正負繰返し荷重を受ける軽量鉄筋コンクリートばりの曲げ・せん断試験 : せん断ひびわれ幅におよぼす供試体寸法の影響について

(1)

正負繰返し荷重を受ける軽量鉄筋コンクリ

ートばりの曲げ@せん断試験

〔せん断ひびわれ幅におよぼす供試体寸法の影響について〕

池

狭千朗 *

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軽量鉄筋コンクリートばりのせん断ひぴわれl陪におよほすせん断スパン比，主筋比，あばら筋比，コンクリート強度並びに供試体寸法などの影響については不明な点が多い。本研究は静載荷並びに塑性域の正負繰返し荷重を受け，供詩体寸法を4種類にかえた合計20体の軽量 RCについて曲げ，せん断試験を実施し，供誠体寸法の相違があばら筋の補強効果にどのような影響を与えるかを調べてきたが， ζ のうちせん断ひびわれ帽におよぼすあばら筋比の影響が供試体寸法の相違によってどのような影響を受けるかを調べたものである.

1 .

まえがき鉄筋コンクリート部材の曲げひぴわれについては，実験的にも，理論的にもある程度解明され，曲げひびわれ l隔の制御が実施設計において，何らかの形で取入れられている.しかしながら，せん断ひびわれl隔については，ソビ、エトの設計規準を除いて， Leonhardt， Walther による実験結果と Placas， R巴agan の実験式等においての資料が見られるのみである。ソビエトの設計規準によるせん断ひぴわれl隔の推定値も満足できる結果は与えないとも言われており，三主用設計にせん断ひびわれ幅の制御を取り入れる乙とは，いまだ達成されていえE い.これは前述のようにせん断ひびわれ帽についての資料が少なく，せん断ひぴわれ幅を推定する惟定式として，信頼できるものが見あたらないためとも考えられる. i乙正負繰返し曲げ・せん断試験を実施し，供試体寸法の相違がはりのせん断耐力と変形性能にどのようと

r

影響を与えるかを調べた.本研究はこれらのうち，せん断ひびわれ帽におよぼすあばら筋の補強効果が供試体'.1-法の相違によって，どのような影響を受けるかを調べたもので，小試験体で得られたひぴわれl隔の値を大きな誌験体のひびわ帽の推定に役立てるための基礎資i"fとするのが目的である. 著者は静載荷並びに塑性域の正負繰返し荷重を受ける

15X30C

/ll断面の軽量鉄筋コンクリ lトばりのせん断耐力と変形性能におよぼすあばら筋の補強効果について調べてきた.今回，供試体の相違があばら筋の補強効果にどのような影響をおよぼすかは不明な点が多いため，スケーノレ比を 4種，あばら筋上むを 5種，合計20体の軽量RCばりについて静載荷並ひ一 *建築学科供試体の概要

(2)

1

6

小池狭千朗表

1

供詩体の詳細 b 断x面D寸(四法) 主

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2

軽量骨材の物理的性質表

3

コンクリートの調合表と物理的性質セメント水細骨材鰻骨材混合前脚1ント比I計1ヲンプ髄惜度納骨材率目国自枇淵

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2 .

試験方法 (1) 供試体および実験計画図

-1

および表

-1

1<:各供試体の概要と詳細を示すー供誠体寸法は15X30cm断面のはりを prototypeのはりとし，寸法比で%.1.%および%の4種類のはり断面 (%シリーズ:断面20.5x41cm，長さ328C111，せん断スパン73.8CJ/l， 1シリーズ:断面15X30C1It，長さ240C1It，せん断ンパン54cm

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シリーズ:断商10x20cm

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長さ160 C>>l，せん断スパン36cm，%シ1)_ズ:断面7.5X 15Clll，長さ120.4C111，せん断スパン27.1cm)とした.表中，記号 “S"は静載荷，“C"は繰返し載荷を示す。せん断スパン比はすべて2.0とした.あばら筋比はOから1.25%まで5 種類(記号1:あばら筋比Pw=O%，V: Pw = 1.25勿，

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2

3

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4

/1lnI‘%シリーズでは3.2 仰であるため，供詩体寸法の異なるはりのあばら筋比を同一にするため，あばら筋の間隔を操作してあばら筋比表

4

鉄筋の物理的性質断面積降伏強さ引張強さ {申び率 D 22 3.81cm' 3849kg/cm' 5916kg/cm' 25.8% D 19 2.87 3770 5620 27.0 D 13 1.27 3828 5710 28.4・ D 10 0.71 3918 5874 27.9 中 9 0.64 4589 4802 10.3 中 6 0.28 5172 5485 6.6 中 4 0.13 4756 5156 6.5 中 3.2 0.08 6104 6625 5.8 表

5

載荷方法試験体記号試験体載満方法荷重段階個数荷重樹高 (t叫￨繰り返し回数

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シリーズは正負繰返し載荷で12体，合計20体の柱型付き中央集中載荷単純ばりによる曲げ・せん断試験を実施した. 主筋には表- 1 1ζ示すように.D10から D22までの SD35異形鉄筋を複筋ばり (Pt=Pc=1.401めとして使用した.はりの下端から主筋の中心までの距離はすべてはりせいの0.1倍とした.あばら筋は伸から世3.2までの

4

種類の鉄線素材を図

1

に示すように閉鎖型にし，端部を13501乙曲げて配筋した.柱製部分には主筋と同じ径の軸筋を各コーナーに一本.計4本配し， ~~と 1 シリーズでは伸鉄線を . % とシリーズでは伺鉄線を閉鎖型の帯筋として，非常に密に配筋し，柱型部分に曲げひぴわれが発生し，剛性が低下しないようにした.乙れらの帯筋は非常に有効にきき，柱型内部lとは曲げひぴわれは全く発生しなかった.たわみの測定のために，柱型の中央部にボルトを4本(%と1シリーズは件16四J

7

1aと%シリーズは世13Jn1R)埋め込んだ.さらに支点位置のはりの中央部にねじを切ったボ、Jレト(%と1シリーズは世16，%

(3)

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% Bシリーズはりの破壊状況と%シリーズは世13)を随め込み，たわみの計測に利用した.繰返し載荷は試験体を上下に回転させて行うため，各誌験体の両端部の端面の中央部 lと世2271/711の鉄筋を埋め込んだ。 (2) 使用材料使用した軽量骨材の物理的性質を表

-2

に示す.骨材は細，粗量材とも非造粒形の人工軽骨骨材を使用した。セメントは普通ポルトランドセメントを使用した.コンクリートの調合表を表-31乙示す.コンクリートの平均圧縮強度は弘および%シリーズでは，材令 40~70 日で 280Kg/Clh ， 1シリーズでは材令260日で320

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図

-5

最大耐力とあばら筋比の関係で試験体を再作製し，材令 300日でテストした。乙のときの圧縮強度は340均/dlであった.表-41乙使用した鉄筋の物理的性質を示す SD35 異形鉄筋 DlO~D22 は主筋に使用し，鉄線素材伸世3.2はあばら筋，フープ筋として使用したa (3) 載荷および測定方法載荷には

1

0

トン静載荷万能試験機を使用した.本機

(4)

1

8

小池狭千朗は疲労試験を主たる目的としているため3柱間隔が狭心そのために繰返し載荷では，誌験機の上部，固定耐圧盤の近くにレールをつくり，これに台車を""、ら上げ，この台車からのフックを利用して，供試体の両端 i乙埋め込んだ丸鋼印22側)にこのフックをかけ，各繰返しサイクルの荷重が正負に逆転するごとに，供試体を試験機の外に滑り出させ，回転させて試験機の中に入れ載荷させるという方法で，正負の繰返し曲げ・せん断試験を実施した。試験には，はりの最大耐力 i乙応じて，最大荷重土 100 トン(~1Jシリーズ) ，土50トン

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シリース)で試駿j去を使用した。載荷は単純ばりの中央の柱型部分に薄いゴムを敷き，その上l乙

3 .

5 c

lIlの厚さの鉄板をのせ，鉄板の全面に荷重をかけたc 載荷方法を表- 5~こ示す.静栽1"Jj" SP と i斬増正負繰返し載荷“C"の2種類とした.繰返し載荷のはりでは各サイクル毎に降伏荷重の凡(%シリーズでは3.56トン， Prototypeの1シリーズでは2トン1

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3

シリーズでは 0.89トン，1!zシリーズでは0.5トン〕つつ究室を上司げて試験を行し、，はりの降伏以後は破壊までピッチR=3.09 x 1O-3radのたわみ角 (Prototypeの1シリーズで1.67 伽)のたわみ角で変形制御により試験した.個々の供誌 {本の載荷履歴は表- 6の右端の覧 lζ示す. Tこわみの計測は図 11乙示すように，柱型部分に埋め込んだ4本のボルトで固定した世38仰のたわみ計測用のノてーを介して，柱型端部と支点との相対たわみを，精度 lGom，ストローク30皿と50咽のダイヤルゲ lジを用いて，左右のスパン別々に測定した. せん断ひびわれ悶と曲げひびわれ幅の測定は，静載荷のはりでは各荷重段毎 lこ，正負繰返し載荷のはりでは降伏荷重までは処女載荷々童段毎に，降伏以後は各サイクルの正負の最大荷重時

K

，100倍， (0[1計および20倍のクラック町測微鏡を用いて，全てのひびわれに記号をつけて，ひぴわれ 'IJR~ を計測した.せん断ひびわれ帽の計測位置は，目測でひぴわれ中日が最大と思われる位置に印しをつけて，常 l乙周一位置で測定した.

3 .

実験結果とその考察誌験結果のうち，せん断初ひびわれ耐力，降伏耐力および最大耐力とその変位を表 6~こ示す. Qはせん断力，アはせん断応力度で T=Q/bjd (j二7/8)で求めたもの， Rはたわみ角で R=占/arad (占はたわみ， aはせん断スパン長さ)で求めたもの， Nはその荷重に達するまでの繰返しサイクルの回数を示す.添字cはせん断ひぴわれ発生時を添字yははりの曲げ降伏時を，添字u は最大蒲重時を示す.破壊の項の記号“B"は曲げ破壊を "S"はせん断破壊または正負の繰返しにより脆性的にせん断破壊した部材の破壊を示す.降伏荷重の示してないはりは，最大耐力が降伏荷重に達せずせん断破壊した乙とを示している圃%BIIb-Cはりはあやまって最初に降伏荷重lこまで載荷させてしまったため，再度試験体を同一調合で作製し，テストした績を示す. (1) ひびわれ伸展状況と破壊状況柱型端部よりややはなれた位置に発生した曲げひびわれが荷重点の方向に曲がりはじめたときの荷重を傾めせん断ひぴわれ発生荷重とみなした.また，との傾めひびわれとは別にはりのウエブの中に曲げひぴわれとは関係なく.単独にウエブにほぼ 450に発生するひぴわれがあり，これを斜めせん断ひびわれと名付け，乙のひびわれの発生するときの荷重を斜めせん断ひびわれ発生荷重とみなした巴表- 6の添字 cのせん断ひびわれ荷重の値はこれらの内，早く発生した荷重を記したものである. 図- 2は%BI2ーS ばりと %BV2- S ばりのひびわれ伸展状況を示したものである.% Blz-Sばりでは P= 33.78トンのとき G'のせん断ひびわれ(斜めせん断ひわぴれ)が発生し，はりは破壊したが，

%

BV2- Sばりでは， P=53.4トンで柱裂の上部のコンクリー卜が圧潰して破壊している. 図-3~乙 %B シリーズの供試体の破壊状況を示す. あばら筋の配筋してない

lz-S

ばりで、は，すべて曲げ降伏荷重より低い荷重でせん断破壊した。これらのはりでは最大

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耐力時に柱型端部と支点とを結ぶ斜めせん断ひびわれが発生し，はり作用を失ったために耐力が急げさに低下し，非常にねばりの之しい性状を示した.あばら筋比1.2596のV2← S ぱりではすべてのはりが大変形になるまで耐え，かつ非常に大きな靭性を示したが，大きな供試体の方が耐力，変形性能ともにやや劣る性状を示した圃正負繰返し載荷のはりで、は，いずれのはりも降伏荷重に達する前 l乙，正負の繰返し荷重により，はりのウエブ l己主型にせん断ひびわれが多数発生ーした.これらの X型のせん断ひびわれの隔は，はりが降伏するまではあまり大きく関口しないが，塑性域の正負繰返しの領域 l乙入ると，変形が大きくなり，これらの X型のせん断ひぴわれの幅も徐々に大きくなり，さらに大変形時には荷重の正負の逆転時にせん断ひぴわれの両側のコンクリート部分が閉じるときにコンクリート相互がきしみ合い，ついにはウエブ部分のコンクリートが徐々に剥落しはじめる.さらに載荷が進むと，この部分のコンクリートが剥落して，はり作用を失ない脆性的にせん断破壊した。あばら筋比の高いはりほど，あばら筋がウエフのX型のせん断ひぴわれの制が広がるのを防止するためと，大変形時にはあばら筋の閲摘が狭いほど X型ひびわれに固まれた菱形のコンクリート塊が剥落するのぞ防ぐため、あばら筋比の低いはりも大変形にいたるまで比較的大きな耐力を保持した.

(5)

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-6

荷重 (2) せん断耐力とあばら筋比の関係図 4Kせん断初ひぴわれ耐力とあばら筋比の関係を示す.縦軸の分母 sQyVは同じ寸法のあばら筋比

Pw=

1. 25~ぢの静載荷のはり (V-S ばり)の曲げ降伏時のせん断力を意味する.図

-4

より 1Bシリーズが最も高く， %Bシリーズが最も低い値を示している.Qc/s QyVの値は O.15~0.45の間にあり，かなりのばらつきを示している.せん断初ひぴわれ荷重はあばら筋量の多少には関係ないとするのが定説になっているようであり，今回のテストではかなりばらつきを示しており，一方この図によれば，供試体寸法の影響が出ているかどうか不明である.しかしながら% BとB，%BとV2Bシリーズを群と考えると，大きな試験体の方が高い値を示しており，一般に小試験体の方が高い値を示すと言われる点とは相反している.せん断初ひぴわれ荷重は同条件のはりでもそたわみ曲線の{直にかなり大きなばらつきを示す点から考えて，やはり今回のテストのみでは，供試体寸法の影響については結論付けることはできないと考えられる. 図-51<:最大耐力とあばら筋比の関係を示す .1Bh-Sばりは Qu/sQyVの値が0.70を示し，最も低い耐力 (4) を示しているが，同一条件のはりの前回のテストによれば0.95を示しており， 12-Sぱりでは同一条件のはりでの値のばらきが非常に大きし供試体寸法の影響については，これぐらいの試験体数ではつかみえない.あばら筋比1.25%のシリーズのはりでは， Qu/s QyVの値は

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BVぱりで1.47，%BVばりで1.44，1 BVばりで 1.44， %BVぱりで1.37を示し，寸法の大きな供試体ほどやや低い値を示した.正負繰返し載荷のはりでは，あばら筋比が増加すると最大耐力およびそのときの変形量はともに増加する傾向にあるが

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(7)

表

7

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-71

乙長期荷重時のせん断ひぴわれ幅の実測値をスケーJレ比をかけて， Prototypeの lBシリ{ズのはりに換算した債を示す.乙の表は sca1eeffectがないものとして作成したものである.静載荷のはりではいずれも0.2皿よりは小さし Vシリーズはりでは小試験体の方がやや大きな値を示している.長期荷重時のV-Sばりのひびわれ幅の合計は， Prototypeの lB-Sはりに換算すると，1hBはりで

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となり， % Bはりの値がやや低いものの，今回の誠験では供試体寸法の影響はあまり認められなかった. 学会の長期許容せん断応力度の規定にしたがえば，あばら筋比を増加させると許容せん断力を増加させること

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bj {αfs + 0.5wft (Pw -0.002)} ~:はりの許容せん断力 fs:コンクリートの許容せん断応力度 wft:あばら筋のせん断補強用許容引張長応力度 Pw:あばら筋比一方，あばら筋比を増加させるとひぴわれ幅をおさえる乙とはできるが，荷重が大きくなるにしたがって，ひびわれ幅はやはり増大する.あばら筋比の増加とともに許容耐力は上式によって大きくなるため，許容耐力時のひびわれ幅はかなり大きく，表

-7K

示すごとく長期荷重時のせん断ひぴわれ幅は0.35%，0.62%および0.95% のあばら筋比のはりの

1

即ζ，かえってひぴわれ幅が大きくなっており，一部では無視できない値を示している. 乙のひびわれ幅は

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断面という中型のはりの結果

(8)

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小池狭千朗

尾刊訂::問問!問時ヨ

図

-7

prototyp巴のはりに換算したせん断ひびわれ帽の拡大状況であり，これより大きな実大のはりに近い試験体の場合には，寸法比に応じてもっと大きな帽のひびわれが発生すると推定される. (4) せん断ひぴわれ帽の拡大状況図 71己主要なせん断ひぴわれ幅の拡大状況を示す. 縦軸には ProtypeのはりにF換算した荷重を，横車出iこはPrototypeのはりに換算したせん断ひびわれ帽をとれ各荷量段ごとに測定したせん断ひぴわれ帽をプロットした.せん断ひぴわれはコンクリ{トの弱し、部分から入るために，ひぴわれ発生荷重，発生位置，ひぴわれ幅等が非常にまちまちで，図 lこ示すかうに，ばらつきが大きい.荷重とせん断ひぴわれ阻とあばら筋比との関係を調べるために，多数発生しているせん断ひびわれのうち，主要なせん断ひぴわれ 3~4 個の平均のせん断ひぴわれを求め，これと荷重との関係与をあばら筋比ごとに示したものが図- 8である.図- 8の荷重と平均せん断ひぴわれ師は

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lIl断面の Prototypeのはりの値に換算したものである.いずれの供試体寸法のはりでも，あばら筋比が増加するにつれてせん断ひぴわれ料は減少する傾向を示しており，あばら筋の追加がひびわれの制御に役立つことを示している.さらに，図 8で、は，各あばら筋比において，供誌体寸法の影響が認められるほどの傾向はみられない.供試体の本数も少なく，これだけで実験式をつくることはできないので，今後，誌験体の本数を増してこれらの点を検討する必要がある@ (2) 一方， placeとReganは実験結果をまとめて次のような斜めひぴわれ幅の推定式を提案している。 Wmax

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四日と Q とが直線的な関係にあることを示しているが，図- 8による今回の誌験結果は，ほぼ放物線で表示できる関係を示している.これらの相遂については，今後とも検討する必要がある。測定したひびわれ陥と供試体寸法との関係を評価する一つの方法として，各荷重段におけるせん断ひぴわれ幅の総和と荷重または繰返しサイクルとの関係を Proto typ巴の 15x30cm断面のはりに換算して図-91乙示す。図-9(a) と (e) は静載:荷時のものである.あばら筋

(9)

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彰まで加えるζとによりひぴわれ幅の総和を非常に減少させていることがよくわかる.図-9(b)，(c)および (d) は繰返し載荷時のものであるが，相互に比較するとあばら筋比の高いはりの方がひびわれ幅の総和は小さくなっており，あばら筋の増加によりひぴわれ幅が制御されていることがよくわかる.図

-91

乙よれば，供試体寸法の異なる4本の折線は各あばら筋比とも，かなり近接しており，今回の試験に関しては供試体寸法の影響はみられないようである。

4 .

むすび 20体の軽量鉄筋コンクリートばりの静載荷並びに正負繰返し曲げ・せん断試験を実施し，塑性域の正負繰返しにより自主性的にせん断破壊するはりのせん断耐力とせん断ひぴわれ幅におよlますあばら筋比と供裁体寸法の影響について調べた結果，次のようなととがわかった (1)今回の試験結果によれば，供試体寸法の相違なるはりにあっても，せん断ひぴわれ幅の拡大の傾向にはあまり明白な相違は見られなかった。 (2)学会の長期許容せん断耐力式は，あばら筋の追加により大きな耐力を許容している.Protoypeのはりに換算したせん断ひびわれ幅に関する今回の試験結果によれば，長期荷重時において一部のはりでかなり大きなひびわれ幅を示しており，実大に近いもっと大きとE供試体では大きなひびわれ幅が生じるものと推定される。 (3)今回の試験によれば，せん断ひびわれ幅と荷重との関係はほぼ放物線で表示できると考えられるが，供試体本数も少なく，笑験式をつくるところまでは至らなかった. (4)せん断耐力に関しでも，供試体寸法の相違によると思われるような点は見られなかうた。今後とも試験を継続して，供試体本数を増加させて荷重とせん断ひびわれ幅との関係についての信頼にたる推定式を求めるようにする予定である。参考文献

1) Leonhart F. und Walther R. : Beitrage zur Behandlung der Schubprobleme im Stahlbetonbau

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Beton und Stahlbetonbau

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4 )

小坂義夫，小池幸男‘正負繰返し荷重を受ける軽量 RCばりのせん断耐力とじん性について、セメント技術年報， Vo1.26(昭47)pp.422-429. 5) 小阪義夫，小池狭千朗(幸男) ‘正負繰返し荷重を受ける軽量RCばりのせん断耐力とじん性におよlます主筋比の影響について、セメント技術年報， Vo1.27(昭48)pp .438-443 (昭和田年l月10日受付〉

正負繰返し荷重を受ける軽量鉄筋コンクリートばりの曲げ・せん断試験 : せん断ひびわれ幅におよぼす供試体寸法の影響について