コンクリートの静弾性係数(ヤング係数) を知ろう

性質

コンクリートの力学的物性値には、静弾性係数(ヤング係数)という値があります。

ヤング係数とは、その物質の固さの指標であり、コンクリートのヤング係数(静弾性係数)は、構造設計において重要な物性値です。

ちなみに、静弾性係数(ヤング係数)を、ヤング率・弾性率などとも呼びますが、どれも同じものを指していることに注意してください。

この記事では、コンクリートの静弾性係数(ヤング係数)について、求め方や測定方法、基準などについて説明します。

コンクリート 応力ひずみ曲線

応力ひずみ曲線とは

物体にある力(応力)を作用させた時、物体の形状は変形(ひずみ)します。その関係を、図で示したものを応力ひずみ曲線と言います。

ひずみとは

変形量(⊿X)の元の長さ(X)に対する比で表される値(⊿X/X)。ひずみ≠変形量ですので、間違えずに覚えてください。

ヤング係数とは、その図において、応力とひずみが比例関係である領域、つまり線の傾きを表しています。

傾きが急であるほど固い材質・緩やかであるほど柔らかい材質だということが分かります。

コンクリートの応力ひずみ曲線

コンクリートの応力ひずみ曲線には、厳密には直線部分(弾性域)は存在しません。そのため、どの時点を起点とするかによって、ヤング係数(静弾性係数)にも種類があります。

  • 初期弾性係数
  • 接線弾性係数
  • 割線弾性係数

通常、コンクリートの弾性係数という場合、割線弾性係数の事を指します。
割線弾性係数とは、ひずみが50×10-6の時の応力と、最大荷重の1/3の時の応力を結んだ直線です。

コンクリートのヤング係数の求め方(計算方法)

ヤング係数は、「応力とひずみが比例関係である領域、つまり線の傾きを表しています」とお伝えしました。
この関係性は、みなさんも一度は習ったであろうフックの法則の公式と同じです。

フックの法則は
f(力)=K(定数)×X(伸び)
でしたね。

これと同じく
σ(応力)=E(ヤング係数)×ε(ひずみ)となります。

つまりE(ヤング係数)=σ(応力)/ε(ひずみ)となります。

コンクリートのヤング係数と圧縮強度の関係

コンクリートのヤング係数は、強度と気乾単位容積質量に相関があります。強度の高いコンクリートのほうが大きい値となりますが、一般的には、22〜32kg/mm2程度。

実験式で広く知られている式には、

E1/3=1430×ρ1.5×√fc
ρ=気乾単位容積質量
fc=圧縮強度

といったものがあります。
またJASS5には、ヤング係数の規定があり、下の式で計算された値の80%以上の範囲内であることが要求されています。

E=3.35×104×(r/2.4)2×(σB/60)
r=単位容積質量
σB=圧縮強度

この場合、これから説明するヤング係数の測定方法などによって実測したデータと、上の式から求めた理論値を比較することになります。

コンクリートのヤング係数の測定方法

ヤング係数の測定方法には、JIS A 1149コンクリートの静弾性係数試験方法があります。

通常の圧縮強度試験と同様の方法で荷重を加えていき、その時のひずみを計測していく試験です。静弾性係数試験のポイントを説明します

測定機器

供試体の変形量を計測するのが、ひずみ測定器です。ひずみ測定器は、縦ひずみ測定精度が10×10-6以下の機器を使用します。一般によく使われているのが次の機器です。

  • ひずみゲージ(ストレインゲージ)
  • コンプレッソメーター

ポイント

  • 測定誤差を小さくするため、温度と湿度を一定に保つ。
  • ひずみ測定器は、供試体の軸に平行に、かつ正反対の2か所に取り付ける。
  • ひずみ測定器は、供試体の高さの中心位置に取り付ける。

試験方法

所定の位置にひずみ測定器を取り付けたら、圧縮強度試験と同様の方法で荷重を加えます。
縦ひずみは、最大荷重の1/2程度まで測定を行い、測定中は等間隔に10点以上は測定します。
その後、最大荷重を有効数字3桁まで読み取り、応力とひずみを使ってヤング係数を算出します。

ヤング係数の計算方法

ヤング係数は次の式によって算出します。

Ec=(S1-S2)/(ε1-ε2)×10-3


Ec:ヤング係数
S1:最大荷重の1/3の応力
S2:ひずみが50×10-6の時の応力
ε1:最大荷重の1/3の応力の時のひずみ
ε2:50×10-6

右図に赤い点が二つありますね。
S1とε1が上の点S2とε2が下の点になります。

 まとめ

今回はコンクリートの静弾性係数(ヤング係数)について説明しました。

コンクリートの静弾性係数(ヤング係数)
  • ヤング係数とは、その物質の固さの指標。
  • コンクリートの静弾性係数(ヤング係数)は、構造設計で重要な物性値。
  • コンクリートのヤング係数という場合、割線弾性係数の事を指す。
  • コンクリートのヤング係数は、強度と気乾単位容積質量と相関がある。


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