第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 1

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動

3.1 概説

鉄筋コンクリート構造物

• 作用荷重とその累積 −→ 十分な耐力、疲労耐力

• 耐用期間中の気象作用など −→ 十分な耐久性

作用荷重： 活荷重、衝撃、自重、温度変化、風、雪、土圧、水圧など

=⇒ 曲げ、軸方向圧縮力、せん断、ねじりなどの変形や応力変化

鉄筋コンクリート部材の挙動

(1) 曲げを受ける部材

(2) 曲げと軸力を受ける部材

(3) せん断を受ける部材

鉄筋とコンクリートの相互作用

(1) イニシャルストレス

(2) 応力の再分配

(3)ひび割れ

(4) 付着および定着

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 2

3.2 作用荷重下の鉄筋コンクリートの挙動

3.2.1 曲げを受ける部材の挙動

図 -3.1 RC梁断面の応力状態 (曲げ引張破壊)

図 -3.2 RC梁のM − δ曲線

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 3

• 鉄筋コンクリート断面の曲げモーメントの作用による破壊

– 鉄筋量少ないとき =⇒ 引張側鉄筋の降伏 先行 =⇒ 曲げ引張破壊

– 鉄筋量多いとき =⇒ 圧縮側コンクリートの圧壊 先行 =⇒ 曲げ圧縮破壊

• 最終的な破壊 =⇒ 圧縮側コンクリートの破壊

鉄筋が降伏後から破断に至るまでの伸びが非常に大きい =⇒ 鉄筋の破断は生じない

• 設計鉄筋の降伏によって破壊 =⇒ 曲げ引張破壊の設計

– 経済的

– 大きなたわみ ：じん性大 =⇒ 部材の破壊の予知

写真 -3.1 RC梁の曲げ破壊状況

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 4

3.2.2 曲げと軸力を受ける部材の挙動

(1) 軸力が断面図心位置に作用する場合

• 軸方向圧縮応力とひずみの関係

– 端部からある程度離れた断面：一様な圧縮応力 St.Venant の原理

– コンクリート最大応力点のひずみ ε′0 ≈ 鉄筋の降伏ひずみ εy

– 終局時 鉄筋とコンクリートは同時に破壊 終局耐力 = 全断面積 × 各強度

図 -3.3 軸方向圧縮応力とひずみの関係

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 5

• 柱の変形と耐力

– ぜい性破壊 ：破壊直前まで外観は変わりなく、破壊直前にかぶりコンクリートが剥落し、急激に耐荷

力を失う

– らせん鉄筋 ： かぶりコンクリート剥落後も、らせん鉄筋の内側のコンクリートは拘束され、耐荷力

を維持したまま破壊に至るまで大きな変形に耐えうる。

図 -3.4 柱の変形と耐力

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 6

(2) 軸力が偏心して作用する場合

• 軸方向圧縮力N′が図心軸から eだけ偏心して作用 =⇒ 軸力 + 曲げモーメント

• eが大きくなるにつれて、圧縮側コンクリート応力が増加 =⇒ 軸方向耐荷力低下

• 引張側鉄筋のひずみ ： eが小さいとき圧縮、 eがある程度以上になると引張

• 軸力と曲げモーメントの比率によって異なる。軸方向圧縮力N

′と曲げモーメント Muの関係 ： 相互作用図 (interaction curve)

図 -3.5 偏心軸方向圧縮力

図 -3.6 相互作用図と断面のひずみ分布

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 7

3.2.3 せん断力を受ける部材の挙動 =⇒ 曲げモーメント作用下とはかなり違った挙動

図 -3.7 等分布荷重を受ける梁の応力状態

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 8

図 -3.8 鋼材を用いた梁の主応力状態

図 -3.9 斜めひび割れへの伸展後の応力の流れ

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 9

写真 -3.2 斜めひび割れ発生による RC部材のせん断破壊

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 10

図 -3.10 せん断破壊耐力とせん断破壊の形式

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 11

図 -3.11 せん断補強鉄筋の配置と I形断面のせん断破壊の例

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 12

3.3 鉄筋とコンクリートの相互作用

3.3.1 相互作用の種類

1© コンクリートの収縮が鉄筋に拘束されて，外力による応力と無関係な応力が生じる．

(イニシャルストレス， initial stress)

2© コンクリートのクリープ変形により，鉄筋とコンクリートの力の分担割合の変化 (応力

の再分配)が起こる．

3© コンクリートの伸び能力が小さいため，引張りを受ける鉄筋まわりのコンクリートにひ

び割れが生じる．

4© 鉄筋とコンクリートの変状性状の違いのために，両者間の付着および定着機構が複雑に

なる．

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 13

3.3.2 イニシャルストレスと応力の再分配

(1) イニシャルストレス

• コンクリートの収縮

– 乾燥収縮 ： コンクリート中の水分が

蒸発することによって収縮する現象

– 自己収縮 ： セメントの水和反応によ

り水分が消費され収縮する現象

温度・湿度，部材断面の形状・寸法，コンク

リートの配合，骨材の性質，セメントの種

類，コンクリートの締固め，養生条件

• 鉄筋： 収縮しない

• 鉄筋コンクリート ：コンクリートの収縮が

鉄筋によって拘束

∗ 鉄筋 −→ 圧縮応力，

∗ コンクリート −→ 引張応力

図 -3.12 イニシャルストレスの発生

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 14

問 題

引張強度が小さいコンクリートの欠点を補うために引張部に鉄筋を配置するのが鉄筋コンクリートの基本

原理である．しかしながら，図 -3.13では，鉄筋比が大きいほど，コンクリートに発生するひび割れの数

が増加している．この理由を考えよ？

図 -3.13 ひび割れの発生

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(2) 応力の再分配

クリープ ： 時間とともに変形が増大する現象 コンクリート ⇐= 持続荷重

図 -3.14 クリープ変形

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クリープの影響

• 鉄筋コンクリート柱，梁の圧縮鉄筋コンクリート =⇒ 応力度低下， 軸方向鉄筋 =⇒ 応力度増大，降伏点を超える場合もある！

• プレストレストコンクリート =⇒プレストレスの損失の原因

図 -3.15 コンクリートクリープによる柱断面のコンクリート応力度と鉄筋応力度の変化

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 17

クリープを考慮した設計

• デービス・グランビーユの法則 (Davice-Granville)

「持続荷重による応力が静的強度の 1/3程度以内であれば，クリープひずみは応力

度に比例する」

ε′cc = ϕε

′e = ϕ

σ′cp

Ect

ε′cc : クリープひずみ，ε

′e :載荷時の瞬間弾性ひずみ，ϕ : クリープ係数

σ′cp :作用圧縮応力，Ect :載荷時材齢のヤング係数

• 弾性ひずみとクリープひずみを分離できない場合−→ 有効ヤング係数:Ee，全測定ひずみ:ε

ε = ε′cc + ε

′e = (1 + ϕ)

σ′cp

Ect

Ee =Ect

1 + ϕ

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3.3.3 コンクリートのひび割れ

(1) 横ひび割れ

– 引張鉄筋周辺のコンクリート −→ 鉄筋の伸びに追随できず発生 鉄筋と直角方向

図 -3.16 鉄筋コンクリート梁のひび割れの発生状況

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 19

– 低鉄筋応力で発生 −→ 使用状態での発生は不可避， RC: 横ひび割れの発生を前提にした設計

∗ 日射，風雨 −→ コンクリートの乾燥や乾湿繰返し −→ ひび割れ数増加，ひび割れ幅増大

∗ ひび割れ幅 −→ 大 −→鉄筋腐食– 鉄筋コンクリートの設計施工 −→ 耐久性設計 使用状態において横ひび割れ幅を制御

図 -3.17 実構造物における横ひび割れの発生状況

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 20

(2) 内部ひび割れ

写真 -3.3 引張異形鉄筋周辺のコンクリートに

発生した内部ひび割れ 図 -3.18 内部ひび割れ発生状況と鉄筋とコン

クリートとの力のやりとり

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 21

写真 -3.4 狭い間隔に並行に配置された鉄筋周辺の内部ひび割れ状況

図 -3.19 内部ひび割れの立体形状

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 22

(3) 縦ひび割れ

– 異形鉄筋まわりのコンクリート −→ 鉄筋軸に平行に割裂して発生

– 丸鋼 −→ 鉄筋腐食

鉄筋の定着部や重ね継手部 =⇒ 部材や構造物の破壊に直接つながる！

図 -3.20 梁の主鉄筋定着部における縦ひび割れ

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 23

3.3.4 付着 ： 鉄筋とコンクリートとの界面でせん断に抵抗する作用

(1) 付着機構

1© コンクリート中のペーストと鉄筋表面との間の化学的粘着作用

2© コンクリートと鉄筋表面との摩擦作用

3© 異形鉄筋表面の突起による機械的作用

∗ 節とコンクリートのかみ合せ∗ 櫛歯状コンクリートの変形による鉄筋締付け作用 −→ 摩擦抵抗が増大

(2) 付着に影響を及ぼす機構

a. 鉄筋の表面の状態および形状

異形鉄筋の節間隔，高さ，傾き

節間隔:小，節高:大 −→ 付着特性 大

b. コンクリートの強度 引張強度図 -3.21 異形鉄筋の節形状

c. 鉄筋の埋込み位置と方向

∗ 水平鉄筋は鉛直鉄筋よりも付着強度が低下 ⇐= コンクリートのブリージング

∗ 上端筋より下端筋のほうが付着強度大 ⇐= コンクリートの打込み高さ

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 24

3.3.5 鉄筋の定着および重ね継手

(1) 鉄筋の定着

• 鉄筋端部の定着 ： きわめて重要 ！

不完全 −→ 鉄筋端部抜け出し −→ 部材の破壊

フック

• 異形鉄筋の定着破壊形式かぶりコンクリートの厚さ，鉄筋間隔，

横方向補強鉄筋量

– 普通程度のかぶり :

コンクリートが鉄筋に沿って割裂

(縦ひび割れ)

– かぶり大，横方向補強筋 :

コンクリートのせん断，圧壊

引き抜け定着破壊

図 -3.22 異形鉄筋の定着破壊の形式

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 25

写真 -3.5 マッシブなコンクリートに埋め込まれた鉄筋定着部の内部ひび割れ発生状況

図 -3.23 コーン状抜け出し定着破壊

第 3章 鉄筋コンクリートの挙動 26

(2) 重ね継手

鉄筋直径:16mm

鉄筋応力度:254N/mm2

重ね合せ長さ:25cm

純間隔:8mm

写真 -3.6 異形鉄筋の重ね継手内部のひび割れ発生状況

図 -3.24 異形鉄筋の重ね継手の補強方法の一例