JP7286441B2 - 中空構造物の構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空構造物の構築方法に関する。

一般に、橋脚等の鉄筋コンクリート構造物を施工する際には、まず、足場を組み立て、基礎に鉄筋を組み立て、鉄筋を囲むように型枠を組み立て、型枠内にコンクリートを打ち込み、コンクリートの養生、硬化後に型枠を解体する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１－２１４２９０号公報

従来の構築方法では、板材や鋼殻等のように所定形状を有する型枠を設置し、型枠で囲まれた空間内にコンクリート材料を充填することで構造物を構築していた。ここで、シェル構造やドーム構造、アーチカルバート等のように水平方向に張り出した中空構造物を構築する場合には、所定形状の型枠を中空部に対応する形状に設置するとともに、型枠を支保工により十分な強度で支持させ、型枠により囲まれた空間内にコンクリート材料を打設して充填していた。しかも完成後には型枠及び支保工を撤去することも必要であった。そのためシェル構造やドーム構造、アーチカルバート等の中空構造物の構築には著しく手間を要していた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、所定形状の型枠や支保工等を設置することなく中空構造物を容易に構築できる中空構造物の構築方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の中空構造物の構築方法は、中空構造物の中空部に対応した形状の空気膜を設置する空気膜設置工程と、前記空気膜で覆われる内側に空気を圧入し、内圧により前記空気膜を外向きに加圧する空気圧入工程と、未硬化状態の水硬性混合物を前記空気膜の外面に配置することで構造体を施工する構造体施工工程と、を備え、前記構造体施工工程では、付加製造装置を用いて前記水硬性混合物を角柱状、円柱状または小判型柱状に押出しながらノズルを前記空気膜の外面に沿って移動させることで、所定形状の前記構造体を施工し、前記水硬性混合物には複数の繊維が混入されており、前記複数の繊維は整列した状態で前記ノズルから吐出されることを特徴としている。

本発明によれば、中空構造物の中空部に対応した形状の空気膜を設置し、内圧により外向きに加圧した状態で、空気膜の外面に水硬性混合物を配置して構造体を施工するため、所定形状の型枠や支保工等を設置しなくても、中空構造物の形状に応じて水硬性混合物を配置でき、シェル構造やドーム構造、アーチカルバート等の中空構造物を容易に構築することが可能である。なお、水硬性混合物とは、種々のセメント系材料（例えば、セメントペースト、モルタル、コンクリート）、およびジオポリマー組成物などを含むものであり、形状保持性および速硬性を有する材料のことである。また、シェル構造には、筒形シェル、球形シェル、鞍形シェル、任意形状シェル（楕円放物面シェル、双曲放物面シェル等）、あるいはそれらの組み合わせが挙げられる。
また、この構築方法では、付加製造装置を用いて所定位置に所定形状の構造体を容易に配置できるため、所定形状の型枠を用いなくても中空構造物を確実に、かつ、容易に施工できる。

本発明の中空構造物の構築方法において、前記空気膜設置工程では、前記空気膜にケーブルを係止することで前記空気膜の変形を抑制してもよい。

この構築方法では、構造体施工工程において空気膜の外面に水硬性混合物を配置しても空気膜の変形を抑制でき、構造体を所定形状に施工し易い。

本発明の中空構造物の構築方法では、前記構造体施工工程において、前記空気膜の外面に繊維補強複合材料を配置してもよい。

この構築方法では、未硬化状態のモルタルに複数の繊維が混入された繊維補強複合材料を前記空気膜の外面に配置することで繊維補強構造体を施工することができるため、構造的に補強された中空構造体を容易に施工することができる。

本発明の中空構造物の構築方法によれば、所定形状の型枠や支保工等を設置することなく中空構造物を容易に構築することが可能である。

本発明の第１実施形態に係る構築方法により構築する中空構造物を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。 本発明の第１実施形態に係る構築方法で設置される空気膜の斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る構築方法を説明する図で、構造体施工工程の施工途中を示す概略斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る構築方法を説明する図で、付加製造装置のノズルから繊維入りモルタルを吐出する状態を示す部分断面図である。 本発明の第１実施形態に係る構築方法を説明する図で、空気膜の外面に繊維補強構造体を角柱状に吐出した状態を示す部分斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る構築方法の変形例を説明する図で、構造体施工工程の施工途中を示す概略斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る構築方法の他の変形例を説明する図で、構造体施工工程の施工途中を示す概略正面図である。 本発明の第２実施形態に係る構築方法を説明する図で、（ａ）は構造体施工工程の施工途中を示す概略斜視図、（ｂ）は構築された中空構造物の平面図、（ｃ）は（ｂ）のＺ－Ｚ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係る構築方法により構築された中空構造物（鞍形シェル）を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る構築方法により構築された中空構造物（楕円放物面シェル）を示す斜視図である。

［第１実施形態］
以下、本実施形態の中空構造物の構築方法について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、繊維入りモルタルを用いて中空構造物を構築する場合について説明する。

（中空構造物）
本実施形態で構築する中空構造物Ｘは、例えば筒形シェルや道路、水路のアーチカルバートの頂版部などの構造物であり、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、基礎等に設置された幅方向両側の基部Ｘｂと、この基部Ｘｂから上方及び水平方向に張り出したアーチ部（屋根部）Ｘａと、を備えている。アーチ部Ｘａの内側には、略半円弧状断面形状で一軸方向に延びる中空部Ｘｃが形成されている。

（中空構造物の構築方法）
本実施形態の中空構造物Ｘの構築方法は、空気膜設置工程と、空気圧入工程と、繊維入りモルタル生成工程（以下、単に生成工程という場合がある）と、繊維補強構造体施工工程（以下、単に構造体施工工程又は施工工程という場合がある）と、を備える。
以下、各工程について説明する。

（空気膜設置工程）
空気膜設置工程では、図２に示すように、中空構造物Ｘの構築位置に、中空構造物Ｘの中空部Ｘｃに対応した形状の空気膜Ｓを設置する。
空気膜Ｓは、施工工程で外面Ｓｏに繊維入りモルタルＦＣを配置しても損傷を生じない十分な強度を有するとともに可撓性を有する膜材料からなる。

空気膜Ｓは、中空構造物Ｘの中空部Ｘｃに対応した形状に作製されており、空気圧入工程で膨張したときに形状の変形を抑制するために、図示しないケーブルが適宜配設・係止されている。

また本実施形態の空気膜Ｓには、一軸方向に延びる中空部Ｘｃに対応した形状の両端側に、空気膜Ｓで覆われた内側に加圧空気を保持するための端部閉塞膜Ｓｅが設けられている。端部閉塞膜Ｓｅは、空気膜Ｓの他の部分と着脱可能に構成されていてもよいし、一体に形成されていてもよい。また、端部閉塞膜Ｓｅは、空気膜Ｓと別の素材で形成されていてもよく、また、出入り口（不図示）が設けられていてもよい。

（空気圧入工程）
空気圧入工程では、図２に示すように、空気膜設置工程で構築位置に設置された空気膜Ｓで覆われる内側に空気を圧入し、内圧により空気膜Ｓを外向きに加圧する（図２の矢印参照）。

本実施形態では、空気膜Ｓが構築位置に設置されると、中空部Ｘｃに対応する形状を有して両端側が閉じられた内部空間Ｓｃが形成される。内部空間Ｓｃにブロア等を用いて空気を圧入することで内部空間Ｓｃの内圧を高め、空気膜Ｓを膨張させることができる。これにより空気膜Ｓが構築する中空構造物Ｘに対応した所定形状に成形され、その形状が保たれるとともに、外向きに加圧された状態となる。

（繊維入りモルタル生成工程）
生成工程では、未硬化状態のモルタル材料に複数の繊維を混入させて繊維入りモルタルを作製する。

本実施形態で使用するモルタル材料は、未硬化状態で適度な流動性を有するコンクリート又はモルタルであり、公知のものを使用できる。モルタル材料は、例えば積層造形が適切に行えるように、形状保持性やチキソトロピー性を有し、さらに積層プロセスにおいて適度に硬化して短時間で高い強度を発現する材料であることが好ましい。

モルタル材料に混入させる繊維は、化学的に合成された高分子からできた繊維、または無機質からなる繊維である。前者としては、ポリプロピレン繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリエチレン繊維、ポリエステル繊維、アラミド繊維などがある。後者としては、ガラス繊維、鋼繊維、炭素繊維、岩石繊維（バサルトなど）、セラミック繊維、シリカ繊維などがある。本実施形態で使用される繊維の直径に制限はないが、短繊維の直径は例えば０．００５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。また、短繊維の平均長さは、例えば３ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが好ましい。

繊維は、モルタル材料に対して、例えば０．１容量％以上５．０容量％以下で混入されることが好ましい。詳しくは、繊維入りモルタルが空気中で形状を維持可能な程度、かつ繊維入りモルタルの乾燥収縮ひび割れを抑制できる程度に、モルタル材料における繊維の割合を調整する。繊維入りモルタルの硬化後に、外力に抗して繊維補強構造体の引張靭性を発揮させるためには、繊維がモルタル材料に対して１．０容量％以上で混入されることが好ましい。

（繊維補強構造体施工工程）
繊維補強構造体施工工程では、図３に示すように、未硬化状態のコンクリート又はモルタルに複数の繊維を混入した繊維入りモルタルＦＣを空気膜Ｓの外面Ｓｏに配置していくことで、空気膜Ｓの外面Ｓｏに連続した繊維補強構造体（構造体）ＡＣを施工する。
繊維入りモルタルＦＣを空気膜Ｓの外面Ｓｏに配置するために、本実施形態では、空気膜Ｓの外側に配置された付加製造装置１０を用いてセメント系材料（繊維入りモルタルＦＣ）を自動施工する。

付加製造装置１０は，自動制御により指定位置にセメント系材料を押出しあるいは吹付けて積層造形する装置であり、自走システムを有している。なお、図示した付加製造装置１０は一例であり、この形態に限定されない。

図３～図４に示すように、本実施形態の付加製造装置１０では、生成工程で作製された繊維入りモルタルＦＣが供給されると、付加製造装置１０のノズル１１から角柱状、円柱状または小判型柱状の繊維入りモルタルＦＣを順次に押し出すことができる。

繊維入りモルタルＦＣをノズル１１から順次押出しながらノズル１１を空気膜Ｓの外面Ｓｏに沿って移動させることで、空気膜Ｓの外面Ｓｏに角柱状、円柱状または小判型柱状に吐出された繊維補強構造体ＡＣを並べて配置することができる。つまり、本実施形態では、付加製造装置１０を用いて、所謂３次元プリントを行って、繊維補強構造体ＡＣを施工する。なお、本実施形態では、角柱状に押し出している。

図４に示すように、ノズル１１は、大径部１２と、大径部１２の押出方向Ｐの先端に連結された小径部１４と、を備える。大径部１２及び小径部１４は略四角筒状に形成され、大径部１２の中空部と小径部１４の中空部とは連結部１６で接続されている。

大径部１２及び小径部１４の形状は特に限定されないが、未硬化状態のコンクリートＣ中又はモルタルＭ中（すなわち、モルタル材料中）の複数の繊維Ｆをより確実に整列させる点から、小径部１４は少なくとも押出方向Ｐに沿って同じ大きさの断面を有する筒状であることが好ましい。すなわち、小径部１４の内壁面１４ｅの幅（すなわち、ノズル１１の長手方向及び押出方向Ｐに直交する方向の大きさ）ｗは、ノズル１１の長手方向及び押出方向Ｐに沿って均一であることが好ましい。ここで、「複数の繊維Ｆが整列する」とは、複数の繊維Ｆの長手方向が互いに平行になり、かつ、押出方向Ｐに沿って揃うことを意味する。

小径部１４の押出方向Ｐの先端には、押出口１８が設けられている。押出口１８の幅（大きさ、すなわち、ノズル１１の長手方向及び押出方向Ｐに直交する方向の幅）ｇは、本実施形態では幅ｗに等しい。幅ｇは、複数の繊維Ｆの平均長さより小さいことが好ましい。

小径部１４において押出方向Ｐに沿って押し出されるモルタル材料中の複数の繊維Ｆを確実に整列させる点から、小径部１４の長さ（すなわち、ノズル１１の長手方向及び押出方向ｐに平行な方向の大きさ）は、複数の繊維Ｆの平均長さより長いことが好ましい。
本実施形態の押出口１８は角筒形状の小径部１４の断面形状を有しており、繊維入りモルタルＦＣを角柱状に押出し可能となっている。

施工工程では、繊維入りモルタルＦＣを所定の位置でノズル１１の押出口１８から押出しながら、空気膜Ｓの外面Ｓｏに沿ってノズル１１を移動させることで、角柱状に吐出された繊維入りモルタルＦＣを空気膜Ｓの外面Ｓｏに所謂３次元プリントを行う。すなわち、角柱状に吐出された繊維入りモルタルＦＣを、アーチ部Ｘａの横断方向に連続するように空気膜Ｓの外面Ｓｏ上に順次配置する。
さらに、先に空気膜Ｓの外面Ｓｏ上に配置された繊維入りモルタルＦＣに沿って隣接するように並べて、次の繊維入りモルタルＦＣを空気膜Ｓの外面Ｓｏに沿って配置する。

そして、角柱状の繊維入りモルタルＦＣを順次施工することで、図５に示すように、空気膜Ｓの外面Ｓｏに角柱状に吐出された隣り合う繊維入りモルタルＦＣ同士が密着乃至重複した状態で接合一体化する。これにより空気膜Ｓの外面Ｓｏ上で繊維補強構造体ＡＣが連続した一体形状に形成される。ここで、水平方向に隣り合う繊維入りモルタルＦＣを施工する時間間隔は短くすることが好ましい。なお、空気膜Ｓの外面Ｓｏ上に繊維入りモルタルＦＣを吐出して配置しているが、繊維補強構造体ＡＣの強度などを鑑みて、必要に応じて上方に何層か積層して繊維補強構造体ＡＣを構築するようしてもよい。

繊維補強構造体ＡＣの施工期間中、空気膜Ｓ内の内部空間Ｓｃは加圧状態を保つように制御されている。好ましくは、空気膜Ｓ内の内圧は，施工期間中から繊維入りモルタルＦＣのセメント材料が硬化して強度が発現されるまで，所定範囲内の内圧、特に一定の内圧となるように制御するのがよい。

また、繊維入りモルタルＦＣを上方に何層か積層して繊維補強構造体ＡＣを構築する際は、下層の角柱状の繊維補強構造体ＡＣを空気膜Ｓ上に積層してから、次の層（上層）の角柱状の繊維補強構造体ＡＣを積層するまでの時間間隔を短くすることが好ましい。これにより一層の繊維補強構造体ＡＣと、隣接する層の繊維補強構造体ＡＣとが境界無く一体化して積層することができる。

繊維入りモルタルＦＣにより中空構造物Ｘに対応した所定形状が形成され、互いに隣接する繊維入りモルタルＦＣが所定の時間の経過とともに接合・硬化することで繊維補強構造体ＡＣが形成される。その後、空気膜Ｓ内の内圧を開放して大気圧にするとともに、収縮した空気膜Ｓを取り除くことで、所望の中空構造物Ｘが得られ、施工工程を完了することができる。

以上のような本実施形態の中空構造物Ｘの構築方法では、中空構造物Ｘに対応した形状の空気膜Ｓを設置し、内圧により外向きに加圧した状態で、空気膜Ｓの外面Ｓｏに繊維入りモルタルＦＣを配置して繊維補強構造体ＡＣを施工している。そのため流動し難い粘度を有する繊維入りモルタルＦＣを繊維補強構造体ＡＣとして空気膜Ｓの外面Ｓｏに安定して配置でき、しかも繊維補強構造体ＡＣを空気膜Ｓにより下方から安定して支持できる。

これにより所定形状の型枠や支保工等を設置することなく中空構造物Ｘを容易に構築することが可能であり、型枠や支保工を設置したり解体したりする作業や、型枠で囲まれた内側にモルタル材料を打設して充填させたりする作業などが不要となる。

その結果、中空構造物Ｘの工期を短縮したり、高所作業を削減して安全性を向上したり、作業を削減して省人化を図ったりすることが可能である。さらには月面などの極限環境における住居空間の無人施工への展開も期待できる。

また、本実施形態の中空構造物Ｘの構築方法では、付加製造装置１０を用いて繊維入りモルタルＦＣを角柱状に押出しながらノズル１１を空気膜Ｓの外面Ｓｏに沿って移動させることで、空気膜Ｓの外面Ｓｏに所定形状の繊維補強構造体ＡＣを順次配置している。そのため板材等の型枠を用いなくても、所定位置に所定形状の繊維補強構造体ＡＣを容易且つ確実に配置して施工できる。

また、本実施形態の中空構造物Ｘの構築方法では、空気膜設置工程で空気膜Ｓにケーブルを係止することで空気膜Ｓの変形を抑制している。そのため繊維補強構造体施工工程において、空気膜Ｓの外面Ｓｏに繊維入りモルタルＦＣを配置しても空気膜Ｓが変形し難く、繊維補強構造体ＡＣを所定形状に施工し易い。

なお、上記第１実施形態は本発明の範囲内において適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、繊維補強構造体施工工程において、付加製造装置１０のノズル１１により角柱状に吐出された繊維入りモルタルＦＣを、アーチ部Ｘａの横断方向に連続するように空気膜Ｓの外面Ｓｏに配置したが、図６に示すように、繊維入りモルタルＦＣをアーチ部Ｘａの縦断方向（中空部Ｘｃの軸線方向）に連続するように空気膜Ｓの外面Ｓｏに配置して順次積層してもよい。

また、上記実施形態では、繊維補強構造体施工工程において、１台の付加製造装置１０を用いて繊維補強構造体ＡＣを空気膜Ｓの外面Ｓｏに配置して施工したが、図７に示すように複数の付加製造装置１０Ａ，１０Ｂを同時使用して繊維補強構造体ＡＣを空気膜Ｓの外面Ｓｏに配置してもよい。付加製造装置を複数台使用することで、施工期間をより短工期にすることができる。

［第２実施形態］
図８（ａ）～（ｃ）は第２実施形態を示している。第２実施形態の繊維入りモルタルＦＣを用いた中空構造物Ｘの構築方法では、構築する中空構造物Ｘの形状が第１実施形態とは異なり、球形シェルやドーム構造を有する大型のドーム建築物等である。本実施形態では、半球シェルの施工方法（中空構造物の構築方法）について説明する。
本実施形態の中空構造物Ｘであっても、第１実施形態と同様に、空気膜設置工程と、空気圧入工程と、繊維入りモルタル生成工程と、繊維補強構造体施工工程と、により構築することができる。

第２実施形態の構築方法では、空気膜設置工程で構築位置に設置する空気膜Ｓが中空構造物Ｘの中空部Ｘｃの形状に対応した半球形状を有している。

この半球形状の空気膜Ｓに、空気圧入工程で空気を圧入し、図８（ａ）に示すように、繊維補強構造体施工工程において、付加製造装置１０により繊維入りモルタルＦＣを押出して配置することで、繊維補強構造体ＡＣを施工する。この繊維補強構造体施工工程では、付加製造装置１０のノズル１１により角柱状に吐出された繊維補強構造体ＡＣを、空気膜Ｓの外面Ｓｏに円環状又は渦状に半球形状の空気膜Ｓの下端側から順次上方へ積層配置することで施工する。

その他は第１実施形態と同様にして、図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、繊維補強構造体ＡＣを基部Ｘｂ側から半球部Ｘｄ全体に一体化して施工し、硬化することで、中空構造物Ｘを構築する。

このような第２実施形態の繊維入りモルタルＦＣを用いた中空構造物Ｘの構築方法であっても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができ、所定形状の型枠や支保工等を設置しなくても、繊維補強構造体ＡＣを配置して中空構造物Ｘを容易に構築することが可能である。

なお第２実施形態であっても、本発明の範囲内において適宜変更可能である。
例えば第１実施形態と同様に、角柱状に吐出された繊維入りモルタルＦＣを空気膜Ｓの外面Ｓｏに順次積層配置する方向や順序を適宜変更したり、複数の付加製造装置１０を同時使用して繊維入りモルタルＦＣを空気膜Ｓに配置することが可能である。

また何れの実施形態であっても、空気膜Ｓの形状は何ら限定されるものではなく、設置状態で内側に空気を圧入することで外向きに加圧でき、外面Ｓｏに繊維入りモルタルＦＣを配置して所望の繊維補強構造体ＡＣを施工できるものであれば、筒形状や半球形状でない形状であっても、本発明を適用可能である。他の適用先としては、例えば鞍形シェル（図９）、楕円放物面シェル（図１０）、双曲放物面シェルなどの複雑形状、あるいは矩形カルバートの頂版などが挙げられる。

さらに上記各実施形態では、繊維入りモルタルＦＣを用いたが、材料は適宜選択可能であり、何ら限定されない。例えば構造的に問題ない場合は、繊維を混入させない単なるコンクリートやモルタルなどの水硬性混合物を採用してもよい。

また、耐荷力や耐震性を向上するために、繊維補強構造体施工工程において、空気膜Ｓの外面Ｓｏ上に繊維入りモルタルＦＣ等の水硬性混合物を配置したり、積層したりする前または後に、鋼製、連続繊維、ＦＲＰ（繊維補強プラスチック）製等からなる線材あるいはシートを積層面に水平あるいは鉛直に配置して補強することも可能である。水平方向に配置する場合、先組みした補強用の線材を水硬性混合物のプリント層に沿って配置できるとともに、水硬性混合物のプリントと同時に、プリント層に沿って補強用の線材を連続して送出し、プリント層に埋入または載置して設置できる。

また、上記実施形態では、空気膜Ｓの形状を保持するためにケーブルを配置した場合の説明をしたが、強度が問題なければケーブルは用いなくてもよい。

さらに上記各実施形態では、何れも繊維補強構造体施工工程において、角柱状に吐出した繊維入りモルタルＦＣを空気膜Ｓの外面Ｓｏ上の全面に配置した例について説明したが、特に限定されるものではなく、一部開口部（貫通孔）を形成するような構造であってもよい。

１０ 付加製造装置
１１ ノズル
Ｘ 中空構造物
Ｘａ アーチ部
Ｘｂ 基部
Ｘｃ 中空部
Ｘｄ ドーム部
Ｓ 空気膜
Ｓｃ 内部空間
Ｓｅ 端部閉塞膜
Ｓｏ 外面
Ｆ 繊維
Ｍ モルタル
Ｃ コンクリート
ＦＣ 繊維入りモルタル
ＡＣ 繊維補強構造体（構造体）
Ｐ 押出方向

Claims (4)

1. 中空構造物の中空部に対応した形状の空気膜を設置する空気膜設置工程と、
   前記空気膜で覆われる内側に空気を圧入し、内圧により前記空気膜を外向きに加圧する空気圧入工程と、
   未硬化状態の水硬性混合物を前記空気膜の外面に配置することで構造体を施工する構造体施工工程と、を備え、
   前記構造体施工工程では、付加製造装置を用いて前記水硬性混合物を角柱状、円柱状または小判型柱状に押出しながらノズルを前記空気膜の外面に沿って移動させることで、所定形状の前記構造体を施工し、
   前記水硬性混合物には複数の繊維が混入されており、前記複数の繊維は整列した状態で前記ノズルから吐出されることを特徴とする中空構造物の構築方法。
2. 前記空気膜設置工程では、前記空気膜にケーブルを係止することで前記空気膜の変形を抑制することを特徴とする請求項１に記載の中空構造物の構築方法。
3. 前記構造体施工工程において、前記空気膜の外面に繊維補強複合材料を配置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の中空構造物の構築方法。
4. 前記構造体施工工程において、前記構造体を補強する線材またはシート材を前記構造体の施工前後または施工中に配置することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の中空構造物の構築方法。

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