鉄筋内臓コンクリート充填角形鋼管柱脚の繰返し弾塑性挙動に関する実験的研究 [ PDF

全文

(1)鉄筋内蔵コンクリート充填角形鋼管柱脚の繰返し弾塑性挙動に関する実験的研究陳思遠 1 . 序. 250mm の正方形孔としているが，この場合，ベースプレー. 本研究は , 鉄筋を内蔵したコンクリート充填鋼. トの面外曲げ耐力や剛性への低減率が大きいと考えられ. 管( 以下，CFT) の接合部研究の一環であり , 接合材. るので，Type2 では，各内蔵鉄筋の軸芯に 1.5D(D:鉄筋の. として高強度鉄筋を内蔵した角形 C F T 露出型柱脚. 呼び名) の孔を設けている．. の繰返し弾塑性挙動について実験的に検証したも. 2 . 2 加力方法および測定方法. のである．. 加力装置を図 3 に示す．試験体の柱頭に一定軸力と繰. 本柱脚の特徴として，① 内蔵鉄筋により鋼管と充填. 返し水平力の載荷を行う．部材角 R=+0.5 ～ 3.0% まで 0.5% ず. コンクリートと基礎コンクリート間の応力伝達を容易に. つ漸増し，各振幅で 2 サイクル載荷する．この後，R=5.0%. 実現できるため，曲げ耐力，せん断耐力および回転剛性. に致るまで正方向に水平力を加え，実験終了とする．ま. の増大による力学性能向上，②ベースプレート寸法やア. た，アンカーボルト，内蔵鉄筋，ベースプレートおよ. ンカーボルト量の低減あるいは省略による施工性向上が. び鋼管の所定の位置に歪ゲージを貼付する．. 挙げられる．本研究では，繰返し弾塑性挙動を調査し，. 3 . 実験結果および考察. 終局曲げ耐力評価式を提案する．さらに，ベースプレー. 3 . 1 柱脚曲げモーメント‐回転角関係. トにおける孔形状に改良を加えた試験体を新たに設計. 柱脚曲げモーメントと回転角. し，柱脚部の力学的挙動を調査する．. 曲げモーメントには，軸力と水平変位による付加曲げ. 2. 実験計画. モーメントを含んでいる．図中の直線は柱脚の終局曲げ. 2 . 1 試験体と実験変数. 耐力である（4 章で示す方法で算定）．. 図 1 に試験体形状を , 表 1 に試験体一覧を示す．内蔵. 幅厚比 25 の試験体である図 4(e)S25B-0M-0.25, 図 4(f)S25B-. 鉄筋は高強度異形鉄筋(D19)とし，鋼管内に計 12 本を配. 12M-0.25, 図 4(g)S25B-12M-0, 図 4(h)S25BS-12M-0.25 は , =2%. 筋した．柱側の鉄筋の定着長さは，幅厚比 25 の場合に. まで耐力の低下は見られなかった．幅厚比 50 , 軸力比. の関係を図 4 に示す．. 30D, 幅厚比 5 0 の場合に 40D とする．基礎側については，. 0.25 の試験体(図 4(b)と図 4(d))では、ベースプレート孔. 基礎内部に埋め込んだ定着板と内蔵鉄筋を結合すること. の影響はほとんど見られなかった．これは鋼管の局部座. により，柱から基礎への応力伝達を確実なものとした．. 屈により終局を迎えたことが一因だと考えられる．一. 使用した鋼材の機械的性質 , コンクリートの機械的性. 方，幅厚比 25，軸力比 0.25 の試験体(図 4(f)と図 4(h)). 質を表 2‚ 表 3 に示す．. では , べーズプレートの孔が小さい試験体は大きい試験. 試験体は，軸力比の影響(0,0.25), 内蔵鉄筋の有無，幅. 体より耐力が高いことが分かる . これらはベースプレー. 厚比の影響( 25,50) ，ベースプレートにあけた鉄筋貫通. トの孔形状の違いと使用鋼材の機械的性質の差が一因. 用孔の形状を実験変数とした計 8 体である．ここで，. だと考えられる．内蔵鉄筋を有する試験体は，有してい. ベースプレートの詳細を図 2 に示す．Type1 の場合，充填. ない試験体より，耐力が大幅に上昇していることが分か. コンクリートと基礎コンクリートの連続性を意図して幅. る．いずれの試験体もスリップ性状を含んだ履歴性状を示している．. Ｍ20(4体)M30(4体) ABR490. φ50(M30) φ36(M20) 250. 500. 主筋12-D19:USD590 1125. 1300. □-300×6(4) □-300×12(4) BCR295. 500. ベースプレート500×500 36(4体),50(4体) SN490B. 250. Type 1(試験体名の記号：BS) φ50(M30) φ36(M20). 500. 750. 500. 500. 400. 400. 500. 200. (a)配筋立面図. 400 800. 1800. (b) 側面図. 図1 試験体形状. φ1.5D(D19). 200. Type 2(試験体名の記号：B) 図2 ベースプレート詳細図. 50-1.

(2) 表1 試験体一覧内蔵鉄筋 (USD590) ベースプレート厚さアンカーボルト径試験体鋼管 B/t ベースプレート形状 (SN490B) (mm) 番号 (BCR295) 径・本数定着長さ(mm). 試験体 S50B-0M-0.25. ①. S50B-12M-0.25. ②. S50B-12M-0. ③. S50BS-12M-0.25. ④. S25B-0M-0.25. ⑤. S25B-12M-0.25. ⑥. S25B-12M-0. ⑦. S25BS-12M-0.25. ⑧. □-300×6. 50. なし. -. -. 12-D19. 40D. -. -. 12-D19. 30D. PL-36. Type 2. □-300×12 25. なし. 鋼種. □ 300-6 BCR295 □ 300-12 ベースプレート ( st =36 ) SN 490B ベースプレート ( st =50 ) アンカーボルト ( M 20 ) A BR490 アンカーボルト ( M 30 ) U SD 590 (B/t=25) U SD 590 (B/t=50). 内蔵鉄筋 (D 19). Type 1. 8-M30. PL-50. Type 2. 表 2 鋼材の機械的性質鋼材. Type 1. 8-M20. 表 3 コンクリートの機械的性質. 降伏応力最大応力降伏比ヤング率降伏歪伸び ( M Pa) (MPa) (%) ( G Pa) (%) (%). 試験体番号. 383. 455. 82. 197. 0.19. 35. ①，②，③. 386 387 369. 464 477 484. 83 81 76. 208 203 202. 0.19 0.19 0.19. 35 36 39. ④ ⑥，⑦ ⑤，⑧. 332. 468. 71. 212. 0.16. 29. ①，②，③. 385 339 340. 510 432 512. 75 79 66. 212 207 212. 0.18 0.16 0.16. 31 30 30. ④ ⑥，⑦ ⑤，⑧. 350. 439. 81. 203. 0.17. 27. ①，②，③. 413 349 357. 547 421 536. 76 84 67. 195 206 207. 0.22 0.17 0.18. 27 26 24. ④ ⑥，⑦ ⑤，⑧. 36.5. 0.19. ①，②，③ ⑥，⑦. 40.3. 32.3. 0.20. ④，⑤，⑧. 38.1. 34.4. 0.19. ①，②，③ ⑥，⑦. 37.2. 32.4. 0.18. ④，⑤，⑧. 柱. 624. 828. 75. 189. 0.33. 15. ⑥，⑦，⑧. 828 863. 75 74. 189 195. 0.33 0.33. 15 13. ②，③ ④. 試験体番号. 45.3 基礎. 624 643. C L. 圧縮強度ヤング係数終局歪み 2 [GPa] [％] [N/mm ]. 部材. * 各コンクリート強度は，試験期間中の初日，中間，最終日に 3 体ずつ実施した結果を用いて平均値として算出してる．. 5000kN試験機. ﾋﾟﾝ. ﾋﾟﾝ. 1000kNｼﾞｬｯｷ. ﾛｰﾄﾞｾﾙ. 5 7 1 3 7 8 2. 0 0 3 1. 5 2 1 1 0 5 0 2. 試験体固定ﾌﾞﾛｯｸ. 5 7 8 1. 反力ﾌﾚｰﾑ. I-beam C L. PC鋼棒. 0 5 7 反力梁. 7 5 6. 1 7 3 9 7 3 1. 9 7 3 1 8 5 7 2. ﾛｰﾗｰ. 図 3 加力装置. 500. 500. 500. 500. 0. -500. -1000. 0. -2. 0. 2. 4. 6. -1000. (%). 0. -4. -2. 0. 2. 4. 6. -1000. (%). -4. -2. 0. 2. 4. 6. -1000. 500. 500. 500. -500. -1000. -2. 0. 2. (e) S25B-0M-0.25. 4. 6. (%). -1000. 0. -500. -500. -4. M (kNm). 500. M (kNm). 1000. M (kNm). 1000. M (kNm). 1000. 0. -4. -2. 0. 2. 4. 6. -1000. (%). 0. 2. 4. 6. (%). 0. -500. -4. -2. 0. 2. 4. 6. (%). (g) S25B-12M-0 (f) S25B-12M-0.25 図 4 柱脚曲げモーメント－回転角関係. 50-2. -2. (d) S50BS-12M-0.25. 1000. 0. -4. (%). (c) S50B-12M-0. (b) S50B-12M-0.25. (a) S50B-0M-0.25. 0. -500. -500. -500. -4. M (kNm). 1000. M (kNm). 1000. M (kNm). 1000. M (kNm). 1000. -1000. -4. -2. 0. 2. 4. 6. (h) S25BS-12M-0.25 (%).

(3) Strain (%). 3 . 2 各部位の歪と部材角の関係アンカーボルト、内蔵鉄筋およびベースプレートの歪ゲージの貼付位置を図 5 に示す． 3.2.1. アンカーボルト. 0.1. 0.1. 0. 0. -0.1. -0.1. 幅厚比 50 の試験体についてアンカーボルトの歪と R. -0.2. の関係を図 6 に示す．図中の破線は，引張試験によって. -0.3 -4. -3. Strain (%). ている．すべての試験体において，降伏歪に達していることが分かる．図 6(a)と図 6(b)を比較すると，R=1% で降伏歪に達していることは分かる．よって，ベースプレートの鉄筋貫通孔の形状の影響はほとんどないと言え. 300. 3. -3. 0. -0.1. -0.1. Plus side. -0.2. Gauge B1(Minus side) Gauge B2(Plus side) -3. -2 -1. 0. 1. 2. 3. -2 -1. 0. 1. 2. 3. 4. R (%). (b) S50BS-12M-0.25. 0. (c) S50B-0M-0.25. 4 -0.3-4. R (%). Gauge B1(Minus side) Gauge B2(Plus side) -3. -2 -1. 0. 1. 2. 3. 4. R (%). (d) S50B-12M-0. 図8 ベースプレートの歪ー部材角関係(幅厚比50). R2. る．幅厚比 25 の試験体については図示していないが，幅. A2. 厚比 50 の試験体と同じ傾向を示した．. 15. 50. Root Gauge. 2nd row 1st row. 1st row 2nd row. 600. Minus side. 20D(6mm) 15D(12mm). 1,125. Bottom Gauge. Center Gauge. 2. 0.1. -0.3 -4 Load Direction. 1. 0.1. -0.2. Minus side. Middle Gauge. 0. Gauge B1(Minus side) Gauge B2(Plus side). (a) S50B-12M-0.25. においても，図中の破線は各部位の降伏歪を示し. Upper Gauge. -2 -1. -0.3 4 -4. R (%). 得られたアンカーボルトの降伏歪である．図 7 ，図 8. Plus side. -0.2. Gauge B1(Minus side) Gauge B2(Plus side). 3 . 2 . 2 内蔵鉄筋 750. A1 Center of Anchor Bolt. 幅厚比 50，軸力比 0.25 の試験体の柱脚部における内蔵. B2. B1. 鉄筋の歪と R の関係を図 7 に示す．内蔵鉄筋は引張降伏. R1. Strain(%). 図5. 歪に達していることが分かる．. 歪ゲージ位置と番号. 2. また , 幅厚比 25 の試験体の鉄筋の歪性状については. 2 Gauge A1(Minus side) Gauge A2(Plus side). 1.5. 1.5. 1. 1. 0.5. 0.5. 示していないが，ベースプレートの孔の形状によらず，. Gauge A1(Minus side) Gauge A2(Plus side). 引張降伏歪に達していることを確認した． 3 . 2 . 3 ベースプレート図 8 に幅厚比 50 の試験体のベースプレート表面における加力方向の歪と R の関係を示す．軸力比 0.25 の試験体. 0. Strain(%). -0.5. 0. -4. -3. -2. -1. 0. 1. 2. -0.5 4 -4. 3. R(%). (a) S50B-12M-0.25. 2. 2. Gauge A1(Minus side) Gauge A2(Plus side). 1.5. -3. -2. -1. 0. 1. 2. 3. 4. R(%). (b) S50BS-12M-0.25. さい試験体(図 8(b))の圧縮歪はベースプレートの孔が大がない試験体( 図 8( c)) の歪については，圧縮歪は試験体 S50BS-12M-0.25 と S50B-12M-0.25 より大きい．なお，幅厚比 25. 1. 0.5. 0.5. 0. 0. -4 -3 -2 -1. 0. 1. 2. (c) S50B-0M-0.25. 3. 4 -0.5-4. R(%). の試験体においても，同様の傾向がみられた． 4 . 終局曲げ耐力の算定方法 1 ) 4.1 -3. -2. -1. 0. 1. 2. (d) S50B-12M-0. 2. 3. 4. R(%). 2 Gauge R1(Plus side) Gauge R2(Minus side). 1.5. 柱軸部( コンクリート充填鋼管柱). 軸部の終局時の曲げモーメント - 軸力( M-N) 相関曲線. 図6 一段目のアンカーボルト歪ー部材角関係(幅厚比50). は，CFT 断面として，断面が全塑性状態にあると仮定して( 図 9) 一般化累加強度式を用いて以下のようにして求める． cb=cD. Gauge R1(Plus side) Gauge R2(Minus side). 1.5 1. 0.5. 0.5. 0. 0. -0.5. -4. -3. -2. -1. 0. 1. 2. 3. 4. R (%) (a) S50B-12M-0.25(1st row). -0.5 -4. u c. s. B. xn. c. 1. D cD. Strain(%). 験体は，降伏歪に達している．ベースプレートの孔が小きい試験体( 図 8( a))とほぼ同じである．また，内蔵鉄筋. Gauge A1(Minus side) Gauge A2(Plus side). 1.5. 1. -0.5. は，降伏歪に達していない．図 8( d) に示す軸力比 0 の試. -3. -2. -1. 0. 1. 2. 3. t. 4. R (%) (b) S50BS-12M-0.25(1st row). -s. 図9 柱軸部における終局時の応力分布の仮定. 図7 一段目の鉄筋歪ー部材角関係(幅厚比50). 50-3. y. y.

(4) Nu = c Nu +s Nu. では，軸力比によらず，R=1.0％の時点(□印)で柱軸部の. Mu = c Mu + s Mu. 耐力と同等の曲げ耐力を発揮している．柱脚部の耐力に. ただし,. ついて考察すると，軸力比 0 の場合は，R=1.5％～ 2.0% の. c. N u = xn. c. M u = 0.5. s. Nu = 2t 2xn - c D s σ y. s. Mu = D t D - t. c. b c ru c. c. D - xn. σB c. s. 時点( △～●印) で柱脚部の耐力を上回る曲げ耐力を発揮. b xn. r. c u. c. σB. できているが，軸力比 0.25 の場合は柱脚部の耐力に達していない．これは鋼管の局部座屈により耐力が決まった. σ y + 2t. c. D - xn xn. s. σy. ためである．幅厚比 25 かつ内蔵鉄筋を有する試験体( 図. ここで,Mu：終局時の曲げモーメント，Nu：終局時の圧縮軸. 11（e）,（f）)では R=1.5％～ 2.0％程度(△～●印)で柱脚. 力，xn：コンクリート圧縮縁から中立軸までの距離，cru：コンク. 部の耐力を上回る曲げ耐力を発揮できている．内蔵鉄筋. リート圧縮強度の低減係数(=1.0)，D：鋼管せい，t：鋼管板厚，. がない試験体(図 11(a),（d）)では，R=1.0％～ 1.5％(□～. c. b：コンクリート部分の幅，cD：コンクリート部分のせい，sσy：. △印) の時点で，柱脚部の耐力を上回る曲げ耐力を発揮. 鋼管の降伏応力度，cσB：コンクリートの圧縮強度(=シリン. できていることが分かる．. ダー強度)である．. 5 . 結論. 4 . 2 柱脚部. ( 1) 荷重変形関係はスリップ型性状を含んでいるが ,. 柱脚部における終局曲げ耐力は，図 10 に示すように，. 繰り返しに伴う耐力の低下はほとんど見られない .. 充填コンクリート，内蔵鉄筋およびアンカーボルトから. (2)高強度鉄筋内蔵角形 CFT 柱脚は ,CFT 柱軸部の一般化. なる仮想 RC 断面を仮定して評価し，応力状態は全塑性. 累加強度以上の耐力を発揮した .. 状態とする．柱軸部および柱脚部の M-N 相関曲線を実. (3)同柱脚部の曲げ耐力実験値は , 幅厚比 50 で軸力比 0.25. 験結果とともに図 11 に示す．. の試験体を除く全ての試験体で柱脚の終局曲げ耐力の. 幅厚比 50 かつ内蔵鉄筋を有する試験体(図 11( b) , ( c) ). 計算値を超えた . 以上より，接合材として高強度鉄筋を内蔵したコン. WT :鋼管の幅 . クリート充填角形鋼管の本柱脚新構法は，CFT 柱の終局. S :ベースプレート板厚さ. 曲げ耐力を基礎部に伝達する能力を十分有しており ,. WRC :仮想 RC 断面の幅 2). σ b : コンクリート支圧強度 3 ) σ b : シリンダー強度 c A E :基礎柱形断面積 F A E :ベースプレート面積 B σ y : アンカーボルト降伏応力 a σ y : 鉄筋の降伏応力 r. W. RC. S. WT. S. WRC. σ r y4 σb σ a y1 σ a y2. 参考文献 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 2)Wiliams, A. (1979) The Bearing Capacity of Concrete Loaded Over a LimitedArea, Cementand ConcreteAssociation,Technical Report 526, 19796) 3)秋山宏，黒沢稔，和国信之，西村功：鋼構造露出. 図10 柱脚部における終局時の応力分布の仮定. 柱脚の強度と変形，1984. 8. 10000. 10000 R= +1.0% R= +1.5% R= +2.0%. 6000. 6000 N(kN). 4000 2000. 10000. R= +1.0% R= +1.5% R= +2.0%. 8000. 6000. 4000 2000. 4000 2000. 0. 0. 0. -2000. -2000. -2000. -6000. 0. 200. 400. 600. 800. 0. 1000 M(kNm). 6000. 2000. 2000. -2000 Column Shaft(CFT) Column Base 400. 600. (d)S25B-0M-0.25. 1000 M(kNm). 800. 1000 M(kNm). 0. 400. 600. 800. (c)S50BS-12M-0.25. 1000 M(kNm). R= +1.0% R= +1.5% R= +2.0%. 8000 6000 4000 2000 0 -2000. Column Shaft(CFT) Column Base. -4000 -6000. 200. 10000. 4000. -2000. 200. 800. R= +1.0% R= +1.5% R= +2.0%. 6000. 0. 0. 600. 8000. 0. -6000. 400. Column Shaft(CFT) Column Base. (b)S50B-12M-0.25 and S50B-12M-0. N(kN). 4000. -4000. 200. -6000. 10000. R= +1.0% R= +1.5% R= +2.0%. 8000. -4000. -6000. (a)S50B-0M-0.25. 10000. Column Shaft(CFT) Column Base. -4000. Column Shaft(CFT) Column Base. N(kN). -4000. R= +1.0% R= +1.5% R= +2.0%. 8000. N(kN). 8000. N(kN). といえる .. Xn. σ r y1 σ r y2 σ r y3. N(kN). 繰返し水平荷重に対しても安定した履歴特性を呈する. 0. 200. 400. 600. 800. 1000 M(kNm). (e)S25B-12M-0.25 and S25B-12M-0 図 11 M-N 相関曲線. 50-4. -4000 -6000. Column Shaft(CFT) Column Base 0. 200. 400. 600. 800. (f)S25BS-12M-0.25. 1000 M(kNm).

(5)