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‑ ‑ E A
2 0 30 40 50
地上階数
60 70
図
2.22
大口径CFT
架構と既存鉄骨建物の躯体数量比較2 .
充填型大口径鋼管コンクリート柱を用いた梨構2 . 3 大口径 CFT柱の解決すべき問題点
大口径 CFT 架構の特徴は、大口径 CFT 柱を
塑性化させない点にある。2. 2 の試設計結果で も見たように、大口径 CFT 柱で構成する大架構が負担するせん断力は大
きく、その
為、側柱 にあたる大口径 CFT 柱の軸力変動は大きくなり、特に引張軸力となる場合には大口径 CFT
柱 の塑性化を早める事になる。地下架構の剛性を適切に評価するとともに芯鉄骨の適用等の対 策が必要となる場合も生じる。
また、圧縮軸力を受ける大口径
CFT
柱の場合に於いても、試設計モデルのようにスパンを 大きく取り柱本数を減らした場合、大口径CFT
柱と角形CFT
柱の終局曲げ耐力に対する余裕 率は接近しており、そのため、大口径CFT
柱に塑性ヒンジを形成させないという観点から、大口径
CFT
柱の終局曲げ耐力を正確に把握する事が重要となる。大口径CFT
柱 が一般のCFT
柱と相違する点は、断面す法が2
倍以上違うこと、径厚比が大きく6 0 ‑ ‑ ‑ 1 5 0
程度になること である。従って、終局曲げ耐力の評価に対し、大径厚比となる場合の鋼管耐力の把握とコン ファインド効果の有無、大断面となった場合のコンクリート強度の評価(寸法効果)を正確に把握する必要がある。
大口径
CFT
架構は大口径CFT
柱の塑性化を許さないので、塑性変形能力を期待するもので はない。しかし、他の部材の塑性変形に追従するだけの変形能力を有することを確認する必 要がある。特に、大径厚比となる場合の変形能力を確認する必要がある。試設計では、運搬上の制限から、大口径
CFT
柱の断面寸法の上限値を2 ， 700mm
とした。 その為、20 ， 40
階モデルの軸力比N lN o
が0 . 1 8 ， 0 . 3 3
であるのに対し、60
階モデルでは0 . 5 0
とかなり大きな軸力比となっている。
2 ， 700mm
を越える断面に対する施工方法(分割して運 搬し、現場で組み立てる方法等)の開発も必要と思われるが、ここでは扱わない。2 .
充填型大口径鋼管コンクリート柱を用いた架構2 . 4 まとめ
本章では現状の CFT 構造の問題点を指摘し、これを解決或いは改善 する
架構方式として大口径 CFT 架構を提案した。この架構の特徴は以下のようにまとめられる
。( 1 ) 数本の柱を集約した規模の大口径 CFT 柱を考え、この大口径 CFT 柱で建物重量 の大部
分を支える。( 2 )
柱の集約により無柱空間が構成しやすい。( 3
)部材の集約効果、大口径CFT
の大径厚比化により経済効果が期待できる。( 4
)大口径CFT
柱とメガ梁で構成される大架構は、大地震に於いてもほぼ弾性に留める。( 5
)大架構をほぼ弾性とすることにより、特定層への損傷集中の危険性が少ない。( 6 )
降伏する部材は、CFT
柱、鉄骨梁のいずれでも良い。( 7 )
柱の降伏を許容することにより、梁降伏を保証する為の柱の付加耐力を低減させること カまできる。事務所ピルを対象に提案架構の試設計を行い、その実現性、断面す法、構造特性、経済性
を調べ、以下のような知見を得た。( 1
)柱脚固定度の問題があるが、大口径CFT
柱の断面寸法は、2 0
階モデルで2 ， 200mm ， 4 0 ， 6 0
階モデルで2.700mm
であり、一般のCFT
柱の2 . 3 ‑ ‑ ‑ 2 . 9 倍の大きさである。また、大
口径CFT
柱の径厚比は6 0 ‑ ‑ ‑ 1 0 0
程度であり最上階近傍では場合によっては1 5 0
程度に なる。( 2 )
大口径CFT
柱で構成する構面は、層せん断力の6 0 ‑ ‑ ‑ 8 0 %
程度を負担する。( 3
)下層の大口径CFT
柱の断面は地震時の転倒モーメントに対して引張側となる側柱で決 まる傾向にあるので、応力を正確に予測するため地下階及び基礎梁の剛性評価を適切に 行う必要がある。また、圧縮側の大口径CFT
柱の場合でも、終局耐力に対する余裕率 は一般のCFT
柱の余裕率に接近している。従って、大口径CFT
柱の終局曲げ耐力を正 確に把握することが重要で、ある。( 4
)本提案架構の躯体数量は、建物階数( 2 0 ‑ ‑ ‑ 6 0
階)にあまり影響されずほぽ一定であり、既存の鉄骨造事務所ピルの躯体数量と比較すると、
2 0
階建程度で本提案架構と既存鉄骨造との躯体数量はほぼ等しく、高層になるにつれ本提案架構の躯体数量 の方が少なく
なる傾向を示す。2 .
充填型大口径鋼管コンクリート柱を用いた架構<参考文献>
1
)寺本隆幸，浅野美次，北村春幸:弾塑性曲げ型振動応答解析における一考察(某高層ピルにおけるケーススタデイ) ，日本建築学会大会学術講演梗概集，
p p . 7 5 3
・7 5 4
，1 9 7 8 . 9 2 )
渡辺英義，中村敏治，他:コンクリート充填鋼管柱の構造性能に関する研究 (その5)
復元力特性およびエネルギー吸収能力についての考察，日本建築学会大会学術講演梗概
集，
p p . 9 8 7 ‑ 9 8 8
，1 9 9 6 . 9
3 )
日本建築学会:鉄骨鉄筋コンクリート構造計算規準・同解説，1 9 8 7
4 )
新都市ハウジング協会:CFT
構造技術指針・同解説，1 9 9 6
3 .
コンクリートのす法効果に関する圧縮載荷実験第
3
章 コン ク リ ー 卜 の 圧 縮 特 性に対 する 寸 法 効 果 の 実験 的研 究3.1 既 往 の 研 究 と 実 験 の 目 的
3 . 2
実 験 計 画( 1 )
試 験 体( 2 )
加 力 装 置 と 加 力 方 法3 . 3
実 験 結 果 及 び 考 察( 1 )
ヤ ン グ 係 数 ・ ポ ア ソ ン 比 に 対 す る 寸 法 効 果( 2 )
圧 縮 強 度 に 対 す る 寸 法 効 果( 3 )
既 往 の 研 究 と の 比 較( 4 )
圧 縮 強 度 時 の ひ ず み に 対 す る 寸 法 効 果3 . 4
まとめ< 参 考 文 献 >
第
3
章 コンクリー卜の寸法効果に関する実験 3.1 既往の研究と実験の目的3 .
コンクリートの寸法効果に関する圧縮載荷実験大口径
CFT
架構の特徴の1
つは、大地震時にも大口径CFT
柱を降伏させない、或いは崩壊 メカニズム形成の過程で他の部材よりも先に降伏させない事である。そのため、大口径CFT
柱の終局曲げ耐力を把握することが最も重要なテーマとなる。CF T
柱の曲げ耐力は、基本的には鋼管部分とコンクリート部分の耐力の和として求められるが、これには鋼管・コンクリ ート各々の材料強度の把握が重要であることは言うまでもない。
材料強度を把握するために材料試験を行うが、この時の試験片および供試体は一般に実部 材に比べ小さい。鋼材の場合、同じ板厚で試験片を作成するが、コンクリートの場合、実部 材の大きさに拘わらず、直径
100mm
、高さ200mm
の供試体を用いるのが一般的である。大 口径CFT
柱の場合、通常の柱断面( 6 0 0 ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ 1
，000mm)
に比べ数倍の大きさ( 2
，0 0 0 ‑ ‑ ‑ ‑ ‑3
，000mm)
を有することから、実部材と供試体との断面積の比は4 0 0 ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ 9 0 0
倍になる。この事から、コン クリートに関しては、す法効果を無視することができないと考えられる。材料強度の寸法効果に関する研究は古くから行われており、一般に、部材のす法が大きく なる程、材料強度は低下する傾向にあることが指摘されているり‑7)。例えば、
N e v i l l e
7)は、供 試体の形状・寸法が異なる場合のコンクリート強度の相互関係を、様々な研究者によって行 われた圧縮実験結果より、体積・断面径・高さの3
つのパラメータを用いて定式化しており、形状が相似な場合、断面径の増大に伴い圧縮強度が低下することを示している。
しかし、これらをはじめ、多くの寸法効果に関する研究で用いられている試験体の大きさ は、断面径
5 0 ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ 2 5 0 m m
のものがほとんどであり、通常の柱に使用されるサイズ以上のもの までを対象にした実験データは数少ない1)0B l a n k s
等1)は、直径2 i n c h
から3 6 i n c h
までの円筒 形試験体を用いて、圧縮強度・ヤング係数・ポアソン比に対する寸法効果を調べ、その結果、ヤング係数・ポアソン比についてはす法効果が認められない事、圧縮強度については断面径 の
1 0
乗根にほぼ反比例し、断面径6 i n c h
の試験体を基準とした場合、断面径3 6 i n c h
で84%
に低下することを示している。
また、高強度コンクリートに対する寸法効果の検討も近年いくつか行われており、高強度 のもの程、寸法効果が顕著であると報告されている 4)が、断面径の小さなもののみによる結 果である。
一方、材料強度の寸法効果に関する理論的研究も古くから行われている。
Tucker
8)，永松9)， 三橋lO)，谷川ら 11)は、材料強度は内在する欠陥の分布状態・大きさ・量などのランダム性に3 .
コンクリートの寸法効果に関する圧縮載荷実験起因するとし 、材料 強 度 の寸 法 効果 は 内在する欠陥量 が体積 に 依存す る 容積効 果 である と 考 えて、確率論を用いた研究を行っている。一般にコンクリートのような脆性材料の強度は、
W e i b u l l
分布に従う事を基本としている。これによると、断面径が大きくなるほどコンクリー ト強度は低下する傾向にある。しかし、コンクリートは鋼材のような均質材料ではなく 、コンクリートを構成する骨材の
存 在 に よ る 大 き な 非 均 質 材 料 で あ る 事 、 施 工 条 件 ・ 養 生 条 件 の 違 い に よ り 、 理 論 的 研 究 が 必
ずしも実験値を説明しているとは言 い 難 い ( 例 え ば、 文 献1 2 )
。谷川ら 2)は、断面径に対す る骨材径の比をパラメータに実験を行い、その結果に基づいて理論式を修正 し 、 骨 材 径 と 断 面径の比によっては、断面径の増大に伴い圧縮強度も増大する領域があることを示している。これらの実験的および理論的研究は、基準となる供試体(併
100x200
， 併150x300
，6 i n c h
立方体など)問に於ける検証や説明が主であり、実物大寸法までの拡張が可能であるかどう かの検証はなされていない。また、大口径CFT
柱 に 於 い て 使 用 さ れ る で あ ろ う 高 強度コンク リートについてもほとんど検証されていない。本 章 で は 、 大 口 径
CFT
柱の曲げ耐力を評価する前段階として、大口径となったときのコン クリート強度を確認し、普通強度及び高強度コンクリートの圧縮強度に対する寸法効果を把 握する。3 . 2
実 験 計 画コンクリートの寸法効果を把握する目的で、シリンダー状の試験体を用いて、断面径とコ ンクリート強度をパラメータに、プレーンコンクリートの中心圧縮実験を行った。
( 1
) 試 験 体試験体の形状は、コンクリート強度の基準となる供試体併
100x200mm (以下、シリンダー
と記述)と相似形とし、断面径と高さの比を2
とする円筒形である。図3 . 1
に試験体の形状 を示す。 試験体のパラメータは、断面径とコンクリート強度である。コンクリート強度 は33 ， 60MPa
の2
種類とし、断面径はコンクリート強度33MPa
については3 0 0 . 6 0 0 . 800mm
の3
種類、コンクリート強度60MPa
については300 ， 600mm
の2
種類である。試験体数は、各パラメータの組合せ毎に3体ずつ製作し、合計 15体である。尚、シリンダーについては、
実験日の相違による材令の影響を除くため、各試験体の実験初日と同日に材料試験できるよ う、各試験体に対し
3
体ずつ製作した。表3 . 1
に試験体の一覧を示す。使用したコンクリートの配合は表