鉄筋内蔵コンクリート充填鋼管の接合部に関する実験的研究 [ PDF
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(2) 3 . 鉄筋内蔵角形 C F T 継手の等曲げ試験. 3 . 4 . 4 鋼管のひずみ性状. 3 . 1 試験体 試験体一覧を表 2 に，試験体概要を図 3 に示す．. 図 5 ( c ) に鋼管引張フランジの左側の軸方向ゲー ジ番号を示す。図 5 ( d ) に、鋼管厚さ 6 ｍｍの鋼管. 試験変数は鋼管の幅厚比と鉄筋の定着長さとする．. 引張フランジの左側の軸方向ひずみと変形角の関 係を 示 し て いま す 。鋼 管 の 軸 方 向 ひ ず み の 値 に よ. 3 . 2 加力方法と測定方法 図 3 に示すように，加力は試験体の材軸中央から左. り次のことが分かる．. 右それぞれ 550mm の位置に加力ビームより均等に力を. 圧縮フランジでは，大変形時に材軸中央ほど軸方向. 作用させて，測定区間に等曲を作用させた．所定位置. ひずみが大きくなる傾向が見られる．定着長さ 20D の. の変位及び歪みを測定する．. 試験体では軸方向ひずみは最大値に到達した後，外側. 3 . 3 実験結果及び考察. の C 列では減少する現象がみられる．引張フランジで. 3 . 4 . 1 曲げモーメント - 変形角関係. は， 材軸中央ほど軸方向ひずみが小さくなっており，. 図 4 ( a ) , ( b ) に，各試験体の曲げモーメント M- 変. 特に中央の A 列のひずみが小さい．. 形角 θ、θ ｊ関係を示す。図 4(a) で用いた θ は等曲げ区間. 3.4.5 曲げ耐力. で生じた変形角、図 4(b) で用いた θ ｊは材軸中央部で生 じた変形角を概略表現するものである。図 4 より，次. 曲げ耐力 Mu の計算値と実験値の比較を表 3 に示. のことが分かる．曲げ耐力は，鉄筋定着長さ 40D の. す．曲げ耐力の実験値は定着長さ 20D の試験体では Mu. 試験体では増加し続 けるが，定着長さ 2 0 D の試験 体では最大耐力に達した後すぐに低下する．また，. に達していない，これは内蔵鉄筋の滑りが原因と考え られ，曲げ耐力算定式において、鉄筋のひずみ測定値. 定着長さ 4 0 D の試験体の曲げ耐力はいずれも継手. から求めた最大曲げモーメント時の存在応力度を用い て曲げ耐力 Mu’ を求めると，曲げ耐力の実験値とほぼ. 部分 ( R C ) の終局曲げ耐力計算値を大きく上回る．. 一致する ( 表 3 参照 ) ．. 3 .4 . 2 破壊性状. 3.5 結論. 継手ありの試験体では継手部分の引張側が大きく広. (1 ) 鉄筋定着長さ 4 0 D の試験体では，計算値以上の. がること，継手のない CFT-6 では鋼管の圧縮側フラン. 曲げ耐力を発揮し，耐力低下も生じなかった．こ. ジに局部座屈が発生することにより破壊した．. のことより，内蔵鉄筋による継手は，十分な定着. 3 . 4 . 3 鉄筋のひずみ性状. 長さを確保すれば，安定した良好な性能を有する. 図 5 ( a ) に鉄筋のゲージ位置( 引張側) , 図 5 ( b ) に S - 1 2 - 4 0 D 引張側鉄筋のひずみと変形角関係を示す. ものとなる．. . 鉄筋の ひず みの 値に より 次の こと が分 かる．. (2 ) 鉄筋定着長さ 2 0 D の試験体では鉄筋の滑りによ. 変形が小さい範囲では，定着長中間部のひずみの値. り曲げ耐力が決定され，耐力低下を生じている．. は全ての試験体で材軸中央部のひずみの値よりも小さ. 鋼管板厚 12mm の試験体は，6mm の試験体に比べて. い．また定着長中間部のひずみの値は，定着長さ 40D. 曲げ耐力が高く，耐力低下も緩やかである．これ は，板厚 12 mm の鋼管の方がより高い拘束力が与え. の試験体では増加し続けるが，定着長さ 20D の試験体. られることにより，付着性能が向上するためと考. では最大値に到達した後低下する．材軸中央部の引張. えられる．. 鉄筋のひずみは，定着長さ 40D の試験体では降伏ひず. 295. みに達している．定着長さ 20D の試験体では，S-12-20D (d/t=25) でほぼ降伏ひずみに達しているが，S-6-20D (d/ t=50) ではかなり下回っている．定着長さ 20D の試験体. 中間. 中央. 中間. 55. 56. 58. 49. 50. 外 内. 52. 2. lB. では，材軸中央部のひずみ測定値は外側のゲージ (56). ( a ) ゲージ番号( 鉄筋). の方が内側のゲージ (50) よりも大きくなっている。 CFT終局耐力計算値. 300. 300. 250. 0.8. 250 鋼管厚さ6mmRC断面-終局耐力計算値. 200 150. 0.6. 150 CFT-6 S-12-40D S-12-20D S-6-40D S-6-20D. 100 50 0. 鋼管厚さ6mmRC断面-終局耐力計算値 鋼管厚さ12mmＲＣ断面-終局耐力計算値. 200. 鋼管厚さ12mmＲＣ断面-終局耐力計算値. 0. 0.01. 0.02. 0.03. 0.04. 0.05. 0.06. S-12-40D S-12-20D S-6-40D S-6-20D. 50 0. 0. 0.01. 0.02. 0.03. 0.04. 0.05. 0.06. (a)θ (b)θj 図 4 曲げモーメントと変形角関係図 P. 550 Ring. P. 360 300 150. l=40D(6mm) 20D(12mm). 0.2 0. 0.07 θj(rad). 0. 0.01. 0.02. 0.03. 0.04. 0.05. 0.06. 鋼管(BCR295) 径(mm). CFT-6 S-6-40D □300×300×6 S-6-20D S-12-40D □300×300×12 S-12-20D. 無 25 12-D19. 40-2. 0. 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 θ(rad). ( d ) 鋼管の引張フランジ. 軸方向歪み |ε|- 変形角 θ 関係図 表 3 終局曲げ耐力. 鉄筋(USD590). 幅厚比 径・本数. 50. 0. 0.07 θ(rad). ( b ) 引張側の鉄筋. 表 2 試験体一覧. 450. 試験体. 図 3 試験体概要. 0.1. 0.05. t. 550. 0.15. εy. 図5. 2000 450. 40D ゲージ14(C列) 40D ゲージ16(B列) 40D ゲージ18(A列) 20D ゲージ14(C列) 20D ゲージ16(B列) 20D ゲージ18(A列). 0.2. 0.4. 100. 0.07 θ(rad). ひずみ49(内・中間) ひずみ50(内・中央) ひずみ52(内・中間) ひずみ55(外・中間) ひずみ56(外・中央) ひずみ58(外・中間). 1.0. 6. ( c ) ゲージ番号( 鋼管) ε(％) 0.25. ε(％) 1.2. M(kN・m) 350. M(kN・m) 350. 4. 75 175. lB/2. 定着長さ (mm) ― 40D 20D 40D 20D. 試験体. CFT-6. 最大曲げモーメント Mmax (kN・ m) 終局曲げ耐力計算値Mu (kN・m). 341.4. Mmax / Mu. 1.01. 1.37. 0.74. 1.47. 0.98. −. −. 153.9. −. 195.2. −. −. 1.04. −. 1.04. 終局曲げ耐力実験値Mu’ (kN・m) Mmax / Mu’. S-6-40D S-6-20D S-12-40D S-12-20D 295.7. 336.8. 159.7. 303.1. 215.8. 202.1 205.8.
(3) 4.. 鉄筋内蔵 円形 C F T 柱脚の繰 返し曲 げせん 断試. 図 8 に試 験 体 N o . 1 の柱 頭 水平 荷 重 と部 材角の. 験 4 . 1 試験体 . 関 係 を 示 す ． 全 て の 試 験 体 は 安定した履歴ループ を示している .. 試験体概要を図 6 に示す．径厚比 9 8 の鋼管柱. 4.3.3. に高強度鉄筋を配置し，基礎梁まで貫通させる． 柱脚部は，鋼管と基礎梁は接合せず隙間をあけ，. 図 9 に N o . 1 の柱 脚 の 曲 げ モ ー メ ン ト M と柱 部 材角 R の関係を示す．柱脚の曲げモーメントは，. R C 断面 とす る．N o . 5 は，柱脚 部分 ( R C 柱 ) の終. P - Δ効果を考慮した .. 局 曲 げ 耐 力 が シ ャ フ ト 部 分 ( C F T 柱 ) の 終局 曲 げ. N o . 4 以外はいずれの試験体も部材角が 6 % を. 耐力より小さく，その他の試験体は等しくなる. 超えても耐力低下を起こさず，高い変形性能を. よう設計している．実験変数は，軸力比，コンク. 有する．せん断補強筋量による履歴性状に違い. リート強度，せん断補強筋量と主筋量とする．ま. は見られなかった．. た，鋼管下端の内面には，鋼管とコンクリート. 4.3.4. のずれ止めのためのリングを 2 段設けている．. 鋼管と鉄筋のひずみの性状を考察した．. 4 . 2 加力 方法 と測 定方 法 試験体の柱頭に一定軸力 N と繰返し水平荷重. 4 . 3 . 5 曲げ モー メ ント の 分配 及 び応 力 伝達 能力 図 1 0 に N o. 1 の部材角 1 . 0 % 時の歪 ゲージ の値. P の載 荷 を 行 う ．部材 変 形 角 R ± 0 . 5 ∼± 3 . 0 %. より算出した鉄筋，鋼管，コンクリートの曲げ. まで 0 . 5 % ずつ 漸 増 し，各 2 サイ ク ル と する ．そ の後 ，一方 向 に 装置 の 限 界 ( 8 0 m m ) まで 荷重 を載. モーメントの分布を示す．応力は鋼管からずれ 止めリングの支圧，鉄筋の付着によりコンク. 荷する．また，鋼管と鉄筋に所定の位置にひず. リートを介して鉄筋に伝達されていることが確. みゲージを貼付する．. 認できる．. 4.3. 4 . 4 結論. 実験結果 と考察. 柱脚 の曲 げモ ーメ ント - 部材 角関 係. ひずみ - 部材変形 角関係. 4 . 3 . 1 終局曲げ耐力. ( 1) 曲げ耐 力は，軸力比 0 . 4 5 では部 材角 1 . 0 % で，. 試験体の終局曲げ耐力を，C F T 柱あるいは R C. 軸力比 0 . 1，0 .2 5 では 1 .5 % で一般化累加強度を上. 柱とみたときの一般化累加強度として求めた．. 回る．. 表 4 に各試験体の部材角 1 % ，2 % ，3 % 時と最. ( 2 ) 曲げ 耐 力 は ，部材 角 6 % を超 え て も 低 下 せず ，. 大曲 げ モー メ ント の 値 を，図 7 に N o . 1 の M - N 相. 安定した紡錘形の履歴性状であり，十分な変形. 関 図 を 示 す ． いずれ の試 験体 も一般 化累 加強 度を. 能力を有する．. 十分に上回る耐力を発揮していることから，本柱. ( 3 ) 付 着 ， 定 着 力 及 び 機 械 的 ず れ 止 め に よ り， 充. 脚試験体は十分な応力伝達能力を有していると考. 填コンクリートを介して鉄筋∼鋼管間の応力伝 達が可能であることが確認できた .. えられる .. よって，柱脚部で本研究の接合構法は成立し，. 4 . 3 . 2 柱頭水平荷重 - 部材角関係. 耐震性向上に寄与する実用可能な構法である .. ピン N(kN). PL-32. P(kN). 32. 8000. CFT柱 RC柱. 16-D19. 250 390. ○390×4. FB-6×13. 1200. 6000. D6@90. 4000. D13@100. 400. 200. 2000. 0. 8-D22 10. M(kNm) 800. 400. 0. 0. 750. -200 ◇ R=0.5％ ○ R=1.0％ ● R=2.5％ ▼ R=1.5％ ■ R=3.0％ ▲ R=2.0％ ◆ R=5.6％. -2000 -4000. 0. 100. 200. 300. 400. 500. -400 -400. 600. -6. M(kNm). 600. 300 1800. PL-6. -4. -2. 0. 2. 4 R(%). 図 8 P - R 関係( N o . 1 ). 図 7 M - N 相関図( N o . 1 ). -800. -6. -4. -2. 0. 2. 4 R(%). 図 9 M - R 関係( N o . 1 ). 図 6 試 験体 概要 試験体高さ(mm) 1200. 表 4 試 験 体 一 覧 と 実 験 結果 試験体. 接合部耐力. No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6. CFT耐力=RC耐力 CFT耐力=RC耐力 CFT耐力=RC耐力 CFT耐力=RC耐力 CFT耐力>RC耐力 CFT耐力=RC耐力. 鋼管 (SKK490). ○-390×4 ○-390×4 ○-390×4 ○-390×4 ○-390×4 ○-390×4. D/t. 主筋. Fc. 98 98 98 98 98 98. 16-D19(USD590) 16-D19(USD590) 16-D19(USD590) 16-D19(USD590) 8-D19(USD685) 16-D19(USD590). 36 36 36 60 36 36. 帯筋 (SD295). n. cM. D6@90 0.25 D6@90 0.45 D6@90 0.10 D6@90 0.45 D6@90 0.25 D6@180 0.25. 376 376 350 518 280 392. eM. eM. eM. (R =1%) (R =2%) (R =3%). 349 417 291 535 276 358. 460 537 396 678 345 471. 497 579 421 708 368 505. eM max (R max ). 555(6.5) 686(6.6) 496(5.9) 760(5.4) 395(6.5) 578(6.5). 注）D : 柱鋼管外径 t : 鋼管厚 F c : コンクリートの設計基準強度 n : 軸力比 M : 柱脚の曲げモーメント R:柱部材角. 40-3. 鋼管 鉄筋 コンクリート. 1000 800 600 400 200 0. 0. 50. 100. 150. 200 250 M(kNm). 図 1 0 曲げモ ーメント の分布.
(4) 5.. モーメント M と柱部材変形角 R の関係を示す . 柱脚. 鉄筋内蔵 角形 C F T 柱脚の繰 返し曲 げせん 断試. 験 5 . 1 試験体 . の曲げモ ーメント は，P - Δ 効果を考慮 した．. 試 験 体 概 要 を 図 1 1 と 表 5 に 示 す . 鋼管内は主. 柱頭鉛直変位 , 柱面外水平変位 , 鋼管下端と基礎. 筋に高強度異形鉄筋を配筋した鉄筋コンクリート. の相対水平変位及び鋼管下端と基礎の相対鉛直変. 構造 とし , 柱主 筋を 基 礎ま で 埋め 込み 固 定す る こ. 位の 4 つの変位ー 部 材 角 関 係 を 考 察 し ， 実 験 の 妥. とで , 柱から基礎へ応力を確実に伝達する . ベース. 当性を確認できる．. プレートは鋼管内部に入り込ませることで機械的. 5.3.5. ずれ 止 め の 効 果 を 付 加 す る．. アンカーボルト，鉄筋，鋼管，ベースプレー. 5 . 2 加力方法と測定方法. トのそれぞれのひずみと部材角関係を考察した．. 加力方法は鉄筋内蔵円形 C F T 柱脚試験と同じだ. 5 . 4 結論. 5.3.4. 各部の変 形 - 部材変 形角 関係. ひずみ - 部材変形 角関係. ( 1 ) 曲 げ 耐 力 は ， 全ての試 験体に おいて , 部材 角. が，最後に 6 5 m m まで荷重を載加する．また，鋼管，. 1 .5 % ( N o .2 は 1 . 0% ) で一般化累加強 度を上回る． ( 2 ) 曲げ 耐 力 は ，部材 角 5 % を超 え て も 低 下 せ ず ，. 鉄筋，ベースプレート及びアンカーボルトに所 定の位置にひずみゲージを貼付する． 実験結果 と考察. 安定した履歴性状であり，十分な変形能力を有 する．. 5 . 3 . 1 終局曲げ耐力. 充填コンクリートを介して鉄筋∼鋼管間の応力. M - N 相関関係の算定について，シャフト部は短柱 の終局曲げ耐力算定式 2 ) により求め , 柱脚部は R C. 伝達 が可 能 であ る こと が確 認 でき た . 柱脚 部で 本. 部分とアンカーボルト部分の単純累加強度として. 実用可能な構法である .. 求めた . 図 12 に試験体 No.1 の M-N 相関関係を示す． 実験結果より , 接合鉄筋を内蔵した試験体では，一. 6 ．総括. 5.3. 研究の接合構法は成立し，耐震性向上に寄与する. 般化累加強度を十分に上回る耐力を発揮しており , 鋼管 の 軸 方 向 応 力 が 内 蔵 鉄 筋 へ 伝 達 さ れ て いる. 本研究は，C F T に鉄筋を内蔵させて，鉄筋の応力. 伝達を利用した新接合構法を提案したものである．. こと は明 ら かで あり , 十分 な応 力 伝達 能 力を 有し. 本構法は，柱継手と柱脚部で成立し，耐震性向上. ていると考えられる . 5 . 3 . 2 柱頭水 平荷 重 - 部材変 形角 関係. に寄与する実用可能な構法であることを明らかに した .. 図 1 3 に試験体 N o . 1 の柱頭水平荷重と部材角 の 関 係 を 示 す ． 全ての試 験体は ピーク 後に荷 重は. 謝辞 鉄筋内蔵円形 C F T 柱脚試験は新日鉄エンジニアリング ( 株) との共同研究である．鉄筋内蔵角形 C F T 継手と柱脚試 験は，岡部㈱、旭化成建材㈱から試験体の鋼材を提供して 頂きました．また，鉄筋内蔵角形 C F T 継手試験は，2 0 0 9 年 度日本鉄鋼連盟「鋼構造研究・教育助成事業」の学生研究 助成金を用いて行われたものである．ここに記して，謝意 を表す． 参考文献 1 ) 日本建築学会: 各種合成構造設計指針同解説，p p 1 9 1 ∼ 198,1985 2 ) コンクリート充填鋼管構造設計施工指針，2 0 0 8. 急激 に低 下 する こ とは なく , ピー ク後 に おけ る 水 平耐力の低下勾配はスケルトンカーブの傾きにほ ぼ等 し い ．高い 変 形 性 能 を 示 し て い る . 5.3.3. 柱脚 の曲 げモ ーメ ント - 部材 角関 係. 図 1 4 に N o . 1 の柱脚（柱と基礎の境界断面）曲げ C L. ピン 柱頭プレート 32×440×650 SN490B 又は SM490A 充填コンクリート Fc36. N (kN) 1 10. RC CFT. 8000. 0.5% 1.0% 1.5% 2.0% 2.5% 3.0% 5.0%. 490 材用ワイヤー使用. アンカーボルト M20(3体),M30(2体) 8-ABR490. 6000. ベースプレート 500×500 ァ: 36(3体),50(2体） SN490B. グラウト ァ:30. 梁主筋固定PL-9×750×400. 4000. 埋め込み深さle. 柱形：800×800 12-D25:SD345 D13@50:SD295 50. 6mm n=0.25. M(kNm). 6mm n=0.25. 800 600. 400. 400 200. 200. 梁肋筋 D13@100 SD295. 0. 2000 0. 0 -200. -200. 測定・運搬フレーム用ボルト孔. 375. カットアンカーM20. -400. -2000. ナット締め又は溶接. 上段：1-D25 梁上端筋 下段：5-D25 SD345. 1,100 500. N(kN). 600. SS400 梁上端筋 3×2-D25 SD345. 400(M20),630(M30). 定着長さ 800. 1,125. 1,300 750. 6mm n=0.25. 4. □-300×6(3体),□-300×12(2体) BCR295 BCR295 主筋 12-D19:USD590 アンカーPLにナットで仮組 アンカーPL:9×275×275(SS400) 孔:150×150. 400. 400. 500. -6000. 1,800. -400. -4000. -600 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. -600 -4. -2. 0. 2. 4. M(kNm). 試験体. 鋼管 (BCR295). Ｒ(％). 図 1 2 M - N 相関関係( N o . 1 ) 図 1 3 P - R 関係( N o. 1 ) 表 5 試 験 体 一 覧 と 実 験 結果. 図 1 1 試験体概要 番号. 6. D/t. No.1 SC-6-0.25 No.2 SC-6-0 □-300×6 50 No.3 SCFT No.4 SC-12-0.25 □-300×12 25 No.5 SC-12-0. 柱主筋(USD590) ベースプレート アンカーボルト 軸力比 厚さ(mm) 径(mm) 径・本数 定着長さ(mm) 0.25 12-D19 800 36 M20 0 ― ― 0.25 0.25 12-D19 600 50 M30 0. 40-4. cM 413 293 285 674 434. -800. -4. -2. 0. 2. 4. 6. Ｒ(％). 図 1 4 M - R 関係( N o. 1 ). eM eM eM eM max (R=1%) (R=2%) (R=3%) (Rmax) 396 504 494 455 330 420 439 491 321 347 339 322 607 812 818 815 414 591 615 685.
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