2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of seismic response reduction method for RC buildings using polypropylene fiber reinforced concrete
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18K04430
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
佐藤 裕一 京都大学, 工学研究科, 助教 (20293889)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長沼 一洋 日本大学, 理工学部, 教授 (50755048)
金子 佳生 京都大学, 工学研究科, 教授 (60312617)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 鉄筋コンクリート / 耐震壁 / ポリプロピレン繊維補強コンクリート / 乾燥収縮 / ひび割れ / 拘束 / 衝突 / 有限要素解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
従来鉄筋コンクリート建物の乾燥収縮ひび割れ対策は美観維持や鉄筋発錆防止を主眼に行われてきた。しかし最近の有限要素法による解析から，乾燥収縮ひび割れが曲げ降伏型部材主体の建物の地震時応答変位を増大させることが指摘されている。これらの研究では1,000μ程度の乾燥収縮ひずみが想定されている。応答変位抑制のための部材断面の増大や補剛部材の追加は使用性・経済性の低下を招く。架構構成を変えることなく乾燥収縮ひずみを抑制し応答変位を低減するために繊維補強コンクリートの応用が考えられる。一方，中高層鉄筋コンクリート建物の地震応答解析を実施すると，局部的には5/s程度の大きなひずみ速度が耐震壁に生じることを確認している。これらの条件を再現しつつ，収縮ひび割れによる応答増大の抑制を図ることを目的として， 2018年に3週間の乾燥収縮期間を設けたポリプロピレン繊維補強コンクリート耐震壁の衝撃載荷実験を実施した。今年度は，その装置を改良し，かつ乾燥収縮期間を1年まで延長した試験体を加え，有限要素法による非線形動的応答解析を併用し，振動特性と繊維補強の効果を確認した。
ポリプロピレン繊維補強について，衝撃実験時の壁・柱用普通コンクリートのひずみは乾燥収縮期間3週間で22%，乾燥収縮期間1年で47%の収縮低減を確認した。また有限要素法における精度向上のため，曲げ試験を実施したのちに逆解析によって引張応力―ひび割れ開口幅関係をモデル化した。さらに昨年作成した有限要素二次元モデルおよび三次元モデルを改良し，衝突部の非線形剛性モデルを導入することにより，応答荷重，部材角，ひび割れ分布の予測精度改善を図った。これらの結果を踏まえ，鉄筋コンクリート高層建物のモデル化に着手し，最終年度における性能評価の準備を整えた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
同一形状・配筋の耐震壁試験体を4体作製した。実験変数は，(1)材料種類（普通コンクリートとポリプロピレン繊維補強コンクリート），および(2)乾燥収縮期間（3週間と1年）の2つである。乾燥収縮の後，衝突実験前の段階で，ポリプロピレン繊維を混入せず拘束したNR365にのみ，顕著な斜めひび割れが観察された。これ以外の3体には目視可能なひび割れは観察されなかった。この観察から，拘束がなければ明瞭なひび割れは生じず，かつ拘束を加えてもポリプロピレン繊維によってひび割れが防止されることを示した。続く落下錘衝突実験においては，NR365の既存ひび割れ幅が拡大した。他の3体には壁の基部に短いひび割れが観察されたものの，せん断ひび割れは発生せず，NR365との顕著な差異が確認された。これは2018年度に実施した実験と類似した傾向ではあるが，乾燥収縮期間を大幅に延長したことにより，衝撃載荷実験前に既に大きなひび割れが生じ，衝撃実験後にはそのひび割れ幅が拡大しただけであった。この結果から長期の乾燥収縮期間が予想される実建物において，より顕著なひび割れ長さが生じ得ることを確認した。
試験体挙動を有限要素法により適切に再現するため，2018年に作成した二次元および三次元のモデルを大幅に改良した。この改良は，(1) 接触界面用要素の改良と汎用化，(2)実験の逆解析から得た引張応力―ひび割れ開口幅関係の直接入力(3) Hertz則を参考とした衝突部の非線形剛性の適用，(4)ひずみ速度モデルとしてCEB-FIP 1990 Codeの改良モデルの適用の４つからなる。これらの改良を適用した解析により，ひび割れの傾向と衝突時の振動を概ね再現し，ポリプロピレン繊維の混入が衝突後の耐震壁の固有周期の増大を9.3%抑制することを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2018年度と2019年度に実施した実験および解析に基づいて，ポリプロピレン繊維補強コンクリートの構成モデルを確定し，これを中高層鉄筋コンクリート建物の有限要素モデルに適用し，地震応答を検証する。建物モデルは次の3種とする。
(1)12層現行耐震設計建物（ラーメン構造，二次元）：日本建築学会性能評価型設計指針の設計例建物。純ラーメン構面と耐震壁を含む構面に分けてモデル化。
(2)22層旧耐震設計建物（壁床構造，三次元）：1985年メキシコ地震で中破ないし大破判定された建物。このような旧設計建物に新しい繊維補強材料が適用されることはあり得ないが，せん断や圧壊に至る応力条件を実際に経験した構造モデルとして，検討対象に加える。
(3)50層現行耐震設計建物（フラットスラブ構造，三次元）：NewRC研究開発の設計例建物。応力と収縮ひずみの条件の厳しい１階と２階を六面体要素，３階以上を線材および四辺形要素によりモデル化する。
共通する解析パラメータは，(1)材料種類（普通コンクリート，ポリプロピレン繊維補強コンクリート），(2)乾燥収縮ひずみ（普通コンクリートで1000μと2000μ，ポリプロピレン繊維補強コンクリートで593μと1187μ），および(3)地震波（代表的なもの5種）とし，一つの建物につき20ケースの解析を実施する。解析に基づき，最大部材角，部材内最大ひずみ速度，固有周期，ひび割れ量を定量化した上で，ポリプロピレン繊維補強の振動抑制効果を評価する。
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| Causes of Carryover |
下記の2つの理由により次年度使用額が生じた。
(1)試験体製作にあたり，2019年度の共同利用実験設備に想定より余力が生じ，外注を予定していた鉄筋加工および型枠製作の内製化が可能になったため。
(2)大規模な建物解析の実施のため計算機購入を予定していたが，2019年度中のモデル化作業段階では既存設備で対応できることが判明し，購入を見送ったため。
この次年度使用額は，2020年度に高性能計算機の購入に充当し，解析検証の高速化・効率化を図る。
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