[論文レビュー] Elastic Composite, Reinforced Lightweight Concrete as a Type of Resilient Composite Systems

Kamyar Esmaeili|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2015

Innovations in Concrete and Construction Materials被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、曲げ応力下で非線形ひずみ分布を示すことで、高い延性および靭性モジュラスを実現する、耐久性に優れた複合材であるエラスティックコンposites・リインフォースドライトコンクリート（ECRLC）を提案する。従来の曲げ理論の仮定とは乖離することで、軽量スラブやビームにおいて安全で延性のある破壊モードを実現し、特に地震動や動的荷重条件下で一般的に見られる脆い破壊を克服する。

ABSTRACT

. A kind of "Elastic Composite, Reinforced Lightweight Concrete (ECRLC)" with the mentioned specifics is a type of "Resilient Composite Systems (RCS)" in which, contrary to the basic geometrical assumption of flexure theory in Solid Mechanics, "the strain changes in the beam height during bending" is typically "Non-linear". . Through employing this integrated structure, with significant high strain capability and modulus of resilience in bending, we could constructively achieve high bearing capacities in beams with secure fracture pattern, in less weight. . Due to the system particulars and its behavior in bending, the usual calculation of the equilibrium steel amount to attain the low-steel bending sections with secure fracture pattern in the beams and its related limitations do not become propounded. Thereby, the strategic deadlock of high possibility of brittle fracture pattern in the bending elements made of the usual reinforced lightweight concretes, especially about the low-thickness bending elements as slabs, is being unlocked. . This simple, applied technology and the related components and systems can have several applications in "the Road and Building Industries" too. . Regarding the "strategic importance of the Lightweight & Integrated Construction in practical increase of the resistance and safety against earthquake" and considering the appropriate behavior of this resilient structure against the dynamic loads, shakes, impacts and shocks and capability of making some lightweight and insulating, non-brittle, reinforced sandwich panels and pieces, this system and its components could be also useful in "seismic areas". . This system could be also employed in constructing the vibration and impact absorber bearing pieces and slabs, which can be used in "the Railroad & Subway Structures" too. . Here, the "RCS" and "ECRLC" (as a type of RCS) have been concisely presented.

研究の動機と目的

• 従来の鉄筋軽量コンクリートにおける脆い破壊リスク、特にスラブのような薄肉部材に対して対処すること。
• 重量を低減しつつ高い耐荷重を維持し、延性を向上させる構造システムの開発。
• 地震地域において、軽量で断熱性があり、脆くないサンドイッチパネルおよび構造部材の使用を可能にすること。
• 交通インフラおよび建築インフラにおける動的荷重耐性に実用的かつ応用可能な解決策を提供すること。
• 低鉄筋率部材における従来の鋼鉄補強設計計算の限界を乗り越え、曲げ破壊のメカニズムを再定義すること。

提案手法

• ビーム断面におけるひずみ分布が非線形となる複合システムの設計。これは古典的曲げ理論における線形弾性仮定とは乖離する。
• 高いひずみ容量および強靭性を有する特別に設計された軽量コンクリート配合の採用。
• 破壊モードが急激な脆い崩壊ではなく、延性的でエネルギー吸収能を有するものとなるように鉄筋を配置。
• システムの内在的耐久性を活用し、曲げ応力下で高い靭性モジュラスを達成することで、エネルギー散逸を向上。
• 最小限の重量と高い衝撃耐性を備えたサンドイッチパネルおよび負荷耐力部材としての構造化。
• 理論的解析と道路・建築工事現場への応用を通じて、システムの性能を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の鉄筋比計算に依存せずに、鉄筋軽量コンクリートシステムが曲げ応力下で延性的・非脆的破壊を達成する方法は何か？
• RQ2 ECRLCが動的荷重下で高いひずみ容量および耐久性を示すために必要な機械的挙動特性は何か？
• RQ3 ECRLCは、耐荷重性能および安全性を維持または向上させつつ、構造重量をどの程度低減できるか？
• RQ4 ECRLCビームにおける非線形ひずみ分布が、地震動や衝撃にさらされる環境下での性能向上にどのように寄与するか？
• RQ5 ECRLCは、スラブ、サンドイッチパネル、振動吸収部材などの実際の建設応用に効果的に実装可能か？

主な発見

• ECRLCはビーム断面全体にわたり非線形的なひずみ分布を示すため、曲げ理論の古典的線形弾性仮定が成立しない。
• 高い靭性モジュラスおよび顕著なひずみ容量を達成しており、低鉄筋率部材においても延性破壊モードを実現可能である。
• この技術により、特に薄肉部材における軽量コンクリートビームおよびスラブの脆い破壊リスクが効果的に排除される。
• ECRLCは、地震動および動的荷重環境に適した、軽量で断熱性があり、脆くないサンドイッチパネルの構築を可能にする。
• このシステムは、鉄道・地下鉄構造物における振動・衝撃吸収部材を含む、道路および建築産業に応用可能である。
• 従来の補強設計の制限を回避し、耐久性のある複合材システムのための新しい構造的パラダイムを提供する。