ)の検討で断面、コンクリート強度を抑えたところ、柱梁接合部の検討で結局、柱サイズ、コンクリート強度が上げてしまったとの事はよくあります。
 RC柱梁接合部について、効率の良い設計方法を考えます。



柱梁接合部のせん断終局強度式


柱梁接合部のせん断終局強度 Vju(靭性指針式)は以下の式です。

Vju = κ・φ・Fj・bj・Dj(N)

κ:柱はり接合部の形状による係数
 κ=1.0:十字形 柱はり接合部
 κ=0.7:ト形及びT形 柱はり接合部
 κ=1.0:L字形及びΓ形 柱はり接合部

φ:直交ばりの有無による補正係数
 φ=1.0:両側直交ばり付き 柱はり接合部
 φ=0.85:上記以外の柱はり接合部

Fj:柱はり接合部のせん断強度の基準値(N/mm2)
 Fj=0.8・σB^0.7

bj:柱はり接合部の有効幅(mm)
 bj=bb+ba1+ba2
  bb :はり幅
  ba1:b1/2又はDj/4の小さい方の数値
  ba2:b2/2又はDj/4の小さい方の数値
  b1 :はり両側面からはりに平行する柱側面までの長さ
柱水平断面積.png

Dj:柱せい、又は90°折曲げ筋水平投影長さ(mm)

 ここで、κ:柱はり接合部の形状による係数、φ:直交ばりの有無による補正係数は形状によるので変えることは出来ません。調整できるのは以下の項目となります。
  • Fj:柱はり接合部のせん断強度の基準値
  • bj:柱はり接合部の有効幅(mm)
  • Dj:柱せい、又は90°折曲げ筋水平投影長さ(mm)

 対応としてはコンクリート強度を上げるか、柱のサイズ、梁幅を変えるかになります。

各項目に対する耐力上昇比率


 柱梁接合部のせん断終局強度式 Vjuは各項の掛け算となっていますので、断面サイズ、コンクリート強度を上げた際の比率が大きければ耐力がより大きくなります。それぞれの項目に対し、どの程度上がるかをシミュレーションしてみます。

@コンクリート強度(Fj)
Fj.png
 コンクリート強度をワンランク上げると耐力は1.10〜1.06の比率で向上します。強度が大きくなるにつれ、その効果は減ります。

A柱せい(Dj)
Dj.png
 柱せいを5cm増やすと平均1.06程度の比率で耐力が向上します。

B梁はば(bj)
bj2.jpg
 この比率は梁を片寄せ、柱形状は正方形の場合のシミュレーションです。比率@は梁幅を5cm増やした場合、比率Aは柱サイズを5cm増やした場合の耐力上昇比率です。

 柱はり接合部の有効幅 bjは上図におけるbb、ba1、ba2の合計です。baについてはb/2とDj/4の小さい方となっています。柱幅に対し、梁幅が小さい場合はDj/4で決定しますが、通常の柱、梁サイズの組合せではb/2で決まる事になります。
 梁幅、柱幅と耐力の比率としてはサイズを5cm上げるとどちらも平均1.04程度、耐力が向上します。




効率の良い柱梁接合部の設計方法


 さて、この中で柱梁接合部のせん断終局強度式 Vjuを向上されるにはどれを優先するかが経済的であるかを考えます。

 まず、部材をOKにする目的であれば、効果が大きい順はコンクリート強度、柱せい、梁幅・柱幅となります。
 コストを考えた場合ではコンクリート強度アップはその階全体に影響するため、最後の方法とします。では柱せいと梁場のどちらを上げるかですが、柱よりも梁の方が長さが長いので柱サイズを上げる方が経済的です。
 検定比を見ながら、柱せい→柱幅→梁幅→コンクリート強度の順で部材を上げていきましょう。

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2022年03月26日

RC柱梁接合部の検討について考えるA 〜 Pw=0.2%でよい!

『建築物の構造関係技術基準解説書(2020年版)』の質疑(Q&A)で書かれている「柱はり接合部について、靱性指針を用いる場合、断補強筋量 0.3%以上」について、釈然としない構造設計者も少なくありません。

 RC柱梁接合部の検討について、引き続き、考えます。




靭性指針式とは?RC規準は?


 問題となっている柱梁接合部の靭性指針式とは以下の式です。

 柱はり接合部のせん断終局強度 Vju
靭性指針式.png

 ではRC規準では、どのようになっているかと以下の式となっています。

RC規準式.png

 しかし、解説を読むと元なっている式は靭性指針式です。これを変形すると上記の式になります。
 
 そして、RC規準には柱梁接合部の Pw=0.3%以上とはどこにも書いてありません。

柱梁接合部に関するRC規準の解説


 そして、RC規準では柱梁接合部について、以下の解説がされています。

  • 接合部内の帯筋は柱の帯筋とは異なり、せん断補強筋として接合部のせん断強度を上昇させる効果がほとんど期待できない。

  • 柱梁接合部の帯筋、コアコンクリートの拘束筋として最小補強量が配筋されるのが一般的である。

 柱梁接合部のフープの規定についてはRC規準(2018年版)のQ&Aでも取り上げられています。ここでは以下の解説となっています。
 RC規準は、靭性保証型指針で対象とする梁降伏型のフレーム構造だけでなく、強度型の架構も含む様々な構造を対象としていますので、柱梁接合部を「柱の一部」として扱い、柱の帯筋比と同じ 0.2%以上と規定しています。
 一方、靱性保証型指針では、柱・梁より先行して柱梁接合部が破壊せずに、架構としての靱性を確保することが求められています。靱性保証型指針の式(解 8.3.8)によれば、柱梁接合部の帯筋比が 0.3%の場合は、せん断余裕度が 1 であっても塑性率がμ = 2.2 程度となることから、その規定となっています。


 逆に言うとRC規準では柱・梁より先行して柱梁接合部が破壊することを許容しているのか。。。おかしくないですか。

柱梁接合部のフープPwは0.20%でOK!


 結論としては「靭性指針ではなく、RC規準に準拠して検討しています。」と言えば、柱梁接合部のフープPwは0.20%でよいと考えます。




 技術基準解説書Q&Aの理由は「規基準ごとに使用できる材料強度や部材の設計用応力の算定(仮定)などの考え方が異なる。それぞれの規基準における定義や適用範囲に従う必要がある。」です。であれば、「RC規準に従っています。」と言えば、やることは同じでも問題ないはずです。靱性指針(鉄筋コンクリート造建物の靱性保証型耐震設計指針・同解説)は1997年、四半世紀前の基準、RC規準は最新の基準です。最新の基準が優先されるのが当然ではないでしょうか。

 屁理屈を言うな!と言われそうですが、むしろ、Pw=0.3%の方が過去を正当化するためか、それとも誰かに忖度しているか、どちらかではないでしょうか。

 異論、反論をお待ちしております。。。




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RC柱梁接合部の検討について考える@〜Pw=0.3%は必要?

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『建築物の構造関係技術基準解説書(2020年版)』の質疑(Q&A)では
「鉄筋コンクリート造の柱はり接合部について、靱性指針を用いる場合、性能を確保するためには同指針で求められるせん断補強筋量(0.3%以上)とする必要があります。」と書かれています。
パネルゾーン.png

 柱の一般部のせん断補強筋比 Pwは0.20%以上です。この基準を準拠するとなると一般部よりも柱はり接合部のせん断補強筋(フープ)が多くなってしまいますが本当に必要でしょうか?
 また、中子筋が発生したりすると柱はり接合部の配筋が非常に困難になります。

 柱はり接合部について、考えます。





RC柱梁接合部の設計基準の変遷


 従来、鉄筋コンクリート造の柱梁接合部は梁により拘束されている剛体であり、壊れるはずはない部分として考えられていました。柱梁接合部については特に検討は行われず、配筋についても一般部フープ間隔の1.5倍とされていました。

 しかし、壊れるはずがないと考えられていた柱梁接合部に、1995年(平成7年)に発生した阪神淡路大震災では少なからず、被害が発生しました。
阪神淡路大震災.png

 この被害を受け、1997年、現在の『建築物の構造関係技術基準解説書』にあたる『建築物の構造規定(日本建築センター)』にて柱梁接合部の規定が設けら、仕口部フープの最低配筋が0.20%となりました。当初は特に検討は行われず、0.20%を準拠するのみが一般的でした。

 尚、問題となっている靱性指針(鉄筋コンクリート造建物の靱性保証型耐震設計指針・同解説)も1997年に出されています。



質疑(Q&A)の回答


 さて、この質疑(Q&A)をまとめてみる。質疑の内容は以下である。

  • 技術基準解説書のP.401「A柱はり接合部のせん断耐力について」では「柱はり接合部のせん断耐力の計算は、付録1-3.1に示すせん断終局強度式等によってよい。」と記載されている。付録1-3.1(P.689)に示すせん断終局強度式とは靭性指針式である。

  • 靭性指針 8.6 には「pwは 0.3%以上」としたと記載されているが、技術基準解説書P.401のCでは、「pwは 0.2%以上」となっている。

  • よって、靭性指針式で検討する場合、柱はり接合部のpwは0.2%としてよいのでは。


 これに対しての回答としては「靭性指針式により、検討を行う場合、柱はり接合部のpwは0.3%である。」となっている。

 Q&Aによると理由は「規基準ごとに使用できる材料強度や部材の設計用応力の算定(仮定)などの考え方が異なる。それぞれの規基準における定義や適用範囲に従う必要がある。」となっているが、工学的な説明もなく、この回答に釈然としない構造設計者も多い。

 このような理由による確認申請、適判での指摘、やり取りは昔から、存在する。ある部分の検討を建築学会の指針により、行ったと説明すると全く関係ない部分についてもその指針への対応を求められる。
 もちろん、その検討部分、検討式に対する適用範囲、仮定は準拠する必要がある。しかし、各種指針の一つの部位、一つの検討方法のみを基準としたものではない。執筆者も一人ではなく、複数の委員会により、定められたものである。

 靭性指針による柱はり接合部のPwの規定も「0.3%以上とした。」のみで明確な説明もないように思える。梁の付着割裂(カットオフ筋)の検討で靭性指針を採用した場合も柱はり接合部 Pw0.3%が必要なのか。





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