捕 本 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 3 8 巻 第 3 号 ( 平 成 元 宇 1 1 ) 243
KiyoshiMURAKAMI*
YoshiyukiMITSUI**
TadatsuguKAGE*車*
「語一支可
繊維補強コンクリートの靭性評価に関する研究 一 曲 げ 解 析 に よ る 引 張 靭 性 の 評 価 一
村 上 聖 * 三 井 宣 之 * * 鹿 毛 忠 継 * *
StudyonEvaluationofToughnessofFiberReinforcedConcrete -EvaluationofTensileToughnessbymeansofFlexuralAnalysis--
(1)
2.曲げ解析
lま,賊荷治具の工夫,偏心荷重の影轡,高ひずみ領域 におけるひずみの測定などの問題点がある。
そこで,本研究では,測定された曲げ荷重一たわみ 曲線から,高ひずみ領域に至るまでの引彊応力一ひず み関係を曲げ解析により求め,鋼繊維補強コンクリー トに対して推定された引弧応力一ひずみ関係に基づく 引授靭性と測定された曲げ靭性との相関を調べること で,本手法の妥当性について検肘を行い,さらに繊維 補強コンクリートの引狼抵抗を考慮した鉄筋コンクリ ートはりの曲げ解析例を示した。
1 . 序 輪
最近の栂造設計の動向に見られるように,部材の靭 性設計に重点が皿かれつつある昨今では,靭性に乏し いコンクリートの脆性的性質を材料レペルで改善する 目的で,繊維補強コンクリートの檎造部材への適用が 注目されている。その際に,繊維補強コンクリートの 引張靭性を椴造安全性に対する単なる余力として扱う 従来の立場から,種極的に部材の股計に取り入れる方.
法への移行が必須の要件となる。特に,面部材の場合 には,鉄筋による補強効果は小さく,繊維補強コンク リートの引張抵抗を期待した設計が合理的かつ経済的 である。その場合,繊維補強コンクリートの引張応力 一ひずみ関係が与えられれば,繊維補強コンクリート 部材の力学的挙動ならびに終局耐力の叶算が可能とな るが,実験的に引彊応力一ひずみ関係を求めるために
2.1解析の仮定
本解析では,以下の仮定を股ける 1)平面保持が成り立つ。
2)圧縮応力一ひずみ関係は,線形弾性とみなす。
3)引彊応力一ひずみ関係は,引張強度時まで線形弾 性とみなず。
4)塑性回転を生じる破壇域の存在;コンクリートは,
その引張ひずみ軟化特性により,局所的に変形が集 中し,塑性回転を生じる。そこで,曲率のうち塑性 平成元年9月13日受付
・ 講 師 工 博 建 築 学 科
・ 寧 教 授 工 博 建 築 学 科 亭 . 、 大 学 院 生 工 修 環 境 科 学 専 攻
曲率
曲率は,破壊域内部で均等に分布するものと仮定し,
破壊域の幅を解析に導入する。
b一
go=伽。。°gE X風
P = 竿 。 弾 : 性 限 荷 重 た ( だ し 3 点 , 曲 げ )
ここに,’:スパン長さである。
仇=筈:弾性限曲率
ここに等=、,断:面2グン次ヤ:E,トンメー係モ数である。
亀=帯‘弾:。性限たわみた(だしパス,中ン央の
たわみ)
2)弾性限以降
図-1を参照して,圧縮および引張合力はそれぞれ 次式で表される。
C ÷ = 蝿 風 x b 雲 ‘ E 聴 b 励 ‘ 圧 : 縮 合 力
T l 緬 l = : - = . ○ ‘ y d ‘ b 矧 d 。 張 合 力
ここに,xn:中立軸高さ,oも:圧縮縁応力:&:引張縁 ひずみである。
曲率dの計算
軸方向の力のつり合いより,C=T
Jr今=‘。恥.,。、
’
P
図-2M,。分布及びM-d関係
/
/
ぐ
2.2解析方法 1)弾性限
M・=Z跡弾性限モーメント
ここに等=,Z断:面係数は:,bり幅ば。:,りせ
い,ft:引彊強度である。
8t=ウ(d・xn)
6 分 布 、 分 布 図-1断面内のび,c分布
釦(もご魁ご旨
遇 大 圃 力 点 以 前 最 大 酎 力 点 以 降
三雲面‘三竺面‘茎Ⅲ
M3
●lp▲▼
で‐略服‐TⅣユ馳細麺
、 華『
p
陰
(2)
蹄
(魁二四
5 0 0
10
0 6 0 5 1 0
6(X1ヶ3c日)
図-3P.d関係の解析例
こ=]
9 t ( X 1 0 - 4
) b=。=10函,l呂30℃■
E圏3X105kばん画2
0 5
1000 @分布
98●
熊本大学工学部研究報告第38巻第3号(平成元-11) 245
g80dOg80
g8
図 / . 4 - : 蝋 , e d 。 / : 感 匪 ‘ d の 計 算
5 0
’ 二 』 ‘ 腿 支 : 点 と 中 央 点 と の 相 対 回 転 角
△‘X=,'’÷(一難躯d)支:点と中央点との相対変位
‘ = i
÷ 一 ' △
近似①
6 , - 釜({L ' - 淵+2( 淵‘1(+!-淵‘}。
近似②
&=&+6p
こ こ に 鋤 , 帯 = ‘ ‘ , . 器 = 。 . ' ‘ , ÷ = b 6 , " も =
‘pの,α:破壊域の幅である。
●最大耐力点以降におけるたわみあ
。h=6i+4o
こ こ . 。 = に 、 4 ・ , 蝿 . , 4 ・ + = ・ で あ る 。
ここで凧,x-。=号を代入して,‘ 排 = ‘ 語 / , + 戸 売 冒 )
曲げモーメントMの計駕
中立軸に関するモーメントのつり合いより,
M C =
・ 争 刷 十 y J d ‘ b ( 風 y ~ o 。
=÷制+‘,En‘xb‘…
ま た 等 = P ,
たわみ6の計算
(3)
たわみは,図-2を参照して,次式で表される。
●最大耐力点以前におけるたわみ6h.
実際の‘分布
1 5 f
b
2.3解析例
本解析例を図-3に示す。この図から,実際の‘分 布,近似①,近似②では最大荷重点近傍で若干の相違 があるが,大きな差異は見られない。ただし,破壊域 の幅のは,下降域の挙動に大きく影響し,⑳が大きく なるほど,耐力低下の度合はゆるやかになる。
。
I 齢
j 8
2.4引張応力一ひずみの関係の推定
前述の曲げ解析の逆解法により,設定した引頚ひず みEtにたいして引張応力oiを仮定して荷重及びたわ みを求め,測定された荷璽一たわみ曲線に一致するよ
5
91163)(X
図-5近似①,②によるoi.&関係の推定値
2 1 0
0
せん断万イ雁(スルト),Vrp2・鰯,1『割0皿
-.-,-近似の
- 近 似 ⑳
㈹釦 ●ー●
(砧呉逼呈ざ
7
§ ノ
、偽-.
鋤
1 0
0
使用材料及び調合を表-1,2に示す。鯛合は,W/
C=50%,スランプ=18cmを目標に賦し練りにより定 めた。曲げ試験は,10×10×40cm角柱供賦体の3点曲 げ職荷(スパン・高さ比=3)で行い,供試体は同一 条件ごとに3体ずつ作製した。また,供賦体は材令3 週(水中養生)で気中乾燥した後,たわみを測定する ために供試体両側面の載荷点下にアングル状の切片を 接瀞した。測定方法は,図-6に示すとおりである。
曲げ解析には,引張強度として割裂引狼強度fbを直接 引張強度f‘に換算した値(換算式ft=1.81fgo・7,4)をヤ
ング係数は圧縮応力一ひずみ関係におけるfb/3割線弾 性係数を用いた。
(4)
うに,引張応力一ひずみ関係を矩形近似で求めた。
そ の 際 に ‘ r J 及 , g d o び 』 歴 " ( は o d 図 , を 4 - 参 照 し
て,以下のように求められる。
』 , l T " o Z + d o g T =
j=1J
(
"
'
・ 這 d g
ただし,Tl=国!(倉‘,一s‘!_,)
T = ・
÷ 恥 。 j ・
= 昔 塵 ‘ 。
s,。:引張強度時のひずみ
図-5は,測定された荷重一たわみ曲線から,近似
①及び近似②で推定した引張応力一ひずみ関係の一例 を示す。この図から,近似①及び近似②で推定結果に 大きな差異がないことから,以下では計算の簡便な近 似②で引張応力一ひずみ関係の推定を行った。
4.結果及び考察
表 - 2 使 用 調 合 3.実験方法
図 - 6 測 定 方 法 4.1引張応力一ひずみ関係の推定結果
図-7は,せん断ファイバー(ストレート),′,=30 mmを使用したV『=0.5,1.0,1.5,2.0%の鋼繊維補強
コンクリートに関する荷重一戦荷点変位曲線(供賦体 3個の測定値の平均)を,また図-8は,破壊域の幅 を6cmとして推定された引張応力一ひずみ関係をそれ ぞれ示す。ところで,図-7には,引張応力一ひずみ 関係の推定において,測定された荷重一変位曲線との
片
。
●■ひ
Ellロート四
一 アノクー蛾回
●
||、
■ ■ ■ - ■
繊維材質.
形状 l
【 ( 画)
Ⅵ鋤I sl
( 画)
W 7℃ (
%
)
血矧8I
函且(蛇/、')
C W S G
f C ( 唾/
釧 f S ( k g f
/ 鋤
せん断 ファイバー
( ス ト レ ー ト
)
3 0
0 0 . 5 1 . 0 1.5 2 . 0
1 8 . 8 1
8 1
1
8 7
1
8 4
1
8 0
5 0
3 9 5 1 6 2 7 3 8 3
4 0 4 4 3 8 4 7 2 5 0 4 5 3 4
202 219 236 252 2 6 7
660 8 0 1 936 1 0 4 6 1146
1052 806 5 9 4 4 1 1 243
366 3 8 9 3 8 9 424 422
2 5 . 2 3 6 3
4 0 9
5
2 0
6
1 2
せん断 ファイバー
( ス ト レ ー ト
)
別一
3 0
2 . 0
1 6
ー
1 8
1-2
FJL QJu
5 5 8 3
450 534
2 2 5 267
855 1146
7 2 4 243
4 3 0 4 1 0
4 2 5 7
1
一
3 せん断
ファイパー ( 波形)
2 0
-
3 0 2.0
1 6
ー
1 8
6-3
qJU
5 5 8 3
4 5 0 5 3 4
225 2 6 7
8 5 5 1 1 4 6
7 2 4 2 4 3
3 3 2 3 6 4
4 7 5 8
5’6
異形カット ワイヤー
2 0
-
3 0 2.0
1 4
一
1 8
1-4
5 0
5 5 8 3
4 5 0 5 3 4
225 267
8 5 5 1146
7 2 4 243
421 475
5 0
-
6 6
4
一
3
セ メ ン ト 普通ポルトランド
細 骨 材 川砂
表乾比重=2.54 吸 水 率 = 2 . 8 9 % 最大寸法=2.5mm 粗 粒 率 = 2 . 4 8 粗 骨 材 川砂利
表乾比重=2.63 吸 水 率 = 1 . 4 6 % 最 大 寸 法 = 1 5 m m 粗.粒率=6.61 単位容積重且=1.60kg/@
実 積 率 = 6 1 . 8 %
鋼 繊 維 せん断ファイバー(ストレート,波形)
寸法0.5×0.5×20.30mm 異形カットワイヤー
寸法0.5ゆ×20.30mm
5 0
熊本大学工学部研究報告第38巻第3号(平成元-11) 247
3000
図-7P.‘曲線の測定値
せん閉フアイ旅-(ストレート),1o■so四 V『幅) 9
8 ( X 1 0 . 8
)
一致を調べた点(○印で示す)における引張縁ひずみ
の値も併記しているが,この値は破壊域の幅の選定に
より変化するので,引彊縁にひずみゲージ(ゲージ長 60mm)を貼り付けて実際に測定した結果と比較するこ
とにより,破壊域の幅を6cmとした妥当性について検 討した。その結果を図-9に示す。ただし,V『=1.0%
の場合には引張縁ひずみの測定限度は約500伽,V,=
2.0%では約10000ノz程度であり,それ以上でひずみの
測定は不可能であった。これは,Vfが小さくなるにつ れて,ひび割れの拡大が急激になるためと思われるb 従って,実験的に引張応力_ひずみ関係を求めようと
しても,V,がかなり大きい範囲で最大限約10000浬程 度のひずみ領域までであり,それ以上の高ひずみ領域 の測定は不可能であるように思われる。ところで,図一
(5)
0 0.5. 1.0 1.s 2.0
6(函)
図-80i,6t関係の推定値
7と図-9との比較から〆破壊域の幅を6cmとした場 合に荷重一変位曲線上における引張縁ひずみの推定値
と実測値との間に良い一致が得られていることがわか る。ただし,V,=1.0%の場合には,若干推定値が実測 値よりも低めにシフトしているので,V,が小さくなる
につれて破壊域の幅もやや小さくする方がさらに良い 一致が得られるものと考えられる。これに関してはさ
らに検肘を行う必要がある。図-10は,せん断ファイ バー(ストレ.-卜,波形),異形カットワイヤー,′f=
20,30mmを使用したV『=2.0%の鋼繊維補強コンクリ
ートについて測定された荷重一戦荷点変位曲線を,ま た図-11は,破壊域の幅を6cmとして推定された引張 応力一ひずみ関係を示す。
これらの図から,鋼繊維補強コンクリートの引頚応
1 5 せん断,l『ート)ストレーー(イハ雪フア0四3
V『鰯)
-……0.5
0 5 02
883)0-(X1
廻鋤釦,加釦釦
1
Vf⑪ 2.0 2b0 2.0 2.0 2.0 6)030.1X(
‘瀞
3000
カーひずみ関係の特徴をみることができる;1)引張 強度時に一旦応力が低下した後,V,が大きい範囲では ひずみの増加に伴い再び応力が上昇し,ひずみ硬化に -類似の現象により第2ピーク点が現れること,2)せ
ん断ファイバーよりも異形カットワイヤーの方が,ひ ずみ軟化域における応力低下の程度が小さく,靭性に
2500
固
冨 2000
1500
1000
せん閉カイロー(ストレート),lfa30皿 V『⑧
- - 1 6 0
- 2 . 0 500
0 . 0 . 5 。 1 . 0 6(四】
図-9P・6曲線上におけるE‘の測定値
恩納■皿 一・一・一せん断万イげL(ストレート)
----ぜん閉ガイJf-(波形)
- 具 形 釦 胸 イ ヤ ー -.-.-せん所カイ犀(ストトト》
一一一せん閉カイハーー《波形)
(6)
すぐれていること,3)2,が20mmと小さくなると第2 ピーク点は明確に現れず,.初期からひずみ軟化特性を 示すことがわかる。
特に1)の傾向については,既往の文献')においても報 告されている。
1500 3000
2500
へ
量
産 2000
1000
500
0 0 . 5 1 . 0 1 . 5
図-10P.‘曲線の測定値
2.0 6(画)
〆
熊本大学工学部研.究報告第38巻第3号(平成元-11) 249
〆
1四㎡鈎釦釣釦釦1
V『側 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 哩轡画亜
一一・一せん所カイ捌口画(ストレート)
----せん断カイJr-(波形)
- 呉 潟 坑 脚 イ ト ー.一・一せん断万イハーー“レー側 ---・せん断カイハーー(波膨)
〆
- 具 形 銅 ト ワ イ ヤ ー 釦 2 . 0
・づ1
5 0
! i
零 三 三
(箔還逼己5 ㈹釦三
〆 釣
1 5
0 5 10 02
88“0.8)
図一noi-&関係の推定値
(猫呉回ご画勺b『 00000●●●9878
Vo画2.05一定 ロせん断ファイノr-(ストレマト),l『画20四
■せん断カイハF-(スルト)010回30画
△せん断カイハーー(波形),1o画20画
▲せん断カイハ宅(波患)010魯30m
▽具形飾脚作,10画20m
▼具患カツトワイヤー01o■30画
ノ
▼〆
せん閉カイハP=(ストトト),10屯0浬
。V『=0.砿
●V9富1.09
◇V『=1.錨
◆V『=2.筋 一一一回卿直織y富0.001790x・0.01030
噸関偽敵r色0.9983)
〆 〆
〆
〆
〆
〆凸〆
〆
〆
/6
/
ノ▽'
54321
0●●●000.0.00夕."
〆
ノ△〆
〆ロ
〆●〆
〆 〆
〆
(7)
,〆
4.3繊維補強鉄筋コンクリートはりの曲げ解析例 図-13は,解析に用いた賦験体の形状・寸法及び載 ファイバー(ストレート,波形),異形カヅトワイヤ ー,′,=20,30mmを使用した,V,=2.0%の鋼繊維補強
コンクリートについて,曲げ靭性と引弧靭性の相関を 示す。この図から,曲げ靭性と引喪靭性との相関は極 めて高く(相関係数r=0.9983),本手法の一つの妥当 性を与えるものと考えられる。
0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 駒 6 0 0 J田6<kgf・“).
図-12引張靭性と曲げ靭性の相関
4.2引張靭性と曲げ靭性との相関
引弧靭性として&=20×10-8に至るまでの引彊応力 一ひずみ曲線下の面菰,即ちひずみエネルギーを,曲 げ靭性として6=2mmに至るまでの荷重一賦荷点変位.
曲線下の面穣,即ち曲げタフネス(JCI案)を採用 し,両者の相関を調べることで,本手法による引張応 力一ひずみ関係の推定の妥当性について検肘を行った。
図-12は,せん断ファイバー(ストレート),’,=30mm を使用したV,=0.5,1.0,1.5,2.0%の,またせん断
b (
』;も。‘d-も。;J)dc
み関係は前述の推定結果を用いた。また,鉄筋の応力 一ひずみ関係は,完全弾塑性とし降伏強度として最小 規定値を用いた。
図-14に本解析のフローチャートを示す。与えられ たコンクリートの引張縁ひずみc&に対して,中立軸高 荷方法を示す。ただし,部材断面は,実際のスケール
のほぼ1/2となっているが,これは今後の実験との比 較検討を意図したものである。材料特性として,繊維 補強コンクリートの圧縮応力一ひずみ関係は,圧縮強 度を基に梅村によるe関数で表示し,引狼応力一ひず
●0=
鼠 亙 匝
鋤| 型l
“
ロ5#0100
峡筋SD35D10(主筋)′
SR24“(あばら”
aosl・鯛c露(2.,1。
■8重c鰍.14210).,(3
図-13解析に用いたRCはりの形状・寸法及び載 荷方法
0 100o
ロ
b:はり輯,、:はりせいり。:有効せい,do:圧縮縁・圧細峡筋間距閲 xロ:中立働寓さ,a。:圧緬鱗15M緬蹟,a88引頚鉄筋断面積
・go:功チート圧絢律ひずみ .‘e2壁峰健ひずみ og8鋤畏峡筋ひずみ
’
8:毒ルト引磯律ひずみ舎昌匪置陰睡産金度 e謁纏鹸画廓力度
I 全
国
’
gO gg gd
中立軸に関するモーメントの 釣合より、H拝定(式③)
僻
2分塗
軸方向の力の釣合より 式 ① 曲率60郡定(式①)
I2noI
(8)
aR●。tーaロロワ、
。‘霊・煮‘。‘
.‘・雲涛…
.
‘潅鍔‘。,
,圃画涛一式②
!
図-14解析のフローチャート
平面保持の侭定により 曲率やg雰定(式②)
’
N
O 坐竺些-L“1
61
↓Y 鴎
胤亘会も;I。(…』も;。匝。)
+a0oo。(xQ-do)+a8scQ(d-xn》式③ 1200
3.0
熊本大学工学部研究報告第38巻第3号(平成元-11) 251
クリートの引弧抵抗を無視した。また,図-16は,有 効せいを。=22,17,12.5cmと変化させた場合のV《=
0%に対する降伏曲げモーメントの相対比をV'に対し てプロットしたものである。これらの図から,鉄筋コ ンクリートに対する繊維補強効果が定超化され,特に,
有効せいが減少し鉄筋の補強効果が小さくなったとき の繊維補強コンクリートの有効性が示された。
3.0
'
~
~
一 一 ~ - ~ - … - - - - - - 二 二
宮。ご垂
、0
●2
輯蕊羅e参垂坤や稜叩室,葦鈴貝人・屍
2.0
(9)
1.0
0 4 . 0 5 . 0
ウ伽0.WCa)
1 . 0 2 . 0 3 . 0
図-15繊維補強RCはりに関するM・‘関係の計 算値
さxnを仮定して軸方向の力のつり合いから算定され
る曲率妙,と平面保持の仮定により幾何学的に求めら
れる曲率向が許容誤差の範囲内でー致するまで反復 計算(2分法)を行うことによりx、を決定し,、中立軸・
に関するモーメントのつり合いからM・妙関係を求め た。
図-15に,せん断ファイバー(ストレート),‘'=30 mmを使用したV,=0,0.5,1.0,1.5,2.0%の鋼繊維補
強鉄筋コンクリートはりに関するM・‘関係を示す。
ただし,有効せいはd=22cm,Vf=0%についてはコン
5 . 結 輪
。(四)
● 2 2 0
▲ 1 7 0
■ 1 2 5
/■
〆
●ず/
L
本研究の範囲内で次のような知見が得られた。
l)測定された荷重一たわみ曲線から,破壊域の幅を 導入した曲げ解析により,高ひずみ領域にわたる引 頚応力一ひずみ関係が推定され,その引張靭性と曲 げ靭性の測定値との間に良い相関が得られた。
2)推定された鋼織維補強コンクリートの引張応力一 ひずみ関係の特徴として,繊維体積率が大きい範囲 で,引袈強度時に一旦応力が低下した後,ひずみの 増加に伴い再び応力が上昇するひずみ硬化に類似の 現象により第2ピーク点が現れること,繊維材質の 影瀞として高強度の異形カットワイヤーを用いた方 がせん断ファイバーよりも引張靭性が大きいこと,
また繊維長さが20mmと小さくなると,初期からひず み軟化特性を示し,引張靭性も小さくなることが挙 げられる。
3)繊維補強鉄筋コンクリートはりの曲げ解析例を示 し,鉄筋コンクリートに対する繊維補強効果,並び に有効せいが減少し鉄筋の補強効果が小さくなった
1.0
0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 V(f
%
) 図-16有効せいが変化したときのMy.V,関係の
計算値
ときの繊維補強コンクリートの有効性が定量化され た。
謝辞
本実験及び解析にあたって,熊本大学大学院修士2 年の渡部政治,昭和63年当時修士2年の兼崎浩佳,、昭 和61年当時卒論生の浜田康成,切通哲,恒吉久雄,
昭和63年当時卒論生の木村晃志,中原明子,り熊本大学 技官の甲斐定夫諸氏の協力を頂きました。ここに記し て感鮒致します。
参 考 文 献
)K,B・Lub,T,Padmoes;MeChanicalBehav.
( 1 0
)
iorofSteelFiber・CementMortarinTension andFlexure,InterpretedbyMeansofStatis‐
tics,AClMaterialsJoumal,Vol、86,No.1,
1989.1-2,pp、16-28
2)浜田康成,切通哲,恒吉久雄;鋼繊維補強コ
ンクリートの靭性評価に関する実験的研究,昭 和61年度熊本大学卒業論文
3)兼崎浩佳;鋼繊維補強コンクリートの靭性に関 する実験的研究,昭和63年度熊本大学修士論文 4)木村晃志,中原明子;繊維補強コンクリートの
靭性に関する研究一曲げ解析による引狼靭性 の評価-,昭和63年度熊本大学卒業論文