正 負交番荷重 を受 ける鉄
コ ンク リー トは りの
力学的挙動 に
す る研究
西林
新蔵
*・矢村
潔
・
*・吉野
公
*(1982年6月17日受理)
[echanical BehaviOurs of Reinforced Concrete Beams
Subjected to Repeated Reversed Load
by
Shinzo NIsHIBAYASHI*,Kiyoshi YAMURA半 *,Akira YosHINO*
(Received」une 17,1983)For the progress of research and design related to performance of concrete structures in seismic zones, it is necessary and much irnportant to ciarify the behaviours of concrete members subjected to the repeated reversed loading. In this paper,an experilnental investigations on the mechanical behaviours of reinforced concrete beans subiected tO the actions of repeated reversed large deformations The main factors addopted in this experirnental Mァ orks, are the mattitude ofthe deflection ttbjected to the mid span of the beams,reinforcement ratio and the amOunt of the shear reinforcement
Repeated rev∝sed ioading test of the reilaforced cOncrete beams contrOned by the ■lid span deflection, M′ ere caried out The late of damages 、vhich 覇′ere carried through the cyclic actiolas,relatioras betM/een ioad and deformations,and mechanism and the pattern Of shear failures、 vhich is developed suddenly during cyclic loading,are discussed
筋
関
1. `よじ V》 に 過去の種々の強震記録からも明 らかなように
,強
震時 に土木構造物の応答が塑性域に及ぶのは避けられないこ とであるPそ
こで,鉄
筋 コンクリー ト構造部材の強震時 における挙動 を把握するための最 も基本的な状態として, いわゆる降伏点を越えて塑性域まで及ぶ大変形を受ける, 正負交番繰返 し荷重を受ける,の
2点 について検討 して ・ 土木工学科 Department of Ci I Engineering 料海洋土木工学科 Departmest Of Ocean CivJ Elagineering
い くことが必要 であ ろう。 とくに鉄筋 コンク リー ト構造 で この ような状態の もとで問題 となると考 えられるのは, 塑性域 にお ける変形能力
,す
なわ ち破壊 に至 るまでの じ ん性 の程度,さ らに きわめてぜ い性的な破壊形態 であ る 斜 ひびわれの進展 に伴 うせん断破壊現象があげられ よう。 本研究 は以上の観点か ら,鉄
筋 コンク リー トは りが降 伏点 をはるかに越 えるような正 負交番繰返 し大変形 を受ける状態での劣化の進行の様子
,さ
らには破壊性状等の 力学的特性に関 して,主
として実験 を通 して検討 し,鉄
筋 コンクリー ト構造部材の耐震性 を明 らかにしてい くた めの基礎資料を得ることを目的 とするものである。2.実
験 計 画 お よび実 験 方 法2.1
実験計画 本実験で採用 した主たる要因は,主
鉄筋量,せ
ん断補 強筋 (腹鉄筋)量 ,繰
返 し載荷 における振幅である。そ れぞれの要因および水準の組み合わせをTable Iに示す。Table I Test program
Specinen RehfOrcement StFntp repeatedLevel defにctbttm) USed baF Ratto(%) Used bar
`mm) Space (cm) R13-1 D13×4 p‐p′ =123 6 ±5,■ 10,■ 20 R13-II 6 R13-11 6 R13-Ⅳ R16-I D16×4 =192 9 ±5,± 10,± 20 R16-Ⅱ 6 R16-II 6 R16-Ⅳ R19-1 D19X4 p=p′ =278 9 ±5,■ 10,■ 20 R19-―Ⅱ R19-Ⅲ 6 12 5 R19-W 表中のせん断補強筋量は以下の通 り決定 された ものであ る。すなわち,それぞれのは りの曲げ終局耐力を算定 し, その時に生 じるせん断力に耐える腹鉄筋量を土木学会
RC
標準示方書の規定か ら求めた ものが供試体記号の末尾が 1に相当するものである。 ■,Ш
は腹鉄筋量がそれぞれ Iの60%,30%に
相当する。 供試体の大 きさは,断
面が幅 12 5cm,高 さ20 cm(有 効高さ 〃=16.5 cm,プ=3.5 cm),長 さ 170卿 の複鉄筋矩 形 はりである。 また,そ
れぞれの断面条件のは りについ て別に一方向載荷試験を行い,降
伏強度,降
伏たわみ, 終局強度,終
局たわみ等 を測定 した。 この供試体 につい ては,供
試体記号を Table I中 の対応する供試体の最初 の Rを 省いて表わす ことにする (例えば13-I等)。2.2
使用材料 コンクリー トには普通ポル トランドセメント,砕石(最 大骨材寸法:20 null),川砂 を使用 した。 試験時材令にお ける圧縮強度410 1cg/ば,割 裂引張強度30 kg/cnF,ヤ ング 係数 316×105kg/∬程度であった。 主鉄筋 には φ13 nun,φ 16 mln,φ 19 mn,の SD 30異形 棒鋼 を使用 した。 腹 鉄筋 には φ6mn,φ 9mmの SR 24普 通丸鋼 を使用 した。2.3
実験 方法 載荷試験 はアムスラー型耐圧試験 機 を用 い, スパ ン長 150cmの 3等分点載荷 で行 った。 まずスパ ン中央変位が 所定 の変位水準 に達す るまで変位 を増加 させてい き, し かる後除荷 を行 う◎完全 に除荷 を行 った後 に残留変形量 等 を測定 し,続
いて供試体 を支点上 で反転 させ ることに よって逆方向載荷 を行 った。 そ してスパ ン中央たわみが 最初 の位置か ら逆方向 に所定 の変位水準だけたわむ まで 逆方 向の載荷 を行 い,再
び除荷 す る。以上 を1サイクル として数サイクルの繰返 しを行 った。 その間,適
当な間 隔毎 に載荷反力,ス
パ ン中央たわみ,載
荷点たわみ,せ
ん断 スパ ン中央 たわみ,鉄
筋 ひずみ等の測定 およびひび われ の進展状況 の観察 を行 った。 なお,載
荷 試験 は コ ンク リー ト材令5∼10週で行 っ た。載荷試験装置の概略 をFig。 1に示 す。Fig.l Testing arrangement
3.実
験 結 果 と そ の 考 察3.1 -方
向載荷試験 正負交番繰返 し載荷試験 に先 だって行 った一方向載荷 試験 の結果 をまとめてTable Hに示す。表中の曲率 は載 荷点たわみ とスパ ン中央 たわみか らモーメン トスパ ン内 での曲率が一定 であ る と仮定 して算定 した ものである。 またFig.2に Iシリーズの供試体 についての荷重∼ スパ ン中央 たわみ 曲線 を示 す。本実験 で は16-Ⅳ,19-Ⅳ
シ リーズが引張鉄筋 の降伏前 に斜 ひびわれによるせん断破 壊 を生 じ,そ
れ以外 はすべて曲げ破壊 を生 じた。 本実験 ではすべての供試体 が引張鉄筋 と同量の圧縮鉄 筋 を有 してい るため,単
鉄筋断面 と比較 して終局時の変佐
畑
Tablc II. Test results of oneside loading test
*F:Fにxure Famule s i shear`a』 ure
19-I 16…I ,3-1 x:uiumα te point Deftection 5
Fig.2 P―
δ Curves 形量がかな り大 き くなっている。 また上縁部 コンク リこ 卜の圧壊後 も急激 な耐力の減少 はみ られず,む
しろ一時 的に減少 した耐力が変形の増加 につれ て上昇 してい く傾 向にある。 これ は,圧
縮部 コンク リー トの圧壊後 で も, 圧縮鉄筋が圧縮力 を受 けもち,か
つ引張鉄筋,圧
縮鉄筋 共 ひずみ硬化領域 に入 って応力が増大 して くるため と考 え られ る。本 実験 で はスパ ン中央 たわみが約3011111で載 荷 を中止 してお り,場
合 によっては最大耐力 は もっ と大 き くなる可能性 もある。いずれ にして も多量 の圧縮鉄筋 の存在 は,は
りの じん性の向上 に大 き く寄与 してい るこ とが明 らかである。過去 に行 った同 じ断面で圧縮鉄筋 を 有 していない場合 と比較 して,19シ リーズで終局時曲率 で約50%の
増加が認 め られた? 本実験 の結果 を参考 に して正 負交番繰返 し載荷試験 に お ける変位水準 を5 mll(降伏点変位附近),′ 10 Hull(19シ 鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第14巻
A
B
C
D
●Type A ▲Type B ■Type C O Type D リーズにおける終局変位),20 aull(13シ リーズにおける 終局変位)と定 めた。3.2
正負交番繰返 し載荷試験3.2.1
破壊性状 正負交番繰返 し載荷 にお けるせん断による破壊形式 を 分類す ると 最初の載荷 で降伏点 に連す るまでにせん断破壊 す る (静的せん断破壊)。 降伏点 を越 えて塑性領域 に入 った後繰返 し振幅 に 達す るまでにせん断破壊 す る。 逆方向載荷 あるいは繰返 し載荷途 中でせん断破壊 す る。 所定 の繰返 し回数内 には破壊 しない。 ︵ 石 こ これ らの破壊形式で耐震上 問題 となるの は特 にB,C
についてである。すなわち,Bは
曲げ破壊 の場合 よ り塑 性変形能力 を減少 させ る ものである し,Cは
繰返 し載荷 に対 してはせん断耐力が曲 げ破壊耐力 よ りも相対的に低 くなることを示唆 してい る ものであ る。 本実験 での主 たる要因で ある鉄筋比,繰
返 し振幅,腹
鉄筋量 を3次元立体 モデルで表わ し,そ
れぞれの供試体 のせん断破壊形式 を示 す とFig.3のようになる。この図 か ら,鉄
筋比 の減少,腹
鉄筋量 の増大,繰
返 し振幅の減 ５ ０ ぞ Ｅ ︶ Ｓ Ｅ ！ も ▼ ０ と 留 も 憲 ヨ R野 心 物 Ｓ ｐ ｅ 配 Ｙｉｅ︲ｄ ｉｏａｄ でｔｏｎＪ (ton) Curvature (X10 1cm l) ｆｉｅｃｔｉ くｍｍ， だ 雌 勺 ｏＦ 節 ULima散 JIinab 一 一 一 一 一 一 儀 ９ 一 ７８ ４４ ・ 一 一 一 ︲３ ︲３ ︲３ れ 細 一 ２ つ ・ 胡 瀬 一 ５ お 一少 と共 に
,破
壊性状 がA→
B→C→
Dと移行 する傾 向が み られ る。 繰返 し載荷 によるせん断破壊 の進行状況 に関 しては後 述する。3.2.2
荷重∼変形 曲線 交番繰返 し載荷試験 にお ける荷重∼ スパ ン中央 たわみ 曲線 をIシリーズについてng。4に示す。これ らの図か ら次のような特性 を認 めることがで きる。すなわ ち, ま ず最初 の載荷 で降伏 し変形が増大す る領域 は先 の一方向 R19‐I 6f=5mm 令 ξ ９ ︶ Ｑプ
λ
201510M
２。． 市 ｍ ・ ︲５ ｔ ， ︲０ ﹄Fig,4 P― δ curves of repeated reversed
loading test (a)I-20 serics
Fig。 4 P―δ curves of repeated reversed
loading test (b)R19-I series 載荷 と同 じである。次 に除荷 す ると載荷時 とほぼ同 じ傾 きをもってループを描 き
,し
たが って荷重が0の時点 で ほぼ載荷時 に生 じた塑性変形量 に相 当す る残 留変形が残 る。次 に逆方向載荷す る と変形が増力日す るにつれて曲線 が除々 に傾 いて くるが,当
初 ほ ど降伏点が明確 に表われ ない。 この傾 向 は変位水準が大 きいほ ど,鉄
筋比 が小 さ いほ ど顕著 である。以後,除
荷2回目以降 の繰返 し載荷 によって,曲
線 は紡錘形ルー プを描 きなが ら若干 ではあ るがループの大 きさを小 さ くす る傾 向が あ り,そ
の間で のエネルギーの消費が認 め られ る。 なお,荷
重∼ スパ ン 中央 たわみ関係 における腹鉄筋量の影響 は,せ
ん断破壊 を生 じるご く近傍 を除いてほ とん ど認 め られなか った。 次 にモーメ ン トスパ ン内のモーメ ン ト∼ 曲率関係の一 例 をng.5に
示す。この図か らも明 らか な ように繰返 し 変位水準がそれほど大 き くない場合,除
荷 か ら逆載荷 に 移 るループの中に逆S字
形状 を呈 す る傾 向がわずかに認 め られ る。 これ はピンチ効果 と呼 ばれ る もので,除
荷時 か ら逆載荷 にか けて最初の載荷 で入 っていた曲げひびわ R19-1 δc=10 mm全 抑
︶
﹂ ／
〃
方
刊
亮
Z≒mm) 0 R13-1 品=20mm
全 ｃ ９ ︶ に R16-1 洗=20mm
令 Ｅ ｏ ︸ ︶ に一 の 工 蝉 〇 一 ｘ ︶ ｍ ｍ ６． 曳
10 20
φ (xl σ4c謂) れが閉 じ,コ
ンクリー トの圧縮力が回復するため断面剛 性が大 きくなることによる。繰返 し変位水準が大 きくな ると,塑
性変形量が大 きくな り,ま
たひびわれ幅 も大 き くなるので,逆
載荷時にひびわれが閉 じな くなるために このような現象は表 われないP本
実験で大部分の供試体 でこのピンチ効果が明確に表われなかった原因としては, 変位水準が大 きいこと以外 に,圧
縮鉄筋量が引張鉄筋量 と同量であったこと,ひ
びわれ附近での鉄筋 とコンクリ ー トの付着が破壊 され鉄筋の抜出しがあったこと等によ るもの と考えられる。3.2.3
繰返 し載荷 における荷重減退 Hg。6は Iシ リーズについて繰返 し載荷における各上 限での荷重の減退率 鳥/P。 (η 回目の繰返 し上限での荷 重 (鳥)の
1回 目の所定の変位水準時の荷重 (P。)に
対 する比)と 繰返 し載荷回数の関係を示 したものである。 この図から明 らかなように荷重減退は,正
方向載荷の1 回目と2回 目にほとんどが生 じてお り,逆
方向載荷ある いは 2回 目以降の正方向載荷ではほとんど進行 していな い。 また減退率は鉄筋比が大 きい場合は繰返 し振幅が大 きいほど」ヽさくなる傾向が認められる。 このような傾向 か ら判断して,こ
の荷重減退の原因 としては,コ ンクリ ー ト自体の劣化よりもむしろコンクリー トと鉄筋の一体 性の劣化すなわち付着破壊の進行に伴 うゆるみと考える ことができる。 鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第14巻
Fig.5
フ豚―φ curves, 5 4 3 R16-Π 帆=10mm
Ｅ 一 ⑭ ざ ９ も 、 くφ
(xlσ推 Ⅲ
2945
(CyCte) 先=5mm
3.2.4
せん断破壊 の進行 先に も述べたように本実験 で正負交番繰返 し載荷途 中 で斜ひびわれの進展 に伴 う急激 な耐力の減少すなわちせ ん断破壊 を生ず る供試体 が い くつかみ られた。 これは, 静的には曲げ破壊が卓越 していて も,繰
返 し載荷 を受 け るとせん断破壊が卓越 して くる場合があることを示す も のである。本来 いわ ゆるせ ん断破壊 は曲げ破壊 と比較 し てきわめて急激でぜ い性 的な破壊形態であ り,鉄
筋 コン クリー ト構造 の破壊形態 としては,極
力避 けるべ きもの である。 したが って本実験 で認 め られた ような現象 は, 鉄筋 コンク リー ト構造の耐震性 を検討 してい く上で きわ めて重大 な問題 を含 んでいる。Hg.7に
繰返 し載荷途 中 でせん断破壊 したは りのひびわれの進展状況 を同一の鉄 筋比,繰
返 し振幅条件 で腹鉄筋量が大 き く最後 まで破壊 しなか ったは りのそれ と対比 して示す。 この図か ら両者 のせん断スパ ン内にお けるひびわれ性状が大 き く異 るこ とがわか る。すなわ ち,十
分 な腹鉄筋 を有 する場合 は, せん断 スパ ン内のひびわれ も引張縁か らほぼ垂直 に発生 してお り,ま
た支点附近 にはひびわれが発生 していない のに対 し,腹
鉄筋量の少 い場合 には,載
荷点 と支点附近 を結ぶ斜 ひびわれが はっき りとみ られ る。 これ をさらに 逆方向載荷す る と前者 はスパ ン直角方向の曲げひびわれ が逆方向か らも発達 し連続 す るだけであるのに対 し,後
者 は逆方向か らも斜 ひびわれが発生 し,は
り高中央附近 で交叉す る。 そ してさ らに繰返 し載荷 を続 ける と交又 し た斜 ひびわれの長 さ,幅
とも拡大 しやがて破壊 に至 る。 最近 の研究 を通 して,鉄
筋 コンク リー ト構造部材 にお ける斜 ひびわれ発生後 のせん断力 は,い
わゆるせ ん断補 強筋以外 に圧縮側 コンク リー ト,ひ
びわれ面 にお ける骨 材のかみ合わせ,主
鉄筋の ほぞ作用 によって も分担 され ていることが 明 らかにな りつつあるPそ
れが本実験のよ うに正負交番大変形 を受 ける場合 には,ひ
びわれ幅の拡 大 による骨材 のかみ合わせ作用の低下,さ らには逆載荷 時の曲げひびわれが圧縮側 コンク リー トにすでに入 って お り,そ
れが斜 ひびわれ とつなが って圧縮側 コンク リー トで保持 され るせん断力の低下等 に よって,は
りのせ ん 断耐力が低下 して くる もの と考 えられ る。なお本 実験で は,斜
ひびわれが急激 に拡大 しせん断破壊 に至 る前兆 に 関 しては,荷
重∼ たわみ曲線,モ
ーメン ト∼ 曲率 曲線, 繰返 し載荷 による上限荷重の減退の様子面 を通 して も破 壊直前 まで予測す ることは困難 であ った。4.結
び 本研究では鉄筋 コンタ リー ト構造部材の耐震性 を検 討 す る基礎資料 を得 ることを目的 として,正
負交番繰返 し の大変形 を受 ける状態での力学的挙動 を実験 によって把 握す ることを試 みた ものである。以下 に本実験 で得 られ た結果 を とりま とめて列挙 し本論文 の結 び とす る。 (1)引張鉄筋比 と同量程度の圧縮鉄筋 を有 してい る鉄筋 コンク リー ト断面で は,圧
縮鉄筋のない単鉄筋 断面 と比 較 して,曲
げ破壊時 の塑性変形能力が大幅 に増加 す る。 鬱)正
負交番繰返 し大変 形 をうける鉄筋 コンク リー トは りの荷重∼ たわみ曲線 は,処
女載荷領域 を除いて紡錘形 のループを描 き,降
伏点がそれ ほ ど明確 でな くなる。 ま た繰返 し回数 の増加 と共 に紡錘形ループは若干小 さ くな って くる。 僧)繰
返 し変位水準が小 さい場合,モ
ー メン トスパ ン内 でのモーメン ト∼ 曲率曲線 でいわゆるピンチ効果が一部 Nと4:こ
,お
煮
:(rΥ
凸∵
7(く
の供試体 で確認 された。 は
)繰
返 し載荷 に よる各上限での荷重減退 は,正
方向の 1回目 と2回目の間でその大部分 が生 じてお り,そ
れ以 降の繰返 しによっては,ほ
とん ど減退 しない。 ⑤ 静的には曲げ破壊 を生ず る状態 で も,交
番繰返 しの 大変形 を受 ける と斜 ひびわれの交叉,拡
大 によって繰返 し途 中でせん断破壊 を生 じる状態 が確認 された。 これ は 繰返 し載荷 によってせん断耐力が相対的に曲げ耐力 よ り 大 き く低下す ることを意味する もので,鉄
筋 コンク リー ト構造部材の耐震問題 を考 えてい く上 で きわめて重大 な 問題 といえる。 以上 が本実験 を通 して得 られた具体 的現象であるが, 今後,鉄
筋 とコンク リー トの一体性 の劣化の定量的な把 握,お
よびせん断破壊 に至 るメカニズムの定量的把握 を 進めてい くことが きわめて重要であろう。 最後 に本研究 を遂行 してい くにあたって多大の協力 を 賜 った鳥取大学工学部土木工学科材料研究室,海
洋土木 工学科海洋材料学研究室 の諸氏 に対 し感謝 の意 を表す る 次第である。 鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第14巻
223 参 考 文 献1)尾
坂芳夫: 1978年
宮城県沖地麗後 におけるコンク リー ト土木構造物 の耐震対策,コ ンク リー トエ学,Vo1 20,No 9,昭
和57年9月.2)西
林新蔵,矢
村 潔 他:
大変形 を受 ける鉄筋 コン ク リー トは りの力学的挙動 に関す る研究,鳥
取大学 工学部研究報告,第
■ 巻,
ユ号,昭
和55年10月.3)Robert Park, D. C Kent, R. A Sampson :
Reinforced Concrete W【 embers llrith Cycling
Loading,」 our of th StructuraI I)ivision,ASCE 」uly, 1972
4)檜
貝勇:鉄
筋 コンク リー ト部材の諸性状一 せん断 一般―,一
アメ リカにおけるせん断の研究― ,コンク リー トライブラ リー34号
