CFRP 補強コンクリートはりの曲げ強度試験と解析
日大生産工 邉 吾一 日大生産工（院） ○齋藤 一真
1. 緒言
耐震設計が見直される昭和 53 年以前に建てら れた戸建住宅の基礎には鉄筋が入っていない無 筋コンクリート基礎を使用している可能性があ る．建築物の基礎とは建物と地面の間にある建物 の荷重を地盤に伝える重要な構造部材である．無 筋コンクリートを基礎に使用していると，大地震 等で倒壊する危険があるため，基礎には高い強度 やエネルギ吸収率が必要となる．
コンクリートは圧縮強度と比較して引張強度 は 1/10 程度しか得る事ができない性質がある
1)． そこで，引張強度に優れている炭素繊維強化プラ スチック(以下CFRPと記す)を用いて補強するこ とで， 引張強度にも優れた CFRP 補強コンクリー トの開発を目指した．
本研究では，コンクリート単体の機械的特性を 調べるために圧縮試験を行った．そして，作成し た試験体を曲げ試験することにより機械的特性 を調べた．
CFRP 補強コンクリートはスリットを入れた 無筋のコンクリートに CFRP 帯板を入れ， エポキ シ樹脂を注入することで CFRP を固定させ作成 した．また，有限要素法用いて解析を行い，メカ ニズムについて言及する．
2. 圧縮試験
コンクリートの機械的特性を調べるために圧 縮試験を行った．
試験体は高さ 200[mm]，直径 100[mm]の円柱
であり，合計 6 本試験した．
コンクリートの調合を Table.1 に示し，圧縮試 験の結果の一例を Fig．1 に示す．
得られた結果を Table.2 に示す．
6 本の平均として，圧縮強度は 22.78[MPa]，最 大 ひ ず み は 0.203[%] で あ り ， 弾 性 率 は
Table.1 コンクリート調合
Bending Strength Test and Analysis of Concrete Beam Reinforced with CFRP
Goichi BEN and Kazuma SAITOH
Fig1. 圧縮試験の応力−ひずみ線図
Table.2 コンクリート圧縮試験
20.22[GPa]であった．ただし，弾性率は最大荷重 の 1/3 に相当する応力と，ひずみが 50×10
−3[%]
のときの応力とを結ぶ線分の勾配として算出し た．
3. 4 点曲げ試験 3.1 試験体
CFRP 補強コンクリートは Fig.2 に示すように 無筋コンクリートにスリットを入れ，そこに CFRP 帯板を挿入，エポキシ樹脂にて固定した試 験体である．
Fig.2 CFRP 補強コンクリート
ここで使用したエポキシ樹脂は JIS A 6024 「建 築補修用注入エポキシ樹脂」に準じた．主剤をビ スフェノールＡ型エポキシ樹脂，硬化剤を変性脂 環式ポリアミンとしたエポキシ樹脂接着剤であ る．また， CFRP の樹脂は主剤をビスフェノール Ａ型エポキシ樹脂，硬化剤を芳香族ポリアミンと したエポキシ樹脂，炭素繊維は PAN（ポリアク リロニトリル）系高強度炭素繊維をそれぞれ用い，
引抜成形にて製作した CFRP 帯板である．
試験体の CFRP 挿入位置は， Fig.3 に示すよう，
「下側補強」 ， 「中心片側補強」 ， 「上下補強」 ， 「中 心両側補強」とし，さらに無筋コンクリートも用 意した．
コンクリートの各寸法は，長さ 1200[mm]，幅 120[mm]， 高さ 300[mm]， スリットの幅 30[mm]，
スリットの高さ 3[mm]とし， スリットを入れる位 置は下側補強，上下補強は下端もしくは上端から 60[mm]とし，中心補強の場合はコンクリート高 さの中心である 150[mm]の位置にいれた．また CFRP 帯板の寸法は厚さ 1.2[mm]，幅 25[mm]
とする．また，CFRP 帯板の物性値を Table.3 に 示す．
3.2 試験条件
Fig.4 に 示 す よ う に 試 験 体 を 支 点 間 距 離 1000[mm]，支持点直径 70[mm]の上に乗せ，荷 重点間距離 333[mm]である冶具を試験体の上に 乗せた．さらに支持点，荷重点にコンクリートへ の食い込みを防ぐために長さ 100[mm]の平板を 付けた．
試験体長さの中心にダイヤルゲージを置き，た わみを測定し，試験機のロードセルにより荷重を 測定した．また，Fig.5 に示すように，ひずみゲ ージを試験体の底と CFRP が補強されている面 と反対側の側面（両側補強の場合は片面）に取り 付けた．
Fig.5 ひずみゲージの位置 Fig.3 試験体の断面
Table.3 CFRP 物性値
Fig.4 試験概要
3.3 試験結果
結果の一例として，Fig.6， Fig.7 に無筋コンク リートと下側補強したコンクリートの荷重−変 位線図を示す．
無筋コンクリートは変位と比例して荷重が増 えていることがわかる．そして， 0.12[mm]
41.9[kN]で引張応力が働く下面からクラックが 入り，曲げ破壊をした．一方，下側補強したコン ク リ ー ト は 無 筋 コ ン ク リ ー ト が 破 壊 し た 38.0[kN]付近にてクラックは入るものの，その後 も荷重を受け持ち，最終的には 22.05[mm]，
119.2[kN]となった．破壊様相の一例を Fig.8 に 示す．
Fig.8 下側補強コンクリート破壊様相 無筋コンクリート同様下面からクラックが入 るものの，クラックが斜めに入っていることから 引張破壊の他にせん断破壊もしている．また，無 筋コンクリートはクラックが下面から入ると同 時に上面まで達し，はり全体の破壊に至るが，補
強されているコンクリートは徐々に下側からク ラックが進展していき，破壊に至るのは，上面に て圧縮破壊し，荷重を受け持たなくなるときであ った．
さらに「中心片側補強」の破壊様相を Fig. 9 に 示す．
Fig.9 中心片側補強コンクリートの破壊様相
中心片側補強に限り， CFRP が補強されていな い側面に折れ曲がる変形を起こしていた．
補強されている試験体の比較を Table.9 に示す．
補強されている試験体はほぼ同様な荷重−変 位線図を画いたが， 「中心片側補強」は他と比べ 変位は同等だが，受け持つ荷重が低かった．要因 として，上記のように中心片側補強のみが，面外 に変形していることが挙げられる．
さらに，荷重−変位線図の面積を求めることに より，試験体が吸収したエネルギを算出した．
結果を Table.10 に示す．
Table.9 曲げ試験の結果の比較
Fig.6 無筋コンクリート荷重−変位線
Fig.7 下側補強コンクリート荷重−変位線図
結果を比較してみると「下側補強」と「上下補 強」が他と比較して高い値を示していることがわ かる．
以上より，中立軸から離れた位置にあり，引張 応力が働く下面に CFRP が補強されている補強 コンクリートが優れていることが示された．
4. 有限要素法による解析 4.1 FEM 解析モデル
解析には汎用有限要素法プログラム「ANSYS 11.0」を使用した．試験体は全てソリッド要素と し，コンクリート部は 3 次元コンクリートソリッ ド(SOLID65)， CFRP 部は 3 次元積層構造ソリッ ド(SOLID185)を用いた．モデルは 1/2 対称拘束 モデルとし、破壊基準はコンクリート， CFRP 共 に最大応力説を用いた．使用した材料物性値は Table.3，Table.11 に示す．
Fig.10 FEM 解析モデル
Table.11 コンクリート物性値
4.2 FEM 解析モデルの有用性
上の条件より，解析した結果と実験結果を比較 する．
まず無筋コンクリート変位−荷重線図の比較 を Fig.11，Table12 に示す．
無筋コンクリートの強度に関しては，一致して いるが，剛性に関しては検討する必要がある．
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14
変位[mm]
荷重[kN] 解析
無筋2
