高靭性繊維補強セメント複合材料で補強した組積造壁体の力学特性と補強効果 [ PDF

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高靭性繊維補強セメント複合材料で補強した組積造壁体の力学特性と補強効果

田中 隼斗 １. 序 今日において，石や煉瓦などを使用した組積造建築物 を利用している人口は世界人口の約 6 割に達しており1)_， 組積造建築物は海外において主要な構造形式のひとつ となっている．海外で広く使われている組積造建築物に は，石積み組積造，アドベ（日干し煉瓦）造，コンクリ ートブロック造など様々な種類が存在し，地震が起こる と甚大な被害が発生する．組積造建築物は今後も建築を 構成する材料として重要であり，その耐震安全性の向上 は非常に重要な課題である． 本研究の目的は無補強組積造建築物の耐震安全性が 向上する補強方法を開発することである．地震が頻繁に 発生する様々な地域において組積造建築物の建造や補 強を行う際に役立つことを目指す． 本研究で組積造壁体の補強に利用する高靭性繊維補 強セメント複合材料とは，セメントと水，砂で構成され る通常のモルタルに，長さ 2cm 程度の有機系繊維を大 量 に 混 ぜ て 作 ら れ る も の で ECC (Engineered Cementitious Composites) とも呼ばれる．硬化後に外力を 受けると ECC に混ぜられた大量の繊維が引張力を負担 し，ひび割れをつなぎ止め，拡大させない．そして，次々 と小さなひび割れを発生させることによって，力を分散 させ，脆性的に破壊することなく粘り強く変形する 2)_． また，ECC は付加質量が小さく，高い引張強度とせん 断変形能力を有している．これらの性質から，無補強組 積造建築物の補強方法として有効であると考え，高靭性 繊維補強セメント複合材料（ECC）による補強効果の検 証に取り組んだ． 既往の研究では，ECC を塗布した煉瓦組積体の圧縮 実験及びせん断実験を行い，ECC を塗布することは煉 瓦組積体のせん断強度やせん断変形能力を増大させる のに有効であることが確認された（写真 1）． 本研究では， ECC で補強した煉瓦造壁体の静的繰り 返し水平載荷実験を行い，その力学特性を検証するとと もに，無補強組積造壁体の挙動との比較を行い，ECC の補強効果を考察した． ２. 実験の概要 2.1 試験体の概要 図 1 に試験体の形状，載荷位置，変位測定位置，ロー ドセル設置箇所を示す．製作した試験体は，無補強煉瓦 組積造試験体（URM 試験体），煉瓦壁体の両面に ECC を厚さ 10mm ずつ塗布した試験体（ECC10 試験体）， 同じく両面に ECC を厚さ 20mm ずつ塗布した試験体 （ECC20 試験体）の 3 種類である．試験体の製作に使 用した煉瓦の形状は，寸法 210mm×110mm×60mm の無 孔の直方体である．煉瓦壁体の寸法は，長さ方向を煉瓦 5 個分の 1060mm，幅を 110mm，高さ方向を煉瓦 15 層 分の 1060mm とした．目地材の圧縮強度は 6.07N/mm2 であった．煉瓦壁体の上部に RC 梁，下部に RC 基礎を 設置した．煉瓦壁体の側面の上部及び下部にはアングル を設置し，煉瓦とアングルの間にはグラウト材を充填し た．また，ECC10 試験体，ECC20 試験体それぞれの実 写真 1 既往の実験（5 層圧縮実験，3 層せん断実験） 図 1 試験体の形状（単位：mm） 10 6 0 30 0 1090 2050 2050 45 0 66 0 ロードセル設置箇所 載荷位置 変位測定位置 相対変位測定位置 2050 1090 660 ₁₀₆₀ 450 300 2050 ロードセル設置箇所 載荷位置 変位測定位置 相対変位測定位置 ＋ － A B C D

61-2 験後に載荷した，直径 50mm×高さ 100mm の円柱形の ECC 試験体の圧縮強度は，それぞれ 24.9 N/mm2，27.0 N/mm2であった． 2.2 載荷方法及び変位測定方法 載荷は直交 2 方向の静的載荷が可能な試験機を用い， 鉛直方向には 0.35N/mm2_{の一定荷重を与えた状態で水} 平方向に正負交番静的繰り返し載荷を行った．加力は変 位制御で行い，図 2 に示す載荷プログラムの通り，各 3 サイクルの繰り返し載荷を行った． 変位測定は図 1 に示す位置で行い，図中の A～D の 4 点の水平及び鉛直変位，各 2 点間の相対変位，壁体上部 の RC 梁の水平変位を測定した． 2.3 ECC のせん断耐力の算定方法 壁体に塗布した ECC のせん断耐力の算定式を図 3 に 示す．ECC のせん断耐力は ECC の三点曲げ試験から得 た曲げ強度と ECC の断面積から算定した3)_{．URM 試験} 体のせん断耐力は実験値を用い，ECC10 および ECC20 試験体のせん断耐力は URM 試験体と ECC のせん断耐 力の単純累加によって求めた． ３. 実験結果及び考察 図4に各試験体の水平荷重―変形角関係を示す．URM 試験体は正加力側では変形角0.75×10-2 rad.の1サイクル 目でピークに達し，その後は徐々に耐力が減少してい った．負加力側では変形角1.5×10-2 rad.の1サイクル目で 最大耐力に達した．最大耐力に達した後は，耐力は大き く減少した． ECC10試験体は正加力側，負加力側ともに変形角の増 大に伴って最大荷重も増大していった．正加力側の変形 角1.5×10-2 rad.の1サイクル目で最大耐力に達し，試験体 に斜めのひび割れが生じて破壊した． ECC20試験体も変形角の増大に伴って最大荷重が増 加していった．負加力側では変形角1.0×10-2 rad.の1サイ クル目で荷重が減少し，変形角が増大した．その後，正 加力側で変形角1.5×10-2 rad.の1サイクル目で最大耐力 に達し，負加力側では変形角1.5×10-2 rad.の1サイクル目 で最大耐力に達した．その後，変形角1.5×10-2 rad.の2サ イクル目の最大付与変形角に達した後に試験体に斜め のひび割れが生じ，破壊した． 表1に各試験体の最大耐力と最大耐力時の変形角を示 す．URM試験体とECCを塗布した試験体を比較すると， 最大耐力はECC10試験体が1.48倍，ECC20試験体が2.05 倍となった． 同じ変形角を与えた各3サイクルにおいて，URM試験 体の最大耐力を1としたときのECC10およびECC20試験 体の最大荷重の比を図5に，各試験体の最大荷重の値を 表2に示す．ECCを塗布した試験体は変形角が小さい段 図 2 載荷プログラム -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 0 8 16 24 32 40 48 56 64 層間変形角(%rad) 0.025%0.05%0.1% 0.2% 0.3% 0.4% 0.5% 0.75% 1.0% 1.5% 変形角(×10-2_rad.) 1.5 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0 -1.5 図 3 計算式の算定方法 ecc t b ecc t b t u t u v ecc ecc v ecc ecc

Α

f

05

.

1

f

f

7

.

0

f

f

5

.

1

f

A

f

f













fecc：ECC のせん断耐力（kN） Aecc：ECC の断面積（mm2） fecc：ECC のせん断強度（kN/ mm2） ftu：ECC の引張強度（kN/ mm2） ftb：ECC の曲げ強度により得られた強度（kN/ mm2） 図 4 水平荷重―変形角関係

URM 試験体 ECC10 試験体 ECC20 試験体

0 100 200 300 400 -100 水平荷重（ kN ） -200 -300 0 -1.0 -2.0 1.0 2.0 変形角（×10-2_rad.） -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -2 -1 0 1 2 荷 重 （ kN ） 変形角（×10-2_rad.） -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -2 -1 0 1 2 荷 重 （ kN ） 変形角（×10-2_rad.） 0 100 200 300 400 -100 水平荷重（ kN ） -200 -300 0 -1.0 -2.0 1.0 2.0 変形角（×10-2_rad.） -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -2 -1 0 1 2 荷 重 （ kN ） 変形角（%rad） -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -2 -1 0 1 2 荷 重 （ kN ） 変形角（%rad） 0 100 200 300 400 -100 水平荷重（ kN ） -200 -300 0 -1.0 -2.0 1.0 2.0 変形角（×10-2_rad.） -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -2 -1 0 1 2 荷 重 （ kN ） 変形角（%rad） -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -2 -1 0 1 2 荷 重 （ kN ） 変形角（%rad）

61-3 階から最大荷重の増大が見られた．ECC10試験体は変形 角0.4×10-2 rad.および0.5×10-2rad.のサイクルではURM 試験体より最大荷重が小さくなる結果となった．ECC20 試験体は，変形角が大きくなると最大荷重の増大が顕著 になった． 図6に変形角0.025×10-2

rad.，0.05×10-2rad.，0.1×10-2rad. サイクル時の各試験体の水平荷重－変形角関係を示す． ECCによる補強を行ったどちらの試験体も載荷履歴曲 線のループが大きくなっており，変形角が小さい段階か ら補強効果が現れている． 図7にRC梁の浮き上がりを抑える棒鋼の張力と変形 角の関係を示す．ECCを塗布した試験体はどちらも加力 側の棒鋼の張力が大きな値となった． 写真2に載荷後の各試験体の破壊状況を示す．URM試 験体は壁体と上部アングルとの間の目地から斜めに目 地に沿ってひび割れが生じた．そして，変形角が大きく なるにつれて，そのひび割れが大きくなり壁体が破壊に 至った．ECC10試験体は上部アングルの下端付近からひ び割れが発生した．変形角の増大に伴い，ECCが剥落す る部分が見られた．ECC20試験体は壁体の加力側上部か ら，基礎の中央付近に向かって斜めにひび割れが生じた． 図 5 URM を 1 としたときの各試験体の最大荷重 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

0.1%rad 0.2%rad 0.3%rad 0.4%rad 0.5%rad 0.75%rad 1.0%rad

系列1 系列2 系列3

URM ECC10 ECC20

URM を 1としたときの 最大 荷重の比 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.75 1.0 0.2 0 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 （×10-2_rad.） 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

0.1%rad 0.2%rad 0.3%rad 0.4%rad 0.5%rad 0.75%rad 1.0%rad

系列1 系列2 系列3

URM ECC10 ECC20

URM を 1としたときの 最大 荷重の比 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.75 1.0 0.2 0 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 （×10-2_rad.） 表 2 各試験体の各変形角での最大耐力 表 1 各試験体の最大耐力と最大耐力時の変形角

URM ECC10 ECC20

0.1×10-2rad. 41.90 43.14 53.19 0.2×10-2rad. 65.48 70.61 83.91 0.3×10-2_{rad. 90.44 90.17 114.23} 0.4×10-2rad. 127.28 109.11 140.92 0.5×10-2rad. 144.79 124.53 170.22 0.75×10-2rad. 172.94 174.47 235.20 1.0×10-2_{rad. 167.78 215.71 275.53} 1.5×10-2rad. 176.00 260.10 360.90 各変形角での最大耐力（kN）

試験体名 URM ECC10 ECC20

最大耐力 (kN) （）はURMに対する比 176 （1.00） 260.1 （1.48） 360.9 （2.05） 最大耐力時の変形角 (×10-2_{rad.) 1.57 1.30 1.48} 変形角（×10-2_rad.） 変形角（×10-2_rad.） 変形角（×10-2_rad.） 変形角（×10-2_rad.） 変形角（×10-2_rad.） 変形角（×10-2_rad.）

図 6 0.025×10-2_{rad.,0.05×10}-2_{rad.，0.1×10}-2_{rad.サイクル時の水平荷重－変形角関係}

図 7 棒鋼の張力と変形角の関係 -30 -20 -10 0 10 20 30 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 URM ECC10mm ECC20mm 荷重 （k N） 変形角（%rad） 0 0 -0.04 -0.03 -20 -10 10 20 30 -30 -0.02 -0.01 0.01 0.02 0.03 0.04 -30 -20 -10 0 10 20 30 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 URM ECC10mm ECC20mm 荷重 （k N） 変形角（%rad） 0 0 -0.04 -0.03 -20 -10 10 20 30 -30 -0.02 -0.01 0.01 0.02 0.03 0.04 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 URM ECC10mm ECC20mm 荷重（ kN ） 変形角（%rad） 0 -20 -10 10 20 30 -30 40 -40 0 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02-40 0.02 0.04 0.06 0.08 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 URM ECC10mm ECC20mm 荷重（ kN ） 変形角（%rad） 0 -20 -10 10 20 30 -30 40 -40 0 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.02 0.04 0.06 0.08 -60 -40 -20 0 20 40 60 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 URM ECC10mm ECC20mm 荷重（ kN ） 変形角（%rad） 0 -20 20 -60 40 -40 0 -0.15 -0.1 -0.05 0.05 0.1 0.15 60 -60 -40 -20 0 20 40 60 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 URM ECC10mm ECC20mm 荷重（ kN ） 変形角（%rad） 0 -20 20 -60 40 -40 0 -0.15 -0.1 -0.05 0.05 0.1 0.15 60 水平荷重（ kN ） 水平荷重（ kN ） 水平荷重（ kN ） -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.05%data URM ECC10 ECC20 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.05%data URM ECC10 ECC20 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.05%data URM ECC10 ECC20 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 加力側 自由端側 加力 側 変形角(%rad) 0 0.5 1 1.5 -0.5 -1 -1.5 -20 0 100 120 140 20 40 60 80 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 加力側 自由端側 加力 側 変形角(%rad) 0 0.5 1 1.5 -0.5 -1 -1.5 -20 0 100 120 140 20 40 60 80 -50 0 50 100 150 200 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 加力側 自由端側 加力 側 変形角（%rad） 200 150 100 50 -50 0 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2.0 -50 0 50 100 150 200 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 加力側 自由端側 加力 側 変形角（%rad） 200 150 100 50 -50 0 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2.0 -20 0 20 40 60 80 -3 -2 -1 0 1 2 3 加力側 自由端側 加力 側 変形角（%rad） 0 1.0 2.0 3.0 -1.0 -2.0 -3.0 -20 0 20 40 60 80 -20 0 20 40 60 80 -3 -2 -1 0 1 2 3 加力側 自由端側 加力 側 変形角（%rad） 0 1.0 2.0 3.0 -1.0 -2.0 -3.0 -20 0 20 40 60 80 水平荷重（ kN ） 水平荷重（ kN ） 水平荷重（ kN ）

URM 試験体 ECC10 試験体 ECC20 試験体 0.025×10-2_{rad.サイクル 0.05×10}-2_{rad.サイクル 0.1×10}-2_{rad.サイクル}

61-4 表3にECC10およびECC20試験体のせん断耐力の計算 値と実験値の比較を示す．ECC10試験体，ECC20試験体 ともに計算値の6割程度の値となった．既往の研究とし て1章で述べた3層煉瓦組積体のせん断実験における計 算値と実験値の比較では，ECCを10mm塗布した試験体 では実験値が計算値の9割程度，ECCを20mm塗布した試 験体では実験値が計算値の7割程度であった．本研究の 実験値が計算値の6割程度になった一因は，ECCの幅厚 比など寸法の影響と考えられる． ４. まとめ 本論文では高靭性繊維補強セメント複合材料 (ECC) で補強した煉瓦組積造壁体の水平載荷実験を行い，その 力学特性と補強効果を調べた．得られた知見を以下に示 す． 1） 煉瓦組積造壁体の両表面に ECC を塗布して補強し た試験体の最大耐力は無補強の壁体より上昇する ことが分かった．その値は ECC10 試験体で 1.48 倍， ECC20 試験体で 2.05 倍となった． 2） 補強した試験体が最大耐力に達するときの変形角 は無補強の壁体より小さくなり，剛性が上がること が分かった．また，補強する ECC の厚みを増すと せん断耐力がより高くなることがわかった． 3） ECC を塗布した試験体のせん断耐力の計算値と実 験値の比較では，3 層組積体の実験より実験値が計 算値に比べて小さくなった．その一因は ECC の幅 厚比など，寸法の影響と考えられる． 写真 2 実験後の試験体の破壊状況（上段：図 1 の面，下段；図 1 の裏の面） URM 試験体 _{ECC10 試験体 ECC20 試験体}

表 3 計算値と実験値の比較 ECC10試験体 ECC20試験体 計算値(kN) 395.3 614.6 実験値（kN） 260.1 360.9 実験値/計算値 0.66 0.59 参考文献 1) 目黒公郎 藤枝拓海：組積造建物の耐震補強効果検 証のための実験システムと数値解析手法の構築 2) 土木学会：複数微細ひび割れ型繊維補強セメント複 合材料設計・施工指針（案），2007 年 3 月

3) Gholamreza ZAMANI AHARI: STRUCTURAL

IN-PLANE BEHAVIOR OF MASORY WALLS

EXTERNALLY RETROFITTED WITH FIBER

REINFORCED MATERIALS, June 2013

4) 西山壮海 山口謙太郎 ザマニ アハリ ゴラムレ

ザ：高靭性繊維補強セメント複合材料を用いた無補 強組積造の補強方法に関する研究―煉瓦および組 積体の載荷実験―，日本建築学会大会学術講演梗概 集（構造Ⅳ），pp.993-994，2012

5) Gholamreza ZAMANI AHARI, Kentaro

YAMAGUCHI: A Proposal of the Most Suitable Retrofitting Methods for URM Structures in Iran - An Extensive Review of Recent Techniques -, Journal of Habitat Engineering, Vol. 2, No 2, pp.105-114, September 2010

6) Kanakubo,T.,Shimizu,K.,Kanda,T.,Nagai,S:EVALUAT

ION OF BENDING AND SHEAR CAPACITIES OF HPFRCC MEMBERS TOWARD THE STRUCTURAL

APPLICATION, ,Proceedings of the Hokkaido

University COE Workshop on High Performance Fiber Reinfoced Composites for Sustainable Infrastructure

System-material modeling, structuraldesign and