上面増厚補強を行った 鉄筋コンクリート床版の挙動と健全性モニタリング手法

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1 卒業研究 RC 床版の上面増厚補強と 疲労損傷モニタリング 社会基盤設計学領域 4 年岡田裕昭

2 研究の背景 鉄筋コンクリート床版における押抜きせん断破壊事例の発生. 種々の補修 補強工法の提案 上面増厚補強工法既存床版上面にコンクリートを打設し, 新旧コンクリートを一体化させる工法 せん断耐力の向上, 疲労耐久性の向上に期待.

3 上面増厚補強工法の特徴 床版のせん断耐力を向上 比較的損傷の進行した床版に適用可能. 使用限界状態の床版に対して適用した場合, 補強効果の有無を確認する必要がある. 上面増厚材料の種類によって, 補強効果が変化 材料を代えた場合, 補強効果の有無を確認する必要がある.

4 研究の目的 上面増厚補強に新材料 (MMA 樹脂コンクリート 膨張性 SFRC) を使用した場合の補強効果の有無について確認する. 検討項目 輪荷重走行試験 補強前後における床版の力学的挙動の改善 疲労耐久性の向上

5 上面増厚材料の特性 (1)MMA 樹脂コンクリート 流動性に優れ, 締固め作業を必要としない. 低温下 (-10 ) でも硬化可能. 温度依存性が大きい. (2) 膨張性 SFRC 膨張材を添加し, 硬化時の自己収縮を低減. 流動化剤により, 可使時間が延長.

6 実験概要

7 実験概要 実験供試体 RC 床版を 3 体使用 1 体目 No.1 MMA 補強床版 CL 輪荷重 2 体目 No.2 SFRC 補強床版 CL 上端筋 下端筋 3 体目 No.3 無補強床版 単位 (mm)

8 載荷荷重 (kn) 実験概要 載荷プログラム No.1,No.2 床版 予備載荷 No.3 床版,MMA 補強床版,SFRC 補強床版 本載荷 予備載荷 No.1,No.2 床版 MMA 補強床版 SFRC 補強床版 50 No.3 床版 荷重走行回数 ( 10 6 回 )

9 実験結果 A. 予備載荷の結果と劣化度の導入 B. 本載荷の結果と増厚補強効果

10 実験結果 A. 予備載荷の結果 - 劣化度 Dδ の導入 - 活荷重たわみより求まる劣化度 D δ W = W c W o W o Dδ D δ : 活荷重たわみから求まる劣化度 W: 活荷重たわみの実測値 (mm) Wo: 全断面有効時の理論活荷重たわみ (mm) Wc: 引張側コンクリート無視時の理論活荷重たわみ (mm) No.1 床版 No.2 床版 Dδ=1.21 Dδ =0.99 使用限界状態

11 活荷重たわみ (mm) 実験結果 B. 本載荷の結果 : 活荷重たわみの経時変化 No.3 床版 Wc=1.69mm No.3 床版 Dδ=1.25 押し抜きせん断破壊 MMA 補強床版増厚部の変形 SFRC 補強床版押し抜きせん断破壊 No.3 床版 Wo=0.38mm E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+12 等価繰り返し荷重走行回数 ( 回 )

12 実験結果 MMA 補強床版増厚部の変形 SFRC 補強床版押し抜きせん断破壊

13 活荷重たわみ (mm) 実験結果 B. 本載荷の結果 :MMA 活荷重たわみ分布 計測位置 (mm) No.1 床版予備載荷終了時 MMA 補強床版試験終了時 MMA 補強床版本載荷前 3.0 MMA 補強床版 : 補強によって, 床版中央で 0.92mm の活荷重たわみが低減された.

14 活荷重たわみ (mm) 実験結果 B. 本載荷の結果 :SFRC 活荷重たわみ分布 計測位置 (mm) No.2 床版予備載荷終了時 SFRC 補強床版試験終了時 SFRC 補強床版本載荷前 SFRC 補強床版 : 補強によって, 床版中央で 0.95mm の活荷重たわみが低減された.

15 ひび割れ密度 Cd (m/m 2 ) 実験結果 B. 本載荷の結果 : ひび割れ発生状況 床版下面において, ひび割れ長さを計測, 床版下面のある一定面積に対するひび割れ密度 Cd を求めた SFRC 補強床版 MMA 補強床版 ひび割れ発生の抑制に効果あり No.3 床版 E E E E E E+10 等価繰り返し荷重走行回数 ( 回 )

16 疲労耐久性の評価 S-N 関係図

17 載荷荷重せん断強度比 (P/Psx) 疲労耐久性の評価 S-N 関係図 1.0 Log( P / Psx) LogN Log1.520 No.3 床版 MMA 補強床版 MMA 補強床版 2.6 倍 SFRC 補強床版 43 倍 SFRC 補強床版 E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09 1.E+10 1.E+11 等価繰り返し荷重走行回数 ( 回 )

18 結論 使用限界状態の床版に対してM MA 樹脂コンクリートおよび膨張性 SFRCを増厚材料に用いた場合, 床版の力学的挙動を大幅に改善すると共に, 疲労耐久性を向上させることができた. 今回の実験で上面増厚補強効果があることを確認した.

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21 新材料を用いる理由その 1 SFRC で補強した床版の増厚層界面における再損傷事例が発生. 原因 既存床版部の拘束に起因する引張ひずみの導入. 鋼繊維が効率良く界面に配置されるのは難しい. 上面増厚部 既存床版部 界面部 膨張材を添加して引張ひずみに抵抗させる. 膨張性 SFRC

22 新材料を用いる理由その 2 上面増厚施工は交通規制を伴うため, 厳しい施工環境となる. 寒中でも硬化し, 施工が容易な材料が必要である. セメントの代わりにアクリル系樹脂を用いた MMA 樹脂コンクリートの使用.

23 RC 床版の補強工法の比較 補強工法概要メリットデメリット 縦桁増設工法 主桁間に縦桁を増設し, 発生曲げモーメントを低減 曲げモーメントを減少できる せん断耐力の向上にならない 下面補強工法 床版下面からシートやコンクリートで補強する 交通規制が丌要 繊維量の調節で補強の程度を調節できる 補強後, 下面の状況を確認できない 上面増厚工法 既存床版の上面にコンクリートを増設する 曲げ せん断耐力の向上 下面からの状況確認可能 再補強工法として適用可能 交通規制を伴う為, 急速施工が要求される 夜間, 寒中で硬化する材料が必要 ジョイント部での嵩上げ

24 増厚材料の強度 MMA 樹脂コンクリート膨張性 SFRC 圧縮強度 (N/mm 2 ) 引張強度 (N/mm 2 ) 弾性係数 (N/m 2 ) E E+10 増厚材料の単位体積重量 MMA 樹脂コンクリート 膨張性 SFRC アスファルトコンクリート舗装 単位体積重量 (kn/m 3 ) 補強前 AS 層増厚層 補強後 既設床版

25 各材料の配合 (1) コンクリート床版 最大骨材寸法 G max (mm) 水セメント比 W/C (%) 細骨材率 s/a (%) 水 (W) セメント (C) 単位量 (kg/m 3 ) 川砂 (S1) 砕砂 (S2) 砕石 (G) AE 減水剤 (2)MMA 樹脂コンクリート 使用材料名 使用重量 (kg) MMA 樹脂モルタル主剤 細骨材 MMA 樹脂用プライマー MMA 樹脂モルタル硬化剤 (3%)

26 各材料の配合 (3) 膨張性 SFRC 水結合材比 W/B(%) 細骨材率 s/a (%) W C B NEX 単位量 (kg/m 3 ) S G SF SP JS MA W: 水,B: 結合材 (=C+NEX),C: 超速硬セメント ( 比重 3.01), NEX: 膨張材 ( 比重 3.19),S: 細骨材 ( 表乾比重 2.59), G: 粗骨材 ( 表乾比重 2.63),SF: 鋼繊維 ( 比重 7.85), SP: 高性能減水剤,JS: 凝結遅延剤,MA: 空気量調整剤. SF: 繊維長 30mm, 公称径 0.62mm, 体積混入量 Vf=1.27% 膨張性 SFRC のスランプの変化 経過時間 (min) スランプ (cm)

27 MMA 樹脂コンクリート : 温度 - 弾性係数関係

28 表面温度 ( ) MMA 樹脂コンクリート : 温度の経時変化 MMA 樹脂表面温度床版下面の温度 荷重走行回数 ( 万回 )

29 ひずみ (μ) 膨張性 SFRC 膨脹材の添加 自己収縮は 1/4~1/5 に低減 Ex+SF Ex SF Normal 200 気乾状態 (0 日 ) (7 日 ) (14 日 ) (21 日 ) (28 日 ) (35 日 ) (42 日 ) 注水からの材齢 ( 時間 ) EX: 膨張材のみ SF: 鋼繊維のみ EX+SF: 膨張材 + 鋼繊維 Normal: 膨張材も鋼繊維もなし

30 予備載荷における荷重強度の決定 作用荷重 (tf) 走行回数 ( 回 ) 10 45,783, ,564, ,233, ,608, , , , , , , ,586 約 3 日間の走行

31 解析概要 目的 所定の劣化度を不えるたわみを求めるために,Huber の版理論に従い,Compo 解析によって全断面有効時の理論活荷重たわみ Wo および引張側コンクリート無視時の理論活荷重たわみ Wc を求める. 分割諸元 次ページ参照 設定荷重 10tf(98000N) 載荷面積 中央 120mm 300mm 載荷

32 要素分割図 弾性支持単純支持 載荷位置

33 Huber の版理論式, 直交異方性版理論 w w w Dx 2H Dy q x, x x y y y E D I n 1 I c x : 床版支間方向のひび割れを考慮した合成床版の板剛性 = 2 1- c E D I n 1 I c y : 橋軸方向のひび割れを考慮した合成床版の板剛性 = 2 1- c cy cx sy sx H : 1 有効ねじり剛性 =D 2D xy c D x D y 1 c 2 2 D x D y D x D y D D 1 2 c 1 c Dx Dy xy x y D D Ec, c I cx, I sx I, cy I sy : コンクリートの弾性係数, ポアソン比 : 橋軸方向の中立軸に関するコンクリート, 鉄筋の断面 2 次モーメント : 橋軸直角方向の中立軸に関するコンクリート, 鉄筋の断面 2 次モーメント

34 断面諸量および材料定数 ( 主鉄筋断面 ) 供試体の種類 No1 No2 No3 MMA SFRC コンクリートのヤング係数 Ec (N/ m2 ) 3.23.E E E E E+10 ポアソン比 ν 鋼材のヤング係数 Es(N/ m2 ) 1.926E E E E E+11 増厚材料のヤング係数 Eo (N/ m2 ) 3.70.E E+10 全断面有効中立軸位置 (m) 引張コンクリート無視中立軸位置 (m) 全断面有効コンクリート換算断面 2 次モーメント (m 4 ) E E E E E-04 引張コンクリート無視換算断面 2 次モーメント (m 4 ) 8.873E E E E E-04

35 断面諸量および材料定数 ( 配力筋断面 ) 供試体の種類 No1 No2 No3 MMA SFRC コンクリートのヤング係数 Ec (N/ m2 ) 3.23.E E E E E+10 ポアソン比 ν 鋼材のヤング係数 Es(N/ m2 ) 1.973E E E E E+11 増厚材料のヤング係数 Eo (N/ m2 ) 3.70.E E+10 全断面有効中立軸位置 (m) 引張コンクリート無視中立軸位置 (m) 全断面有効コンクリート換算断面 2 次モーメント (m 4 ) 3.669E E E E E-04 引張コンクリート無視換算断面 2 次モーメント (m 4 ) 7.835E E E E E-04

36 床版中央の理論たわみ (98kN 換算 ) 分類無補強 MMA 樹脂補強 SFRC 補強 全断面有効 理論活荷重たわみ (mm) 引張側コンクリート無視

37 : 実験結果

38 床版中央の活荷重たわみ (mm) 予備載荷の結果 : 活荷重たわみの経時変化 3 No.1 床版 2 引張側コンクリート無視理論活荷重たわみ 1 No.2 床版 全断面有効コンクリート無視理論活荷重たわみ 走行回数 ( 万回 )

39 床版中央の活荷重たわみ (mm) 予備載荷の結果 : 活荷重たわみ分布 全断面有効コンクリート 無視理論活荷重たわみ 計測位置 (mm) No.1 床版予備載荷前 No.1 床版予備載荷後 No.2 床版予備載荷後 No.2 床版予備載荷前 引張側コンクリート無視理論活荷重たわみ

40 ひび割れ密度 Cd (m/m 2 ) 予備載荷の結果 : ひび割れ密度の経時変化 使用限界状態 No.2 床版 No.1 床版 E E E E E+08 等価繰り返し走行回数 ( 回 )

41 活荷重たわみ (mm) 本載荷の結果 : 活荷重たわみの経時変化 No.3 無補強床版 MMA 補強床版 SFRC 補強床版 E+00 2.E+09 4.E+09 6.E+09 8.E+09 1.E+10 等価繰り返し荷重走行回数 ( 万回 )

42 本載荷の結果 : 補強前後の引張鉄筋ひずみの低減 No.1 MMA 樹脂コンクリート補強 ゲージ名 5 h-i 4-5 h 3 h-i 2-3 h 1 h-i 0-1 h 0 g-h 0 e-f 0 h-i ひずみ値 (με) 予備載荷終了増厚補強直後 No.2 膨張性 SFRC 補強 ゲージ名 5 h-i 4-5 h 3 h-i 2-3 h 1 h-i 0-1 h 0 g-h 0 e-f 0 h-i ひずみ値 (με) 予備載荷終了増厚補強直後 多くの鉄筋でひずみ値の低減を確認

43 鉄筋ゲージ貼り付け位置単位 ( mm )

44 ひび割れ発生状況図

45 No.1 床版

46 No.2 床版

47 No.3 床版

48 増補 MMA 補強床版

49 SFRC 補強床版

50 計測点位置

51 ダイヤルゲージ配置単位 ( mm )

52 床版下面 π ゲージ貼り付け図単位 ( mm )

53 疲労耐久性の評価

54 等価繰り返し走行回数と S-N 曲線式 1 等価繰り返し走行回数 ここに Neq: 基準とする荷重 Po に換算した等価繰り返し走行回数 Pi: 実際に載荷した荷重 (tf) Po: 基準とする荷重 (tf) ni: 荷重 Pi における走行回数 m: 係数 1/k k= で S-N 曲線の傾きの絶対値 2 S-N 曲線 Neq ( Pi / Po) ここに P: 作用荷重 (tf) Psx: 押し抜きせん断耐力 N: 繰り返し走行回数 m ni Log( P / Psx) LogN Log1.520

55 押し抜きせん断耐力の算定式 1 無補強床版 P ここに,B: 梁状化したときの梁幅 (mm) τsmax: 最大せん断応力度 (N/mm 2 ) xm: 中立軸高さ (mm) Cm: かぶり (mm) σtmax: コンクリートの最大引張応力度 (N/mm 2 ) 2 上面増厚補強床版 P sx sx 2B s maxxm 2CmB t max s max xm t s maxt 2CmB max 2B t ここに,t: 増厚高さ ( mm ) τs max: 増厚材料の最大せん断応力度 (N/mm 2 )

56 載荷荷重せん断強度比 (P/Psx) S-N 関係図 1.0 No.3 床版 MMA 補強床版 MMA 補強床版 6 倍 SFRC 補強床版 101 倍 SFRC 補強床版 E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09 1.E+10 1.E+11 等価繰り返し荷重走行回数 ( 回 )

57 載荷荷重せん断強度比 (P/Psx) かぶりを +1cm(4cm) とした場合 1.0 No.3 床版 MMA 補強床版 SFRC 補強床版 ほぼ S-N 曲線上にプロットされる E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+12 等価繰り返し荷重走行回数 ( 回 )

58 載荷荷重せん断強度比 (P/Psx) MMA 補強床版が押し抜きせん断破壊した場合 1.0 No.3 床版 MMA 補強床版 SFRC 補強床版 MMA 補強床版 187 倍 E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+12 等価繰り返し荷重走行回数 ( 回 )

59 初期損傷を考慮した評価手法

60 残存寿命の推定 No.3 床版の破壊荷重走行回数を Nf とする. No.1,2 床版の劣化度における荷重走行回数を N1, N2 とする. 残存寿命はそれぞれ Nf-N1,Nf-N2 で表わされる. 活荷重たわみ D δ =1.21 D δ =0.99 No.3 押し抜きせん断破壊 No.2 残存寿命 N f N 2 No.1 残存寿命 N f N 1 N 2 N 1 N f 等価繰り返し走行回数

61 残存寿命に対する疲労耐久性 上面増厚補強された床版の荷重走行回数をNMMAおよびNSFRCとする. 残存寿命に対する比は以下の式によって表わされる. MMA SFRC N N N N MMA f N 1 f SFRC N 2 MMA 補強床版 SFRC 補強床版 η

62 衝撃振動試験

63 既往の劣化度の定義式 1. たわみによる劣化度 D W Wo Wc Wo (1) ここに D δ : たわみから求まる劣化度 W: 任意の走行回数における活荷重たわみ Wo: 全断面有効時の理論活荷重たわみ Wc: 引張側コンクリート無視の理論たわみ 2. ひび割れ密度による劣化度 Cd D c 10.0 (2) ここに D c : ひび割れ密度から求まる劣化度 Cd: ひび割れ密度 (m/m 2 )

64 Ⅰ 実験方法 質量約 5kg の木槌を高さ 10cm から落下 Ⅱ Ⅲ Ⅳ 床版上面に設置した加速度計より振動を感知 応答波形から FFT により周波数分布を求める ピーク周波数を読み取る 木槌 加速度計

65 加速度センサの配置概要単位 ( mm ) 浮上り防止装置 輪荷重軌道 No3 横桁 ( 弾性支持 ) No5 No1 No2 No4 主桁 ( 単純支持 ) 打撃位置 加速度計計測位置

66 試験状況 木槌で衝撃を入力し, 版全体を振動させる. 床版 1 パネル区間を検査対象とする. 加振 ゴム版 加速度センサ

67 スペクトル強度 (m/s²) スペクトル強度 (m/s²) No.1 床版 ( 走行前後 ) スペクトル分布 周波数 (Hz) 周波数 (Hz) 走行前 初期走行終了 ピーク周波数が低周波側へシフト

68 たわみーひび割れ密度から求まる劣化度の相関 1.50 ひび割れ密度による劣化度 Dc No.3 SFRC No.2 D δ =D c MMA No たわみによる劣化度 D δ

69 劣化度 Dδ 固有振動数ーたわみから求まる劣化度の相関 1.5 No.3 No No.2 MMA SFRC 固有振動数 (Hz)

70 劣化度 Dc 固有振動数 - ひび割れ密度から求まる劣化度の相関 No.3 No No.2 MMA SFRC 固有振動数 (Hz)

71 位相角 ( 度 ) 位相角 ( 度 ) スペクトル振幅 (m/s2) スペクトル振幅 (m/s2) 位相差スペクトル 0.05 走行前 0.04 走行終了 周波数 (Hz) 位相差スペクトル 周波数 (Hz) 位相差スペクトル No1 No4 No No1 No4 No 周波数 (Hz) 周波数 (Hz)

72 固有振動数 (Hz) 固有振動数 - たわみから求まる劣化度 D δ No.1 No y = x x R 2 = たわみから求まる劣化度 D δ

73 固有振動数 (Hz) 固有振動数 - ひび割れ密度から求まる劣化度 D c No.1 No y = x x R 2 = ひび割れ密度から求まる劣化度 D c

74 まとめ ( 劣化度の推定手法の検討に関して ) たわみ - ひび割れ密度はほぼ直線関係となる. 固有振動数 - たわみ, 固有振動数 - ひび割れ密度の関係において良い相関が確認できた. 非破壊検査を適用することで劣化度を推定できる可能性を示した.