コンクリートの信頼性確保への更なる貢献を目指して

特集

大型複合加力試験装置を用いたRC 構造物試験について
中央試験所 構造グループ 統括リーダー代理

林﨑正伸

Masanobu Hayashizaki

1. はじめに

2. 大型複合加力装置

中央試験所 構造グループは、構造試験棟の狭隘化・老朽

2.1

装置概要化のために、2016 年に構造試験棟を建てかえて、およそ 2

図 1 および写真 1 に示す大型複合加力試験装置は、1974年が過ぎました。新構造試験棟は、今まで大学、国立研究年に建築研究所が主体で開発した建研式加力装置の派生装開発法人、大手ゼネコン技術研究所など、他機関の試験装置です。建研式加力装置は、図 2 に示す RC 造多層事務所置を借用して試験してきたような大型 RC 造試験体などに構造物の柱や壁のような、建物自重による軸方向力を負担も対応できるように、試験棟の面積を増やし高さも高くし、した状況下で、地震や風などの外乱を受ける構造物の性能それら需要に対応できる試験装置をいくつか新設しましを、より実状に近い状況で試験するために開発されました。その新設装置のひとつが「大型複合加力試験装置」でた。すなわち、柱や壁でいえば、鉛直荷重をかけた状況下す。本稿は、本装置を用いた RC 構造物の試験を実施いたで、試験体の中央に反極点がある逆対称モーメントが生じだくにあたり、検討すべき項目などをまとめたものです。

るように加力できるように開発された装置です。

5000mm

加力梁

4500mm
4000mm

試験体接合鋼板

3500mm300

試験体設置スペース
6000

6000

反力柱

3000mm

鉛直ジャッキ2500mm2MN

水平ジャッキ

2.5MN

2.5MN

試験体接合鋼板

H：ジャッキ高さ

鉛直ジャッキ4000(3700～4500）

4200

1200kN
1400kN
1600kN
1800kN
2000kN0mm

基礎梁

P = 3000-0.4H
P：水平ジャッキの限界水平力(kN)
H：水平ジャッキ高さ芯(mm)

立面
6000
1800

水平ジャッキ：
荷重±2MN、ストローク±300mm
鉛直ジャッキ：（1 台に付き）
荷重± 水平ジャッキ：
2.5MN、ストローク±400mm

荷重±2MN，ストローク±300mm
鉛直ジャッキ（1台に付き）
荷重±2.5MN，ストローク±400mm

1000

800

1000kN

平面（基礎梁及び加力梁）
平面（基礎梁および加力梁）

1800

1200

10008001200

試験体接合鋼板設置（基礎梁及び加力梁）
試験体接合鋼板設置（基礎梁および加力梁）

図16

建材試験情報 2019 1・2 月号

大型複合加力試験装置詳細

写真1

大型複合加力試験装置

大型複合加力装置の試験体設置スペースは、高さ 4.0m、幅 6.0m、奥行 0.8m であり、同様の派生装置と比べても大念ながら当該装置の水平ジャッキはその能力が不足しています。

きい方です。ここに設置した試験体に、5MN の鉛直荷重、前述は、実大試験体での例であり、たとえば、RC 造の2MN の水平荷重をかけることができ、そのジャッキスト

既往の研究では、試験体の長さを 1/2〜1/2.5 倍に縮尺したロークは鉛直±400mm、水平±300mm です。図 1 は、鉛モデルでの試験実施が多いようです。したがって、縮尺モ直ジャッキが−100mm、水平ジャッキが 0mm（中立）の状

デル試験体の必要荷重は、実大試験体の 1/4〜1/6.25 倍に態を示しています。

なります。

2.2

試験対象部位当該装置の試験対象は、図 2 に示す多層 RC 構造物の柱、壁、柱梁接合部のような、鉛直力を考慮して耐震・台風設

３．試験体取付方法および試験方法
3.1 壁および柱部材の試験手順計される部位です。これらの部位が負担する鉛直力や水平

図 3 に壁および柱部材の試験体設置イメージを示します。

力はそれぞれの物件、部位、試験体ごとに様々です。構造

試験体と加力梁および基礎梁との緊結は、上下方向は、既計算の略算時に使われる単位床面積当たりの鉛直荷重は、存の試験体接合鋼板を介して PC 棒鋼（M32）で留め付け、RC、SRC 事務所で 10〜14kN/m 、S 造事務所で 6〜8kN/水平方向は、既存のストッパーを取り付けます。PC 棒鋼m 、RC、SRC のマンションで 11〜15kN/m といわれていは、試験体によって長さが変わるので、試験の依頼ごとにます。7〜10 階建て RC 造事務所の設計を 2、3 例見ますと、用意する必要があります。

222

1 フロア当たりの中柱 1 本の負担面積は 50m 程度でしたの

試験体を取り付けた後、鉛直ジャッキによって鉛直力をで、1 フロア当たり 500〜700kN となります。試験装置の導入します。この時、2 本の鉛直ジャッキは、加力梁と基最大 5MN から逆算すれば、7〜10 階分に相当する鉛直荷礎梁がつねに平行を保つように PC で制御します。その後、重をかけられることになります。水平荷重は、主耐力要素水平ジャッキで正負交番繰返しなどの水平荷重を加えまならば C0 = 2.0 の 10MN ほどが必要と考えられますが、残す。この間、コンピューター制御によって鉛直力は一定を2保ち、加力梁は基礎梁と水平を保ちますので、試験体には、柱上下端部の回転剛性が同じならば、つねに逆対称建物の重さモーメントが生じることになります。

3.2 柱梁接合部の試験手順
図 4 に十字形接合部の試験イメージを示します。当該試柱験装置は、十字形接合部、ト形接合部の試験もできます。

地震や風による外乱

柱梁接合部

試験体の柱端部と加力梁および基礎梁とは、既存 5MN壁スイベルを介して緊結します。ただし、現在、スイベルと試験体との留め付け方法は、試験体によって千差万別なので、ジグは、試験体ごとに設計して用意することにしていN図図2ます。梁端部も、柱端部と同じで、試験体とスイベルの取M図

多層RC造構造物イメージ

り付け専用ジグは用意していませんが、梁端部を鉛直支持

5MNスイベル試験体接合鋼板
PC棒鋼
2700

40004600

試験体イメージ
1MN3000(注)１．試験体質量は10ton以下が望ましい。（天井クレーンの最大揚量から）（注）
１．
試験体質量は10ton以下が望ましい。
（天井クレーンの最大揚量から）
２．試験体は，φ32mmPC棒鋼で，試験体接合鋼板に取り付ける。
PC棒鋼：φ32mm，ねじの呼びM33×2.0，ピッチ2.0mm
２．
試験体は、φ32mmPC棒鋼で、試験体接合鋼板に取り付ける。
PC棒鋼：φ32mm、ねじの呼びM33×2.0、ピッチ2.0mm

図3

壁および柱部材の試験体設置イメージ

試験体イメージ

梁端固定ジグ
1MN

面外拘束ジグ(注)１．試験体質量は10ton以下が望ましい。（天井クレーンの最大揚量から）

２．柱上下のスイベル及び梁端固定ジグは所有。
（注）１．
試験体質量は10ton以下が望ましい。
（天井クレーンの最大揚量から）
３．試験体-スイベル及び試験体-梁端固定ジグの接続方法は，検討が必要。
２．
柱上下のスイベルおよび梁端固定ジグは所有。
３．
試験体-スイベルおよび試験体-梁端固定ジグの接続方法は、検討が必要。

図4

十字形接合部の試験体設置イメージ

建材試験情報 2019 1・2 月号

7特集

コンクリートの信頼性確保への更なる貢献を目指してする固定ジグは導入済みです。前述のまだ用意していない

したがって、接合ジグに関しては、試験体ごとに用意すると、試験料金

X 方向：Q+PH cosθ+（PV +W−W ）sinφ=0が割高になってしまうため、2019 年度は汎用ジグの設計・

Y 方向：N+W+PH sinθ+（PV +W−W ）cosφ =0
ここで、PLV = PV +W（ロードセルのイニシャル値をド作成を予定しています。
試験体取り付け後に、柱に鉛直荷重を加えて、所定荷重リフト）と置くと、に達した後、梁端部に固定ジグおよび面外拘束ジグを取り

X 方向：Q +PH cosθ+（PLV−W ）sinφ=0

付け、水平荷重を加えます。試験開始後、コンピューター

Y 方向：N+W+PH sinθ+（PLV−W ）cosφ =0

制御によって鉛直力を一定に保ちながら正負交番繰返しなゆえに、（P LV−W ）sinφ
Q = −PH cosθ−

どの水平荷重を加えるのは、3.1 と同様です。

（P LV−W ）cos φ となります。
N = −W−PH sinθ−４．
測定荷重の取り扱い方法

Q：試験体からの水平力、N：試験体からの鉛直力

当該装置で壁・柱試験をする時に、荷重は、鉛直水平各

W：加力梁および鉛直ジャッキの自重ジャッキ先端に取り付けたロードセルで測定します。十字

PH：水平ジャッキ荷重形・ト形試験体では、前述に、梁端固定ジグに取り付けた

PV：鉛直ジャッキ荷重 = 鉛直ロードセル荷重

ロードセルの測定値が加わります。装置の仕組上、試験体

PLV：鉛直ジャッキロードセル荷重の変形がすすむと、図 5 のように、ジャッキや固定ジグに傾きが生じます。よって、測定荷重を分解して、正しい水平、鉛直方向の荷重を計算する方法を示します。
計算を簡単にするために、柱・壁試験体で解きますと、（ L ）：水平ジャッキの傾き

θ=tan−1yH−x（ L ）：鉛直ジャッキの傾き

θ=tan−1xV−y図 5 の加力梁に対するモーメントを除く外力は、図 6 のよLx：試験開始時の水平ジャッキヒンジ間距離うに働きます。原点を図 6 の右下に置き、座標をＹ方向はLy：試験開始時の鉛直ジャッキヒンジ間距離上＋、X 方向は左＋と定めて、荷重、変位ともに全体座標系で考えます。図 6 の黒丸は梁の移動量を表します。加力前述式を用いて、柱試験体を例に検討しました。図 7 に梁には、矢印のように加力梁の重量、試験体からの水平力計算モデルを示します。図 7 は、試験体の上側から圧縮力および鉛直力、ジャッキ力が入ります。ジャッキ力は変形を、右側から水平力をかけたときの変形イメージであり、に全体座標系に対して傾きθ、φが生じます。この傾き

試験体自身は、軸力によって高さが変動せず、鉛直変位 Yは、 試験体の変形にともなう装置の幾何学的な傾きで、は、幾何学的な回転でのみ上下方向に動くと仮定しまし刻々と変化します。これを分解して X、Y 方向それぞれでた。実際の試験でも、圧縮力による試験体の高さ変動はあつり合い式をたてます。

まりありません。水平変位 X は水平ジャッキで試験体に強つり合い式：制的に与える変位です。よって、変位 X、Y は、X 方向：Q +PH cosθ+PV sinφ=0V−1）となります。
X=LV sinφ，Y=L（cosφY 方向：N +W +PH sinφ +PV cosθ=0
ただし、鉛直ジャッキロードセルは、自重 W を負担し（ L ）となります。

鉛直ジャッキの傾きθは、θ=tan−1

yx+x

図 1 の装置初期状態と同様に、L V を 4000mm、LH をた状態でイニシャルをとっているため、2430mm として、θおよびφの三角関数を計算すると図 8

PV0 +W=0 としました。
初期位置W

加力梁+Y反力柱ャッキ
鉛直ジャッキ鉛直ジQyθ PH

水平ジャッキφ
N PV
基礎梁(注)１．鉛直ジャッキは，高さを変動させず，10度回転した。

２．水平ジャッキは，+630mm変形させた。（性能以上の変形であり，実際には不可能）（注）１．
鉛直ジャッキは、高さを変動させず、10度回転した。
２．
水平ジャッキは、+630mm変形させた。
（性能以上の変形であり、実際には不可能）

図58

建材試験情報 2019 1・2 月号

加力イメージ+Xx

図6 加力梁に対する外力

になります。これらは、Q および N の算出に用いる値で、っと小さい値です。図に示すように、試験開始時の N の大水平ジャッキ PH、鉛直ジャッキ PV、加力梁の自重 W が、きさは、PV と等しくなります。しかし、試験中 N は一定

それぞれ Q および N に及ぼす影響を判断できます。例でのように変動します。
値ではなく、梁端外力 PB によって N ’

は、鉛直ジャッキ力と加力梁の自重が水平方向に及ぼす影

これは、ト形試験体が想定している隅柱では、実際に起こ響が最も大きいです。試験体を水平方向に 300mm まで変る現象ではないでしょうか。

形させると、鉛直ジャッキロードセルが検出する荷重のおより実構造物に近い試験を実施するという観点からみる

よそ 7% が Q に影響を及ぼすことがわかります。ただし、と、この試験体を抜き出した位置よりも上階で同じように

この例では、傾きからその成分の方向を調べているだけ軸力変動があれば、PV を変動させる必要があるのではなで、実際に試験で加える荷重の大小によってその影響は大いでしょうか。一方で、その試験結果は特解側によるのきく変わります。よって試験実施後には、前述の計算によで、汎用性が損なわれてしまうともいえます。また、P B

り水平・鉛直方向の正しい荷重を算出するのが望ましいのの分力 P B・sinθは、梁に引張力を与えますが、実建物でではないでしょうか。

は生じません。既往の研究では、図のように梁端固定ジグ

柱梁接合部試験に関する検討
5．の下側固定点を A 点ではなく、A’点のように長くしているものが多いです。これは、P B の傾きを極力抑えて引張力

図 9 のト形試験体の試験イメージを例に考えました。矢を小さくするための工夫ではないでしょうか。このよう印は試験体に対する外力を示し、青は既知、赤は未知を表

な、試験実施上のコツを既往の研究などから取り入れて、よします。左図は試験開始時に圧縮軸力 PV のみを負荷したりお客様のご要望にこたえられるように努めてまいります。

状態で、右図は、その後、水平荷重 PH を右からかけ、試験体がθ回転した図です。ただし、図は変形が見やすいようにかなり大きく回転させており、実際の回転角θは、ず6．まとめ「大型複合試験装置」について、仕様、規模、試験体の最大寸法、試験装置への取り付け方法、測定値の取り扱い方、特徴などをまとめました。当該装置を利用いただき、より鉛直変位Y

水平変位X生産性の高い結果を提供できるように努めてまいります。

Lv

試験体高さ=LvP V=一定

P V=一定PH

梁端部

φ
図7PB
θ
P H+P Bsinθ

試験体変形イメージθAθ

A'N '=PV-PBcosθ

N

図9 ト形試験体の試験イメージ

参考文献
1）株式会社建築技術：月刊建築技術，PP.142-147，2007.6
2）日本建築学会関東支部：鉄筋コンクリート構造の設計 - 学びや
すい構造設計，2014.5
3）日本コンクリート工学協会：コンクリート構造物の構造実験評価研究委員会報告書，2004.3【お問い合わせ先】
中央試験所 構造グループ

図8 ジャッキの傾きがQとNに及ぼす影響

TEL ：048-935-9000

FAX：048-931-8684

建材試験情報 2019 1・2 月号

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