Title
3173 拘束リング試験方法による内部拘束を考慮した高温下
の高強度コンクリートの爆裂の評価に関する研究(鉄筋コン
クリート系(2),防火,2014年度日本建築学会大会(近畿)学術講
演会・建築デザイン発表会)( 本文(Fulltext) )
Author(s)
谷辺, 徹; 鎌田, 亮太; 小澤, 満津雄; 六郷, 恵哲
Citation
[学術講演梗概集] vol.[2014] p.[393]-[394]
Issue Date
2014-09-12
Rights
The Architectural Institute of Japan (一般社団法人日本建築学
会)
Version
出版社版 (publisher version) postprint
URL
http://hdl.handle.net/20.500.12099/53793
※この資料の著作権は、各資料の著者・学協会・出版社等に帰属します。Evaluation of the effects of internal restraint on the spalling of HSC at high temperature by means of the restrained ring test.
TANIBE Toru, KAMATA Ryota OZAWA Mitsuo, ROKUGO Keitetsu 拘束リング試験方法による内部拘束を考慮した高温下の高強度コンクリートの爆裂の評価に関する研究 正会員 ○谷辺 徹*1 同 鎌田 亮太*1 同 小澤 満津雄*2 同 六郷 恵哲*3 コンクリート 爆裂 円筒理論 拘束応力 RABT 加熱曲線 内部ひずみ 1 はじめに 火災時におけるコンクリートの爆裂評価手法について、 筆者らは、円筒理論を適用して拘束リングのひずみから 拘束応力を計測する拘束リング試験方法を提案するとと もに、熱応力解析結果との比較により内部拘束や過渡ひ ずみの影響を考慮する必要性も報告している1)。そして、 拘束応力による面外方向への引張ひずみ破壊が起因して 爆裂が発生するメカニズムとひずみ破壊指数を提案し、 引張破壊ひずみとポアソン比を見掛け上、内部拘束や過 渡ひずみの影響を含めたものとして設定することで、爆 裂深さを推定できる可能性があることを報告した 2)。そこ で本報では、拘束リング試験において、内部拘束や過渡 ひずみの影響を定量的に考慮することを目的に、加熱時 のコンクリート内部ひずみの計測を試みることとした。 さらには、計測した内部ひずみから算出する拘束応力と 円筒理論より算出する拘束応力の比較を行うこととした。 2 実験概要 2.1 供試体 図-1 に供試体の概要、 写真-1 に拘束リングを 示す。外径 300×高さ 50×厚み 8mm の鋼製リ ングを 2 段重ねにして、 拘束リングとした。充 填したコンクリートの 調合を表-1、使用材料を表-2、そして、加熱試験時の力 学特性および含水率を表-3 に示す。養生は、20℃の湿布 養生とした。なお、供試体数は2 体とした。 2.2 加熱条件 RABT 加熱曲線（5 分間で 1200℃まで昇温、25 分間 1200℃を保持、110 分間で常温まで冷却）を採用した。 2.3 測定項目 (1) 供試体温度 K 型熱電対をコンクリート内部および拘束リング外周 面に設置して計測した。計測位置を図-1 に示す。 (2) 拘束リングのひずみ 円筒理論より拘束応力を算出するため、拘束リングに 自己温度補償型ひずみゲージ（許容温度 80℃）を設置し た。計測位置を図-1 に示す。 (3) 内部コンクリートのひずみ 内部ひずみを計測するため、自己温度補償型高温用埋 込型ひずみ計（許容温度 180℃、径 20mm、長さ 50mm） を設置した。計測位置を図-1 に、ひずみ計設置状況を写 真-1 に示す。 写真-1 拘束リングへのセンサー設置状況 表-1 コンクリートの調合（kg/m3） W/C Air(%) W C S G1 G2 S.P. 0.3 1.4 150 500 718 418 626 5.0 表-2 使用材料 C(セメント) 早強ポルトランドセメント（密度3.15g/cm3） S(細骨材) 長良川水系（吸水率1.64%，絶乾密度 2.60 g/cm3） G1(粗骨材) 砕石2010 硬質砂岩（吸水率0.98%，絶乾密度 2.61 g/cm3） G2(粗骨材) 砕石1505 硬質砂岩（吸水率1.64%，絶乾密度 2.61 g/cm3） S.P.(高性能減水剤) ポリカルボン酸系 表-3 コンクリートの力学特性および含水率
圧縮強度(MPa) 静弾性係数(GPa) 引張強度(MPa) 含水率(%)
68.8 45.7 6.0 3.4 3 試験結果 3.1 爆裂状況 炉の観察窓から爆裂状況を観察した結果を表-4 に示す。 爆裂開始時間が 4 分程度、終了時間が 7 分程度となった。 また、加熱冷却後に厚み計を用いて爆裂深さを計測した。 計 測 結 果 を 表 -4 、 図 -2 に 示 す 。 爆 裂 深 さ は 、 最 大 で 27mm となった。 3.2 円筒理論による拘束応力算出 式(1) の円筒理論を適用し、拘束リングの円周方向ひず みから拘束応力を算出した。算出結果を図-3 に示す。
R
t
E
ε
σ
restrain
θ (1) σrestrain ：拘束応力 t ：リング厚み R ：リング内半径 εθ ：円周方向ひずみ E ：リング材弾性係数 300 コンクリート 鋼製リング 鋼製リング 50 50 ひずみゲージ+ 熱電対（設置高さ ：5,10,25,40mm） 熱電対（設置深さ ：5,10,25,40,75mm） シリコーンシーリング 単位：mm 高温用埋込型ひずみ計（設置高さ ：10,25mm） 図-1 供試体概要 日本建築学会大会学術講演梗概集 （近畿） 2014 年 9 月― 393 ―
3173
Architectural Institute of Japan
*1 太平洋マテリアル(株) 開発研究所 *2 群馬大学 理工学研究院 環境創生部門 *3 岐阜大学 工学部 社会基盤工学科
*1 Research & Development Laboratory, Taiheiyo Materials Corporation *2 Gunma University, Faculty of Engineering
*3 Gifu University, Department of Civil Engineering 3.3 内部ひずみによる拘束応力算出 (1) フックの法則による算出 加熱中もフックの法則が成立すると仮定し、内部ひず みの計測値とコンクリートの弾性係数から拘束応力を算 出した。拘束応力の算出結果を図-4 に示す。なお、弾性 係数には構造材料の耐火性ガイドブック 3)（日本建築学会 編）に記載の温度と弾性係数残存比の関係を適用した。 (2) Eurocode2 の関係式による算出 Eurocode24) では、図-5 に示す応力ひずみ曲線の関係よ りひずみから応力を求める式(2)を与えている。図-4 にコ ンクリートの内部ひずみ計測値を式(2)に適用し、拘束応 力を算出した結果を示す。 (3)考察 どちらの算出方法においても、10mm 位置は 2 分程度ま で、25mm 位置は 5 分程度まで、引張側の応力を示した。 これは、内部拘束の影響と推察される。平面保持の法則 より発生する引張応力が加熱中の内部ひずみ計測結果で も捉えられる可能性があることが確認できた。拘束応力 は、5 分以降に急激に上昇し、25mm 位置は 6 分過ぎに 60MPa 程度まで達した。さらには、10mm、25mm 位置の 拘束応力の上昇に合わせて爆裂深さも進展しており、拘 束応力と爆裂深さに関連性が認められた。フックの法則 とEurocode2 による拘束応力の算出結果に顕著な差は認め られなかった。また、内部ひずみは、25mm 位置でも 7 分 には温度が180℃を超えたため、計測不能となった。 4 まとめ (1)高温用埋込型ひずみ計にて加熱中のコンクリート内部 ひずみを計測した結果、平面保持の法則より発生する引 張応力が捉えられる可能性があることが確認された。 (2) 円筒理論と内部ひずみから算出した拘束応力は、内部 ひずみの方がかなり大きくなる傾向を示した。これは、 内部拘束および過渡ひずみの影響と思われる。 (3)円筒理論では引張側の応力を示さないが、内部ひずみ は加熱初期に引張側の応力を示した。 (4)内部ひずみから算出した拘束応力の上昇と爆裂深さの 進展に関係性が認められた。 (5)内部ひずみの計測時間は、ひずみ計の許容温度が 180℃ であるため7 分程度が限界であった。 5 今後の課題 (1)内部ひずみ計測の再現性や 25mm 以深のひずみ挙動な どを検証する必要がある。 (2)円筒理論と内部ひずみとの関係性を整理し、拘束応力 評価に内部拘束や過渡ひずみを考慮する方法を検討する。 表-4 爆裂観察結果 項目 NO.1 NO.2 平均 開始時間(min) 3.8 3.8 3.8 終了時間(min) 6.5 6.8 6.6 継続時間(min) 2.7 2.9 2.8 最大深さ(mm) 27 15 21 平均深さ(mm) 4 5 5 300 240 180 120 60 0 0 60 120 180 240 300 長さ (mm) 長さ(mm) NO.1 35-40 30-35 25-30 20-25 15-20 10-15 5-10 0-5 爆裂深さ(mm) 0 10 20 30 40 50 60 -15 -10 -5 0 5 10 15 0 1 2 3 4 5 6 7 爆 裂 深さ（ mm ） 拘 束 応力（ MP a） 経過時間（min） NO.1 円筒理論 σreat-10mm σreat-25mm 爆 裂深さ 図-2 爆裂深さ分布 図-3 拘束応力(円筒理論) 0 10 20 30 40 50 60 -60 -40 -20 0 20 40 60 0 1 2 3 4 5 6 7 爆裂 深さ （mm ） 拘束応力（ MP a） 経過時間（min） NO.1 AIJ σrest-10mm σrest-25mm 爆裂深さ 0 10 20 30 40 50 60 -60 -40 -20 0 20 40 60 0 1 2 3 4 5 6 7 爆裂 深さ （mm ） 拘 束応力 （MP a） 経過時間（min） NO.1 Eurocode式 σreat-10mm σrest-25mm 爆裂深さ 図-4 内部ひずみによる拘束応力算出結果 σ θ ：圧縮応力 εc1,θ ：圧縮強度時ひずみ εcu,θ ：破壊時ひずみ fc,θ ：圧縮強度 ε ：コンクリートのひずみ 図-5 Eurocode2 の応力－ひずみの関係 謝辞 本研究は平成 23 年度鹿島学術振興財団の研究助成ならび に平成 23 年度科学技術研究補助金基盤研究(C)研究課題番 号：25420459(代表：小澤満津雄)を受けた。ここに謝意を表 する。 参考文献 1) 鎌田ら：拘束条件を考慮した爆裂評価に関する実験的 および解析的検討－その２ 解析的検討，日本建築学会 大会学術講演梗概集，pp. 197-198，2012. 2) 谷辺ら：拘束リング試験による高温環境下でのコンク リートの爆裂発生指標の検討，日本建築学会大会学術講 演梗概集，pp. 103-104，2013. 3) 日本建築学会：構造材料の耐火性ガイドブック，2009 4) CEN：Eurocode 2 Design of concrete structures –
Part1-2：General rule – Structual fire design，December 2004.
σ ε fc,θ εc1,θ εcu1,θ 3 1 1 2 3 θ , c θ , c θ , c ε ε ε f ε ) θ ( σ (2)
― 394 ―
Architectural Institute of Japan
