論文

大きな破断ひずみを有する連続繊維シートによる耐震補強
中井裕司*1・佐藤英樹*2・ANGGAWIDJAJA Dhannyanto*3・上田多門*4

要旨：本論は，大きな破断ひずみと小さいヤング率を有している連続繊維シートを用いて耐震補強した柱の正負交番載荷試験の結果を紹介する。用いた繊維は汎用品のポリエステル繊維である。ポリエステル繊維シートで補強された柱は，塑性ヒンジ部に生じる大きな変形にシートが追随しながら拘束し，コンクリートの劣化を制御することにより，耐荷力を保ち大きな変形性能を有することがわかった。この試験結果をもとに本手法で補強された部材の骨格曲線を提案した。
キーワード： 耐震補強，PET 繊維シート，破断ひずみ，正負交番載荷
1. はじめにるものである。

橋の柱である。

ん性補強の分野で秀でた性能を発揮している。

塑性ヒンジ区

しかしながら補強量が少ない場合，柱の軸方向間においては，筋がはらみ出す終局期にシートに求められる伸高伸度繊維シ度が不足していたため，シートが破断して耐力ートが，曲げ変1)を失うことがあった 。結果，アラミド繊維シー形モードからト巻立て工法は多量の補強量が必要となり，鋼せん断変形モ板巻立て工法に比較してコスト高を招いている。

ードに移行し新保らは，ポリエステル繊維シート(以下：PETない程度の横アラミド繊維シート

伸度が比較的大きく耐屈曲性が高いが故に，じ高伸度繊維シート

造は，鉄道高架せん断補強区間る。アラミド繊維シート巻立て工法は，繊維のＣ.Ｌ.

じん性補強区間対象とした構1.0～1.5D

柱の耐震補強工法は，巻立て工法が主流であD

図－１工法の概要

繊維シート)で耐震補強した柱の正負交番載荷試拘束を与え，軸方向鉄筋のはらみ出し後に生じ験を行っている。結果，せん断余裕度 0.73 の基るコンクリート塊の崩壊を受動的に高い伸度で準供試体のじん性率 1.3 に対して，PET 繊維シー横拘束する機能を与える。その他の区間においト補強供試体はじん性率 20 以上とアラミド繊維ては，アラミド繊維シートが，せん断ひび割れシート補強供試体より高い補強効率を得たが，の進展を抑え，変形モードを曲げモードにとど想定する塑性ヒンジ区間外でも大きなせん断変める機能を与えると考えた。

2)形が生じた 。
本研究では，図－１に示すようにせん断補強

2. 実験概要

区間にアラミド繊維シートを，じん性補強区間

2.1 使用材料に大きな破断伸度を有する連続繊維シートを用使用した連続繊維シートと鉄筋の特性値を表いる方法による柱部材の耐震補強工法を提案す－１，２に示す。じん性補強区間の補強に用い*1 三井住友建設（株）土木技術部(正会員)*2 北海道大学

工学部土木工学科*3 北海道大学

大学院工学研究科社会基盤工学専攻*4 北海道大学

大学院工学研究科社会基盤工学教授

工博（正会員）た繊維シートの素材は，高強度型アラミド(A2)，2.2 供試体の形状および諸元ポリエステル(PET)，ポリエチレンナフタレート

実験のパラメータを表－３に示す。供試体は，(PEN)で，破断伸度はそれぞれ 4.1%，13.8%，4.5%

断面が□400×400 と 600×600，せん断スパン比である。PET 繊維シートの破断伸度は他に比較が 3～4，軸方向鉄筋比が 2.15～2.87%，せん断余して極めて大きいが，引張弾性率は 1 桁小さい。

裕度が 0.8～1.3 の 12 体である。SP.1～4 供試体

その他の区間のせん断補強には，高弾性型アラは，各種の高伸度シートの性能を調べた。SP.5

ミド(A1)を用いた。

～12 は，PET シートに着目し各種のパラメータ

コンクリートの圧縮強度は，SP.1～4，5～122

せん断耐力はコンクリート標準示方書 3)に，補強がそれぞれ 29.5，31.7N/mm であった。
表－１

単位質量
引張強度N/mm 2
引張弾性率 N/mm 2
破断伸度%による性能を比較した。なお，表中の補強前の連続繊維シートの特性値
アラミド1
高弾性型
A11.452,670
1.22E+05

アラミド2高強度型
A21.393,246
7.95E+04

2.24.1表－２軸方向鉄筋の降伏強度
軸方向鉄筋のヤング率
降伏ひずみ
帯鉄筋の降伏強度
帯鉄筋のヤング率

ポリエステ ポリエチレン
ル
ナフタレートPETPEN
1.39
1.36923
1,028
6.70E+03
2.26E+04
13.850500

50

ひずみゲージ

載荷方向

4.5

帯鉄筋D10 CTC=120

鉄筋の特性値

SP.1-10
SP.11-12N/mm 2 D19394
Ｄ25371
N/mm 2
1.76E+05
1.83E+05
2.20E-03
2.03E-03
fvy N/mm 2 D6383
D10361
2Evs N/mm
1.91E+05
1.85E+05

軸方向鉄筋Ｄ25flyEls

表－３
供試体の諸元断面mm
載荷点高さmm
せん断スパン比
N/mm2
軸方向応力
軸方向鉄筋
軸方向鉄筋比%せん断補強筋
せん断補強筋比%
降伏曲げモーメントｋNm
終局曲げモーメントｋNm
曲げ耐力ｋNVcｋNVsｋN
せん断耐力ｋN
せん断余裕度
せん断補強 (A1sheet) kN/m
補強範囲
シートの種類じ シートの貼り方
ん
シートの厚さ （1面分） mm
性シートの耐力(2面分）ｋN/m
補補強せん断耐力
ｋN
強補強後のせん断耐力 ｋN
補強後のせん断余裕度
終局部材角
補強前の計算値
実験値

600

SP.1

SP.2

SP.3

SP.4

高伸度シート

図－２

Non.

供試体の断面例

実験のパラメータ
SP.5
SP.6
400*400

SP.71150
3.1

Non.

SP.11,12SP.8

SP.9

SP.10

1500
4.0

1.05@D192.87
D6 Ss(せん断補強鉄筋の配置間隔）=100mm
0.16271272331334223290288
151
15579
79
230
234
1.050.80
400
400
400
200
100
100
Non.
1.0ｘＤ
A2PEN
Non.
PET

SP.11 SP.12
600*600
2200
4.06@D19 4@D19
3.59
2.15

330
401
267
169
79
248
0.93
100

6＠Ｄ25
2.82
Ｄ10 Ss＝120mm
0.2836
216
1018
265
463
177
318
151
206
79
524
230
1.13
1.30
Non.
200
Non.
1.5ｘＤ
PET

1layar600 2layar300 2layar300 1layar300 1layar200 1layar100

1layar200 1layar100 2layar300 1layar300

0.125
231
30
260
1.470.748
1381
264
788
1.70

0.046
0.071

0.043
0.069 0.061

0230
0.800.252
1636
213
443
1.540.764
1538
201
431
1.500.748
1410
184
414
1.440.374
690
90
324
1.11

0.249
460
60
294
1.32

0.125
231
30264
1.18

0234
1.05

0.249
460
60
308
1.15

0.039

0.042
0.064 0.064

0.060

0.042
0.057

0.067

0.044
0.060

0.054

0.040
0.064

0.374
690
132
656
1.42後のせん断耐力は土木学会「連続繊維シートを用

じん性補強区間シートの載荷面とせん断面のひいたコンクリート構造物の補修補強指針（案）」に従ずみをひずみゲージで，供試体の変位，軸方向った。じん性補強区間は全ての供試体で連続繊維鉄筋の抜け出しによる変位を変位計で，本論でシートのせん断補強効率を示す K は 0.4 となる。

はふれないが塑性ヒンジ区間の変形詳細を特殊じん性率の計算値は，せん断破壊しないものと仮定して，コンクリート標準示方書ジグで測定した。

4）にしたがい，「部材の降伏変位は，部材断面内の鉄筋に3. 実験結果発生している引張力の合力位置の鉄筋が降伏す

3.1 破壊性状と骨格曲線についてるときの変位」「部材の終局変位は，部材の荷重

図－３に SP.1～12 供試体の包絡線と計算値を-変位関係の骨組み曲線において，荷重が降伏荷示す。包絡線中の○印は，順に降伏時・最大耐重を下回らない最大の変位」と定義される限界力時・目視で確認された軸方向鉄筋の座屈時を値を用いた。なお安全率は全て 1.0 を用いている。

示している。計算値は，コンクリート標準示方2.3 載荷方法および計測項目

書 4）による無補強状態の骨格曲線と PET 繊維シ載荷は，1N/mm2 の一定軸力のもとで柱頭部付ートで補強した場合の提案式を示している。縦近を載荷点として静的水平交番載荷を行った。

軸は軸力による偏心モーメントを考慮した作用

初降伏変位（以下δyo）は，柱下端付近の軸方曲げモーメント，横軸は載荷点変位をせん断ス

向引張鉄筋ひずみが降伏ひずみに達する変位のパンで除した部材角である。

平均値として定義し，以後δyo の整数倍を片振部材の損傷進行は，連続繊維シートでじん性幅とした正負交番載荷を行った。各変位段階に補強されていない SP.1 と SP.8 を除いて，ほぼ同おける繰返し回数は 1 回とした。

一であった。SP.1 は曲げ降伏後にせん断破壊した。SP.8 は，軸方向鉄筋の座屈後，急激に耐力

計測項目は，軸方向鉄筋と帯鉄筋のひずみ，

100
無補強.cal00.020.040.06
部材角

200SP.5
無補強.cal
PET補強.cal

10000.020.040.06
部材角0.040.06
部材角00.08

200SP.6
無補強.cal
PET補強.cal

100

00.020.040.06
部材角200SP.9
無補強.cal

100

PET補強.cal
00.020.040.06
部材角0.08

曲げモーメント (kNm)

300

0.040.06
部材角200200
SP.10
無補強.cal
PET補強.cal

10000.02

図－３0.040.06
部材角0.08

PET補強.cal
00.08

00.02

0.040.06
部材角0.08

400

200SP.7
無補強.cal
PET補強.cal

100

00.02

0.040.06
部材角

300
200SP.8100
無補強_cal
00.08

00.02

0.040.06
部材角0.081200

900600SP.11
無補強.cal
PET補強.cal

300
0SP.4
無補強.cal

100

1200

300

00.0230000.08

400

4000300

400

30000.08500
曲げモーメント (kNm)

0.02SP.3
無補強.cal
PET補強.cal

100

曲げモーメント (kNm)

300

00200

400
曲げモーメント (kNm)

曲げモーメント (kNm)

400

0

100
00.08SP.2
無補強.cal
PET補強.cal

曲げモーメント (kNm)

0200

曲げモーメント (kNm)

SP.1

300

曲げモーメント (kNm)

200

300

400

曲げモーメント (kNm)

300

400
曲げモーメント (kNm)

400
曲げモーメント (kNm)

曲げモーメント (kNm)

40000.02 0.04 0.06
部材角0.08

各供試体の包絡線と計算値の比較

0.1

900
600
SP.12
無補強.cal300

PET補強.cal
000.02 0.04 0.06
部材角0.080.1

を失った。連続繊維シートで補強した供試体は，のひずみは一致して漸増し，終局時にシートと最大耐力時まで安定した履歴ループを示し，次帯鉄筋に 1%程度のひずみが生じている。

ループで軸方向鉄筋の座屈が観察され，耐力が一方，PET シートで補強した供試体は，最大徐々に低下した。終局時には軸方向鉄筋に相当耐力以降の軸方向筋の座屈が生じる時点からシのはらみ出しが生じているが，シートが破断しートのひずみが卓越するようになる。これは載て耐力を急激に失うことはない。

荷面のはらみ出しをせん断面の PET シートが抑SP.2～4 は，シートの種類をパラメータとして制しているために生じていると考えられる。引いる。包絡線やじん性率に大きな差異はなく，張剛性の大きいシートの場合は負担するせん断一定量の補強量が有ればシートの引張剛性が部力によるシートの張力で軸方向鉄筋のはらみだ材のじん性補強に積極的に影響していないことし変形に対する反力を負担できるが，PET シーがわかる。ただし，SP.2 の A2 シートは一部破断

トの場合はさらに歪む必要があるためと考えらした。したがって，本実験では，以後のじん性れる。この損傷の進行にしたがって増加するシ補強に安価な PET シートを用いることとした。

ートの引張力と破断しないことが最大耐力以降

シート補強された供試体の終局部材角は無補に穏やかな軟化勾配で終局に到る要因と考える。

強の計算値の平均 1.5 倍を示している。PET シー

図－５に，最大耐力時と終局時における，コトでじん性補強された SP.4～12 は，シート補強

ンクリートの負担したせん断力の計算値に対す量が多い方が，補強前のせん断余裕度が大きいる割合とシートの換算面積比（PET シートのヤ方が，大きな終局部材角を得ている。

ング率で基準化）との関係を示す。コンクリー

3.2 せん断面の補強材のひずみトの負担したせん断力は，作用せん断力からト

図－４に，せん断面で測定したシートおよびラス理論を用いて帯鉄筋とシートの負担したせ帯鉄筋の平均ひずみと部材角の関係の代表例をん断力を差し引いたものである。終局時におい示す。凡例中の数字はフーチング上面からの距て，塑性ヒンジ部における載荷面のはらみ出し離を表している。1 プロットは，シートひずみがにより補強材は引張ひずみを受けるが，コンク10 測点の平均値で，帯鉄筋のひずみが 2 測点のリートにはシートのひずみ相当分の圧縮力が導平均値である。なお，破線したゲージの値は除入されるためトラス理論は成立すると考えた。

いている。せん断破壊した SP.1 は，終局時に帯コンクリートの負担したせん断力は，(a)の最大鉄筋ひずみが 1.8%程度を示していた。

耐力時において，シートがほとんど負担するこ

無補強の SP.1 と 8 は，帯鉄筋のひずみが他のとなく，コンクリートが計算値と同等程度の値

補強供試体より大きく，最大耐力時に 1%，終局を負担しており，コンクリートがダメージを受時には 2%程度のひずみが生じている。つまり，けていないことが分かる。(b)の終局時において，せん断力により大きな引張剛性の大きいシートで補強した SP.2 と 3は同一の傾向を示し，最2θm
1000.020.040.06

部材角θ

大耐力時から終局に到るまでシートと帯鉄筋

θu

0.08

4sheet400a
sheet300a
sheet200a
sheet100asteel400
steel300
steel200
steel10032θuθm1000.020.040.06

部材角θ（θm：最大耐力時の部材角

図－４

せん断面の平均歪み(%)

れる。

3

せん断面の平均歪み(%)

んでいることが想像さ

せん断面の平均歪み(%)

内のコンクリートが緩4sheet400a
sheet300a
sheet200a
sheet100asteel400
steel300
steel200
steel100

SP.8

SP.7SP.2

変形が生じ塑性ヒンジ

0.08

4steel400steel300
steel200
steel1003θuθm21000.02

0.04

0.06

0.08

部材角θ

θu：終局時の部材角）

せん断面のシートと帯鉄筋のひずみと部材角の関係（SP.2,7 & 8）

コンクリートの負担したせん断力は計算値に対鋼板巻立て工法で補強した場合も軸方向鉄筋のする割合がシートの平均ひずみ，最大ひずみに座屈を抑制することはできない。したがって，対してそれぞれ平均 58%，36%であり，アラミ塑性ヒンジ部の巻立て系の拘束体に求められる

ド繊維シートで補強した場合と同程度の劣化割

性能は，大きな破断ひずみを有している必要が5)合と考えられる 。

ある。鋼板巻立て工法は鋼板がコーナで破断し3.3 載荷面のひずみないこと，シート系巻立て工法は，受動的に受図－６に，載荷面のシートの平均ひずみと部け止めるしかなく，大きな平均ひずみに耐える材角の関係を示す。凡例中の数字はフーチング

シートが必要であると考える。

上面からの距離を表している。1 プロットは，□

3.4400 断面と□600 断面でそれぞれ 6 測点と 10 測シートの平均ひずみと最大ひずみの関係

図－７に，塑性ヒンジ内におけるシートの平点の平均値である。

均ひずみおよび最大ひずみと部材角の関係を示

傾向は，せん断面と異なり，最大耐力時まです。1 プロットは，せん断面の□400 断面，載荷ひずみはほとんど生じない。最大耐力後，軸方面の□600 断面でそれぞれ 40 測点の平均値であ向鉄筋の座屈に伴いひずみが急増する。平均ひる。図中には平均ひずみとその 2 および 3 倍値

ずみが 3%を超えると増加傾向が小さくなるが，も示している。

これはひずみゲージの破線が生じるために増分

ここで，平均ひずみ，最大ひずみは，それぞが見かけ上減少していると思われる。鉄筋の座れ，最大耐力以降の部材の力学特性に関与する

屈後は，シートひずみはほぼ線形に増大してい物理量，シートの破断に対する物理量と考えてる。つまり，軸方向鉄筋の座屈を拘束力で押さいる。せん断面，載荷面に関わらす，シートのえ込めない場合には，拘束体の平均ひずみは終ひずみは均一でなく，最大ひずみは平均ひずみ

局時に 3%～4%以上に対して 2～3 倍の値が生じていることが分かる。になると考えられる。

この例では，最大ひずみはせん断面で 3%，載荷

0.5
0.0
SP.0 & 8
pf=0-0.5-1.00.01

SP.1 & 2

0.1

Vc.exp/Vc.cal

Vc.exp/Vc.cal

1.0に対応するひずみや鉄筋の座屈を受動的に抑制

1.0

するのに必要なひずみは未知であるが，部材の0.5求める限界値に対してシートが破断することは0.0
SP.0 & 8
pf=0-0.5-1.0
0.01

1pfxEfi/Efpet (%)(a) 最大耐力時

面で 9%生じている。シートが負担するせん断力

Ave.strain of sheetMax.strain of sheet

1.5

避けなければならない。
終局ひずみの大きな PET

0.11

シートをじん性補強に適用するメリットは，上pfxEfi/Efpet (%)(b) 終局時記のような大きなひずみに対して余力を有する

図－５ コンクリートの負担するせん断力とシことである。

ートの引張剛性の関係（最大耐力時と終局時）
SP.12

500ave300ave200ave100ave32θm1
θu000.020.040.06

部材角θ

図－６0.084

シートのひずみ（%）

載荷面面の平均歪み(%)

載荷面面の平均歪み(%)

SP.74600ave
480ave360ave240ave120ave32θm1θu000.02

0.04

0.060.08

4SP.4 せん断面 μ：平均ひずみ
Max.
μ2xμ
3xμ

321角の関係（SP.7 & 12)

SP.11 載荷面

10Max.
μ2xμ3xμ86420000.02

部材角θ

載荷面のシートの平均ひずみと部材シートのひずみ（%）

Ave.strain of sheet
Max.strain of sheet

1.50.040.06

部材角

図－７0.0800.02 0.04 0.06 0.08 0.1

部材角塑性ヒンジ内におけるシートの平均ひずみおよび最大ひずみと部材角の関係（SP.4 & 11)

4. 補強工法に対する考察

Y = M0 + M1*X
M00M11.039
R0.87806

数字は補強前のせん断余裕度が骨格曲線に与える影響を考察する。
大きな破断ひずみを有する連続繊維シートで1.3 0.93

1.6
1.41.050.3
実験軟化勾配のシートと帯鉄筋のひずみ特性を観察し，補強（θ.exp/θ.cal）

補強した柱の変形性能とせん断面および載荷面

1.8基準化終局部材角大きな破断ひずみを有する連続繊維シートで1.130.80

1.2SP.1,4,5SP.6-10
SP.11,121.00.8

補強された柱は，最大耐力時おいて，シートは0240.20.10600.1 0.2 0.3
提案軟化勾配図－９

提案した軟化PETシートの引張剛性 (Nm)

骨格曲線に影響を与えるほどのひずみが生じて図－８いない。終局時において，シートはせん断力をPET シート剛性の関係

終局部材角と勾配と実験値の関係

弾性的に負担し軸方向鉄筋の座屈により大きなひずみが生じながら，コンクリートの崩壊を制ρ L ：軸方向鉄筋比( 100 ⋅ As / b / h ） (%)

御する作用がある。この結果，図－８に示すよK pet _ sheet ：シートの引張剛性(Nm)うに，終局部材角はシート補強量が増えるほど補強前のせん断余裕度が大きいほど増大する。
すると，大きな破断ひずみを有する連続繊維5. まとめ
本実験の範囲内で下記の結論を得た。

シートで補強された柱の特徴は，最大耐力時か(1)ら終局時に到る軟化が通常の RC 部材より穏やに破断が生じなければ，最大耐力時から終局時かになると考えられる。補強された RC 部材の骨に到る軟化が通常の RC 部材より穏やかになる。

格曲線の実験式を以下の仮定の元に得ることが(2)できた。

繊維シートには 10%程度のひずみが観測された。

(1)

最大耐力時の部材角は，コンクリート標準4)

示方書 耐震性能照査編 に従う。
(2)

(3)

連続繊維シートで補強された柱は，シート軸方向鉄筋の座屈後，塑性ヒンジ部の連続連続繊維シートで補強された柱の軟化勾配を式(2)で評価できることを示した。

軟化勾配は，シートのじん性補強量と補強前せん断余裕度をパラメータとする。

参考文献

(3)

補強前のせん断耐力余裕度を表す物理量と1) 勝木太ほか：アラミド繊維シートによる鉄道して，軸方向鉄筋比とせん断スパン比を用いる。

高架橋柱のじん性能に関する実験的研究，コ

本実験の範囲内で，終局部材角は式(1)で，軟ンクリート工学年次論文集，Vol.19.No.2，化勾配は式(2)で表すことができた。式(1)で表せる骨格曲線は，図-3 に示している。式(2)の提案した軟化勾配と実験値との関係を図－９に示す。

pp.1569-1574，1997.62) 新保学幸ほか：連続繊維シート補強 RC 柱部材のじん性予測に関する研究，コンクリート工学年次論文集，Vol.23.No.1，pp.883-888，

θ u = θ m + η pet _ sheet ⋅ 1 −η pet _ sheet = 0.093 ⋅(My 
M u (1))

0.15
La K pet _ sheetdρ L 0.64(2)

ここに， θ u ：終局時の部材角

θ m ：最大耐力時の部材角η pet _ sheet：シートで巻立てた柱の軟化勾配
d ：柱の有効高さ(m)La ：せん断スパン(m)2001.63) 土木学会：2002 年制定

コンクリート標準示方書，構造性能照査編4) 土木学会：2002 年制定

コンクリート標準示方書，耐震性能照査編
5) 中井裕司ほか：連続繊維シートで補強した柱のせん断耐荷機構，コンクリート工学年次論文集，Vol.24.No.2，pp.1363-1368，2002.6