せん断破壊が先行するコンクリート充填円形鋼管短柱に関する基礎的研究 [ PDF
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(2) (1) 試験体. (2) 油圧ジャッキ. (3) ロードセル. 至った．最終破壊状況を写真 2 に示す．全体的に大. (4) ローラー (5) 平行保持装置 (6) 油圧試験機 (7) カウンターバランス. きく膨らんでいることが分かる．このような最終破 壊状況は軸力比の小さい CC05-60-0N および CC05-40-. (7). 1 N 試験体以外の試験体にも同様に見られた．つま り，軸力比が大きい試験体は，写真 2 が示すように，. Ｗ. (6). 全体的に大きく膨らむことで軸方向ひずみが大きく なる．. (3) (5). (2). (１). 他の 4 体の試験体も上記 2 体と同じような荷重−. Ｗ. 変形関係が得られ，安定した紡錘形の履歴性状を示. (4). した．いずれの試験体も図 2 に示すフランジ部分の. 図 3 加力装置. 上下に貼付したひずみゲージの値が降伏ひずみに達 する前 に，鋼管の せん断 降伏が 観測 された ．. で，変位振幅を部材角で± 0.01rad ずつ± 0.04rad まで 増加させ，同一振幅で 3 サイクルずつ，計 1 2 サイク. 4 . 耐力評価. ルの繰 返し載 加を行 った．. 4 . 1 降伏耐力 3 . 実験結果. 3 節で述べた通り，鋼管の曲げ降伏よりせん断降. 実験より得られたせん断力 Q −部材角 R 関係を図. 伏が先行していたので，今回の実験では，せん断降. 5 に示す．図中の○点は鋼管がせん断降伏 した点を. 伏した時点の水平力を降伏耐力 Q y とする．. 表してい る ． 鋼 管 の 降 伏 の 判 定 に は ， 以 下 の v o n. 表 2 に各試験体の Q y と，降伏時に鋼管が負担する. M is es の降伏条件式を用いた．. せん断力 s Q y と充填コンクリートが負担するせん断. 2 s. s. z. s. ここで，s 応力，s. z. 相当応力. 2. 2 s. z. 2. 6s. 2. z. e. は鋼管の周方向応力，s は鋼管のせん断応力， e. e. 力 c Q y を示す．s Q y は次式で表わされる． . z. (1). は鋼管の軸方向. は相当応力である．. ，s. z. および s. z. s. A. s. z. (2). ここで，s A は鋼管の断面積，s. z. は鋼管のせん断応力，. κは形状係数である．鋼管のせん断応力は試験体 ウェブ部中央の 3 軸ゲージから求め，形状係数は薄. が鋼管の降伏応力に達した点で鋼管のせ. ん断降伏と判定した．s. s Qy. は図 2 に示す. 肉円形鋼管の場合 0 . 6 0 5 と仮定した 6 ) ．充填コンク リートが負担するせん断力 c Q y は，試験体の降伏時. 試験体ウェブ部中央の 3 軸塑性ゲージから求めた． 以下に代表的な 2 体（CC05-40-1N,CC05-40-3A）の試. 1000 750. 験体の実 験経過 と最終破 壊状況 を示す． 荷中に鋼管がせん断降伏し，R=2/100rad で最大耐力. Q (kN). CC05-40-1N 試験体は，R=1/100rad の正側 1 回目の載. 1000 750. N/N 0=0.1. 500. 500. 250. 250 Q (kN). 1 2. 0 -250. に達したのち，その耐力をほぼ維持して最大変形 R=4/100rad に至った．充填コンクリートの破壊状況 を写真 1 に示す．写真 1 において，ひび割れを黒線 とから，本試験体はせん断破壊を起こしたものと想. 0 -250. -500. -500. -750. -750. -1000. -1000. -4 -3 -2 -1. 0. 1. 2. R (×10-2rad.). で示している．斜め方向にひび割れが生じているこ. N/N 0=0.3. CC05-40-1N. 3. 4. -4 -3 -2 -1. 0. 1. 2. 3. 4. R (×10-2rad.). CC05-40-3A. 図 5 せん断力 Q −部材角 R 関係. 定さ れる ． 4. CC 05 -4 0-3A 試験体も，. R（×10 -2rad.）. R=1/100rad の正側 1 回目の. 3 2. 載荷中にせん断降伏し，. 1 0. R=2/100 rad で最大耐力に. -1. 達し た の ち，変形 角 の 増. -2 -3 -4. 0. 3. 6. 9 12 サイクル数. 図4 載荷プログラム. 大に つ れ て耐 力 は 微 減し. 充填コンクリート. 最終破壊状況. 最大変形 R = 4 / 1 0 0 r a d に. （CC05-40-1N） 写真 1. （CC05-40-3A） 写真 2. 56-2 CC05-40-2N.
(3) 0.5. 表2 降伏時における鋼管とコンクリートのせん断力. CC05-60-0N CC05-60-3N CC05-40-1N CC05-40-2N CC05-40-4N CC05-40-3A. 鋼管のせん断応力s τ θz (MPa) 303.1 271.9 298.5 291.2 276.8 257.7. 鋼管のせん断力s Q y (kN) 450.9 404.5 450.7 439.7 417.9 389.1. 0.4. コンクリートのせん断力c Q y (kN) 36.3 63.3 10.3 41.2 65.5 194.6. s Q y /Q y. 0.3. 0.93 0.86 0.98 0.91 0.86 0.67. 軸力比N/N0. 降伏耐力Q y (kN) 487.2 467.8 461.0 480.9 483.4 583.7. 試験体. 0.2 0.1 0 CFT指針式 -0.1 0.95. 1. 1.05. 1.1. 1.15. 1.2. 1.25. の耐力 Q y から鋼管の負担するせん断力 s Q y を引くこ. 5)は実験値が CFT 指針. とで 求め られ る．. の曲げ耐力式に達して. 表 2 より，CC05-40-3A 試験体を除いて，降伏時に. おらず，せん断破壊し. はせん断力の大部分を鋼管が負担していることが分. たと推定されるが，a/D が 0.75 の文献 3)に関しては，. かる．. 実験値が C FT 指針の曲げ耐力式を超えており，図 8. Qy/sQa. s. 図6 鋼管降伏時のせん断力 の比較. 図 6 に CFT 指針 の鋼管の許容せん断耐力 s Q a と s Q y. が示すように，せん断耐力式よりもかなり大きな値. の比較を示す．現行の C FT 指針の鋼管の許容せん断. になっている．これは，文献 3 ) において曲げ破壊が. 耐力 s Q a は，. 観測されたことと対応している．このことから，円. 1). s Qa. s. A. s. 形 CFT 柱のせん断破壊現象は a/D=0. 5 程度の極短柱. fs. (3). 2 となっている．ここで s f s は鋼管の許容せん断応力度. でなけ れば観 測され ない ことが 予想さ れる．. である．この式は，軸力によらず鋼管の許容せん断. 時に鋼管が負担するせん断力 s Q m a x および充填コン. 耐力は一定となっているが，図 6 が示すように，軸. クリートが負担するせん断力 c Q m a x も示してある．鋼. 力が大きくなると，鋼管のせん断耐力が小さくなる. 管の応力の算定には，鋼管の板圧方向応力を零とす. 傾向があることが分かる．したがって，さらに精度. る 平 面 応 力 場 を 仮 定 し ，( 1 ) 式 で 表 わ さ れ る v o n. の高い鋼管の許容せん断耐力を設定するためは，軸. M i s e s の降伏条件式とそれに関連する流れ則である. 力をパラメーターとして追加した式を導入すればよ. Prandtl-Reuss の構成則を用いた．以下に，応力算定. いと 考え られ る．. に用いた式 7 ) を示す．. 表 3 には，最大耐力時の s. z. と試験体の最大耐力. 4 . 2 最大耐力 CFT 指針 1) における円形 CFT 柱のせん断耐力 Q s は， 鋼管柱のせん断耐力と，無筋コンクリート柱のせん. ds ds. z. ds. z. E 21. 2. 2 2. 2 2. 0. 0. x12 1 x1x2 x x1S3. 0 0 1. x1x2 x22. x1x3 x2 x3. ds ds. z. x2 x3. x32. ds. z. (4). 断耐力を足し合わ せた一般累加式 で評価している． これは，両材端において充填コンクリートと鋼管の. 弾性域では式( 4 ) の右辺のカッコ内第 2 項は零と. 間で相対ずれが生 じないことが前 提となっている．. し，さらに x ，x 1 ，x 2 ，x 3 は，. 実験より得られた CC05-40-1N,CC05-40-2N および CC05-40-4N 試験体の最大せん断力 Q ma x をせん断力 Q −軸力 N の相関曲線上にプロットしたものを図 7 に. x1 x. 示す．図 7 の実線および点線は，C F T 指針 を参照 1). E 1 4 9. 2 e 2H. s. E. sz , x2 x1s. 2. sz. 2 x3 s. z,. 1. x2 sz. s , x3 d d. H. E 1. s. z. e e. して計算したせん断耐力および曲げ耐力時のせん断. となる．ここで ,. 耐力である．図中の●点は，Q m ax を表しており，Q ma x. グ係数，νはポアソン比，s. は実線と点線の間にプロットされていることがわか. s ,s z は鋼管の偏差応力，. る．表 3 に各試験体のせん断耐力の計算値と曲げ耐. 応力と相当塑性ひずみ関係の勾配である．なお，鋼. 力時のせん断力の計算値および実験最大耐力値を示. 管の 応 力 − ひ ず み 関 係 は 完 全 弾 塑 性 型 を 仮 定 して. す．今回実験を行った試験体の最大耐力はすべて曲. H. げ耐力値に達しておらず，各試験体はせん断破壊に. られた値とし，ポアソン比は 0 . 3 と仮定する．. より最大 耐力を 発揮した と考え られる．. s Q m a x は，せん断力を負担する断面積を文献 8)と同. 図 8 に CFT 指針の円形 CFT 柱の終局せん断耐力式. 様に図 9 の斜線部分と仮定して求め，c Q m a x は試験体. と実験値の比較を示す．図には文献 3) ，4 ) および 5 ). の最大耐力 Q m ax から鋼管のせん断力 s Q m ax を引くこと. の実験値も載せてある．試験体の a/D が 0.5 の文献 4)，. で求 めら れる ．. 56-3. s. ,s. z. ,s. z. は鋼管の応力，E はヤン ,s. e. ,. z s. z. は鋼管のひずみ，. は相当応力，H. は相当. = 0 とする．また，ヤング係数は材料試験から得.
(4) 表3 実験最大耐力と計算値 実験最大せん断力 Q max (kN) 686.1 701.4 675.4 690.1 641.8 729.1. 試験体 CC05-60-0N CC05-60-3N CC05-40-1N CC05-40-2N CC05-40-4N CC05-40-3A. せん断耐力 Q s (kN) 593.9 666.0 585.4 596.7 555.3 556.9. 曲げ耐力時せん断力 Q b (kN) 1024.2 1161.7 971.1 999.0 978.4 997.0. 1.16 1.05 1.15 1.16 1.16 1.31. 鋼管のせん断応力 s τ θz (MPa) 288.2 290.7 286.1 266.2 269.4 267.8. 0.5. 1.2 CFTのせん断耐力 1. CFTの曲げ耐力. 0.8. 鋼管の せん断耐力. 軸力比N/N0. 0.6. 軸力比N/N0. Q max /Q s. 0.4 0.2 0. 0.4. 今回の実験 文献4)および文献5) 文献3). 0.3. ○，● a/D=0.5 ▲ a/D=0.75. コンクリートのせん断力 c Q max (kN) 207.4 199.8 181.7 245.5 206.8 272.7. 管の負担軸力が減少していることが 分かる．そのため，逆にコンクリー トの負担軸力が増して，C F T 柱の水 平耐力が上昇するという挙動を示し. 0.2 0.1. コンクリートの せん断耐力. -0.2. 鋼管のせん断力 s Q max (kN) 476.4 480.6 480.0 446.5 451.9 449.2. たと 考え られ る．. 曲げ破壊. 0. -0.4 -0.6. 0. 200. 400. 600. 800. 5 . まとめ. -0.1. 1000. 1. 1.2. 1.4 1.6 Qmax/Qs. せん断力Q (kN). 1.8. 2. 図8 終局せん断耐力式の推定精度. 図 7 せん断力 - 軸力比関係. 本研究では，定軸力のもとで繰返 しせん断力を受ける円形 C F T 短柱の 実験を行い，弾塑性性状と耐力評価. 表 3 から，各試験体とも，降伏時と比べコンク. について考察した．得られた結果を以下に列挙す. リートの負担するせん断力が大きく増えていること. る．. が分かるが，鋼管のせん断力に 大きな増大はな い．. 1）円形 CFT 柱は，a/D=0.5 程度の極短柱でないとせ. これにより，試験体降伏後のせ ん断耐力の増大 は， 主にコンクリートの負担するせん断力が増えること. ん断破壊 が観測 されな いこと が示さ れた． 2）今回実験を行った円形 C F T 短柱は，鋼管のせん. によっ て生じ ると 考えら れる．. 断降伏が先行し，最大耐力が C F T 指針の曲げ耐. 図 1 0 は，代表的 2 体の鋼管のウェブの主応力 2. 1. ，. 力式 に達 して いな いこ とか ら，せん 断破 壊し た. の応力状態を示したものである．図 10 の応力算定. では，(4)式の s. ，s. z. 3）今 回 実 験 を 行 っ た 円 形 C F T 短 柱 の 降 伏 時 ま で. を零. は，主に 鋼管 がせ ん断 力を 負担 し，変形 の増 大. として計算している．図中の○点は，試験体の最大. につ れて 充填 コン クリ ート の負 担す るせん断 力. 耐力時の応力を示している．また，図中の点線は平. が大き くなる こと が示さ れた．. z. をそれぞれ. をそれぞれ鋼管の主ひずみ. 120°. 1. ，. 2. 1. ，. 2. とし，s. とし，s. もの と推 定 され る ．. z. とs. ,s z. 面応力状態での降伏曲面. 4）せん断破壊した試験体の最大耐力は，現行 C F T. を表 わし てお り，( 1 ) 式 で. 指針の せん断 耐力式 で安 全側に 評価で きる．. 表わされる．なお，図 10 で. ＜参考文献＞. は，圧縮側を正としてい. 1） 日本建築 学会：コンクリ ート充填 鋼管構 造設計施 工指針 , 2008.. る．. 図9 円形鋼管のウェブ. 2） 崎野健治，石橋久義：Experimental Studies on Concrete Filled Square Steel Tubular Short Columns Subjected to Cyclic Shearing Force and Con-. 図 1 0 より，すべての試. stant Axial Force, 日本建築学会構造系論文報告集 , 第 353 号 , pp.81-. 験体は，せん断降伏後，鋼. 3） 坂本傑，久光脩文：鋼管柱接合部の強度・剛性に関する研究（コ. 91, 1985.7.. 1.5. 1. 1. 0.5. 0.5 σ1 /sσy. σ1 /sσy. ンクリ ート 充て ん鋼 管の 剪断 強度 の検 討，日本建 築学 会報 告論 1.5. 0. 文集， 第 137 号， pp.9-16, 1967.7. 4） 片岡隆広，西内晃二，藤井睦，上田弘樹，福田浩司，一戸康生： 鉄筋入りコンクリート充填鋼管（CFT-R）造の開発（その 2 パ ネル部せん断実験および架構実験），日本建築学会大会学術講演. 0. -0.5. -0.5. -1. -1. 梗概集（東北）， pp.1229-1230, 2009.8. 5） 上中宏 二郎：中空式 二重 鋼管・コンク リー ト合 成部 材の せん 断 特性，コンクリート工学年次論文集，vol.33,No,2, pp.1111-1116,. -1.5 -1.5. -1. -0.5. 0. 0.5. σ2/sσy. CC05-40-1N. 1. 1.5. -1.5 -1.5. 2011. -1. -0.5. 0. 0.5. 1. 1.5. 6） C.L. ディム，I.H. シャームズ , 砂川恵監訳：材料力学と変分法 , ブ レイン図 書出版株 式会社，1977.. σ2/ sσy. CC05-40-4N 図10 鋼管ウェブの応力状態. 7） 吉田総 仁：弾性力 学の 基礎 ，共立出 版株 式会 社，1997.5. 8） 田中尚：柱・はり接 合部 必要 パネ ル厚 の計 算式 ，日本建 築学 会 論文報告集，第 207 号 , pp.19-23, 1973.5.. 56-4.
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