JP5610854B2 - Design method for fiber reinforced concrete segments - Google Patents
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Description
本発明は、繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントの設計方法に関する。 The present invention relates to a method for designing a fiber-reinforced reinforced concrete segment.
シールドトンネルの覆工に用いられるセグメントとしては、鋼繊維や有機繊維が混入された繊維補強コンクリートを用いて製作された繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントがある（例えば、特許文献１参照）。
このようなセグメントは、従来の鉄筋コンクリートセグメントに比べて、繊維の補強効果により曲げ強度、せん断強度等の強度特性が改善されるとともに、変形性能やタフネスが向上するため、これらの特性を利用して鉄筋量を低減することができる。
また、道路トンネルなどでセグメント自体に耐火性が要求される場合には、耐火性をコンクリートに付与することができる有機繊維を混入することで、耐火性を有するセグメントとなる。
As a segment used for the lining of a shield tunnel, there is a fiber reinforced reinforced concrete segment manufactured using fiber reinforced concrete mixed with steel fibers or organic fibers (see, for example, Patent Document 1).
Compared to conventional reinforced concrete segments, these segments have improved strength characteristics such as bending strength and shear strength due to the reinforcing effect of the fibers, and improve deformation performance and toughness. The amount of reinforcing bars can be reduced.
Moreover, when fire resistance is requested | required of the segment itself in a road tunnel etc., it becomes a segment which has fire resistance by mixing the organic fiber which can provide fire resistance to concrete.
繊維補強コンクリートの強度計算の手法に関しては、従来からいくつかの指針案が公開されているが、シールドトンネルのセグメントを対象としたものではなかった。そのため、繊維補強コンクリートを用いたセグメントの合理的な設計製作マニュアルの作成が望まれていた。 Regarding the method of calculating the strength of fiber reinforced concrete, several draft guidelines have been published so far, but they were not intended for shield tunnel segments. For this reason, it has been desired to create a rational design and production manual for segments using fiber reinforced concrete.
そこで、本発明は、繊維補強コンクリートの材料特性を適切に評価してセグメントを設計することができる設計方法を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the design method which can evaluate the material characteristic of fiber reinforced concrete appropriately, and can design a segment.
前記課題を解決するため、本発明は、繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントの設計方法であって、前記セグメントの主断面における繊維補強コンクリートおよび鉄筋の応力度を算定する段階において、引張領域における前記繊維補強コンクリートの応力−ひずみ曲線として、ひずみがゼロの状態からひび割れひずみまでの第一領域では、ひずみが大きくなるに連れて引張応力が増加し、前記ひび割れひずみから引張鉄筋の降伏ひずみまでの第二領域では、ひずみが大きくなるに連れて引張応力が減少し、前記降伏ひずみから前記引張鉄筋の限界ひずみまでの第三領域では、引張応力が一定となる応力−ひずみ曲線を用いることを特徴としている。
前記繊維としては、鋼繊維単独、有機繊維単独、鋼繊維と有機繊維の混合を用いることができる。
In order to solve the above-mentioned problem, the present invention provides a method for designing a fiber-reinforced reinforced concrete segment, wherein the fiber-reinforced concrete in the tensile region is calculated in the step of calculating the stress level of the fiber-reinforced concrete and the reinforcing bar in the main cross section of the segment. As shown in the stress-strain curve, in the first region from zero strain to crack strain, the tensile stress increases as the strain increases, and in the second region from the crack strain to the yield strain of the tensile reinforcement. As the strain increases, the tensile stress decreases, and a stress-strain curve in which the tensile stress is constant is used in the third region from the yield strain to the limit strain of the tensile rebar.
As the fiber, steel fiber alone, organic fiber alone, or a mixture of steel fiber and organic fiber can be used.
また、応力−ひずみ曲線を、前記第一領域においては、前記繊維補強コンクリートのヤング係数を増加勾配とする直線とし、前記第二領域においては、引張軟化曲線に基づいて設定した曲線とすることができる。 Further, the stress-strain curve may be a straight line having an increasing gradient of the Young's modulus of the fiber-reinforced concrete in the first region, and a curve set based on a tensile softening curve in the second region. it can.
本発明では、前記した応力−ひずみ曲線を用いることで、繊維補強コンクリートの材料特性を適切に評価して、繊維補強コンクリートおよび鉄筋の応力度を簡単に求めることができる。 In the present invention, by using the stress-strain curve described above, the material properties of the fiber reinforced concrete can be appropriately evaluated, and the stress degree of the fiber reinforced concrete and the reinforcing bar can be easily obtained.
なお、前記引張応力が曲げひび割れ強度よりも大きく、引張領域にひび割れが発生する場合には、前記引張鉄筋のかぶり部の前記繊維補強コンクリートが負担する引張応力をゼロと仮定したうえで、前記主断面における前記繊維補強コンクリートおよび前記鉄筋の応力度を算定することが好ましい。
この構成では、塩化物イオンの浸入や中性化によって繊維が腐食する可能性があるかぶり部の引張応力を無視することで、繊維補強コンクリートおよび鉄筋の応力度を適切に算定することができる。
When the tensile stress is greater than the bending crack strength and cracks occur in the tensile region, it is assumed that the tensile stress borne by the fiber-reinforced concrete in the cover portion of the tensile reinforcement is zero, It is preferable to calculate the stress degree of the fiber reinforced concrete and the reinforcing bar in the cross section.
In this configuration, the stress degree of the fiber-reinforced concrete and the reinforcing bar can be appropriately calculated by ignoring the tensile stress of the cover portion where the fiber may corrode due to the ingress or neutralization of chloride ions.
本発明の設計方法では、繊維補強コンクリートの材料特性を適切に評価して、繊維補強コンクリートおよび鉄筋の応力度を求めることができるため、繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントを円滑に設計することができる。 In the design method of the present invention, the material properties of the fiber reinforced concrete can be appropriately evaluated, and the stress level of the fiber reinforced concrete and the reinforcing bar can be obtained. Therefore, the fiber reinforced concrete segment can be designed smoothly.
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態のセグメントは、シールドトンネルの覆工に用いられるものであり、繊維が混入された繊維補強コンクリートを用いて製作された繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントである。
繊維補強コンクリートとしては、鋼繊維が単独で混入されたもの、有機繊維が単独で混入されたもの、鋼繊維および有機繊維が混入されたものが存在しているが、本実施形態では、鋼繊維および有機繊維が混入された鋼繊維・有機繊維混合補強コンクリートを例として説明する。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
The segment of this embodiment is used for the lining of a shield tunnel, and is a fiber-reinforced reinforced concrete segment manufactured using fiber-reinforced concrete mixed with fibers.
As fiber reinforced concrete, there are steel fiber mixed alone, organic fiber mixed alone, steel fiber mixed with organic fiber, but in this embodiment, steel fiber is mixed. A steel fiber / organic fiber mixed reinforced concrete mixed with organic fibers will be described as an example.
鋼繊維は、鋼材を原料として、不連続の繊維状に加工されたコンクリートの補強材である。鋼繊維としては、一般的に長さが３０〜６０ｍｍ、直径が０．６〜０．８ｍｍ程度でアスペクト比が４８〜７５程度のものが用いられている。
なお、本実施形態では、鋼繊維の素材は、ＪＩＳ Ｇ ３５３２（鉄線）またはＪＩＳ Ｇ ３５０５（軟鋼線材）に適合したものを採用しているが、同等の品質を確保することができるものであれば、溶鋼抽出法によるステンレス鋼繊維など他の素材を使用してもよい。
Steel fiber is a concrete reinforcing material processed into discontinuous fibers using steel as a raw material. As the steel fiber, one having a length of about 30 to 60 mm, a diameter of about 0.6 to 0.8 mm, and an aspect ratio of about 48 to 75 is generally used.
In this embodiment, the steel fiber material is compliant with JIS G 3532 (iron wire) or JIS G 3505 (soft steel wire), but it is possible to ensure equivalent quality. For example, other materials such as stainless steel fibers obtained by a molten steel extraction method may be used.
有機繊維は、ポリプロピレン、ナイロン、ポリエステル、ビニロンなどの有機繊維が不連続の繊維状に加工されたコンクリートの補強材である。本実施形態では、耐荷性および耐火性をコンクリートに付与することができるポリプロピレンが用いられている。 The organic fiber is a concrete reinforcing material in which organic fibers such as polypropylene, nylon, polyester, and vinylon are processed into discontinuous fibers. In the present embodiment, polypropylene that can impart load resistance and fire resistance to concrete is used.
本実施形態では、繊維補強コンクリートを用いたセグメントの挙動特性や耐火性などの性能を確認する実験を行うことで、鋼繊維および有機繊維の混入率（容積百分率）を０．３〜１．０ｖｏｌ.％としている。
なお、前記したセグメントと同等の性能を確認することができるのであれば、鋼繊維の種類、有機繊維の種類、形状寸法、混入率、および鋼繊維と有機繊維との混入割合などは限定されるものではない。
In this embodiment, the mixing rate (volume percentage) of steel fibers and organic fibers is set to 0.3 to 1.0 vol by performing experiments for confirming the performance characteristics and fire resistance of the segments using fiber reinforced concrete. .%.
In addition, as long as the performance equivalent to the above-mentioned segment can be confirmed, the type of steel fiber, the type of organic fiber, the shape size, the mixing rate, the mixing rate of steel fiber and organic fiber, etc. are limited. It is not a thing.
本実施形態のセグメントに使用されるコンクリートの材料および強度は、「トンネル標準示方書シールド編（社団法人土木学会発行）」によるものである。また、コンクリートの設計基準強度は、４２〜６０Ｎ／ｍｍ2を対象としているが、実験等により同等の性能を確認することができるのであれば、これ以外の材料および強度を使用してもよい。 The material and strength of the concrete used for the segments of the present embodiment are according to “Tunnel Standard Specification Shield (Edited by Japan Society of Civil Engineers)”. Moreover, although the design standard intensity | strength of concrete is 42-60 N / mm < 2 >, as long as an equivalent performance can be confirmed by experiment etc., you may use materials and intensity | strengths other than this.
セグメントの形状については、「トンネル標準示方書シールド編」のセグメントの形状寸法によるものとしている。セグメントの厚さは、一般的にセグメントの外径の４％前後であり、小口径〜大口径トンネルのコンクリートセグメントの標準的な外径が３〜１３ｍ程度であることから、１５０〜５００ｍｍ程度の厚さを想定している。また、セグメント幅とセグメント厚さの比は、実験により６〜８程度のセグメント幅を想定している。なお、セグメントの形状は、前記した範囲に限定されるものではなく、所定の性能を確認することができるものであれば、適宜に変更することができる。 The shape of the segment is based on the shape of the segment in “Tunnel Standard Specification Shield”. The thickness of the segment is generally around 4% of the outer diameter of the segment, and the standard outer diameter of the concrete segment of the small-diameter to large-diameter tunnel is about 3 to 13 m, so about 150 to 500 mm. The thickness is assumed. The ratio of the segment width to the segment thickness assumes a segment width of about 6 to 8 through experiments. In addition, the shape of the segment is not limited to the above-described range, and can be appropriately changed as long as predetermined performance can be confirmed.
以上のように構成された繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントでは、鋼繊維および有機繊維による引張応力を考慮することができるため、従来の鉄筋コンクリート製セグメントに比べて、曲げ強度、せん断強度等の強度特性が改善され、また、変形性能やタフネスが向上している。したがって、これらの特性を利用することで、図１（ｂ）に示す従来の鉄筋コンクリート製セグメント２０に比べて、図１（ａ）に示す本実施形態の繊維補強鉄筋コンクリート製セグメント１０では、配力鉄筋を省略するとともに、主鉄筋量も低減することができる。
The fiber reinforced reinforced concrete segment configured as described above can take into account the tensile stress caused by steel fibers and organic fibers, and therefore has improved strength characteristics such as bending strength and shear strength compared to conventional reinforced concrete segments. Moreover, deformation performance and toughness are improved. Therefore, by utilizing these characteristics, compared with the conventional
次に、前記した繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントの設計方法について説明する。
繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントの設計は、限界状態設計法によって行われる。この設計方法では、繊維補強コンクリート固有の力学的特性（引張軟化特性、圧縮強度、引張強度、耐久性に関する特性）を設計に反映させている。
Next, a method for designing the above-described fiber-reinforced reinforced concrete segment will be described.
Fiber reinforced reinforced concrete segments are designed by the limit state design method. In this design method, the mechanical characteristics (characteristics concerning tensile softening characteristics, compressive strength, tensile strength, durability) unique to fiber reinforced concrete are reflected in the design.
本実施形態では、「トンネル標準示方書シールド編」に基づいて、図２のフローチャートに示す限界状態設計法による覆工の設計法を基本としている。
限界状態は、「トンネル標準示方書シールド編」に準じて、終局限界状態および使用限界状態に区分している。終局限界状態は、耐荷性および変形性に対応する限界状態であり、安全性の照査に用いる限界状態である。また、使用限界状態は、通常の使用性や機能確保に関連する限界状態であり、使用性あるいは耐久性の照査に用いる限界状態である。
The present embodiment is based on the lining design method based on the limit state design method shown in the flowchart of FIG. 2 based on “Tunnel Standard Specification Shield”.
The limit state is classified into the ultimate limit state and the use limit state according to “Tunnel Standard Specification Shield”. The ultimate limit state is a limit state corresponding to load resistance and deformability, and is a limit state used for safety verification. Further, the use limit state is a limit state related to normal usability and function securing and is a limit state used for checking usability or durability.
本実施形態では、終局限界状態および使用限界状態の照査において、セグメントの主断面における繊維補強コンクリートおよび鉄筋の応力度を算定する段階について詳細に説明する。特に、本発明の特徴的な部分である引張応力−ひずみ曲線を定める過程について詳細に説明し、その他の段階については公知の手法を用いているため、詳細な説明は適宜省略している。 In the present embodiment, the stage of calculating the stress level of the fiber reinforced concrete and the reinforcing bar in the main cross section of the segment in the verification of the ultimate limit state and the use limit state will be described in detail. In particular, the process of determining a tensile stress-strain curve, which is a characteristic part of the present invention, will be described in detail, and other steps are omitted as appropriate because known techniques are used.
繊維補強コンクリートの強度特性、変形特性に関しては、繊維混入の効果を考慮して適切に定める必要がある。なお、鉄筋の強度特性等については、「トンネル標準示方書シールド編」に基づいて定めている。
「繊維補強コンクリート柱部材」の設計指針によれば、鋼繊維の混入率が０．５〜１．５ｖｏｌ.％の繊維補強コンクリートにおける引張強度と圧縮強度の関係は、プレーンコンクリートにおける引張強度と圧縮強度の関係と略一致することが確認されている。また、本出願人が行った実験においても、繊維混入率が０．２５〜０．８ｖｏｌ.％の繊維補強コンクリートでは同様の関係が得られた。
このことから、繊維補強コンクリートの引張強度の特性値ｆtkは、「トンネル標準示方書シールド編」に示された引張強度と圧縮強度の関係式である以下の式１により求めている。
The strength characteristics and deformation characteristics of fiber reinforced concrete need to be appropriately determined in consideration of the effects of fiber mixing. The strength characteristics of the reinforcing bars are determined based on the “Tunnel Standard Specification Shield”.
According to the design guidelines for “fiber reinforced concrete column members”, the relationship between tensile strength and compressive strength in fiber reinforced concrete with a steel fiber mixing rate of 0.5 to 1.5 vol. It has been confirmed that it substantially matches the strength relationship. In the experiment conducted by the present applicant, the same relationship was obtained with the fiber reinforced concrete having a fiber mixing rate of 0.25 to 0.8 vol.%.
From this, the characteristic value f tk of the tensile strength of the fiber reinforced concrete is obtained by the following formula 1 which is a relational expression between the tensile strength and the compressive strength shown in “Tunnel Standard Specification Shield”.
ｆtk＝０．２３ｆ’ck 2/3 （式１）
ｆtkは繊維補強コンクリートの引張強度の特性値（Ｎ／ｍｍ2）、
ｆ’ckは繊維補強コンクリートの圧縮強度の特性値（Ｎ／ｍｍ2）である。
f tk = 0.23f ′ ck 2/3 (Formula 1)
f tk is the characteristic value of tensile strength of fiber reinforced concrete (N / mm 2 ),
f ′ ck is a characteristic value (N / mm 2 ) of the compressive strength of the fiber reinforced concrete.
また、繊維補強コンクリートでは、鋼繊維の混入により、圧縮応力−ひずみ関係が改善されるが、その改善効果はプレーンコンクリートに対して僅かであるため、繊維補強コンクリートの圧縮領域における応力度を算定する際には、「コンクリート標準示方書設計編（社団法人土木学会発行）」に示された図３の圧縮応力−ひずみ曲線Ｂを用いている。 In addition, in fiber reinforced concrete, the compression stress-strain relationship is improved by mixing steel fibers, but the improvement effect is slight compared to plain concrete, so the degree of stress in the compression region of fiber reinforced concrete is calculated. In this case, the compressive stress-strain curve B of FIG. 3 shown in “Concrete Standard Specification Design (issued by Japan Society of Civil Engineers)” is used.
また、繊維補強コンクリートでは、コンクリートにひび割れが発生した後に、繊維が応力を伝達するため、ひび割れ先端の領域で伝達される引張応力とひび割れ開口幅との関係は引張軟化曲線として表すことができる。 In the fiber reinforced concrete, since the fiber transmits stress after the crack has occurred in the concrete, the relationship between the tensile stress transmitted in the crack tip region and the crack opening width can be expressed as a tensile softening curve.
引張軟化曲線は、繊維量、形状、強度およびコンクリート強度の組合せにより変化するため、繊維補強コンクリートの引張軟化特性に応じて、図４に示す引張軟化曲線の各モデルから適切に引張軟化曲線を定める。 Since the tensile softening curve changes depending on the combination of the fiber amount, shape, strength and concrete strength, the tensile softening curve is appropriately determined from each model of the tensile softening curve shown in FIG. 4 according to the tensile softening characteristics of the fiber reinforced concrete. .
例えば、繊維長３０ｍｍの鋼繊維が０．４ｖｏｌ.％の割合で混入され、圧縮強度が５０〜８０Ｎ／ｍｍ2程度となる繊維補強コンクリートに対しては、図４（ｄ）の引張軟化曲線を用いることが適切である。図４（ｄ）の引張軟化曲線は、以下の式２で表される。
For example, steel fiber having a fiber length of 30 mm is mixed at a rate of 0.4 vol.%, And the fiber structure reinforced concrete having a compressive strength of about 50 to 80 N / mm 2 is obtained by using the tensile softening curve shown in FIG. It is appropriate to use. The tensile softening curve in FIG. 4D is expressed by the following
σ（ω）＝α１・ｆtk・ｅｘｐ（α２・ωα3） （式２）
σ（ω）は引張応力（Ｎ／ｍｍ2）、 ωはひび割れ開口幅（ｍｍ）である。
σ (ω) = α1 · f tk · exp (α2 · ω α3 ) (Formula 2)
σ (ω) is the tensile stress (N / mm 2 ), and ω is the crack opening width (mm).
図５の引張軟化曲線Ｃ１は、モデル化平均軟化曲線Ｃ２に低減率を乗じて得た曲線である。モデル化平均軟化曲線Ｃ２は、図示しない平均軟化曲線（切欠き曲げ試験の結果を逆解析して得た多数の軟化曲線を平均したもの）を式２で近似した曲線である。モデル化平均軟化曲線Ｃ２は、式２のパラメータをα１＝１．０、α２＝−１．７３３、α３＝０．５５とした場合の曲線である。
The tensile softening curve C1 in FIG. 5 is a curve obtained by multiplying the modeled average softening curve C2 by the reduction rate. The modeled average softening curve C2 is a curve obtained by approximating an average softening curve (not shown) (an average of a number of softening curves obtained by back-analyzing the results of the notch bending test) by
さらに、実験より得られた引張軟化曲線に基づいて、開口幅１ｍｍにおける破壊エネルギーの実験データが正規分布になると仮定したところ、平均値は、１．３３Ｎ／ｍｍ2、危険確率５％となる特性値は０．７９Ｎ／ｍｍ2である。すなわち、図５の引張軟化曲線Ｃ１は、破壊エネルギーの平均値に対する低減率（０．７９／１．３３＝０．５９）を用いてモデル化平均軟化曲線Ｃ２を特性値化したものであり、以下の式３で表される。
Furthermore, based on the tensile softening curve obtained from the experiment, assuming that the experimental data of the fracture energy at the opening width of 1 mm has a normal distribution, the average value is 1.33 N / mm 2 and the risk probability is 5%. The value is 0.79 N / mm 2 . That is, the tensile softening curve C1 in FIG. 5 is a characteristic value of the modeled average softening curve C2 using a reduction rate (0.79 / 1.33 = 0.59) with respect to the average value of fracture energy. It is represented by the following
σtk（ω）＝０．５９・ｆt・ｅｘｐ（−１．７３３・ω0.55） （式３）
σtk（ω）は特性値化された引張応力（Ｎ／ｍｍ2）、
ｆtは引張強度（Ｎ／ｍｍ2）である。
σ tk (ω) = 0.59 · f t · exp (-1.733 · ω 0.55) ( Equation 3)
σ tk (ω) is the characteristic tensile stress (N / mm 2 ),
f t is the tensile strength (N / mm 2 ).
引張軟化曲線は、繊維材料の特性とコンクリートの強度特性との組合せにより定まるものであるが、本実施形態の設計対象であるシールドトンネルのセグメントにおけるコンクリート圧縮強度の範囲では、破壊エネルギーおよび曲げ強度とコンクリート強度との相関は定量的にモデル化できるほど顕著でないことから、コンクリート強度に依存しないモデル化としている。 The tensile softening curve is determined by the combination of the characteristics of the fiber material and the strength characteristics of the concrete, but in the range of the concrete compressive strength in the shield tunnel segment that is the design object of this embodiment, the fracture energy and the bending strength Since the correlation with the concrete strength is not so remarkable that it can be quantitatively modeled, the modeling is not dependent on the concrete strength.
平面保持を仮定してセグメントの主断面における繊維補強コンクリートおよび鉄筋の応力度を算定する段階では、繊維補強コンクリートにおける応力とひずみの関係が必要となる。そこで、本実施形態では、引張領域における繊維補強コンクリートの応力−ひずみ曲線として、図６の引張応力−ひずみ曲線Ａを用いている。
この引張応力−ひずみ曲線Ａは、繊維補強コンクリートの引張応力とひび割れ開口幅の関係を示す引張軟化曲線に基づいて適切に定めたものである。
At the stage of calculating the stress level of fiber reinforced concrete and reinforcing bars in the main cross section of the segment assuming flat surface retention, the relationship between stress and strain in fiber reinforced concrete is required. Therefore, in this embodiment, the tensile stress-strain curve A of FIG. 6 is used as the stress-strain curve of the fiber reinforced concrete in the tensile region.
This tensile stress-strain curve A is appropriately determined based on a tensile softening curve indicating the relationship between tensile stress and crack opening width of fiber reinforced concrete.
以下、図６の引張応力−ひずみ曲線Ａを定める過程について詳細に説明する。
繊維混入率０．４０〜０．６５ｖｏｌ.％、引張鉄筋比０．２５〜１．０４％、圧縮強度５０〜８０Ｎ／ｍｍ2程度の範囲における繊維補強鉄筋コンクリート部材の実験では、繊維が引張応力を分担することで、繊維のない鉄筋コンクリート部材に比べて曲げ降伏荷重が増加し、その後も安定して荷重を保持し、圧縮側コンクリートで圧壊に至ることが確認された。つまり、ひび割れが発生した後も繊維補強コンクリートが引張応力を分担し、耐荷機構に寄与していることになる。このことから、図６の引張応力−ひずみ曲線Ａは、三つの領域Ｉ，II，III（曲線Ａ１，Ａ２，Ａ３）に分けてモデル化した。
Hereinafter, the process of determining the tensile stress-strain curve A in FIG. 6 will be described in detail.
In the experiment of the fiber reinforced reinforced concrete member in the range of the fiber mixing ratio of 0.40 to 0.65 vol.%, The tensile reinforcing bar ratio of 0.25 to 1.04%, and the compressive strength of about 50 to 80 N / mm 2 , the fiber has a tensile stress. By sharing, it was confirmed that the bending yield load increased compared to the reinforced concrete member without fibers, and the load was stably held thereafter, and the compression side concrete was crushed. That is, even after cracking occurs, the fiber reinforced concrete shares the tensile stress and contributes to the load bearing mechanism. Therefore, the tensile stress-strain curve A in FIG. 6 was modeled by dividing it into three regions I, II, and III (curves A1, A2, and A3).
ひずみεがゼロの状態からひび割れひずみεcrまでの第一領域Ｉ（０≦ε＜εcr）は、引張応力−ひずみ関係が初期のヤング係数に基づく線形関係となる領域である。第一領域Ｉにおける引張応力−ひずみ曲線Ａ１は、繊維補強コンクリートのヤング係数Ｅcを増加勾配とする以下の式４による直線で表される。この第一領域Ｉでは、ひずみεが大きくなるに連れて引張応力σが増加する。 The first region I (0 ≦ ε <ε cr ) from the state where the strain ε is zero to the crack strain ε cr is a region where the tensile stress-strain relationship is a linear relationship based on the initial Young's modulus. The tensile stress-strain curve A1 in the first region I is represented by a straight line according to the following formula 4 in which the Young's modulus E c of the fiber reinforced concrete is an increasing gradient. In the first region I, the tensile stress σ increases as the strain ε increases.
σ＝Ｅcε （式４）
σは引張応力（Ｎ／ｍｍ2）、 Ｅcはヤング係数（ｋＮ／ｍｍ2）である。
σ = E c ε (Formula 4)
σ is a tensile stress (N / mm 2 ), and E c is a Young's modulus (kN / mm 2 ).
ひび割れが発生した後の第二領域IIおよび第三領域IIIは、繊維補強コンクリートの引張応力分担が耐荷機構に反映される領域である。
ひび割れひずみεcrから引張鉄筋の降伏ひずみεyまでの第二領域II（εcr≦ε＜εy）は、図５の引張軟化曲線Ｃ１に基づいて設定された曲線となる領域である。ただし、低引張鉄筋比の部材においては、高引張鉄筋比の部材に比べて繊維の効果が小さくなる傾向があるため、この影響を応力の低減係数βで表している。
第二領域IIにおける引張応力−ひずみ曲線Ａ２は、図５の引張軟化曲線Ｃ１に基づいた以下の式５による曲線で表される。この第二領域IIでは、ひずみが大きくなるに連れて引張応力が減少する。
The second region II and the third region III after the occurrence of cracking are regions where the tensile stress sharing of the fiber reinforced concrete is reflected in the load bearing mechanism.
A second region II (ε cr ≦ ε <ε y ) from the crack strain ε cr to the yield strain ε y of the tensile reinforcement is a region that becomes a curve set based on the tensile softening curve C1 of FIG. However, in a member having a low tensile reinforcing bar ratio, the effect of the fiber tends to be smaller than that in a member having a high tensile reinforcing bar ratio. Therefore, this influence is expressed by a stress reduction coefficient β.
The tensile stress-strain curve A2 in the second region II is represented by the
σ＝β・σtk（ε）／γc （式５）
σtk（ε）は引張軟化曲線より求めた引張応力−ひずみ関係（Ｎ／ｍｍ2）、
γcは安全係数（材料係数）である。
σ = β · σ tk (ε) / γ c (Formula 5)
σ tk (ε) is the tensile stress-strain relationship (N / mm 2 ) determined from the tensile softening curve,
γ c is a safety factor (material factor).
図５の引張軟化曲線Ｃ１から引張応力−ひずみ関係σtk（ε）への変換は、「コンクリート標準示方書設計編」に示されたひび割れ幅算定式に基づいて、以下の式６によって行うことができる（図７参照）。なお、ひび割れ間隔Ｌcrは、以下の式６で表される。 The conversion from the tensile softening curve C1 in FIG. 5 to the tensile stress-strain relationship σ tk (ε) is performed by the following formula 6 based on the crack width calculation formula shown in “Standard Specification for Concrete Specification”. (See FIG. 7). The crack interval L cr is expressed by the following formula 6.
Ｌcr＝１．１・ｋ１・ｋ２・ｋ３・｛４ｃ＋０．７（ｃs−φ）｝ （式６）
ｃはかぶり（ｍｍ）、ｃsは鋼材の中心間隔（ｍｍ）、φは鋼材径（ｍｍ）である。
L cr = 1.1 · k1 · k2 · k3 · {4c + 0.7 (c s −φ)} (Formula 6)
c is the fog (mm), c s is the center interval (mm) of the steel material, and φ is the steel material diameter (mm).
式６のｋ１は、鋼材の表面形状がひび割れ幅に及ぼす影響を表す係数であり、一般に異形鉄筋の場合に１．０、普通丸鋼およびＰＣ鋼材の場合に１．３である。式６のｋ２は、コンクリートの品質がひび割れ幅に及ぼす影響を表す係数であり、以下の式７で表される。 K1 in Equation 6 is a coefficient representing the influence of the surface shape of the steel material on the crack width, and is generally 1.0 for deformed reinforcing bars and 1.3 for ordinary round steel and PC steel. K2 in Equation 6 is a coefficient representing the influence of the quality of the concrete on the crack width, and is represented by Equation 7 below.
ｋ２＝{１５／（ｆ’c＋２０）}＋０．７ （式７） k2 = {15 / (f ′ c +20)} + 0.7 (Expression 7)
ｆ’cは、コンクリートの圧縮強度（Ｎ／ｍｍ2）であり、一般に設計圧縮強度を用いてよい。式６のｋ３は、引張鋼材の段数の影響を表す係数で、以下の式８で表される。 f ′ c is the compressive strength (N / mm 2 ) of concrete, and in general, the designed compressive strength may be used. K3 in Equation 6 is a coefficient representing the influence of the number of steps of the tensile steel material, and is represented by Equation 8 below.
ｋ３＝５（ｎ＋２）／（７ｎ＋８） （式８）
ｎは引張鋼材の段数である。
k3 = 5 (n + 2) / (7n + 8) (Formula 8)
n is the number of steps of the tensile steel material.
応力の低減係数βについては、繊維補強鉄筋コンクリート部材の実験のパラメータ解析より定めた図８のグラフに示す関係を用いることができる。 Regarding the stress reduction coefficient β, the relationship shown in the graph of FIG. 8 defined by the parameter analysis of the experiment of the fiber-reinforced reinforced concrete member can be used.
図６の引張応力−ひずみ曲線Ａにおいて、引張鉄筋の降伏ひずみεyから限界ひずみεuに至る第三領域III（εy＜ε≦εu）は、引張鉄筋の降伏ひずみεy時の引張応力を保持する領域である。
引張鉄筋が降伏した後には、ひび割れ位置で鉄筋がひずみ硬化し計算上の仮定であるバイリニアの関係よりも大きな応力を分担すること、また、引張鉄筋が降伏した後における繊維補強コンクリートの応力−ひずみ関係について十分な知見が得られていないことから、第三領域IIIは引張鉄筋の降伏ひずみεy時の引張応力を保持するものとしている。したがって、第三領域IIIにおける引張応力−ひずみ曲線Ａ３は、以下の式９による直線となっている。この第三領域IIIでは引張応力が一定となっている。
In the tensile stress-strain curve A of FIG. 6, the third region III (ε y <ε ≦ ε u ) from the tensile strain yield strain ε y to the critical strain ε u is the tensile strength at the tensile strain at the yield strain ε y. This is a region for holding stress.
After the yielding of the tensile reinforcement, the reinforcement is strain-hardened at the crack position and shares a larger stress than the bilinear relationship, which is the calculation assumption, and the stress-strain of the fiber reinforced concrete after the tensile reinforcement yields. Since sufficient knowledge about the relationship has not been obtained, the third region III holds the tensile stress at the yield strain ε y of the tensile reinforcement. Therefore, the tensile stress-strain curve A3 in the third region III is a straight line according to the following formula 9. In this third region III, the tensile stress is constant.
σ＝β・σtk（εy）／γc （式９） σ = β · σ tk (ε y ) / γ c (Equation 9)
繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントにおける主断面の終局限界状態の照査は、「トンネル標準示方書シールド編」に基づいて、曲げモーメントおよび軸力に対する安全性の照査、せん断力に対する安全性の照査を行うものである。 The verification of the ultimate limit condition of the main cross section in the fiber reinforced reinforced concrete segment is based on the "Standard Tunnel Specification Shield", which checks the safety against bending moment and axial force and the safety against shear force. is there.
軸方向圧縮力を受けている部材における軸方向圧縮耐力の上限値Ｎ’oudは、「コンクリート標準示方書設計編」に示された以下の式１０により算定する。
The upper limit value N ′ oud of the axial compressive strength in the member receiving the axial compressive force is calculated by the following
Ｎ’oud＝ｋ１・ｆ’cd・Ａc／γb （式１０）
Ｎ’oudは軸方向圧縮耐力の上限値（Ｎ／ｍｍ2）、 ｋ１は部材係数で一般に１．３、
ｆ’cdは繊維補強コンクリートの設計圧縮強度（Ｎ／ｍｍ2）、
Ａcは繊維補強コンクリートの断面積（ｍｍ2）、
γbは強度の低減係数で一般に０．８５である。
N ′ oud = k1 · f ′ cd · A c / γ b (Equation 10)
N ′ oud is the upper limit value (N / mm 2 ) of the axial compressive strength, k1 is a member coefficient, generally 1.3,
f ′ cd is the design compressive strength of fiber reinforced concrete (N / mm 2 ),
Ac is the cross-sectional area of fiber reinforced concrete (mm 2 ),
γ b is a strength reduction coefficient and is generally 0.85.
前記したように、繊維補強鉄筋コンクリート部材では、繊維が引張応力を分担することで、曲げひび割れが発生した後に、ただちに鉄筋が降伏あるいは破断するぜい性的な破壊性状を示すことなく安定して荷重を保持し、圧縮側コンクリートで圧壊に至ることが確かめられている。
これより、終局限界状態における繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントの設計曲げ耐力は、一般の鉄筋コンクリート製セグメントについての算定方法と同様に、平面保持を仮定した断面解析により求めることができる。
そして、セグメントの主断面における繊維補強コンクリートおよび鉄筋の応力度を算定する段階では、鋼繊維および有機繊維による引張応力を考慮することができるため、繊繊維補強コンクリートの引張応力−ひずみ曲線は、図６の引張応力−ひずみ曲線Ａを用いることができる。
As described above, in fiber-reinforced reinforced concrete members, the fiber shares the tensile stress, so that after bending cracking occurs, the reinforcing bar yields or breaks immediately without exhibiting brittle fracture characteristics. It has been confirmed that the compression side concrete is crushed.
Thus, the design bending strength of the fiber-reinforced reinforced concrete segment in the ultimate limit state can be obtained by a cross-sectional analysis assuming plane retention, as in the calculation method for a general reinforced concrete segment.
And, at the stage of calculating the stress level of fiber reinforced concrete and rebar in the main section of the segment, the tensile stress-strain curve of fiber reinforced concrete can be taken into account because tensile stress due to steel fiber and organic fiber can be taken into consideration. A tensile stress-strain curve A of 6 can be used.
ここで、引張応力が曲げひび割れ強度よりも大きく、使用限界状態においてひび割れが発生する場合には、コンクリートへの塩化物イオンの浸入やコンクリートの中性化により、引張鉄筋のかぶり部に存在する鋼繊維はすべてが腐食するものとし、鋼繊維の補強効果は期待しないものとする。したがって、図９に示すように、引張鉄筋Ｓ１のかぶり部ｔが負担する引張応力度をゼロと仮定したうえで、主断面における繊維補強コンクリートおよび鉄筋の応力度を算定している。 Here, if the tensile stress is greater than the bending crack strength and cracks occur in the limit condition of use, the steel existing in the cover of the tensile reinforcement due to the penetration of chloride ions into the concrete and the neutralization of the concrete All fibers shall be corroded, and the reinforcing effect of steel fibers shall not be expected. Therefore, as shown in FIG. 9, the stress level of the fiber reinforced concrete and the reinforcing bar in the main cross section is calculated on the assumption that the tensile stress level borne by the covering portion t of the tensile reinforcing bar S1 is zero.
使用限界状態における繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントの主断面に生じる応力度の算定は、「トンネル標準示方書シールド編」に基づくものとする。そして、前記した終局限界状態と同様に、セグメントの主断面における繊維補強コンクリートおよび鉄筋の応力度を算定する段階では、図６の引張応力−ひずみ曲線Ａを用いている。
また、前記した終局限界状態と同様に、引張応力が曲げひび割れ強度よりも大きい場合には、図９に示すように、引張鉄筋Ｓ１のかぶり部ｔが負担する引張応力度をゼロと仮定したうえで、主断面における繊維補強コンクリートおよび鉄筋の応力度を算定している。
The calculation of the degree of stress generated in the main cross section of the fiber reinforced reinforced concrete segment in the use limit state shall be based on “Tunnel Standard Specification Shield”. Then, similarly to the above-mentioned ultimate limit state, the tensile stress-strain curve A shown in FIG. 6 is used at the stage of calculating the stress levels of the fiber reinforced concrete and the reinforcing bar in the main cross section of the segment.
Similarly to the above-mentioned ultimate limit state, when the tensile stress is larger than the bending crack strength, as shown in FIG. 9, it is assumed that the tensile stress degree borne by the cover portion t of the tensile reinforcement S1 is zero. Thus, the stress levels of fiber reinforced concrete and reinforcing bars in the main section are calculated.
以上のような繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントの設計方法によれば、図６の引張応力−ひずみ曲線Ａを用いることで、繊維補強コンクリートの材料特性を適切に評価して、繊維補強コンクリートおよび鉄筋の応力度を求めることができるため、繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントを円滑に設計することができる。 According to the design method of the fiber reinforced reinforced concrete segment as described above, by using the tensile stress-strain curve A of FIG. 6, the material properties of the fiber reinforced concrete are appropriately evaluated, and the stress of the fiber reinforced concrete and the reinforcing bar is evaluated. Since a degree can be calculated | required, the segment made from a fiber reinforced reinforced concrete can be designed smoothly.
また、図９に示すように、塩化物イオンの浸入や中性化によって繊維が腐食する可能性があるかぶり部ｔの引張応力を無視することで、繊維補強コンクリートおよび鉄筋の応力度を適切に算定することができる。 In addition, as shown in FIG. 9, by ignoring the tensile stress of the cover t where the fiber may corrode due to the ingress or neutralization of chloride ions, the stress level of the fiber reinforced concrete and the reinforcing bar is appropriately adjusted. Can be calculated.
さらに、ポリプロピレンなどの耐火性をコンクリートに付与することができる有機繊維を用いることで、耐火性を有するセグメントを製作することができる。 Furthermore, the segment which has fire resistance can be manufactured by using the organic fiber which can provide fire resistance, such as a polypropylene, to concrete.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更が可能である。
例えば、本実施形態では、鋼繊維および有機繊維が混合された繊維補強コンクリートを用いているが、鋼繊維が単独で混入された繊維補強コンクリートや、有機繊維が単独で混入された繊維補強コンクリートを用いた繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントにおいても、前記した設計手法のように、図６の引張応力−ひずみ曲線Ａを用いることで、繊維補強コンクリートの材料特性を適切に評価して、繊維補強コンクリートおよび鉄筋の応力度を簡単に求めることができる。
The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.
For example, in this embodiment, fiber reinforced concrete in which steel fibers and organic fibers are mixed is used. However, fiber reinforced concrete in which steel fibers are mixed alone or fiber reinforced concrete in which organic fibers are mixed alone is used. Also in the fiber-reinforced reinforced concrete segment used, by using the tensile stress-strain curve A in FIG. 6 as in the design method described above, the material properties of the fiber-reinforced concrete are appropriately evaluated, and the fiber-reinforced concrete and the reinforcing bar are used. The stress level can be easily obtained.
また、本実施形態では、図４（ｄ）に示された引張軟化曲線のモデルを用いた図５の引張軟化曲線Ｃ１に基づいて、図６に示す引張応力−ひずみ曲線Ａの第二領域II（曲線Ａ２）を表しているが、同様な手法により、図４（ａ）から（ｃ）に示す引張軟化曲線のモデルを用いた引張軟化曲線に基づいて、引張応力−ひずみ曲線の第二領域を表すこともできる。 In the present embodiment, the second region II of the tensile stress-strain curve A shown in FIG. 6 is based on the tensile softening curve C1 shown in FIG. 5 using the tensile softening curve model shown in FIG. Although (curve A2) is represented, the second region of the tensile stress-strain curve is expressed based on the tensile softening curve using the model of the tensile softening curve shown in FIGS. Can also be expressed.
また、本実施形態では、図９に示すように、引張鉄筋Ｓ１のかぶり部ｔの引張応力を無視しているが、繊維補強コンクリートにひび割れが発生しない場合には、引張鉄筋のかぶり部ｔに存在する鋼繊維の補強効果を期待することができるため、かぶり部ｔが負担する引張応力度を考慮して、繊維補強コンクリートおよび鉄筋の応力度を算定してもよい。 Moreover, in this embodiment, as shown in FIG. 9, the tensile stress of the covering portion t of the tensile reinforcing bar S1 is ignored. However, when the fiber reinforced concrete does not crack, the covering portion t of the tensile reinforcing bar Since the reinforcing effect of the existing steel fiber can be expected, the stress degree of the fiber reinforced concrete and the reinforcing bar may be calculated in consideration of the tensile stress degree borne by the cover portion t.
Ａ 引張応力−ひずみ曲線
Ａ１ 第一領域Iにおける引張応力−ひずみ曲線
Ａ２ 第二領域IIにおける引張応力−ひずみ曲線
Ａ３ 第三領域IIIにおける引張応力−ひずみ曲線
Ｂ 圧縮応力−ひずみ曲線
Ｃ１ 引張軟化曲線
A Tensile stress-strain curve A1 Tensile stress-strain curve in the first region I A2 Tensile stress-strain curve in the second region II A3 Tensile stress-strain curve in the third region III B Compressive stress-strain curve C1 Tensile softening curve
Claims (5)
前記セグメントの主断面における繊維補強コンクリートおよび鉄筋の応力度を算定する段階において、
引張領域における前記繊維補強コンクリートの応力−ひずみ曲線として、
ひずみがゼロの状態からひび割れひずみまでの第一領域では、ひずみが大きくなるに連れて引張応力が増加し、
前記ひび割れひずみから引張鉄筋の降伏ひずみまでの第二領域では、ひずみが大きくなるに連れて引張応力が減少し、
前記降伏ひずみから前記引張鉄筋の限界ひずみまでの第三領域では、引張応力が一定となる応力−ひずみ曲線を用いることを特徴とする繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントの設計方法。 A method for designing a fiber reinforced concrete segment,
In calculating the stress level of fiber reinforced concrete and reinforcing bars in the main cross section of the segment,
As a stress-strain curve of the fiber reinforced concrete in the tensile region,
In the first region from zero strain to crack strain, the tensile stress increases as the strain increases,
In the second region from the crack strain to the yield strain of the tensile reinforcement, the tensile stress decreases as the strain increases,
A method for designing a fiber-reinforced reinforced concrete segment, wherein a stress-strain curve in which a tensile stress is constant is used in a third region from the yield strain to the limit strain of the tensile reinforcement.
前記第一領域においては、前記繊維補強コンクリートのヤング係数を増加勾配とする直線であり、
前記第二領域においては、引張軟化曲線に基づいて設定した曲線であることを特徴とする請求項１に記載の繊維補強鉄筋コンクリート製セグメントの設計方法。 The stress-strain curve is
In the first region, it is a straight line with an increasing gradient of the Young's modulus of the fiber-reinforced concrete,
The method for designing a fiber-reinforced reinforced concrete segment according to claim 1, wherein the second region is a curve set based on a tensile softening curve.
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