2019 Fiscal Year Research-status Report
Axial Collapse Mechanism and Its Prevention Method for Reinforced Concrete Beam-Column Joint Failing in Joint Hinging
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18K04435
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
北山 和宏 首都大学東京, 都市環境科学研究科, 教授 (70204922)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 建築構造・材料 / 鉄筋コンクリート構造 / 柱梁接合部 / 降伏破壊 / 軸崩壊 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，三方向地震動を受ける鉄筋コンクリート柱梁接合部が曲げ降伏破壊してから軸崩壊に至る一連の機構を解明し，柱梁接合部が軸崩壊する時の骨組の限界変形を把握することを目的とする．本年度は二方向水平力および変動する柱軸力を立体隅柱梁部分架構試験体３体に与える実験を実施した．変数は柱梁接合部の横補強筋量（横補強筋比0.27%と0.61%）および変動軸力の載荷履歴である．柱梁曲げ耐力比は，軸力減少側（軸力0）で1.1程度，軸力増大側（圧縮軸力比0.13）で2.1程度として，軸力減少時に接合部降伏破壊を生じるように設計した．
実験では層間変形角1～2%で接合部曲げ降伏破壊によって最大耐力に達したのち，水平耐力が低下した．その後，層間変形角3～4%で柱梁接合部内のコア・コンクリートの圧壊が進むとともに接合部横補強筋が面外にはらみ出して135度フックが抜け出し，接合部内の柱主筋が随所で座屈して柱軸力を保持できなくなった．柱梁接合部の横補強筋量を二倍に増やすことで接合部の軸崩壊の発生は抑えられ，変形性能の増進を得た．実験結果の詳細な検討から，接合部内での柱主筋の座屈が上下柱の相対回転角の急増を引き起こしたことを示した．その結果として上下の柱がくの字状に変形し，柱梁接合部での軸崩壊が生じたことを指摘した．
本実験および既往研究をもとに柱梁接合部の降伏破壊後の軸崩壊機構について検討を進めた．変動軸力幅が小さく二方向水平力を受ける立体隅柱梁接合部の軸崩壊は，梁の無い側の接合部コンクリートが圧壊して局所的な軸縮みを生じ，接合部上下の柱が互いにくの字状に変形して崩壊するモードであった．これに対して変動軸力幅が大きい平面外柱梁接合部の既往実験では，水平力の載荷方向とは逆方向の載荷時に開いた接合部斜めひび割れが閉じずに，その面に沿って上柱が滑り落ちて軸崩壊し，立体隅柱梁接合部とは異なることを指摘した．
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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
本研究では「課題1：柱梁部分骨組の実験」および「課題2：曲げ降伏破壊後に軸崩壊する柱梁接合部の力学モデルの構築」の二つの課題を解決することを目標とする．課題1については，「研究実績の概要」に記載したように立体隅柱梁部分架構３体に二方向水平力および変動軸力を載荷する実験を行なって，柱梁接合部が曲げ降伏破壊後に軸崩壊に至る性状を詳細に検討した．接合部補強比を0.17から0.34へ倍増することで接合部降伏破壊が徐々に進展し, 柱梁接合部の軸崩壊発生時の柱頭累積変形が44%増加（すなわち変形性能が増大）した．柱梁接合部の横補強筋の増量が接合部の軸崩壊抑制に寄与した．
西田・前田ら（2019）による平面外柱梁接合部の既往実験との比較より，軸崩壊までに経験した層間変形角ベクトル和の最大値および接合部補強比がそれぞれ同程度（各々4%および0.25）であっても, 水平二方向載荷による接合部への損傷が水平一方向載荷と比べて著しかったため, 圧縮軸力比が0.13と小さくても軸崩壊に至ったことを示した．
このような相違を生じた原因をさらに追求するため，2019年度には新たに立体隅柱梁部分架構試験体２体を作製し，現在静的載荷実験の準備中である．実験変数は変動軸力のふれ幅（引張りから圧縮まで大きく変動）および柱中段筋の本数とし，本研究で既に実験した３体の結果と比較できるように計画した．
課題2については，曲げ降伏破壊したト形柱梁接合部が軸崩壊するときの二つの破壊モードのうち，本研究の実験で観察したモード（接合部コンクリートの局所的な軸縮みおよび柱主筋の座屈によって，接合部上下の柱がくの字状に変形して軸崩壊に至る）を対象として，その力学モデルの概要を考察した．
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度には, 現在実験準備中の立体隅柱梁部分骨組試験体２体に静的正負交番載荷する実験を実施する．この実験では，2019年度の実験よりも変動軸力のふれ幅を引張りから圧縮まで大きく設定する．これは，既往の平面ト形接合部実験で見られたように負載荷時の高引張軸力によって生じた斜めひび割れが正載荷時に閉じずに, 圧縮軸力を受ける上柱がその面に沿って滑落して生じる軸崩壊モードを対象として，実際の地震動を模した三方向加力を受ける立体隅柱梁接合部における再現の有無を検証するためである．また接合部降伏破壊を提唱した塩原によれば，柱中段筋は接合部降伏破壊の防止に役立ち，2019年度の実験で柱中段筋の軸力保持能力が確認されたことから，柱中段筋の本数を変数とした実験によってその軸崩壊防止効果を定量的に把握したい．
上記の実験実施と並行して，柱梁接合部の曲げ降伏破壊から軸崩壊に至る力学モデルを完成させる．ここでは，接合部コンクリートの局所的な軸縮みおよび柱主筋の座屈により，接合部上下の柱がくの字状に大きく変形して軸崩壊に至る機構を対象とする．柱梁曲げ耐力比が比較的小さく，変動する柱軸力および二方向水平力を受ける隅柱梁接合部においては，このモードによる柱梁接合部の軸崩壊が発生する可能性が最も高いと判断したためである．この力学モデルに基づいて，柱梁接合部が曲げ降伏破壊後に軸崩壊するときの骨組の限界変形の定量的な評価手法を導出することを目指す．
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