KiyoshiMURAKAMI,ToshioURANO,YoShiyukiMITSUI
andTakahiroSIGAKI
の断面算定に常用されている,平面保持を仮定した曲 げ解析は,計算の簡便性や,これまでの実繍など,従 来のRC梢造股計との整合性の点から,破壊力学より
も方法融としての一般性があるものと考えられる・
そこで,本研究では,SFRCの引彊特性の寸法効果 を曲げ解析により定戯化し,その妥当性を実験的に検 証することを目的とする。その方法鯖は,次のとおり である.1)実験的に求めることが難しい引張応力一 ひずみ関係を,曲げ賦験による荷重一変位曲線の測定’
値と曲げ解析による計算値の一致から逆推定する手法 を提示する.2)引頚応力一ひずみ関係の寸法効果則 を破壊力学概念により醗導する。3)本手法の妥当性 を寸法の異なる梁の曲げ鼠U験により実験的に検証する●.
匠論 文
鋼繊維補強コンクリートの引張特'性の
寸法効果に関する研究
上 聖 * ・ 浦 野 登 志 雄 * * 井 宜 之 * * * ・ 志 垣 隆 浩 … * 村
一一一
StudyonSizeEffectofTensileCharacteristics
ofSteelFiberReinforcedConcrete
2..1曲げ解析による引張応力一ひずみ関係の推定 以下に,本手法の概要を示す.
1)解析の仮定
本解析では,次の仮定を設ける.
①平面保持が成り立つ.
②SFRCの圧縮応カーひずみ関係には,次式の PopovicS式を用いる.
1 . 序 論
コンクリートの引喪特性は,鉄筋コンクリート(RC)
構造物の断面股計では無視されているために,その寸 法効果が股計で特に問題になることは少なかった.し かし,RC部材のひびわれ発生荷重の算定や,斜張力に よるコンクリートの斜め引張ひびわれに起因するせん.
断耐力の算定では,引張強度の寸法効果が問題になり,
従来の実験に基づく経験式に代わる,より合理的な理 競式の確立が望まれている.この方面では,破壊力学 に基づく股尉規準式の導入が計られつつある.
また,鋼繊維補強コンクリート(SFRC)のように,
引彊特性を十分に股計に期待できるような材料の楠造 物への適用に関しては,引張特性の寸法効果の定量化 が重要な陳題であり,この方面でも破壊力学に基づく.
方法磯の展開がなされている。しかし,RC梁.柱部材
2 . 解 析 方 法
建築学教室
八代工業高等専門学校 建築学教室
平成5年9月6日受付
・ 助 教 授 工 博
. . c 助 手 工 修
… 教 授 工 博
… . 九 州 電 力 ㈱ 工 修
蓋言=当総と万………………………………(1)
ここに,ぴ:(圧縮)応力,e:(圧縮)ひずみ,fb:圧 縮強度,E・・:強度時のひずみ,n:実験定数もここで,
実験定数nは,圧縮応カーひずみ関係の測定値を Popovics式に当てはめて,非線形回帰により求めた.
③SFRCの引狼応力一ひずみ関係は,引狼強度時 まで線形弾性とみなす.ただし,引張強度には,割裂 引喪強度を直接引喪強度に換算した値を用いた.換算 式には,次式を用いた').
f《=1.81fbt1.7,4……;・…・………(2) ここに,f:直接引狼強度,fbt:割裂引張強度6
④変位の計算は,曲げを受けるRC部材の変形計 算でよく利用されている塑性ヒンヂ域の仮定に準じる.
2)解析方法
① 中 立 軸 位 匝 の 計 算
中立軸高さ(Xn)は,軸方向の力の釣り合いより,圧 縮合力(C)と引張合力(T)が許容誤差の範囲内で一 致するように,反復計算により求めた.ここで,C,T はそれぞれ次式により与えられる.
C 号 = 脂 . . . 。
………・…………・……・………(3)
T 。 学 ‘ . = ; 。
ここに,b:梁幅,d:梁せい,‘:曲率[=Eヒ/(d
-xn)],壁:圧縮縁ひずみ[=‘・xn],&:引彊縁ひず み.
②曲げモーメント,荷重の計算
中立軸に関するモーメントの釣り合いより,曲げモ ーメント(M)は,次式により与えられる.
M 器 ; = 『 j (
. . 。 . 匿 d 十
ノ;‘ぴ・EdE)…・………。.…(4) また,3点曲げの場合,荷重(P)は,次式により与え られる.
P=(4/L)M………・………・…・……(5) ここに,L:スパン長さ.
③峨荷点変位の計算
解析の仮定④により,戦荷点変位(6)は,以下に示す ように与えられる(図-1参照).
6=&+6b………(6) ここに,6b:弾性変位,6b:塑性変位.
&=(正/12)‘。.…・………..…(7) ここに,‘。:弾性曲率[=(M/Mb)do],Mo:弾性限モ ーメント[=Z.fヒ],Z:断面係数[=b・d2/6],‘・:弾 性限曲率[=MO/(E・I)],E:ヤング係数,I:断面2
次モーメント[=b・d2/12]、
6b=(L/4)4………(8) ここに,外:塑性回転角[=。p・Lp],‘p:塑性曲率[=
‘一do],Lp:塑性ヒンヂ域の幅.
以上の計算では,あらかじめLpを与える必要があ るが,それを直接実験的に求めることは困難であるの で,ここでは,&-6関係の測定値と計算値の一致が最 適になるようにLpの値を選定した.図-2に,本解析 のフローチャートを示す.
ア
‐l|、
| 正
の分布
○ 日 巾
曲 率
図-1塑性ヒンヂ域の仮定による変形計算
k - 4 L ,
削眺
ムハxlW造租
8tを与える
2.2引張応力一ひずみ関係の寸法効果則の溺導 いま,、仮想ひびわれモデルを考える.そのモデルに おける引頚軟化曲線下の面積はJ秋分を表し,次式で 与えられる.
J=ソげぴdの..……・……….。……・………(9) ここに,J:J稜分,ぴ:結合応力あるいは引彊応力,
α:ひびわれ開口変位(CrackoPeningdisplacement,
COD).
ここで,ある基準試験体に対する相対比(寸法効果)
をRを付けて表示すると,式(9)より,
図-2引張応力一ひずみ関係推定のフローチャ
‘-ト
Lpを仮定
議瓢垂IJ亜n
f t
YES
侭僅韻而
0
い い。C O D 図--3引張軟化曲線の寸法効果
RJ=Rぴ・Ra…・…j..………・……・(10)
J秋分に寸法依存性がない,即ちRJ=1とすると,
Rぴ・Ra=1
.……・…………・………(11)
...Rの=1/Ro
式(11)は,引張応力が寸法効果により小さくなると
(Rびく1),CODはRぴの逆数で増加することを意味 している(図-3参照L
CODは,破壊進行領域あるいは塑性ヒンヂ域内部の マイクロクラックの開口変位の総和とみなせるから,
CODは,塑性ヒンヂ域の幅方向のマイクロクラックの 発生燈ひいては塑性ヒンヂ域の幅に比例するものと考
えられる.即ち,
のocLp…・………・・……(12)
これに関しては,Hu&Wittmannらも同様の見解を 示している2).また,個々のマイクロクラックの開口変 位は,線形弾性破壊力学に従えばう応力拡大係数ひい てはぴに比例するので,
⑳。cぴ・LP…………・………・………・……(13)
従って,
Ra=Rぴ・RLp………・……・………・(14)
式(11),(14)より,
R L ,
=
南 … … … … … … … … … … … … … … ) 5 1 (
式(15)は,引張応力が寸法効果により小さくなると,
塑性ヒンヂ域の幅は,Rぴの2乗の逆数で増加するこ とを意味している。
また,
α=Lp・Ep………・………・…………・…(16)
ここに,ep:マイクロクラックの開口に起因する非回
表 - 2 使 用 爾 合 復性のひずみあるいは塑性ひずみ.
..、Ra=RLp・REb………(17)
式(11),(15),(17)より,
REp=Rグ…・………・…………・…………(18)
ここで,ヤング係数の寸法効果が無視できるとすると,
RE=RO/Rgo’=1
………(19)
.。、Reb=Rぴ
ここに,E:ヤング係数,go:弾性ひずみ.
従って,弾性ひずみと塑性ひずみの寸法効果はとも に,引張応力の寸法効果に等じいので,全ひずみの寸 法効果も引張応力の寸法効果に等しい.即ち,
Re=Rぴ………(20)
ここに,ど=E・+Ep:全ひずみ.
以上のように,Rぴが定通化されれば,引張応力一ひ ずみ関係の寸法効果は,Rぴで相似縮小することによ
り考慮することができ,また塑性ヒンヂ域の寸法効果 も式(15)により定量化することができる.そこで,こ こでは,引張応力の寸法効果は,引張強度の寸法効果 に等しい,即ちRぴ=Rftとして,後述の高応力体種の 概念により,実験的に求めた.
表-1使用材料
4.1実験結果
表-3に,圧縮及び割裂賦験結果を示す.同表中に は,圧縮応力一ひずみ関係の測定値を前述のPopovics 式に当てはめて,非線形回帰により求めた実験定数、
*df:繊維公称直径,I,:繊維長
さ
4.実験結果及び考察
3 . 実 験 方 法
3.1SFRCの鯛合股計
SFRCの使用材料及び鯛合を表-1,2に示す.鋼繊 維には,繊維公称直径(.!)×繊維長さ(ljが0.6×30
mm,0.7×50mmの異形カツトワイヤーを使用した.
繊維体穣率(V,)は,アスペクト比(lf/dj×V,が1.0一 定となるように選定した.これは,(lf/d')Vfが繊維分 散性の目安を与え,1.0がほぼその上限であると考えら れるためである.鯛合は,水セメント比(W/C)を50%
一定とし,スランプ18cmを目標に,試し練りにより決 定した.
*Vf:繊維体穣率,W/C:水セメント比,s/a:細 骨材率,W:単位水通
て,3点曲げ(スパン・高さ比=3)により荷重一戦 荷点変位関係を測定した.なお,戦荷点変位の計測は,
変位測定治具を直接試験体に取り付けて,支点及び賊 荷点のめり込み変位を除去した.また,100×100×400 mm梁賦験体については,塑性ヒンヂ域の幅を推定す
るために,引張縁ひずみを測定した.ひずみの測定に は,ゲージ長60mmの塑性域ゲージを使用した.
以上の試験体は,同一条件ごとに3個以上ずつ作製 し,材令28日(水中養生)後,飼験時まで気中に放匝 した.
3.2脚験及び測定
圧縮試験には,直径×高さが100×200mmの円柱供 賦体を用いて,圧縮応力一ひずみ関係を測定し,圧縮 強度,ヤング係数(1/3割線弾性係数)〆強度時のひず みを求めた.なお,ひずみの測定には,コンプレッソ メータを用いた.割裂賦験には,圧縮罰験と同一寸法 の円柱供賦体を用いて,割裂引張強度を測定した.な お,割裂引張強度の算定には,最大荷重を用いた.
曲げ賦験には,幅×せい×長さが100×100×400 mm,100×150×550mm,100×200×700mm,100×
300×1000mm,100×400×1300mmの梁賦験体を用い
セ メ ン ト
普通ポルトランド細 骨 材 川砂
表乾比璽=2.53 吸水率=3.50%
最大寸法=1.2mm 粗粒率=1.70 実績率=60.7%
粗 骨 材 川砂利 表乾比重=2.68 吸水率=1.42%
最大寸法=20mm 粗粒率=6.97 実絞率=61.4%
鋼 繊 維 異形カットワイヤー df×lf=0.6×30mm
0.7×50mm
l f (m、 )
Vf (
%) W/C
(
%)
aj
y暁W
( k g / ms)
ス ラ ン プ ( c
、)
3
0 2 0 5 0 6 274 17.4
5
0 1 . 4 0 5 0 6 274 16.3
*た:圧縮強度,E:ヤング係数(1/3割線弾性係数),畳。:圧縮強度時のひずみ,n:
Popovics式における実験定数,亀t:割裂引張強度
・ 表 - 4 曲 げ 試 験 結 果 表 - 3 圧 縮 及 び 割 裂 引 張 試 験 結 果
4.2高応力体積の概念による引張強度の 寸法効果の定凪化
前述のように,引張応力一ひずみ関係及び塑性ヒン ヂ域の幅の寸法効果の定通化には,引張応力あるいは 引彊強度の寸法効果を定遮化する必要がある.そこで,
本研究では,高応力体菰の概念により,引張強度、睦j・
法効果を実験的に評価した.ここで,高応力体秋の概 念は,最弱リンク理論に基づくもので鮭脆性材料が引 張を受けるとき,高引張応力域で生じるひびわれが終 局的な破壊をもたらすことから,その領域の体菰が大
*b:梁幅,。:梁せい,l:梁長さ,fb:曲げ強度,Tb::曲げタフネス,虎:
換 算 曲 げ 強
きくなるほど,材料の引張強度は小さくなるというも のである.高応力体種は,試験体中で最大引張応力の 95%以上の引張応力を受ける領域の体種と定義され,
3点曲げ梁賦験体及び割裂引張円柱供試体について,
それぞれ次式で与えられる4》.なお,前者は平面保持を 仮定した曲げ理論,後者は線形弾性輪による結果であ
る.
V=6.25×10~4b・..L…・……・………・(21)
ここに,V:3点曲げ梁賦験体の高応力体積,b:梁 幅,d:梁せい,L:スパン長さ.
V=0.0475が。h………(22)
ここに,V:割裂引張円柱供試体の高応力体種,‘:円 柱供試体直径,h:円柱供試体高さ.
図-4に,高応力体種と引張強度(曲げ及び割裂)
の関係を示す.なお,曲げ強度及び割裂引張強度は,
それぞれ梁幅及び円柱供試体高さにほとんど影轡を受 けないという既往の実験結果から,高応力体菰は,式 (21)及び(22)においてb及びhを無視した単位厚当
りとして算出した6また,高応力体種及び引張強度は,
両対数で表示されている.同図より,曲げ強度も割裂 引張強度も,戦荷形式の違いによらず,一般に次式に より表示できることが分かる.
の値を併記している.表-4に,曲げ試験結果を示す・
なお,曲げタフネス(Tb)は,基準変位に至るまでの荷 重一変位曲線下の面種(吸収エネルギー)であり,基 準変位は,日本コンクリート工学協会(JCI)の「繊維 補強コンクリートに関するJCI規準案」に準拠し31,ス パン長さの,/150とした.また,換算曲げ強度は,基準 変位までの平均荷重を曲げ強度に換算した値で,JCI 規準案で採用されている靭性指標である。同表から分 かるように,曲げ強度以上に曲げ靭性の寸法効果が大 きく,最大荷重だけでなく,荷重一変位曲線の寸法効 果の定斌化が重要な課題になるものと考えられる.
( l f mm)
Vf (
%) W/C
(
%)
足 ( k g f / c m 2
)
E(×
( k g f
/ 1 0 5
) c m 2
)
G C C
(
×)3-10
、
k( f b t gf)2mc/3
0 2 0 5 490 2 . 6 7 2.70 3.67 66.2
5
0 1.4 0 5 429 2 . 2 8 3.27 2.57 72.7
l f (m、)
・Vf (
%) W/C
(
%)
b
( k 2
1
蝿函 Tb
( k g f
。c、)
ー
恥
( k g f / c m 2
)
3
0 2 0 5
100*100*400 100*150*550 100*200*700 100*300*1000 100*400*1300
91.8 7
7 0
7
7 9
7
0 2
7
3 6
313 533 805 1483
204670.4 5
3 3
4
5 3
3
7 1
2
8 8
5
0 1.4 0 5
100*100*400 100*150*550 100*200*700 100*300*1000 100*400*1300
9 5 8 5 8 6 8 4 8 0
8 9 7 0 1
326
・648 1029 2021 3243
r
7 3 6 4 5 7 5 0 4 5
5
8
9
5
6
3000
果が得られており,プレーンコンクリートよりも SFRCの方が引頚強度の寸法効果が小さく,また(1,/
d,)Vf一定の比較では,アスペクト比の大きい繊維ほ ど,引張強度の寸法効果が小さくなるという結果が得 られた.
ft=A・Vo………・………・………・…(23)
ここに,f《:引張強度(曲げ及び割裂),A,a:実験定 数.
従って,引弧強度の寸法効果は,次式により与えられ る.
Rft=(RV)。……..………・………(24)
ここに,RV:基準賦験体に対する高応力体種の相対 比.
本実験では,11=30mm&Vf=2%及びl‘=50 mm&Vf=1.4%のSFRCについて,それぞれa=
--0.08316及び--0.06989となった.また,プレーンコ
ンクリートに関する実験結果では,a=--061720の結
4.3本手法の適用性に関する実験的検証 ここでは,寸法の異なる梁賦験体の荷重一変位関係 の測定値と,引頚応カーひずみ関係及び塑性ヒンヂ域
3000 100×100×400,,基Z阻郵
柵蝿柵リ測定値(範囲I
” r エ イ 勺 ‘ 2500
蝋撫職
1 2 0 1 1 0
: ' :
:
鋤
SFRC(1『写30画.V『回2熱WC墨50鷲) 211 000000050
(半ロエ)圏揮
2500
000876
(副騒心遁租)圏顧閣一昨
灘灘謹謹謹鍵識,
500
V:高応力体積 0 r:相関係数 5
0
職荷点変位(nm)
図-5(a)基準梁賦験体の荷重一変位関係(lf=
30mm,V,=2%)
0 . 1 0 . 5 1 5 . 0
高応力体積IC国VbmO
図-4(a)高応力体穣と引張強度の関係(1,=30 mm,Vf=2%)
0
111. ”㈹伽帥即、卵 ーh【
(船型電旦)(薗騒。遁租)圏翻顧一m
高応力体積(C句9ノロ、)
図-4(b)高応力体積と引張強度の関係(1,=50 mm,V,=1.4%)
0.5
0.1 5
敏荷点変位(、)
図-5(b)基準梁賦験体の荷重一変位関偏(ルー
50mm,V,=1.4%)2000
0 0 5 1
(漁》エ)圏揮
500 5
0
0 1000 ftロ84.3V~0.8…●(戸0.9381)
ft:引襲強度(曲げ,割裂)
V:高応力体積
r:相関係数
5 0
の幅の寸法効果を考慮した曲げ解析による計算値の比 較を行い,本手法の適用性について実験的に検討した.
図-5に示す,100×100×400mm梁試験体(基準試
験体)の荷重一戦荷点変位関係の測定値と計算値の一 致から,本手法により推定された引張応力-ひずみ関 係を図-6に示す.なお,E‘-6関係の測定値と計算値 の最適な一致から推定された塑性ヒンヂ域の幅は,と もにLp=50mmである.ここで,RC梁の場合,Lpの 値としていくつかの実験式が提案されているが,およ そLp=(0.5~1.0)d(d:有効せい)程度になることが
示されている.いま,d=100mmとすると,Lp=50~
100mmとなり,50mmはその下限値に相当する.RC 梁の場合,引張鉄筋の存在によりひびわれカヌ分散し,
塑性ヒンヂ域が拡大するものと考えられ,無筋の SFRCに関して,Lp=50mmの値はほぼ妥当な範囲に あると考えられる.
図-7に,基準梁試験体よりも寸法の大きな梁試験 体の荷重一戦荷点変位関係の測定値と計算値の比較を 示す.計算は,引張応力一ひずみ関係及び塑性ヒンヂ 域の幅の寸法効果を考慮した場合と考慮しない場合の 両方の結果を示している.なお,Roは,式(24)により 求め,RE,RLp,Lpとともに表-5に示す一同図より,
43.2
000
(副ECへ宇量)R健照一m
6
0 6 0
1 0 5 0
0 5
000432
(匙8へ温茎)R健開一m
1 0
0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5
引 彊 ひ ず み図-6(a)引張応力一びずみ関係推定値(1,=30 mm,Vf=2%)
0
引 張 ひ ず み
図-6(b)引張応力一ひずみ関係推定値(l‘=50 mm,Vf=1.4%)
表-5ぴ,e,Lpの寸法効果
( l f mm)
Vf (
%,)
C1
w暁b Rぴ=Re
RIや 品)(3
0 2 5 0
100*100*400 100*150*550 100*200*700 100*300*1000 100*400*1300
1 0.935 0.891 0.833 0.794
1 1.144 1.260 1.441 16586
5 0 57.2 63.0 72.1 79.3
5
0 1.4 0 5
100*100*400 100*150*550 100*200*700 100*300*1000 100*400*1300
1 0.945 0.908 0.854 0.824
1 1.120 1.214 1.360 1.473
5
0
56.0
60.7
68.0
73.7
範荷点変位(画)
12000 4600
4000
6000
蔵荷点変位(画)
寸法効果を考慮した計算値と測定値の間にはほぼ妥当 な一致が得られているが,寸法効果を考慮しないと,
最大荷重の計算値は測定値を上回り,その程度は,賦 験体寸法が大きくなるほど大きくなることが分かる.
100×150×550mm梁
園 霊 蕊 、 測 定 値 ( 範 囲
” イ ヱ 性
5000 3500
000000 050322
(や国茎)飼揮
000000000
432
(沼エ)穏揮
500
鶴鍵謹iiii1000
1000 500
0
1.0 1.5 2.0
0.5 2.5 3.0
U
竃
96000ー
: 4
‘00
異なるSFRC梁試験体の曲げ試験により実験的に検 鉦した.
本実験にあたっては,熊本大学甲斐定夫技官に協力 を頂きました.ここに記して,感鮒致します.
9000
認
SFRC(1,=30p、,Vf=2熟W/C軍50%)
1-OqX400×1300mm梁
塵雲霞鰯測定値(範囲)
- ” ( 平 均 )
‐・…・計算値*1
蝿 脚 鶴 ‘
鍵‘‘継購一
8000
10000
本研究では,SFRCの引張特性の寸法効果を定迅化 するために,平面保持を仮定した曲げ解析に必要な引 張応力一ひずみ関係及び塑性ヒンヂ域の幅の寸法効果 則を破壊力学概念により誘導し,その適用性を寸法の
7000
5 . 結 論
000000000 884
(半g)圏揮
6000
1000 3000 2000
2000
0 1 . 0 0 2 . 0 4 . 0 6 . 0 8 . 0
箪荷点変位(団鯛)
2 . 0 3 . 0 4 . 0 5 . 0 6 . 0
餓荷点変位(ロ、)図-7(a)荷重一変荷重一変位関係の測定値と計算値
(lf=30mm,V!=2%)
駁荷点変位(”) 蔵荷点変位(画)
4500 600
参 考 文 献
皿郵〃醗哩値値勧 由均菌明
4000
500 3500
3000 400
000032
(混菖)圏樋
000050
22
(半。茎)圏揮
ド
1500
醗鞠
1000
1 0 0 500
】u閉
2.5 1
. 5 2.0 1 . 0
0 0.5 3.0
図-7(b)荷重一変位関係の測定値と計算値
(lf=50mm,Vf=1.4%)
3)鎚蹄9強コンクリート研究d震貝会:薗聡補強コンクリートに関する 武験方法のJCI規準案(その3)繊継袖強コンクリートの曲げ麺r没
ぴ曲げタフネスE蛎団方法(案)0コ芝クリートエ学もVol、20,No.10‘”4-701982.10 4)R、J・TorT己nt8AG画1emlRelationBetweenTe咽ileStrengthamd
SPeCmenGeOmEtxyfbrCOnCrEte・LikeMaterialSbM8teriaIgand Stn唾h正9bVo1.10jNo.58.pp、187-19601977.7-8 3000
9000 12000
1)渡辺夏也ほか1名:コンクリートの引悪強度に関する研究,セメント 技術年報,V01.38‘pP、294-297.1984.12
2)X・Z・Hu,F、H・Wittmann:Fmctu応画1eTEyandFmctuxも画℃ce8s Z
O
“eghmmcStもndsaalrfteMa b V o L 2 5 0 N o
、 1 5 0 0
”60329-31、 1 9 9 2 .
7
100×300×1000,1梁
醗遜蝿;I測定値(範囲)
” ( 平 均 )
… ・ ‐ 計 算 値 * 1
- - - ” * 2
$1寸法効果考慮
* 2 ” 無 視
8000
10000 7000
虹1明6000
l i
m
、 雲
000000000 864
(や9-)圏揮
00000054
(↑ロエ)飼樗》
‘譲鶴熱
、
、
2000
6 輪翻iり鞠
2000 1000
SFRC(1『=50mm,Vf=1.4%, /C雲W)0%5
言『一冠
0 1.0 2.0 3.0 4.0 0 0 2 . 0 4 . 0 6 . 0 8 . 0
駆荷点変位(、)‐
戴荷点変位(唾)