プレキャストPC素材で補強したコンクリート連続合成はりに関する基礎的研究

プレキャストPC素材で補強したコンクリート連続合

成はりに関する基礎的研究

著者

松本 進

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

巻

20

ページ

101-107

別言語のタイトル

FUNDAMENTAL STUDY ON THE CONTINUOUS COMPOSITE

BEAM REINFORCED WITH PRECAST PC ELEMENTS

プレキャストPC素材で補強したコンクリート連続合

成はりに関する基礎的研究

著者

松本 進

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

巻

20

ページ

101-107

別言語のタイトル

FUNDAMENTAL STUDY ON THE CONTINUOUS COMPOSITE

BEAM REINFORCED WITH PRECAST PC ELEMENTS

プレキャストＰＣ素材で補強したコンクリート

連続合成はりに関する基礎的研究

松 本 進

(受理昭和53年５月３１日） ＦＵＮＤＡＭＥＮＴＡＬＳＴＵＤＹＯＮＴＨＥＣＯＮＴＩＮＵＯＵＳＣＯＭＰ⑪ＳＩＴＥＢＥＡＭ Ｒ砥IＮＦＯＲＣＥＤＷＩＴＨＰＲＥＣＡＳＴＰＣＥＬＥＭＥＮＴＳ SusumuMATsuMoTo

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１ ． 緒 言 近年，プレキャストコンクリート製品を利用したコ ンクリート構造物の活用にはめざましいものがある． 例えば，コンクリートブロックによる合成橋梁，プレ キャストＪＩＳ桁を使用した合成橋梁および大径プレ キャストＰＣパイルを用いた橋脚等が挙げられ，これ らのものはそれぞれに良好なる成果を収めている． プレキャストコンクリートの活用は上記に挙げたも のにとどまらず，さらに広汎なる利用が考えられるの であって，その一つとして筆者はプレキャストＰＣ素 材を補強材として利用すると共に型枠材としても用い て，場所打ちコンクリートと接合した合成構造の開発 を行ってきた。この種のコンクリート合成構造に関す る一連の基礎的研究についてはその成果を既に数篇学 会に報告した通りであって，場合によってはこの種の コンクリート合成構造の方が通常の鉄筋コンクリート 構造やプレストレストコンクリート構造にくらべ，省 力化および急速化施工の可能性を明らかにした.')2)8）

本研究は上記のプレキャストＰＣ素材で補強した合

成構造の研究の延長上の一つとして連続合成はりの問 題一正・負のモーメントを同時に受けた場合の力学性

状，中間支点におけるプレキャストＰＣ素材の定着お

よび中間支点における沈下が不静定力に及ぼす影響等

の問題を取上げ，この種合成構造の力学的特性を明ら

かにするものである．

2．使用材料および実験方法

2-1．使用材料 実験に使用したコンクリートは場所打コンクリート とプレキャストコンクリートの２種類である．場所打 コンクリートの圧縮強度および弾性係数は281ｋｇ／ cｍ2,2.24×105kg/cm2程度のものであり，プレキャス トコンクリートのそれぞれは500kg/cｍ2,2.7×105kg／ cm8程度のものである．これら両コンクリートの示方 配合を表-1に示す． 鉄筋コンクリートはりの主鉄筋には異形鉄筋を使用

1800 ９０＊ 102 2３．９ ２６．１ 表 １ コ ン ク リ ー ト の 配 合 ＊プレキャストＰＣ素材の有効プレストレスとした。 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ２ ０ 号 （ 1 9 7 8 ）

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コ ン ク リ ー ト の 種 類 L Ｌ 麓 し，径１３ｍｍ,降状点応力度3000kg/ｃｍ２のものであ った．また，プレストレス導入に使用した鋼材は降伏 点応力度13000kg/cm2程度の径7.4ｍｍの異形ＰＣ鋼 線を用いた． 咽 骨 材 ｜ 粗 骨 材 ｌ Ａ Ｅ 斉 成構造物と鉄筋コンクリート構造物の比較検討を次に 示す二つの考え方に立脚して行なった．なお，この場 合の計算結果を表-2に示す． （１）設計荷重作用時において，鉄筋コンクリート 構造物の主鉄筋に作用する引張応力度が許容 引張応力度以下となるようにし，また，合成 構造物の場合にはプレキャストＰＣ素材に作 用する引張応力度が恰度有効プレストレスと なるように設計した． （２）終局時においては，ＲＣはりも合成はりも曲 げ引張破壊を起すとして，両者の終局モーメ ントがほぼ同一となる様に設計した． 上記の仮定に従って計算した結果の詳細については 図-1に示したとおりであって，（a）合成連続はりおよ び（b)ＲＣ連続はりともにスパンが150ｃｍの２スパ 場 所 打 ち コ ン ク リ ー ト ２ ０ １ ８ 士 ２

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表２設計曲げモーメント作用時の計算応力度等

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(Ｑ）ＣＯＭＰＯＳＩＴＥＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ａ 2-2．実験供試体 実験に使用した供試体は図-1に示す通りであって， (a）プレキャストＰＣ素材で補強したコンクリート合 成連続はり（合成連続はり）と比較検討のための（b） 鉄筋コンクリート連続はり（ＲＣ連続はり）の２種類 であり，両者ともに２径間連続はりとなっている． 現在，鉄筋コンクリート構造物の設計は許容応力度 設計法で行なわれているが，プレキャストＰＣ素材で 補強したこの種合成構造物の設計方法は確立されてい ない．この様な設計事‘情の中で本実験では，この種合

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松本：プレキャストＰＣ素材で補強したコンクリート連続合成はりに関する基礎的研究１０３

ン連続はりとなっている．合成はりの断面は1.5× 23.2ｃｍの矩形断面であって，スパン中央断面では断 面引張側に５×１５ｃｍのプレキャストＰＣ素材（プレ ストレス量９０ｋｇ/cm2）を型枠兼補強材として配置し てあり，中間支点上の断面は通常の鉄筋コンクリート ばりと同様の構造となっている．また，中間支点上で は右スパンおよび左スパンの主鉄筋（ここではＰＣ鋼 材）は単に突き合せただけとした．また，プレキャス トＰＣ素材の定着としては素材を支点より外側に３０ ｃｍ程度出し，その端部よりＰＣ鋼材のみを多少取出 してナットとアンカープレートで場所打コンクリート に埋込んだものである． 2-3．実験方法 図−２は実験方法の概略を示したものである．荷重は 載荷フレームを通して行ない，２点集中荷重である． 両端支承の一端は線支承とし，片端は球面座つきの２ 個のロードセルである．また，中間支承のものは球面 座つきの１個ロードセルとなっている．供試体の設置 に当っては水平となる様にセメントペーストを用いて 注意深く行なった． 載荷方法は４回の繰返し載荷であって，最初の３回 までは設計荷重まで載荷を行ない，４回目の載荷で破 壊に至らしめた．

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図 − ２ 実 験 方 法 ③ＴＥＳＴＳＰＥＣＩＭＥＮ ④ＬＯＡＤＣＥＬＬ ⑤ＤＩＡＬＧＡＵＧＥ 測定としては，ワイヤーストレインゲージにより主 鉄筋の歪およびコンクリート表面の歪を，ダイヤル ゲージ（1/100ｍｍ)で各支点のたわみを，ロードセル により支点反力の測定を各荷重段階毎に行なった．ま

た，コンクリート表面に発生したひびわれの発達状況

も併せて観察・記録を行なった． 3．結果および考察 ３−１．ひびわれ性状 本実験の場合，図一'に供試体の断面を示したように， 合成連続はりの中間支点における断面は基本的には ＲＣ連続はりと同一のものであると考えられるため， 中間支承近辺に存在する負の曲げモーメント領域に 生じる曲げひびわれは合成連続はりおよびＲＣ連続は りとも余り変化がないものと考えられるが，一方スパ ン中央における正の曲げモーメント領域では合成連続 はりの断面下縁にはプレキャストＰＣ素材が配置され ていてそのプレストレスにより，曲げひびわれの生じ 方はＲＣ連続はりとは異なった様相になると考えられ る． 図−３は合成連続はりおよびＲＣ連続はり表面に生じ た曲げひびわれの観察結果を示したものである．これ より，負の曲げモーメント領域における曲げひびわれ の生じ方は合成連続はりおよびＲＣ連続はりとも同様 一すなわち，曲げひびわれの発生荷重，本数および間 隔等はほぼ相似していることが認められる．一方，正 の曲げモーメント領域における合成はりの曲げひびわ れについてＲＣはりとかなり異なる点は（'）曲げひ びわれ発生荷重は素材に導入したプレストレスにより 合成はりの方が大きい．（２）引張側の場所コンクリー ト部に曲げひびわれが生じてもプレキャストＰＣ素材 arabicfigure(t）ＳｃａＩｅｌﾉ１０ 図 − ３ 供 試 体 表 面 に 発 生 し た ひ び わ れ 一

表 ３ 各 点 の 実 測 た わ み 104 には曲げひびわれが生じないことがある●および（３） 破壊時近辺においてプレキャストＰＣ素材と場所打コ ンクリートとの接合面に水平方向のひびわれが一部生 じること等があげられる．その他，ひびわれの分布お よび本数等については合成はりおよびＲＣはりともに 余り遜色がないことが認められる． 以上のことから，合成連続はりの場合にはプレキャ スト素材にプレストレスを導入されているため設計荷 重作用時（荷重１１t）に曲げひびわれを生じさせない 様に設計することが可能であり，したがってこの種合 成構造物の方が鋼材の腐食の観点からみれば,鉄筋コ ンクリート構造物に比べてかなり耐久的なものとする ことができ，また通常のプレストレストコンクリート 構造物に似た耐久性能を有させ得る可能性があると考 えられる． 図−４曲げモーメント分布の数例

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3-2．モーメント分布 一般に，不静定構造物においては不静定力をいかに 正しく求めるかが重要な問題となる．この様な不静定 力の算定に当っては弾性理論による線構造体として解 析されるのが通常である．実際の構造物は２次元もし くは３次元構造物であることが多く，この様な構造物 が弾性理論解によるものとは必ずしも一致しないこと が認められている．また，中間支点が何らかの原因で 不等沈下や弾性変形を起すような場合には上記の不静 定力はそれぞれに応じて変化してくることが考えられ る．この様な問題に対して，土木学会鉄筋コンクリー ト標準示方書ではある程度の対処がなされているが， 明確にはされていない所もあると考えられる．以上の 様なことから，ここでは曲げモーメント分布の観点か ら上記の問題に対して検討を行なった． 図−４は試験に際して支点に設置したロードセルから 反力を計算し〆この反力に基づいて曲げモーメント分 布の実測値を各荷重段階について示したものである． なお，図中には三連モーメント法により求めたモーメ ０．１５ ０．１５ ０．１７ 右 載 荷 点 頁 厄 … 河 ン卜分布の計算値を併せて示す・同図より，曲げモー メント分布について合成連続はりおよびＲＣ連続はり 共に実測値と計算値との間にはかなり良い近似がみら れ，また全般的には次の様な傾向一すなわち（'）負 の曲げモーメントの実測値はいずれの場合も計算値よ り小さい．（２）正の曲げモーメントの実測値はどの場 合にも計算値よりも大きい．（３）実測の曲げモーメン ト分布の性状は全体的正の曲げモーメントの方に移動 している．こと等が認められる．この様な傾向になる 原因としては前記した様に支点変位および線構造解析 がまず考えられる．特に，支点変位の影響については たわみの実測結果（表-3参照）が得られているので， この支点変位の影響を考慮に入れて弾性計算をしてみ ると，図-5に示した曲げモーメント分布図の一例にみ られるように，支点変位の影響により，正の曲げモー 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ２ ０ 号 （ 1 9 7 8 ） ０．２１． ０．３４ ０．３５ ０．４９ ０．５７ ０．７６ 左 載 荷 点 ｜ 中 間 支 承 点 ０．０９ ０．１７ ０．１０ 荷 重 ０．２３ ０．３７ ０．４２

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RＣはり￨合成はり￨ＲＣはり￨合成はり ０．０７ ０．１２ ０．２０ ＊単位は、、

松本：プレキャストＰＣ素材で補強したコンクリ 105 クリートの塑性的性質の影響を受けて変形は大きくな り，荷重２５ｔで破壊に至った．一方，ＲＣ連続はりの

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2０ ク 〃 ０ ５ ０ ０ 、 １ ０ ０ ０ １ ５ ０ ０ ＴＥＮＳＩＬＥＳＴＲＡＩＮ（xlO6） 図−６連続合成はりの載荷点における変形性状の＝例 (Q）COMPOSmESTRUCTURE ３ − ３ ． 変 形 性 状 図-6および図-7は合成連続はりの載荷点および中間 支 点 に お け る 荷 重 歪 の 実 測 値 の 一 例 を 実 線 で 示 し た も のである．なお，同図には破線で計算値をも併せて示 した．また，図-8および図-9はＲＣ連続はりの載荷点 および中間支点の荷重一歪の実測値の一例を同様に示 したものである． 図−６より，合成連続はりの載荷点における歪性状を 詳細にみると，荷重が小さい範囲では変形性状は弾性 的であることが認められ，荷重５ｔにおいて，まず場 所打コンクリート部分に曲げひびわれが生じる．この 場合，プレキャストＰＣ素材には未だ曲げひびわれは 生じていない．この曲げひびわれが生じたのち，一時 変形が大きくなり，荷重７ｔにおいて断面下縁に配置 されたプレキャストＰＣ素材に曲げひびわれがわずか に生じる．なお，この曲げひびわれは図-3にも示して いるようにＰＣ素材断面を全部横切るようなひびわれ ではなく，ＰＣ素材断面全面に曲げひびわれが生じる のは設計荷重１１ｔ程度のときである．設計荷重１１tま での繰返し載荷を数回行なっても合成はりの変形性状 はかなり弾性的であり，しかも残留変形がかなり少な いことが認められる“設計荷重を超えると場所打コン

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︵ご口迂○三 ﾄ連続合成はりに関する基礎的研究 （ 図−５沈下を考慮に入れた曲げモーメ ン卜分布の一例 メントが２∼13％程度小さくたり，より実測値に合致 することが認められる．また，線構造解析による影響 については本実験では中間支点の幅が小さく，また支 点変位を考慮した計算値が実測値に８８∼104％程度と ほぼ合致していることから考えて，本供試体に及ぼす その影響は極めて少ないものとなったと考えられる． ︵︾︶○江○二 TENSILESTRA1N（Ｘ106） 図−７連続合成はりの中間支点における変形性状の一 例 皿 里

／ ／ ／ Ｚ 106 ノ が生じた．その後荷重が増大するにつれて変形は大き くなりこの段階初期でコンクリートの塑性的性質の影 響がかなり認められる．設計荷重１１t以下において数 回の繰返し載荷を受けた場合の変形性はかなり弾性的 であるが，処女載荷を受けた場合の残留変形がかなり 大きなものとなっていることが認められる．設計荷重 11ｔ以上になると変形は徐々に大きくなり，荷重 19.85ｔで破壊に至った． 以上，載荷点下における合成連続はりおよびＲＣ連 続はりの変形性状について述べたものであるが，この ことより，合成連続はりについて（１）プレキャスト ＰＣ素材の剛性を利用できるので，設計荷重下におけ る曲げ剛性を大きいものとすることが可能であり，曲 げ 変 形 も 極 め て 弾 性 的 な も の と す る こ と が で き る ． (2)設計荷重下において，プレキャスト素材に曲げひ びわれが生じない様に設計することが可能であるので， 鋼材の腐食の:点から極めて耐久的となる．（３）図-6∼ 図−９中に示した計算値は実測値と良く合致しているこ とが認められ，このことより，プレキャストＰＣ素材 を通常の鉄筋コンクリートはりの計算における鉄筋と 同様に取扱えば，その変形を弾性理論で表わすことが 十分に可能であること等の特徴が認められる．なお， 中間支点における変形性状は合成はりの場合もＲＣは りの場合も，それぞれの断面形状はＲＣ構造となって いるので，図-7および図-9にもみられる様にほぼ同様 の変形性状を有していることが認められる． ノ ２ ○く○Ｊ ＸＸ TENSILESTRAlN（xlO s） 図−８連続ＲＣはりの載荷点における変形’性状の一例 〃 2０ ／

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︵︾︶○く○Ｊ ４ ． 結 言 現在，プレキャストコンクリート製品を活用した土 木構造物は種々のものがあり，それぞれに良好な成果 を収めている．これから将来にわたってもプレスキャ ストコンクリート製品が土木建設業において担う役割 は増々重大なものになってくるものと考えられる． 本研究はプレキャストＰＣ製品を活用する一つの方 法として場所打コンクリートとの合成構造を考えたも のであって，ここではプレキャストＰＣ素材で補強し た合成連続はりの主として力学的特性について検討を 加えたものである．実験の数が少ないので確定的なこ とはいい難いが，実験の範囲から次のことがいえると 思われる． （１）プレキャストＰＣ素材で補強した合成はりは 設計荷重下においては素材に曲げひびわれを 生じない様に設計することが可能であるので， ' ／ 夕 〃 〃 〃 ／ 0０ '' 〃 ノ ノ グ ダ ダ ' ' 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ２ ０ 号 （ 1 9 7 8 ） ' ' ダ ダ 〃 〃 ノグ 〃 ノ ′ ′ ′ ′ ／ ／ ／ ／

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５ ' グ 〃 ' ０ ５ ０ ０ １ ０ ０ ０ １ ５ ０ ０ TENSILESTRA1N(xlO6） 図−９連続ＲＣはりの中間点における変形性状の一例 〃 〃 〃 〃 〃 グ 載荷点における歪性状は図-8をみる通りである．すた わち，荷重３tで場所打コンクリートに曲げひびわれ グ グ ① ＣｒＱｃｋｉｎｃｄＳｔｉｎｐｌｑｃｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ グ グ

松 本 ： プ レ キ ャ ス ト Ｐ Ｃ 素 材 で 補 強 し た コ ン ク リ ー ト 連 続 合 成 は り に 関 す る 基 礎 的 研 究 １ ０ ７ 曲げ剛性が大きく取れ，復元特性に優れる． また，鋼材の腐食の点からは極めて耐久的と なる． （２）不静定構造物とした場合，支点の沈下や弾性 変形等が不静定モーメントに及ぼす影響はあ る程度考慮に入れる必要が認められる． 本研究は楯岡静夫氏(現熊本県庁勤務)に昭和52年度 卒論研究として取上げられた所に負うものが多く，研 究の実施に当っては徳永勝己氏（現南日本高圧コンク リートＫＫ勤務）および前村政博技官に数多くの御協 力を賜った．ここに‘慎んで感謝の意を表します． 参 考 文 献 1 ） 松 本 進 ： プ レ キ ャ ス ト Ｐ Ｃ 素 材 で 補 強 し た コ ン ク リ ー ト 合 成 構 造 の 力 学 的 特 性 に 関 す る 基 礎 研 究 土木学会論文報告集246号，1976年２月． 2）第２回異形鉄筋シンポジウム：土木学会コンクリ ートライブラリー，第14号，1965年12月． 3）大浜・小林：プレキャストコンクリート連続合成 はりの力学的挙動に関する研究，土木学会論文報 告集，第206号，1972年10月． 4）横道・岡田他４名：コンクリートにおけるプレキ ヤスト部材の活用，土木学会誌，Annual'74. 5）山口隆一：プレキヤストＰＣ素材の接合に関する 基礎的研究，鹿児島大学工学部卒業論文，昭和５１ 年度． 6）岡田・神山：プレストレストコンクリートの設計， 国民科学社，1968年． 7）コンクリート標準示方書，土木学会． 8）プレストレストコンクリート設計施工指針，土木 学会，昭和36年度．