角形銅管を用いた鉄筋コンクリート充填銅管構造に関する実験

角形銅管 を用 いた鉄筋 コンク リー ト 充填銅管構 造 に関す る実験

片

^*。

Experilnent on Reinforced― concrete― filled― tube Using Square Steel Pipe

Noritoshi KATAOKA・ ,Yukitake SHIoI**and Akira HASEGAキ

^VA*・

Abstract

conapse of structures like bu■ dings or bridges in Hyogoken― nanbu― earthquake,should be prevented  Excellent rnechanical performances like strength and displacement are required for the structures  lf high performance on strength and displacement ttrill be given, M/e can con‐

struct smaller size structures and use ef[ectively the space of cities  Reinforced concrete nlled steel tube(RCFT)w■ l be able to have these required mechanical characteristics Therefore, the tests on RCFT author are continued to research the mechanical characteristics

FrOHl the points of design and construction,、 、 「

、 ア ant to use square shape tube as the steel pipe  This paper sho、 、 ア s the results of compression test,bending test,especially the results of inauence of reinforcements and steel― thickness

Kっυ  rttο rtrs i square steel tube, reinforced concrete rined steel tube, compression test, bending test,concrete lilled steel tube

1.は じ め に

兵庫県南部地震で橋脚 な どが受 けた大 きな被 害 を防止す るために ,耐 荷力 と変形性能 の向上 が求 め られている。小規模構造で高い耐荷力 と 変形性能が得 られれば ,狭 い都市空間 を多角的 に活用す ることがで きる。鉄筋 コンク リー ト充 填鋼管構造

この ような要求 に対 し て

きな′ 性能 を有す ることがで きると考 えら れ ることか ら ,そ の力学的特性 を調査す るため に実験 を行 ってきている。設計 と施工 を考 える と

この鋼管 として角形銅管 を使用 したい場合 が ある。 そ こで ,角 形鋼管 を使用 した場合 の

平成 15年 12月 19日 受理

*大

学 院工学研 究科土 木工学専 攻 博 士 前期 課 程・ 1年

**大 学院土木工学専攻・ 教授 半半

学院土木工学専攻・教授

RCFTの 力学的特性 を把握す る目的で

縮せ ん断試験お よび曲げ試験 を行 った。特 に

筋 配置

管板厚 な どが ,力 学的特性 にどの よう

な影響 を与 えるかについて

験 を行 った。

2。 CFT構 造 。 RCFT構 造の概説 図

示す コンク リー ト充填構造 (Concrete

_{合成構造の一種で}

鋼管 とコンク リー トの異種材料 を部材 レベル ま

たは構造 システムレベルで結合 し

体 となっ

て機能す る構造物である。素材 としての鋼管 と

コンク リー トの長所 を活か し互 いの短所 を補充

しあうことで

一材料 よ り優 れた耐荷能力 と

変形能力 を有 し

に繰 り返 し荷重下での耐震

能力 に優れてい る。 またコンク リー ト打設時に

は型枠が不要 とな り

工時 には省力化・省ス

図 1  コンク リー ト充填構造 Concrete nlled tube(CFT) ペ ース化 につ なが る。

一 方

示 す鉄筋 コンク リー ト充填構造 (Reinforced  concrete  FiHed  steel  tubei

RCFT)は CFTに 鉄筋 を加 えた構造 で

管 と 充 填 コンク リー トの二体化 が促進 され

り耐 荷力 が高 く変形性能 も優 れてい る もの と考 え ら れ る。

3.圧 縮せん断試験

試験 に使 用 した試験体 一覧 を表 1に

験体 の寸法 と鉄筋配置 を図

それ ぞれ示 す。試験 体 の充填状況 によ り中空

強度 コ ンク リー ト

八戸工業大学紀要   ^{第 23巻}

表

圧縮せん断試験で使用 した試験体番号

図 2  鉄筋 コンク リー ト充填構造

Reinforced concrete rilled tube(RCFT)

充 填

強 度 コンク リー ト充填

強度 コンク リー トでかぶ りの大 きい RC,か ぶ りの小 さい

RC,2重 配 筋

_{類 に分類 され}

れ ぞ れ鋼管 を使 用 す るタイプ と鋼管 を使 用 しないタ イ プの

_{類 作成 し,計}

につ い て圧縮 せ ん 断試験 を行 った。 また

純 累加 強度 を求 め る た めに RCFT試 験 体 ,CFT試 験体 の充 填部 分 と同様 の材料 ,寸 法 ,配 筋 とした鋼管 のない RC

の み試験体

につ い て も同様 の試験 を行 っ た。試験体 は一辺

正 方形 断面 で

さ

した。鋼管 の板 厚 は 32 mm,45

― ‑ 58 ‑―

断 面 形 状

板 厚

_{中 空 低 強 度 高 強 度}

大 帯 鉄 筋 小 帯 鉄 筋 二重 帯 鉄 筋

3̲ク

mm

SC

32HS―

4̲5mm

S(

∩∩ mm

60LM―

S(

60HS― SC

SC

SC

SC

SC

SC

※ 9岡 管 なしは

_{ず つ}

mmお

よび 60 mmと した。テス トピース によ る圧縮強度 は

強度 コンク リー トで

mm2,高 強 度 コ ン ク リー トで

あった。

3。

試験結果

試験体 には

位計 およびひずみゲージを取 り付 け ,荷 重 との関係 を調査 した。荷重 は

性範囲で は ,3回 の繰 り返 し荷重 をか け耐震性 機能 を調査 した。 また

填 コンク リー トの機 能 を観察す るため

壊後

管 を象 J離 し内部

コンク リー トの状況 を調査 した。

図

厚が

試験体 の荷重変位 曲 線である。 この ような荷重変位 曲線か ら

大 荷重 ,靱 性率お よび合成効果 を求 めた。 これを 表

_示す。

3。

最大荷重

最大荷 重 は

厚 が大 きいほ ど大 きな値 と なってい る。鉄筋の役害 Jは ,金 岡管 とコンクリー トの一体化 を促進 し

にせん断力への抵抗性 として大 きな役割 を果たす と考 えられた。 しか し

心部 を鉄筋で補強す る小帯鉄筋 の鉄筋配

φ6

置試験体が特 に優れている結果 とはなっていな ぃ。ただ し

に帯鉄筋 を配置 した試験体 は

いずれの板厚で も最大荷重 を示 した。 このよう に

筋配置 による差が小 さかった要因 として は

管 を巻 くことにより鉄筋の外部が拘束 さ れ るため

効断面積が帯鉄筋 の大小 に関係 な く最大荷重 には影響が少なかった もの と考 えら ヤ ιる。

3.3 

靭性率

最大荷重時 の靱性率 と

の靱性率 を比 較す る と ,60LM SCは 最大荷重時の靱性率 よ

り

の靱性率の方が

回 りよ り高 い靱′ l生 を発揮 した。 また

体 を通 してみると 低強度 コンク リー トを充填 した ものが

い粘

り強 さを発揮 した。 3.2mm,4.5mm,60mmと

試験体別 に低強度 コンク リー トと高強度 コンク リー トで比べ ると ,す べての銅管の厚 さで低強 度 コンク リー トが高い靱 サ 性を示す とい うことが 明 らか となった。 これは

強度 コンクリー ト

を使用 した試験体 は最大荷重後 の耐荷力が急激 に変化す ることの影響 と考 えられ

形‖ 生能 は 低強度 コンク リー トの方が有利であることが示

40

RCFT(大 帯鉄筋 )  RCFT(′ ^卜帯鉄筋 )  RCFT(二 重帯鉄筋

CFT _{底 板}

図

圧縮せん断試験 :試 験体

1

０ 甘 Ｎ ＝ ０ ０ ０ 甘 ︐ Ｏ Ｓ

酬        

２ ０ ０

八戸工業大学紀要   ^{第 23巻}

5      1o       ls       20

Disptacementlmm)

図

圧縮せ ん断試験 :荷 _{重変位 曲線}

_厚が

場合

表

圧イ

せん断試験の最大荷重 ,革 刀性率および合成効果

︵Ｚ ︼ ︶０ ︑ ｏ コ

600

0

0 25

―い60HM―

SC

‑80HB― SC

00HS―

SC

試験体名 鋼管厚 さ

(mm) 充填状況 最大荷重

(KN) ^靱性率 δπ /ゝ

靱性率 δ 95/δ 〉 ^合成成果

32CH―

32

42167 184 205

32Lふ

/1‑SC 32 低強度 コンク リー ト 86505 261 324

32HM―

32 高強度 コンク リー ト 1,11579 148 163 109

32HB―

32 大帯鉄筋 1,02844 170 201 100

32HS―

32 小帯鉄筋 98449 149 193 093

32HW SC

32 二重帯鉄筋 1,17661 143 170 117

45CH―

45

78802 160 193

45Lヽ

′ I―

45 低強度 コンク リー ト 1,06453 146 269 086 45HM―

45 高強度 コンクリー ト

134 167 095

45HB―

45 大帯鉄訪 1,30120 163 208 093

45HS―

45 小帯鉄筋 1,32945 147 193 094

45HW SC

45 二重帯鉄筋 1,37301 125 193 100

60CH―

60

1,08342 260 299

60Lふ

/1‑SC 60 低強度 コンク リー ト 1,44403 192 337 094

60HM―

60 高強度 コンクリー ト 1,51270 145 226 090

60HB―

60 大帯鉄筋 1,56175 141 275 092

60HS―

60 _小帯鉄筋 1,56371 127 245 091

60HW SC

60 二重帯鉄筋 1,59942 167 259 096

CLふ

/1‑SC 鋼管無 し 低強度 コンク リー ト 44935

CHM―

_{鋼管無 し} 高強度 コンクリー ト 59865

CHB―

鋼管無 し 大帯鉄筋 60698

― ‑ 60 ‑―

された。

3.4 

_合成効果

今 回 は塑性領域 にお け る合成効 果 も調査 し

写真

圧縮せ ん断試験破壊状況 :銅 _{管のみ試験体} (60CH― SC)

た。 これ に よ る と

大 荷 重 時 の合 成 効 果 は

32HW―SCが

最 も高 い結果 で あ った。 また

性 領 域 (変 位 10 mm)に お け る合 成 効 果 は

32HW―SCが

最 も高 い結果 で あ った。 これ らか

写真

圧縮せ ん断試験破壊状況 :(60 HB SC)

写真

圧縮せん断試験破壊状況 :(60 HS SC) 写真

圧縮せ ん断試験破壊状況

写真

圧縮せ ん断試験破壊状況 :(60 HM― SC) 写真

圧縮せ ん断試験破壊状況

ら ,最 大荷重時か ら塑性領域 に移行す るに従 い

合成効果が向上 し

性領域 における合成効果 は最大荷重時 における合成効果 と比べ

れて いるのが分か る。また

管別では

鋼管が優れていた。

3.5 

_{破 壊 状 況}

写真 1〜

各 試 験体 の破壊 状 態 をそれ ぞれ 示 す。 中空銅管試験体 で は

験体下部 に局部 座 屈 が見 られ た。 RCFTお よび CFT試 験体 の ほ とん どの試験体 は

部 か ら下部 へ と斜 め方

八戸工業大学紀要   第 23巻

表 3  曲げ試験 で使用 した試験体番号

RCFT(大

帯 鉄 筋

RCFT(小

帯 鉄 筋

RCFT(二

重 帯鉄 筋

図 5  曲 げ試験 :試 験体

― ^{‑ 62 ‑―}

向 に局 部座 屈 が発生 していた。 また

験 終了 後 に鋼管 をカ ッ トし内部 ヨンク リー トの破壊状 況 を確認 した ところ

管 の変 形 とほぼ同様 の 流 動的 な コンク リー トの変形 が み られ

きな クラ ックや損傷 は見 られ なか った。 この ことか ら,￠岡管 に よって周辺 を拘束 され る ことによっ て

部 コ ンク リー トは

筋 コンク リー ト単 独 の変形・ 破壊 とは大 き く異 な って

管 と同 様 な変形 まで追従 し

きな変形 に至 る まで機 能 を果 た して い る こ とが わか った。

ＦＴ ０００

リ ト 一

断 面 形状

配筋状況

中 空

高強度 低強度 大帯鉄筋 小帯鉄筋 二重帯鉄筋

板 厚

3.2mm ^32CH― SB 32LM― SB 32HM一 SB 32HB―

SB 32HW― SB

4.5mm ^45CH― SB 45LM― SB 45HM― SB 45HB「 SB 45HS― SB 45HW― SB

60CH― SB ^60LM― SB 60HM― SB ^60HB― SB ^60HS― SB 60HW― SB

φ9*25@,2=1000

湖

φ^{3半25072=1800}

φ

9+25@72・ 1000

150

0

0 0.05    φ

図 6  曲げ試験 :M― φ曲線

厚が 6mmの 場合

0.15

表 4  曲げ試験 の最大 曲げモーメ ン ト

性率 お よび鋼管 のみ試験体 との比

いい いい い呻

一一 三

周 Ｅ キ ｚ も ︐ ｃ ｏ Ｅ ｏ

試験体名 鋼管厚 さ

(mm) 充填状況 最大 曲げモーメ ン ト

(KN・ m) ^靱性率δ

鋼管 との最大 曲 げモーメ ン トの

比較

32CH―

32

2171 108

32Lふ

I―

32 低強度 コンク リー ト 6493 509 299

32Hヽ /1 SB 32 高強度 コンク リー ト 6167 250 284

32HB―

32 大帯鉄筋 7521 553 346

32HS―

32 小帯鉄筋 6872 305 317

32HW SB

32 二重帯鉄筋 7529 538 347

45CH―

45

4266 137

45Lふ

′ _J―

45 低強度 コンク リー ト 10623 542 249

45HM―

45 高強度 コンク リー ト 10912 564 256

45HB―

45 大帯鉄筋 10839 590 254

45HS―

45 小帯鉄筋 11304 564 265

45HW SB

45 二重帯鉄筋 11606 586 272

60CH―

60

5687 216

60Lふ

/1‑SB 60 低強度 コンク リー ト 12956 516 228

60HM―

60 高強度 コンク リー ト 12900 504 227

60HB―

60 大帯鉄筋 13226 511 233

60HS―

60 小帯鉄筋 13364 521 235

60HW SB

⁶⁰ 二重帯鉄筋 13714 522 241

八戸工業大学紀要   第 23巻

4.曲 げ 試 験

曲げ試験 に使用 した試験体一覧を表

験体 の寸法 と鉄筋配置 を図

それぞれ示す。

試験体 は

縮せん断試験で使用 した試験体 の 材料 および鉄筋配置 は同様 になっているが

辺

正方形断面で

さ

圧縮せん断で使用 した試験 と比べ大型 な もの と なっている。

4.1 

_試験結果

試験 は

縮せん断試験 と同様 に

性域で

の繰 り返 し荷重 をか け耐震性 を調査 した。

図

6mm試 験体 の ν ―φ曲線 を示す。 コン ク リー トあるいは鉄筋 コンク リー トが充填 され た試験体 の最大荷重が

管のみ試験体 に比べ 飛躍的に増大す ることがわかる。また,表

この ような ″ ―φ曲線か ら求められた最大 曲げ モーメン ト

性率および鋼管の曲げモーメン

トの比 を示 している。

4.2 

最 大 曲 げモー メ ン ト

板 厚が厚 い ほ ど最大 曲 げモー メ ン トは向上 し た。板厚が厚 けれ ば

空鋼管 自身 の最大 曲げ モ ーメ ン トが大 きい こ と

厚 の拘束効果 が高 い こ とが ,そ の理 由 と考 え られ る。 中 で も 60

HW SBの 最 大 曲 げ モー メ ン トは もっ と も大 きな もの とな った。鉄筋配置 でみ る と ,内 部 に 二 重帯鉄筋 を充 填 した試験体 が

較 的高 い最 大 曲 げモ ー メ ン トを示 した。 32mm鋼 管 を使 用 した試験体 を除 いて

帯鉄筋

帯鉄筋 ,二 重帯鉄筋 の順 で最大 曲 げモーメ ン トは向上 す る

こ とが 明 らか となった。鉄 筋 を入 れ な い CFT

試 験 体 で は

強 度 と低 強 度 に よ る最 大 曲 げ モ ーメ ン トの違 い は明確 とな らなか った。

4.12 

_{革 双性率}

鋼管 の厚 さ とい う点で靱性率 を見 てい くと

厚 いほ ど靱性率 が向上 してい くとい う もので も ,薄 いほ ど向上す るとい うもので もなかった。

また

ンクリー トの低強度 と高強度 を比較 し て見て も

差がな くほぼ同等の靱性率であっ た。次に配筋の相違 による影響であるが

れ については二重帯鉄筋 を充填 した ものが ,す ^べ

てにおいて優れていて ,つ いで小帯 。大帯鉄筋 という結果 となった。

4.3 

強度増大率

管 のみ試験体 との最 大 曲げモーメン トの比

強度増大率 を表すために

RCFToCFT試

験体 の最大 曲げモーメン トと ,中 ^{空鋼管の最大}

曲げモーメン トとの比 を求 めた。鉄筋の違 いか ら検討 してみると

重帯鉄筋が最 も優れた強 度増大率 を示 した。また ,3.2mmで ^は

SBが

最 も優れた強度増大率 を示 した。

で は 45 HW―

最 も優 れた強度増大率 を示 した。

は 60 HW―

最 も優れた強 度増大率 を示 した。 しか し

帯鉄筋

帯鉄 筋および二重帯鉄筋の配筋 の種類 による強度増 大率 にはそれほ ど大差 は無かった。

4.4 

_{曲げ破壊状況}

写真 7〜 12に 各試験体 の破壊状 態 をそれ ぞ れ示す。全ての試験体 は載荷点で銅管の局部座 屈が見 られた。試験終了後

管 をカ ッ トし充 填 コンク リー トの破壊状況 を観察 した ところ

鉄筋 を加 えて ない CFT試 験 体 の充 填 コ ンク リー トは

め方向 または鉛直方向に破断が見 られたが

筋 を挿入 した RCFT試 験体 で は

破断はほ とん ど見 られなかった。

6。 ま と め

6.1 

_{圧縮せん断試験}

(1)CFT,RCFTは,鋼

管 ,RCと 比べ強度

単 刀 ^'l生 において優 れている。

(2)CFTに 強度 の高 いコンク リー トを充填す ると ,破 壊時 に脆性破壊す る傾 向が見 られ る。特 に

厚比 の大 きな試験体で顕著で ある。

― ‑ 64 ‑―

(3)鉄 筋 を入 れ る こ とに よ り,最 大耐荷 力 の増 大 はあ ま り見 られ なか ったが,朝 性 の面 で 優 れ てお り,終 局 限界 状 態 で その効 果 を期 待 で きる。

写真 7  曲 げ試験 破 壊 状 況 :鋼 _{管 の み試 験 体}

CH― SB)

写真 8  曲げ試験破壊状況

(4)鋼

管が厚 けれ ば靭性が高 くな る とは限 ら ず

面 にしめる鋼管 と ,コ ンク リー トの バ ランスが重要である。

(5)RCFTは,充

填 コンク リー トがせ ん断破

写真

曲げ試験破壊状況 :(60 HB SB)

写真

_{曲げ試験破壊状況} :(60 HS SB)

写真 9   曲げ試験破壊状況

写真 12   曲げ試験破壊状況

八戸工業大学紀要   第 23巻

6。 2

(1)

(4)

以上の ことか ら

造 は従来の

RC構 造

構造 と比較 して終局限界状態 にお 壊 して も

激 に耐力 を失わず ,単 刀性 に富 む部材である。

曲 げ試 験

CFT,RCFTは

管 と比 べ強度

性 の 面 で優 れ て い る。

RCFTは ,CFTと 比 べ高 い強度 と ,靭 性 を発揮 す る。中で も二重配筋試験体 はその 効 果 が大 き く,終局 限界状 態 において も形 状保 持 の効 果 が期 待 で きる。

RCFTと ,CFTは 破壊形 状 で大 き く異 な る。 CFTは ,載 荷 点 で充 填 コ ンク リー トに 破 断 が見 られ たが ,RCFTで ^{はひ び わ れ}

は見 られ る もの の

断 まで は至 って な か った。

RCFTは ,CFTと 比べ高い強度 と ,革 刀性 を発揮す る。中で も二重配筋試験体 はその 効果が大 きく ,終 局限界状態 において も形 状保持の効果が期待で きる。

いて優 れた強度

性

形 性能 を有 す る こと が証 明 された。本試験 によって角形鋼管 を利 用 した RCFTの 力 学 的挙 動 に関 す る知 見 を え る こ とがで きた。

今後 ,円 形 鋼管 との比較 な ど検討 を続 ける予 定 で あ る。

参 考 文 献

1)日

本建築学会 ,コ ンク リー ト充填鋼管構造設計 施工指針 (199710)

2)日

本建築学会

構造 限界状態設計指針・同解 説 (199810)

3)日

本建築学会

管構造設計施工指針・同解説

4)工 海軍 ,超 長大橋 のための鉄筋 コンク リー ト充 填鋼管構造 に関す る研究 (20012),八 戸工業大 学博士論文

5)長 谷ナ

,橋 梁 システムの耐震設計法 に関す る 研究 (20023)

6)日

本建築学会 ,構 造委員会 ,鋼 コンク リー ト合 成構造運営委員会 ,鋼 コンク リー ト合成構造の 設計・研究 の動 向 と 21世 紀への期待 (200211)

7)石 橋博則 ,鉄 筋 コンク リー ト充填鋼管構造 の力 学的特性 に関す る実験的研究 (20023),八 戸工 業大学修士論文

―‑ 66 ‑―