論文

PVA-ECC 梁部材のせん断性能に関する実験研究清水克将*1・金久保利之*2・閑田徹志*3・永井覚*4

要旨：PVA-ECC を用いた梁部材を対象として，大野式加力によるせん断実験を行った。実験
因子は PVA 繊維の体積混入率および肋筋の量である。加力実験の結果，すべての試験体で曲げ降伏前にせん断破壊が見られ，肋筋の降伏および PVA-ECC のせん断ひび割れ幅の拡大にともなって耐力が低下した。実験により得られた最大荷重は，PVA 繊維の体積混入率および肋筋の量の増加にともなって増大した。最大荷重時の肋筋の歪はおおむね降伏歪に達しており，数千μの歪が確認された試験体もあった。
キーワード：高靭性セメント複合材料，せん断強度，肋筋歪，せん断ひび割れ
1. はじめに

φ−200mm シリンダーによる圧縮試験結果を

高靭性セメント複合材料（以下，DFRCC）を表−3 に示す。また比較のために目標強度構造的要素として使用するために，鉄筋補強さ36MPa の普通コンクリートを使用した試験体

れたDFRCC部材の加力実験が行われている 例えも計画した。普通コンクリートの調合計画，圧ば 1)

縮試験結果もあわせて表中に示す。

。これらの実験では，制振デバイスや耐震壁，境界梁と言った部材に着目した実験が行われて表− 1 使用繊維いることが多く，エネルギー吸収部材とした設計が前提のため，部材実験でも曲げ降伏先行型種類の試験体の結果が多い。一方で，DFRCC部材設

PVA

繊維長(mm)12

繊維径 破断強度 弾性係数(mm)(MPa)(GPa)
0.04
1600
40

計のためには曲げ性状とともに部材のせん断性表− 2 調合計画

状も重要であると考えられるが，現状では例えばせん断設計をどのように行えばよいのか等，名称不明な点も多い。本研究ではDFRCCとしてPVA
繊 維 を 使 用 し た Engineered Cementitious
Composites（以下，PVA-ECC）に着目し，鉄筋補強したPVA-ECC梁部材を対象として，大野式

PVA10PVA15PVA20NC

繊維体積混入率 (%)
1.01.52.0-水結合
計画
骨材結合材比空気量材比(%)(%)
42.70.74
1042.70.73
1042.70.71
1048.55.115.0

加力による逆対称モーメントせん断実験を行っ
表− 3 圧縮試験結果た。実験因子はPVA繊維の体積混入率および肋筋の量である。

種類

2. 使用材料

PVA10
PVA15PVA20NC

2.1 PVA-ECC

圧縮強度 圧縮強度時 弾性係数(GPa)
(MPa)
歪 (%)
37.3
0.35
17.8
35.70.35
16.3
39.10.36
19.5
39.00.2326.2

使用繊維は PVA で，体積混入率を 1.0，1.5，2.0%とした。繊維の力学的性質（メーカー値）

2.2 鉄筋を表−1 に，調合計画を表−2 に示す。また，100

梁試験体の主筋には異形鉄筋 D13（SD685）*1 筑波大学大学院 理工学研究科（正会員）*2 筑波大学講師 機能工学系 博士（工学）（正会員）*3 鹿島建設（株） 技術研究所建築生産グループ上席研究員*4 鹿島建設（株） 技術研究所建築構造グループ主任研究員

Ph.D.（正会員）
工修（正会員）を，肋筋には D4 を用いた。鉄筋の引張試験結0.30%の試験体をそれぞれ製作した。また，普果を表−4 に示す。

通コンクリートを用いた試験体（NC）も同様の3 種類の肋筋比で製作した。肋筋比 0.15%の試表− 4 鉄筋の引張試験結果

験体の形状および配筋を図−1 に，試験体一覧

降伏降伏
弾性
破断
歪強度係数
伸び(MPa)
(GPa)
(%)
(μ)
D13*1719.7190.5
37799.8
D13*2719.0
193.2
372114.5
D4*3294.5192.71528
27.4*1 PVA 試験体主筋 *2 NC 試験体主筋 *3 肋筋を表−5 に示す。いずれの試験体も曲げ破壊に名称先行してせん断破壊するように計画した。
PVA 試験体の製作は，PVA-ECC 梁試験部分を水平打設（加力方向直交方向：図中▼が打設方向）した後，スタブに普通コンクリートを打設し製作した。PVA-ECC 試験部分のスタブ内にはコッターを設け，スタブとの一体性の確保に3. 実験概要努めた。なお普通コンクリートを用いた試験体

3.1 試験体
試験体は断面が 180×280mm の矩形断面とし，せん断スパン比を 1.5 とした。PVA-ECC は繊維混入率 1.0%（PVA10），1.5%（PVA15），2.0%（PVA20）の 3 種類とし，肋筋比 0.00%，0.15%，は一体打ちで製作した。
3.2 加力・計測方法
加力は大野式一方向載荷とし，加力梁を取り付けた 2MN ユニバーサル試験機により加力を行った。計測項目は全体変形，局部曲げ変形・

図− 1 試験体形状・配筋図
表− 5 試験体一覧
試験体名

使用繊維混入率Vf (%)

断面b×D(mm)NC-00
NC-15 （普通コンクリート）
NC-30
PVA10-00
1.0
PVA10-15
PVA10-30
180×280
PVA15-00
1.5PVA
PVA15-15
PVA15-30
PVA20-00
2.0
PVA20-15
PVA20-30

せん断スパン比

1.5

肋筋
主筋

8-D13SD685
pt=2.43%

配筋pw (%)−
2-D4@93
2-D4@47−
2-D4@93
2-D4@47−
2-D4@93
2-D4@47−
2-D4@93
2-D4@470.00
0.150.30
0.00
0.150.30
0.00
0.150.30
0.00
0.150.30

せん断変形，主筋歪，肋筋歪および荷重とした。

ひび割れおよびせん断ひび割れが順次発生した。

鉄筋歪の測定位置は，図−1 中に示す■である。

PVA-ECC を使用した試験体では，複数ひび割れが観察され，最大荷重以前において最大せん断

4. 実験結果

ひび割れ幅が NC 試験体に比べて小さい傾向に4.1 破壊性状あり，ひび割れ幅抑制効果が見られた。最大強NC-30 試験体を部材角 1/33rad まで加力した度付近になると，PVA-ECC を用いた試験体にお後のひび割れ状況と，PVA10-30，PVA15-30 おいてもひとつのせん断ひび割れに変形が局所化

よび PVA20-30 試験体を 1/22rad まで加力した後し始め，最大荷重に達すると耐力低下し，せんのひび割れ状況を図−2 に示す。なお，ひび割断破壊した。変形の局所化が生ずると，他の位れ状況におけるひび割れ線は部材角 1/100rad ま

置でのひび割れ幅は減少する傾向が観察された。

でに発生したひび割れを示す。いずれの試験体

なお，全試験体において，主筋の降伏は確認さにおいても，部材角 1/400rad 程度までに，曲げれなかった。

図− 2 ひび割れ状況表− 6 実験結果一覧
試験体名

NC-00
NC-15NC-30
PVA10-00
PVA10-15
PVA10-30
PVA15-00
PVA15-15
PVA15-30
PVA20-00
PVA20-15
PVA20-30

ひび割れ発生荷重
曲げ(kN)
43.6
36.9
41.9
26.1
20.4
18.8
31.1
42.4
27.9
17.0
20.8
19.8

せん断(kN)
97.5
69.4
74.3
66.7
55.3
60.5
66.6
63.7
123.7
36.3
33.090.6

最大荷重(kN)

最大荷重時部材角(×10-3rad)116.4
104.8132.3
123.9
144.8
171.5142.8169.7182.9182.7205.8
208.6

5.05
6.93
12.01
6.44
8.07
11.75
9.11
11.01
11.64
10.90
13.82
12.62

せん断終局強度計算値(kN)789811776951157493113
7898117

4.2 最大荷重

荷重の増加割合はPVA試験体間で同程度に，ま表−6 に実験結果一覧を示す。なお，せん断た繊維混入率の増加による最大荷重の増加割合

終局強度計算値は日本建築学会終局強度型設計

も各肋筋比試験体間で同程度になっている。

指針 A 法によるせん断強度（PVA-ECC 試験体は，圧縮強度が等しい鉄筋コンクリート梁部材250と仮定して算出）により算出した。また，各試
200
最大荷重 (kN)験体の最大荷重実験値を比較して，図−3 に示す。
肋筋のないPVA15-00 およびPVA20-00 試験体の最大荷重は，肋筋比pw=0.30%のNC-30 の最大

1500.00%0.15%
0.30%

10050

荷重を上回っており，繊維混入によるせん断補0強効果が認められた。また，繊維混入率の増加

NCPVA10PVA15
試験体および肋筋比の増加にともない最大荷重が増加する傾向が見られた。肋筋比の増加による最大200100

最大強度
せん断ひび割れ曲げひび割れ102030400050

10200402030400050

せ ん断 力 (kN)

1020302004030400050

20020302004030-30050

1040500020304050-3部材角 (×1 0 rad)200

P VA2 0 -1 5

P VA2 0 -3 0

せ ん断 力 (kN)

せ ん断 力 (kN)

せ ん断 力 (kN)2050

せ ん断 力 (kN)10100

部材角 (×1 0 rad)40

P VA1 5 -3 0-310030-3部材角 (×1 0 rad)P VA2 0 -0 020100-31010部材角 (×1 0 rad)P VA1 5 -1 5部材角 (×1 0 rad)

200

0050

せ ん断 力 (kN)

せ ん断 力 (kN)

2050

100

100

1040

P VA1 0 -3 0

部材角 (×1 0 rad)100

30200-3P VA1 5 -0 020-3P VA2 0 -1 5部材角 (×1 0 rad)200

10部材角 (×1 0 rad)100

100050

せ ん断 力 (kN)

せ ん断 力 (kN)P VA1 0 -0 0-30030

部材角 (×1 0 rad)1000020-3部材角 (×1 0 rad)200

NC-3 0100

最大強度
肋筋降伏
せん断ひび割れ曲げひび割れ-300200

NC-1 5

せ ん断 力 (kN)

せ ん断 力 (kN)

NC-0 010000

図−3 最大荷重の比較

せ ん断 力 (kN)

200

PVA20100

1020304050-3部材角 (×1 0 rad)図−4 せん断力−部材角関係

00102030-3部材角 (×1 0 rad)4050

4.3 せん断力−部材角関係

5. まとめ

全試験体のせん断力−部材角関係を図−4 にPVA-ECC を用いた梁部材のせん断実験を行示す。図中には，曲げひび割れ，せん断ひび割なった結果，以下のような知見を得た。

れ発生点，肋筋降伏点，最大荷重点を示した。

1） 全試験体とも，PVA-ECC のせん断ひび割れ

初期剛性は NC 試験体が高く，ひび割れ発生後幅の拡大，変形の局所化にともなって耐力の剛性は PVA 試験体のほうが高い。最大荷重時が低下した。の部材角はおおむね 1/100rad 程度である。PVA2） 肋筋のないPVA試験体の最大荷重は，肋筋試験体では最大荷重以降耐力低下が見られ，せ比pw=0.30%の普通コンクリート試験体の最ん断ひび割れの拡大，変形の局所化に対応して大荷重を上回っており，繊維混入によるせいる。肋筋の降伏は，PVA 該当試験体 6 体中 4ん断補強効果が認められた。

体で最大荷重到達前に観察された。なお，肋筋3） 最大荷重は肋筋量および繊維混入量の増加にともない上昇する。の歪も変形の局所化にともない一端増加した後減少する場合が見受けられた。

4） 肋筋の歪は，最大荷重時でおおよそ 3000〜4.4 肋筋の歪7000μであった。

各試験体の肋筋の歪分布を図−5 に示す。なお，図中の破線は肋筋の材料試験結果より得ら謝辞
実験の実施にあたっては，筑波大学大学院八れた降伏歪であり，グラフ横軸のゲージ位置は梁試験区間左端からの距離を示している。

十島章氏の協力を得た。

ほとんどの試験体で最大荷重時において降伏歪に達している箇所が見られ，その位置は梁端

参考文献から 100〜300mm であった。最大荷重時の歪は

1)

H. Fukuyama, H. Suwada, Y. Ilseung :降伏が見られた試験体で，おおよそ 3000〜7000

HPFRCC Damper for Structural Control,μであった。また，最大荷重時後の 1/50rad のProceedings of the JCI International Workshop

歪分布では，歪値が減少する箇所が多く見受け

on Ductile Fiber Reinforced Cementitious

られた。

Composites
2002.10(DFRCC2002),

pp.219-228,