低強度コンクリー トを用いた

平成 21年度 修 士 論 文

低強度コンクリー トを用いた

RC

CFRP

指導教員 畑 中重光 教授 三 島直生 准教授

三重大学大学院工学研究科 建築学専攻

田村 雄一

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1.1 本研 究の背景 1.2 本研 究の 目的

第 2章 既往 の研究 2.1 概説

2.2 コンク リー ト強度 の分布 と最低圧 縮強度 の経緯 2.3 低強度 コンク リー トの用 い られ たRC部材 の研 究 2.4 ま とめ*

第3章 低強度 コンク リー トを用 いた RC梁 の載荷実験 ･････････････････33 3.1概説

3.2 実験 概要

3.2.1 実験 の要 因および水準 3.2.2 実験 方法

3.3 実験 結果 および考察

3.3.1圧 縮試験 および割裂 引張試験 3.3.2 破壊状 況

3.3.3 変形性状 3.4 ま とめ

第 4章 低強度 コンク リー トを用 いたRC梁 の耐力評価 ････････････日 日 ･50 4.1 概説

4.2 耐力算定 および実験結果 との比 較､検討 4.3 ま とめ

第 5章 結論 5.1 ま とめ

5.2今後 の課題

【謝辞 】 ････････

【参考文献 】 ･

･･････････････57

･･59

･･60

第 1章 序論

第 1章 序論

1.1 本研究の背景

既存RC建築物 の耐震診 断の結果 によれば､コンク リー トの圧縮強度が設計基準強度 を下 回る品 質 の悪 い構造物が存在 している 3)｡現在 ､ 日本建築防災協会か ら発行 されて いる既存鉄筋 コンク リー ト造建築物耐震診 断基準で は､ 同基準が適用可能な建築物 のコンク リー ト圧縮強度 の限界値 として 13.5N/mm2が示 されてお り､圧縮強度がそれ未満 の低強度 コンク リー トにつ いて は耐震診 断 の対象外 とされて いる｡ コンク リー ト強度 の低 い建築物 は､保有水平耐 力が小 さい ことか ら､

耐震補強 を施 して も耐 力の向上が あま り期待 できな いため､耐震診 断の結果 ､解体 とい う結論 に 至 る ことが多 い｡ しか し､上記 の下限値が力学的根拠 に基づ き定 め られた ものではな く､当時の 経済性 を理 由に定 め られた4)ことか ら､ コンク リー ト強度が 13.5N/mm2未満で あって も､適切な 補強 を施せ ば､建物 の耐震性 を確保で きる場合 もある と考 え られ､解体す るよ りも経済 的 に有効 とな り得 る｡ また､RC構造物が盛 ん に建設 され るよ うにな り､文化 的な価値 のあるRC構造物 も 現れ始 めて いる｡現存す るそれ らの多 くは保存 のための耐震化が急務 となって いるが､ コンク リ ー ト強度が適用限界値未満 の もの も少な くな い｡以上の点か ら､現在 は適用 限界値未満で あるも のに適用で きる､精度 の高 い耐震診 断方法､短工期かつ低 コス トで施工可能な耐震補強工法 の研 究 開発が望 まれ る｡

第 1^{章 序論} ‑2‑

1.2本研究の 目的

本研究では､適用限界値未満の低強度 コンクリー トが用い られた場合の耐震診断の可能性 を明 らかにすることを目的に､低強度 コンクリー トが用いられた RC 梁の耐力および変形特性を実験 によ り明 らかにし､既往の耐力式および低強度コンクリー トに対 して示 された既往の研究報告 と の整合性 に関 して検討すると共に､CFRP補強の有効性について検討する｡

第2章 既往の研究 ‑3‑

第2章 既往の研究

2.1概説

耐震診断 ･耐震補強す る際､耐震診 断基準 1)では最低基準強度 を 13.5N/mm2前後､耐震 設計指針2)では12N/m2前後 に定 めて いる｡しか し､文献4)で は､当時の経済性 を重視 し､

最低基準強度 を定めた と報告 されてお り､13.5N/mm2を最低基準強度 とす る力学的な根拠 が あるかは見 出せなか った｡ また､既存建築物か らコンク リー トコア を採取 ･調査 した とこ ろ､設計基準強度 を下 回る建物が多 く存在す る ことが文献5),6)･7)･16)で報告 されて いる｡これ に対 して､本章では､本研 究 目的で ある低強度 コンク リー トで造 られたRC建築物 の耐震診 断 を行 う前段階 として､以下 に示す よ うな内容 に対す る既往 の取 りま とめを行 う｡

2.2節では､コンク リー ト強度 の分布 と最低圧縮強度 の経緯 が どのよ うに扱われているの か をまとめる

2.3節では, コンク リー ト強度 が低 い場合 の挙動 と現行式 との適合性 に着 目しなが ら､

RC部材 につ いて既往 の論文 をまとめる｡

2.2 コンク リー ト強度の分布 と最低圧縮強度の経緯

2.2.1既存RC構造物の コンク リー ト強度の分布

中潰 ら3)は､三重県 内にお けるコンク リー トコアを各階3本づつ採取 した学校施設 134棟 を対象 に､Fc‑18N/mm²,21N/mm²で あるコンク リー ト強度 の傾向をまとめた｡ コンク リ ー ト強度 として は､採取 された コ ンク リー トコアの圧縮強度 の平均値 に標準偏差 を考慮 し た値 を用 い､データ数 はFc=18N/mm2が 207個 ､Fc=21N/m2が83個 に対す る分析である｡

そ の結果 として以下 の ことがわか った｡

①圧縮強度 と建物竣工年 の関係

図‑2.2.1か らFc‑18N/mm2では年代が経つ につれて強度 のば らつきが減 っているが､設 計基準強度 を下 回るものが少な くな い｡ また文献 1)で補強 の 目安 とされて いる最小強度 の 13.5N/mm2を下 回って いる もの も若干存在す る｡Fc=21N/mm2ではデータ個数は少な いが 1970年以降で も設計基準強度 を下 回っているものが多数 ある｡ 1968年の JISA5308(レデ ィミクス トコ ンク リー ト)の改正以降で､生 コンに対す る品質管理体制が整 ってきた にもか かわ らず ､設計基準強度 を下 回る建物 も多 くあ り､1970年代前半 に集 中している｡ 当時は コンク リー トのポ ンプ圧送性 を重視す るあま り､単位水量 の増量な ど､ コンク リー ト品質 が問題 にな った時期 と重な る｡

② コンク リー トの圧縮強度 比

図‑2.2.2に他地域の圧縮強度比 との比較 を示す｡Fc=18N/mm2の平均値 は1.18,Fc‑21 N/mm2の平均値 は 1.34である｡図 ‑2.2.2(a)による と東北地方では 1.28(Fc‑15N/mm2･18 N/mm2･21N/mm2を合わせた値)や 関東地方A県下での値 (全ての設計基準強度でⅠ期1.27,Ⅱ

期 1.34であるが､ ここでは平均値 1.3を採用)､東京都での値 (Fc‑18N/mm2では1.21,Fc= 21N/m²で は1.23)な どと比較す ると Fc=18N/mm²では若干低 い｡

圧縮強度比 1.0未満の割合 は Fc=18N/mm2では27%,Fc‑21N/mm2では 17%である｡図‑

2.2.2(b)による と東北地方での割合は 21.3%(Fc=15N/mm2･18N/mm2･21N/mm2を合わせた 割合)や東京都での割合(Fc‑18N/m2では30%,Fc‑21N/mm2では31%)､阪神 ･淡路大震災 で被災 した建築物での割合 (すべての設計基準強度で19.8%)な どと比較す る とFc=18N/mm2

では東京都 と同様 に比較的高 い値で ある ことが分か る｡

③設計基準強度 を下 回る階の分布

図‑2.2.3に設計基準強度 を下回る階の分布 を示す｡同図によれ ば､設計基準強度が下回 る試験体 と建物 階数 との相 関関係 は明確 ではな い｡ したが って､ コンク リー トコアの採取 は各工期 ごと､ また各階 ごとにある程度 の本数 を採取 し､ コンク リー ト強度 の分布 を把握 し､正確 な コンク リー ト強度 を診 断 に反映す る ことが重要である｡

第2章 既往 の研究 ‑5‑

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東北 データ数801(3本平均)

東京都 デ ‑夕数Fc181169 Fc21492(3本平均) 阪神大震災データ数429(1本 ごと)

19.819.8

東北 東京都 阪神大 震 災の 三重

被災建物

(b)圧縮強度比 1.0未 満の割合

図‑2.2.2他地域 の圧縮強度比 との比較

対象建物棟数 ー34棟 (Fc1887棟,Fc2147棟)

一一設 計書準破産を上回‑3ーた建物ー一灯棟l(F‑cT8ー53‑樵‑,‑1=e2T‑37一棟)

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の階 のみ のみ のみ のみ 2階 3階 3階

設計基準強度を下回った階

図‑2.2.3設計基準強度 を下回 った階の分布

川上 ら⁴⁾はある県の既存RC造学校校舎におけるコンクリー ト圧縮強度の分布 を調査 し､

低強度コンクリー トの分布の傾向をまとめた｡

その結果､以下のことがわかった｡

図‑2.2.4に設計基準強度別 にコンク リー ト圧縮強度の分布 を示す｡同図によ れば､圧縮強度の下限値は設計基準強度 によらず､13.5N/mm2以下のものは存在 し､最小値は 8.6N/m2であった｡

図‑2.2.5に 9期 にわたって施工され たある学校校舎 のコンク リー ト圧縮強 度の分布を示す｡同図によれば､75本 のコンクリー トコアの内､14本が低強 度 となってお り､内訳 としては 1959年 に施工されたものが 5本､1960年に施 工されたものが 4本､1965年に施工さ れたものが 4本 となってお り､この 3年 に集中していることが特徴である｡また､

1966年以降は建設年が新 しくなるほど､

コンクリー ト強度は大 きくなっている｡

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図‑2.2.4コンク リー ト圧縮強度の分布

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図‑2.2.5建設年別 コンク リー ト圧縮強度 坂巻 ら5)は関東地方 におけるコンクリー トコアを採取 した公立学校校舎建築物および官 庁舎建築物 1380棟 を対象にコンクリー ト強度の傾向をまとめた｡データ数は13197個であ

る｡

その結果 として以下の ことがわかった｡

(丑 設計基準強度の変遷

図‑2.2.6に設計基準強度 Fcに関する頻度分布 を示す.同図によると13N/mm2や 15 N/mm2の比較的低強度の設計基準強度は古い時代に多用 されてお り､1960年頃まで 20% 前後使用されている｡1970年代に入っても若干量は使用 されていたが､1975年以降は使 用されていない｡18N/mm2は1970年初頭まで広い範囲で多数用いられている｡1980年代 へ入ってか らはほとん ど使用 されていない｡21N/mm2の比較的高強度の設計基準強度は 1960年代初頭か ら徐々に使用 され､1970年代に入 り急激 に使用頻度 を高めている｡1972 年頃主要な使用頻度が 18N/mm2と入れ替わ り1970年後半は90%以上の使用頻度 となって いる｡

第2章 既往の研究 ‑7‑

② 圧縮 強度 の分布

図‑2.2.7に年代別圧縮強度 の散布 図を､図‑2.2.8にコンク リー トの圧縮強度比 を示 す ｡図‑2.2.7による と､圧縮強度 はバ ラつ きが極 めて大 きな物 となって いる｡図‑2.2.8

による と､1.3を中心 とした正規分布 に近 い形 を示 し､低強度 コンク リー トのデータ も少 な くない ことが分かる｡設計基準強度以下 の ものは2655個(22.7冗)で､13.5N/m2を下 回るものは803個(6.1冗)存在 した｡ さ らに 10N/m2を下 回るものは283個(2.1%)で､

設計基準強度 の 1/2以下の ものは 28個(0.2%)存在 した｡ また､低強度 コンク リー トは

1975年以降では大幅 に減少 し､時代が進む につれて ほ とん ど見 られな くなって いる｡

③ 単位容積質量 と圧縮強度 の関係

図‑2.2.9に単位容積質量γと圧縮強度 CBの関係 を示す｡ ここでは､単位容積質量が 求 まって いる 5737個 のデータの散布 図 となって いる｡ 同図によれば､両者 の関係は極 め てバ ラつ きの大 きな もの とな って いるが､回帰直線 oB‑32γ‑46とな ってお り､重量 が大 きい ものは どコンク リー ト圧縮 強度が大 きな値 とな る傾向 を示 した｡ また､単位容 積質量が2.3t/m3を超 えて いるものには低強度 の ものはほ とん ど存在 しなか った｡

④ 階 による分布

図‑2.2.10に同一建築物 にお ける階別 の圧縮強度 の分布 を示す｡同図によれ ば､同一 建築物 で 同一 の設計基準強度 ､ 同一会社 による施工 によるもので も､階が異 な る と大幅 に圧縮強度が異なる場合が あ り､特 に 1階が大 きな圧縮強度で､上階が低強度 の場合 も 少な くな い｡そ のため､1階のみの調査で上階の圧縮強度 も同一の値 とす る ことは危険側 の判 断 となる ことが考 え られ る｡

⑤ 工期別 の分布

図‑2.2.11に工期別圧縮強度 の分布 を示す｡ 同図によれば工期が異な る建築物では､

大 幅 に圧縮 強度が異な る場合が あ り､特 に多年度 にわた り増築 した場合 には同一階 にお いて もしば しば強度が異なる ことが あるので､各工期別 に圧縮強度調査が必要で ある｡

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図‑2.2.6設計基準強度の頻度分布

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図‑2.2.7圧縮強度 と施工年の関係

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図‑2･2.8コンク リー ト圧縮強度比 図‑2.2.9単位容積質量 と圧縮強度 との関係

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図‑2.2.10階別の圧縮強度の分布

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図‑2.2.11工期別の圧縮強度の分布

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第2章 既往の研究 ‑9‑

2.2.2最低圧縮強度 をFc=13.5N/mm2に定 めた歴史 的経緯

市橋 ら6)は､Fcを13.5N/mm2に定 めた歴史 的経緯 と して､過去 の論文 で､菱 田厚介 が ｢90

kgfの コ ンク リー トを使 ひ ま した時分 には応圧 強度 の 1/3まで とれ るので あ ります か ら､1 cm2に付 き30kgf以 上 の計算 強度 を持つ よ うな コンク リー トでな けれ ば使 えな いので あ りま す｣ と述べて いる｡ 注)市街地建築法施工規制第 102条 の2に安全率 を3として

最低9N/mm²,最高21N/mm²をとることが示されている｡

また建築雑 誌 1942年 3月号 の資料 ｢セ メ ン ト強度 試 験 方規 格 改 正 につ いて (浜 田稔)

pp.166‑168｣によれ ば､｢水 セ メ ン ト比65%にお いて 28日圧縮 強度 13.5N/mm2以下 の強度 を 与 え るよ うなセ メ ン トは忌 避 され るべ き もので ある｡悪 いセ メ ン トは結 局多量 に使 わね ば 強度 を得 る ことが不 可能 で あ り､ しか も極度 に これ を行 う ことは収縮 亀裂等 に も問題 が あ り､ また然 らず とも良質 のセ メ ン トを少量使用す る事 の方 が常 に経済 的で ある｡｣と述べて いる｡す なわ ち品質 の悪 いセ メ ン トを多量使 うことの不経済性 を Fc=13.5N/mm2を最低基 準強度 に定めた理 由 と して いる｡

これ らの記録 か らコ ンク リー トの最低基準強度 を Fc=13.5N/mm2と した ことは決 して､

力学的挙 動か ら決 め られ た もので はな く､戦時体 制下 で 品質 の悪 いセ メ ン トを多量 に使 う ことの不経済性 を考 慮 した 当時 の経済 的事情 か らきめ られ た ことがわ か る と報告 して いる｡

2.2.3低強度 コンク リー トの製造 方法 と力学的特性

谷 口7)らは低強度 コ ンク リー トを安定 して製造 で き､そ の力学 的性質 は把握す る 目的で､

最大 のセ メ ン ト水 比 を 65%と定 めた JISS5による水セ メ ン ト比 の算定式 を 110%まで外挿 し､気 中お よび封繊養生にお ける圧縮試験を行 った｡調合表 を表 ‑2.2.1に示す｡

そ の結果 ､以下 の ことがわか った｡

(9 圧縮強度

圧縮 強度 と水 セ メ ン ト比 の関係 を図‑2.2.6に示す ｡圧縮 強度 は水セ メ ン ト比が70110% にお いて は算定式 と良 く対応 してお り､10N/mm2程度 の低 強度 コ ンク リー トは製造可能で あ る とし､110%以上で は､算 定式 よ りも大 きな値 とな る ことが示 され た｡

② 力学特性

ヤ ング係数 と圧縮 強度 の関係 を図‑2.2.7に示す ｡ヤ ング係数 も 日本 建築学会 の鉄筋 コン ク リー ト構造 計算規準 によ る計算式が低強度 レベル にお いて も適用 で きる として いる｡

割裂強度 と圧縮 強度 の関係 を図‑2.2.8に示す.割裂 強度 も計算式が低強度 レベル にお い て も適用 できる として いる｡

圧縮応 力 ーひず み の関係 を図‑2.2.9に示す｡同図 によ る と､最大応 力 まで の応 力上昇域 にお ける勾配 は 同様 な傾 向 を示 し､最大応 力以降 の応 力降下域 は低 強度 の ものほ ど､緩や か に低下す る傾 向が示 され た｡

義‑2.2.1 実験調合

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図‑2.2.6 圧縮 強度と水セメント比の関係

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図‑2.2.8 圧縮強度 と割裂強度の関係

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図‑2.2.7 圧縮強度 とヤ ング係数の関係

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図‑2.2.9 圧縮応力 とひずみの関係

山本 ら⁸⁾は低強度 コンク リー トを製造す る 目的で､石粉【CaCO3]を混入 して､人工的 にセ メン ト強度 を低下 させ る手法 を用 いている｡調合表 を表‑2.2.2に示す｡

そ の結果､ コンク リー ト強度 に対す る石粉 の置換率 を式(2.2.1)と推定 した｡石粉置換率 P/Bと圧縮強度 の関係 を図‑2.2.10に示す｡

oB‑‑24.254･P/B+19.359 B:石粉量

P:結合材量,B=C+P

(2.2.1)

第2章 既往の研究 ‑ll‑

義‑2.2.2調合表

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図‑2.2.10 石粉置換率 と圧 縮強度の関係

川上 ら 4)は､水セ メン ト比 を増加 させ る方法 と石粉 を混入す る方法 につ いて､ 山本 ら6)

の示 した石粉 の置換式 を用 いて､水セ メ ン ト比 と石粉 の量 を変数 として実験 を行 った｡実 験 計画 を表‑2.2.3に､調合表 を表‑2.2.4に示す｡

そ の結果 ､以下 の ことがわか った｡

(丑 圧縮強度

実験結果 を表‑2.2.5に示す｡そ の結果 ､石粉 を混入せず､単位水量 を変化 させただけで は､空気 量やス ランプな どが不安定 で ある点か ら､安定 した製造 は難 しい事 がわか った｡

また､石粉 を混入す る方法では強度 ､ス ランプ､空気量 とも安定 した低強度 コ ンク リー ト を製造す る ことが可能で ある ことがわか った｡

図‑2.2.10に4週圧縮強度 とス ランプ とセ メン ト水比の関係 を示す｡ 同図か ら､若干強 度 の差 はあるものの 5‑15N/mm2のコンク リー トは式(2)によって推定で きた｡石粉 を混入 す る ことで得 られたコンク リー ト圧縮強度 とセ メン ト水比 C/W の回帰直線式 を式(2.2.2) に示す｡

CB‑17.919･C/W‑2.6371 (2.2.2)

② 力学特性

製造 された低強度 コンク リー トの特性 としては､図‑2.2.11に応 カ ーひずみの関係 を示 す ｡ 同図か ら､低強度 のコンク リー トは最大応 力度以降 も応 力度 は低下せず ､ひずみが増 加 し続 けた｡ この傾向は最大応 力度 が小 さいほ ど低下 しな い特徴 が見 られた｡ この ことか

ら,低強度 コンク リー ト程､見か け上､粘 り強 い壊れ方 をす る事がわか った｡

また､図‑2.2.12に圧縮強度 とヤ ング係数 の関係 を示す｡ 同図か ら､圧縮強度 とヤ ング係 数 の関係 は式(2.2.3)のように示 され､21N/mm2以下の範 囲では実験値 に対 して､大 き く評価 す る傾向が示 された｡

Ec‑0.0684･oB+0.7383 [×104N/mm2] ^(2.2.3)