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論文 柱・梁の曲げ耐力比が

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(1)

論文  柱・梁の曲げ耐力比が RC 接合部に及ぼす力学的性状

田邊  裕介*1・石川  裕次*2

要旨:一般的な RC 造建物の柱梁接合部について,柱主筋強度および主筋径の異なる柱梁接合部の静的載荷 実験を行った。本研究目的は,柱の曲げ終局強度および柱と梁の曲げ耐力比が異なる場合に,接合部せん断 強度に与える影響を確認することである。試験体は接合部破壊するように設計しており,歪分布やひび割れ 分布から破壊挙動の違いを検討した。本実験結果では,ひび割れ状況に若干の違いがあったが,接合部せん 断強度および変形成分には大きな違いが見られなかった。

キーワード:鉄筋コンクリート,柱梁接合部,接合部破壊,柱梁曲げ耐力比

1. はじめに

  近年,鉄筋コンクリート造柱梁接合部には,鉄筋・コ ンクリートの高強度化に伴い高いせん断力が発生する ことが知られている1),2)。一方,靭性保証指針3)による接 合部の設計では,接合部設計用せん断力がコンクリート 強度と断面形状から決まる接合部せん断強度以下にな るように規定しており,柱・梁の曲げ耐力比が接合部に どのような影響を及ぼすか示すデータは少ない4),5)。   そこで本稿では,一般的なRC造建物の接合部破壊が 先行する柱梁接合部について,柱・梁の曲げ耐力比が異 なる2体の試験体を製作し,比較検討を行った。

2. 実験計画 2.1 試験体概要

  試験体は1/2スケールの十字形接合部試験体2体とし た。コンクリートは設計基準強度 Fc21,梁主筋には

SD490を使用した。今回の試験では,接合部破壊に柱梁

の曲げ耐力比が及ぼす影響を確認する為に,確実に接合 部破壊が先行するように設計し,接合部せん断余裕度を

IS01で0.55,IB01で0.53とした。表−1に試験体諸元

を,図−1に試験体図を,表−2に使用鉄筋の材料強度 を示す。実験因子として試験体IS01とIB01は,柱の主 筋強度および主筋径により柱・梁の曲げ耐力比を変化さ せたもので,それぞれ柱・梁の曲げ耐力比がIS01は2.30,

IB01は3.67,であった。接合部せん断強度は靭性保証指

3)に従い求め(平均値式とする為,靭性保証指針の解 説に従い,求めた強度に 1/0.85 を乗じている),柱梁の 終局曲げ耐力はそれぞれ AIJ による略算式6),7)より算出 した。また,今回の実験では試験体の付着破壊を防止す る為,接合部内で梁主筋に円形のナットを溶接し,通し 梁主筋強度を割り増した。

*1 (株)竹中工務店  技術研究所  研究員      修士(工)  (正会員)

*2 (株)竹中工務店  技術研究所  主任研究員  博士(工)  (正会員)

3,024

1600

ナ ッ ト溶 接

pjw=0.24%

D 22(S D 345)

ナ ッ ト 溶 接

pjw=0.24%

D 25(S D 490) 表−1  試験体諸元 

試験体 IS01 IB01

コンクリート強度σB[N/mm2] ヤング係数Ec[×104N/mm2]

27.4 2.64

25.3 2.54

梁断面  B×D[mm] 250×300

梁主筋 4+2-D19 (SD490)

梁せん断補強筋 4-D6@60 (SD785) , pw=0.84%

柱断面  B×D[mm] 350×350

柱主筋 12-D22 (SD345) 12-D25 (SD490)

柱横補強筋 2-D6@50 (SD785), pw=0.36%

接合部横補強筋 2-D6@75 (SD295), pjw=0.24%

接合部せん断余裕度a) 0.55 0.53 通し梁主梁筋定着余裕度b) 0.60 0.57

柱・梁の曲げ耐力比c) 2.30 3.67

a)靭性保証指針式(平均値式)[文献3]

b)靭性保証指針式(緩和式)[文献3]

c)柱・曲げ耐力  AIJ略算式  [文献6,7]

図−1  試験体図 主 筋 :

帯 筋 : 12-D 22

(S D 345)

pg=3.79%

2-D 6@ 50

(S D 295A ) pw=0.36%

B  D :350 350× × 38821108238 350

350

IS01 IB01

[柱] [梁]

主 筋 :

肋 筋 :

(4+2)-D19

(S D 490)

pt=2.74%

4-D 6@60

(S D 785)

pw=0.84%

B   D:250  300× ×

41 3@56 41

250

3614836 3004040 コンクリート工学年次論文集,Vol.32,No.2,2010

(2)

2.2 加力方法

  加力は,梁端加力として層間変形角が R=±1.0,2.5,

5.0,10,20,30,40,50×10-3rad.となるよう制御し,各 2サイクルずつ正負交番繰返し載荷を行った。柱軸力は,

長期軸力に相当する力(N=0.1σB×BDc)を載荷した。

3. 実験結果 3.1 破壊経過

  表−3に実験結果一覧を,図−2に試験体IS01の破壊 経過を示す。なお,ひび割れは中央から右側にのみマジ ックで記入し,左側は実際のひび割れ状況を記録するた めにマジックによる記入は行わなかった。共通した破壊 経過として,変形に伴うひび割れは,まずR=1.0×10-3rad.

に梁端に曲げひび割れが発生した。R=2.0×10-3rad.に接 合部中央部に接合部せん断ひび割れが一本発生し,

R=5.0×10-3rad.に接合部内の梁主筋沿いに水平ひび割れ

が発生した。以降,接合部せん断ひび割れは本数が増加 し,ひび割れが柱の上下面まで伸展した。最大耐力であ

る R=20×10-3rad.では,接合部中央のせん断ひび割れが

大きく開き,除荷後もひび割れが残った。ポストピーク では,先述したひび割れが拡大し,接合部での破壊が顕 著となった。R=30×10-3rad.で接合部のかぶり部分は,接 合部対角を貫通したひび割れにより4つのピース状にな り,互いに接触し合い,左右のピースが剥離した。また 梁変形は,端部での回転変形が主となり,梁のその他の ひび割れは閉じた。

  図−3に試験体IB01の破壊経過を示す。試験体IB01 は,IS01とほぼ同様の破壊経過を示したが,IS01と比較 して,接合部せん断ひび割れの柱上下面への伸展が大き かった。

表−2  使用鉄筋の機械的性質

IS01 

R =- 30× 10-3r ad .  IS01 

R =- 20×10-3r ad .  IS01 

R =- 10× 10-3r ad .  IS01 

R =- 5× 10-3r ad. 

IS01 

R =- 50× 10-3r ad . 

図−2  破壊経過(IS01) 

中央から右側にのみマジックでひび割れ記入  表−3  実験結果一覧

正 負 平 均 正 負 平 均

V u (kN) 23.3 31.4

R (× 10-3rad.) 0.5 1.0

V u (kN) 52.0 56.1

R (× 10-3rad.) 1.8 2.0

V u (kN) 160.7 153.3

R (× 10-3rad.) 11.9 12.2

V u (kN) 143.7 110.3

R (× 10-3rad.) 30.7 35.5

V u (kN) 152.8 未 降 伏

R (× 10-3rad.) 36.1 未 降 伏

V u (kN) 189.5 170.9

R (× 10-3rad.) 20.2 20.1 柱 主 筋 降伏

最 大 耐 力 梁 曲げ ひ び 割 れ 接合 部 せ ん 断 ひ び 割 れ

接 合 部 帯 筋降 伏 梁 主 筋 降伏

諸 現 象 層 せ ん 断 力  V u IS01 IB01

層 間 変 形 角  R

降 伏点 ヤン グ係数 Es 降伏 比 引 張強 度 伸び

( N/m m2) (× 105N/m m2) (%) (N/m m2) (%)

D6 (S D2 95A) 36 3 1.97 67.1 541 21.1

D6  (S D785) 1006 1.95 80.4 1251 8.5

D19 (SD490 ) 53 0 1.92 74.8 709 16.5

D22 (SD345 ) 39 6 1.87 69.0 570 20.2

D25 (SD490 ) 53 7 1.94 76.5 702 25.2

鋼種

(3)

3.2 履歴特性

  層間変形角−層せん断力関係および層間変形角−等 価粘性減衰定数関係を図−4に,R=30×10-3rad.までの包 絡線の比較を図−5に示す。図−4には靭性保証指針3) に従い求めた接合部せん断強度を併記した。等価粘性減 衰定数(以下,heq)は同一変形角における2サイクル目 のデータを用いて算出した。

  共通事項として,試験体IS01,IB01ともに接合部帯筋 は最大耐力に達する R=20×10-3rad.の直前に降伏し,梁 主筋は最大耐力後である R=20~30×10-3rad.に一段筋が 降伏しており,破壊状況と合わせて,共に破壊形式は接 合部破壊である(J 破壊)と判定した。また,最大耐力 はAIJの略算式から求めた梁曲げ終局強度時の層せん断

力計算値6)に対し60%程度であった。履歴は共にスリッ

プ性状が顕著であり,いずれの試験体も最大耐力以降い わゆる接合部せん断破壊以降,heq は頭打ちになると共 に,IB01ではheqは大変形時に逆S字現象が顕在化し,

heqが低下した。試験体IS01とIB01を比較すると,IS01 の最大耐力が大きいが,これはコンクリート強度による 違いと考えられる。剛性およびheqは両試験体でほぼ同 等の値を示し,主筋量による影響はほとんど見られなか った。主筋強度および主筋径が小さいIS01は,柱主筋が R=36×10-3rad.の時降伏しており,R=40×10-3rad.以降,

若干IB01よりheqが高い値となった。

-20 0 -15 0 -10 0 -5 0 0 5 0 10 0 15 0 20 0

- 60 -50 - 40 -3 0 -20 -1 0 0 10 2 0 30 40 50 60 層 間 変 形 角:R × 1 0- 3  [ra d.]

層せん断力:Vc [kN]

梁 曲 げ ひび割 れ 接 合 部 せ ん断 ひび割 れ 接 合 部 横 補 強 筋 降 伏 梁 主 筋 降 伏 接 合 部 せ ん断 強 度

I B 0 1

0 5 10 15 20

- 60 -5 0 - 40 -3 0 -20 -1 0 0 10 20 30 4 0 50 6 0 層 間 変 形 角 : R× 10- 3 [rad.]

heq [%]

I B 0 1 -20 0

-15 0 -10 0 -5 0 0 5 0 10 0 15 0 20 0

- 60 -5 0 -40 - 30 -2 0 -10 0 1 0 20 30 4 0 50 60 層 間 変 形 角 :R × 1 0- 3 [rad.]

層せん断力:Vc [kN]

梁 曲 げひ び割 れ 接 合 部 せ ん断 ひび割 れ 接 合 部 横 補 強 筋 降 伏 梁 主 筋 降 伏 柱 主 筋 降 伏 接 合 部 せ ん断 強 度

IS 0 1

0 5 10 15 20

-60 - 50 -4 0 -30 -2 0 -10 0 1 0 20 30 40 50 6 0 層 間 変 形 角:R × 1 0- 3 [rad.]

heq [%]

IS 0 1

IB 01 

R =- 30×10-3r ad .  IB 01 

R =- 20×10-3r ad . 

図−4  履歴特性 図−3  破壊経過(IB01) 

中央から右側にのみマジックでひび割れ記入 

図−5  包絡線の比較 -200 

-150  -100  -50  0  50  100  150  200 

-30  -25  -20  -15  -1 0  -5  0  5  10  15  20  25  30  層せん断力:Vc[kN]

層 間 変 形 角: R× 10-3[rad.]

IS01(σB =27.4MPa)

IB 01(σ B=25.3M Pa)

(4)

3.3 接合部せん断変形角‐せん断応力度関係

  図−6に最大耐力 R=20×10-3rad.までの接合部せん断 変形角−せん断応力度関係を示す。試験体 IS01,IB01

ともに R=2.0×10-3rad.に接合部ひび割れが発生し,ひび

割れ点をきっかけに剛性が低下している。R=10×10-3rad.

にせん断変形角γが増加し,接合部せん断補強筋の降伏 が認められた。試験体 IB01 の正側では,ひび割れ箇所 の影響から R=+20×10-3rad.以降の実験値が小さい値と なったが,負側ではIS01と同等の値を示した。また接合 部のせん断強度τjを下記(1)式より求め,図に併記した。

7 .

8 0

.

0 B

j

   (1)

  接合部せん断強度の計算値は,IS01では7.10 [N/mm2],

IB01では6.71 [N/mm2]となり,実験値より小さい値とな

った8)。 3.4 変形成分

  図−7に試験体IS01のR=30×10-3rad.までの変形成分 を示す。変形成分は正負ピーク時の変形成分を平均して 求めている。梁変形は,試験体に設置した変位計から梁 先端での変形と梁端部での回転変形を加算して求めた。

柱変形は柱端部の回転変形から求めた。

  接合部の変形割合は,最大耐力である R=20×10-3rad.

まで変形とともに増加し,以降ほぼ一定の割合となり20

〜30%程度であった。梁変形は,接合部せん断変形の増 加に伴い減少し,R=20×10-3rad.以降一定値となり 60%

程度となった。柱変形は,接合部破壊に伴い増加した。

3.5 鉄筋の歪分布 (1) 梁主筋歪分布

  図−8に R=+5〜30×10-3rad.までの梁上端一段筋の歪

分布を示す。梁主筋歪は,変形に伴い増加しIS01とIB01 を比較すると,相対的にIS01の歪が大きかった。これは IS01の最大耐力が大きかった為

だと考えられる。またIS01では 梁危険断面位置であるゲージ⑥ より接合部内のゲージ⑤の歪が 大きい値を示した。

-1000 0 1000 2000 3000 4000

-200 -150 -100 -50 0 50 100 15 0 200

接 合 部 中 央 か ら の 距 離   [m m ]

]

0

降 伏 歪 I S 0 1

-1000 0 1000 2000 3000 4000

-200 -150 -100 -50 0 50 100 15 0 200

接 合 部 中 央 か ら の 距 離   [m m ]

]

5× 10 10× 10

20× 10 30× 10

降 伏 歪 I B 0 1

0

-3 -3

-3 -3

図−8  梁上端一段筋歪分布 コンクリート強度

B:

図−6  接合部せん断変形角−せん断応力度関係

図−7  変形成分

0 1 2 3 4 5 6

梁主筋歪ゲージ位置

-10.0 -8.0 -6.0 -4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

接 合部 せ ん 断変 形 角 :γ ×10- 3 [rad.]

接合部せん断応力度:τ [N/mm2] 接 合 部 せ ん断 ひび割 れ 接 合 部 横 補 強 筋 降 伏 計 算 値 τ j 系 列 4

IS 0 1

-1 0.0 - 8.0 - 6.0 - 4.0 - 2.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 1 0.0

- 10 -8 -6 -4 - 2 0 2 4 6 8 10

接 合 部 せ ん 断 変 形 角:γ × 10-3 [rad.]

接合部せん断応力度:τ [N/mm2 ]

接 合 部 せ ん断 ひび割 れ 接 合 部 横 補 強 筋 降 伏 計 算 値τ j

IB 0 1

0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0

± 1 .0 ± 2 .5 ± 5 .0 ± 1 0 ± 2 0

変形成分[%]

層 間 変 形 角 : R × 10-3[rad.]

柱 変 形 梁 変 形 接 合 部 せ ん断 変 形

R   = I S 0 1

(5)

(2) 接合部横補強筋歪分布

  図−9に R=+5〜30×10-3rad.までの接合部の横補強筋

の歪分布を示す。共通事項として,接合部の横補強筋歪 は変形の増大に伴い歪が大きくなり,接合部中央からほ ぼ対称の値となった。最大耐力時R=20×10-3に接合部内 の横補強筋⑤,⑦が降伏した。接合部中央の横補強筋歪

⑥は⑤,⑦と比較し小さい値となり,変形に関係なくほ ぼ一定値となった。横補強筋降伏時には左右梁端部から 圧縮応力が作用する側で接合部せん断ひび割れは,面外 に押し出される現象が見られた。

  試験体IS01とIB01の接合部の横補強筋歪を比較する と,接合部内の横補強筋⑤,⑦で IB01 の歪が大きく,

R=20×10-3で横補強筋⑦ではIS01より2000μ程度大き

い値となっており,柱の曲げ耐力が大きい時,接合部内 の横補強筋に大きな応力が発生した。図−10に鉄筋降 伏時の損傷状況を示す。降伏した接合部の横補強筋周辺 に多数のひび割れが発生していることが分かる。

(3) 柱主筋歪分布

  図−11にR=+20×10-3,R=+40×10-3における柱主筋 歪分布を示す。R=+20×10-3では,左右の一段筋C1,C4 で対称の値となっており,二段筋C2,C3は一様に歪ん でいる。正サイクル時に下柱で引張側となる鉄筋C4の ゲージ位置AとBを比較すると,梁と同様に柱危険断面 位置のAより,接合部内であるBの位置で大きな値とな っている。これは接合部内の応力を柱主筋が負担してい る為と考えられる。

  試験体IS01とIB01を比較すると,IS01の柱主筋歪が 大きく,IS01の柱主筋は,R=40×10-3rad.に鉄筋C1の接 合部中央位置Dで降伏した。これは,IS01の主筋径が細 く,同様のせん断力に対し柱主筋一本の負担が増えた為 である。また図−10に示すように降伏箇所の側を大き なひび割れが貫通していることが分かる。

-15 0 -10 0 -5 0 0 5 0 10 0 15 0

0 1 000 200 0 30 00 4 000 柱 主 筋 歪 分 布   [μ ]

接合部中央からの距離 [mm]

A

B C D E F

I B 0 1

-1 50 -1 00 - 50 0 50 1 00 1 50

0 100 0 2000 300 0 40 00 柱 主 筋 歪 分 布   [μ ]

接合部中央からの距離 [mm]

C 1 C 2

C 3 C 4

A

B C D E F

I S 0 1

[R=+20×10‑3rad.] 

-150 -100 -50 0 50 100 150

0 10 00 20 00 3000 4000 柱 主 筋 歪   [μ ]

接合部中央からの距離 [mm]

A

B C D E F

I B 0 1

-15 0 -10 0 -5 0 0 5 0 10 0 15 0

0 1 000 200 0 30 00 4 000 柱 主 筋 歪 分 布   [μ ]

接合部中央からの距離 [mm]

C 1 C 2

C 3 C 4

A

B C D E F

I S 0 1

[R=+40×10‑3rad.] 

柱主筋歪ゲージ位置 C1 C2 C3C4 AA

B C D E F

図−11  柱主筋歪分布

3

SD785

SD785

4 5 6 7 8 9

SD 29 5 

接合部横補強筋歪ゲージ位置

図−10  鉄筋降伏時の損傷状況 IS01 

R =+ 40× 10-3r ad .  柱主筋降伏

IS01 

R =+ 20× 10-3r ad .  横補強筋降伏 梁主筋降伏

図−9  接合部横補強筋歪分布 -300

-200 -100 0 100 200 300

0 2000 4000 6000

接 合 部 横 補 強 筋 歪  [μ ]

[mm]

5× 10 10× 10

20× 10 30× 10

-3 -3

-3

I B 0 1

-3

-300 -200 -100 0 100 200 300

0 2000 4000 6000

接 合 部 横 補 強 筋 歪  [μ ]

[mm]

IS 0 1

面外へのずれ

(6)

3.6 接合部ひび割れ幅の推移

  図−12に各サイクルピーク時の接合部ひび割れ幅 の推移を示す。ひび割れ幅は,図に示すように接合部の 対角線上に変位計を設置し,計測区間80mmにあるひび 割れを計測した。なお変位計は,正サイクル時に接合部 内で開くひび割れを計測するように設置している   接合部せん断ひび割れは,試験体 IB01 では接合部入 隅部JC1より接合部中央であるJC4で大きい値となり,

IS01 ではR=30×10-3rad.まで計測箇所に因らずほぼ一定

の値であった。R=+20×10-3rad.におけるJC1~JC4の各ひ び割れ幅を平均すると IS01 では 0.92mm,IB01 では

1.03mmと同等の値となった。IB01では,接合部中央部

JC4でR=+20×10-3rad.に2.3mm程度まで大きく開き,負 サイクルでもひび割れが残った。

塩原ら10)が指摘しているような 接合部中央が開く変形モードは IB01ではR=20×10-3rad.に,

IS01ではR=40×10-3rad.に 確認できた。引張鉄筋側で 入隅部が開く変形は,

R=-20×10-3rad.から確認できた。

4. まとめ

  一般的なRC造建物の柱・梁曲げ耐力比が異なる試験 体の接合部実験を行い,以下のような知見が得られた。

なお,柱・梁曲げ耐力比は柱の主筋径・強度の違いによ り変化させ,IS01の柱・梁曲げ耐力比はIB01の0.63倍 とした。

(1) 柱・梁曲げ耐力比の違いが剛性および接合部せん断

強度に及ぼす影響は小さかった。等価粘性減衰定数 heqは,大変形時には,主筋強度が低いIS01では柱 主筋が降伏した為,R=30×10-3rad.以降IS01のheqは,

IB01より若干大きくなった。

(2) IS01 とIB01の破壊経過は,R=10×10-3rad.までほぼ 同じ挙動を示した。最大耐力に達したR=20×10-3rad.

以降,接合部のひび割れ状況が若干異なった。

(3) 接合部の横補強鉄筋の歪分布から,IS01とIB01の鉄

筋が負担する力の違いを確認した。柱主筋量の多い IB01では,接合部横補強筋の負担割合が高かった。

(4) 変位計によるひび割れ計測により,試験体の変形モ ードを確認した。

参考文献

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2) 石川裕次,木村秀樹,東端泰夫,角彰:梁主筋に高 強度鉄筋(USD685)を用いた柱・梁接合部の力学性状,

コンクリート工学年次論文報告集  第23巻3号,

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3) 日本建築学会:鉄筋コンクリート造建物の靭性保証 型耐震設計指針・同解説,1999

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福山洋:RC 造十字型柱梁接合部の耐震性能に及ぼ す柱・梁曲げ強度比と主筋間距離の影響に関する実 験  その1〜その2,日本建築学会大会学術講演梗 概集(東北)C-2,pp397-400,2009

6) 日本建築学会:鉄筋コンクリート構造計算規準・同 解説,付20,pp.600-615,昭和63年7月

7) 日本建築学会:地震荷重と建築構造物の耐震性

(1976),pp670,昭和52年1月

8) 村上秀夫,藤井栄,石渡康弘,森田司郎:鉄筋コン クリート造内部柱・梁接合部のせん断強度に関する 検討(接合部データベース解析  その1),日本建 築学会構造系論文集  第503号,PP85-92,1998.1 9) 藤井栄,森田司郎:鉄筋コンクリート外部柱・梁接

合部のせん断抵抗機構,日本建築学会構造系論文報 告集  第398号,pp61-71,1989.4

10) 塩原等:鉄筋コンクリート柱梁接合部:見逃された 破壊機構,日本建築学会構造系論文報告集,第 74 巻,第631号,pp1641-1648,2008.9

接合部変位計位置 正サイクル時

図−12  層間変形角−ひび割れ幅関係 - 4.0

- 2.0 0.0 2.0 4.0 6.0

- 60 -5 0 -40 - 30 -2 0 - 10 0 10 20 3 0 40 50 6 0 層 間 変 形 角 : R× 10-3[rad.]

ひび割れ幅 [mm] JC 1 JC 2

JC 3 JC 4

IS 0 1

- 4.0 - 2.0 0.0 2.0 4.0 6.0

- 60 - 50 -4 0 - 30 - 20 -1 0 0 10 2 0 30 40 5 0 6 0 層 間 変 形 角 :R × 10- 3[rad.]

ひび割れ幅 [mm]

I B 0 1

JC2JC1 JC4JC3

参照

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