【論 文】 日本建築学会構造系論 文 報 告 集 第 441 号
・
1992年11月Journal
of Struct.
Constr.
Engng,
AIJ,
No.
441,
Nov,
,
1992高 強度 人
工
軽 量 骨 材
コン
ク
リ
ー
ト
を
用
い
た
鉄 筋
コ ンク
リ
ー
ト
部材
の
耐 震 性 能
に
関
す
る
研 究
曲 げ性 能
に影響
さ れる部 材
の強度
と変 形能
STUDY
ON
SEISMIC
PERFORMANCE
OF
REINFORCED
CONCRETE
MEMBERS
USING
HIGH
−
STRENGTH
LIGHT
−
WEIG
且T
CONCRETE
DeformatiQn
capacity and strength ofthe
membersinfluenced
by
flexural
performance
金久 保
利
之
*, 園
部
泰 寿
* *
Toshiyuki
KAIVAKUBO
andYasuhisa
SOIVOBE
To
investigate the strength and thedeformation
capacity of reinforced concrete members usinghigh.
strength light.
weight concrete,
an antisymmetrical loading test and a compression test were carried out.
From
the results,
the ult 正mateloads
oflight
・
weight concrete members are about 10%lower than nqrmal concrete at high axial stress level
.
An increase in compression strength6f
light
・
weight concrete causedby
lateral
reinfo τcementsis
about50
% of that of the normal con・
crete,
From
the section analysis result using the stress versus strain modelsdesigned
from
the compressiQn test results,
亡he
flexuTal
performance oflight
・
weight concrete members canbe
ex.
plained
.
Kegmorrls ;high
・
strength ’{9雇 ω♂9ゐ‘concrete,
bending strength,
deforvnam∂n 6α餌d妙,
confinement,
匕〜xial streSSle
腮1
高 強 度 軽量コン ク リー
ト,
曲げ耐 力,
変 形 能,
拘 束 効 果,
軸応 力 §1.
は じ め に 近年,
設 計 基 準 強 度が360kgf
/cm2 程度の 高 強 度の軽 量コ ン クリー
ト1 種を用い た鉄 筋コ ン ク リー
ト部材を構 造 体に用い るべ く,
施 工 , 構 造の両 面か ら多くの研 究が なさ れ て い る。
筆 者らも梁およ び柱 部 材に焦 点 をあて,
高 強 度 軽量コ ン ク リー
ト部 材の各 種 強 度および靱性能に 着 目した実 験 的 研 究 を行っ て い る1)・
2〕。
梁 部 材につ いて は,
剛 性,
各 種ひび割れ強 度, 曲 げ強 度は同程 度の圧縮 強 度の普 通コ ン ク リー
トを使 用し た部 材と比 較し て大 差 はない こと, 付 着 割 裂 強 度は若 干 低 くな り,
割裂後の靱 性 能は劣る こと等が解明 され て いる。
柱部 材につ い て も 梁 部 材とほ ぼ同 様な結 果が得られ ているが, 軸 力が高 軸 力の場 合,
曲 げ韓
度は普 通コ ン ク リー
トと 比 較し て 1〜
2
割程 度 低い こ と が指 摘さ れて い るe)・
3]。
また,
松 崎,
中野 ら は 梁 部 材の せ ん 断 性状に関 する研 究4〕を行い,
せ ん断 強 度お よび破 壊 性状は普通コンク リー
トの そ れ と差 がない こ と を実 験 的に究明 して いる。
しか し な が ら, 普 通コ ン ク リー
トと の差が問 題 と さ れ る付 着 割 裂 性 状は,
コ ン ク リー
トの割 裂 強 度 自体に ば らつ き が大き く5),
ま た靱 性 能に関し て は普 通コ ンク リー
ト部 材に おいて も明 確な算 定 方 法が確 立 されて いない こと も あっ て, 上記の 研 究にお け る検 討は,
定 性 的な傾 向の把 握 をする にと ど まっ て いる。一
方,
部材の曲げ挙 動を推 定 する上で,
ヒンジ領 域に お け る拘束コ ンク リー
トと主筋の材 料 特 性に基づ く断面 の曲 げ解 析が有効 な手 段になることは多く の研 究 者に ょ り指摘さ れてい る。 藤 井,
青 山,
梅 村は鉄 筋お よびコ ン ク リー
トの履 歴モ デルを設定し,
断 面 解 析 を行い,
解析 結 果が実 験 結 果と よ く一
致する ことを報 告して い る6〕 。 ま た平 石,
稲井ら は柱の曲げ降 伏 後の限界 変 形に関す る 研 究η臼
9}に おいて柱 め中心 圧縮 実 験,
純 曲 げ 実 験お よび 曲 げせ ん断実験を行い,
中心 圧縮実験の結 果を用い て他 の 2つの実験の結果 を断 面解析に よ り追い,
安 定 限 界 ま たは疑 似 安 定 限 界が存 在 する こと を示し てい る。
軽量コ ン クリー
ト部 材に対し て もこ れ らの検 討が有用にな り得 ること は容 易に考え ら れ る。 ’ 筑 波 大 学 大 学 院 大学 院 生・
修 士 (工学 ) i*
筑 波 大 学 構 造 工学 系 教 授・
博士 (工学1
Graduate Student
,
Graduate school,
Univ,
of Tsukuba,
M.
Eng.
Prof
.
,
Institute of Engineering Mechanics,
Univ.
of Ts凹kuba,
鉄 筋コ ンク リ
ー
ト造高層 建物の1
階の柱で は,
所 定の 変形 性 能と軸 力 負 担 が 要 求され る た め,
そこへ 高 強度軽 量コ ン ク リー
ト1種を 用いた場 合の柱 部 材に対しても 普 通コ ンクリー
ト部 材 と 同 様 曲 げ 強 度およ び限界変 形能を 明 確に把 握 する こと が必 要と なる。 また軽 量コ ン ク リー
ト部 材が仮に 1階柱に使用されな く とも,
柱を設 計する 際には梁の保 有 して いる曲 げ強 度に対 して何 割かの 安 全 率 を持っ て柱の曲 げおよび せ ん断 設 計が行わ れ る た め,
柱の強 度が明 確で な け ればな ら な い。 本 研 究で は,
過 去に筆 者ら が行っ た柱の曲 げせ ん断 実 験 結 果 を もとにt 特に危 険 断 面の曲げ性 能に影 響さ れ る 部材につ い てその強 度と変 形 能を把握す る た めに,
軽量 コ ン ク リー
ト部材の 中心圧 縮実験を行い,Fibe
[モデル に よ る断面の曲 げ解析を行っ た。
ま た過 去の曲 げせ ん断 実 験では得ら れ な かっ た種々 の軸 力 比に対 する曲 げ強 度 を計算し, 普通 コ ン ク リー
ト部 材と の差を明 確に し た。
§2.
曲げせ ん断 実 験 2.
1 実 験の概 要 試 験 体は計 3体で,
表一
1に試 験 体の一
覧 を,
図一
1 に配 筋 例 (DO781L
)を示 す。
全 試 験 体と も断 面は柱 幅 表一
1 曲げせ ん 断実験試験体一
覧 試験体名 コ冫ウリー
ト 軸 力 帯 筋 醺 η。・
Nノ(bDσ。) 配 筋 国 (t f) 全 断面 輛 P貿 (瓢) 陰D7巳1L 驢 1種 0.
4612−
D6@33o.
7呂 D1201L 7aoo.
31δ 0.
4352−
D8@331.
20 DO782瞹 舗 o.
4612−
D6@33o.
76 嫐’
鑾
1
・
糶
鶴
難
瀞
1
獅
黼
鋤 ノー
ト言賠 十鑞 :Fc二
360蹴 / 2 試 験体名説明 DO78 1 L死
DO78滞筋 1 :口 L :コ汐り一
;曲げせん断実験 面 図 8−
o旧.
;
O.
78X,
120:Pv;
1.
20X離
鱗
、髄詔
t匐 10001020 50e 図一
1 曲げせ ん断実験試験体 配 筋 例 (DO781L )一
64
一
(b
)×柱せい (D
)=
250 rnm ×250 mm の正 方 形,
内 法 ス パン長は 10GO mm (MIQD=
2.
0>で,
主 筋はD13 ’
(SD
345 )を各辺 に 3本 ずつ 計 8本 配 筋し断 面に対す る全 主 筋 比 (ρg)はL63 %である。 コ ンク リー
トの設計 基準 強 度は360kgf
/cmZ と し た。 変動因子は, 用い たコ ン ク リー
トの種類お よび帯筋量であり,DO781L
お よびD1201L
に は軽量コ ン ク リー
ト1 種を,
DO782N
に は普 通コ ンク リー
ト を用いた。 ま た帯筋は,DO781L
お よび DO782N に はD6 (SD295
)を,Dl201L
にはD8
(SD295
) を そ れ ぞ れ33mm ピッチで配 し,
帯 筋量 (Pw}は そ れ ぞ れ0.
78
% お よびL20
% で あ る。 使用し た材料の力学 的 性質を表一
2に示す (コ ン ク リー
トの圧 縮 強 度お よ び 割 裂強度の測 定に は直径 10cm , 高さ20 cm の形 状の テ ス トピー
ス を用いた)。
な お粗 骨 材に は,
軽 量コ ン クリー
ト1種で は最 大 径 10mm の非 造 粒 型 焼 成 人工軽 量 骨 材 を,
普 通コ ン ク リー
トで は 6号 砕 石を各々用い,
打設は 横 打ち と し た。 設 定 軸 力は全 試 験 体と も79 tonf と し,全断面に対す る軸力比 (m
…IV
/bDOE
}はo.
316
で あ る。
な お,
コア 断 面に対す る軸力 比 は,
試 験体DO781L
お よ びDO782N
に おい て は (コア断 面寸法 :207mm
×207 m 皿 )O.
461,
試 験体D1201L
に おいて は (コ ア断面 寸 法 :213mm ×213
mm )0.
435 と な るa 各試験体の名称 と変 動 因 子の関 係は表一1
の 下 段の記 号 を 参 照さ れ た い。 加 力には図一
2に示す建 研 式 加 力 装 置を周い,
図一3
に示す履歴予定に従う変位制御に よ り,一
定軸力下で正 負 交 番 繰返 し加 力を行っ た。
なお軸 力 また はせ ん断 力 を 保 持す る こ と が不 可 能と なっ た時 点で加 力を終 了し た。
測 定 項 目は せん断 力および軸 力,
上下ス タ ブ間の水 平お よ び鉛 直 変 位,
主 筋および帯 筋の主な位 置での ひずみ量 であ る。
ま た 図一
4に示す よ うに,
ほぼ主 筋に沿う位 置 を支点と す るダ ブルラ チスばり状に取り付け た変位計に よ り,
鉛直方向の伸縮量お よ び せ ん断変 計量を測定し た。 2.
2 実 験 結 果お よび結果の検 討 1) 破壊経過 各試 験体のせ ん断 カー
部 材 角関係お よ び最 終 状 態の ひ び割れ状 況を図一
5に示す。 各 試 験 体の最 大 耐 力に至る まで の破壊 経 過は お お むね共通して お り以 下の とお り で あ る。
表一
2 材 料の力学 的 性 質 (曲 げせ ん断実験)LP
1
( c苗・) (f/c皿2) c皿2) 用 D13(SD345) 3550L83x1065310 錨 D8 (SD295) 36001,
78×1064820 D6 (SD295) 29401,
68×1D64010 帯 筋 コンクリ裲
卜 種 類飜
帋
)纓難
) 青欝
翳
構 1 400 33.
61.
90×105 *1 普 通 400 34.
42.
3巳x105 *10 前 そ そ の気 お び・
3 つ つ の,
計12本のテス トピー
スに よる平 均 値昌 O 羇 部 材 角 +1〆20 う1〆33 +1/50 SHEAR LOADING BEAM
誰
” 軸 方 向 力 c・
一
定1 ↓ 200L ROLLER OILJACX■
SPEC1MEN
、
.
.
i
I
’
i
}
伽
DO781L P一
δ効 果 Q(tonO 踟 10 軸 *4力 50竃【.
OADCELL setelLJACKヒ
=竺
=±
= =驚
= :±
= =竺
= =ゴ
図一
2 曲げ せ ん断 実 験 加 力装 置 +1/100 十1/200一
1/?口O−
【/tOO一
1/50一
5一
d 5 加 力方 向 ← ニラ一
20QCtonO R(Xlκ
一
1/33一
1/20 図一
3 曲げ せ ん断 実 験 加 力 履歴予定 サ イ クル 加 力方 向血
Di201L 20 ← →一
10 P一
δ効 果一
5 5 R(x1 亀一
1■9 幽
一.
_ 」
_
0ゆ
試 個一
験 Q(bnO 加 力方向..一
一.
一 ・
−
DO7a2N 20←
→
部 0P 潤 分 10 P一
δ効果要梦
ブr.
ト
’
卩
1L
栂
1
−
5 5 R“ 幽 図一
4 変 位量の計測位 置 〔曲 げせ ん断 実 験 ) まず,
柱頭, 柱脚に曲げ ひ び割れ が発 生し,
変形の増 大に伴い曲げ ひび割れ が進展 し た。
その後 曲 げせ ん断ひ び割れ が 発 生 し,
部材角 R= 1/100rad.
の加力サ イクル で主筋の降 伏が み られ た。
ま た同 加 力サイク ル の部材 角R =
・
1/140〜
1/100rad.
に おい て最 大 耐 力に達 し,
それ と前 後 して圧 縮 側か ぶ りコ ン ク リー
トの圧壊が起こっ た。
な お,
軽量 コン ク リー
ト試験 体DO781L ,
D1201L
で は主 筋の降伏は 圧縮 側が引張 側に先 行し, 普通コン タ リー
ト試験 体DO782N
で は引張 側 が圧縮 側に先行して降 伏した。 最 大 耐 力 以 降の各試験体の挙 動は以 下の と お りであ る。
軽 量コ ン クリー
ト試験 体DO781L
(p.= ・O.
78%)は部 材 角 R=
1/33rad.
の 1回 目の負 側の加 力で圧 縮 側かぶ りコ ンクリー
トが大き く剥 落 し,
そ の後 2 回目の 正側 加 力におい て耐 力が低 下,
主筋 が 座屈 し軸 力を保持でき な く なっ た。 軽量コ ンク リー
ト試験体D1201
L く
p丗=1.20
%)は部材 角R =
1/33 rad.
まで大き な耐 力 低下 は な く 徐々 にかぶ りコ ン ク リー
トが剥 落し たがt一
部 材 角 R=
1
/20rad.
の正 側 加 力 サ イク ル のR =
1/43 rad.
におい て 柱 頭 圧 縮 側のかぶ りコ ンク リー
トが大き く剥 落,
主 筋が一
1 図一
5 荷 重一
変 形 曲 線およ び最終ひび割れ状況 (曲 げ せ ん 断 実 験) 座 屈 し軸 力を保 持で き な く な っ た。
普 通コ ン クリー
ト試 験 体DO782N (p
.=
O.
78%)もD1201L
と ほ ぼ同様な破 壊 経 過を た どっ た が, 部材角R =
1/20rad.
の 正側 加 力.
サイク ルまで大き な耐 力低 下はなく,
同 負 側 加 力 サ イク ル のR
= 1/90
rad.
で急 激に耐 力が低 下,
軸 力が保 持 不 可能と なっ た。
最 終 的な破 壊 形 式は全 試 験 体とも,
端 部 コ ン クリー
トの圧 壊に起 因 する曲げ破 壊で あっ た。 2> 剛性お よ び諸 強 度の計 算 値との比較 表一3
に実 験で得ら れ た主な結 果 を,
同 表 中に各 計 算 式t°)・
11)によ る計 算 結 果に対する比 較 値 とともに示 す 。 同 表において各 剛 性値は正 側 加 力 時に得られ た実 験 値で,
各ひび割れ強度お よび最大 耐 力は正 側および負 側 加 力 時 に得られ た実験 値の 平 均 値で あり,
い ずれ の実 験 値 もP 一
δ 効 果に よ る見か け土の せ ん断 力の低 下を補 正レて あ る。 な お 限界 変 形とは,
繰 り返し による耐 力の低 下に よ り,
各 サ イクル ピー
ク時の耐 力が最 大 耐 力の 80 % よ り小さく なっ た時点 まで の最 大の到達 水 平変位と し た。
表一
3より,
弾 性 剛 性,
曲げひ び割れ強度, 曲げせ ん 断ひび割れ強度と も計算値を上回 り, 本 実 験の範 囲では表
一
3 主な実験結果の一
覧 (曲げせ ん断実験〉 灘 黼 姓 ( f/cm) 贓 (t f如 ) 曲げひびわれ 強 度 (t〔面 曲ずせん断ひび わ 襁 度 (t〔nf) 嬲 ( の 灘 靆 eKeeKe 葩 驪 e ゆ e酌 蔚 黷 eQ eQbc 販 黝碗誌ceq }sc 醺 靆 細 e贓 翫響
(舗 角raの DO7眦 5↓11.
032491,
3812,
511,
2616,
241,
0218,
370.
9632.
1(1/31) 曲1ラ破 壊 D1201L56.
81.
0832.
71.
8112.
581.
2815.
651.
0519.
221.
0131.
4(1/32) 曲磯 嬾 DO782N63.
81.
0031.
41,
4711.
721.
2216,
901,
D921,
胛 1.
1D49.
9(1/20) 曲け皷 壊 計算式:cKe=
Q
/δ δ=
δ區+δs δE菖
Q・
L’
3/12cE・
ieδs=
κ・
Q・
L7Gc・
趣} κ=
1.
2,
蠶
≦
1
:llll
撫
孕撒
鰡
…13
君g
!
(鷹
.
臨
9
騨
臨
(1三$
滞
鄰診
鏃
}
bダ
屍 β ユ゜’・
注 :黼
蝦飜
鵲 樫嬲箏
粉 鵬 罅鞴
離 謝 驪
{
…
轢 護
嬲 そ れ ぞ れ普通 コ ン ク リー
ト部 材に対する既 存の計算 式 を 用いて軽量コ ン ク リー
ト部 材の剛 性, ひび割れ強 度が推 定で きる。
な おコ ン ク リー
トの弾 性 係 数には,
テス トピー
ス の圧 縮 試 験で得られ た実 測 値 を 用い た。一
方, 最 大 耐 力 を曲 げ 強 度 計 算 値1°1と比 較 すると,
軽 量コン ク リー
ト 試 験 体 (DO781L ,
D1201L
)では0.
96
お よ び1.01
と なり,
普通コ ン ク リー
ト試 験体 (DO782N
>では1.
10 と なっ た。 文献 12 )に よ れ ば, 文献 10 >の曲げ終局 強 度 略算式の普 通コ ン ク リー
ト部 材に対する適 合 性は,
実 験 値の 計 算 値に対する比で平 均LO8,
標 準 偏 差0.
09で あ り, 試 験 体DO781L で は そ の範 囲 外, 試 験 体Dl201L
におい てもかろうじて最 小 値に含ま れ る程 度とな っ て い る。
同一
条件 下と して試験 体DO781L
とDO782N
を比較す る と,
軽量コ ンク リー
ト試験体の曲げ強度は明ら か に普通コ ン ク リー
トの そ れ よ り 1割 程 度 低い 値 と なっ てい る。−
23
) ヒ ンジ領域の変形性状 図一
6に,
柱 頭お よ び柱脚 の端 部250
mm (柱断面せ い D に相当 )に おける曲 げ変 形 量の,
全 体 変 形 量に対する割 合 を 各 部 材 角 時ご とに示す。
な お同 曲げ変 形 量 は,
図一
4に示 す柱 端 部 位 置に取り付 け た変位計よ り算出してお り,
ス タブか らの主 筋の抜け出しに よ る 回転も含んで い るが , その割 合は曲 げ変形量の 1割 程 100{$) 度であり (主 筋ス タ ブ内に添 付し た ス トレインゲー
ジの ひずみ量 より算 出した),
以 降の検 討で は大き な影 響は ないと考え る。
同 図 より端 部 250mm 区 間の曲 げ変 形 量 は全 体 変 形の 70−
80% 程 度で, コ ン ク リー
トの種 類に よる顕 著 な 差はみ ら れず,
軽 量コ ン ク リー
ト部 材におい て も普通コ ンク リー
ト部 材と同 様9〕,
端 部250mm 区 間 がヒ ン ジ領域 と考え ら れ る。 図一
7に各試験 体の,
ヒ ン ジ領域の平均モー
メ ン ト(Mave
)一
平均 曲率〔iPave
.
)関係お よび軸ひずみ (ε。)一
平 均 曲 率 (φave.
)関 係 を示す。
な お, 平 均モー
メ ン トは ヒンジ領 域 (250mm )での平 均モー
メ ン トであり,
軸ひずみ はヒ ンジ領 域に取 り付けられた 変位 計の値 より平 面 保 持を仮 定し て断 面 中 央の ひずみ値 Mave.
〔tOnfLm) DO78!L IO 実験 結 果騨
蹕
,/、,鸚
丿 φ躙.
(x1。弓11 一一
2一
2 2一
1 2 φ.
似10“1 ’ ;一
5一
10M.
ゆ巾 m } εo〔%) D1201L IO 奥 験 結果響
蹴
!,、難
・一
弓
φ,
(x10 1’一
2 2,
2 1 2 φ眦 〔x1D 弓11 1_
5一
10M 贓 ( nf’
m} εoDO782N loR
=
11且00 L15 DO782ト」 実 験 結 果 一一
埋
殫 1/20 実 験 結 果 て φ呵 xlo“v旧
2 2一
2−
1 1 2 畷 x,D ) 図 中の数 宇は対応 する加 カー
5「
一
10 サ イクルの部材 角 (rad,
) ε aC%) 50 ■:DO?alL ■;
D1201LO :DO7e2N o I!!an且/100 V乃o L/33 部材角R(±’
ed.
} 図一
6 柱 端部250mm 区 間 (D に相 当) における曲 げ 変形 量の 全体変形 量 に対す る割 合 図一
7 匕 ンジ領 域の平 均モー
メ ン トー
平 均 曲 率お よび軸ひずみ一
平 均 曲率関係一
66
一
に換 算し た
。
平均モー
メ ン トー
平均 曲 率関係 を見ると, 各 試 験 体の各 加 力 部 材 角 (全 体 部 材 角 )に対 応し た平 均 曲 率はコ ンク リー
トの種類に よ らずほ ぼ一
致した値 を示 してい る。
軽 量コンクリー
ト部 材に おいても普 通コンク リー
ト部 材 と 同 様,
ヒ ンジ領域の曲 げ変形で全 体 変 形 が 決 定さ れ る と言え る。一
方, 軸ひずみ の履歴は各 試 験体 の破 壊 経 過に対 応 し て お り, か ぶ りコ ンクリー
トの大き な剥 落 または急 激な耐 力の低 下に対 応して (1)破 壊 経 過 参 照), 軸ひずみが大き く増 大する部 分がみ ら れ る。
軸ひずみ が圧縮
方 向に 2%を超え る と その後一
段とひ ずみ が進 行 し,
せ ん断 力の低 下が起こっ てお り,
軽量 コ.
ン ク リー
ト,
普 通コ ンク リー
ト試 験 体と も その値に差は ない (2% を超え る時の平 均曲率は試験 体 間でか な りの 差が あ る)。
.
§3
.
中 心 圧 縮 実 験3.1
実験の概要 試 験体は計18体で,
表一
4 に試 験 体の一
覧を,
図一
=8 に配筋 例 (CO301L
, n)っ こ内CO781L
)を示す。 断 面 は曲げせ ん断実験 試 験体の コ ア断面を 想 定し,
横 補強筋 に 7.
4mm 径の 鉄筋 を 用 い た 試 験 体は 219mm X219
mm , 5.
1mm 径の鉄 筋 を用いた試 験 体は 210mlnX210 mm の正 方 形である。 試 験 体の高 さは500 mm (2D (D
:柱 断 面せ い)に相 当 )で,
上下 125mm 区 間は横 補 強 筋を多量 に配 筋し,
中 央の高さ250mm (D に相 当)の 表一
4 中 心 圧 縮 実 験 試 験 体一
覧 シ リ 糶 讎 匹クリー
ト 横 補強筋 Pw匡
1PΨ
属
2一
ズ ω (器) 儲〉 CODOIL210×210冒
一
一
甲
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冒■
層
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oo0.
00 coaG3L219 ×219冒
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CO151L 軽量1種 U5、
1@1100.
151.
86疊
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CO501L210 ×210Fc 磊360U5.
1@330.
506.
19一
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一
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4@331.
0413.
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C1381L U7.
4@251.
3817.
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剛 219×219一
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1@1100.
151.
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一
CO502N210×2工0Fc
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350U5,
1◎33o.
506.
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1@25o.
658.
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13.
一
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曹
Cl382N U7.
4@251.
3817.
20 CO301L210×210 軽 量1種 U5.
1@55o.
303.
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一
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一
一
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一
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4@44 口.
789.
78 2CO302N210 ×21D 舗 U5.
1@55o.
303.
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一
CO782置 219×2上9Fc 窩350u7.
4@440.
789.
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、
日O
卦一
甥
15COlL 閥 領 域 を試 験 区 間 とし た。
すべ ての試 験体に おいて,
コ ア 断 面 内の拘 束コ ン ク リー
トの応 カー
ひずみ関係を得るた めに, か ぶ りコ ン ク リー
トと主 筋を除いた。 変 動 因子 は, 用いたコンクリー
トの種 類お よ び横補 強 筋 量であり, 試 験 体 名 末 尾L
の試験体に は軽量コ ン ク リー
ト1 種を, 末尾Nの試験 体に は普通コ ン クリー
トを 用い, そ れ ぞ れ 1対 1で対 応し ている。
横補強筋量 は柱 断 面 (250mmX250 mm )に換 算して,
p.=O.
OO〜
1.
38 %まで 8段 階に設 定し た。
コ ン ク リー
トの設 計 基準 強 度は 360 kgf/cm2 とし た。 使 用し た材 料の力 学 的 性質を 表一
5に示 す (コ ンク リー
トの圧縮 強 度および割 裂 強 度 の測 定に は直 径 10cm,
高さ20 cm の形 状の テ ス トピー
ス を用い た〉。 な お粗 骨 材には曲 げせ ん断 実 験 と 同 様, 軽量コ ン ク リー
ト1
種で は最大径 10mm の非 造 粒 型 焼 成 人 工 軽 量 骨 材 を,
普 通 コ ン ク リー
トで は6号 砕 石 を 各々用い,
打 設は縦打ち と し た。 横 補 強 筋に は拘 束 効 果 を明確に把 握で き る よう高強度異 形 鉄 筋SBPD
1275/ 1420を使 用し た。
加 力には変位制御によ る加 力を行 う200tf
ユ ニ バー
サ ル万能試験機を用い た。 シ リー
ズ1
の試験体は一
方 向 単 調 加 力 を,
シ リー
ズ2の試 験体は軸ひ ず みの制 御に よりO.
2,
0.
4,0.
8,L6
,2.
4%で それぞ れ 2回 ずつ,
その後 4.
O,8.
0
% をそれぞれ 1回 ずつ,
計 12回の一
方 向 繰返 210(2L9》一
1匯
一
1
ン
牽
1 ボル トの 変形 に よる軸 方向変形の補正用変位計 @20 @55 (@44} @20 図一
8 中 心 圧 縮 実 験 試 験 体 配 筋 例および軸変位測定 位 置 表一
5 材 料の力 学 的 性 質 {中 心圧 縮 実 験 ) 呼び名 0.
2% ( f/cmZ> (』gf〆cm2) ( f加 2) 閇 U7,
4(・1) 133401.
B9×10613600 黼 強筋 U5.
1(*1)・
134301.
90×10°
14330 コンクリー
ト 種 類 圧 縮 強 度 ( f/c皿2) 割 裂強 度 ( f/c皿2) 静 弾 性係 数 ( f/。m2) 儲 軽 量1種 315 32.
41,
65×1D5 重2 普 通 324 30.
92.
07XID5 a 勿 鉢 粧雛
葬
麟
顰
。鎚
雌駿
鯔
軅
矼 砲し加 力 を 行うこ とを目標とし た
。
測 定 項目は軸 圧 縮 力, 図一
8に示す位 置4カ所で の軸 方 向 変 形 量お よび横 補強 筋の主 な 位 置で の ひずみ量である。 3.
2 実 験 結果お よび結 果の検 討 1) 破 壊 経 過 軽 量コ ン ク リー
ト試 験 体の代 表 的 な最 終 破 壊 状 況 を写 真一
1に示す。 ま た,
全 試 験 体の軸 応 カー
軸ひずみ 関 係 を図一
9に (シ リー
ズ 2 の試 験 体に つ いて は包 絡 線 を示 し て あ る), 実験結果の一
覧を表一6
に示す。 各 試 験 体 と も軸ひずみO.
2− O.3
% 程度で縦 方向に ひび割れ が観 写真一
1 中 心 圧縮 実 験 最 終 破 壊 状 況 (試 験 体 CO781L ) 500 400望
300 £9b
200 100 500 400落
・。・§
b 200 100 察され,
その後 最 大 軸 応 力 に達し, 軸ひずみ が 進行す るに従い表 面の コ ン クリー
トの剥 落がみ ら れ た。 破 壊 経 過に コンク リー
トの種類 に よる差は み ら れ な かっ た。
両コ ン ク リー
ト試 験 体 と も横補強筋量の増大にと もない,
最 大 耐 力 以 降の 負 担 圧 縮 応 力の増加が み られ る。また,
繰 返 し加 力 を行っ た シ リー
ズ2試 験 体の軸 応 カー
軸ひずみ関 係よ り, 繰 o o 2 % ε 4 6「
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コ ン リー
一一
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試 験 C13「
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丶 丶転
一
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O o 2 4 ε (%} 図一
9 全 試 験 体の軸 応 カー
軸ひずみ 関係一 68 一
6 返し に よる圧 縮 応 力 低下の程 度,
除 荷 時,
再 載 荷 時の曲 線の形 状に, コ ン ク リー
トの種 類に よる明 確な差は み ら れな か っ た。 2) 軽 量コ ン ク リー
トの軸 耐 力お よ び軸 応 カー
軸ひずみ 関 係 図一
9におけ る軽 量コ ン ク リー
ト試 験 体 と普 通コ ン ク リー
ト試 験 体の明 瞭な差は最 大 軸 応 力である。 軽 量コ ン ク リー
ト試 験 体で は横 補 強 筋 量が増 大し て も軸 耐 力の増 加の程度は緩慢で,
普通コンク リー
ト試験体ではPw が 1.
0
%程度にな る と横補 強筋の配 して い ない 試験体に比 ぺ軸耐 力が 150kgf
/c皿2 ほ ど増加する の に対し, 軽量 コ ン ク リー
ト試 験 体では80kgf
/cm2 程 度である。
な お両 コ ンクリー
トにおいて,
テス トピー
ス の圧 縮 試 験による 圧縮 強度は ほぼ同じで ある。 図一
10に, 横補 強筋 量Pw と, 最大軸応 力 σmをテス ト ピー
ス に よる圧 縮 強 度σH で 除 し基 準 化し た値 との 関 係 を示す。
そ れ ぞ れの コ ン ク リー
トの試験体間で回帰し た ところ,
図中に示す結 果 を 得た。 軽量コ ンク リー
トの横 補強筋に よ る負担 圧縮応 力 の増 加 具 合は普 通コ ンク リー
トの 50%程 度である。
図一
11に,
表一
6に示 し た軸 耐 力 時の横 補 強 筋の ひず 表一
6 主な実験結果の一
覧 (中 心圧縮 実 験) 灘 (σ田/3時) X105( f/c皿2).
軸応力 σ皿 ( f/c皿2) 軸 ひずみ ε 皿 (器) 横補強筋 ひずみ (μ〉 COOOIL 1,
42 225,
10.
302一
GOOO3L 1,
28 226.
39.
278一
GO151L L85 233.
o0.
33巳 線 CO301L 2,
D7 252.
20.
3381e21 CO501L 1.
7δ 280,
90.
3171027 03651L 1.
85 287.
20.
348 854 CO78乢 2.
23 27コ,
40.
388 E32 C1041L 1,
93 312,
10.
398 395 C1381L 1.
92 299,
80.
535 510 COOO2膕 1.
1匠 244.
B0.
253一
COOO4国 1.
13 261,
90,
293CO152国 1
.
3ユ 250,
70.
48騒 1890 CO302閥 1.
31 311.
50.
4811990 GO502國 1.
60 321,
20.
4632032 COE52闇 1.
81 289.
60.
5201832 GO7B20 1,
65 355,
71.
075 552 C1042闘 1.
92 378.
61.
18a 449 Cla82闇 1、
41 418,
03,
1955057国
b、
巳 b 1,
3 ● ;軽量 ∫ン’
o :普 通 ノ/ t.
2 σm ノσB=
D.
77+O,
37p留
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ノ ● o/
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1σ 6=
°・
74+°・
19 P・
0.
70.
6 0 0、
5 1 1.
5 PW〔%〕 図一
10 横 補強筋 量 と最 大 軸 耐 力の関係(
ヨ 嚇 2000 lOOD O O.
5 1 1,
5 帥 悩 〕 図一
11 横 補 強 筋量 と 最大 軸耐 力時の横 補 強 筋の ひずみ〔
N ∈ 。 葛 尊 b 400 300 σ m200 100 0ε m 2 4 ε{%} 図一
12 応 カー
ひずみ曲 線の モ デル 6 み を, 横 軸に横補 強 筋量 ρw を と り示す。 軸耐 力 時に期 待さ れ る横 拘 束 力は,
軽 量コ ン ク リー
ト と普通コ ン ク リー
トとで差が明確で あ る。 コ ン クリー
トの圧 壊 時にお いて は, 軽量 コ ンク リー
トで は骨 材 自体が損傷を受け,
コ ン ク リー
トの は らみ を拘 束す る効 果が あ まり期待でき な い もの と考え られ る。
次に,
中心 圧 縮 実 験の結 果 を 断面解析に応用す る た め に,
実 験で得ら れ た軸 応 カー
軸ひずみ関 係 を 図一
12に示 す よ う な4つ の区間に分け,
モデル化する こと とし た。
第 1 区間は軸 耐力までの区 間で,
実 験 結 果 より,
この区 間で はコ ンク リー
ト種類に よ る曲線の形 状 自体に は余り 差が な か っ たこと を 踏 ま え,
既往の 研 究に従い 六車 式13) を適 用す ること と し た。 第2
区 間お よ び第3区間は,
そ れぞ れ軸
耐力時か ら軸ひずみ1
% まで の負 勾 配 (dam−
,),
1% か ら4% までの負 勾配 (d
σ、一
、)で,
各々 直線で近 似 す ること と し た。
これ は,
軽 量コ ンクリー
ト試 験 体の軸 応 カー
軸ひずみ曲 線が,
軸耐 力以降一
度 大き く負 担 応 力 が減 少し,
その後な だ ら か な 低下に移 行す ること を考 慮 し た ため で ある (図一
9 参照)。
第 4 区 間は軸 ひずみ 4 %以 降の負 担 軸 応 力の平 均 値 (σ .一
)で,
横 軸 と 平 行な 直線とし た。 図一13
に第2
区間にお け る負 勾 配dam−
i を最 大 軸 応 力 σm で除し た値と横 補強 筋量 ρ. の関 係を,
図一
14に 第 4区 間におけ る負 担 応 力平 均 値σ4一
を最大軸応力am で除し た値と横 補 強 筋量 Pw の関係を示す。 そ れ ぞ れの 02 O Eb_
0、
2?
ξ
一
G.
4 ℃一
〇.
6一
〇.
B O O.
5 1 t.
5 pa(%) 図一
13 横補 強筋量 と軸ひずみ 1% までの負 勾配の 関 係 1 5 α ∈ b丶
−
可 b oo 0.
5 1 Pw(%} 図一
14 横 補 強筋 量と軸ひずみ 4% 以 降の軸 耐 力 1.
5 区 間に お け るこれ らの考 慮 因 子は, 横 補 強 筋量のみで は なく, 横 補強筋の加工形状等の影 響を受け る と 思 わ れ る が,
こ こ で は本実 験の 変 動 因子で ある横補弾
筋 量につ い て整 理し,
断 面 解 析に お い て パラメー
ター
を,
コ ン ク リー
ト種類,
コ ンク リ・
一
ト圧 縮 強 度および 横 補 強 筋量の み で 扱える よ う考慮し た もの である。
そ の他の因子が本 実 験 の変 動因子と 異 な る場 合は,
新たな検 討が必 要で あ る。 図一
13お よび 図一
14で は, コ ン ク リー
トの種 類によ り 近 似 直線に大きな差はな く,
軸 耐 力以 降の曲線は軸 耐 力 の大き さ で決 定さ れ る と言っ て よい。 §4
..
中 心 圧 縮 実験 と曲 げせ ん断実験の相関 4.
1Fiber モデル による断面解析 こ こで は, 中 心 圧縮 実 験に よ り得られ た拘 束コ ンク リー
トの軸 応 カー
軸ひずみ関 係の モ デル を用い て,
平 面 保 持を仮 定 し た Fiber モ デル に よ る断 面 解 析 を行い, 曲 げせ ん断 実 験で得 られ たヒ ンジ領域の平均モー
メ ン トー
平均曲率関係と 比較す る。
な お,
中 心 圧 縮 実 験で は 横 補 強筋に高 強度異 形 鉄 筋 を用い て お り,
曲 げせ ん断 実 験 の試 験体とは異な っ て い る が,
軽 量コ ン クリー
トの軸 応 カー
軸ひずみ曲
線の形 状が軸耐力の大き さで決 定され る こと,
軸 耐 力は横 補 強 筋量で決定 され軸 耐力時の横 補 強 筋の ひずみ量は 200Q μ程 度 (図一11
参 照,
C1382N
を除く)であっ た こと を考え
,
普 通 強 度の鉄 筋 を 用い た曲 げ せ ん断 実 験の試 験 体に も外 挿で きると考え る。 断 面 解 析に用い たコ ン ク リー
トの応 カー
ひずみ曲 線の 履歴モ デルを 図一
15に 示 す。
スケル トン カー
ブに は前 節の中 心 圧縮実験で得られ た モデルを使 用し,
除荷 時,
再 載荷時の履歴に は, 藤 井,
青 山,
梅 村が示し たコ ン ク リー
トの履歴モ デル6)におい て,P
点6} (図一
15にお け る εp= am/E
の点)以 降の履歴モ デル に 繰 返 しに よ る負 担 圧縮 応力の低 下 現 象 (Common
Pointi4
)の 存 在 )を 考 慮し た履歴モデル を使 用し た。 な お,Common
Point
は, 軸 耐 力 以 降では負担 圧 縮 応 力の低 下 率が 軸 耐力 (σm) σ σ 、9
σM2E
・ /2
曹
7
、
1
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’ ・ 、一
艷
,
、、
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一
一rSkgltO
鹿 cロrve一
一
一
君o觚Lon point ovr▼e Mliie」M臼:責ウ返し貞P卓:εP電
σ♂E 図一
15 コ ンク リー
トの履歴モデル の10
%となる点と し た。 か ぶ りコ ン クリー
トの応 カー
ひずみ曲線に は,
中心圧縮実 験に お い て横 補 強 筋の配 し て い な い試 験 体の 軸応 カー
軸ひずみ関 係の結果を考慮し,
軸 耐 力以
降は ひずみが2
%で応 力が0
と な る点を通る 直線と し た (図一
9参 照 )。 鉄 筋の応 カー
ひずみ関 係に は, 使 用 鉄 筋の 材 料 試 験 結 果に基づ き,Ra
皿berg−Osgood
モ デル6,を用いた。
図
一
16に,
モー
メ ン ト (M
)一
曲 率 (φ)関係の 解 析 結 果 と, 曲げ せ ん 断実 験に お け る ヒ ンジ領域 (250mm :柱 断 面せいD
に相当)の 平 均モー
メ ン ト(Mave
)M
平均 曲 率 (di
。
。
e.
}関係を比 較し て示 す。 各 曲率時に対応す る モー
メ ン ト値,
曲線の形 状,
耐 力の低 下の程 度等,
解 析 結 果 と実 験 結 果は お お むね一
致してい る。 曲げせ ん断実験に おける試験 体の 急 激な耐 力 低 下が,
か ぶ りコ ンクリー
ト の大き な剥 落 後に起こっ た ことを考え,
解 析 結 果の 曲 線 上 に, 圧縮お よ び引 張 鉄 筋の外 側に位置する す べ て の か ぶ りコ ン ク リー
トが剥落す る点 (全か ぶ りコ ン クリー
ト の ひずみが 2 % を超え,
負 担圧縮応 力 が0
となった点〉 を●で示し た。
軽 量コ ン クリー
ト試験 体 (DO781L , D1201L
)お よび普 通コ ンク リー
ト試 験体 (DO782N
)と も, 実 験 結 果の耐 力が低 下す る点の曲 率 と,
解 析 結 果の一
2Man
.
CtOnf’
m) M(tonf’
m ) DO781L 奚 験 結 果 、 10 ’ DO781L 解 析 結 果 10 2一
1 φ鴫 (、1。も11 }一
2 1P 1 2 適 φ【x10 1/cm一
10一
10 Mg臓(bnfl 而 臨u9.
(tOnf’
m ) } DO782N 奥 験結果 10 2一
1 1 2 砌 ,,
(X1。一
10 M〔tonf’
m } M(tonf卩
m ) 図一
16 モー
メ ン トー
曲 率 関係の実験 結 果と解析 結 果の比 較 )一
2 εo〔sc} DO781L :解 析 結 果 :実 験 結 景 φ〔x1。“1ノ・呵 2一
賛”
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…° ・
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冒
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〆.
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一
9
」
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ρ
pF
ρ
8「
9
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「
喝 ●:かぶ りコンクリー
ト の剥落点 懈 析) 図一17
軸ひずみ一
曲率関係の実 験 結 果 と解 析 結 果の比 較一 70 一
表
一
7 曲げせ ん断 実 験に おける最 大耐 力とFlber解析に ょ る 最 大モー
メ ン トの 比較 試験体名 実験 値 H皿ax(t。nf・
m) 解 析 値 ax (t。冂f・
m) 実 験値 解析 値 Da78正L 正 6.
81(0,
451) 7.
63(0,
389> o.
89 負 δ.
94ω.
504) 7.
66ω.
384) 0.
91 D1201L正7.
12(0.
275
> 7.
78(0.
410>0.
92
負 7,
30(0,
339) 7.
82ω,
421> 0.
93 DD782N 正』
7.
76 (0,
407) 8.
43ω.
462) 0.
92 負 8.
04(0,
367> 8.
45ω,
525) 0.
95 注1:括 弧 内は 最大トメント時の曲 率 (xlB”
Sl/e皿) 実 験値 はヒンジ領 域 (検 長250 )での平均 曲 率 注2:最 大E−
Syトの実 験 値はヒンジ領 域 (検 長250mm)での 平 均E−i
ント ●で示 し た曲率と は 必ずしも一
致して いないが,
同加 力 サ イク ル上であり,
解析上の 全 かぶ りコ ン クリー
トが剥 落す る点は変形 限 界の1
つの 目安と は な る。
な お, 解 析 結果で は,
● 以降の曲率におい て耐 力の低下は み ら れな かっ た。
図一17
に, 解析に よ り得 られ た全 断 面の平 均 軸ひず み (εo)一
曲 率 (¢ )関 係 と,
曲 げせ ん断 実 験 よ り得 られ た ヒ ンジ領 域 (250mm :柱 断 面せ い D に相 当)の断 面中 央での軸ひずみ一
平 均 曲 率 関 係 を,
比 較して示 す。 同 図 中に は図一
16と同 様,
か ぶ リコ ン クリー
トの剥 落 点を ●で示 した (曲 率 を与え る ことによ り,
外 側の か ぶりコ ンクリー
トか ら徐々 にひずみが 増 加して い くの で, 平 均 軸 ひずみ 2%の 点 とか ぶ りコ ンク リー
トの剥 落 点は一
致し ない )。
解 析 結 果と実 験 結 果は お お むね一
致し て い るが, 終 局 状 態に近い曲率で は実 験 結 果の軸ひずみ が大 き く進 行して い る。 4.
2 軽量コ ン クリー
ト部材の曲げ耐 力 表一
7に,
曲げ せ ん断実 験よ り得ら れ た3
体の試 験 体 の最大 曲げモー
メン ト(ヒン ジ領 域での平均モー
メン ト〉 と,
断 面 解 析で得られ たモー
メン トの最 大 値を比 較 し て 示す。
全 試 験 体と も実 験 値が解 析 値を若 干 下 回っ て いる が,コ ンクリー
トの種 類による差は明 確に得 られて いる 。 軽 量コ ン ク リー
ト試 験 体の普 通コ ン クリー
ト試 験 体に対 する最大モー
メ ン トの 比は.
(同一
配 筋の DO781L とDO782N
の比 較), 正 負 平 均 して, 実 験 結 果で 0.
87,解
析 結 果で0.
91で ある。
4,
1 節で行っ た断面解析に よっ て コ ン ク リー
ト種 類に よ る曲 げ耐 力の差は確 認でき るもの と考え,
曲 げせ ん断 実 験 試 験 体DO781L お よ びDO782N をべ一
スに,
種々 の 軸 力を 入力し,
断 面 解 析を行っ た。
図一18
に軸力 と 最 大モー
メ ン トの関 係を, 横軸をM /bD2
, 縦 軸をNIbD と して示す6 ま た,
図一19
に軸力 比 η。(=
・
N
/bD
σs)と,
最 大モー
メ ン トの軽 量コ ンク リー
トuzMmax の普 通コ ン ク リー
トNNLMmax に対 する割 合の関 係を示す。 m=O.2
で その割 合は 96% 程 度,
短 期 軸 力の上 限と考え ら れ る ηo=O.
33
で91% 程 度,
η。=
O.
5で 85% 程 度とな っ て い る。
な お, こ れらの図は帯 筋 比Pur
をO.
78 % と し た ぽr500E
葛 − 400 皀 ≧ 300 200 100、
「
丶h b=
250mm,
D=
250mm MainBars
8
−
D13 Pg=
1.
63%,
σ v=
3660kgt/cm2 P胃
=
0.
78% CT B・
400kgf/cmE一
軽 量一 一
普通、
100 50〔
琶 薑 Σ 」 ≧丶
語 ∈ Σ.
ヨ 0 0 図一
18 20 40 60 M/bD2(kgflcmS 軸 力と最 大モー
メ ン トの関 係鬯
0一
Mi 冂Brs 8D1 罰,
o脚
F60k σ=
4Okgf 2cm 0.
2 0.
4 0、
6 0.
8 ηo(≡
N/CbDσB)} 1 図一
19 最大モー
メン トに おける軽 量コ ンク リー
トの普 通コ ン クリー
トに対す る割合と軸 力比 の関 係 と きの値であ り,
中心 圧 縮 実 験の結 果か ら,
帯 筋 量がこ れ よ り大きい と き に は軽量コ ン ク リー
トと普 通コ ンク リー
トの差は更に広が る と考え ら れ る。
§5.
結 論 設 計 基 準 強 度が360kgf/cmZ の軽 量コ ン ク リー
ト1種 を用い た鉄 筋コ ン クリー
ト部 材を対 象に,
部 材の構 造 性 能が曲げ性 能に影響さ れ る場合の強度お よ び変形 能を,
曲 げせ ん断 実 験,
中心 圧縮 実験お よび断 面解析に よ り検 討 し た。本 研 究により得 ら れ た 主要な 結 論 を 以下に記す。 (1> 軽 量コンク リー
ト試験 体の弾性剛性,
各ひ び割 れ強 度は既 存の計算 式を用いて推 定で き るものの,
曲げ 強 度は普 通コ ン ク リー
ト試 験体と 比較 して 1割 程 度 低 く,
か ぶ りコ ンク リー
トが剥落し大き く耐力が低 下す る 変形 角に は大き な差が み ら れ る。
(2
> 曲げ せ ん断 実 験に おい て, ヒ ン ジ 領域 (端 部 250mm 区 間 :柱 断 面せ い D に相 当)の平 均 軸ひずみ の 進 行 状 況は,
耐 力 低 下に対 応して顕 著に進 行し,
そ の境 と な る ひ ずみ量は軽 量コ ン ク リー
トお よ び普 通コ ン ク リー
ト試 験 体と も2
%程 度で あ り,
コ ンク リー
トの種 類に よ る顕 著な差は み ら れ ない。 (3 ) 中心 圧縮実験の結果より,
軽量コ ンク リー
ト試 験 体の横 補 強筋に よ る軸 耐力の増 加の割合は,
普 通コンク リ