Author(s)
山川, 哲雄; 仲, 鵬; 渡嘉敷, 貴之
Citation
琉球大学工学部紀要(55): 9-16
Issue Date
1998-03
URL
http://hdl.handle.net/20.500.12000/5453
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Seismic Performance of Hybrid RIC Columns Laterally Confined
by Carbon Fiber Reinforcing Plastic Tube Which Has
the Dual Function of Stay-in-place Fonnwork and Transverse Reinforcement
Tetsuo YAMAKAWA*, Peng ZHONG** and Takayuki TOKASHIKI**
Abstract
This paper summarizes test results and discusses the earthquake-resisting performance, such as lateral strength, ductility and energy absorption capacity, of RIC columns laterally confined by carbon fiber reinforcing plastic tube, namely CFRP tube. The CFRP tubes have the dual function of stay-in-place fonnwork and transverse reinforcement. In addition to above dual function, CFRP tube is light and is hardly likely to corrode, namely its durability is superior. As the transverse bending stiffness of the wall of CFRP square tube is likely to be lack, it must be examine that transverse expansion or deflection happen or do not due to lateral pressure by fresh concrete under construction of test specimens. However, circular CFRP tubes are not concerned with its problem. Although CFRP tubes are not structural members by themselves, they will turn into important seismic resistance member by the combination of CFRP tubes and conventional RIC columns.
Total four column specimens are provided and their column sections are square type only. The specimens whose sizes are 250 mm square and 1000 mm height are about one-third or half scale model. Therefore, shear span to depth ratio is 2.0. Concrete cylinder strength is about 32 MPa and longitudinal reinforcement ratio, namely, ratio of total area of longitudinal reinforcement to gross area of section in columns is 2.44% which is close to the upper limit. These RIC column specimens were tested under the combination of cyclic lateral forces and constant axial load in order to investigate their seismic behavior.
As a result of this study, the advantages of the CFRP tubes were recognized. Therefore, if the cost of the CFRP tube will be degraded in the near future, this proposed method will be widely accepted in the field of hybrid concrete structures.
Keywords:carbon fiber, CFRP tube. confined concrete, formwork, hybrid members, RIC columns, seismic behavior, transverse reinforcement
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(Dept. of Civil engineering and Architecture. Fac. of Eng.)
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(Graduate Student. Div. of Graduate School. Civil engineering and Archilecture)
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I$~I±*ID:i~ft~O)..g.~"",.::.軸圧縮力を伝達させず，横補強材としての機能を十分 確保するためである． 試験体CR97A-SO，CC97-SD，CR97A-DSは帯筋比 が同一の試験体である．しかし，コンクリートの打設 日と加力実験日の相違により，加力実験時のコンク
リート強度（シリンダー強度。H）に若干の差異があ
る．しかし，この差異は2MPa程度であるから，加力 実験結果に与える影響は無視できるものと思われる． 正方形炭素繊維成形管は，繊維目付3009/m２，設計 厚さ0.167ｍｍの炭素繊維シートをl周とI/4ずつずらし ながら，５層フープ巻きして，柱高さ方向に200ｍｍの ラップをとりエポキシ樹脂で積層して製作された．炭 素繊維シートｌ層当りと鋼板の各力学特性を鉄筋のそ れとともに表－２に示す[2]． ある森林資源の大量伐採につながっている．その一 方，型枠大工など技能を必要とする職人が確実に減少 している．これらのことを考慮すると，コンクリート ２次製品や連続繊維補強成形管を打込み型枠として利 用するアイデアは今後ますます社会のニーズとして高 まるものと思われる．さらに，CFRP管には横補強材 として高い横拘束効果を期待できるので，高軸力と高 せん断力に耐えられる耐震'性能に富んだ合成柱の実用 化が可能となる．また，これらの新素材は一般に軽い のでCFRP管の自重も軽量になり，それに必要な重機 も不用となるので，施工の省力化が期待できる．さら にCFRP管は鋼管と異なり，腐食の心配がないので耐 久`性に富んでいるただし，これらの利点を生かし普 及を促進させるためには，新素材のコスト低減も今後 考えていかなければならない． 以上のような社会的背景と理由により，打込み型枠 と横補強材を兼ねた正方形の炭素繊維補強成形管を用 いた合成RC柱の弾塑`性挙動に関する一定軸圧縮力下 の正負繰り返し水平加力実験を行った．本実験は主に 以下の2つの観点から行ったパイロット実験である． １）供試体製作時にフレッシュコンクリートの側圧で 正方形CFRP管の壁面が外部にはらみ出すかどうか を，コンクリートの打設時に確認する． ２）正方形CFRP管がRC柱の横補強材としての役割， すなわち横拘束効果とせん断強度の増大を十分はた しうるかどうかを検証する． 以上の2点が今回のパイロット実験で検証できた ら，CFRP正方形および円形成形管で横補強されたＲＣ 柱の一定軸圧縮力下の正負繰り返し水平加力実験を中 心とした系統的な実験計画を立案する予定である． 表－１正方形炭素繊維成形管を用いた試験体と 鋼板巻き補強試験体一覧 試験体名誰 ヱ 工 正
試験体 断面 (111位:m、） 軸力比’ 主筋 帯筋 せん断ｽﾊﾟﾝ比 4週ｺﾝｸﾘｰﾄ強度 実験時 ｺﾝｸﾘｰﾄ強度 打没}］ 実験Ⅱ ２．柱試験体 柱試験体の一覧表を表－１に示す．柱試験体の正方 形断面長さ及び高さは表－１に示すように250×250× 1000ｍｍで，せん断スパン比が大きく，主筋量が 2.44％と多いわりには，軸力比が０３５と高く，帯筋比 が0.43％とやや少ない傾向にあるので，基準RC柱試験 体CR97A-SOは曲げせん断破壊しやすい，いわゆるね ばりに欠けた柱である．このような基準RC柱試験体 に対して，CFRP管で打込み型枠兼横補強材として利 用した場合の試験体CC97-SD（帯筋あり）とCC97-SS （帯筋なし）を用意した．そのほかに鋼板で横補強し た耐震補強試験体CR97A-DSを参考試験体として本報 告に掲載した．これらのCFRP管や鋼板巻きは上下ス タブとの間に10ｍｍのクリアランスを設けるために， 1000ｍｍの柱の内のり高さ（表－１，図－１参照）に 対して約980ｍｍの長さを採用した（図－１，表－３ 参照）．このような設計上の配慮はCFRP管や鋼板に 表－２炭素繊維シートと鋼板，鉄筋の力学的特性lir
厚さまたは｜ｓぴｙ緋
３．コンクリート打設時のはらみ出しについて 炭素繊維成形管（CFRP管）は正方形で，かつ板と しての面外曲げ剛性が鋼板より小さいと考えられるの で，コンクリート打設時にフレッシュコンクリートの 側圧によって面外にはらみ出す可能性がある．そこ11 琉球大学工学部紀要第55号,1998年 で，表一ｌに示すCFRP管を用いた柱試験体CC97-SD とCC97-SSについて，コンクリート打設前と後で正方 形CFRP管のはらみ出し量について計測した．その計 測位置は図－１を参照されたい．計測結果を表－３に 整理する．表－３によれば帯筋が配筋された試験体 CC97-SDが，帯筋なしの試験体CC97-SSよりはらみ出 し量が一般的に大きい．これらはコンクリート打設の 際の木槌によるたたきすぎにより，脚部から150ｍｍ 高さの位置でCFRP管のフランジ面に水平割れが生じ たためと推定される．そのほかにもISOから250ｍｍの 高さにかけて，CFRP管に同様ないくつかの水平ひび 割れが発生している．これらがコンクリート打設の際 のはらみ出し量の増大に関与しているものと思われ つＣの 、(Web）
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Ｂ(Web） ．…..：ＡＣ方向の計測位置 一一：ＢＤ方向の計測位置 でⅢ ＣＣｍＣｍｎＣｍｍＣＣｍ}鵲蒻iと'１１号蝋
単位:ｍ、 【)［ 図－１コンクリート打設時のCFRP管の はらみ出し量計測位置 表－３コンクリート打設時における炭素繊維成形管のはらみだし量測定（ｍ、） 中央部 と脚部 の差 （b） 打設 直後 (b)-(a） はらみ 出し量 ４．９０ （a） 打設前 外側 断面幅繍鬮|厚さ|長着|霜
試験体 測定位置illMili
FIange (Ａ－Ｃ） CC97-SD (帯筋あり） Ｗｅｂ 4.70 2５７．９１２５５０１２．９１９７９１３．７２ (B-D） ６．６０ 1.90 1.80 Flange (A－ｑ Ｗｃｂ 4.70 2.40 2.90 CC97-SS (帯筋なし） 259.7 2５７０１２．７１９８０１３９２ (B-D） 2.85 ０．４５ る．一方，これらのはらみ出 し量を簡単な計算で推測でき るかどうかを検討するため に，図一２のようにフレッ シュコンクリートの側圧を仮 定し，フープ方向にCFRP管 から単位幅切り出し，等分布 荷重を受ける両端固定梁とみ なして解析する．CFRP管壁 のヤング係数Eはエポキシ樹脂を考慮して12×IO6kgf/Cm2
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ｔ=2.9又は2.7ｍｍ ￣ ～ L＝色･フノーＵｄ､△ＤＪ皿mll６＝pD#/（384EI）
Ｄ=25ｃｍ 図－２コンクリート打設時の側圧の仮定と梁理論の適用 表－４はらみだし量の計算値と測定値の比較（、、） と仮定し，梁の長さは柱のせい，（25cm）とし，柱せ いは2.9と2.7ｍｍを計算に用いた．ただし，反対側の 中央のたわみ６も同様に考えて，２倍の８をはらみ出 し量とする． このようにして計算したはらみ出し量と計測値の比 較を表－４に整理する．表－４より，帯筋なしの試験 体CC97-SSに関しては測定値を計算値がほぼとらえて いる．しかし，帯筋ありの試験体CC97-SDは測定値が 計算値より3倍前後大きい．これにはCFRP管の水平割 れ等も少し影響しているものと考えられる． ”ｌ中央部１４９〔 ａｂｌ中央部’4.7〔 B-D）’脚部ｌ６－６０１１８９１３４Ｃ けＰ｜中央淵ｉｌＬ８Ｃ F1 Ｌ｣ 側： 4０１２４９１０９〔 3-,）Ｉ脚部４．加力実験と考察 図－３に示すような加力載荷プログラムと建研式水
平加力装置を用いて，一定軸圧縮応力（0.35□B）と
正負繰り返し水平力を与えた．水平加力はひび割れが 発生するまでは荷重制御により行い，ひび割れ発生後 は柱の部材角Ｒを０５％ずつ，同一振幅で3サイクルず つ正負繰り返しの変形制御で3％まで行った（図－３ 参照）．ただし，水平耐力が急激に低下した場合など は加力途中でも実験を終了することにした． 純粋なＲＣ柱である基準試験体CR97A-SOの部材角 R=0.5,1,2％時で，かつ3サイクル終了後のひび割れ状 況を図－４に示す．主筋に沿った付着割裂ひび割れが 先行したせん断ひび割れの傾向を示している．この基 準試験体は主筋が多い割には横補強が帯筋のみで十分 でないので，Ｒ＝1％で最大水平耐力に到達した後，部 材角がさらに増大するにつれて水平耐力が急激に低下 してきたので，Ｒ=2％で加力実験を終了した．この試 験体はせん断破壊と判断した．加力実験終了後， CFRP管や鋼板を剥いで観察したひ割れ図を残りの3試 験体について図－４に示す．図－４より，帯筋が配筋 されていないCFRP柱試験体CC97-SSのみが，主筋に 沿ったひび割れが大きく生じていた．このことより， 主筋の付着すべりが－部生じた恐れがある．しかし， CFRP管または鋼板で横補強した試験体は，図－５に 示すように水平耐力の劣化がほとんど見られない．こ れは図－５に併記した柱試験体材軸上の平均伸縮ひずみごｖと部材角Ｒの関係をみても明らかである．基準
RC柱試験体CR97A-SOは水平繰り返し回数が増大する癖“洲ｌ》
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-３ 荷重制御 図－３加力載荷プログラムと建研式加力装置（単位：ｍ、） Ａ-Ⅷ］『
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T￣ ￣ ノ 十 羊 ﾀミ エｌＫ Ｐ￣ 人 ～ ～ 一一 1-／ 一 〒一 ］’’二｜｜｜｜｜｜’ 〆1３ 琉球大学工学部紀要第55号,1998年 炭素繊維成形管 基準RC柱 CR97A-SO 鋼板巻き補強 CC97-SD CC97-SS ＣＲ９７Ａ－ＤＳ
V(IJW)2001
,001鱗
鰐
鰹
巽担餡‐ン鰯
－１００ －２００ _」｜＿」 ’ 」 －３－２－１０］２３１‐３‐２‐10１２３ －３－２‐１０１２３ －３－２‐１０１２３ 「１ Ｌ」 繋題函‐⑮ 「‐』 1J 』＿」・’－ －３－２‐Ｉ Ｌ＿．＿＿－１」 0１２］ ＿Ｌ＿＿ -３－２－１０１２３ －３‐２－１０１２３ ３ －３－２‐】0１２３ 図－５各試験体のV-R曲線とｅｖ－Ｒ曲線（実験結果）とともに，Ｅvが圧縮側に増大し，かつ部材角Rが増大
しても平均圧縮ひずみＥvが正側，すなわち引張側に
おしもどすような現象はあまり見られない．このこと は水平耐力の劣化を意味しており，柱が活力を失いつ つあることを意味している．その点，CFRP管または 鋼板巻きで横補強した柱試験体とは対照的である． このことの理解をさらに深めるために，図－６にス ケルトンカーブの比較と，図－７に累積エネルギー吸 収量の比較を実験結果として示す．図－５～７より， 基準RC柱試験体CR97A-SOは曲げ降伏後のせん断破壊 の様相を示し，ねばりに欠けた状態を示している．ま た，図－７の累積エネルギー吸収量の比較からも，こ の基準ＲＣ柱試験体のエネルギー吸収量は最低であ る．さらに，帯筋が配筋されていないCFRP柱CC97‐ SSのエネルギー吸収量もやや少ない．これは前述し たように，図－５の履歴曲線では定量的に把握できな かったが，主筋の付着すべりの若干の影響が図－７で 'よ表現されたものと思われる．帯筋を配筋した柱試験 体CR97A-DSとCC97-SDでは，CR97A-DSが若干耐震 性能を上回っているが，これはコンクリートの打設の 際に木槌のたたきすぎでCFRP管に水平割れやひび割 れを生じさせたためと推定される（3節参照）． 柱端隅角部における主筋のひずみと部材角の関係を 図－８に示す．図－８によればいづれの主筋も降伏し ていることがわかる．このことにより，基準RC柱試 験体CR97A-SOは曲げ降伏後のせん断破壊と推定する ことができる．図－９に柱中央部と端部（材端部から 140ｍｍ下がった位置）のフランジ中央位置における CFRP管とフープ方向のひずみを示す．材端部のひず みが中央部のそれより3倍程度大きく，CITRP管で最大 2500/α程度引張りひずみが生じているが，鋼板巻きの場合はそのｌＢにほぼ等しい800～1000/u程度である．
このことによりCFRP管が横補強材として機能してい ることがわかる．しかし，この最大ひずみレベルは炭 ６０ ０００００００ ０００ ０００ ３２１ １２３ ０ ５ （Ｅｚ旱） ００００ ４３２１ 噸〆一腎１斗△（峠Ⅱ 0 00.5１．５２２．５３ 図－７累積エネルギー吸収量の1上較（実験結果） .…￣－３ 同一６ ‐２－１０１２３ スケルトンカーブのl上較（実験結果） V(ｋＮ） ２００ １００ ’１１ －１００ －２００ Ｒ(兜） ’１１ V(ｋＮ） －－－－－ＣＲ９７Ａ－ＳＯ －－－ＣＣ９７－ＳＤ －－CC97-SS ＣＲ９７Ａ－ＤＳ R(％）ＣＲ９７Ａ－ＤＳ ＣＲ９７Ａ－ＳＯ CC97-SD CC97-SS -３－２－１０１２３－３－２－１０１２３‐３－２－１０１２３－３－２－１０１２３ 図－８柱端隅角部の主筋のひずみと部材角の関係（実験結果） 素繊維シートの破断ひずみの約1/6に相当する．参考 までに図一１０に柱中央部フランジ位置における帯筋 のひずみを示す．鋼板やCFRP管のようにコンクリー トを包む外皮の剛性が大きいほど，帯筋のひずみが小 さいことがわかる． しかし，CFRP管や鋼板で横補強すると図－１２に 示すようにせん断耐力が計算上急激に上昇し，曲げ耐 力をはるかに上回ることになる．その結果，曲げ破壊 が先行し，曲げ圧壊しない限り，ねばりが確保される ことになる．このことは図－５に示したＶ－Ｒ曲線や， 図－６に示したスケルトンカーブからも明白である． 本実験で用いたCFRP管は炭素繊維シートを5層巻い て，製作されているので，炭素繊維量が多すぎるきら いがある．一方，炭素繊維シートにプレテンションを 与えてCFRP管を製作することも考えられる．また は，折板シェル構造の力学特性に注目し，蛇腹正方形 成形管[4]の開発も考えられる．打込み型枠兼横補強 材としてさらに効率のよい，望ましいCFRP管または力率のよい，望ましいCFRP管または CFRP膜の製作法に関しては，円形成 形管（膜）とともに技術開発を行う 必要がある．しかし，今回のパイ ロット実験でコンクリートの打設時 にその側圧によってはらみ出しが正 方形CFRP管の場合若干生じる問題が 生じたけれども，横拘束効果に関し ては鋼管なみに期待でき，その結果 せん断耐力とねばりを大幅に増大さ せうることが明らかになった． CC97-SD CC97-SS ＣＲ９７Ａ－ＤＳ －３‐２－１０１２３－３－２－１０１２３３‐２‐101２３ （a）柱中央吉6 ５．理論的検討 断面の平面保持を仮定したfiberモ デルによる柱試験体の弾塑性解析を 行い，実験結果と比較する．そのた めには，まず横拘束されたコンファ インドコンクリートの構成則を求め る必要がある．帯筋や鋼板に関して は従来から常用してきたMandeT[5]や
松村[6]らの構成則を利用し，両者を
併用する場合には両者の単純累加で 求めてきた[7]．しかし，CFRP管に 関しては炭素繊維シートに関して定 式化された川島らの構成則[l]をその まま用いる．これらの式をCFRP管に 適用するにあたっては，フープ方向 に炭素繊維シートが5層巻きされ，か つエポキシ樹脂で成形管化されてい るが，エポキシ樹脂を無視して，炭 -３－２－１０１２３－３－２－１０１２３－３－２－１０１２３ （b）柱端部 図－９柱中央部と端部（端部から140ｍｍの位置）のフランジ 中央位置におけるCFRP管と鋼板のフープ方向ひずみ ＣＲ９７Ａ－ＤＳ ＣＲ９７Ａ－ＳＯ CC97-SD -３－２－１０１２３３－２－１０１２３－３－２－１０１２３ 図－１０柱中央部フランジ中央位置における帯筋のひずみ Ｏ３ｅ(兜）(|，
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Ｒ(兜）１０ e(兜)’、
降伏ひずみ 0 -0.3 1Ⅱ､！
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ｊ 兜 く ８ ３ ● ０－ 引張 一一ラ －－－ ０ １１， －－圧 縮‐ ％ １1５ 琉球大学工学部紀要第55号,1998年 （田室）津 ４３３２２１Ｉ ０５０５０５０５ （因室）》 ４３３２２１１ ０５０５０５０５０
