超軽量コンクリートを用いた鉄筋コンクリート造耐震壁の構造性能

とiI)C62401245 11まじめに

2実

験概 要

1.は

じめに コンク リー ト造建物 を軽 量化 す る こ とは

,長

期 荷 重 お よび地震 荷 重 を低減 で き

,建

物 の 高層 化

,大

スパ ン 化

,軟

弱 地盤 へ の合 理 的施 工 が可 能 とな るた め

,社

会 的 要求 が高 まって い る。 コ ン ク リー ト造建 物 を軽 量化 す る方 法 の一 つ と して軽 量 コ ンク リー トを利 用 す る方 法 が あ るが

,近

年

,従

来 の軽 量 コ ン ク リー トよ り施 工 性

,耐

久性 を向上 させ るた め に吸 水 率 を小 さ く し

,か

つ

,強

度 の高い人 工軽 量骨材 が開発 され1),構造部材 ヘ の適用 に関す る研究9ヽ3が_{行 われ て い る。} 本研 究 は

,こ

れ ら人 工軽 量 骨材 を用 い た 単位 容積 重 量 1 2kN/m3,圧 縮 強度 30N/11m2の 超軽 量鉄筋 コンク リー ト造 耐震 壁 の構 造性 能 を実験 で調 べ

,そ

の性 能評価 法 の基礎 的資料 とす るものであ る。 束急建設技術研究所報ヽL26

3実

験結果 と考察 4ま とめ

2

実験概 要

2,1

試験 体 試 験 体 一 覧 お よび試 験 体 の形 状 お よび配 筋 を表 1, 図1に示 す 。 試 験 体 はせ ん断破 壊 が先行 す るよ うに設 計 され た

NSW,LSWの

2体

,曲

げ降伏 が先行 す るよ う に設計 され た

NFW,LFWの

2体 とした。せ ん断破 壊お よび 曲 げ降伏 先 行 型 の試 験 体 の形 状

,寸

法

,配

筋 はそ れ ぞれ 同 じと し

,使

用 す る コン ク リー トを変 動 因子 と した。

LSW,LFWで

は超 軽量 コンク リー トを使 用 し,

NSW,NFWは

比較用 に普通 コンク リー トを使用 した。 図1に示 す よ うに

,全

試 験 体 とも側 柱 を含 む1層 1ス パ ンの耐震 壁 と し

,試

験 部 分上 下 にス タブ を取 り付 け た。

NSW,LSWは

,中

低層建物 の耐震壁 の

1/3ス

ケー ル試験体 とし

,壁

パネルの厚 さ

rvお

ょび内 の り長 さゴ_v

超軽量 コンク リー トを用いた鉄筋 コンクリー ト造耐震壁の構造性能

白都

滋

*

吉田

徳雄

料

大岡

督尚

料

中村

洋行

* 要 約 _{単位容積重量1 2kN/m3,圧縮強度30N/mm2の超軽量鉄筋 コンク リー ト造耐震壁の岡1性}

_,強

_{度お よび変形性能} を把握す るために正負繰返 し載荷実験 を行い,普通 コンク ノー トを用いた試験体 と比較 した。その結果

,超

軽 量 コンク リー トを使用 した耐震壁 のせん断強度は

,普

通 コンク リー トを用 いた もの よ り2割程度低 くなるこ と,剛性

,ひ

び割れ強度,曲げ強度 は材料試験結果 による材料強度を用 いればほぼ既往の評価式で推定できる ことを確 かめた。 また

,超

軽量 コンク リー ト造耐震壁のせん断強度 を推 定す る評価式を提案 した。 キーワート・

:

超軽量 コンク リー ト

,耐

震壁

,せ

ん断強度,変形性能

,静

的載荷実験 目 次 コン ク リー トの 目 表

1

試験体一 覧 σ

B=30MPa,

本主主三何引よSD345, 側 柱 試験体

NSW

LSW

NFW

LFW

共通事項 帯 筋 2-D6@50

ゆv=053%)

3-D6@50

T=096%)

壁パネル コンク リー トの 種 類 力日力点 高 さカッ _{厚 さど} v 内の り長 さ/“ 壁 筋 断 面b×Dε 主 筋 普 通 超軽量 140cm 6cm 176cm

D6@200

シン グル lF's=0.27%) 24×24cm

12D13

1P β=265%) 普 通 超軽量 270cm 8c印 140cm

D6@150

ダブル lP s=053%) 20×20cm 8-D10 1P′=143%)

*技

術研究所 建築研究室

**建

築エ ンジエア リング部 Wの

は

,そ

れ ぞれ

6cm,176cm,壁

_筋比ぇは

027%(D6@200

シ ングル

),柱

の幅bと_{せ いつεはそれぞれ}

24cm,主

筋 比 pgは

265%(12-D13),帯

_筋比Pvは

053%(2-D6@50)

と した。 下都 ス タブ上面 か らの加 力点高 されvは140cmと し

,シ

_{ア スパ ン比力、v/(1注 2曳}

)は

0625であ る。

NFW,LFWは

,12層

連層耐震壁の下層部分の

1/5ス

ケール試験体 とし

,壁

パネルの厚 さι_vおよび内の り長 さ ′vは

,そ

れぞれ

8cm、

140cm、

壁筋比_Pjは

053%

(D6@150ダ

ブル

),柱

の幅bとせいつ_cはそれぞれ

20cm,主 筋比

r'=は

1.43%(8D10),帯

筋比

p♂

ま

096%

(3D6@50)と

した。加 力点高 さ力_vは270cmと し

,シ

ア

スパン比力

_{v/(′vttZり}

は

1・5で

ある。

22試

験 体 の製 作 と使 用材料 試 験体 は水 平 方 向打設 と し

,壁

パ ネル お よび柱 とス タブ は分 胃佳打設 した。 コ ン ク リー トの 目標 圧 縮 強度 は 30N/mm2と した。

LSWの

壁 パネル

,LFWの

壁パ ネル お よび柱 に は単位 体積 重量 を1 2kN/m3と した超 軽量 コ ン ク リー トを使 用 し

,そ

れ 以外 は普 通 コン ク リー トと し た。 柱 主筋 (D10、

D13)に

はSD345を

,壁

パ ネル補強筋 お よび柱 帯筋 (D6)￨こ はSD295Aを使用 した。使 用 した 材 料 の試 験結 果 を表

2,表

3に 示 す。

2.3

載 荷方法 加 力装 置 を図

2に

示 す 。試 験 体 を反 力床 と加 力 梁 に 緊結 し

,軸

力用 フ レー ムに取 り付 けた2台の500kN油 圧 ジ ャ ッキ に よ リー 定 の軸力

(NSW,LSWの

柱 の軸力 比

=1/6,NFW,LFWの

柱 の軸力比

=1/5)を

載 荷 し

,水

平力 は2台 の 1000kN油 圧 ジャ ッキの荷重 が ほぼ等 しく, それ ぞれ 押 し引 き とな るよ うに載 荷 した。 水 平力 は載荷 点位 置 で の水平変形 角

R(=Δ

/力_ly'ここ に

,

△は載 荷点位 置 で の水 平変形

)制

御 と し

,漸

増 振 幅 の正負 交番 繰 返 し載荷 と した。載荷履歴 は

,NSW,

LSWで

R1/800, 1/400を 各1回 ,R1/200, 1/100, 1/50 を各2回

,NFW,LFWで

R=1/800を 1回

,R=1/400,1/

200,1/133,1/100,1/50,1/25を

各2回繰 り返す こ とを 目標 と した。

3.実

験 結果 と考 察 3,1 水 平 力‐水 平変形角曲線 と破 壊性状 実験 結 果 一 覧 を表

4に

,水

平 力 と水 平変形 角 の 関係 を図

3に

示 す。 最 終破 壊 状況 を写 真1に示 す。 表

2

コンク リー トの材料試験結果

lal NSW、

LSW

(b) NFW、

LFW

図

1

試 験 体の形状 お よび配筋 表

3

鉄 筋 の材料試験 結果 〇 〇 Φ 〇 〇 ｒ ｒ 柱主筋 12‐D13 柱 帯筋 2‐

D6@50

19 D10 380 3‐

D6@50

0@￢00 破 断伸び 27.4 235 20.1 〇 〇 〇 〇 〇 甘 咄 ０ ０ Φ 380 試験体

NSW

&LSヽV

NFW

&LFW

550 〇 〇 側 ポ ア ノ ン比 0.16 017 (°/ol

NSW

LSW

NFW

シング

3@1

1760 50ダブル 1400 部 位 比 重 l上楯5虫反 lN/mm2) 苦ll裂_5雲技 rN/mmn じ早佐 休 家 Ef lN/-2) 221 219×100 壁 ・ 柱 225 28.6 198 _114× 103 壁 117 293 317 275 _233X109 柱 2.17 2.99 _247X10' 日 _幸.柱 227 29 壁,柱 119 342 1,75 117×103 鋼材種別 峰 侭 黒 (N/mm9 や反助,貫度 lN/Himl D13 SD345 384 541 D6 SD295ハ 335 631 D10 SD345 371 516 D6 SD295A 392 552

LFW

022 16.4

3.1.l NSW試

験 体 水平変形 角R=1/800の 載荷 時 に壁 パネル のせ ん断ひび 割れ

,壁

脚 の曲げひび割 れ が発 生 し,買=1/400の 繰返 し 時 にお い て 曲げひ び割 れ

,せ

ん 断 ひ び割 れ が試 験 スパ ン全域 に発生 し

,進

展 した。

R=+1/200の

載荷 時 にせ ん 断 ひ び割 れ の拡 大 が顕 著 とな り

,壁

脚 の コ ンク リー ト の圧壊

,剥

落 が見 らた。

R=1/200の

載荷 時 に壁 パネル 脚 部 の コン ク リー トの剥 落 が顕 著 とな り

,ま

た

,せ

ん 断 ひ び割 れ が圧 縮 側 柱 へ 貫 通 し

,水

平力 が急激 に低 下 した。最 大強度 は無 ■/200の載 荷 時 に得 られ た。

312 LSW試

験体 水平変形角R=1/400ま で の破 壊性 状 は普通 コンク リー トを用 いた

NSWと

同様 で あつた が

,ひ

び割れ 間隔 は

NSWよ

り小 さい。R=+1/200の載 荷 時 にせ ん断ひび割れ の拡 大 が顕 著 とな り

,壁

パ ネ ル 高 さ中央位 置 の コンク リー トの圧壊

,剥

落 が見 らた。

R=1/200の

載荷 時 に壁 パ ネル 中央部 の コンク ノー トの剥 落 が顕者 とな り

,ま

た

,せ

ん断ひび割れ が圧 縮側 柱 へ貫通 し

,R-1/300以

降 の変形 にお け る水 平 力 の 上 昇 は見 られ な か った。 そ の後 の繰 返 し

,変

形 の増 大 に よ り水 平力 は著 しく低 下 した。 最大強度 は畢 +1/200の ピー ク時 に得 られた。

3.1.3 NFW試

験体 水 平変形角

R=1/800,1/400の

載 荷 にお いて

,曲

げひ び割れ

,せ

ん断ひび割 れ が発 生 した。R=1/200の 載荷 に お い て

,曲

げひび割 れ お よび壁 パ ネ ル のせ ん断 ひ び割 れ が進 展 し

,曲

げ圧 縮 を受 け る側 柱 の圧 壊 が観 察 され た。 また

,側

柱 の

4隅

の主 筋 が降伏 した。

R1/1ooの

載 荷 にお い て

,側

柱 の 曲 げ圧 縮 域 の コ ンク リー トの剥 落 が見 られ

,履

歴特性 はス リップ性 状 を示 した。

R+1/50

の

2サ

イ クル ロで柱 主筋 が座 屈 した後,尺=+1/25の 載荷 中

,柱

主筋 が破 断 し

,水

平 力 が著 しく低 下 した。

3.1,4 LFW試

験体 水平変形 角R=1/100ま で の破 壊性 状 は普 通 コンク リー トを用 いた

NFWと

同様 で あ つた が

,ひ

び割 れ 間隔 はせ ん 断 破 壊 先 行 型 の試 験 体 の破 壊 性 状 で述 べ た よ うに

NFWよ

り小 さい。 また

,NFWよ

リス リンプ性状 の少 な 束急に■設技術研究所報Nり 26 ツキ 図

2

加力装置 (ふlFW、

LFW)

-1.25-1.00‐0,75‐0.50‐0.250.000.250.500.751.001.25 水平変形角

R(%)

1.0 1.5 2.0 2.5 水平変形角

R(%)

図

3

水平カー水平変形 角 曲線 最終破壊状況 べ り破壊ネル脚部のせん断す 央部のせん断 べ り 曲 `ず 破壊 曲げ降伏後の壁パネル脚 部のせん断すべ り破壊 反 力 壁 ２ ︼ ︶ Ｌ   ぺ 叶 Ｘ

０ 。 。

剛

６ 。 。

４ 。 。

２ 。 。

。

500 400 300 200 100 表

4

実験結果一覧 ２ 望 ︶ Ｌ   Ｒ 卜 く 試験 体

NSW

LSW

NFW

LFW

十二水平カ ー水平変形角 による初期剛性,・

2

収縮ひび割れが観察面に多数発生 していたため確認できていない,半

3

正 負の最大強度の平均値の80%を 確保 した最大変形角,ネ

4 NSWの

最大強度に対す る比

,*5 NFWの

最大強度 に対す る比 イ 〇 〇 卜 側 ￨￨ (a)NSW、 え ″ ″ ¨……NSW(音近 コ ン) 一 LSW(超 軽 量 コ ン) 0 最 大 耐 力 (普通 コ ン) 0 最 大 耐 力 (超軽 量 コ ン) ヽ、 (b)NFW、

LFW

″

/

どffri f‐ 剪 ″ ノ /′ ' / /ri ¨¨―NFW(普通 ヨ ン) 一 LFW(超 軽 量 コ ン) 。 最 大 耐 力 (普 通 コ ン) 0 最 大 耐 力 (超 軽量 コ ン) 吟1 初期 剛性 KE J はN/mml 曲げひび割れ 強度Pた lkNl せん断ひび害1 れ強度 P5c(kN) 最 大強度

P図

(kN) 最大強度発現 時変形角 R.1ょ (°/ol 限界変形角 買vWl°/o) 575 490 313 930 040 463 120 255 790 Ю851H 048 122 121 279 371 0,59 2,3 642 137 Ю9劉帝 0.90 1.9

(ONSW

(ONFW

(け

LSW

(d)LFヽ

V

い紡錘形 の履歴特性 が得 られた。

R=1/50の

1サイ クル 目の載 荷 にお い て

,壁

脚 の コン ク リー トの圧壊

,剥

落 が が 顕 著 とな り

,著

しく水 平 力 が 低 下 した 。最 大 強 度 は

,NFWよ

り大 きな変形角買=1/100の ピー ク時に得 られ た。

3.2

初期 剛性 とひび割れ強度 初 期 剛 性 お よび ひ び 割 れ 強 度 の 計 算 値 を表

5に

示 す 。 計 算 値 は材 料試 験 結果 に よ る材 料 強 度 を用 い て 計 算 した。 ま た

,計

算 値 に対 す る実 験 値 の比 も併 せ て示 す。 初期 剛性 の計算 値堤c]lに対す る実験値上 の比は

,普

通 コンク リー トを使用 した試験体で

081,066,超

軽 量 コ ンク リー トを使 用 した試 験体 で

082,070と ,普

通 コン ク リー ト試 験 体 とほば等 しいか ら

,超

軽 量 コン ク リー トを使 用 した耐 震 壁 の初期 剛性 は

,既

往 の 評価 式 で推 定 で き る。 曲 げひ び割 れ お よびせ ん断 ひ び 害‖れ 強度 の 比 は

,普

通 コンク リー トで

072,098お

よび

064,

093,超

軽 量 コンク リー トで

021,098お

よび

070と

な つた。 超 軽 量 コ ン ク リー トを使 用 した耐震 壁 の 曲 げ ひ び割 れ 強度 を過 大 に評 価 した場 合 が 見 られ た が

,ひ

び割 れ 強 度 も初 期 剛性 同様

,材

料 試験 結 果 に よ る材 料 強度 を用 いれ ば

,既

往 の評 価 式 でお お よそ評 価 が 可能 と考 え られ る。

33

最 大強 度 と変形性 能 曲げ降伏 前 にせ ん断破壊 した

NSW,LSWの

最 大強度 の実験値亀ュ3ズは930kN、

790kNで

あ り

,LSWの

せ ん断強 度 は

NSWよ

り2割 程度小 さい値 を示 した (表4)。 この 理 由 の一 つ は

,超

軽 量 コ ン ク リー トを用 い た場 合

,せ

ん 断 ひ び割 れ が骨 材 を貫 通 し

,骨

材 の かみ 合 い作 用 が 減 じるた めで あ る。 また

,材

料 強度 を用 いて指針式4)で 計算 したせ ん断強度ysuに対す る最 大強度 の実験値 の比 は

NSWで 138,LSWで

112と な り (表

5),超

軽 量 コン ク リー トを用 い た 耐震 壁 のせ ん 断 強度 は

,普

通 コン ク リー トを対 象 と して提 案 され た指 針式 に よ るせ ん 断 強 度 を低減 して評 価す る必要 が あ る。 曲げ降伏 先行型 の

NFW,LFWの

最 大強度P _ΠFxは 写 真 可 最 終和度壊 状況

371kN,344kNで

あ り

,NFWの

曲げ強度 は

LSWよ

り

8%

小 さい値 を示 した (表4)。 この理 由 の一 つ は

,超

軽 量 コ ン ク リー トの1軸圧 縮 特性 は最 大 強 度 まで ほ ば直 線 的 に圧 縮ひずみ が増 大す る1)ため と考 え られ るが,P、死 往 の評価 式 に よる曲げ強度 の計 算 値ymυ_{に対 す る最 大強} 度 の実験 値 の比 は 102と な り

,既

往 の評価 式 で超 軽量 コ ン ク リー トを用 い た耐 震壁 の 曲げ強度 を評 価 で きそ う で あ る。 一方

,LFWは

曲げ降伏 後 にせ ん断す べ り破壊 が 生 じたた め

,せ

ん断余裕 度 (Kυ/,生

_J)は

NFWよ

り大 きい に も関わ らず (表

5),限

界変形 角Rυ (最大強度 の正負 の平均 値の

80%を

確保 した最大変形 角

)は

NFW

よ り小 さい値 を示 した (表4)。 した が っ て

,壁

脚 降 伏 後 のせ ん 断 強度 は

,普

通 コン ク リー トを使 用 した場 合 よ り低 減 して評 価す る必要 が あ る。

34

せ ん断強 度の評価 超 軽 量 コ ン ク リー トを用 い た 耐 震 壁 の せ ん 断 強 度 は

,指

針 式 にお け る コン ク リー ト圧 縮 強 度 の有 効係 数 νを低 減 して評価 す る。 非 ヒン ジの超 軽 量 コン ク リー ト造 耐 震 壁 の せ ん 断 強 度 の 計 算 値 は

,指

針 式 に よ る

NSWと LSWの

せ ん断強度 に対す る最大強度 の実験値 の 比 が 同程 度 とな る よ うに有 効係 数 を低l政す る。 ま た, 壁 脚 曲げ降伏後 の有効係 数 は

,水

平変形角

R=1/75で

せ ん断破 壊 が生 じた

LFWの

保 証変形 角Rυを1/75に設 定 し, 有効係 数 を求 めた。 非 ヒ ンジお よび ヒン ジ領 域 で の連 続性 を確 保 す る よ うに して求 めた有効係数 と保証変形角 の関係 は式

(1)で

評 価 で き

,図

4に

示 す。 また

,こ

の有効係 数 を用 い て 求 めたせ ん断強度

_ku

図

3に

示す。 束急11設 技術研究所報No 26 0.000 0005 0010 0.015 0.020 0.025 0030 耐震壁の保証変形角 馬(%〕 図

4

コンク リー ト圧縮 強度 の有効係数 と保証変形角 の関係 =(1160R♪

_νο

_{10 005≦}

_馬

<0010 (1)

こ こに、_ν√

07

_σB/2000

4

ま とめ 単位容積 重量1 2kN/m3,圧縮 強度30N/田m2の 超 軽量鉄 筋 コンク リー ト造 耐震 壁 の実験 を行 い

,以

下のことが明か となつた。 (1)超軽 量 コンク リー トを使 用 した耐震壁 の初期 剛性, ひび割 れ 強度

,曲

げ強 度 は

,材

料 試 験 結 果 に よ る材 料 強度 を用 いれ ば既往 の計算 式 で ほぼ評価 で きる。 (2)超軽 量 コンク リー トを用 い た場合 のせ ん断強度 は, 普 通 コ ン ク リー トを用 い た 場 合 よ り

2割

程 度 低 下 し た。 (3)超軽 量 コンク リー トを用 いた場合 のせ ん断強度 を評 価 す るた め に

,コ

ン ク リー ト圧 縮 強度 の有効係 数 を普 通 コ ンク リー トよ り減 じた 手 法 を木 実験 結果 を も とに 晃案 した。 。 、 ヽ_ヽ 増 黒 Ｌ § 伴 Ｇ 超 部 埋 Щ

ν=08ッ ο

ば

_J<0000

表

5

剛性 お よび強度 の計算値 試 験 体

NSW

LSヽ

V

NFW

LFW

*1 1/′_(生

_口

_′

_{=力 v3/3β}

_て

_re+κ

_v/,17/G.Ah,

ネ

_{2 Pた}

_側′

=(σ rttσ

_『

。

)Z9 /力 F, *3 P sc側

′=

(σ

′

夕

+σ fσ

側

)05ど v′ /狗 :γ , *4 y ttv=[0,9β `σ

ァ

+04aw

σ

l,/+0、 5(1-ハ

′

/bLσ

ε

)〕

′

/力

‖

, *5 y su=よ

_呼′

vぅ

σ

Iり cο

よ

φ

+どaЛ

′

_(1-β )ど 1ャ

ノ町

ツσ

B/2 せ ん断余裕 度 ys口 _{/y Лυ}

053

054

1、69

位容積重量

=呵 2kN/ド) ・……普通コンク リー ト ーー 超軽量コンク リー ト ヽ ＼

＼

初期 剛性 (鳥

席

S

[Kg/′(c初] 曲げひび割れ 強度

Pに

_初・2(kN) [P Ft/PF(,`:BI〕 せ ん 断 ひ び 割 れ 強 度 P sc a′・_'lkN) [P sf/f〕b‐_cεョ′] 曲 げ 強 度 y _Π u・イlkNl IP fη誤/y mv〕 せ ん 断強度 ys」・テ_(kNl 〔P用 訴/y sυ _〕 710 m81〕 499 囮9団 336

p9制

1274 囮7制 676 [13制 562 囮82〕 563

p211

363

Ю

7倒 1318 囮601 707 [1.12〕 185

い

,6倒 169 囮7郷 433

Ю

,6珂 337 [110〕 570

Ю

65〕

913

囮7側 140

Ю

9団 338 [10劉 616 囮5倒

182

謝辞 本研 究の一部 は, 日米ハイブ リン ド共 同研 究に組織 された超軽 量高強度 コンク リー トのハイブ リッ ド構造へ の利 用研究委員会 (委員長 :松 崎育弘東京理科大学教授

)で

行 われた ものである。 参考文献 1)岡本享久

,早

野博幸,柴田辰正 :超 軽量 コン ク リー ト,コンク リー トエ学,Vo1 36,N01, pp 48-52,1998 2)大岡督 尚

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,小

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SeisI工c PerfO..1lance ofReinforced Concrete StnlctLiral Walls using Ultta―Light―

Weight Concrete

S Hakuto,N.Yoshida, T.Ohoka,

and H.Nakumura

Two1/5-scale reinforccd concrete strllctural walls using ulぼ a-light and high strength concrete(he SpCCiic gra宙 ty p=1.2夕 the comprcss市 e strcngth σ b=30MPa)WCrc tcstcd under simulated scismic loading and their seismic

behaviour wcre comparcd win that using normal concrctc,It was found hat hc structural walls using ultra-ligllt and high strength concrctc failcd in sliding shear ancr yiclding ofユ exural reinforcemcnt whilc that using nomal concrete failcd in aexurc, It was also dcmOnstrated that the shcar strcngths of wans using ultra― light and high strengh concrctc were smallcrthan hose using nomal concrctc by 20%.