JP2013244625A - コンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システム - Google Patents

Abstract

【課題】コンクリート打込み後からのコンクリート硬化過程における温度分布ならびにひずみ分布状況をリアルタイムで把握し、評価できるシステムを提供する。
【解決手段】コンクリートＣの打込み現場の気温及び湿度を計測する計測手段１と、コンクリートＣ中のセメントの水和発熱による打込み後の硬化過程におけるコンクリートＣの収縮ひずみ量の分布を、施工されるコンクリート構造物の構造形状、セメントの種類、水セメント比、及び前記気温及び湿度の計測データに基づいて解析する解析手段２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンクリートの打込みからのコンクリート部材内部の温度変化及び温度分布の予測、ならびにコンクリート表面からの水分逸散により生じる乾燥収縮や温度分布の違いよりコンクリート中に生じる応力、ひび割れ発生確率の評価を行うシステムに関するものである。

土木構造物では、マスコンクリート（コンクリート部材の厚さが８０ｃｍ以上）となることが多く、このような構造物ではコンクリートの打込み後、セメントの水和熱に起因して温度ひび割れが発生する確率が高い。温度ひび割れには、コンクリート部材の内外温度差に起因して生じる温度応力がコンクリートの引張強度より大きくなることによって、コンクリート表層部にひび割れを生じるものと、コンクリート部材の中心部において上昇した温度が下降する際に温度降下に伴う収縮が既設コンクリートや基礎や岩盤などの拘束体によって拘束されることに起因して生じるものとがある。

また、型枠の脱型によりコンクリート表面からコンクリート中の水分が逸散して乾燥し、コンクリートの収縮を生じ、このようなコンクリート表面の乾燥収縮が内部のコンクリートや他の拘束体に拘束されることにより、コンクリート表面にひび割れを生じる場合もある。

そしてこのような温度応力や乾燥収縮によるひび割れの程度は、収縮速度、収縮量と拘束条件によって変化する。このためセメントの水和発熱によるコンクリート温度の上昇と降下、内外温度差、脱型後のコンクリート表面の乾燥収縮などを評価して、ひび割れの発生確率を予測することが求められる。また、施工者は事前にひび割れ発生リスクを推定するだけでなく、特に構造物の耐久性能に影響するひび割れ発生の有無や、発生するひび割れの幅を照査しておく必要がある。

照査方法としては、市販されている二次元又は三次元の有限要素法（ＦＥＭ；Finite Element Method）による温度応力解析が行われるのが一般的である。この背景には、万一、コンクリート構造物の耐久性に影響を及ぼすようなひび割れが生じた場合、ひび割れの補修が必要になって施工者が補修費用を負担するケースが多いという実態から、施工者として事前にそのリスクを把握しておくためもある。

ところが、マスコンクリートの温度ひび割れは、構造形状や材料に起因して発生するため、施工的要因が大きいことや設計当初の施工時期、施工方法との食い違いが生じることなどによって、施工者が再度照査しているのが現状である。すなわち、設計段階で事前の解析を行っても実際の施工時の境界条件、例えばコンクリートの打込み温度、外気温度といった環境条件が事前の解析時の想定と異なることが多く、また、外気温度が気象庁の計測データを利用した場合であっても、実際の施工では外気温度が気象庁の計測データと異なることが多く、その結果、事前の解析と実際のコンクリートの温度分布が異なってしまうことになる。このため、コンクリート打込み時からのコンクリートの温度やひずみを実際に計測することで事前の解析結果の検証や確認を行うと共に、事前の解析結果にフィードバックして改めてひび割れ対策を検討するといった施工管理を行う方法が実施されている。

また、設計段階で十分に照査された上で材料や構造条件が決定されているわけではなく、ある程度施工者が立案する余地を含んでいる背景もある。また、施工者は施工計画前後に実施した照査結果の妥当性を検証し、その後の施工計画に反映させるために実際のコンクリート構造物の温度計測を実施することが多い。

しかしながら、このような温度計測は、一般的には熱電対をコンクリート中に埋め込むことで行うが、このような従来の計測方法では、計測後に温度分布を把握して事前の解析の妥当性を検証し、ひび割れが生じたときの原因追求の一資料として、事後の利用に留まることが多く、計測データをリアルタイムで施工の品質管理に活用するものではなかった。

また、マスコンクリート部材は体積が大きいため、その温度分布を実際の計測によって知ろうとする場合は膨大な計測点数を必要とし、さらにこれらの計測のほとんどは有線で実施されるため、その配線に手間を要する。その結果、計測点数を減らすことになり、あくまでの点での温度データしか得ることができないのが現状である。

また、内部拘束に起因するひび割れは、主にコンクリート表面に生じるものであり、コンクリート表層部の温度の分布をリアルタイムでビジュアル的に、しかも簡便な方法で把握しておくことができれば、温度ひび割れを低減できる可能性も高くなるが、コンクリート構造物中に熱電対などの温度センサを設置する行為は、コンクリート中に異物を埋め込むことに他ならず、このため特に、表層部の鉄筋より外側のかぶり部分に温度センサによる計測点を設けることは困難であり、好ましくない。さらには、屋外の環境という建設現場では電源供給を要する計測を実施すること自体が困難で非常に手間を要することが多い。このため、コンクリート表層部の温度分布を知ることは困難であった。

さらに、コンクリート表面のひび割れは、乾燥収縮も大きな要因であるため、このような収縮ひずみ量を把握するためには、ひずみ計をコンクリート中に埋め込んでひずみ量を計測することが行われるが、この場合もやはり、コンクリート構造物中にひずみ計を設置する行為は、コンクリート中に異物を埋め込むことに他ならないため、温度計測と同様、表層のかぶり部分にひずみ計測点を多く埋め込むことは困難であり、好ましくない。

なお、下記の特許文献には、コンクリートの温度を管理するためにコンクリートの内部に複数の温度センサを配置するコンクリート養生システムが開示されている。

特開平１１−３２２４７０号公報

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、コンクリート打込み後からのコンクリート硬化過程における温度分布ならびにひずみ分布状況をリアルタイムで把握し、評価できるシステムを提供することにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係るコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システムは、コンクリート打込み現場の気温及び湿度を計測する計測手段と、このコンクリート中のセメントの水和発熱による打込み後の硬化過程におけるコンクリートの温度分布ならびに収縮ひずみ量の分布を、境界条件としてのコンクリートの打込み温度及び前記気温及び湿度の計測データに基づいて解析する解析手段とを備えるものである。

請求項２の発明に係るコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システムは、請求項１に記載の構成において、解析手段が、三次元の有限要素法による非定常熱伝導解析を行ってコンクリートの温度分布を算出し、温度応力を求めるものである。

請求項３の発明に係るコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システムは、請求項１又は２に記載の構成において、解析手段が、コンクリート打込み現場の湿度計測データから三次元の有限要素法による水分拡散解析を行ってコンクリート中の含水率分布を算出し、乾燥収縮ひずみを求めるものである。

請求項４の発明に係るコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システムは、請求項１〜３のいずれかに記載の構成において、コンクリート中に予め温度計測手段を埋設し、この温度計測手段で計測されるコンクリート内部の温度データを、解析データと併用してひび割れ発生確率を評価するものである。

請求項５の発明に係るコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システムは、請求項１〜４のいずれかに記載の構成において、コンクリート打込み現場の気温及び湿度の計測データが、通信手段を介して解析手段へリアルタイムで送信されるものである。

請求項６の発明に係るコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システムは、請求項１〜５のいずれかに記載の構成において、コンクリートの打込みからのコンクリートの温度分布の履歴によりコンクリートの品質を管理するものである。

本発明に係るコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システムによれば、打ち込まれるコンクリート中に予め熱電対などの温度計測手段を埋め込まなくても、セメントの水和発熱による打込み後の硬化過程におけるコンクリートの温度分布及び収縮ひずみ量の分布を高精度に把握することができる。

また、打ち込まれるコンクリート中に予め温度計測手段を埋設した場合は、コンクリート中の温度計測データをリアルタイムで把握できると共に、解析されたコンクリートの温度分布データと併用することでひび割れ発生確率の評価を高精度で行うことができ、今後のコンクリート温度の変化も高精度で予測することができる。

さらに、把握したコンクリートの温度分布からコンクリートの力学特性を推定して、より高度なコンクリート構造物の施工管理及び品質管理を実現することができる。

本発明に係るコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システムを示す概略構成説明図である。 本発明に係るコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システムによるコンクリートの温度の解析結果と計測結果を比較して示す線図である。

以下、本発明に係るコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システムについて、図１を参照しながら説明する。

図１における参照符号Ｃは温度分布ならびにひずみ予測対象のコンクリート、参照符号１は、コンクリートＣの打込み現場の気温及び湿度を計測する複数のセンサ、参照符号２は、コンクリートＣの打込み後、このコンクリートＣ中のセメントの水和発熱による硬化過程におけるコンクリートＣの温度分布を、その構造形状、セメントの種類、水セメント比、及びセンサ１からの気温及び湿度の計測データに基づいて解析する解析手段としてのパソコン、参照符号３は、センサ１からの気温及び湿度の計測データを有線ＬＡＮ又は無線ＬＡＮにより送信するための通信手段である。

パソコン２は、本システムによる解析を実行するための処理プログラムによって、解析対象のコンクリートＣをその構造形状によりモデル化し、解析対象のコンクリートＣの物性、例えばコンクリートＣ中のセメントの配合率やセメントの種類などによる発水和熱特性、熱物性、力学特性などの解析条件を入力すると共に、センサ１による外気温度の実測データや打込み温度を境界条件として、三次元有限要素法により非定常熱伝導解析を行って対象コンクリートＣの温度分布を求め、この温度解析結果に基づいて応力解析を実施して温度応力の分布を求め、すなわち温度分布に基づいて対象コンクリートＣの強度、ヤング係数を予測し、温度分布から生じる温度ひずみから温度応力を算定し、さらに、型枠を脱型したときの乾燥によるコンクリートの水分移動を、センサ１による湿度の実測データに基づいて水分の拡散方程式を解くことで、コンクリート中の含水率（水分の分布、飽和度）を算定し、任意の材齢における前記温度応力によるひずみ分布、及び含水率による乾燥収縮ひずみ分布から、ひび割れ指数（応力と引張強度との比）を求めてひび割れ発生確率の照査を行う機能が付加されている。

ここで、コンクリートＣの打込み後の、このコンクリートＣの温度分布ならびにひずみ分布は、セメントの水和発熱と、型枠を介して伝熱される外気の温度や、脱型後の乾燥が大きく影響し、乾燥の度合いは外気の湿度が大きく影響する。本発明に係るコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システムによれば、センサ１による外気温度や湿度の実測データを、事務所等に設置したパソコン２に通信手段３を介して逐次取込み、それを境界条件として前記パソコン２において逐次ひずみ解析を行い、解析結果のひずみ分布をパソコン２のディスプレイ２ａ上にビジュアル的に表示し、さらに、このひずみ分布に基づいて求められるひび割れ指数などの情報も表示することによって施工管理に応用することができるものである。

したがって、コンクリートＣの打込みの際に予め熱電対やひずみ計などを埋設して温度やひずみを実測しなくても、コンクリートＣのひずみ分布及びその経時変化を推定することができる。

また、コンクリートＣの打込みの際に予め熱電対などによる温度センサ４を埋設することによってコンクリートＣの内部温度を実測する場合は、その計測データも、通信手段３を介してパソコン２に逐次取込み、解析結果と共に表示することも可能であり、次のステップの解析精度を向上させるためのデータとして利用することができる。

図２は、コンクリート温度の現場計測データと現場の外気温度を用いてコンクリート温度の解析を行った結果との比較を示す線図である。この図２に示すように、コンクリート下部、コンクリート中央部、コンクリート上部のいずれも、コンクリート温度の現場計測データと解析結果が良く対応しており、コンクリート温度の良好な推定ができていることが確認された。

１ センサ（気温及び湿度を計測する計測手段）
２ パソコン（解析手段）
３ 通信手段
４ 温度センサ
Ｃ コンクリート

Claims (6)

1. コンクリート打込み現場の気温及び湿度を計測する計測手段と、このコンクリート中のセメントの水和発熱による打込み後の硬化過程におけるコンクリートの温度分布ならびに収縮ひずみ量の分布を、境界条件としてのコンクリートの打込み温度及び前記気温及び湿度の計測データに基づいて解析する解析手段とを備えることを特徴とするコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システム。
2. 解析手段が、三次元の有限要素法による非定常熱伝導解析を行ってコンクリートの温度分布を算出し、応力解析により温度応力を求め温度ひずみを予測するものであることを特徴とする請求項１に記載のコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システム。
3. 解析手段が、コンクリート打込み現場の湿度計測データから三次元の有限要素法による水分拡散解析を行ってコンクリート中の含水率分布を算出し、乾燥収縮ひずみを求めるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システム。
4. コンクリート中に予め温度計測手段を埋設し、この温度計測手段で計測されるコンクリート内部の温度データを、解析データと併用してひび割れ発生確率を評価するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システム。
5. コンクリート打込み現場の気温及び湿度の計測データが、通信手段を介して解析手段へリアルタイムで送信されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システム。
6. コンクリートの打込みからのコンクリートの温度分布の履歴によりコンクリートの品質を管理するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のコンクリートの打込み後の温度分布ならびにひずみ予測システム。

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