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P = 竿 。 弾 : 性 限 荷 重 た ( だ し 3 点 , 曲 げ )

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(1)

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

(2)

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。

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

=,::E,

である。

=:(,

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

=.

図-2M,。分布及びM-d関係

2.2解析方法 1)弾性限

M・=Z跡弾性限モーメント

=,Z::,b:,

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

(もご魁ご旨

遇 大 圃 力 点 以 前 最 大 酎 力 点 以 降

●lp▲▼

で‐略服‐TⅣユ馳細麺

華『

(2)

(魁二四

5 0 0

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

1000 @分布

(3)

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

’ 二 』 ‘ 腿 支 : 点 と 中 央 点 と の 相 対 回 転 角

X='÷(d):

‘ = i

÷ 一 ' △

近似①

6 , - ({L ' - +2( (+!

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 。

,x=

‘ 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 。

÷+,Enxb

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 f

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。

j

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

163(X

図-5近似①,②によるoi.&関係の推定値

2 1

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

§

1

(4)

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=1

J

(

"

'

・ 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

Ellロート四

アノクー蛾回

||、

■ ■ ■ - ■

繊維材質.

形状

(

Ⅵ鋤 s

(

W (

%

血矧8I

函且(蛇/、')

f (

( k g f

せん断 ファイバー

(

3

0 0 . 5 1 . 0 2 . 0

1 8 . 8 1

1

1

1

5

3 5 6 7 8

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

6

せん断 ファイバー

(

別一

3

2 . 0

1

1-2

FJL QJu

5 8

450 534

2 2 5 267

855 1146

7 2 4 243

4 3 0 4 1 0

4 5

せん断

ファイパー (

3 2.0

1

6-3

qJU

5 8

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 5

5’6

異形カット ワイヤー

3 2.0

1

1-4

5

5 8

4 5 0 5 3 4

225 267

8 5 5

7 2 4 243

421 475

5

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)

5

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 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)

0.5. 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 ,l)(03

-……0.5

2

30-(X1

(6)

廻鋤釦,加釦釦

Vf⑪ 2.0 2b0 2.0 2.0 2.0 30.1X(

‘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

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

2000

1000

500

0 . 5 1 . 0 1 . 5

図-10P.‘曲線の測定値

2.0 6(画)

(7)

熊本大学工学部研.究報告第38巻第3号(平成元-11) 249

㎡鈎釦釣釦釦

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)

- 具 形 銅 ト ワ イ ヤ ー 釦 2 . 0

5

! i

零 三 三

(箔還逼己5 ㈹釦

1

2

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

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)

/6

'

54321

0●●●000.0.00

"

〆ロ

(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

(8)

b (

;d;Jdc

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

| l

ロ5#0100

峡筋SD35D10(主筋)′

SR24“(あばら”

aosl・鯛c露(2.,1。

8c.14210.,(3

図-13解析に用いたRCはりの形状・寸法及び載 荷方法

100o

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

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)

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、

.‘・雲涛…

.

,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

坐竺些-L“1

Y

;I(;

+a0oo。(xQ-do)+a8scQ(d-xn》式③ 1200

(9)

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

輯蕊羅e参垂坤や稜叩室,葦鈴貝人・屍

2.0

(9)

1.0

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

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

(

● 2 2 0

▲ 1 7 0

■ 1 2 5

ず/

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 (f

%

図-16有効せいが変化したときのMy.V,関係の

計算値

(10)

ときの繊維補強コンクリートの有効性が定量化され

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

参照

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