JP2016070818A - 試験体、ひずみ測定方法、収縮膨張ひずみ推定方法および有効プレストレス量推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実構造物と同じ環境条件下で、収縮膨張ひずみを測定することが可能であり、さらに、実構造物の長期の有効プレストレス量を正確に把握する。【解決手段】構造物の収縮膨張ひずみの推定に用いられる試験体であって、前記構造物と実質的に同一の鉄筋比となるように設けられた複数の鉄筋３と、各鉄筋３に支持されたひずみセンサ１と、ひずみセンサ１から取得した信号を出力するＲＦＩＤタグ９と、を備える。また、この試験体は、鉛直方向に対して平行に設けられた少なくとも３つの鉄筋により柱状に構成され、ひずみセンサ１が３つの鉄筋３に包囲されている。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、構造物の収縮膨張ひずみの推定に用いられる試験体、ひずみ測定方法、収縮膨張ひずみ推定方法および有効プレストレス量推定方法に関する。

従来から、橋梁などの大規模構造物では、プレストレストコンクリートを用いて製造することが多い。このようなＰＣ構造物は、所定のプレストレス量を導入することが極めて重要である。初期に与えたプレストレス量（導入プレストレス量）は、各種因子により応力が解放されるので、長期の有効プレストレス量は徐々に減少していく。各種因子のうち、主に影響するのは、セメント硬化体による収縮膨張ひずみ（例えば、乾燥・自己収縮）、加えられたプレストレス量によるクリープひずみ、ＰＣ鋼材のリラクセーションであり、これらを正確に求めることができれば、実コンクリート製品や構造物の長期の有効プレストレス量を正確に把握することができる。

ここで、クリープひずみ量やリラクセーション量については、従来から、応力との関係が明確に求められており、正確な値を算出することができる。

特開平１０−１０２７７６号公報

しかしながら、収縮膨張ひずみは、コンクリートの配合、部材の寸法及び形状、環境条件、鉄筋の拘束など様々な要因が影響し、実構造物の収縮膨張を精緻に予測することは容易ではない。

これまでの収縮膨張ひずみを計測する方法では、測定部にチップや金属棒を用いるため、屋外では風雨により計測部が破損したり、腐食したりしてしまう。このため、正確な計測結果を得ることは困難であった。また、測定する機器も基準となる２０℃以外では、校正がとれないため、屋外での正確な計測は困難であった。

上記のほか、実構造物自体にひずみセンサを埋設し、ＲＦＩＤタグを用いて収縮膨張ひずみを計測する方法もある。しかし、埋設する際に、鉄筋間にセンサやタグの取り付け、ケーブル配線などの煩雑な作業が必要である。そして、実構造物自体にひずみセンサを埋設できたとしても、測定箇所が手の届かない橋梁の側面であったり、車が通行する車道など、測定が困難な場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、実構造物と同じ環境条件下で、収縮膨張ひずみを測定することが可能であり、さらに、実構造物の長期の有効プレストレス量を正確に把握することが可能な試験体、ひずみ測定方法、収縮膨張ひずみ推定方法および有効プレストレス量推定方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、構造物の収縮膨張ひずみの推定に用いられる試験体であって、前記構造物と実質的に同一の鉄筋比となるように設けられた複数の鉄筋と、いずれかの前記鉄筋に支持されたひずみセンサと、前記ひずみセンサから取得した信号を出力するＲＦＩＤタグと、から構成されることを特徴とする。

このように、構造物と実質的に同一の鉄筋比となるように設けられた複数の鉄筋と、いずれかの鉄筋に支持されたひずみセンサと、ひずみセンサから取得した信号を出力するＲＦＩＤタグと、から構成されるので、構造物と同一の構成をとるミニチュアとしての試験体を形成することが可能となる。これにより、実構造物の環境条件と同じ場所に試験体を設置し、試験体の収縮膨張ひずみを取得することができる。

（２）また、本発明の試験体は、鉛直方向に対して平行に設けられた少なくとも３つの鉄筋により柱状に構成され、前記ひずみセンサが前記３つの鉄筋に包囲されていることを特徴とする。このように、鉛直方向に対して平行に設けられた少なくとも３つの鉄筋により柱状に構成され、ひずみセンサが３つの鉄筋に包囲されているので、ひずみセンサをコンクリートに埋設するために必要な体積を小さくすることが可能となる。また、３つの鉄筋を鉛直方向に対して平行に設けるため、試験体を自立した状態で用いることができる。さらに、コンクリートを打設する際に、加工しやすく容易に用いることができる。

（３）また、本発明の試験体は、前記鉄筋および前記ひずみセンサを埋設するように、前記構造物と実質的に同一のコンクリートが打設されたことを特徴とする。このように、鉄筋およびひずみセンサを埋設するように、構造物と実質的に同一のコンクリートが打設されるので、構造物と同一の構成をとるミニチュアとしての試験体を形成することが可能となる。これにより、ひずみセンサの計測部が風雨などにより破損したり、または腐食したりすることなく、正確な収縮膨張ひずみを計測することができる。

（４）また、本発明の収縮膨張ひずみ測定方法は、ＲＦＩＤタグを用いて、上記記載の試験体から収縮膨張ひずみデータを取得することを特徴とする。このように、ＲＦＩＤタグを用いて、ひずみセンサからデータを取得することができるので、電源や配線が不要となり、測定の効率化を図ることが可能となる。

（５）また、本発明の収縮膨張ひずみ測定方法は、上記記載の試験体を、前記構造物と同一環境下に設置し、前記試験体からひずみデータを取得することを特徴とする。これにより、実構造物と同一環境条件下で、試験体の収縮膨張ひずみを測定することができる。

（６）また、本発明の収縮膨張ひずみ推定方法は、上記記載の試験体からひずみデータを取得するステップと、前記取得したひずみデータ、および前記構造物の有効部材厚もしくは前記構造物の体積比・表面積比を用いて、前記構造物の収縮膨張ひずみを推定するステップとを少なくとも含むことを特徴とする。これにより、実構造物と実質的に同一の試験体から収縮膨張ひずみを推定することができる。

（７）また、本発明の有効プレストレス量推定方法は、前記ＰＣ構造物の有効プレストレス量の推定は、ＰＣ構造物に対する導入プレストレス量から、上記記載の収縮膨張ひずみ推定方法により推定された収縮膨張ひずみ、算出されたクリープひずみ、およびリラクセーション量を減算し、最終的に応力として算出することを特徴とする。これにより、試験体から実構造物の長期の有効プレストレス量を推定し、緊張状態を把握することができる。

本発明によれば、実構造物と同一環境条件下で、収縮膨張ひずみを測定することが可能となる。また、ＲＦＩＤひずみ計測システムを用いることにより、屋外においても正確な計測を行なうことが可能となる。そして、試験体で計測した収縮膨張ひずみから、実構造物の収縮膨張ひずみを推定することができ、実構造物の長期の有効プレストレス量を正確に把握することが可能となる。

ＲＦＩＤひずみセンサを設置した試験体の概要を示した斜視図である。 ＲＦＩＤひずみセンサを設置した試験体の概要を示した斜視図である。 本実施例に係る検証用ＰＣ構造物の概要を示した透視図である。 本実施例に係る乾燥材齢と収縮膨張ひずみの関係を示した図である。 本実施例の方法における緊張材齢と各ひずみの関係を示した図である。 従来法における緊張材齢と各ひずみの関係を示した図である。 従来法および本実施例の方法におけるＰＣ鋼棒の応力変化を示した図である。

本発明者らは、実構造物自体の収縮膨張ひずみを計測することは難しいため、小型供試体に生じた収縮膨張ひずみを実構造物の収縮膨張ひずみに換算することで実構造物の収縮膨張ひずみを推定できる可能性に着目し、ＲＦＩＤひずみ計測システムを用いた試験体から収縮膨張ひずみを計測し、その収縮膨張ひずみと特定の計算式を用いることで、実構造物の収縮膨張ひずみを推定することによって、実構造物の有効プレストレス量を推定することが可能となることを見出し、本発明をするに至った。

すなわち、本発明は、構造物の収縮膨張ひずみの推定に用いられる試験体であって、前記構造物と実質的に同一の鉄筋比となるように設けられた複数の鉄筋と、いずれかの前記鉄筋に支持されたひずみセンサと、前記ひずみセンサから取得した信号を出力するＲＦＩＤタグと、から構成されることを特徴とする。

これにより、本発明者らは、実構造物の環境条件と同じ場所に試験体を設置し、試験体から取得された収縮膨張ひずみを用いて、実構造物の収縮膨張ひずみを推定することにより、実構造物の有効プレストレス量を推定することを可能とした。以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（ＲＦＩＤ収縮試験体および検証用ＰＣ構造物の作製）
図１Ａおよび図１Ｂは、ＲＦＩＤひずみセンサ１を設置した試験体１００、２００の概要を示す図である。図１Ａおよび図１Ｂは、コンクリートが打設されていない状態を示している。図１Ａに示した試験体１００は、少なくともＲＦＩＤひずみセンサ１、複数の鉄筋３（本実施形態では３本）、およびＲＦＩＤタグ９から構成される。ＲＦＩＤひずみセンサ１は、各鉄筋３に包囲するように設けられ、各鉄筋３の中心に配置されるように第１の針金５で固定されている。そして、ＲＦＩＤひずみセンサ１および各鉄筋３は、いずれも鉛直方向に対して平行に設けられ、各鉄筋３により柱状に構成されている。第２の針金７には、ＲＦＩＤひずみセンサ１とケーブル１１で繋がれたＲＦＩＤタグ９がＲＦＩＤタグ固定用ベルト１０によって固定されている。第２の針金７は、固定用針金６によって各鉄筋３に固定されている。

図１Ｂに示すように、ＲＦＩＤ収縮試験体２００は、コンクリート用型枠１３の中心に図１Ａに図示した試験体１００が配置されている。図１Ａおよび図１Ｂに図示した試験体１００、２００は、３本の鉄筋３が鉛直方向に対して平行に設けられているため、自立することができる。試験体２００で構造物の収縮膨張ひずみを測定する際には、図１Ｂに示すコンクリート用型枠１３内にコンクリートを打設するだけでよいため、加工しやすく容易に用いることができる。

図２は、本実施例に係る検証用ＰＣ構造物３００の概要を示した図である。検証用ＰＣ構造物３００の中央部断面の中心部における長期のプレストレス量を推定し、本発明の正確性を検討する。

次に、検証用ＰＣ構造物３００および試験体２００の概要について説明する。なお、以下に記載する検証用ＰＣ構造物３００およびＲＤＩＦ収縮試験体２００の構成は、本発明の正確性を検討するための一例であり、このような構成だけに本発明を限定するものではない。

検証用ＰＣ構造物３００は、検証用ＰＣ構造物３００の中央部断面の中心部にＲＦＩＤコンクリートひずみセンサ３１が、かぶり付近の計測しやすい場所にＲＦＩＤタグ３３が設けられており、ＲＦＩＤコンクリートひずみセンサ３１を用いて、検証用ＰＣ構造物３００の収縮膨張ひずみを実測する。

検証用ＰＣ構造物３００の中央部の外形断面（縦２０ｃｍ×横４０ｃｍ）には、異型鉄筋Ｄ１３が６本（断面積計７６０ｍｍ^２）、Ｄ１０が３本（断面積計２１４ｍｍ^２）入っており、シースなどを除く有効断面積は７５７７４ｍｍ^２、鉄筋比は０．０１２８となる。

検証用ＰＣ構造物３００は、材齢１０日まで型枠のまま養生し、材齢３５日にＰＣ鋼材２本により緊張力導入を行なった。緊張は、センターホール型ジャッキを用い、緊張力の管理はセンターホール型ロードセルにより行なった。上段および下段のＰＣ鋼棒３７について、４８２．５ｋＮ（６００Ｎ／ｍｍ^２）とした。これはＰＣ鋼棒３０００μに相当する。

一方、試験体２００は、各鉄筋３は３本の異型鉄筋（Ｄ１０）を用いて、検証用ＰＣ構造物３００の鉄筋比とほぼ同じ（０．０１２６）になるように組み立てられている。コンクリート用型枠１３（直径１５ｃｍ×高さ３０ｃｍ）内に、検証用ＰＣ構造物３００と実質的に同一のコンクリート（水セメント比３８％、砕石、砕砂）を打込んだ。以降、試験体２００を検証用ＰＣ構造物３００の近くに置き、検証用ＰＣ構造物３００と同じ１０日まで型枠のまま養生し、材齢１０日後に脱型後、上面と下面をエポキシ樹脂でシールした。その後、試験体２００を再度、検証用ＰＣ構造物３００の近くに置き、検証用ＰＣ構造物３００と同様の養生条件とした。

（ＰＣ構造物の収縮膨張ひずみの推定）
図３に、試験体２００から取得した収縮膨張ひずみの実測値ならびに本実施例の方法および従来法による収縮膨張ひずみの推定値と、乾燥材齢との関係を示す。

本実施例では、検証用ＰＣ構造物３００の近くに設置された、コンクリートの配合、環境条件、軸方向鉄筋比を検証用ＰＣ構造物３００とほぼ同条件とした試験体２００から取得した収縮膨張ひずみを用いて、検証用ＰＣ構造物３００の収縮膨張ひずみを推定する。ただし、部材の寸法および形状だけは、検証用ＰＣ構造物３００と同条件で試験体２００を作製することが不可能であるため、その影響を考慮しなければならない。例えば、小型供試体と大型供試体とでは、乾燥の度合いが材齢によって異なる。そのため、乾燥ひずみも異なる挙動を示す。コンクリートの収縮膨張ひずみの最終値は、供試体の寸法によらずほぼ同一とみなすことが可能であり、収縮膨張ひずみの経時変化を表わす値は、供試体寸法の二乗に比例して大きくなる。

そこで、２０１２年コンクリート標準示方書設計編における有効部材厚を考慮した式（１）を用いて、検証用ＰＣ構造物３００の収縮膨張ひずみを推定する。

まずは、得られた試験体２００の収縮膨張ひずみを部材の収縮ひずみとして、収縮ひずみの最終値ε’_{ｓｈ，ｉｎｆ}を算出する。試験体２００の収縮ひずみの最終値ε’_{ｓｈ，ｉｎｆ}は、乾燥材齢１１、２４、４９、８８、１１５日に測定した試験体２００の材齢、収縮膨張ひずみ、気象庁による日ごとの平均相対湿度の平均値および有効部材厚（１５０ｍｍ）を式（１）に代入し、最小二乗法により、３５１μと算出した。

次に、本発明である検証用ＰＣ構造物３００の収縮膨張ひずみを、算出された収縮ひずみの最終値を用いて部材の収縮ひずみとして推定する。検証用ＰＣ構造物３００の収縮膨張ひずみの推定は、有効部材厚を断面積の１／２乗（２８３ｍｍ）とし、収縮ひずみの最終値には、試験体２００と同一の値を使用して、同様に式（１）を用いて算出した。

次に、従来法を用いて、ＰＣ構造物の収縮膨張ひずみを推定する。従来法では、式（１）のε’_{ｓｈ，ｉｎｆ}およびβは、１００×１００×４００ｍｍ供試体の水中養生７日後、温度２０℃、相対湿度６０％の環境下での収縮膨張ひずみの経時変化曲線である式（２）を用いて回帰する。

この場合、実際の現場でＰＣ構造物に打設されたコンクリートと同一のコンクリートで作製した１００×１００×４００ｍｍ供試体を水中養生し、その後２０℃、相対湿度６０％の環境下で保存しながら収縮膨張ひずみの測定を行なわなければならない。１００×１００×４００ｍｍ供試体の収縮膨張ひずみによらない場合は、ε’_{ｓｈ，ｉｎｆ}およびβは、式（３）より求める。ここでの従来法は、式（３）より求めた。

なお、土木学会標準示方書設計編ｐ１０５では、従来法の収縮の試験値の推定値ε’_ｓｈは、全国で実際に使用されている種々の骨材を用いたＪＩＳ Ａ １１２９にしたがった測定値の平均値であり、個々の試験値に対してばらつきが最大±５０％程度であることが明らかとなっていることが記載されている。よって、従来法による試験値により、鉄筋が入った実構造物の収縮膨張ひずみを推定することは困難である。

図３に示す通り、本実施例の方法によるＰＣ構造物の収縮膨張ひずみの推定値および従来法によるＰＣ構造物の収縮膨張ひずみの推定値には、乖離があることがわかる。

（有効プレストレス量の推定）
次に、有効プレストレス量の推定方法について説明する。ＰＣ構造物の実現象として、緊張力導入後からコンクリートの収縮膨張ひずみ、クリープひずみ、ＰＣ鋼材のリラクセーションが徐々に生じるため、材齢の経過に伴い有効プレストレス量は減少していく。減少要因となっている収縮膨張ひずみ、クリープひずみおよびリラクセーションの算出にあたっては、厳密にはその材齢におけるプレストレス力がコンクリートに加わっており、プレストレス力は材齢とともに変化していくことを考慮する必要がある。

有効プレストレス量は、導入プレストレス量からコンクリートの収縮膨張ひずみ、クリープひずみおよびＰＣ鋼材のリラクセーションを減算することにより、推定することができる。そして、クリープひずみおよびリラクセーションについては、計算式により算出することができることがすでにわかっている。

クリープひずみおよびリラクセーションの算出について、説明する。ここでは、１日ごとに、収縮膨張ひずみ、クリープひずみおよびリラクセーションを算出する。その材齢における有効プレストレス量をＰＣ鋼棒のひずみ量に換算し、１日ステップごとに算出した。クリープひずみに関しては、コンクリート標準示方書の式にしたがって算出した。

なお、コンクリートの圧縮強度およびヤング係数については、早強セメントを使用し、緊張材齢も３５日とかなり経過していることから一定としたが、強度発現が遅く、早い材齢に緊張力を導入するのであれば、これらも時間の係数として変化させることも有効であると考えられる。

また、ＰＣ鋼棒のリラクセーション率（％）は、試験成績表により、
リラクセーション率（％）＝０．３１８５ｌｏｇ_ｅ（ｔ）＋２．０１２２
ここに、t：期間（日）
で近似し、リラクセーションによる緊張力の減少を見掛け上、ＰＣ鋼棒のひずみ減少量（リラクセーション相当ひずみ量）として扱った。

なお、摩擦の影響は、今回は直接配置されたＰＣ鋼棒で、グラウト充填していないことから、その影響はなく、さらに定着時の減少量もひずみの挙動でほとんど生じないことを確認した。

緊張力導入によるＰＣ鋼棒のひずみ変化量（導入プレストレス量）は３０００μ（＝σ_ｐｔ／Ｅ_ｐ）であり、そこから式（１）により推定した収縮膨張ひずみや、式（４）により算出したクリープひずみ、ＰＣ鋼棒のリラクセーションの影響により、コンクリートとともにＰＣ鋼棒のひずみが減少していくこととした。

そこで、ＰＣ鋼棒のひずみの減少量は、収縮膨張ひずみの推定値、クリープひずみの推定値およびリラクセーション相当ひずみ量を合わせた値であると推定することができる。つまり、
ＰＣ鋼棒のひずみの減少量推定値
＝収縮ひずみ推定値+クリープひずみ推定値+リラクセーション相当ひずみ量
が成り立つ。そして、有効プレストレス量は、導入プレストレス量からＰＣ鋼棒のひずみの減少量を減算することにより求めることができる。つまり、
有効プレストレス量＝導入プレストレス量−ＰＣ鋼棒のひずみの減少量
で推定することができる。

図４および図５に、以上説明した本実施例の方法および従来法で推定した緊張材齢と各ひずみの関係を示す。図４および図５の各図には、検証用ＰＣ構造物３００に埋め込んだＲＦＩＤコンクリートひずみセンサ３１から取得した収縮膨張ひずみの実測値も併せて図示した。

図４から、本実施例の方法で推定したＰＣ鋼棒の減少量推定値と検証用ＰＣ構造物３００のＲＦＩＤコンクリートひずみセンサ３１から取得した実測値は、ほぼ一致した。一方、従来法により算出した収縮ひずみと検証用ＰＣ構造物３００のＲＦＩＤコンクリートひずみセンサ３１から取得した実測値には、乖離があることがわかる。したがって、本実施例の方法によって正確な収縮ひずみが推定できることがわかる。

図６は、本検討における緊張力導入時からのＰＣ鋼棒の応力変化を示した図である。ＰＣ鋼材の有効プレストレス量は、５１０．７Ｎ／ｍｍ^２となった。従来法の供試体を用いた場合は、５０３．６Ｎ／ｍｍ^２となり、本発明の試験体とのひずみ量相違分に相当する分（７．１Ｎ／ｍｍ^２）の誤差が生じることがわかった（３０００μが６００Ｎ／ｍｍ^２なので、ひずみ減少４５０μは９０Ｎ／ｍｍ^２分に相当）。

以上説明したように、本実施形態によれば、実構造物と同じ環境条件下で、収縮膨張ひずみを測定することができ、ＲＦＩＤひずみ計測システムを用いることにより、屋外においても正確な計測を行なうことが可能となる。そして、試験体２００で計測した収縮膨張ひずみから、実構造物の収縮膨張ひずみを推定することができ、実構造物の長期の有効プレストレス量を正確に把握することが可能となる。

１ ＲＦＩＤひずみセンサ、ひずみセンサ
３ 鉄筋
５ 第１の針金
６ 固定用針金
７ 第２の針金
９ ＲＥＩＤタグ
１０ ＲＦＩＤタグ固定用ベルト
１１ ケーブル
１３ コンクリート用型枠
３１ ＲＦＩＤコンクリートひずみセンサ
３３ ＲＦＩＤタグ
３５ ケーブル
３７ ＰＣ鋼棒
１００、２００ ＲＦＩＤ収縮試験体（試験体）
３００ 検証用ＰＣ構造体

Claims (7)

1. 構造物の収縮膨張ひずみの推定に用いられる試験体であって、
   前記構造物と実質的に同一の鉄筋比となるように設けられた複数の鉄筋と、
   いずれかの前記鉄筋に支持されたひずみセンサと、
   前記ひずみセンサから取得した信号を出力するＲＦＩＤタグと、から構成されることを特徴とする試験体。
2. 鉛直方向に対して平行に設けられた少なくとも３つの鉄筋により柱状に構成され、前記ひずみセンサが前記３つの鉄筋に包囲されていることを特徴とする請求項１記載の試験体。
3. 前記鉄筋および前記ひずみセンサを埋設するように、前記構造物と実質的に同一のコンクリートが打設されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の試験体。
4. ＲＦＩＤタグを用いて、請求項３記載の試験体から収縮膨張ひずみデータを取得することを特徴とする収縮膨張ひずみ測定方法。
5. 構造物の収縮膨張ひずみを推定する収縮膨張ひずみ測定方法であって、
   請求項３記載の試験体を、前記構造物と同一環境下に設置し、前記試験体からひずみデータを取得する収縮膨張ひずみ測定方法。
6. 構造物の収縮膨張ひずみを推定する収縮膨張ひずみ推定方法であって、
   請求項３記載の試験体からひずみデータを取得するステップと、
   前記取得したひずみデータ、および前記構造物の有効部材厚もしくは前記構造物の体積比・表面積比を用いて、前記構造物の収縮膨張ひずみを推定するステップと、を少なくとも含むことを特徴とする請求項５記載の収縮膨張ひずみ推定方法。
7. ＰＣ構造物の有効プレストレス量を推定する有効プレストレス量推定方法であって、
   前記ＰＣ構造物の有効プレストレス量の推定は、ＰＣ構造物に対する導入プレストレス量から、請求項６記載の収縮膨張ひずみ推定方法により推定された収縮膨張ひずみ、算出されたクリープひずみ、およびリラクセーション量を減算し、最終的に応力として算出することを特徴とする有効プレストレス量推定方法。

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