損傷制御に向けた高靱性コンクリートの可能性− 地震に強く、損傷を受けにくい安全・安心な建物を創成するために −独立行政法人 建築研究所
構造研究グループ 上席研究員・研究主幹

福山 洋

BUILDING RESEARCH INSTITUTE本日の講演内容


高靭性コンクリートとは ？

損傷制御の必要性

ピロティ建築物の損傷制御
・ 既往の地震被害
・ 損傷制御方法の提案
・ 応答解析 & 構造実験による検討結果



今後の課題
BUILDING RESEARCH INSTITUTE

高靭性コンクリートとは ？

BUILDING RESEARCH INSTITUTEコンクリートは、圧縮力には極めて強いが引張力には弱くて脆い。
大地震の際に、コンクリートの建物に大きなひび割れや損傷が生じる原因は、この引張の脆さにある。

コンクリートは引張に脆い !?
1968年 十勝沖地震

1948年 福井地震

既存鉄筋コンクリート柱の破壊性状
振動台実験

国総研 飯場正紀氏提供

BUILDING RESEARCH INSTITUTE高靱性コンクリートの開発 !
コンクリートの「脆さ」を鉄のような「粘り強い」特性に繊維とモルタルの練り混ぜ

コンクリートがひび割れる時の力よりも、繊維がひび割れを跨いで伝える力のほうが大きくなるようにする
繊維：種類、太さ、長さ、混入量、強度、付着力
マトリクス： 調合（水の量、セメントの量等）、空気量、混練方法などを適切に調整
BUILDING RESEARCH INSTITUTEコンクリートがひび割れる時の力よりも、繊維がひび割れを跨いで伝える力のほうが大きくなるようにする

BUILDING RESEARCH INSTITUTE

細く、強い 繊維を使う !

ビニロン

ポリエチレン

スチールコード

直径 39 μm
強度 1600 N/mm2

直径 12 μm
強度 2500 N/mm2

直径 405 μm
強度 2700 N/mm2
BUILDING RESEARCH INSTITUTE高靱性コンクリートの特徴 ! ①● マルチプルクラッキング特性：
幅が数十ミクロンの微小なひび割れが多数分散する

ひび割れは殆ど見えない
鉄筋コンクリートの場合

高靱性セメント複合材料の場合
BUILDING RESEARCH INSTITUTE高靱性コンクリートの特徴 ! ②● ひずみ硬化特性：

ひび割れが発生しても、引張抵抗力が低下しない

これが高靱性！
ひずみ硬化

BUILDING RESEARCH INSTITUTE高靱性コンクリートの製造・施工

z 目標とする力学性能→ 高靭性・マルチプルクラック
z 安定した品質の確保→繊維の均質な分散性
z 施工性の確保→流動性
BUILDING RESEARCH INSTITUTE

引張−圧縮繰り返し試験
LVDT
Test Machine

FRP SheetSpecimen

Chuck
Steel Plate

BUILDING RESEARCH INSTITUTE

一軸応力−ひずみ特性の例

Strain (%)
04-2.03-1.5-1.0-0.5

0.0-202-40
1-60

0-0.50.0-10.5

1.0

1.5
2.02.5Tensile Strain (%)-80(a) 引張性状の例(b) 圧縮性状の例（ポリエチレン1% と スチールコード1% を混合した場合）（スチールコード2% の場合）

Stress (N/mm 2)

Tensile Stress (N/mm 2)

5

BUILDING RESEARCH INSTITUTE4.0
2.00.0-2.0-0.5-4.0-6.0-8.0-10.0-12.0-14.0-16.0

0.5

1.5

2.5
Strain (%)

ポリエチレン＋
スチールコード

S tress (M P a)

S tress (M P a)

引張−圧縮繰り返し特性の例
4.0
2.00.0-2.0-0.5-4.0-6.0-8.0-10.0-12.0-14.0-16.00.51.52.5

ポリエチレン

BUILDING RESEARCH INSTITUTE

練り上がり状況

BUILDING RESEARCH INSTITUTE

失敗例①

BUILDING RESEARCH INSTITUTE

失敗例②

BUILDING RESEARCH INSTITUTE

構造性能の向上 （梁試験の結果−１）

せん断破壊
せん断破壊

曲げ降伏
曲げ降伏

せん断補強効果！

No.8

左と同じ配筋で、高靱性コンクリートを用いた梁200

Shear Force (kN)Shear Force (kN)

鉄筋コンクリート造の梁

No.2

150
100
500-5-4-3-2-1-50 0-100-150-200

200
150
100
500123456

Deflection Angle (% rad.)

鉄筋コンクリート鉄筋コンクリートの梁の梁 R/C-5-4-3-2-1-50 0-100-150-200

123456Deflection Angle (% rad.)PVA-ECC,
高靱性コンクリート
with the sam eを用いた梁
reinforcem
ent as No.1

構造性能の向上 （梁試験の結果−２）

付着割裂
補強効果！
付着割裂破壊

No.11

200
150
10050

左と同じ配筋で、高靱性コンクリートを用いた梁Shear Force (kN)Shear Force (kN)

鉄筋コンクリート造の梁No.6-4-3-2-1-50 0-100-150-200

200
150
100
5000-5

曲げ降伏

123456

Deflection Angle (% rad.)

鉄筋コンクリート
鉄筋コンクリートの梁の梁 R/C-5-4-3-2-1-50 0123456

Deflection Angle (% rad.)-100-150-200

PVA-ECC,
高靱性コンクリート
with the sam eを用いた梁
reinforcem
ent as No.5構造性能の向上 （柱試験の結果）
せん断破壊

曲げ降伏
せん断破壊とその後の付着割裂破壊により、大破している

破壊は適切に防止され、損傷も大幅に軽減されている

300300

Shear Force (kN)

左の柱と同じ配筋で、高靱性コンクリートを用いた柱：Shear Force (kN)

鉄筋コンクリート造の柱：

200100-4-20-100-200-300

10000-6200

246

Deflection Angle (% rad.)

鉄筋コンクリート
鉄筋コンクリート
R/C
Columnの柱の柱-6-4-20-100

246

Deflection Angle (% rad.)高靱性コンクリート
PVA-ECC
Columnを用いた柱-300-200最大せん断ひび割れ幅の推移
鉄筋コンクリート梁 (No.8)
高靱性コンクリート梁 (No.2)
鉄筋コンクリート柱
高靱性コンクリート柱

Shear Crack Width(mm)2.52.0鉄筋コンクリートの場合

1.5

耐久性の向上！
1.0

高靱性補強コンクリー
トの場合

0.50.00

12345

Deflection Angle(% rad.)
BUILDING RESEARCH INSTITUTE 損傷制御の必要性

BUILDING RESEARCH INSTITUTE

損傷制御

損傷に起因する（安全性、使用性、耐久性等の）性能の低下が生じないようにするため、もしくは、低下してもその性能を容易な修復により元のレベルに回復できるようにするために、損傷を防止、もしくは、適切に抑制すること
BUILDING RESEARCH INSTITUTE

損傷制御の必要性

背景１ ・・・ 阪神淡路大震災の経験

z 阪神淡路大震災
・ 新耐震基準に基づく建物も大きな損傷を受けた・ 修復費用が高いため取り壊され、新しく建て直されるケースが多かった→ 人命の保護（建物の崩壊の防止）だけでなく、ひび割れなどの損傷も抑え、地震後の修復を軽減する（出来れば無被害に抑える）ことの重要性を示す。

損傷制御の必要性 → 修復性BUILDING RESEARCH INSTITUTE地震後の修復を考えた設計が必要！
BUILDING RESEARCH INSTITUTE

建築基準法目的第１条
この法律は、建築物の敷地、構造、設備及び用途に関する最低の基準を定めて、国民の生命、健康及び財産の保護を図り、もって公共の福祉の増進に資することを目的とする。

BUILDING RESEARCH INSTITUTE

建築基準法
耐震に関する要求性能

中地震 （震度５程度、80〜100gal程度）

これは最低限の要求！
・・・ 建物が数度は遭遇する程度の地震→ 機能保持大地震 （震度６〜７、300〜400gal程度）

・・・ 建物が一度遭遇するかもしれない程度の地震→ 人命保護建築物に部分的なひび割れ等の損傷が生じても、最終的に崩壊からの人命の保護を図る
BUILDING RESEARCH INSTITUTE耐震補強

次の地震で社会問題になる？
BUILDING RESEARCH INSTITUTE

損傷制御の必要性

背景２ ・・・ 地球環境問題• 地球環境問題の観点から→ 日本の建物の寿命（更新周期）が短い

長寿命化には損傷制御が必要！
更新周期（既存住宅総数／年間新設住宅総数）
日本
：
３０年
英国
： １４１年
米国： １０３年
フランス：
８６年
ドイツ ：７９年• 建築物の長寿命化 → 耐久性、修復性→ 地震で損傷を受け、使えなくなるのは長寿命建物ではない！

損傷制御の必要性

背景３ ・・・ 性能設計
• 性能設計体系への移行
建物に対する社会からの要求の高度化→ 「性能レベル」と「コスト」の明示→ 高レベルの要求性能の適切な実現

損傷制御は高い目標性能！
性能ランク（松）￥ □□□性能ランク（竹）￥ ▽▽▽性能ランク（梅）

￥ ◇◇◇

最低基準

￥ ○○○

要求（従来） 要求（将来）
BUILDING RESEARCH INSTITUTE新材料利用の考え方● 従来技術と同じ目標性能ではメリットがない→ 経験、コスト、・・・● これまで実現できなかった性能を目指す→ 社会の要求と、材料特性が合致する点
BUILDING RESEARCH INSTITUTE

損傷制御の必要性

背景４・・・ 建て替え問題

z 近々、高度成長期（1960〜‘70年代）の建物（集合住宅）が、建て替えを検討する時期に到達

早急に、機能性向上（空間拡大など）、耐久性向上、修復性向上のための技術の確立が必要
BUILDING RESEARCH INSTITUTE

既存ストックのリニューアル

BUILDING RESEARCH INSTITUTE目標性能

今後必要な補強技術

損傷制御 （松）￥ □□□損傷制御 （竹）￥ ▽▽▽損傷制御 （梅）￥ ◇◇◇最低基準レベル￥ ○○○既存不適格建築
構造要素撤去後

現在の補強技術

通常の耐震補強

空間拡大
リニューアルBUILDING RESEARCH INSTITUTECost Study

BUILDING RESEARCH INSTITUTECost Studyz 目的： 耐震性能の向上< モデル建物：11階建、3×4 スパン >・ 免震 (基礎)・ 免震 (１階柱頭)・ 粘性型制振装置 1・ 粘性型制振装置 23.2 億円
1.7 億円
3.0 億円
3.7 億円高性能

・ 耐震補強 (耐震壁の増設)
・ 耐震補強 (外架構の増設)
・ 耐震補強 (柱のFRP巻立て)

0.4 億円
0.4 億円
0.4 億円法が要求するレベルの性能

損傷制御技術はまだまだ !

BUILDING RESEARCH INSTITUTE

リニューアルの海外事例

日経アーキテクチャ 2001年1月8日

リニューアルの海外事例

日経アーキテクチャ 2002年2月18日

 ピロティ建築物の損傷制御

BUILDING RESEARCH INSTITUTE

ピロティ構造の崩壊（旧基準による建築物の場合）

柱のせん断破壊BUILDING RESEARCH INSTITUTE

新耐震基準によるピロティ構造の崩壊（その１ 過度の変形集中）

過度の変形集中BUILDING RESEARCH INSTITUTE新耐震・ピロティ建築物（過度の変形集中）

BUILDING RESEARCH INSTITUTE

新耐震基準によるピロティ構造の崩壊（その２ 過大な変動軸力）

軸力(引張)軸力(圧縮)

転倒モーメントに起因する過大な変動軸力
BUILDING RESEARCH INSTITUTE新耐震・ピロティ建築物（過大な変動軸力）

BUILDING RESEARCH INSTITUTE新耐震・ピロティ建築物（変形集中と過度の変動軸力）

BUILDING RESEARCH INSTITUTE新耐震・ピロティ建築物

BUILDING RESEARCH INSTITUTE

ピロティの耐震補強事例

BUILDING RESEARCH INSTITUTE

研究開発の目的

ピロティ建築物
・ 都市部において社会的要望が多い・ 兵庫県南部地震において,RC建物の中で特筆すべき被害を受けた

高い耐震性能を保有させるための、新しい応答制御技術の開発→ ピロティ空間を塞がずに 損傷を低減する
耐震壁の増設 → ×
耐震ブレースの設置 → ×
既往のエネルギー吸収装置 → ×(例えば, 極低降伏点ダンパー, 粘弾性ダンパー, オイルダンパー など）
BUILDING RESEARCH INSTITUTE

ピロティ構造の空間確保と損傷制御
メリット
z ピロティの広い空間を確保する
z 層の強度、剛性、減衰特性を向上させ、地震応答変位を低減する
Å 短スパン & 高靱性

応答制御要素z 柱の軸力を低減し、破壊を防ぐ
z 架構の損傷を防止する
z コストの低減
BUILDING RESEARCH INSTITUTE

地震応答解析
解析対象建築物

7200

3600

平面図

3300

25200
Device

HPFRCC

30600

1100

7200

18600

7200

1/3 of internal height

10800

CenterLine

10800

高靱性コンクリートを用いた
高靱性コンクリートを用いた応答制御要素応答制御要素

軸組図
６層建物

10800

１０層建物

地震応答解析解析モデル
壁剛 梁

6F

境界梁

非線形
軸方向バネ

EAc

5F

非線形せん断バネ

EAw

GAw
EIw

4FEAc

付帯柱
非線形
回転バネ

3F
2F

1F

軸バネ

曲げ・せん断・軸バネ

1本の線材に置換
剛域
材端剛塑性バネ（TAKEDA Model)

曲げ・軸バネ
軸バネ（軸剛性 Model）

剛域

応答制御要素BUILDING RESEARCH INSTITUTE解析結果 （６層建物）

4T =0.181
Damper▲ 応答制御要素T =0.113あり

32El-centro NS
50cm/sec

16655

Number of floors

5Witout◆ 応答制御要素Damper無し

Number of floors

Number of floors

643Taft EW
50cm/sec

210123
Story drift angle (%)

43Hachinohe EW
50cm/sec

210123

Story drift angle (%)

0123

Story drift angle (%)（地震の規模は50cm/secに基準化)
BUILDING RESEARCH INSTITUTE解析結果 （10層建物）

T =0.346
Damper▲ 応答制御T =0.320
要素あり

6543

El-centro NS
50cm/sec

210123

Story drift angle (%)

10109988

Number of floors

Without◆ 応答制御damper
要素無し

87

Number of floors

Number of floors

109765
4Taft EW
50cm/sec

37654322110123

Story drift angle (%)

Hachinohe EW
50cm/sec

0123

Story drift angle (%)（地震の規模は50cm/secに基準化)
BUILDING RESEARCH INSTITUTE

応答制御要素単体の構造実験
z 目的
高靱性コンクリートによる応答制御要素の実現可能性を調べる

z 試験体- 断面 :- 高さ :- 主筋 :- 帯筋 :

150×200 mm
400 mm
4-D13
D6@50

配筋状況
BUILDING RESEARCH INSTITUTE載荷装置
L-shaped steel beam
for loading
2000kN Hydraulic jack

Steel stub
Steel plate

500kN Hydraulic jack

PantographDamper specimen
Steel beam at base
BUILDING RESEARCH INSTITUTE

応答制御要素の性能
8.0τ
2(N/mm )6.08.0τ2(N/mm ) 6.0

4.04.02.0

2.00.0-60 -40 -20 0-2.0204060

80 100 120 140
R (×10 -3 rad.)0.0-60 -40 -20 0-2.0-4.0-4.0-6.0-6.0-8.0-8.0

PS-1

2040

60

モルタル＋鉄筋

高靱性コンクリート＋鉄筋実験の途中で大きく破壊し、抵抗力が低下した。
変形能は小さい実験では12％という大変形まで破壊しなかったため、そこで実験を終了させた。

80100 120 140-3R (×10 rad.)性能確認実験
地震時の力を作用させるアクチュエータ

ピロティ建物の１階と２階応答制御要素
BUILDING RESEARCH INSTITUTE

2階床での応答変位の時刻歴（実験と解析の比較）
analysis (without Damper)
analysis (with Damper)
Test (with Damper)15Disp (mm)1050-5-10-15

技術の有効性を確認 !
Elc̲2500.5

11.522.533.5

4Time (sec)
BUILDING RESEARCH INSTITUTE

4.5

高靱性コンクリートの適用例

損傷制御に有効な技術のひとつ！
自己損傷低減要素

応答制御要素BUILDING RESEARCH INSTITUTE地震被害の推移

社会が成熟→ 損失額が増加■ 経済的損失■ 人的損失BUILDING RESEARCH INSTITUTE

世界の地震被害軽減のために安全は当然 ！
安心が必要 ！
損傷制御技術の実用化 !
BUILDING RESEARCH INSTITUTEその他の利用

BUILDING RESEARCH INSTITUTE中国にてBUILDING RESEARCH INSTITUTE

Thank you !

Building Research Institute
BUILDING RESEARCH INSTITUTE