プレーンおよびコンファインドコンクリートの圧縮特性の寸法効果に関する実験的研究

愛 知 工 業 大 学 研 究 報 告

第

31

号

B

平 成

8

年 137

プレーンおよび、コンブァインドコンクリートの圧縮特性の

寸法効果に関する実験的研究

S

I

Z

E

EFFECT ON COMPRESSIVE BEHAVIOR OF PLAIN

AND CONFINED CONCRETE

小 池 狭 千 朗 ヘ 畑 中 重 光 ぺ 谷 川 恭 雄 村 *

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TANIGA WA

Abstract The eff巴ctsof the specimen size and aggregate size on the inelastic stress-strain behavior of plain and confined concrete were 邑xaminedo The following statement can be drawn from the studyo For air cured plain阻icroconcrete in which the size of aggregate is r巴duced in proportion to the siz巴ofa sp巴cimen， the compr巴SSlV巴 strength incr巴ased and the descending portion of stress-strain curve showed曲目r巴brittle b巴haviorwith increasing size of specimen or aggregateo The compressive strength of confined concrete increased with increasing size of specimen軒hencured in ai

r

.

On the other hand， the size effect ¥'laS almost negligible in water cured specimenso The stress-strain curve of confined concrete showed 皿ore brittle behavior with incr巴asingsize of speci皿巴n and degree of such size 芭ffect depended on the spacing of hoops. 1. はじめに コンクリートおよび鉄筋コンクリ ト(以後、

RC

と 略記)部材の強度は、断面寸法の大きさに依害する。一 般に、これを「寸法効果」という。

RC

部材や

RC

構造物を実大で実験するには大型の載 荷設備を必要とし、多額の経費と手闘がかかるため、小 裂試験体を使用することが多い。これらの小型試験体の 実験結果を実大構造物や部材に適用する際には、実大と 小型の相互関係、すなわち寸法効果をあらかじめ確認し ておく必要がある3)一円。 コンクリートの圧縮強度の寸法効果は、引張・曲げ・ せん断強度の寸法効果に比べて小さく、実大部材の圧縮 強度は、通常の試験体(直径φ10cm~15 cm)の圧縮強 度のおよそ 80~90 %と考えられているが8)、高強度に なるほど寸法効果が大きくなるとの報告U←1))もみられ る。また、圧縮下のコンクリートのピーク応力後の破壊 本愛知工業大学ヱ学部建築学科 (豊田市) 紳三重大学工学部建築学科 (津市) 料率名古屋大学工学部建築学科 (名古屋市) 性状は、試験体寸法の増大に伴い、かなり脆性的になり、 このような寸法効果もまたコンクリート強度に依存して 異なるようである2，11。)

RC

部材の圧縮部のコンクリートは、せん断補強筋に よる拘束効果のために、プレーンコンクリートに比べて その力学性能が改善され、せん断補強筋の多い

RC

部材 ほど延性的な力学挙動を示す12)-14)0

RC

部材の力学 挙動の寸法効果を論じるには、部材の圧縮域を想定して 横補強されたコンファインドコンクリートの塑性変形挙 動に及ぼす試験体寸法の影響についても知る必要がある。 これまでにも、コンファインドコンクリートの変形挙動 に関する研究例は多く、応力一ひずみ曲隷の表示式も種 々提案されているが、試験体寸法の影響を考慮した研究 例は少ない15)ー17)。 近年、設計・施工技術の進歩と社会的要請が重なって、

RC

構造物は大型化・高層化する傾向にあるが、実大柱 の実験例は少ない18).19)。 これらの構造物の実物大実 験を行い得る載荷試験機の容量は、研究費の制約等から この大型化に追従できず、実物大実験ができなくなって きており、昨今のコンクリートの高強度化はこの傾向を 加速している。このような大型構造物の安全性を、実物

138 愛知工業大学研究報告，第

3

1

号

B

， 平 成

8

年，

V

0.1

3

1

-B

，

Ma

r.

1

9

9

6

大実験を行うことなく合理的に確保するためにも、 「寸 法効果」の究明は極めて大切な研究課題である2日)。 模型実験を行う場合、縮小試験体に使用する材料の力 学特性は原型と同じものが望ましい。縮小試験体のコン クリートとして原型試験体と同じものを使用すると、模 型試験体中の粗骨材の寸法が試験体寸法に比べて相対的 に大きくなり、これがコンクリートの力学挙動に影響す ることがあり、模型材料に使用するコンクリ トの骨材 寸法の選択には注意を要する3)-5)，21)，22)。 これらのリスクを避けるために、しばしばコンクリー ト中の骨材の寸法を試験体寸法に合わせて縮小したマイ クロコンクリートを用いた縮小試験体による模型実験も 試みられ、併せてマイクロコンクリートの圧縮特性に関 する研究231←251も行われている。コンクリートをマイ クロ化することによって、原型の圧縮強度にかなり近づ け得るとの報告26)，27)もみられる。また、変形性状に ついても、応力上昇域については再現性がよいとの報告 28)もあるが、圧縮強度並びに圧縮強度時のひずみとは 逆にマイクロコンクリートの弾性係数は縮小化に伴って 減少するとの報告29)もある。 また、骨材寸法が小さく なると圧縮強度が増大し、かっ弾性係数も増大するとの 報 告24)もみられ、その結論とするところは各研究者に よって必ずしも一致していない。 構造物の大変形時の塑性変形挙動をマイクロコンクリ ートを用いた縮小試験体によって調べるには、これらの コンクリートの応力下降域の変形挙動の寸法効果に関す る調査が必要不可欠であるが、研究例は極めて少ない。 本研究では、まず、既に多くの実験結果が報告されて いるプレーンコンクリートの圧縮強度の寸法効果につい て取りまとめ、各種要因の位置づけを明らかにする。次 に、プレーン並びにコンファインドコンクリートに関す る一連の一輪圧縮実験を行い、これらのコンクリートに ついて圧縮強度のみならず、高ひずみ域に至るまでの圧 縮応力一ひずみ曲線に及ぼす試験体寸法と諸要因の影響 を明らかにすることを目的とする。この種の研究では実 大試験体の実験データを含めて検討することが望まれる が、載荷試験機の制約から本実験で取り扱っている試験 体の寸法の範囲は「縮小模型」と「超縮小模型」の範囲 に線られている。 I縮小模型」と「実大試験体」の関係 については、別途検討する必要がある。 2. プレーンコンクリートの圧績強度に関する既往の 研 究 プレーンコンクリートの圧縮強度の寸法効果に関する 研究は比較的古くから多くの研究がなされている。ここ では、寸法効果に関わる要因を大きく次の 4つに分類し 。 た i) 試験体寸法の影響 ii)骨材寸法の影響 iii)コンクリートの内部組織の影響 iv)実験条件の影響 以下、それぞれの要因の影響について概要をまとめる。 ( 1 ) 試験体寸法の影響 多くの国で、 R C構造物の設計の基準強度としてゆ15 x

3

0

c

固または

φ10

x

2

0

c

皿円柱体の圧縮強度を使用してい る。これらの円柱体と種々の寸法をもっ構造体の強度と の比や力学特性の違いを検討する必要上、コンクリート 強度の寸法効果に関する研究が、多くの研究者によって 古くから行われてきた。これらの研究例については、谷 jIi.山田引が詳しく紹介しており、以下にその後の文献 も含めて紹介する。 Gonner皿an21i、 Blanks. McNamara301、 Gy巴ngo31、) Neville4 、) Hollis32、) Rajendran3 3)、Sabnis.Mirza71、 Malhotra34)などの研究者は、コンクリートの圧縮強度 に及ぼす試験体寸法の影響について調べた。その結果、 これらの研究者は、一盤に試験体寸法が大きい民どコン クリート強度は低下すると述べている。 Blanks.McNama -ra3臼)やSabnis.Mirza7)らは、コンクリートの圧縮強度 は直径の約

1

0

乗根に反比例して減少する弱い寸法効果を 示すことを報告している。 Kim35)らは、 Bazantの援案した非線形破壊力学に基づ く寸法効果別に初期クラックの相対長さの影響を考慮し た修正式を提案し、圧縮強度の寸法効果の予測に応用し、 Blanks30)らの実験結果に本提案式を適用し、 試験体寸 法に依存しない強度比

(d

が無限大の時の値)として

0

.

6

3

を得ている。 このような試験体寸法の増大とともに圧縮強度が減少 する傾向を説明するモデルとして、次の2つがある。 す なわち、 i) Tucker3 6)、堀37)、永松38、) Hobbs39、) Kamesu wara Rao・Sw組y40)、三橋41、)42)、谷jl[43).44) らの研 究による確率論的な考察: 材料の強度は、試験体中に 潜在する材料の欠陥の分布状態、大きさ、量などが一定 ではなく、ランダムにばらつく性質をもつためであると し、寸法効果は一般に、試験体中の欠陥霊の多少に依存 する容積効果によるとする考えから、確率論を用いた説 明がなされている。コンクリートのような脆性材料の破 壊強度は百巴ibull分布に従うとし、 とくに、そのモデル としては、 Weibullの最弱リンクモデル並びにそれを改 良したモデルを用いている。 ii)近年、金属材料の破壊現象の説明にめざましい成 果を挙げている破壊力学、損傷力学をコンクリートの破 漉に適用して、寸法効果を解明しようとするGriffith理 論に代表される「エネルギ一変換機構」に基礎を置く理 ヨ士45)， 46) 醐 。 これらの理論で説明できるコンクリ トは、コンクリ ト中の骨材の寸法が試験体寸法に比べて棺対的に小さ

コンブアインドコンクリ トの圧縮特性の寸法効果

1

3

9

く、コンクリートを等質連続体とみなし得る場合38) で あり、これらの理論によればコンクリート強度は、試験 体寸法の増大とともに減少する。

(2 )

脅材寸法の影響 これらの研究と併行して、コンクりート中の骨材寸法 がコンクリートの圧縮強度に及ぼす影響についても注目 が集まり、 Powers47、) Collier' 8)、 並びにその後の Walker • Bloem49)、 Cordon'G1l-1espie5O)、 Hughes• Chapman24)らの研究では、一般的に骨材寸法が大きいほ ど圧縮強度が低下するとの結論を得ている。 一方、 Sangha. Dhir5)は、試験体寸法と骨材寸法の相 互効果がコンクリート強度に及ぼす影響について調べ、 試験体寸法と骨材寸法の比が小さい範囲では、試験体寸 法が大きくなるほど強度が増大する場合のあることを報 告している。 わが国でも、 笠井51)が約2000個の円柱体の実験から φ15 x 30c血円柱体の圧縮強度が、わずかであるが、φ10x 20cm円柱体のそれよりも大きいことを報告している。 谷川。山田6)は、試験体寸法が大きいほど圧縮強度が 増大するこれらの傾向は、最小値確率論などでは全く説 明できない現象であり、コンクリ トのような極度に非 均質な材料の寸法効果は試験体の容積効果のみでは理解 できず、試験体寸法と骨材寸法の相対的な大きさに依害 するシステム全体としての幾何学的な非均質度が寸法効 果に対する重要な影響因子となることを指摘した。そし て試験体寸法を種々に組み合わせたコンクリートの圧縮 実験を行い、圧縮強度の寸法効果を、試験体中の欠陥量 の多少に起因する容積効果と試験体内部の幾何学的非均 質性に起因する効果との複合効果として表示した。この 表示式によれば、試験体寸法に比べて相対的に骨材寸法 が小さい場合には、試験体寸法の増大とともに強度は低 下し、骨材寸法が大きく試験体内部の幾何学的非均質度 が増すと、試験体体積の増大とともに強度も増大してお り、後者の現象はSangha-Dhir5)や笠井51)の実験結果 に基づいた骨材寸法の影響として説明することができる としている。 ( 3)コンクリートの内部組織の影響 コンクり トの内部組織に関わる要因7)，52)，53)とし ては、以下のものが挙げられる。 i) 試験体側面の型枠のせき板効果に起因する寸法効 果54)，55) . 型枠(せき板)とコンクリ トの譲するま

E

骨材 l個分程度の厚さの周辺では、粗骨材の移動が型枠 壁面によって拘束されるため、粗骨材の充填割合が内部 より低下して、モルタル量の多いコンクリ トになり、 この部分のコンクリートの強度が増大する。試験体寸法 の小さなものほど、この表層部分の占める割合が大きく なって強度が増大し、寸法効果の原因のーっとなる。 ii)部材寸法の違いによる施工条件の変化に起因する 寸 法 効 果 日 : 試験体寸法の小さなものほどよく締め 固められ、コンクリートが綴密になり強度が高くなる。 これに対して、寸法の大きな試験体では、締固め不足に よる空隊や欠陥を内部に含みやすく、強度が低くなる可 能性がある。 iii) 水や骨材などの材料の偏りに起因する寸法効果 57) : まれに、寸法の大きな部材には寸法の大きな粗 骨材を使用することがある。大きな粗骨材は欠陥の原因 となりやすく、またコンクリ ト内部で水や脅材の偏り が生じやすく、これが強度を低下させる原因となる。 iv) コンクリ トの強度レベル(水セメント比)に起 因する寸法効果9)-1 1) • コンクリートが高強度になる ほど、強度の寸法効果が大きくなる。また、コンクリー トの強度レベルによって応力軟化域の負剛性の寸法依存 性が相違する。 (-4 )実験条件の彰響 実験条件に関わる要因としては、以下のものが挙げら れる。 i)裁荷速度に起因する寸法効果56) • 試験体寸法が 小さいものほど載荷速度が速くなりやすい。この注意を 怠ると、小さい試験体ほど強度が高くなる可能性がある。 ii)試験体の載荷

i

i

i

i

の平滑度に起因する寸法効果53)， 58) • 試験体寸法が大きいほど平滑な端面に仕上げる のが困難になる。試験体端面の仕上げが悪く載荷中に端 部が破壊するような試験条件下では、端面の仕上げの程 度で強度が異なる。 iii) 養生時の水分の散逸による水和反応の阻害に起 因する寸法効果2，59).比較的乾燥した大気中で養生さ れたコンクリートは、水中養生されたコンクリートに比 べて試験体寸法の小さなコンクリートほど水分の散逸が 顕著で、水和反応が阻害される可能性が高い。このよう な乾燥条件下で養生されたコンクリートでは、確率論や エネルギ一変換機構に基づく寸法効果とは逆に、試験体 寸法が大きいほど強度が増大する場合もある。本研究の うち、プレーンコンクリートに関する実験はこれに該当 する。

3.

プレーンコンクリートの一輪圧績実験 表1 プレーンコンクリート試験体の一車血圧縮実験の概要 角柱体の寸法 円柱体の寸法 水セメント比

草野喜

b><b><百 (H=3b) d >< H (H=2d) _百(E/C) (c悶) (c館 4.5>< 4.5><13.5 o7.5x15 45 15. 25 5.6X 5.6><16.8 Mortar 7.3>< 7.3><21.9 o 10 >< 20 60 10， 15， 20， 9.7X 9.7x29.1 12.5xI2.5x37.5 25， 30 o 15 >< 30 70 15， 25 15.0>< 15.0x 45.0 _~ [位Jb:角柱体の断聞の一辺、 d :門校体の直径

140 愛知工業大学研究報告，第31号

B

，平成8年，

V

0

1

.

31-

B

，

M

a

r

.

1996 3. 1 実践方法 ( 1 ) 実験の概要 プレーンコンクリート試験体の一軸圧縮実験の概要を 表1に示す。実験要因として試験体寸法、水セメント比、 および粗骨材の最大寸法を取り上げた。試験体の個数は、 各要因の組合わせごとに 20体、合計 1800体である。円柱 体は縦打ち、角柱体は横打ちとした。 (2) 試験体の製作および養生方法 コンクリートの製作には、普通ボルトランドセメント、 天竜川震の川砂 (5mm未満)と川砂利を使用した。 組骨 材の粒度分布は、骨材最大寸法

φ

a

=25mmの分布を基本と し、その他の骨材最大寸法

(

φ

a

=10、15、20および30mm) については、無次元化粒度分布が等しくなるように粒度 調整を行った。水セメント比

(

W

/

C

)

は 45、60および70 %の 3種類、スランプは 15c皿とした。 表2に、コンクリ ートの調合表を示す。コンクりートの温練には、 容量 600iのスミス式可傾ミキサを使用した。 角柱試験体の 型枠には、試験体の措面を平滑に、また端面の平行度を 高めるために、銅製型枠を使用した。コンクリートの打 設に際しては、粗骨材が分離しないように注意し、パイ プレータおよび木づちによって十分に締め囲めた。すベ 褒2 プレーンコンクリートの顔合表 組骨材の 水 セメント 細 骨 材 組 骨 材 細骨材率 最大寸法 s/a 411.(皿} (kg/.' ) (kg/.' ) (kg/") (kg/が) (%) (Kortar) 283 (72 1571

。

10 191 319 737 1092 40 15 186 310 756 1094 41 20 182 303 737 1131 (0 25 178 297 722 1161 39 30 1U 290 705 1195 37 n u n u n u n u F h J n u R J n U

3

3

2

2

0 ・同よ何回刃¥吋同訓}民﹄ r b Z 刷 出 ト 凶

7

.

3

9

.

7

12.

5

1

5

.

0

WIDTH (cm)

，

b 関 1 プレーンコンクリートの圧縮強度 (Fc)と 試験体寸法 (b)の関係(角柱休} ての試験体は材齢3日目に脱型し、室内(温度20土2"C、 棺対湿度75土10%)で空中養生を行った。実験材齢は、 およそ6週とした。 (3 ) 富島荷および劃定方法 加圧板の寸法は試験体の断面寸法と同ーとし、厚さは 試験体の断面の一辺 bの 1/4以上のものを使用した。載 荷には、名古屋大学の変位制御型高剛性圧縮試験機を用 い、ひずみ速度を毎分およそ1X 10-3の一定とし、試験 体の縦ひずみ (e )が 10X 10-3になるまで継続哉荷し た。試験体の縦ひずみは、後述の図

10

に示すように、 試験体の中央部に取り付けた一対の変位計によって測定 した。測定長は、角柱体では試験体の中央部2b、円柱体 では (6-2) c田である(ここに、 b:試験体の断面辺長、 日:試験体高さ)。 3. 2 実験結果とその考察 (1) 圧縮強度 図1および図2に、それぞれ角柱体および円柱体の圧 縮強度 (Fc) に及ぼす試験体寸法の影響を示す。これら の図によれば、 i) 打込み方向の相遣にも拘らず、 角 柱体および円柱体の圧縮強度の寸法効果は極めて類似し ており、圧縮強度は試験体寸法が大きいほど増大するこ と(ここで、粗骨材の最大寸法

(

o

.)

は一定)、 および ii) 同一寸法の試験体であれば、一般に

o

.

の値の糟加 に伴って圧縮強度が減少することが分かる。 ここで、 すべてのコンクリート試験体は前述のように、空中養生 (相対湿度 75土10%)を行っていることに注意されたい。 森田ら59)は、 実験条件を広範囲に変化させてコンク リートの圧縮強度の寸法効果を検討している。すなわち、 円柱試験体の直径dを1.25-15c皿の閣で、また、粗骨材 最大寸法恥を 2.5-10園田の闘で変化させ、これらの種々 の組合わせに対して、水中養生(温度20"C、4週間)され u h

150

Cylinder

W/C=60%

10

15

DIAMETER(cm)， d 図2 プレーンコンクリートの圧縮強度(Fc)と 試験体の直径 (d)の関係(円柱体)

コンファインドコンクリートの圧縮特性の寸法効果

₁

₄

₁

たコンクリートの圧縮強度を調べた。その結巣、

d/φa

比が5-60の範囲では、

φ

a

の値が一定の場合、コンクリ ートの圧縮強度は円柱体の直径

d

が

5

-

1

0

c

皿のものでは ほぼ等しく、縮小率が高くなるほど、 すなわち

d

が

2

.

5

C皿、1.

2

5

c

皿と小さくなるほど強度が低下する傾向を示し、 さらに、

O

a

の値が大きくなるほど圧縮強度が低下する 傾向にあると報告している。 本研究では、モルタル

(d/

恥 =

9

-

3

0

)

およびコン クリート

(d/φ. =

1.

5

-

1

5

)

試験体のいずれの場合も、

d/ι

比に拘らず試験体寸法の増大とともに圧縮強度が 増加し、 また

φa

が大きくなるほど強度が低下する傾向 を示した。 すなわち、森田ら59)の実験結果と定性的に 類似し、定量的にはより寸法効果が明瞭に現れている。 ここで、養生条件と試験時の試験体の乾湿条件は、セ メントの水和反応と硬化コンクリートの乾燥状態に関わ る要因であり、その影響の程度は試験体の寸法によって 大きく異なるものと考えられる。本実験では、相対湿度 が

7

5

土

10%

と低く、乾燥の影響により寸法効果がより明 瞭に現れたものと考えられる。

(2)

最大圧縮応力時のひずみ 図3および闘4に、それぞれ角柱体および円柱体の最 大圧縮応力時のひずみ (ε.)に及ぼす試験体寸法の影 響を示す。これらの図から、以下の3点を指摘できる。 i) 角柱体および円柱体の最大圧縮応カ時のひずみの 寸法効果は、圧縮強度の場合と同様に極めて類似してい る。閤

3

によれば、

b

=

4

.

5

-

9

.

7

仰の範囲では、 e.の値 は試験体寸法の増大とともに増加するが、

b

=

9

.

7

-

1

5

c

皿 の範囲では、ほぽ一定となる。また、同様な傾向が図 4 においても見られる。

ω

巨 '一一一・

:

M

o

r

t

a

r

中

。

民

2

.

0

z

包

1

.

0

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.

5

7

.

3

9

.

7

12515.0

WIDTH

(

c

m

)

.

b

図

3

最大圧繍応力時のひずみ (εm)と 試験体寸法 (b)の関係(角柱体) ii)試験体寸法が同ーの場合、コンクリートのεmの 値は、

φa

の値の増大に伴って減少する。 iii) モルタルのe.の値は、試験体寸法の増大に伴 って増大する。 森田ら59)は、同一調合のコンクリート(

O

.

=

2

.

5

、

5

、 または

1

0

凹)で比較した場合、 εmの値に及ぼす試験体 寸法

(

d

=

1.

2

5

-

1

5

c

皿)の影響はあまり見られないと報告 している。また、

d/φa

の比を

5

の}定としたマイクロ コンクリート(

d=

1.

2

5

-

1

5

c

m

)

の場合、 εmの値は、試 験体寸法の増大とともに小さくなるとも報告している。 本研究では、

b/φ.=4

.

5

-

5

.

0

および

b/

恥

=

8

.

3

-

1

0

と したマイクロコンクリートのεmの値に関して顕著な寸 法効果は見られなかった(図

7(a)

または

(c)

参照)。 (3 ) 応力一ひずみ曲畿 図5は、コンクリートの応力 (a) ーひずみ(e)曲 線に及ぼす試験体寸法の影響を示した一例である。図に よれば、試験体寸法の増大とともに初期剛性および圧縮 強度が増大し、軟化域の負勾配が急になる。

B

a

z

a

n

t

S0) は、試験体寸法が大きいほど応力下降域の勾配が急とな り、脆性的に破壊すると指摘しており、本実験結果の傾 向ピ同様である。 軟化域のおよそe =

(

3

-

4

)

X

1

0

-

3_の ひずみ域において、応力一ひずみ曲線が収束する傾向が 見られる。この傾向は、水セメント比

W/C

、すなわち 圧縮強度の異なるコンクリートの応力一ひずみ曲線に見 られる傾向と同様である。本研究の範囲では、他の場合 にもほぼ同様な結果が得られた。 図6は、コンクリートの応力一ひずみ曲線に及ぼす粗 骨材の最大寸法Oaの影響を示した一例である。 図によ れば、恥の値の増加に伴い、 圧縮強度および圧縮強度

Cyl inder

W/C=60%

d

3

.

5

~一一-・

も

J

F

5

4

3

.

0

担

2

.

0

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3

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z

₁₀

15

20

ゐ四ー-A

2

5

<;>---0

30

1.

0

7

.

5

10

15

DIAMETER

(

c

m

)

.

d

図

4

最大圧縮応力時のひずみ(em)と 試験体の直径

(d)

の関係{円柱体)

142 愛知工業大学研究報告9 第31号

B

，平成8年，

Vo

1.31-

B

，

Ma

r.1996 時のひずみは減少し、軟化域の負勾配は若干緩やかにな 試験体寸法および養生条件の相違を取り上げた。図8お る。本研究の範闘では、他の場合にも、ほぽ同様な結果 よび図9に、試験体の寸法と帯筋の配置を示す。帯筋は が得られた。 すべて口型とし、帯筋の中心間距離は角柱体の断面のー 図 7(a)~(c) は、 lまぽ等しい b/φa 比を有する 辺 bの0.8倍とした。 また、帯筋のピッチを一定に保つ コンクリートの応力一ひずみ曲線を比較したものである。 ために、コンクリートの断面積に比べて十分に小さい断 図によれば、 bまたは φ白の鑑の減少、すなわち、寸法 面積の鉄線 (φ2.7mm) を帯筋の四隅に離方向に配置して の縮小に伴い、コンクリートの圧縮強度は低下し、応力 結束した。 R C梁の曲げ試験16) に用いた梁部材の曲げ ーひずみ曲線の下降域はより延性的となることが分かる。 圧縮部に関わる要因を考慮して、角柱体の断面の一辺を したがって、本実験時のように比較的乾燥した条件下で 梁幅bと等しく取り、帯筋隠隔は梁のあばら筋に対応す 空中養生したコンクリートでは、たとえ、試験体寸法に るよちに b/4、b/2、bの3翠類とした。 R C梁には、 応じて骨材径を縮小したマイクロコンクリートを用いて も、小型試験体から得られる応力一ひずみ曲線は、実部 材のコンクリートの挙動よりも強度が小さく、より延性 的になることが予想される。 4 コンファインドコンクリートの一軸圧縮実験

4.

1.実験方法 ( 1 ) 実験の摸聖書 表3に、コンクリート角柱体の一軸圧縮実験の概要を 示す。実験要因として帯筋比、試験体の高さ 辺長比、 n u n u n u n v n u n u A ‘ 4 3 2 bfNgu¥ 同切 M b (cm) 4宮 5.6 ---<>一-<>- 7.3 一 一 一 - 9.7 町ーーーーー 12.5 -.，一一 15.0 u)

g

;

100 凶

←

u)

。

2 STliJ¥IN (x10-3 )

，

ε

図5 応力 (σ)ーひずみ (E) 曲線に及ぼす試験 体寸法 (b) の影響 (φ

，

=25mmの角柱体) b f千三400

，

b=7.3cm ~

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W/C=60% '(_300

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一

、刊と当弘 、守略宅モ当証ミヨ宝

。

2 4 6 8 10 STRAIN (X10← 3)

.ε

図6 応力 (σ)ーひずみ (ε)曲線に及ぼす骨材 の最大寸法(16，)の影響 (b=7.3c皿の角柱体) b b 95a b/95a (cm) (mm) - - 0 -一一 15.0 30 5.0 -一一一一一 12.5 25 5.0 -ー一-- 7.3 15 4.9 -一一一一一一 4.5 10 4.5 n u n u n u n U 4 3 角

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2 STRAIN (XI0-3 )

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(a) b/Oa =4.5~5.0 n u n u n u n u n u n u A 吐 司 ﹂ つ 山 bJN 回

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相 凶 ぷ b

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6 8 10 4 2 STRA 1 N (X'l 0-3 )

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(b) b/φa =6.5~7.5 b b (cm) 一ー-0 -一一 15.0 一一一ー一一 12.5 u)

g

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u)

o

2 4 6 8 10 STRAIN (XI0-3_j，

ε

(0) b/φa =8.3~10 図7 1;);ぽ等しい b/o.比を有する角柱体の 応力 (a)ーひずみ(e)曲線の寸法効果

コンファインドコンクリートの圧縮特性の寸法効果 曲率測定用の変位計を取り付けるためネジ鏑棒を埋め込 んだ。今回の実験でも、これらの梁の曲げ圧縮部を模擬 するため図 9のように、角柱体に φ6幽ネジ鋼棒 (b=7.3 cmシリーズでは、 φ4皿皿)を、間陪bごとに配置した。 また、帯筋および鋼棒を配置しない試験体(

P

l

a

i

n

)

も 製作した。帯筋径は、帯筋商隔Sが辺長bと等しい角柱 体で、帯箆比が約0.3%となるように選んだ。 角柱体は 横打ちとし、高さと植の比 (H/b) は2とした。 試験体 の個数は、各要因ごとに 2体、合計80体である。 (2) 試肢体の製作および養生方法 コンクりートの製作には、普通ボルトランドセメント、 天竜川産の川砂(5皿 未 満 ) と 川 砂 利 ( 5-25阻)を使 用した。水セメント比は 55%、単位水量は 180kg/m3、お よびスランプは 15仰とした。コンクリートの温練には容 量 600iのスミス式ミキサを使用し、混線iま 6パッチに 分けて行った。コンクリートの打設および締園め方法は、 前節のプレーンコンクリートの実験と同様とした。水中 養生した

o

10x 20cmコンクりートシリンダーの平均圧縮 強度は402kgf/em2、各パッチの平均値の強度差の最大値 は15kgf/cm2であった。 表4に、使用した帯筋の力学特 性を示す。なお、表中には帯筋の拘束指標(σγ

As/Ae)

も併示した。この値より、断面が 12.5x12.5c皿の角柱体 表3 コンブアイシドコシクリート角柱体の 一制圧繍実験の概要 '賦肢体寸法 帯 筋 主筋 雪量生 断層

fb

H

究

52H_{咽}

号

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F

『

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条 件 7.3x7.3 14.5 (113.2 b/4 9.7x9.7 19.4 1113.9 空 中 12.5X 12.5 24.9 1114.9 b/2 2.7 ( 116.7

b

水 中 16.0X 16.0 30.0 Plaln 20.0X 20.0 40.0 1118.0 円

U

門

U

b=

20.0

15.0

1

2

.

5

9

.

7

7.3cm

図8 コンブアインドコンクリート角柱体の寸法 143 (帯筋に o4.9mm鉄筋を使用)は、他の寸法の試験体に比 べて拘束力が若干小さくなることが予想される。試験体 は、先に報告した乾燥状態で空中養生した実験結果と比 較するために、試験体の半数は20:1:lOCの水中養生とし、 残りの半数は恒温恒湿空中養生(材齢8週までは温度20:1: 1

・

C、相対湿度90土10%、その後 16週間は温度20:1:1.C、 栢対湿度 85:1:5%)とし、材齢 24週で圧縮試験を行った。

(3 )

議荷および測定方法 図

10

に、角柱体のひずみの測定方法を示す。角柱体 の圧縮ひずみの測定域 (io)は、 試験体の高さ中央部 の1.8bの領域とした。加圧板の寸法は試験体の断面寸法 と同ーとし、厚さは試験体の断面の一辺bの 1/4以上の ものを使用した。載荷には、最大容量 200tのアクチユエ ータを使用した。応力上昇域において最大応力の 2/3 の時点から荷重変動をフィードパック信号として用いた 制御方法を併用して、毎分約 1X 10-3のひずみ速度で、 試験体の中央部 1.8b区間の縦ひずみが 15x10-3_に至る まで継続載荷した。 4. 2 実厳結果とその考察 ( 1 )圧結強度 以下の考察では、応力下降域を含むすべての領域にお いて、耐荷カをかぶりコンクリートを含めた全断面積で 除した値を"応力"と定義する。主筋の断商積は、コン クリート断面積に比して十分に小さいものとみなし、主 筋の輔方向耐荷力の寄与分は無視する。 国

11

(a)および

(b)

に、コンファインドコンク リートの圧縮強度 (Fc)と試験体寸法の関係に及ぼす養 生条件の影響を、帯筋のピッチ (8)別に示す。図 11 表4 智筋の力学的性質 種矧 _{実測{凹鹿}径}

_{降{伏k8点17~;)}

引(k弧8f強Icmさ') 伸び(1率) 61/AEZ _({~f，~;N) n (113.2 3.19 2420 3430 29.2 6.37

o

3.9 3.90 2280 3350 40.9 5.04 I 1 IU U 8 1940 3070 41.6 4.19 (115.7 6.93 2960 3890 31.5 6.34 (118.0 7.96 2650 3530 32.5 5.71 [住]A.:帯脇の断面積 (cm') A~ :帯筋で問まれたコアコンクリートの断面積(c固定}

園

陸

自

主

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図

10

ひずみの測定方法

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平 成 8年， V 0

1

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31-B， M ar.1996 画.D S=b/4 A，ムS=b/2 園，ロS=b GT，OPlain 500 250 n u n u n u n U 5 O P D 0 4 4 3 3

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愛知工業大学研究報告，第31号B， H/~戸 3 ガ ー ー ダ S = b / 4 A---~ S = b / 2 臼ー『ー臼 S=b 。ーーー-:0

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144 国 司 直 圏 Wa'七ercur号d 一一-Air cured Prism

W/C=55%

250 20.0 7.3 9.7 12.5 15.0 WIDTH (cni.)令b 200 200 20.0 7.3 9.7 1 2.5 1 5司O WIDTH (cni)j b (b)本 実 験 (I/b=2 ) l 圧織強度

(

F

c

)

と試験体寸法

(b)

の関係に及ぼす幾生条件の影響 ( a)実験室内空中養生 (H/b=3，RH=60土20%)161 実験室内のヤードで空中養生したコンクりートと比較す ると、初期強度の発現時における水分の散逸が少ないた めと考えられる。水中養生試験体では、強度の寸法効果 は極めて小さい。 ここで、養生時の水分の散逸による水和反応の限害に 起因する寸法効果をより詳しくみるために、相対湿度75 土10%の恒温室で養生された

φa

=25皿皿シり ズのコンク リート(図 1参照)と水中および相対温度90:!::10%の恒 温室で養生されたプレ ンコンクリート

(φa

=25皿、 国 1 1 (b)参照)を比較する。両者で材齢、 H/b比およ び水セメント比はやや異なるものの、比較的乾燥した恒 温室で養生されたコンクリート(図1参照)では、寸法 効果が顕著であるのに対して、湿空養生されたコンクリ ート(図 1 1

(b)

参照〕では、試験体の縮小化ととも に強度が低下する寸法効果は僅かに認められる程度であ る。すなわち、水分の散逸の程度が大きくなるような養 生を行ったコンクリートほど、水和反応の阻害に起因す る寸法効果が大き〈なるといえよう。 (2 ) 最大臣識応力時のひずみ 図 1 2に、コンファインドコンクリートの最大圧縮応 力時のひずみ

(E

m )と試験体寸法の関係に及ぼす養生 条件の影響を、 帯筋のピッチ (S)別に示す。 プレー ンコンクリートの場合にすでに指摘されてきている傾向 611 .621 と同様に、コンファインドコンクリートにおい ても恒温室で空中養生されたものは、水中養生のものよ りもれの値が大きい。また、その増大量は一般に試験 体寸法が小さくなるほど、また帯筋のピッチが密になる ほど大きくなっている。なお、本報の恒温恒室空中養生 図11 4 2 n / / U bbbi

s

s

s

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1.0 20.0 最大圧縮応力持のひずみ (em)と試験体寸法の 関係，;:及ぼす著書生条件の影響 (H/b=2，，go=1.8b) 7.3 .9.7 125 15.0 WIDTH (cm)

，

b 図 12

(

a)

は、さきに報告161 した実験室内のヤ ド(相対 湿 度50:!::20%と変動)で空中養生した場合の実験データ を示したものである。同図によれば、プレーンコンクリ ートゃあばら筋のピッチの粗いもの(S=b) では、 試 験 体寸法が小さくなると若干低い強度を示す。しかし、こ の寸法効果は、あばら筋のピッチの減少に伴ってほとん ど見られなくなる。 一方、 本実験結果を示した図11 (b) によれば、 20:!::1 "C、相対湿度90:!::10%の恒温室 で空中養生されたコンクリートでは、試験体の縮小化と ともに強度が低下する寸法効果は僅かに認められる程度 である。これは、図 1 1(a)に示した比較的乾燥した

コ ン ブ ア イ ン ド コ ン ク リ ー ト の 圧 縮 特 性 の 寸 法 効 果 b 500 b 500 ~ 400

1

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5 10 15

STRAIN ()く10-")， ε STRAIN (XlO--3 ) ， ε (8.) S = b / 4 (b) S = b / 2 b宮00 b 500 ~ 400 ~ 400

子

。

。

eωm200 凶 200 rn

。

宮 10 15

。

5 10 15

STRAIN (xI0-") ， e STRAIN (xI0-3 ) ， e

(c) S = b (d) Plain

1

4

5

b雪00 図13 応力 (σ) ひずみ (ε) 曲線に及lます試験体寸法 (b)の影響 (H/b=2，水中養生) 400

子

。

。

凹 200 悶 i100 0 S =b/4 5 一一一一一-Water cured -一一一一 Alrcured 1ち 10 STRAIN (XI0-")

，

ε 図 1 4 応力 (σ)ーひずみ (ε) 曲線に及ぼす養生条件 の 影 響 (H/b=2. S=b/4 ) ρ 日 同 m m m m m 3 7 5 0 0 円fn ヨ 今 G R J n u L U L υ し υ h M L U

一 一 一

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一 二

一 一

一 一 一

一 一

。

5 10 STRAIN (XI0-S )

，

e 1冒 (a) Plain (b) S=b/2 翻15コンクリ-トの吸収エネルギー(Et)とひずみ (ε) の関係に及ぼす試験体寸法 (b)の影響 ( H/b= 2、 水 中 養 生 )

1

4

6

愛知工業大学研究報告，第

3

1

号

B

，平成

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STRAI N

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x

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，

ε

図

16

吸収エネルギー(

E

t)とひずみ (E )の関係 の寸法効果に及ぼす養生条件の影響

(

H

/

b

=

2

.

S

=

b

/4 ) 試験体の最大応カ時のひずみの寸法効果は、さきに報告 16) した実厳室内で空中養生したコンファインドコンク リートのそれとほぼ等しい。また、圧縮強度の場合とは 異なり、水中養生されたコンクリートでも試験体寸法が 小さいほどεmの値がやや大きくなる傾向も示している。

(3)

応カーひずみ幽謀 1 )帯筋のピヲチの影響 図 13(a)-(d) に、水中養生したコンファイン ドコンクリートの応力一ひずみ関係に及ぼす試験体寸法 の影響を、帯筋のピッチ (8)別に示す。これらの図に よれば、一般に帯筋のピッチに拘らず、試験体寸法が大 きなものほど応カ下降域の形状は脆性的となる。この傾 向は、さきに報告22) した空中養生したコンクリートの それとほぼ同じである。 しかし、 図 1 3によれば、

b

=

7

.

3

c

血の場合を除いて、水中養生時の応力一ひずみ曲線 聞の相違はさほど大きくなく、 とくに帯筋ピッチが

S

=

b

/

2

と

b

/

4

のように比較的密な場合には、試験体断面の 辺長

b

が

1

0

-

2

0

c

皿の範囲における寸法効果は、極めて小 さいといえる。

2)

養生条件の影響 図14は、コンファインドコンクリートの応力一ひず み曲線の寸法効果に及ぼす養生条件の影響を示した一例 である。一般に、恒温室で空中養生されたコンクリート は、水中養生されたものよりも圧縮強度が小さく、応力 下降域が延性的である。

(4)

エネルギー吸収能 コンクリートのエネルギー吸収能に及ぼす試験体寸法 の影響63).64) を定量的に論じるため、ここでは、ひず みの増加に伴うタフネス(応力一ひずみ曲線下の面積) の変動について調べる。 図

15

(a)および

(b)

に、水中養生したコンファ インドコンクリートのタフネス(

E

t)ーひずみ(e) 関

J

i

6 kgf/om2

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8

0

2

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.0.016

15

7.3 9.7 12.6 15.0 WIDTH (0皿) . b 20.0 図17 E=0.015時の吸収エネルギー (Et)と試験体 寸法 (b)の関係に及ぼす帯筋ピッチの影響

(

H

/

b

=

2

、 水中養生) 係に及ぼす試験体寸法の影響を示す。これらの図によれ ば、タフネス曲線は

e=4XI0-

3_{付近から分岐しはじめ、} ひずみの増加とともに、寸法効果が顕著になる。すなわ ち、帯筋のピッチに拘らず、試験体寸法が大きなものほ どタフネスが小さくなる傾向を示す。 図

16

は、 コンファインドコンクリートのタフネス

(E

t)ーひずみ (ε) 関係の寸法効果に及ぼす養生条件 の影響を示した一例である。恒温室で空中養生されたコ ンクリートのタフネスは、水中養生されたものとほぼ同 じ値を示す。 図17に、縦ひずみが

1

5

x

10-3_{の時のタフネスに及ぼ} す試験体寸法の影響を、帯筋のピヅチ (8)別に示す。 図によれば、いずれの帯筋のピッチについても同様の寸 法効果が見られる。すなわち、試験体寸法が大きなもの ほどタフネスが低下し、 Sが

b

/

4

以下の本実験の範囲で は、

b

=

2

0

c

m

の試験体のタフネスは、

7

.

3

c

皿のものに比べ て帯筋ピッチにかかわらず、およそ

70-75%

に低下する。

5.

結 誼 本研究では、まず、プレーンコンクリートの圧縮強度 の寸法効果について取りまとめ、各種要因の位置づけを 明らかにした。次に、プレーン並びにコンブアインドコ ンクリートに関する一連の一軸圧縮実験を行い、これら のコンクリートについて圧縮強度のみならず、高ひずみ 域に至るまでの圧縮応力一ひずみ曲線に及ぼす試験体寸 法と諸要因の影響を明らかにした。なお、本実験では断 面寸法の一辺bの範囲は、 実験室レベルの試験体寸法 (プレーンコンクリート:

b

=

4

.

5

-

2

0

c

m

、コンブアイン ドコンクリート

:

b

=

7

.3-2

0

c

圃)での寸法効果について論 じたものである。本研究の結果は、およそ次のようにま

コンブアインドコンクリートの圧縮特性の寸法効果 147 とめられる。

1)

温度20土 2"C、相対湿度75

:

t

10%で

6

遜関空中養生 したマイクロコンクリート(粗骨材の最大寸法を試験体 の寸法と比例させて縮小したコンクリート)の場合でも、 実験によって得られる応力一ひずみ曲線は試験体寸法に よって異なる。すなわち、試験体寸法の縮小、または粗 骨材の最大寸法の減少によって圧縮強度は低下し、応力 一ひずみ曲線の下降域は延性的となる。したがって、比 較的乾燥した条件下で空中養生されたコンクリートでは、 小型モデル試験体をたとえマイクロコンクリートで作成 しでも、小型試験体から得られる応力一ひずみ曲線は、 実部材の挙動よりも強度が小さく、より延性的になると 考えられる。

2)

コンフアインドコンクリートの圧縮強度の寸法効 果は、養生時の湿度が低いほど顕著に現れ、試験体の縮 小化とともに強度が低下する。しかし、水中養生の試験 体では、このような寸法効果は無視できるほど小さい。 3)コンフアインドコンクリートの最大応力持のひず み (em)は、 試験体寸法が小さいほど大きく、その傾 向は帯筋のピッチが密になるほど著しい。 また、 εmの 値は水中養生時に比べて、空中養生時には10-40%ほど 増大する。

4)

コンブアインドコンクリートの応力一ひずみ曲線 は、試験体す法が大きなものほど脆性的な形状となる。 また、恒温室で空中養生されたコンクリートでは、水中 養生のものよりも応力下降域が延性的となる。 5)以上のような圧縮強度、最大応力持のひずみおよ び応力一ひずみ曲線における試験体の形状・寸法および 養生の影響は、定性的には従来プレーンコンクリートに ついて指摘されている傾向 2). 16)と一致する。 コンフ アインドコンクリートの場合も、プレーンコンクリート の延長線上にあるといえるが、定量的にはこれらの要因 の影響の程度は帯筋のピッチに依存して変動する。

6)

恒温室で空中養生されたコンクリートのタフネス ーひずみ関係は、水中養生されたものとほぼ同じ値を示 す。縦ひずみが15x

1

0

-

3_{の時のタフネスは、試験体寸法} が大きなものほど低下する。 すなわち、 帯筋ピヅチが b/4以下の本実験の範囲では、帯筋ピッチにかかわらず b=20cmの試験体のタフネスは、 7.3cmのものに比べてお よそ70-75%に低下する。 [書官辞] 本研究に際し、ご助力を得た名古屋大学助 教授・水野英二先生に深醤致します。また、本実験に協 力していただいた愛知工業大学院生・坂東浩貴君並びに 卒研生・釜谷充哉君、小長谷一樹君、杉浦康治君、鈴木 義男君、多国茂君、山田笠君、良知文書君の諸君に感醤 します。 [参考文献] 1). S.Kolk. and 5.Hatanaka : 51.. Effect 00 5tr...-Stralo Behovlor of Plaln .nd Confln.d Concr.t. Und.r Compr.s.lon. Proc.edlnlSof.tbe Japan Coolr... on Kat.rlals R....rch. Vol. 33.pp.55-61. 1990.4 2 )小地狭千朗・畑中量先:横拘束コシクリートの圧縮特性 I~ 及ぼす 供蹴体の形状・寸法の彫響、コンクリート工学年次槍文報告集、 Vol. 12. No.2. pp.707-712. 1990 3) Bl.nks. R.F. and "cNo..ro. C.C. : Hass Concrete T..t. 10 Large C江rl1nders. Journal of ACI. Vo1.31. No.3. pp.280-303. 1935. 1-2 4) Nev111.. A.M. :Th. Inflli.nc. of 51.. of Concr.te Test Cubes on K.an Strenltb ond Structural De.viatlon. Hag.ezlne of Concrete Reseorcb. 'Vo1.8. No.23. pp.l0l-110. 1956.8 5) Songb.. C.M. and Dhlr， R.l.:Strengtb回dCo固plete 'Stre.. -Straln Rel&t1on.hlps' for' Concrete Tested ln Unlulal Com -F同 日lonunder Dlffereot T凹tCondltions. MaterlaUI et Construc -tioos. Vo1.5. No.30. pp.361-370. 1972 6 )谷川!恭雄・山田和夫 :コシクリートの圧縮強度の寸法効果につ いて、目本建築学会前文報告集、 No.262.PP.13-21. 1977.12 7) Sabnh. G.H. ond Hlrza. S.". : 5ize Effects in Model Concretes? ProceedllSof the ASCE. Journal of Structural Divhlon. Vol.105. No. ST 6. pp.l007-1020. 1979.6 B.)寝屋俊章・長谷川俊昭:コシクリ・・ト構造物の寸法効果、 コン クリートヱ学、 Vo1.30. No.8. pp.5-15. 1992.8 日)Department of the Interlor: Ce国 間tand Concrete Investi -gaUons-"a5s. Concrete Invest1gat1ons. US Bur.ali of Recla田ation. Boulder C町 四nProject. final Report. Part租 . Bull.tln 4. 1965 10)香自伸次・回中博幸・坂聞界・山崎府行:中心庄縮カを受ける 超高強度コンクリート栓の寸法効果と欄拘束効果に関する研究、日本建 築学会大会学術情演梗概集、 C分冊(構造 ll)、pp.751-752. 1989.10 11 )小袖狭千朗・畑中重先:コシ7ァイシF超高強度コシデリート の庄糟特性の形状・寸法効果、コンクリート工学年次能文報告集、 Vol. U. No.2， pp.949-954 ， 1992 12)小阪信央・小泊狭千朗:正負緑返し荷量を受ける軽量RCIまり のせん断耐カと靭性1:及ぼすあlまち筋比と主筋比の影"について、自本 建築学会大会学術情繍梗慨集、構造系、 pp.136ト1366. 1973.10 13)六車照・渡辺史夫・幅伊佐男・横井政宏:損拘束コンウリート によるコンクリート孫部材のじん性改善ー片持ち鍵によるじん性改普効 果の班限、日本建築学会大会学術情演償額集、構造系、 pp.2529-2530. 1974 .10 14 )小泊狭千朗:iE負鰻返し荷量を受けるRCばりの力学特性にお よtます供低体寸法の影響について、 日本強襲学会大会学術鵬語圏梗概集、 pp.1361-1362. 1976.10 15)小池波千朗:純曲げを受げるR C梁の曲げ盟性変形性能に及lま す供鉱体寸法の影響、 日本建集学会東海支部研究報告集、 Vo1.2日.pp. 197-200

、

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