鋼コンクリートサンドイッチ床版の 3 次元弾塑性 FEM 解析

長崎大学工学部研 究報告 第32 巻 第59 号 平成

年

月

鋼 コ ンク リー トサ ン ドイ ッチ床版 の

次元 弾塑性FEM解 析

93

松 田 浩*1･崎 山 毅*1･小嶋 悟

･山下 幸 生

･佐野 正

sandwichslab by

HiroshiMATSUDA*1

,

,

,

MasashiSANO*2

Recently,thesteel‑concretesandwichslabwhichhasahighrigidityhasbeendevelopedforthedeckslabofthe roadbridge.Theshearingforcebetweensteelplateandconcreteofthesandwich slabaresupportedbythebolts.In ordertoinvestigatetheinfluencesofboltspaclng,fastenlngforce,steelthicknessandconcretestrengthofthesandwich slab,theloadingtestswerecamied outandthreedimensionalnonlinearFE analyseswereperformed.

1

は じめに

道路橋 の コンクリー ト床版の コス ト縮減,工期短縮, 高剛性 ,汎用性 を目的 として鋼合成サ ン ドイ ッチ床版 が 開発 され実用 に供 されている.

鋼 コンクリー トサ ン ドイ ッチ構造 は,鋼板 とそれ に は さまれた コンクリー トが一体 となって機能す る合成 構造である.本構造 は,鋼板が コンク リー トを拘束す る こ とに よ り,強度 と じん性 が 向上す るため, RC 構 造 と比べ断面 をコンパ ク ト化 し,部材 を軽量 にで きる とい う利点がある.破壊形態 としては,鋼板 の局所座 屈 な らびに拘束 された コンク リー トのせ ん断破壊 な ど が考 え られ,対策方法 と してせ ん断力 を負担す るため の補強鋼材が配置 されてい る.せ ん断補強鋼材 には タ イプ レー トや鋼棒 な どが使用 されてい る.

本研究では,鋼板 とコンク リー トとのず れせ ん断力 をボル トで支持す るため に,上下鋼板 をボル トで接合 された鋼合成サ ン ドイ ッチ床版の構造特性 について実 験 お よび解析 によ り検討 した ものであ る.鋼合成サ ン

ドイ ッチ床版 を構成す るボル トの間隔,締付 け力 ,鍋 板厚 お よび コンクリー ト強度が,力学的挙動特性 に及

平成1

年

日受理

辛

.構造工学科

*2

シ ョーボ ン ド建設 ( 樵 ) ( 研 究当時 :長崎大学大学 院)

* 3シ ョーボ ン ド建設 ( 秩 )

はす影響 を明 らか にす るこ とを目的 とした載荷実験 を 行 うとともに,その結果 を

次元非線形FEM解析 に よ

りシ ミュ レーシ ョン した結果 について報告す る.

2 実験 概 要 2.1

供試体の概要

本研究では,表

に示す ように鋼 コンクリー トサ ン ドイ ッチ構造のボル ト間隔,ボル トの締 め付 け力,鍋 板 の板厚 お よび コンクリー トの圧縮強度が力学的挙動

表 1 実験供試体の種類

供

読 間隔

ボル ト

鋼板厚 鋼板 コンクリート 圧縮 強度

No.

体

' 2 )

1 ○ ○ ○ ○

2 ○ ○ ○ ○

3 ○ ○ ○ ○

4 ○ ○ ○ ○

94

松 田 浩 ･崎山 毅 ･小嶋

特性 に及ぼす影響 を明 らか にす ることを目的 として静 的載荷実験 を実施 した.

図 1 に各供試体 の形状寸法 を示す.供試体 は, まず ボル ト間隔お よび鋼板厚 の異 なる長 さ1

m ,幅60

m,高 さ1

mお よび1

mのパ ネルを作 り,上下 鋼板 を高力高ナ ッ トと高力ボル ト( 図

)で接合 した後,

コンクリー トを側面か ら打設 して製作 した.鋼板 とコ ンクリー トの付着 はない もの とし,鋼板 とコンクリー トとのずれせ ん断力 はボル トのみで支持す る構造 とし た.そのため,鋼板 と高力高ナ ッ トに離型剤 を塗布 し た後, コンクリー トを打設 した.鋼板 と高力ボル トと 高力高ナ ッ トの物性値 を表

に示す. コンクリー トの 圧縮強度 は53

である.なお,ボル トの種類 とし て

Sボル トも用いて同様 な実験 を行 なった.

載荷方法 は, 図

に示す よ うに,支点 間隔

で単純支持 とし,せ ん断スパ ン有効高 さ比 を

とす る2 点載荷 とし,長 さ

m,幅1

m m ,お よび厚 さ

ボル

トけ り

⁚⁝ IV‑‑･ ‑ ＼洲 ･･ 打m⁝ Ⅷ‑血 ･6,紅乳 6,9

̲̲"̲̲ ̲B皇2鎚三12吸 ー

̲̲ー̲｣BOfL̲】̲̲

(b)

立体図 図 1 供試体形状寸法

帥t▲‑̲

.

図 2 高力高ナ ッ トお よび高力 ボル ト

悟 ･山下 幸生 ･佐野

表

億用材料 の物性値

使用材料 降伏点 引張強度 弾性係数

鋼板

高力ボル ト*

*FIOT相 当品の規格値

12m

mの載荷板 を介 して載荷 した.測定項 目は,荷重, 変位お よびひずみ とし,変位計お よびひずみゲージの 取付 け位置は図 1 に示す とお りである. また,ひび割 れ進行状況 を目視 によ り観察 した.

2.2

実験結果の概要

実験概 要で述べ た ように

Sボル トを用 いた実 験 も行 ったが,高力高ナ ッ トを用いた場合 と比べ て, 耐力が小 さ く評価 されたので,以後,高力高ナ ッ トの 使用 を前提 とした実験 を行 った. ここでは,ボル ト間 柄,ボル ト締付 け力,ボル ト取付 け孔径 ,鋼板厚 , コ ンクリー ト圧縮力 をパ ラメー タとした実験結果 につい て述べ る.

2.2.1

ボル ト間隔の影響

図

m の供 試体(

が,ボル ト間隔の広い3

と比較 して変形が小 さ くなった. また,最大荷重 につ いては,ほぼ等 しく

kNとなった.

ひずみゲージ取 り付 け位置 における,荷重 とひずみ の関係 を図 4 に示す. コンクリー トに初期 ひび割れが 発生す る と,各供試体 とも下面鋼板のひずみが変化 し

た. その後 は各供試体 とも同様 の傾 向 を示 し, ほぼ

0kN付近で各供試体 とも曲げ剛性 が低下 した. この 時の下面鋼板 の ひずみは1

‑

程度 であ り,各供 試体 とも下面鋼板がほぼ降伏 した もの と考 えられる.

目視 により確認 した実験終了後のひび割れ状況 を図

れ発生荷重,部材が降伏す る荷重お よび最大荷重 を比 較 し,表

に示す.

初期 ひび割れの発生荷重 は,ボル ト間隔20

1)

が55 kN

が6

kNであ り,いずれ もスパ ン中央の高力高ナ ッ ト位置 に発生 した.その後,荷重 が増加す る と曲げ剛性 に差異が生 じ,ボル ト間隔3

の曲げ剛性が2

1 ) の曲げ剛性 よ り小

さ くなった. また,図

の高力高ナ ッ ト位置 にもひび割れが発生 した.

載荷 を続 ける と, ボル ト間隔2

で は400

鋼 コンク リー トサ ン ドイ ッチ床版 の

kNの時点 で,300mm(

で は

kNの時点で ,載荷 点付 近 の高力高 ナ ッ ト位置の上方か ら支点方向 に向 っ て斜 めせ ん断 ひび割れが発生 した.その発生荷重 は, 高力高 ナ ッ トの配置 間隔が狭 いボル ト間隔2 (

1)

が配置 間隔の広 い30

のお よそ2.

倍 となっ た. また,荷重 と変位 の関係 については,大 きな変化 は見 られ なか った. さらに載荷 を続 ける と,各供試体 の鋼板が降伏 し始 めた.額板 降伏荷重 は配置間隔の狭 い ボ ル ト間隔2 0 0

で72

kN,配置 間肺 の広 い

で620 kNで あ った. その後 も荷 重 は漸増

1000

800

ど .三占

､J 600

糊 捉

400

200

00 ^{5 10 15 20 25 30}

変位(mm)

35 40

図3 荷重 一中央点 たわみ関係( ボル ト間隔の影響)

1000

800

言メ

‑ 600

÷†･ I匡

400

200

00 ^{500 1000 1500 2000}

ひずみ(×106)

2501

図

荷重 一中央点 ひずみ関係( ボル ト間隔の影響)

(a)

ボル ト間隔

(b)

ボル ト間隔

図

ひび割 れ進行状 況

95

し,鋼板 とコ ンクリー トの間に隙間が発生 し, さらに ひび割 れ に段差が生 じた.最大荷重 は,ボル ト間隔2

1 )お よび3h m(

と もに8

kNで あ り, 載荷 点 と支点 とを結ぶ斜 め ひび割 れが発生 して荷重が 低下 した.

表3 載荷試験結果 ( k N)

2α)mm 3

(

初期 ひび割 れ発 生荷重

斜 め ひび割れ発生荷重

鋼板 降伏荷重

2.2.2

ボル ト締付 け力の影響

荷重 とスパ ン中央変位 の関係 を図

示す ように,載荷 重が約270 kNに到達 す る までは, ボ ル トの締 め付 け力 の影響 は見 られ なか ったが

kN 到達 以 降 , ボ ル トの締 め付 け力 の小 さい1

k

の供試体 が , ボ ル トの締 め付 け力 の大 きい222 k

3)

に比べ , 同一荷重 に対 す る変形 は大 き くな った. ま た,最大荷 重 につ いて はほぼ等 しい値(

0. 3は7 1 0k

は698 k N)となった.

1000

800

ど .上と

) 600

巾1 粧

400

200 0

0 5 10 15 20 2^{5 3}0 35 40

変位(mm)

図

荷重 一中央点変位( ボル ト締付 け力 の影響)

2.2.3

鋼板厚 の影響

荷重 とスパ ン中央変位 の関係 を図 7に示す.同図 に

示す ように,荷 重が約2

kNまで は鋼板厚 に よる影響

は見 られ なか ったが,約2 00k N付 近 か ら鋼板 厚 の薄 い

mタイプ(

の供 試体が ,鋼板 厚 の厚 い

イプ(

に比べ ,同一荷重 に対す る変形 は大 きくなっ

た. また,最大荷 重 につ いて も,鋼板厚 の厚 い

タイプ(

の方が889 kN,鋼板厚 の薄 い

mタイプ

. 3) が

0k Nであ った.

96

1000

800

E‑ 2 : ,ii

) 600

糊 j 1

400

200

0

松 田 浩 ･崎山 毅 ･小嶋

0 5 10 15 20 25 30 35 40 変位(mm)

図7 荷重 一中央点変位 関係( 鋼板厚の影響)

2.2.4

コンク リー トの圧縮 強度の影響

荷重 とスパ ン中央変位 の関係 を図

に示す.同図 に 示す よ うに,荷重 が約

00kN付近 か ら,荷重 と中央 変 位 との関係 に両供試体 の明確 な相違が現 れた. また, 最大荷 重 は, コ ンク リー トの圧縮 強度 が65N/ mm

( No.

3)

の供試 体 は850 kNで,53N/ mm

( No. 2) の供試体 は670 kNであ った.

1(X)0

800

ど I i ≦ )

叫 轄

400

200

0

0 5 10 15 20 25 変位(mm)

30 35 40

図8 荷 重 ‑中央点変位 関係 (コンク リー ト圧縮強度の影響)

3

解析概要

解析 は汎用有 限要素解析 コー ド

C)を用 いた.

ボル ト形状 お よび配置 間隔 を考慮 して作成 した解析 モ デルの一例 を図

称性 を考慮 して, スパ ン方 向1

,幅方 向1

の1

モデ ル と した. また,鋼板 とコ ンクリー トお よびボル トと コ ンクリー トの付 着切 れ を考慮 して,各要素 間 には接 触 機 能

オ プ シ ョン)を用 い た.表

に各供 試体 の解析 モ デルの節点数 お よび要素数,要素 タイプ を示す .

悟 ‑山下 幸 生 ･佐野 正

表4 解析 モデル

ボル ト間隔 節膚数 要素数 要素 タイプ

要素

要素

(a)

全体 図

JILq..̲1､̲̲.̲【.̲I̲.̲､.̲…

L ‑ r

超 L J U u 越 荘鮎 置 選

( b) 側面図

干 l 闇音

書 古書 抽 某

喜嵩 音 量

(C)

立面図

図9 解析 モデル

鋼板 の構 成 別 を図

に示 す . これ は,鋼 板 材料 の引張試験結果 に基づ くものである.ボル トは表

に 示す物性値 を用 い,弾性係数 は線形 で破壊 しない もの と した. また, コ ンク リー トの構 成別 は図

に示 す ように与 えた.圧縮軟化域 のモデル化が,終局耐力 や変形 に与 え る影響 が大 きいの で

に よる 圧縮軟化域 モデル と道路橋示方書の圧縮軟化域 モデル に基づ く構成別 を用いて予 め解析 した結果 を踏 まえて, 今 回の実験結果の解析 に適 した圧縮軟化の構成別 を用 いた.

4

実験 および解析結果 の比較

ボル ト間隔の影響

ボ ル ト間隔 が20

(

mの試 験 体 に対 し

て非線 形FE解析 を行 った. 荷重 と中央 点 た わみ の 関

係 を図1 1に,荷重 とひずみの関係 を図1

に示 す.実験

で は,ボル ト間隔が小 さければ剛性が大 き くなってい

る.接 触機能 を用 い ない解析 で はボル ト間隔の影響 が

全 く現 れ なか った.一方 ,接触機 能 を用 いた解析 で は

ボル ト間隔の影響 が顕著 に現れ

の解析結果 は実験結果 とほぼ一致 した結果が得 られた.

鋼 コンクリー トサ ン ドイ ッチ床版 の

次元 弾 塑性 F

0000000004321

(NtuuJN)CF填

‑100

‑200

‑300 ぺOO

‑400 ‑300 ‑200 ‑100 0 100 200 300 400

ひず み

(a)

鋼 板

(N

tH u Z

FF 填

fc

0.925fcfc/3 16e 5e e

ひず み

(b)

コンクリー ト

図

鋼板 及び コンクリー トの構成則

5 1000

､■̲■′

糊

600

400

200 0

0 5 10 15 20 25 30 35 変位(mm)

図

荷重 一中央点 たわみ関係

ボ ル ト間隔

で の実験 お よび解析 にお け るひ び割 れ状況 を図

3に示す.実験 ではせ ん断スパ ン内 に ひび割 れが発生 してい る.解析 においては,接触機能

97

0 500 1000 1500 2000 2500 ひずみ(×106)

図

荷重 一中央点 ひずみ関係

(a)

実験 結果

(b)

解 析結果 ( 接触 考 慮な し)

(C)

解 析結果 ( 接触 考 慮 あ り)

図

ひび割 れ状況

を用 いない場合,支点位置お よび高力高 ナ ッ ト位置 に

ひび割 れは発生せず,スパ ン中央部 にのみ ひび割 れが

集 中 して発生す る結果 となった.一方 ,接触機能 を用

いた場合 には,せ ん断スパ ン内の高力高 ナ ッ ト位置 に

ひび割 れが確認 された.

98

松 田 浩 ･崎山 毅 ･小嶋

4.2

鋼板厚の影響

鋼板厚 が 6mm お よび 9 m の試験体 に対 して非線 形FE解析 を行 った荷重 とスパ ン中央 のたわみの関係 を図

に示す.実験お よび解析 ともに,鋼板厚が力学 的挙動 に大 きく影響 してお り,鋼板厚 が力学的特性 に 大 き く影響 を及ぼす ことが確認 された.図

に示す よ うに,載荷荷重が

0 0k Nまでは鋼板厚 による影響 は小 さいが ,2

kN付近か ら鋼板厚 6m m試験体が鋼板厚 9

… 試巌 体 に比べ ,剛性が小 さ くなっている. また, 最大耐力 も鋼板厚 9mm 試験体が鋼板厚 6m m試験体

に比べ大 きくなった.

0 5 10 15 20 25 30 35

変位 ( mm) 図

荷重 一変位関係

情 ･山下 幸生 ･佐野

5

まとめ

鋼合成サ ン ドイ ッチ梁の載荷実験 を行 い

次元非 線形

解析 に よ り実験結 果 の シ ミュ レー シ ョンを 実施 した.鋼板,ボル トお よびコンクリー トの接触 を 考慮 したモデル化 によ り,実験結果 をほぼ シ ミュ レー トで きることがわかった.今後,ボル トの種類,間隔, 鋼板厚, コンクリー ト圧縮強度 な どの諸要因を変化 さ せ たパ ラメ トリック解析 を行 うことによ り, よ り合理 的な鋼合成サ ン ドイ ッチ構造の設計が可能 になる もの

と考 え られる.

参考文献

【 1 1 土木学会 :鋼構造物設計指針 pART B 合成構造 物

【2】

日本 コンクリー ト工学協会 :破壊力学の応用研究

委貞会報告書