ＢＲＩ－Ｒ１講演会テキスト
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鉄筋コンクリート部材の構造実験データのばらつきと数値解析の精度に関する研究
諏訪田 晴彦

国際地震工学センター 主任研究員

Ⅰ はじめに

ASTypeType

D10@65

D6@195

D10@65Type
BF TypeD10@65

D10@65

D10@65120520780520

鉄筋コンクリート部材をコンクリートの設計基準強度や鉄筋の規格降伏強度に基づいて、同一の設計条件で設計した場合、設計式や数値解析で想定する強度や破壊性状に対する実験値300のばらつき程度は必ずしも明確ではない。そこで、本研究では、同一の条件で設計・施工された鉄筋コンクリート造梁試験体の過去 10 年分（2009 年～2018 年）の曲げせん断実験データを対象として、同一の設計条件であっても確実に発生するであろう

200120※ 主 筋 は い ず れ も D16

図 1 検討対象試験体の形状・配筋詳細

材料強度のばらつき、部材の強度や破壊性状のばらつきを確認したうえで、汎用 FEM 解析による推定精度を検証した。

S TypeⅡ 検討対象
本研究で検討対象とした鉄筋コンクリート造梁試験体の形

F Type状・配筋詳細を図 1 に示す。試験体は、せん断破壊先行型の Sタイプと曲げ降伏先行型の F タイプを計画した。試験体の設計においては、建築物の構造関係技術基準解説書（2007 年版）で

図 2 FEM 解析の要素分割図推奨されている方法を用いて行う方針とし、曲げ降伏強度の計算には略算式を用い、せん断終局強度の計算には修正荒川式を伏後（両端部にヒンジが発生する場合）に付着割裂破壊を完全500

20400

151050に防止するための条件を満たしていない。なお、コンクリート

Stress (N/mm2)

壊を防止するための条件を満たしたが、F タイプでは、曲げ降

25100
00.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
Strain (%)

500

鉄筋はすべて SD295A を使用した。材料試験結果を図 3 に示

400

Stress (N/mm2)

することを意図して低強度の 18N/mm2 として配合計画を行い、解析プログラム DIANA による解析精度の検証を行った。要素

2000.00.5(a) コンクリートの目標強度は、開発途上国に向けたデータベースとしても活用す。また、本研究では、実験結果のばらつきに対する汎用 FEM

D6300分割図を図 2 に示す。解析は 2 次元解析とし、コンクリートには 4 節点平面応力要素、主筋にはトラス要素、せん断補強筋には埋込鉄筋要素、主筋とコンクリート間には付着を考慮するた

200
1000400300
200
10000.00.5

1.01.5Strain (%)

2.00.0(c) D10- 143 -0.5

1.01.5Strain (%)(d) D16
図 3 材料試験結果

めのインターフェース要素を用いた。

2.0D16500

D103001.01.5Strain (%)(b) D6Stress (N/mm2)

裂破壊に関する計算を行った結果、 S タイプでは、付着割裂破Stress (N/mm2)用いた。また、同書の付録で推奨されている方法により付着割2.0Ⅲ 結果と考察
載荷実験および FEM 解析から得られた全試験体のせん断力－部材角関係を図 4 に示す。実験結果については、S タイプおよび F タイプともに耐力にばらつきが生じており、特に S タイプで顕著である。一方、解析結果については、実験結果よりもばらつきの程度が小さくなっていることがわかる。試験体設計(a) S タイプ試験体時に想定した部材耐力および破壊形式に対する実験結果の一
覧を表 1 に示す。部材耐力については、S タイプでは実験値が設計値に対して 1.05 倍～1.37 倍、F タイプでは 0.97 倍～1.26倍であった。破壊形式については、S タイプでは付着割裂破壊は生じないものと予測されたが、10 体中 8 体で付着割裂破壊が観察された。また、F タイプでは、すべての試験体が設計での想定通りに曲げ降伏している。
S タイプのせん断強度および F タイプの曲げ降伏強度につい(b) F タイプ試験体て、FEM 解析の推定精度を検討した結果を図 5 に示す。S タイ

図 4 せん断力－部材角関係

プについては、10 体中 8 体で実験結果を危険側に評価してお表 1 設計時の想定と実験値の比較一覧(a) S タイプ試験体

り、ばらつきも大きいことがわかる。F タイプについては、すべて実験結果を安全側に評価しており、ばらつきは S タイプに最大耐力（kN)

実験年度

設計値

20092010
20112012
2013201420152016
2017
2018

比べて小さい。以上のことから、同一の条件で設計され、同一の載荷条件で実験を行った梁部材であっても、曲げ降伏前に脆性的な破壊（せん断破壊や付着割裂破壊）が先行するような部材では、FEM 解析の推定精度は必ずしも高いとは言えない。

112.7※

実験値
146.4
154.7
141.4
130.0
118.4
143.2
124.2
135.2118.5
119.3

破壊形式
実験値/設計値
設計実験
1.30
付着割裂破壊1.37
付着割裂破壊1.25
付着割裂破壊
1.15
せん断破壊
1.05
せん断破壊
せん断破壊
1.27
付着割裂破壊1.10
付着割裂破壊1.20
付着割裂破壊1.05
付着割裂破壊1.06
付着割裂破壊2Ⅳ まとめ2※コンクリートの目標強度18N/mm ，鉄筋の予測強度343N/mm を用いて修正荒川式により計算した値(b) F タイプ試験体

本研究で得られた知見を以下にまとめて示す。

また、設計値に対する実験値の比は 1.05 倍～1.36 倍であった。F タイプでは、全ての試験体が設計での想定通りに曲げ降伏し、設計値に対する実験値の比は、0.97 倍～1.25 倍であった。
(2) S タイプの実験結果に対する汎用 FEM 解析の結果は、10 体中 9 体の部材強度を危険側に評価するとともにばらつきも大きく、さらに破壊形式に対する再現性も低かった。そのため、解析に用いる構成則モデルの選定にはかなりの注意

設計値

160180140160

expQmy

予測されたが、10 体中 8 体で付着割裂破壊が観察された。

破壊形式
実験値 実験値/設計値
設計実験2009
146.4
1.20
曲げ降伏2010
154.7
1.26
曲げ降伏2011
141.4
1.15
曲げ降伏2012
130.0
1.06
曲げ降伏
2013
118.4
0.97
曲げ降伏122.5※2
曲げ降伏
2014
143.2
1.17
曲げ降伏2015
124.2
1.01
曲げ降伏2016
135.2
1.10
曲げ降伏
2017
118.5
0.97
曲げ降伏
2018
119.3
0.97
曲げ降伏22※コンクリートの目標強度18N/mm ，鉄筋の予測強度343N/mm を用いて略算式により計算した値
実験年度

expQsu(1) S タイプでは、設計時には付着割裂破壊は生じないものと降伏耐力（kN)120を要するといえる。
(3) F タイプの実験結果に対する汎用 FEM 解析の結果は、全ての試験体の部材強度をほぼ安全側に評価するとともにばらつきも S タイプほど大きくなく、破壊形式の再現性もおお10080

S タイプ
80

100 120 140 160
anaQsu140120100

F タイプ
100 120 140 160 180
anaQmy

図 5 FEM 解析の推定精度に関する検証結果

むね良好であった。

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