JP5343463B2 - コンクリート構造物の応力測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、橋梁やトンネル等の既設のコンクリート構造物に作用している外力等を推定する際等に用いられるコンクリート構造物の応力測定方法に関するものである。

橋梁やトンネル等の既存のコンクリート構造物の耐力を評価して、維持管理上の情報を得るために、当該コンクリート構造物に作用している応力状態を測定する方法が広く採用されている。そして、このような応力測定方法の一種として、応力解放法が知られている。

この応力解放法は、予め上記コンクリート構造物の表面にひずみゲージを貼設しておき、測定箇所にコアカッターを用いて円形の溝を形成して、上記コンクリート構造物における当該溝を挟んだ両側部分間の応力の伝達を遮断することにより、上記ひずみゲージによって当該応力が解放された部分のひずみを測定して上記溝の形成前と比較することにより、当該測定箇所に作用していた応力を算出するものである。

ちなみに、例えば下記特許文献１にも、同様の応力解放法を用いた構造物部材の現有応力測定方法が提案されている。
特許第２６５５５２９号公報

ところで、上記従来の応力測定方法にあっては、応力を解放するための溝を形成する上記コアカッターとして、一般に１００ｍｍφ以上の呼び径のものが用いられている。そして、溝を間に挟んだ部分間において、所望の応力が解放されるように完全に分断するためには、通常上記コアカッターによって、上記溝を、その径の約２倍程度の深さに形成する必要がある。

このため、上記溝を形成する際に大きな掘削力を必要とすることから、削孔時にコアカッターを別途コンクリート構造物に施工したアンカーを利用して強固に固定しておく必要がある。この結果、上述したひずみの計測を行おうとすると、その作業に多大の手間と労力を要するという問題点があった。また、特に作業環境の厳しい抜水中の水路トンネルに適用する場合には、電力源を確保することも難しいという問題点もあった。

加えて、アンカーの施工や深い溝の削孔によって、既存のコンクリート構造物を大きく傷めることになるために、その補修にも多くの手間と時間を要するという問題点があり、特に古い既存のコンクリート構造物には、かぶり厚さの小さいものがあるために、深い削孔を行う際に、内部の鉄筋を傷つけて構造物としての強度低下を招くおそれもあった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、簡易な削孔用具によって、しかも高い精度でコンクリート構造物に作用している応力を推定することが可能になるコンクリート構造物の応力測定方法を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、コンクリート構造物に削孔を形成し、当該削孔の周囲に貼設した複数のひずみゲージによって検出された当該箇所のひずみの変化に基づいて、上記コンクリート構造物に作用する応力を推定するコンクリート構造物の応力測定方法において、予め上記削孔を形成する箇所に、当該削孔の円周方向に沿って複数の円周方向ひずみゲージを貼設するとともに、各々の上記円周方向ひずみゲージの外側に半径方向ひずみゲージを貼設した後に、上記削孔を形成する箇所にドリルによって当該削孔を形成し、上記円周方向ひずみゲージおよび／または上記半径方向ひずみゲージによって上記削孔前後の上記ひずみの変化を測定して、得られた複数の上記円周方向および上記半径方向のひずみの変化量から上記コンクリート構造物に作用する応力を推定することを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記削孔を、呼び径が１０〜３２ｍｍφのドリルによって行うことを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記削孔を形成する箇所に、当該削孔の円周方向に４５度の中心角をおいて合計８つの上記円周方向ひずみゲージを貼設し、各々の上記円周方向ひずみゲージの外側に上記半径方向ひずみゲージを貼設することを特徴とするものである。

請求項１〜３に記載の発明においては、コンクリート構造物にドリルによって削孔することにより、当該削孔箇所の応力を解放して、周囲のひずみの変化量を測定しているために、コアカッターによって溝を形成する従来の場合と比較して、より簡易な用具によって実施することができる。また、バッテリー等によって駆動させることが可能であるために、特に作業環境の厳しい抜水中の水路トンネル等の電力源の確保が難しいコンクリート構造物の応力を測定する場合にも、容易に実施することができる。

さらに、上記ドリルによる削孔は、大きな掘削力を必要としないため、別途コンクリート構造物に固定用のアンカー等を施工する必要が無く、よって測定後の補修作業も容易になる。加えて、所望の応力が解放されるように完全に分断するためには、上記ドリル径の約２倍の深さを確保すれば充分であるが、本発明においては上記削孔が小径になるために、当該削孔の深さも浅くすることができ、よってコンクリート構造物に埋設されている鉄筋を傷つけるおそれも大幅に減少する。
このため、短期間に、かつ少ない手間によって、コンクリート構造物の多数の箇所における応力を測定することが可能になる。

ところで、上記ドリルによって削孔を形成した場合には、コアカッターと比較して当該削孔の内径寸法が小さいために、応力の解放に起因する削孔周囲のひずみの変化量も小さくなる。また、一般にコンクリートは、内部の粗骨材や細骨材の分布によって全体が均質ではないために、同じ応力が作用しているにも拘わらず、測定箇所によってひずみの変化量が異なる。この結果、精度良く応力を推定することが一層難しくなる。

この点、本発明においては、削孔を形成する箇所に、その円周方向に沿って複数の円周方向ひずみゲージを貼設し、さらに各々の円周方向ひずみゲージの外側に半径方向ひずみゲージを貼設して、削孔時に得られた複数の円周方向ひずみゲージおよび／または半径方向ひずみゲージによるひずみの変化量からコンクリート構造物に作用する応力を推定しているために、削孔が小径であっても、高い精度でコンクリート構造物に作用している応力を推定することが可能になる。

ここで、上記削孔の内径、すなわち当該削孔を形成するために使用するドリルの呼び径としては、請求項２に記載の発明のように、１０〜３２ｍｍφのものが好適であり、この結果極めて小型で、かつ汎用のドリルによって、コンクリート構造物に作用している応力を測定することができる。

また、円周方向ひずみゲージは、極力削孔の外周縁の近くに、かつ円周方向に間隔を置かないように貼設することが好ましい。さらに、円周方向ひずみゲージの長さ寸法および削孔の内径寸法によって可能である場合には、請求項３に記載の発明のように、削孔の円周方向に４５度の中心角をおいて合計８つの円周方向ひずみゲージを貼設し、各々の円周方向ひずみゲージの外側に半径方向ひずみゲージを貼設すれば、例えば後述するＡＳＴＭスタンダードE837-99に示されている式によって応力を算出する際に、複数の上記円周方向ひずみゲージまたは半径方向ひずみゲージによって、好適な算定パターンを得ることができる。

図１および図２は、本発明に係るコンクリート構造物の応力測定方法を実施するためのひずみゲージの配置およびそのための治具を示すものである。
これらの図において、符号１は円環板状のアクリル板からなるひずみゲージの取付板であり、中央の開口２の内径は、削孔Ｈの内径よりもわずかに大きな寸法（例えば、削孔Ｈの内径が３０ｍｍである場合には、４０ｍｍの内径寸法）に形成されている。そして、この取付板１の裏面であって、円周方向ひずみゲージθ１〜θ８および半径方向ひずみゲージＲ１〜Ｒ８を取り付ける箇所には、各々ほぼ同形の縦横寸法に形成されたゴム板３が緩く貼り付けられている。

ここで、円周方向ひずみゲージθ１〜θ８は、開口２の内周縁に沿って、開口２の中心角が４５度の範囲に位置するように、ほぼ隣接して配置されている。これにより、４組の円周方向ひずみゲージθ１〜θ４が、各々円周方向ひずみゲージθ５〜θ８と開口２の直径方向に対向するように配置されている。

他方、各々の円周方向ひずみゲージθ１〜θ８の外周側には、半径方向ひずみゲージＲ１〜Ｒ８が、各円周方向ひずみゲージθ１〜θ８の長手方向の中間位置から開口２の半径方向に延在するように配置されている。
そして、これら円周方向ひずみゲージθ１〜θ８および半径方向ひずみゲージＲ１〜Ｒ８は、各々ゴム板３に貼り付けられている。

次に、上記治具を用いた本発明に係るコンクリート構造物の応力測定方法の一実施形態について説明する。
先ず、コンクリート構造物Ｃの削孔を形成すべき箇所を除いた表面に、接着剤を塗布して一定時間乾燥させるとともに、円周方向ひずみゲージθ１〜θ８および半径方向ひずみゲージＲ１〜Ｒ８の表面にも接着剤を塗布する。次いで、これら円周方向ひずみゲージθ１〜θ８および半径方向ひずみゲージＲ１〜Ｒ８をコンクリート構造物Ｃの表面に貼設する。この際に、取付板１の開口２内に図示されない円柱状の中心出し棒を密に嵌入し、この中心出し棒によって取付板１の芯出しを行う。

次いで、上記中心出し棒を取り外した後に、取付板１の表面側から、加圧用スペーサ４によって、取付板１をコンクリート構造物Ｃの表面に向けて押圧することにより、治具をコンクリート構造物Ｃの表面に固定する。

次に、円周方向ひずみゲージθ１〜θ８および半径方向ひずみゲージＲ１〜Ｒ８によって、削孔を形成する前のひずみを測定した後に、開口２に図示されないドリルアダプタを装着して、このドリルアダプタをガイドにして呼び径が１０〜３２ｍｍφのドリルによってドリルによりコンクリート構造物Ｃに削孔Ｈを形成してゆく。そして、同様に削孔直後のひずみを測定し、削孔前のひずみを差し引くことにより、削孔Ｈを形成したことによるひずみの変化量を求める。

次いで、得られた複数の円周方向ひずみゲージθ１〜θ８および／または半径方向ひずみゲージＲ１〜Ｒ８による測定値を組み合わせた複数組の算定パターンについて、各々の応力を算出した後に、得られた複数の上記応力の平均値によってコンクリート構造物Ｃに作用している応力を推定する。

（実施例）
次に、上記構成からなるコンクリート構造物の応力測定方法の効果を実証するために、図１および図２に示した治具を用いて行った応力測定実験について説明する。
先ず、幅寸法が５００ｍｍ、高さ寸法が５００ｍｍであって、厚さ寸法が実トンネルの覆工厚さ相当の３００ｍｍであるコンクリート試験体を用意した。

そして、上記実施の形態に示した方法と同じ方法で、円周方向ひずみゲージθ１〜θ８および半径方向ひずみゲージＲ１〜Ｒ８を取り付けた取付板１を試験体の表面に固定した後に、上記コンクリート試験体に圧縮荷重を加えた。次いで、この載荷状態において、開口２の中心位置に、ドリルによって内径が３０ｍｍで深さが６０ｍｍの削孔Ｈを形成して、各々のひずみゲージθ１〜θ８、Ｒ１〜Ｒ８により、当該削孔Ｈを形成したことによるひずみの変化量を測定した。

なお、上記ひずみの変化量の測定は、コンクリート試験体に対して水平方向および鉛直方向にそれぞれ−４．０Ｎ／ｍｍ²の応力を導入した等方載荷状態、水平方向に−３．５Ｎ／ｍｍ²および鉛直方向に−７．０Ｎ／ｍｍ²の応力を導入した偏差載荷状態、および鉛直方向にのみ−７．０Ｎ／ｍｍ²の応力を導入した一軸載荷状態の３種類の載荷状態について実施した。

また、事前に、無載荷状態において、削孔Ｈを形成する直前および直後のひずみも計測し、同様にこれらの差からひずみの変化量を求めた。このひずみの変化量は、コンクリート試験体表面の乾燥収縮応力によるひずみ等に起因するものである。
そこで、上記３種類の載荷状態について得られたひずみの変化量から、上記無載荷状態について得られたひずみの変化量を差し引くことにより、上記載荷状態の削孔Ｈを形成したことによるひずみの変化量とした。

他方、上記３種類の載荷状態の各々について、コンクリート試験体に同様の削孔Ｈを形成した場合を模擬した３次元ＦＥＭ解析によって、各々のひずみゲージθ１〜θ８、Ｒ１〜Ｒ８の中央位置のひずみの変化量を求めた。
そして、実際の載荷実験におけるひずみの変化量と、上記３次元ＦＥＭ解析によって求めたひずみの変化量とを対比した。

この結果、載荷状態によって相違はあるものの、概ね両者の相関関数は、約０．７７であった。
そこで、削孔Ｈを間に挟んで直径方向に対向する円周方向ひずみゲージθ１とθ５、θ２とθ６、θ３とθ７、θ４とθ８、半径方向ひずみゲージＲ１とＲ５、Ｒ２とＲ６、Ｒ３とＲ７、Ｒ４とＲ８について、それぞれの平均値を求めて上記解析結果と対比したところ、上記相関関数が約０．８５に向上することが判った。この結果、実際の載荷状態におけるひずみの変化量を求めるに際しては、対向するひずみゲージの平均値を用いることにより、より解析結果に近い高い精度の値が得られることが確認された。

次いで、上記３種類の載荷状態の各々について得られたひずみの変化量から、コンクリート試験体に作用している応力を算出した。この応力の算出に際しては、図３および図４に示すように、半径方向ひずみゲージＲ１〜Ｒ８において得られた３方向のひずみの変化量（ε₁、ε₂、ε₃）を用いて、ＡＳＴＭスタンダードE837-99に示されている式によって求めた。

なお、ＡＳＴＭスタンダードE837-99に示されている式は、下記の通りである。
最大応力σ_ｍａｘ＝｛（ε₁＋ε₃）／４Ａ｝＋（ε₁−ε₃）／４Ｂcos２θ
最小応力σ_ｍｉｎ＝｛（ε₁＋ε₃）／４Ａ｝−（ε₁−ε₃）／４Ｂcos２θ
ここで、θは、ε₁軸と最大応力方向とのなす角度であり、下式によって得られる。
θ＝（１／２）tan^−１（ε_１＋ε₃−２ε₂）／（ε₃−ε₁）

ここで、４Ａ＝（１＋υ）ｄ²／２ＥＲ²
４Ｂ＝−２ｄ²／ＥＲ²＋３（１＋υ）ｄ⁴／８ＥＲ⁴
υ：ポアソン比
ｄ：削孔径（＝３０．０ｍｍ）
Ｒ：ゲージ中心半径（＝３２．０ｍｍ）
Ｅ：ヤング率（＝２５．９kN/mm²）
である。

また、３方向のひずみの変化量（ε₁、ε₂、ε₃）を用いた応力の算出は、図３に示した３方向を右回りに４５度ずつ回転させた４通りの算定パターン１〜４について、それぞれ行った。さらに、各々の算定パターン１〜４における３方向のひずみの変化量（ε₁、ε₂、ε₃）としては、上述したように削孔Ｈを間に挟んで直径方向に対向するもの同士の平均値を用いた。

図５は、鉛直方向の応力を代表例として、算定パターン１〜４を用いた算出結果と解析結果との誤差を百分率で示すものである。
同図から、個々の算出パターン１〜４においては、大きい場合で３０〜４０％の誤差が見られるものの、これらの平均値を用いることにより、解析結果との誤差を１５％以下にし得ることが判る。

特に、偏差載荷状態においては、図５および図６に示すように、解析結果と極めて近似した測定結果が得られた。
したがって、上述した半径方向ひずみゲージＲ１〜Ｒ８において得られた３方向のひずみの変化量（ε₁、ε₂、ε₃）を用いた応力の算出に加えて、より一層削孔Ｈに近接した円周方向ひずみゲージθ１〜θ８において得られる３方向のひずみの変化量（ε₁、ε₂、ε₃）を用いた応力の算出も行い、これらの平均値を求めることにより、一層高い精度でコンクリート試験体に作用している応力を推定することが可能になる。

なお、上記実施の形態および実施例においては、８つの円周方向ひずみゲージθ１〜θ８を、開口２の中心角が４５度の範囲に位置するように、ほぼ隣接して配置するとともに、各々の円周方向ひずみゲージθ１〜θ８の外周側に、半径方向ひずみゲージＲ１〜Ｒ８を配置した場合についてのみ説明したが、これに限るものではなく、より小径の削孔Ｈを形成する場合には、汎用のひずみゲージによっては特に円周方向において隣接するもの同士が干渉してしまうために、より少ない数のひずみゲージを貼設するようにしてもよい。

また、上記実施例においては、図３に示した３方向のひずみの変化量（ε₁、ε₂、ε₃）を用いて、ＡＳＴＭスタンダードE837-99に示されている式によって応力を算出した場合についてのみ説明したが、これに限定されるものではなく、本発明においては、削孔の円周方向に沿う円周方向ひずみゲージθ１〜８および半径方向ひずみゲージＲ１〜８を貼設しているために、解析法に応じて、適宜の円周方向ひずみゲージθ１〜８または半径方向ひずみゲージＲ１〜Ｒ８、あるいはこれらの組合せを選択して複数組の算定パターンを設定し、得られた複数の応力の平均値を求めて上記コンクリート構造物に作用する応力を推定することもできる。

本発明に係るコンクリート構造物の応力測定方法の一実施形態を実施するための治具を示す平面図である。 図１の側面図である。 本発明に係る実施例において応力の算出に用いたひずみの変化量の３方向を示す模式図である。 上記実施例における応力の算出に用いた算定パターンと、対応する円周方向ひずみゲージとの関係を示す図表である。 上記実施例における各算定パターンによる結果と解析結果との誤差を百分率で示す図表である。 上記実施例における偏差載荷状態の場合の結果と解析結果とを示すグラフである。

符号の説明

θ１〜θ８ 円周方向ひずみゲージ
Ｒ１〜Ｒ８ 半径方向ひずみゲージ
Ｃ コンクリート構造物
Ｈ 削孔

Claims (3)

1. コンクリート構造物に削孔を形成し、当該削孔の周囲に貼設した複数のひずみゲージによって検出された当該箇所のひずみの変化に基づいて、上記コンクリート構造物に作用する応力を推定するコンクリート構造物の応力測定方法において、
   予め上記削孔を形成する箇所に、当該削孔の円周方向に沿って複数の円周方向ひずみゲージを貼設するとともに、各々の上記円周方向ひずみゲージの外側に半径方向ひずみゲージを貼設した後に、上記削孔を形成する箇所にドリルによって当該削孔を形成し、上記円周方向ひずみゲージおよび／または上記半径方向ひずみゲージによって上記削孔前後の上記ひずみの変化を測定して、得られた複数の上記円周方向および上記半径方向のひずみの変化量から上記コンクリート構造物に作用する応力を推定することを特徴とするコンクリート構造物の応力測定方法。
2. 上記削孔を、呼び径が１０〜３２ｍｍφのドリルによって行うことを特徴とする請求項１に記載のコンクリート構造物の応力測定方法。
3. 上記削孔を形成する箇所に、当該削孔の円周方向に４５度の中心角をおいて合計８つの上記円周方向ひずみゲージを貼設し、各々の上記円周方向ひずみゲージの外側に上記半径方向ひずみゲージを貼設することを特徴とする請求項１または２に記載のコンクリート構造物の応力測定方法。

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