(57)【要約】【課題】確実に裏面剥離、貫通を抑止可能な繊維補強コンクリートを使用してなる耐衝撃構造を提供する。【解決手段】コンクリートに繊維を混入した繊維補強コンクリートを用いて形成される耐衝撃構造であって、繊維補強コンクリートを、コンクリートの圧縮強度が２５Ｎ／ｍｍ２以上、且つ曲げじん性係数が１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数が２０Ｎ／ｍｍ２以上として形成する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリートに繊維を混入した繊維補強コンクリートを用いて形成される耐衝撃構造であって、
前記繊維補強コンクリートは、コンクリートの圧縮強度が２５Ｎ／ｍｍ２以上、且つ曲げじん性係数が１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数が２０Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする耐衝撃構造。
【請求項２】
請求項１記載の耐衝撃構造において、
前記繊維補強コンクリートは、第１繊維と第２繊維の２種類の繊維を単独で、あるいは双方ともにコンクリートに混入してなり、
前記第１繊維は、比重が０．９１、繊維径が０．０１〜０．１ｍｍ、繊維長さが１０〜３０ｍｍ、引張強度が２９０±５０Ｎ／ｍｍ２で、ヤング率が（０．１８±０．０２）×１０４Ｎ／ｍｍ２のポリプロピレン繊維とし、
前記第２繊維は、比重が１．３２、繊維径が０．５〜１．５ｍｍ、繊維長さが２０〜３０ｍｍ、引張強度が４５０±５０Ｎ／ｍｍ２で、ヤング率が（２．００±０．２）×１０４Ｎ／ｍｍ２のポリエチレンテレフタレート繊維とし、
曲げじん性係数を１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数を２３Ｎ／ｍｍ２以上として形成されていることを特徴とする耐衝撃構造。
【請求項３】
請求項２記載の耐衝撃構造において、
前記第２繊維は、その表面に高さが０．０５ｍｍ以上、繊維長さ方向の幅が０．５ｍｍ以上の凹凸加工を施して形成されていることを特徴とする耐衝撃構造。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の耐衝撃構造において、
前記繊維補強コンクリートは、第１繊維と第２繊維の２種類の繊維を単独で、あるいは双方ともにコンクリートに混入してなり、
前記第１繊維及び／又は前記第２繊維の前記繊維の混入率と曲げじん性係数の関係式と、前記繊維の混入率と圧縮じん性係数の関係式とを求め、前記繊維の混入率と曲げじん性係数の関係式及び前記繊維の混入率と圧縮じん性係数の関係式に基づいて、曲げじん性係数が１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数が２３Ｎ／ｍｍ２以上の前記繊維補強コンクリートが形成されていることを特徴とする耐衝撃構造。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の耐衝撃構造において、
前記繊維補強コンクリートは、第１繊維と第２繊維の２種類の繊維を単独で、あるいは双方ともにコンクリートに混入してなり、
曲げじん性係数（Ｎ／ｍｍ２）をｆｂｔ、圧縮じん性係数（Ｎ／ｍｍ２）をｆｃｔ、繊維混入率（体積％）をＶｆとしたとき、
前記第１繊維では、
ｆｂｔ（１）＝１．９Ｖｆ、繊維長さが３０ｍｍの場合にｆｂｔ（１）＝１．９Ｖｆあるいはｆｂｔ（１）＝２．５Ｖｆ、
ｆｃｔ（１）＝３０Ｖｆ＋８（０≦Ｖｆ≦０．５）、ｆｃｔ（１）＝２３（０．５＜Ｖｆ）とし、
前記第２繊維では、
ｆｂｔ（２）＝２．９Ｖｆ、
ｆｃｔ（２）＝Ｖｆ＋８（０≦Ｖｆ≦１．０）、ｆｃｔ（２）＝９（１．０＜Ｖｆ）とし、
前記第１繊維と前記第２繊維の双方を混入する場合には、
ｆｂｔ＝Σ（ｆｂｔ（ｎ））、
ｆｃｔ＝Σ（ｆｃｔ（ｎ）−８）＋８とし、
上記の関係式に基づいて、前記第１繊維と前記第２繊維の２種類の繊維を単独で、あるいは双方ともにコンクリートに混入し、曲げじん性係数が１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数が２３Ｎ／ｍｍ２以上の前記繊維補強コンクリートが形成されていることを特徴とする耐衝撃構造。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の耐衝撃構造において、
先端形状が球形の剛な飛翔体をコンクリート板の衝突面に衝突させる高速衝突実験での飛翔体の貫入深さを下記の式（１）と式（２）で求め、式（３）に基づいて前記繊維補強コンクリートの厚さが設定されていることを特徴とする耐衝撃構造。
【数１】
2014201482.tif 000017
【数２】
2014201482.tif 000018
【数３】
2014201482.tif 000019
ここで、ｔｓは衝突面における飛翔体の貫入深さ（ｃｍ）、Ｗは飛翔体の質量（ｋｇ）、Ｄは飛翔体の直径（ｃｍ）、Ｖ０は飛翔体の衝突速度（ｍ／ｓｅｃ）、ｆｃはコンクリートの圧縮強度（Ｎ／ｍｍ２）、ｄは裏面剥離が生じないコンクリート板の最小厚さ（ｃｍ）である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維補強コンクリートを使用してなる耐衝撃構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、航空機、自動車、列車、あるいは爆発事故や竜巻などによる飛来物がコンクリート構造物（コンクリート構造部材）に衝突することにより、コンクリート構造物には、曲げ破壊あるいはせん断破壊といった全体的な破壊や、表面破壊（衝突面の破壊）、裏面剥離（衝突面と反対面のコンクリートの剥離）、貫通などの局部的な破壊が生じる。また、局部破壊のうち、裏面剥離や貫通が生じると、裏面側にコンクリート片等の飛散物が飛散し、構造物内部に存在する人や設備、物品等にも被害が及ぶことになる。このため、裏面剥離や貫通を抑止し、構造物内部に存在する人や設備、物品等への被害を防止できるようにすることが求められる。
【０００３】
これに対し、裏面剥離や貫通を抑止する方法としては、部材厚さを厚くする方法、裏面を鋼板やシート状の材料で補強する方法、繊維補強コンクリートを使用してコンクリート構造物を形成する方法などが提案、実用化されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０２４６７６号公報
【特許文献２】特開２００６−０８９２９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、上記の裏面剥離や貫通を抑止する方法のうち、特に繊維補強コンクリートを使用して裏面剥離、貫通を抑止する対策においては、未だ、系統的な設計が可能なほど、データや知見が蓄積されていないのが現状である。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、確実に裏面剥離、貫通を抑止可能な繊維補強コンクリートを使用してなる耐衝撃構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。
【０００８】
本発明の耐衝撃構造は、コンクリートに繊維を混入した繊維補強コンクリートを用いて形成される耐衝撃構造であって、前記繊維補強コンクリートは、コンクリートの圧縮強度が２５Ｎ／ｍｍ２以上、且つ曲げじん性係数が１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数が２０Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の耐衝撃構造において、前記繊維補強コンクリートは、第１繊維と第２繊維の２種類の繊維を単独で、あるいは双方ともにコンクリートに混入してなり、前記第１繊維は、比重が０．９１、繊維径が０．０１〜０．１ｍｍ、繊維長さが１０〜３０ｍｍ、引張強度が２９０±５０Ｎ／ｍｍ２で、ヤング率が（０．１８±０．０２）×１０４Ｎ／ｍｍ２のポリプロピレン繊維とし、前記第２繊維は、比重が１．３２、繊維径が０．５〜１．５ｍｍ、繊維長さが２０〜３０ｍｍ、引張強度が４５０±５０Ｎ／ｍｍ２で、ヤング率が（２．００±０．２）×１０４Ｎ／ｍｍ２のポリエチレンテレフタレート繊維とし、曲げじん性係数を１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数を２３Ｎ／ｍｍ２以上として形成されていることが望ましい。
【００１０】
さらに、本発明の耐衝撃構造において、前記第２繊維は、その表面に高さが０．０５ｍｍ以上、繊維長さ方向の幅が０．５ｍｍ以上の凹凸加工を施して形成されていることがより望ましい。
【００１１】
また、本発明の耐衝撃構造において、前記繊維補強コンクリートは、第１繊維と第２繊維の２種類の繊維を単独で、あるいは双方ともにコンクリートに混入してなり、前記第１繊維及び／又は前記第２繊維の前記繊維の混入率と曲げじん性係数の関係式と、前記繊維の混入率と圧縮じん性係数の関係式とを求め、前記繊維の混入率と曲げじん性係数の関係式及び前記繊維の混入率と圧縮じん性係数の関係式に基づいて、曲げじん性係数が１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数が２３Ｎ／ｍｍ２以上の前記繊維補強コンクリートが形成されていることがさらに望ましい。
【００１２】
さらに、本発明の耐衝撃構造において、前記繊維補強コンクリートは、第１繊維と第２繊維の２種類の繊維を単独で、あるいは双方ともにコンクリートに混入してなり、曲げじん性係数（Ｎ／ｍｍ２）をｆｂｔ、圧縮じん性係数（Ｎ／ｍｍ２）をｆｃｔ、繊維混入率（体積％）をＶｆとしたとき、前記第１繊維では、ｆｂｔ（１）＝１．９Ｖｆ、繊維長さが３０ｍｍの場合にｆｂｔ（１）＝１．９Ｖｆあるいはｆｂｔ（１）＝２．５Ｖｆ、ｆｃｔ（１）＝３０Ｖｆ＋８（０≦Ｖｆ≦０．５）、ｆｃｔ（１）＝２３（０．５＜Ｖｆ）とし、前記第２繊維では、ｆｂｔ（２）＝２．９Ｖｆ、ｆｃｔ（２）＝Ｖｆ＋８（０≦Ｖｆ≦１．０）、ｆｃｔ（２）＝９（１．０＜Ｖｆ）とし、前記第１繊維と前記第２繊維の双方を混入する場合には、ｆｂｔ＝Σ（ｆｂｔ（ｎ））、ｆｃｔ＝Σ（ｆｃｔ（ｎ）−８）＋８とし、上記の関係式に基づいて、前記第１繊維と前記第２繊維の２種類の繊維を単独で、あるいは双方ともにコンクリートに混入し、曲げじん性係数が１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数が２３Ｎ／ｍｍ２以上の前記繊維補強コンクリートが形成されていることが望ましい。
【００１３】
また、本発明の耐衝撃構造においては、先端形状が球形の剛な飛翔体をコンクリート板の衝突面に衝突させる高速衝突実験での飛翔体の貫入深さを下記の式（１）と式（２）で求め、式（３）に基づいて前記繊維補強コンクリートの厚さが設定されていることがより望ましい。
【００１４】
【数１】
2014201482.tif 000002
【００１５】
【数２】
2014201482.tif 000003
【００１６】
【数３】
2014201482.tif 000004
【００１７】
ここで、ｔｓは衝突面における飛翔体の貫入深さ（ｃｍ）、Ｗは飛翔体の質量（ｋｇ）、Ｄは飛翔体の直径（ｃｍ）、Ｖ０は飛翔体の衝突速度（ｍ／ｓｅｃ）、ｆｃはコンクリートの圧縮強度（Ｎ／ｍｍ２）、ｄは裏面剥離が生じないコンクリート板の最小厚さ（ｃｍ）である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の耐衝撃構造においては、コンクリートの圧縮強度が２５Ｎ／ｍｍ２以上、且つ曲げじん性係数が１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数が２０Ｎ／ｍｍ２以上である繊維補強コンクリートを用いることによって、裏面剥離の抑止効果（裏面剥離や貫通の局部破壊を抑止する効果）を得ることができる。これにより、飛来物の衝突などによって裏面側にコンクリート片等が飛散し、構造物内部に存在する人や設備、物品等に被害が及ぶことを防止することが可能になる。
【００１９】
また、繊維補強していないコンクリートを使用した場合と比較して、短繊維補強コンクリートを使用することにより、コンクリート構造体の部材寸法を小さくでき、資源の有効活用を図ることも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる耐衝撃構造の繊維補強コンクリートの繊維混入率と曲げじん性係数の関係を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる耐衝撃構造の繊維補強コンクリートの繊維混入率と圧縮じん性係数の関係を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる耐衝撃構造の繊維補強コンクリートの優位性を確認するために行った実証実験で用いた試験体を示す図である。
【図４】実証実験の高速衝突実験で使用した高圧空気式飛翔体発射装置を示す図である。
【図５】衝突速度３１５ｍ／ｓｅｃとした場合のプレーンコンクリート板の高速衝突実験結果を示す図である。
【図６】衝突速度３１５ｍ／ｓｅｃとした場合のＰＰ１０のコンクリート板の高速衝突実験結果を示す図である。
【図７】衝突速度３１５ｍ／ｓｅｃとした場合のＰ５Ｔ５のコンクリート板の高速衝突実験結果を示す図である。
【図８】衝突速度４１５ｍ／ｓｅｃとした場合のプレーンコンクリート板の高速衝突実験結果を示す図である。
【図９】衝突速度４１５ｍ／ｓｅｃとした場合のＰＰ１０のコンクリート板の高速衝突実験結果を示す図である。
【図１０】衝突速度４１５ｍ／ｓｅｃとした場合のＰ５Ｔ５のコンクリート板の高速衝突実験結果を示す図である。
【図１１】実証実験の各試験体の表面破壊直径と貫入深さの関係を示す図である。
【図１２】実証実験の各試験体の裏面剥離直径と裏面剥離深さの関係を示す図である。
【図１３】実証実験の各試験体の貫入深さ／板厚と衝突速度の関係、及び裏面剥離の有無の関係を示す図である。
【図１４】実証実験の各試験体の貫入深さと衝突速度の関係、裏面剥離限界相対貫入深さに板厚を乗じて求めた裏面剥離を生じる貫入深さの下限、及び修正ＮＤＲＣ式によって算定した貫入深さを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図１から図１４を参照し、本発明の一実施形態に係る耐衝撃構造について説明する。
【００２２】
まず、本実施形態の耐衝撃構造は、コンクリートに繊維を混入した繊維補強コンクリートを使用してなる耐衝撃構造であって、例えば自動車などが衝突した際に、内部に存在する人や設備、物品等に被害が生じないように、裏面剥離や貫通の発生を抑止できるように設計された耐衝撃構造である。
【００２３】
より具体的に、本実施形態の耐衝撃構造は、例えば飛散物が高速で衝突するような衝撃作用に対して、コンクリートの壁や床などの板状のコンクリート部材の局部破壊を抑止するための構造に関し、コンクリート部材は、無筋コンクリート板及び鉄筋コンクリート板の双方を意味する。
【００２４】
また、本実施形態の耐衝撃構造を構成する板状のコンクリート部材は、短繊維をコンクリートに混入して形成され、その圧縮強度が２５Ｎ／ｍｍ２以上で、曲げじん性係数が１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数が２０Ｎ／ｍｍ２以上とされている。
【００２５】
一方、本実施形態の繊維補強コンクリートのコンクリート部材は、第１繊維（短繊維）と第２繊維（短繊維）のいずれかを単独でコンクリートに混入、または双方を組み合わせてコンクリートに混入して構成してもよい。
【００２６】
そして、この場合、第１繊維は、材質がポリプロピレン、比重が０．９１、繊維径を０．０１〜０．１ｍｍ、好適には０．０５ｍｍ±０．０１ｍｍ、繊維長さを１０〜３０ｍｍ、好適には１０ｍｍ、繊維の引張強度が２９０±５０Ｎ／ｍｍ２、ヤング率が（０．１８±０．０２）×１０４Ｎ／ｍｍ２の短繊維である。
【００２７】
第２繊維は、材質がポリエチレンテレフタレート、比重が１．３２、その繊維径を０．５〜１．５ｍｍ、好適には０．７ｍｍ±０．１ｍｍ、繊維長さを２０〜３０ｍｍ、繊維の引張強度が４５０±５０Ｎ／ｍｍ２、ヤング率が（２．００±０．２）×１０４Ｎ／ｍｍ２の短繊維である。
【００２８】
また、第２繊維は、その表面に、高さが０．０５ｍｍ以上で、長さ方向の幅が０．５ｍｍ以上となるように凹凸が形成されていることが好ましい。
【００２９】
そして、本実施形態のコンクリート部材は、上記のように第１繊維と第２繊維のいずれか、または双方をコンクリートに混入することによって、曲げじん性係数が１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数が２３Ｎ／ｍｍ２以上となっている。なお、短繊維の混入率は、１．５体積％以下であることが好ましい。
【００３０】
ここで、各種繊維の混入率を段階的に変化させてコンクリート部材（繊維補強コンクリート、耐衝撃構造）を形成し、曲げじん性係数、圧縮じん性係数を計測した試験結果を図１及び図２に示す。この図１及び図２中、ＰＰ１０、ＰＰ２０、ＰＰ３０はそれぞれ、ポリプロピレンを混入率１０、２０、３０体積％で混入した試験体、ＰＥＴ３０は、ポリエチレンテレフタレートを混入率３０体積％で混入した試験体を意味する。
【００３１】
そして、本実施形態では、上記のように試験を行い、第１繊維及び／又は第２繊維の繊維の混入率と曲げじん性係数の関係式と、繊維の混入率と圧縮じん性係数の関係式とを求め、これら繊維の混入率と曲げじん性係数の関係式及び繊維の混入率と圧縮じん性係数の関係式に基づいて、曲げじん性係数が１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数が２３Ｎ／ｍｍ２以上のコンクリート部材を形成するようにする。
【００３２】
具体的に、本実施形態では、曲げじん性係数をｆｂｔ（Ｎ／ｍｍ２）、圧縮じん性係数をｆｃｔ（Ｎ／ｍｍ２）、繊維混入率をＶｆ（体積％）とし、図１及び図２のような試験結果に基づいて、以下の式４〜式７の「曲げじん性係数と繊維混入率の関係式」、「圧縮じん性係数と繊維混入率の関係式」を満足するように、第１繊維、第２繊維の諸条件を設定する。
【００３３】
まず、第１繊維を単独で混入する場合（繊維径が０．０１〜０．０６ｍｍであることが好ましい）には、次の式４及び式５の条件を満足するようにしてコンクリート部材を形成する。
【００３４】
【数４】
2014201482.tif 000005
（繊維長が３０ｍｍの場合には、ｆｂｔ＝２．５Ｖｆとしてもよい）
【００３５】
【数５】
2014201482.tif 000006
【００３６】
次に、第２繊維を単独で混入する場合（繊維径は０．５〜０．８ｍｍであることが好ましい）には、次の式６及び式７の条件を満足するようにしてコンクリート部材を形成する。
【００３７】
【数６】
2014201482.tif 000007
【００３８】
【数７】
2014201482.tif 000008
【００３９】
次に、第１繊維と第２繊維を組み合わせて混入する場合（但し、第１繊維の繊維径は０．０１〜０．０６ｍｍ、第２繊維の繊維径は０．５〜０．８ｍｍであることが好ましい）には、第１繊維と第２繊維に関する式４〜式７で求めた曲げじん性係数、圧縮じん性係数を次の式８及び式９に当てはめてコンクリート部材を形成する。なお、式８、式９中のｎは、ｎ＝１（第１繊維）、２（第２繊維）を意味する。
【００４０】
【数８】
2014201482.tif 000009
【００４１】
【数９】
2014201482.tif 000010
【００４２】
また、本実施形態では、先端形状が球形の剛な飛翔体がコンクリート部材（コンクリート板）に衝突した場合に関し、次の式１０及び式１１で表される修正ＮＤＲＣ式による貫入深さ算定式を利用し、式１２によって裏面剥離を抑止するために必要なコンクリート板の最小厚さを求める。
【００４３】
なお、ｔｓは衝突面における飛翔体の貫入深さ（ｃｍ）、Ｗは飛翔体の質量（ｋｇ）、Ｄは飛翔体の直径（ｃｍ）、Ｖ０は飛翔体の衝突速度（ｍ／ｓｅｃ）、ｆｃはコンクリートの圧縮強度（Ｎ／ｍｍ２）、ｄは裏面剥離が生じないコンクリート板の最小厚さ（ｃｍ）である。また、式１０及び式１１で表される修正ＮＤＲＣ式は、「Kennedy,R.P.：A review of procedures for the analysis and design of concrete structures to resist missile impact effects、Nuclear Engineering and Design、３７、ｐｐ．１８３−２０３、１９７６年」に示されている。
【００４４】
【数１０】
2014201482.tif 000011
【００４５】
【数１１】
2014201482.tif 000012
【００４６】
【数１２】
2014201482.tif 000013
【００４７】
ここで、コンクリート板の最小厚さの設定に関する具体例を示す。
〔設定例１〕
まず、第１繊維を１．０体積％でコンクリートに混入したコンクリート板（コンクリート部材）の場合、
ｆｂｔ（１）＝１．９Ｖｆ＝１．９×１．０＝１．９  ≧  １．８Ｎ／ｍｍ２・・・ＯＫ
ｆｃｔ（１）＝２３  ≧  ２３Ｎ／ｍｍ２・・・ＯＫ
そして、Ｗ＝０．０５ｋｇ、Ｄ＝２．５ｃｍ、Ｖ０＝３１５ｍ／ｓｅｃ、ｆｃ＝２５Ｎ／ｍｍ２とすると、
ｔｓ＝２．７７ｃｍ、ｄ≧２．７７／０．３５＝７．９１ｃｍ
よって、コンクリート板の最小厚さを７．９１ｃｍとすれば、上記の飛翔体が衝突しても裏面剥離を抑止可能なコンクリート板を形成することが可能になる。
【００４８】
〔設定例２〕
第１繊維を０．５体積％、第２繊維を０．５体積％でコンクリートに混入したコンクリート板（コンクリート部材）の場合、
ｆｂｔ（１）＝１．９Ｖｆ＝１．９×０．５＝０．９５
ｆｂｔ（２）＝２．９Ｖｆ＝２．９×０．５＝１．４５
ｆｂｔ＝ｆｂｔ（１）＋ｆｂｔ（２）＝２．４  ≧  １．８Ｎ／ｍｍ２・・・ＯＫ
ｆｃｔ（１）＝２３
ｆｃｔ（２）＝８．５
ｆｃｔ＝（ｆｃｔ（１）−８）＋（ｆｃｔ（２）−８）＋８＝２３．５  ≧  ２３Ｎ／ｍｍ２・・・ＯＫ
そして、Ｗ＝０．０５ｋｇ、Ｄ＝２．５ｃｍ、Ｖ０＝３１５ｍ／ｓｅｃ、ｆｃ＝２５Ｎ／ｍｍ２とすると、
ｔｓ＝２．７７ｃｍ、ｄ≧２．７７／０．３５＝７．９１ｃｍ
よって、コンクリート板の最小厚さを７．９１ｃｍとすれば、上記の飛翔体が衝突しても裏面剥離を抑止可能なコンクリート板を形成することが可能になる。
【００４９】
ここで、本発明にかかるコンクリート部材（繊維補強コンクリート、耐衝撃構造）の優位性を確認するために行なった実証実験について説明する。また、この実証実験では、高圧空気式飛翔体発射装置を用いて剛な飛翔体を試験体に衝突させ、コンクリート板を短繊維と鉄筋で補強した試験体と、第１繊維及び第２繊維の２種類の短繊維で補強した試験体の破壊状況を確認した。
【００５０】
また、この実証実験では、飛翔体の衝突速度、短繊維補強と鉄筋補強の有無をパラメータとし、短繊維補強には、ポリプロピレン短繊維とポチエチレンテレフタレート短繊維の２種類を用いている。
【００５１】
より具体的に、試験体のコンクリートの使用材料を表１に、ベースコンクリート（繊維を混入していないコンクリート、以下「ＰＬＡＩＮ」という）の調合を表２に示す。
【００５２】
【表１】
2014201482.tif 000014
【００５３】
【表２】
2014201482.tif 000015
【００５４】
短繊維補強には、繊維長さが１０ｍｍ、繊維径が０．０５ｍｍのポリプロプレン短繊維（以下、ＰＰ短繊維という）、及び繊維長さが３０ｍｍ、繊維径が０．７０ｍｍのポリエチレンテレフタレート短繊維（以下、ＰＥＴ短繊維という）を用いた。また、短繊維の混入率は、ＰＬＡＩＮに対して外割りで１．０体積％とした。さらに、短繊維補強は、ＰＰ短繊維を単独で使用した場合（以下、ＰＰ１０という）と、ＰＰ短繊維とＰＥＴ短繊維を０．５体積％ずつ混合して使用した場合（以下、Ｐ５Ｔ５という）の２種類とした。
【００５５】
また、コンクリートの空気量は、空気量調整剤を適宜添加して、約５％となるように調整した。高速衝突実験時（材齢３５日もしくは３６日）の圧縮強度は、ＰＬＡＩＮが３９Ｎ／ｍｍ２、ＰＰ１０が２５Ｎ／ｍｍ２、Ｐ５Ｔ５が３３Ｎ／ｍｍ２であった。また、短繊維補強コンクリートの曲げ特性を把握するため、曲げタフネス試験を実施した結果、曲げじん性係数は、ＰＬＡＩＮが０．４３Ｎ／ｍｍ２、ＰＰ１０が１．９３Ｎ／ｍｍ２、Ｐ５Ｔ５が２．５４Ｎ／ｍｍ２であった。
このように、ＰＰ１０とＰ５Ｔ５は短繊維の混入によってＰＬＡＩＮよりも圧縮強度が低く、曲げじん性は高くなった。
【００５６】
そして、本実証実験で使用した試験体の種類と実験条件を表３に示す。なお、この表３に示した試験体記号はコンクリートの種類、鉄筋の有無（Ｎ（鉄筋無）、Ｒ（鉄筋有））及び衝突速度（３（３１５ｍ／ｓｅｃ）、４（４１５ｍ／ｓｅｃ））を表している。表３に示す通り、本実証実験で使用した試験体は計９体である。表３に示す通り、本実証実験では計９体の試験体を用いた。但し、表３中のＰＬＡＩＮ−Ｎ−３、ＰＬＡＩＮ−Ｒ−３、ＰＰ１０−Ｎ−３の試験体（※）は、本実証実験とは別に行った実験（以下、別実験１という；「森田武，別府万寿博，鈴木誠：高速衝突を受けるポリプロピレン短繊維補強コンクリートの耐衝撃性能、日本建築学会構造系論文集，第６８４号，ｐｐ．３１９−３２７，２０１３年２月」）で用いたものであり、これらの試験体を用いた試験結果は比較・考察のために別に行った試験結果を引用している。
【００５７】
【表３】
2014201482.tif 000016
【００５８】
また、各試験体は、縦５０ｃｍ×横５０ｃｍ×厚さ８ｃｍの板状に形成し、衝突面（表面）を正方形としている。また、図３に示すように、無筋コンクリート板１と、鉄筋２を備える鉄筋コンクリート板３をＰＬＡＩＮ、ＰＰ１０、Ｐ５Ｔ５の各々について製作して試験体とした。このとき、鉄筋コンクリート板３の試験体は、Ｄ６（ＳＤ２９５Ａ、降伏点３４２Ｎ／ｍｍ２）の鉄筋（縦筋２ａ、横筋２ｂ）２を１００ｍｍピッチで格子状に配筋して製作した。
【００５９】
次に、本実証実験の高速衝突実験では、図４に示す高圧空気式飛翔体発射装置４を使用した。この装置４は、圧縮器（エアコンプレッサー）５と増圧器６とエアチャンバー７と、長さ１２ｍ、内径３５ｍｍの発射管８を備えて構成され、圧縮空気で飛翔体を発射、加速する。
【００６０】
そして、本実験では、直径２５ｍｍ、質量５０ｇで、先端形状が半球形の鋼製（ＳＳ４００）の剛な飛翔体を高圧空気式飛翔体発射装置４から発射し、上下端を５ｃｍ幅で固定支持した試験体（コンクリート板）に衝突させた。衝突速度は、既往の実験（以下、別実験２という；「別府万寿博，三輪幸治，大野友則，塩見昌紀：鋼製剛飛翔体の高速衝突を受けるコンクリート板の局部破壊に関する実験的研究，土木学会論文集，Ｖｏｌ．６３，Ｎｏ．１，ｐｐ．１７８−１９１，２００７年３月」）を参考にして、普通強度コンクリート板を試験体とした場合に、裏面剥離が生じる速度である３１５ｍ／ｓｅｃと、剛飛翔体が貫通する速度である４１５ｍ／ｓｅｃの２水準の速度を設定速度とした。ここで、実際の実験時の衝突速度は、図４の発射口に設置したレーザー式速度検出センサで測定しており、設定速度を３１５ｍ／ｓｅｃにした場合には３０５〜３１５ｍ／ｓｅｃ、設定速度を４１５ｍ／ｓｅｃにした場合には４０６〜４０９ｍ／ｓｅｃであった。
【００６１】
図５から図１０は、高速衝突実験後の各試験体１、３の表面１ａ、３ａ、裏面１ｂ、３ｂ、厚さ方向に切断した切断面の状況を衝突速度毎に示している。また、各図中の貫入深さ及び裏面剥離深さは、各々の深さの最大値である。さらに、表面破壊直径と裏面剥離直径は、破壊面の最大長さ、最小長さ及び中間程度の長さの測定値を平均して求めた値である。
【００６２】
まず、図５から図７に示すように、衝突速度が３１５ｍ／ｓｅｃの場合には、ＰＬＡＩＮのみが裏面剥離した。そして、表面破壊直径は、ＰＬＡＩＮ＞ＰＰ１０＞Ｐ５Ｔ５の順に小さくなり、ＰＰ短繊維とＰＥＴ短繊維を併用したＰ５Ｔ５の有効性が確認された。すなわち、ＰＰ短繊維とＰＥＴ短繊維を併用することによって優れた耐衝撃性が得られることが確認された。
【００６３】
また、ＰＬＡＩＮ−Ｒ（鉄筋有）の裏面剥離は、鉄筋２によって剥離片の脱落が辛うじて防止されたが、裏面剥離深さと直径はＰＬＡＩＮ−Ｎ（鉄筋無）よりも若干小さくなる程度であった。ＰＰ１０−Ｎ、ＰＰ１０−Ｒ、Ｐ５Ｔ５−Ｎ、Ｐ５Ｔ５−Ｒでは、板内部から裏面近くまで斜め方向にひび割れが生じており、ＰＰ１０とＰ５Ｔ５における鉄筋補強の効果は明確に認められなかった。
【００６４】
次に、図８から図１０に示すように、衝突速度が４１５ｍ／ｓｅｃの場合には、Ｐ５Ｔ５−Ｒ以外の試験体はすべて裏面剥離が確認された。また、表面破壊直径は、ＰＬＡＩＮ＞ＰＰ１０＞Ｐ５Ｔ５の順に小さく、且つ、鉄筋補強によってより小さくなった。この結果から、ＰＰ短繊維とＰＥＴ短繊維を併用したＰ５Ｔ５の有効性、すなわち、ＰＰ短繊維とＰＥＴ短繊維を併用することによって優れた耐衝撃性が得られることが確認された。さらに、鉄筋補強は、ＰＬＡＩＮ、ＰＰ１０、Ｐ５Ｔ５における裏面剥離深さを低減させる効果を発揮することが確認された。
【００６５】
次に、局部破壊の評価を行った結果について説明する。まず、図１１は、表面破壊直径と貫入深さの関係を示した図である。なお、この図１１と後述の図１２には、ＰＬＡＩＮ−Ｎ，ＲとＰＰ１０−Ｎを用い、衝突速度２１５ｍ／ｓｅｃで行った実験結果（別実験１の結果）、及びＰＥＴ短繊維を１．０体積％混入した試験体（以下、ＰＥＴ１０−Ｎという）を用い、衝突速度２１５ｍ／ｓｅｃと３１５ｍ／ｓｅｃで行った実験結果を併せて示している。
【００６６】
ここで、普通強度コンクリート（圧縮強度２５．８Ｎ／ｍｍ２）を用いて本実験と同様に実験を行った研究（別実験２）によると、表面破壊直径（Ｃｄ）と貫入深さ（ｔｓ）にはＣｄ＝５．１１ｔｓの関係がある。そして、圧縮強度が（別実験２）と若干異なるが、ＰＬＡＩＮとＰＥＴ１０は概ねＣｄ＝５．１１ｔｓで近似されている。
【００６７】
これに対し、ＰＰ１０とＰ５Ｔ５の結果を線形回帰するとＣＤ＝３．５４ｔｓとなり、ＰＬＡＩＮとＰＥＴ１０に比べて表面破壊直径が約３割低減することが確認された。また、Ｐ５Ｔ５とＰＥＴ１０の比較から、ＰＰ短繊維のように細径繊維が表面破壊直径の低減に有効であることが確認された。
【００６８】
次に、図１２は、表面剥離直径と裏面剥離深さの関係を示した図である。無筋の普通強度コンクリート板（板厚６０〜９０ｍｍ）の裏面剥離直径は２２５ｍｍ程度になる。これに対し、本実験では、ＰＬＡＩＮが２２５ｍｍ以上、ＰＰ１０とＰ５Ｔ５が２２５ｍｍ以下となり、短繊維補強による裏面剥離直径の低減効果が認められた。
【００６９】
また、鉄筋補強によって裏面剥離深さが低減されている。本実験の鉄筋コンクリート板には衝突面側と裏面側に鉄筋が格子状に配されており、鉄筋格子の交点が剛飛翔体の衝突軸上にあった。このため、鉄筋コンクリート板の裏面剥離深さが無筋コンクリート板よりも低減する効果は、鉄筋格子によって裏面側に生じる局部的な変形が抑制された可能性や鉄筋格子の交点が不連続点となって応力波が干渉された可能性などによるものと考えられ、また、これらの複合的な作用によるものと考えられる。
【００７０】
よって、上記の通り、短繊維補強と鉄筋補強による局部破壊の抑止効果を把握するために、コンクリート板に対する高速衝突実験を実施した結果、裏面剥離の抑止に対する短繊維補強の有効性が実証された。また、鉄筋補強は主に裏面剥離深さの低減に有効であった。そして、細径繊維（ＰＰ）と太径繊維（ＰＥＴ）を併用して短繊維補強し、且つ鉄筋補強すると、裏面剥離の抑止効果がさらに高くなることが確認された。
【００７１】
次に、裏面剥離（裏面剥離限界）の予測を行うための検討について説明する。
まず、貫入深さ、コンクリート部材の厚さと裏面剥離の関係について検討を行った。図１３は、貫入深さ（ｔｓ）／板厚（ｄ）と衝突速度の関係を示している。図中、裏面剥離した試験体には矢印を付している。そして、この図から、ＰＬＡＩＮ−Ｎ，Ｒは衝突速度３１５ｍ／ｓｅｃ以上で裏面剥離が生じ、ＰＰ１０−Ｎ，Ｒ及びＰ５Ｔ５−Ｎは衝突速度４１５ｍ／ｓｅｃ以上で裏面剥離が生じることが認められる。
【００７２】
（別実験２）では、コンクリートの圧縮強度（２５．８〜１０３．２Ｎ／ｍｍ２）や板厚（３０〜１００ｍｍ）に係らず、貫入深さ（ｔｓ）／板厚（ｄ）＞０．２５で裏面剥離することが示されており、この指摘通り、本実験のＰＬＡＩＮ−Ｎ，Ｒにおいても、ｔｓ／ｄ＞０．２５で裏面剥離が生じている。
【００７３】
一方、ＰＰ１０−Ｎ，ＲとＰ５Ｔ５−Ｎでは、ｔｓ／ｄ＞０．３５で裏面剥離が生じた。この裏面剥離が生じるｔｓ／ｄの下限（以下、「裏面剥離限界相対貫入深さ」という）はＰＬＡＩＮで０．２５、ＰＰ１０とＰ５Ｔ５で０．３５となった。すなわち、前述の式１２が適正であることが実証され、裏面剥離が生じるコンクリート板部材の板厚（ｄ）は、ＰＬＡＩＮでｔｓ／０．２５以下、ＰＰ１０とＰ５Ｔ５でｔｓ／０．３５以下となり、貫入深さが得られれば、裏面剥離する板厚の上限を求めることができる。
なお、短繊維補強の有無でｔｓが変わらないならば、短繊維補強は無補強コンクリート板の板厚を１．４倍したのと同等の効果があると言える。
【００７４】
次に、貫入深さと衝突速度の関係について検討を行った。図１４は、貫入深さと衝突速度の関係、裏面剥離限界相対貫入深さに板厚を乗じて求めた裏面剥離を生じる貫入深さの下限（以下、「裏面剥離限界貫入深さ」という）、及び修正ＮＤＲＣ式によって算定した貫入深さをそれぞれ示している。この図から、まず、修正ＮＤＲＣ式による貫入深さは、飛翔体の質量、形状、寸法、衝突速度、及びコンクリートの圧縮強度をパラメータとした関数であり、本式（式１２）による算定結果は、概ね本実験結果の上限を近似するものとなった。なお、ＰＰ１０とＰ５Ｔ５の貫入深さの実験値がＰＬＡＩＮよりも若干深くなったのは、ＰＬＡＩＮよりも圧縮強度が低かったためと考えられる。
【００７５】
また、修正ＮＤＲＣ式から求まる貫入深さと衝突速度の関係と裏面剥離限界貫入深さにより、裏面剥離を生じる衝突速度の下限（以下、「裏面剥離限界衝突速度」という）が算定される。すなわち、図１４に示すように、ＰＬＡＩＮの裏面剥離限界衝突速度は修正ＮＤＲＣ式（３９）と０．２５ｄ＝２０ｍｍの交点である２５０ｍ／ｓｅｃ、ＰＰ１０では修正ＮＤＲＣ式（２５）と０．３５ｄ＝２８ｍｍの交点である３１５ｍ／ｓｅｃとなる。
そして、実験で裏面剥離した衝突速度はこれらの算定値以上であり、本実験結果の範囲では安全側で妥当な評価となっている。
【００７６】
上記のように、飛翔体の条件、繊維混入率、板厚など、適用範囲に関する検討が必要ではあるが、貫入深さの評価式と本実験から得られた裏面剥離限界相対貫入深さの関係を用い、短繊維補強コンクリート板の裏面剥離限界（板厚と衝突速度）の予測が可能であることが実証された。
【００７７】
したがって、本実施形態の耐衝突構造においては、コンクリートの圧縮強度が２５Ｎ／ｍｍ２以上、且つ曲げじん性係数が１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数が２０Ｎ／ｍｍ２以上である繊維補強コンクリートを用いることによって、裏面剥離の抑止効果（裏面剥離や貫通の局部破壊を抑止する効果）を得ることが可能になる。
【００７８】
よって、本実施形態の耐衝撃構造によれば、飛来物の衝突などによって裏面側にコンクリート片等が飛散し、構造物内部に存在する人や設備、物品等に被害が及ぶことを防止することが可能になる。また、繊維補強していないコンクリートを使用した場合と比較して、短繊維補強コンクリートを使用することにより、コンクリート構造体の部材寸法を小さくでき、資源の有効活用を図ることも可能になる。
【００７９】
また、本実施形態の耐衝突構造においては、繊維補強コンクリートが、第１繊維と第２繊維の２種類の繊維を単独で、あるいは双方ともにコンクリートに混入してなり、第１繊維は、比重が０．９１、繊維径が０．０１〜０．１ｍｍ、繊維長さが１０〜３０ｍｍ、引張強度が２９０±５０Ｎ／ｍｍ２で、ヤング率が（０．１８±０．０２）×１０４Ｎ／ｍｍ２のポリプロピレン繊維とし、前記第２繊維は、比重が１．３２、繊維径が０．５〜１．５ｍｍ、繊維長さが２０〜３０ｍｍ、引張強度が４５０±５０Ｎ／ｍｍ２で、ヤング率が（２．００±０．２）×１０４Ｎ／ｍｍ２のポリエチレンテレフタレート繊維とすることで、曲げじん性係数が１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数が２３Ｎ／ｍｍ２以上の繊維補強コンクリート（耐衝突構造）を形成することができる。
【００８０】
さらに、第２繊維の表面に高さが０．０５ｍｍ以上、繊維長さ方向の幅が０．５ｍｍ以上の凹凸加工を施して形成されていることにより、より確実に裏面剥離の抑止効果を得ることが可能になる。
【００８１】
また、本実施形態の耐衝撃構造においては、第１繊維及び／又は第２繊維の繊維の混入率と曲げじん性係数の関係式と、繊維の混入率と圧縮じん性係数の関係式とを求め、繊維の混入率と曲げじん性係数の関係式及び繊維の混入率と圧縮じん性係数の関係式に基づいて繊維補強コンクリートを形成する。
さらに、曲げじん性係数（Ｎ／ｍｍ２）をｆｂｔ、圧縮じん性係数（Ｎ／ｍｍ２）をｆｃｔ、繊維混入率（体積％）をＶｆとしたとき、第１繊維では、ｆｂｔ（１）＝１．９Ｖｆ、繊維長さが３０ｍｍの場合にｆｂｔ（１）＝１．９Ｖｆあるいはｆｂｔ（１）＝２．５Ｖｆ、ｆｃｔ（１）＝３０Ｖｆ＋８（０≦Ｖｆ≦０．５）、ｆｃｔ（１）＝２３（０．５＜Ｖｆ）とし、第２繊維では、ｆｂｔ（２）＝２．９Ｖｆ、ｆｃｔ（２）＝Ｖｆ＋８（０≦Ｖｆ≦１．０）、ｆｃｔ（２）＝９（１．０＜Ｖｆ）とし、第１繊維と第２繊維の双方を混入する場合には、ｆｂｔ＝Σ（ｆｂｔ（ｎ））、ｆｃｔ＝Σ（ｆｃｔ（ｎ）−８）＋８とし、これらの関係式に基づいて繊維補強コンクリートを形成する。
このようにして繊維補強コンクリートを形成することで、曲げじん性係数が１．８Ｎ／ｍｍ２以上、且つ圧縮じん性係数が２３Ｎ／ｍｍ２以上の繊維補強コンクリートを形成することができ、さらに確実に裏面剥離の抑止効果を得ることが可能になる。
【００８２】
また、本実施形態の耐衝撃構造においては、高速衝突実験での飛翔体の貫入深さを式（１０）と式（１１）で求め、式（１２）に基づいて繊維補強コンクリートを形成することで、裏面剥離が生じないコンクリート板を形成することが可能になる。
【００８３】
言い換えれば、飛翔体の条件、繊維混入率、板厚など、適用範囲に関する検討が必要であるが、貫入深さの評価式と本実施形態に示した実験から得られた裏面剥離限界相対貫入深さの関係を用いることで、繊維補強コンクリート（コンクリート部材、耐衝撃構造）に関する裏面剥離限界（板厚と衝突速度）の予測・設定を高精度で行うことが可能になる。
【００８４】
以上、本発明に係る耐衝撃構造の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１      試験体（無筋コンクリート板：耐衝撃構造）
１ａ    表面（衝突面）
１ｂ    裏面
２      鉄筋
２ａ    縦筋
２ｂ    横筋
３      試験体（鉄筋コンクリート板：耐衝撃構造）
３ａ    表面（衝突面）
３ｂ    裏面
４      高圧空気式飛翔体発射装置
５      圧縮器
６      増圧器
７      エアチャンバー
８      発射管
【図１】
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【図２】
2014201482.tif 000021
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014201482.tif 000025
【図７】
2014201482.tif 000026
【図８】
2014201482.tif 000027
【図９】
2014201482.tif 000028
【図１０】
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【図１１】
2014201482.tif 000030
【図１２】
2014201482.tif 000031
【図１３】
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【図１４】
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