高強度材料を用いた円形横拘束RC柱の耐震性能に関する研究 [ PDF

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(1)高強度材料を用いた円形横拘束 RC 柱の耐震性能に関する研究石原. 淳平. 2. 試験体. 1. 序高強度コンクリートは、その高い耐力と耐久性を有. 試験体は, 高層建築の最下階柱を模擬した 1/3 縮小モ. することから、近年都市再開発の気運が高まるなか、. デルである直径 250mm の円形断面柱で, 柱のせん断ス. 高層建築構造への利用が増えつつある。一方、地震活. パン比が 2.5 となっている。. 動が世界で最も活発な日本で高強度コンクリートの利. 高性能 RC 柱を製作するにあたって, 拘束方法の違い. 用をさらに促進していくには、材料固有の脆い破壊性. による耐震性能への影響を見るために, 柱の拘束法には,. 質を改善するための工法の確立が求められる。. スパイラル筋を用いる帯筋横拘束法と鋼管を用いる鋼管. 高強度コンクリートの脆い破壊性質を改善するには、. 横拘束法の 2 種類を用いた。. 帯筋や鋼管などを用いた横拘束方法が有効であること. 図 1 には試験体の配筋詳細と寸法を示し, 表 1には試. が知られている。特に、長方形断面を有する高強度 RC. 験体一覧を記す。表中の記号の意味は, fc’はシリンダー強. 部材の耐震性能については、NewRC プロジェクトをは. 度, N は軸方向圧縮力, ηは軸力比, Vexp は最大水平力の. じめとして、近年多くの研究がなされており、帯筋や. 平均値, Rexp は Vexp 時の部材角（0.01rad）, Mexp は軸力に. 鋼管横拘束法の有効性のみならず、横拘束材による拘. よる付加モーメントを考慮した曲げ耐力の実験値である。. 束度合いと部材の耐震性能との相関関係を定量的評価. スパイラル筋拘束試験体と鋼管拘束試験体ともに, 柱の主筋としては, ８本の K13 高強度異形鉄筋（KW785）. するための手法や計算式が多数提案されてきている。一方、円形断面 RC 部材については、実構造物への適. を断面周辺に均等配置し、主筋比は 2.07%となっている。. 用が数多くあるにもかかわらず、その耐震性能に関す. また, スパイラル筋拘束試験体に用いたスパイラル筋に. る研究はそれほど多くなく、特に高強度コンクリート. は, リバーボン 1275 の異形鉄筋 RD5.1 の高強度鉄筋を用. と高強度鉄筋を用いた円形 RC 柱に関する耐震研究が. いた。図 2 に示す鋼材の引張応力−ひずみ関係から分か. 極めて乏しい。三宅らの研究. １）. 2. では、60N/mm 以上の. 高強度コンクリートを用いた円形 RC 部材の耐震性能. るように, これらの高強度異形鉄筋は, 明瞭な降伏棚を有しない。鋼管拘束試験体に用いた鋼管は, 厚さが 2.3mm（径厚. に関する研究はほとんど報告されていないと指摘され. 比 110.7）と 4.5mm（径厚比 57.6）の 2 種類である。鋼. ている。そこで、本研究は高強度材料を用いた円形 RC 柱の耐震挙動に関する基礎データを取得することを主なる目. 管は平板を折り曲げて溶接することによって製作したものである。. 的として、高強度コンクリートと高強度主筋、また横. 本実験における実験変数は, スパイラル筋拘束試験体. 拘束材として鋼管及び高強度スパイラル筋の二種類を. ではスパイラル筋の間隔と軸力の大きさ, 鋼管拘束試験. 用いた、円形 RC 柱について一定軸力下での繰り返し曲. 体では径厚比と軸力の大きさである。スパイラル筋の間. げせん断実験を行い、高強度円形 RC 柱の繰り返し履歴. 隔は 30mm と 60mm の二種類である。. 特性について調べてみた。表 1 円形断面試験体一覧試験体名 CHRC30N33 CHRC30N50 CHRC60N20 CHRC60N33 CTHRC23N33 CTHRC23N50 CTHRC45N33 CTHRC45N50. 横拘束材体積拘束方法比 (%). 帯筋間隔 (mm). 1.11. 30. 0.56. 60. 帯筋. 3.71. 管厚 (mm). fc' 径厚比 (MPa). −. −. 2.3. 110.7. 4.5. 57.6. −. 鋼管 7.33. 22−1. 87.3 83.1 85.4 87.0 87.1 87.6 87.1 89.5. N (kN). η. Vexp \. 1414 2040 837 1383 1410 2150 1410 2196. 0.33 0.50 0.20 0.33 0.33 0.50 0.33 0.50. 191.34 210.06 165.23 185.49 248.6 260.5. Rexp. -1.9952 -1.544 2.0112 1.2592 -2.0032 -1.4624 268.7 2.4144 308.73 2.4912. Mexp 137.2 151.0 113.8 126.8 173.2 190.4 190.0 227.3.

(2) Notation 12.5 12.5. 12d. 12d. 柱主筋 HD13 (8本). 柱主筋 HD13 (8本). 柱帯筋 HD6@60 スパイラルフープ. 柱帯筋 HD6@30 スパイラルフープ 125. 100. 25. 125. 250. 高強度コンクリート. 基礎梁主筋 SD295- D22 (8本). 100. 柱帯筋 HD6@30 スパイラルフープ. 25. 250. 基礎梁帯筋 SD295- D10@45 (14本). 基礎梁帯筋 SD295- D10@45 (14本). 高強度コンクリート. As Es fsy fsu ｔ 2 2 2 (mm2) (mm) (N/mm )(N/mm )(N/mm ). RD55 K13 PL2.3 PL4.5. 72. 72. 12.5. 12.5. 基礎梁主筋 SD295- D22 (8本). 24 127 − −. 180000 179000 200000 198000. − − 2.2 4.3. 45. スペーサー 30* 40. 10. 10. Stress (MPa). 45. 鋼管 2.3mm. 鋼管 4.5mm. 柱主筋 HD13 (8本). 0.75 0.56 0.14 0.15. 125. 100. K13. 800 PL2.3 PL4.5. 400. 柱主筋 HD13 (8本) 4. 5. 2. 3. 0.00404 0.00246 0.00175 0.00084. ＲD55. 1200. 柱帯筋 HD6@30 スパイラルフープ. 1385 1022 301 317. !ch （％）. 30. 30. 1600. スペーサー 30* 40. 1306 894 233 242. Q. 柱帯筋 HD6@30 スパイラルフープ. 25. 250 100. 25. 基礎梁帯筋 SD295- D10@45 (14本). 250. 高強度コンクリート. 基礎梁帯筋 SD295- D10@45 (14本) 高強度コンクリート. 0. 基礎梁主筋 SD295- D22 (8本). 0. 30. 30. 10. 基礎梁主筋 SD295- D22 (8本). 10. 125. 1. 2 3 Axitial Strain (％). 4. 5. 図 2 鋼材の力学的性質 45. スペーサー 30* 40. 45. スペーサー 30* 40. 14. 図 1 円形断面試験体詳細. 5MN 油圧試験機 5. I ビーム球座 6. ローラー試験体 7. 鋼板試験体取付治具 8. PC 鋼棒. 13. 13. 反力フレーム 14. カウンターバランス装置 15. ウェイト. また, 軸力比で表した軸力の大きさは, 0.2, 0.33 と 0.5. 1. 2. 3. 4.. 9. 9. 10. 1. 11. N. 1 2. V. である。軸力比 0.2 に対応する軸力は, 柱断面の初期サイ. 9. 10. 11. 12.. ズを見積もる際によく用いられる軸力レベルで, 0.33 に. ピン 1MN 油圧ジャッキロードセル加力プレート. 4 3. 5. 8. Ｗ. 対応する軸力は, 日本建築学会の RC 構造計算基準で推. R. 15 7 6. 奨されている, 通常 RC 柱の軸力の上限値に対応するものとして取った値である。一方, 軸力比 0.50 は高強度 RC. 水平変位計. F. L .. 5.0. 柱が鋼管で拘束されることにより高軸力下において安定 R (0.01rad)a. した履歴性能と軸支持能力を維持することができるかどうかを検証するために取った値である。 2. コンクリートは, 設計強度が 80N/mm 級の生コンを用. 鉛直変位計. いた。コンクリートに使用したセメントは普通ポルトラ Unit : mm. ンドセメントで, 粗骨材には最大粒計 20mm の砕石を用. -5.0 0. 5. 10. 15. 20. 25. Cycle. いた。各試験体の実験材齢時のシリンダー強度は表 1 に. 図 3 加力・測定装置と加力プログラム. 記されている。 3. 加力および測定方法. 0.0. の実験結果を示す。. 一定軸力下における繰り返し曲げせん断実験は, 柱の水. 軸力比 0.20 の軸力を受ける配筋間隔 60mm の試験体. 平部材角 R により制御され, 図 3に示す加力装置を用いて積. CHRC60N20 は部材角が 0.02rad の時点で最大耐力に達し. 荷を行った。予定した載荷プログラムは図 3に示す通りであ. 部材角が 0.03rad に達するまで安定した履歴性状を示し. る。. た。同じ配筋間隔で軸力比 0.30 の軸力を受ける. 柱の水平部材角 R は, 上部の水平変位計で測定した水. CHRC60N33 は部材角が 0.015rad の載荷サイクルで最大. 平加力ピン位置での水平変位を柱のせん断スパン. 耐力に達し, その後一定の割合で耐力が低下したが, 部. （625mm）で割ることによって求めた。柱の平均的軸方. 材角 0.04rad においても軸方向支持能力を失わなかった。. 向ひずみは, 測定フレームに取り付けられた4 つの鉛直変. 配筋間隔 30mm で軸力比 0.33 の軸力を受ける試験体 CHRC30N33 は部材角 0.015rad で最大耐力に達した。そ. 位計により測定した。また, 試験体には, 柱主筋のひずみ, スパイラル筋のフ. の後の繰り返し載荷を経ても耐力低下は緩やかで, 部. ープ方向ひずみ, 鋼管表面のひずみを計測するために,歪. 材角 0.05rad においても最大耐力の 7 割程度を維持した。. みゲージをスパイラル筋拘束試験体に計 28 枚、鋼管拘束. 一方, 軸力比 0.50 の高軸力を受ける試験体 CHRC30N50. 試験体には計 36 枚貼付した。. は, 部材角が 0.010rad で最大耐力に達した後、かぶり. 4. 水平力−部材角関係. コンクリートが剥離しコアのみで軸力を抵抗していた. 図 4には各試験体の繰り返し水平力 V−部材角 R 関係. ので,部材角 0.03rad の載荷サイクル時に帯筋が破断し,. 22−2.

(3) CHRC60N33. 400. 400. 300. 300 165.23. 200. -2. -1 0 -100. 1. 2. 3. 4. 5. 6 -6. 0 -5. -4. -3. -2. 5. 6. -6. -5. -4. -3. -2. -1 0 -100. 1. 2. 3. 4. 5. 6 -6. -5. -4. -3. -2. 0 -1 0 -100. -200. -200. -248.6 -300. -260.5-300. 145.81. -1 0 -100. 1. 2. 3. 4. 5. V(kN). 100 0. 6 -6. -5. -4. -3. -2. -1. 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. -200 -191.34. -6. -5. -4. -3. -2. -300. -400. -400 R(%). R(%). 図4. 300. 200. 200. 100. 100. -1 0 -100. 1. 2. 3. 4. 5. 6 -6. -5. -4. -3. -2. 0 -1 0 -100. -200. -200. -257.64 -300. -300 -290.26. -200 -210.06. -300. 300. 0. -100. 3. -400 R(%). 1. 2. 3. -400 R(%). 5. 平均軸方向ひずみ. 果から分かるように, スパイラル筋の間隔が軸力比 0.33. 図 5に柱の平均的軸方向ひずみの計測結果を示す。柱の. の試験体の最大耐力に与える影響は顕著ではなかったが. 平均軸方向ひずみは 4 つの鉛直変位計の計測軸縮みの平均. 最大耐力発揮後の耐力の低下割合は, 部材角 0.04rad で. を試験体長さ 430mm で割ることによって算定されたもの. 30%近い差が生じた。. である。. 径厚比 110.7 の鋼管で拘束された, 軸力比 0.33 の軸力を. まずスパイラル筋間隔が異なる、試験体 CHRC30N33. 受ける CTHRC23N33 試験体は非常に安定した履歴性状を. と試験体 CHRC60N33 を比較してみると、部材角 0.015rad. 示している。部材角が 0.02rad の時点で最大耐力に達し、. 時点では目立った差は観察できないが、部材角 0.03rad 時. その後も耐力低下はゆるやかで,部材角 0.05rad で載荷試験. 点ではその差は約 20％になっている。このことから、横. を終了するまで安定した繰り返し曲げせん断性状を示した。. 拘束筋を密に配筋することは、柱の軸方向変形を抑制する. 一方, 軸力比 0.50 の高軸力を受ける試験体は, 部材角が. のに有効であることがわかる。. 0.02rad の時点で最大耐力に達し、履歴曲線も膨らみ始め. 次に、高軸力を載荷した試験体 CTHRC23N50 と. た。その後, 徐々に耐力を落としつつも、安定した挙動を. CTHRC45N50、 CHRC30N50 を比較してみる。部材角 0.01rad. 示し、0.03rad では最大耐力の 95%を維持していた。. 時点までは、軸歪みに目立った差異は確認できないが、. 径厚比 57.6 の鋼管で拘束され, 軸力比 0.33 の軸力を受. 0.01rad を過ぎたときから、スパイラル筋拘束試験体の軸方. ける試験体CTHRC45N33 は, 0.025rad の時点で最大耐力に. 向歪みは急激に増加し始め、0.025rad の時点では、スパイ. 達してから，部材角が 0.04rad 時での耐力低下は僅か 6％. ラル筋で拘束した試験体と、鋼管で拘束した試験体 2 体の. 程度で，非常に靭性に富んだ繰り返し履歴性状を示した。. 軸縮みの間に約 2 倍の差が確認された。このことは高強度. また, 試験体 CTHRC45N50 は, 軸力比 0.5 の高い軸力を受. 円形 RC 柱への鋼管横拘束の優位性を示している。部材角. けていたにもかかわらず, 部材角が0.025rad 前後で最大耐. がさらに進行するにつれて、径厚比の大きい試験体. 力を発揮してから 0.04rad での耐力低下は 10％程度しかな. CTHRC23N50 の軸歪みが大きく進行し、0.035rad の時点で. く，極めて高い耐震性能が示された。. CTHRC45N50 との差は約２倍になった。. 1. 1. 0.9. 0.9. CTHRC23N50. CHRC60N20. 0.6. CHRC30N33. 0.5 CHRC60N33. 0.4. CTHRC30N33. 0.3 0.2. CHRC30N50. 0.8. 0.7. Average Axial Strain(%. Average Axial Strain(%. 0.8. 0.7 0.6 0.5. CTHRC45N50. 0.4 0.3 0.2. CTHRC45N33. 0.1. 0.1. 0. 0 0. 1. 2. 3 R(%). 図5. 4. 5. 0. 6. 1. 平均軸方向ひずみ−部材角関係 22−3. 5. 6. 4. 5. 6. 308.73. 水平力 V−部材角 R関係. 軸方向支持能力を失った。水平力―部材角関係の実験結. 4. R(%) 400. 268.69. 200. 2. -400. 400. 300 182.79. 1. CTHRC45N50. CTHRC45N33. 400. 0 -2. -400 R(%). -400 R(%). CHRC30N50. 100. V(kN). 4. -300. 200. -3. 3. 100. 0. -166.72 -200. 300. -4. 2. 200. 100. -300 -400 R(%). -5. 1. 200. -146.53 -200. CHRC30N33 400. -6. -1 0 -100. 258.65. 300. 231.38. V(kN). -3. V(kN). -4. 185.49. V(kN). -5. V(kN). V(kN). -6. 300. 100. 0. 400. 400. 200. 100. CTHRC23N50. CTHRC23N33. V(kN). CHRC60N20. 2. 3 R(%). 4. 5. 6.

(4) Rmax−K. CHRC30N50 CTHRC23N50. CHRC60N33. CTHRC45N50. CHRC30N33 CTHRC23N33 3. CTHRC45N33. Rres(%). Rres(%). 3. 2. 1. 2. 1. Ru−K 5. 5. 軸力比0.33 軸力比0.20 軸力比0.50. 4.5 4 3.5 3 2.5. CTHRC45N50 CHRC60N20. 2. CHRC60N33 1.5. CTHRC23N50 CTHRC45N33 CTHRC23N33 CHRC30N33. 1. CHRC30N50 0.5 0 1.1. 1. 2. 3. 4. 5. 0. 1. R(%). 図6. 4.5. 2. 3. 4. CTHRC45N33. 4 3.5. CHRC60N20. CTHRC45N50. CTHRC23N33 CHRC30N33. 3. CTHRC23N50. 2.5 2. CHRC30N50. CHRC60N33. 1.5 1 0.5. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1. 1.1. K（強度上昇率）. 0 0. 軸力比0.33 軸力比0.20 軸力比0.50. 0 1. 0. Ru（最大水平耐力90％発現時ピーク点部材角）. 4. CHRC60N20. Rmax(最大水平耐力発現時ピーク点部材角). 4. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. K（強度上昇率）. 5. R(%). 図7. ピーク点部材角(最大耐力発現時、90％耐力発現時). 残留部材角−部材角関係. −強度上昇率関係. 6. 柱の残留変形柱の残留部材角を図6に示す。図6より分かるように、. に作用する軸力が当初設定値より著しく高くなったため. 全試験体ともに残留部材角が非常に小さい。部材角. であると思われる。. 0.02radまでの各載荷サイクルのピークから除荷した時の残. 8. まとめ. 留部材角は 0.004rad（層間変位角 1/250）以下であり、これ. 靭性能が高く, 且つ残留変位が小さい高性能鉄筋コン. は 10 階建て、階高 4m の建物に換算すると、屋上変位で. クリート構造を開発するために, スパイラル筋横拘束や. 16cm の残留変位になる。これは、同じ変位振幅から除荷す. 鋼管横拘束された高強度鉄筋と高強度コンクリートを併. る際に高強度鉄筋の残留ひずみが普通強度鉄筋のそれより. 用した円形 RC 柱について一定軸力下における繰り返し. 遥かに小さいことが起因していると考えられる。. 曲げせん断実験を計画・実施した。その結果, 以下のこ. 帯筋拘束試験体では、軸方向圧縮力が低い試験体ほど、. とが明らかになった。 1). そしてスパイラル筋の配筋間隔が小さい試験体ほど残留. 80MPa 級の高強度コンクリートを用いた円形RC. ひずみが小さい。鋼管拘束試験体は、部材角が小さい領. 柱は体積比 0.56％程度の高強度スパイラル筋ま. 域では板厚の違いによる残留変形への影響はそれほど顕. たは径厚比 110 程度の薄肉鋼管で補強すれば、軸. 著には見られなかった。しかしながら、大変形領域にな. 力比 0.33 の軸力下では十分な変形能力を有する。 2). ると径厚比や載荷軸力の影響が現れてきて、径厚比が小. 軸力比0.5 の高軸力を受ける柱に十分な耐震性能. さく低載荷軸力の試験体ほど残留部材角が小さかった。. を持たせるには, 径厚比 57.6 程度の円形鋼管を. 帯筋拘束試験体では部材角が 0.02rad を越えたあたりか. 用いればよい。. ら、鋼管拘束試験体では 0.025rad を越えたあたりからそ. 3). 円形 RC 柱の終局変形能力は、スパイラル筋や鋼. の影響は顕著になった。. 管による拘束度合いに従い、大きくなる。また、. 7．拘束度合いと変形能力の関係. 同じ程度の拘束度合い（K の値）の場合、鋼管に. 高強度コンクリートを用いた RC 柱を設計する際、その. よる変形能力への拘束効果はスパイラル筋による. 脆性的な破壊性状を横拘束材の使用とその拘束度合いによ. それより高い。これは鋼管拘束は柱全断面に及び、. ってどのように改善されるかを明確に示す必要がある。そ. かぶりコンクリートをつくらないためである。こ. 2）. こで、図７に文献で提案されている横拘束材の拘束度合. のことは鋼管拘束法の優位性を示唆している。. いを示すパラメーターである強度上昇率 K を横軸に、最大. 「謝辞」本実験の実施にあたって，九州大学技術職員の川. 耐力を発揮時の部材角（Rmax）、また耐力が、最大耐力の 90％. 口晃氏，窪寺弘顕氏，有働文久氏から多大なる協力を頂き. と低下したときの部材角（Ru）を縦軸にしたグラフを描く. ました。また，実験に用いた高強度鉄筋はすべて㈱JFE テク. ことで強度上昇率と変形能力の関係を調べてみた。. ノワイヤから提供していただき，記して謝意を表します。. 図 7より分かるように、軸力が大きくなるにつれて Rmax と Ru の実験結果が小さくなるが、横拘束材による拘束度合. 参考文献 1). い（K の値）が高くなるにつれて、Rmax と Ru ともに上昇し. 三宅良和：円形 RC柱の終局耐力に関する研究,九州大学大学院人間環境学府修士論文,2005. ていく。また、同じ K の値では、鋼管拘束試験体の変形能. 2) Sun, Y., Sakino, K. and Yoshioka, T.：Flexural Behavior of High-Strength. 力がスパイラル筋拘束試験体のそれより大きいことがうか. Concrete Columns Confined by Rectilinear Reinforcement, 日本建築学. がえる。それは、スパイラル筋拘束試験体は大変形域でか. 会構造系論文集, No. 486, p. 95-, Aug. 1996. ぶりコンクリートが剥離し、残りのコアコンクリート断面 22−4.

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