TAC建築士講師室ブログ

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変形能力

井澤ですいざわ

今回の内容は難しいところですから、しっかり理解してくださいね。

■問題1
鉄筋コンクリート構造において、一般に、柱部材の引張鉄筋が多いほど、曲げ耐力は大きくなり、靭性能は向上する。(一級構造:平成22No.11
■問題2
鉄筋コンクリート造の柱は、せん断補強筋量が規定値を満足する場合、主筋が多く入っているほど変形能力が大きい。(一級構造:平成23No.26

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■解答
 問題1、2ともに誤。どちらも同じ内容です。主筋(引張鉄筋)が多いほど、曲げ耐力が大きくなります。それにより曲げ降伏よりもせん断破壊が先行するため、靱性は低下します(=変形能力は低下します)。
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前回№
359で説明したとおり、RC造において、
曲げモーメントは、主筋が負担します。
せん断力は、柱では帯筋(せん断補強筋)が負担します。

これは次のように言い換えることもできます。
主筋を多くすると、曲げ強度(耐力)が大きくなる
帯筋を多くすると、せん断強度(耐力)が大きくなる

次図の左側の図のような柱の柱頭部に水平力が作用した場合、柱脚部分には曲げ応力度とせん断応力度が同時に生じます。図中の青い応力度分布です。
水平力が大きくなるにつれて、曲げ応力度とせん断応力度は、ともに大きくなっていきます。

ポイント

main reinforcement

図中の赤い点線が「
主筋量で決まる曲げ強度」であり、「帯筋量で決まるせん断強度」だと思ってください。

■先に曲げ強度に達した
ときは、縁から曲げ降伏が始まります。すぐ曲げ破壊には至らないので「曲げ降伏」と言います。これは靱性の高い破壊形式です。
なぜなら、縁が曲げ降伏した後も、降伏が断面の中心部まで進行し、全断面が降伏して全塑性状態になるまで粘り強く耐えられるからです。それを「靱性が高い」「変形能力が高い」と言います。

■先にせん断強度に達した
ときはせん断破壊します。これは脆性破壊です。急激に耐力が低下します。降伏とほぼ同時に破壊しますので、「せん断破壊」と言います。 

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まとめ―――――――――
■主筋を増やすと
 曲げ強度が大きくなり、曲げ降伏よりも先にせん断破壊してしまいます。脆性破壊です。

■帯筋(せん断補強筋)を増やすと
 図のようにせん断強度が大きくなり、せん断破壊よりも曲げ降伏が先行し、全断面が降伏して全塑性状態になるまで粘り強く耐え、靱性が確保されます。
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井澤ですいざわ
今回は皆さんが特に苦手な構造特性係数Dsです。
苦手な人は、分かるまでじっくり3度読んでみてください。

■問題1
構造特性係数Dsは、架構が靱性に富むほど大きくなる。(一級構造:平成24No.26
■問題2
必要保有水平耐力Qunは、各階の変形能力を大きくすると小さくなる。(一級構造:平成26No.24改)

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■解答
■問題1 誤。靱性が高いほど、構造特性係数Dsは小さくなる。
■問題2 正。変形能力が大きい(=靱性が高い)ほど、構造特性係数Dsは小さくなり、必要保有水平耐力は小さくなる。
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まずは、問題1、2の中に出てくる用語「靱性」「変形能力」について確認しておきましょう。これもとっても大事な内容です。

―――――――――ポイント―――――――――
「靱性が高い」=「粘り強い」=「塑性変形能力が高い」=「変形能力が高い」
すべて、同じ意味です。
すべて、降伏後に抵抗力が急激に低減することなく、塑性域でも変形し続ける能力が高い、という意味です。
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さて、本題の必要保有水平耐力
un構造特性係数Dsの話をしましょう。

前回説明したとおり、
「必要保有水平耐力」は、文字通り「保有水平耐力」として最低「必要」な値です。

具体的な算出方法は次のとおりです。
(必要保有水平耐力Qun)=(構造特性係数Ds)×(形状係数Fes)×(C01.0の大地震時の地震層せん断力Qud

では、「必要保有水平耐力」は何を意味しているのか?
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必要保有水平耐力とは、ズバリ、「標準せん断力係数C01.0の大地震のエネルギーを吸収するのに必要な力」です。
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「保有水平耐力」が「必要保有水平耐力」以上であれば、C01.0の大地震のエネルギーを吸収できるので倒壊しないというわけです。

■「C01.0の大地震時の地震層せん断力Qud
との違いは?
必要保有水平耐力Qunは「大地震のエネルギーを吸収するのに必要な力」
udは「大地震時の地震層せん断力」
これは違うのか? 違うのです!

horizontal load-carrying capacity_2

まず初めに、「保有水平耐力」が「
② 大地震時の地震層せん断力Qud」以上であれば、大地震でも倒壊しません。
これが前回説明したとおり、必要保有水平耐力のベースが「② 大地震時の地震層せん断力Qud」である理由です。これは「力」だけで耐えている状態です。

一方、ほどの「力」は無くても、
「靱性=変形能力」が高ければ、大地震のエネルギーを吸収でき、倒壊を防ぐことができます
つまり、大地震のエネルギーを吸収するには、「力」で耐えるだけでなく「靱性=変形能力」で吸収することもできるのです。
なぜなら、「力」×「変形」=仕事=エネルギーだからです。

したがって、
「靱性=変形能力」が高ければ、② 大地震時の地震層せん断力Qud」より小さな力でも、大地震のエネルギーを吸収できるのです。
その力が「① 大地震のエネルギーを吸収するのに必要な力」すなわち「必要保有水平耐力Qunです。
そして、ベースである「② 大地震時の地震層せん断力Qud」からどれだけ小さくできるかを表すのが「構造特性係数Dsです。

―――――――――ポイント―――――――――
靱性が高いと、
構造特性係数Dsは小さくなる。
必要保有水平耐力も小さくなる。
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