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まなののした
6 years ago
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1 Oct.14,2008 A METHOD OF SECTION DESIGN OF CHEMICALLY PRE-STRESSED CONCRETE MEMBERS USING A CONCEPT OF WORK-DONE BY EXPANSIVE CONCRETE Denki Kagaku Kogyo Denka Chemicals Gmbh Denki Kagaku Kogyo GUNMA University Kentaro SUHARA Akihiro HORI Masanobu ASHIDA Yukikazu TSUJI 1

2 Outline In this approach, We introduce method of evaluation for RC Pit using expansive concrete in disposal facilities low level radioactive waste 1. What is expansive additive? How does expansive concrete works? Application of expansive concrete in Japan 2. Evaluate of expansion for concrete members 3. Section analysis for expansive concrete 4. Controlling crack of concrete using expansive additive 2

By By using using expansive additive, shrinkage of of concrete can can be be compensated.

3 Introduction What is Expansive Additive? Expansive additives provide provide a means means of of offsetting volume volume change change due due to to hardened shrinkage of of concrete. By By using using expansive additive, shrinkage of of concrete can can be be compensated. It It can can reduce reduce risk risk of of concrete cracking and and decrease crack crack width. width. Expansive additive is is used used by by mixing mixing with with concrete. General dosage dosage is is 30kg/m 30kg/m 3 3 Plant CSA Expansive additive is is powder powder type type supplementary comentitious material 3

Introduction Length change of expansive concrete

Crack Width should be reduced expansion Around 200 10-6

Plain concrete 7days after cast Time Elapsed Expansive

4 Introduction Length change of expansive concrete Expansive concrete can compensate shrinkage Crack and Crack Width should be reduced expansion Around (0.02%) EXPANSIVE CONCRETE Length Change dry water shrink Plain concrete 7days after cast Time Elapsed Expansive concrete compensate the the shrinkage of of concrete due due to to dryness 4

5 Introduction Use of expansive additive for concrete. floor slab in plant Concrete railway Water treatment plant Pier Factory product 5

6 Introduction How does Expansive Concrete work? Mechanism of reducing crack risk using Expansive Additive (Unrestraint) Expansive concrete Free expansion (Restraint) Expansive concrete Compressive stress Chemical Pre-stress Restraint Ex: Steel bars etc. Tensile force Chemical Pre-strain This This chemical pre-stress decreases cracking of of concrete like like mechanical Pre-stress. 6

7 Background Background Basic design of the sub-surface disposal facilities for low activity waste is under planning in Japan. And there are carrying out full-size specimen modeling for the facilities. Basic required performance of this reinforced concrete pit It is to control crack width by mixing expansive additive. So, it is important to evaluate physical properties of concrete with expansive additive. This study proposes a limit state design method for expansive concrete members. 7

8 Topics This presentation introduce, a) Evaluation of the expansion Method of of estimating both both chemical pre-strain and and chemical pre-stress using a concept of of work done. b) Sectional Analysis Method for for calculating shrinkage reduction is is explained using a fiber fiber model with withthe the concept of of work done. c) Controlling crack Crack control of of RC RC members using expansive concrete. 8

9 A concept of work done 2. A Concept of Work done by expansive additive Work Done of of the the concrete doesn t be be affected by by the the degree of of restraint That That is, is, for for any any structure, the the work work done is is constant for for the the same expansive concrete. 9

10 A concept of work done A Concept of Work done by expansive additive This This concept can can calculate both both chemical pre-stress and and chemical pre-strain of of a RC RC member by by using the the expansive strain result of of a standard specimen. Real Real structures, RC RC members Effective chemical pre-stress and and chemical pre-strain Standard specimen for for length length change change test test 1 (JIS A6202) Work Work done done U: U: U = 1 σ E 2 c ε s = ρ s ε s = const. (JIS A6202) 2 2 σ c :Chemical pre-stress ε s :Chemical pre-strain E s :Young modules of bars (restraint) ρ:steel rate 10

11 A concept of work done A method of estimating both chemical pre-stress and chemical pre-strain using the concept of work done Be assumed ε u σ u As 3 Bars; Tensile stress h h 3 As 2 Equilibrium condition of force and moment h 2 h 1 As 1 Concrete Chemical pre-stress b ε b σ b The concept of Work done Be assumed Strain / Expansion Stress 11

12 A concept of work done Example Expansive additive: 25kg/m 3 Expansive additive 40kg/m mm D10(SD345) D13(SD345) 150mm Length of beam:1200 mm Dist ance of sect ion but t om(mm) Compressive bars Tensile bars Chemical pre- strain( 10-6 ) 12

13 Section Analysis M 3. Sectional Analysis by A Fiber Model with The concept of work done H As As d 1 d 2 x ε u i=1 i=2 i=3 j=1 j=2 i=n Stress-Strain Curves Cc Tc Cs Ts j=m B Strain distribution Stress of concrete Stress of steel bars Equilibrium condition Force: Cs +Cc =Ts+Tc Moment: M=Cs (d-d )+Cc (dyc yc ) 13

14 Section Analysis Stress Strain Curves Concrete/ Expansive concrete Reinforcement (Steel (Steel Bars) Bars) σc kfc σs fy ε 0 σ' c = kf ' c ε' 2 ε' c 0 ε' ε' c 0 2 Es εc εy εs Chemical Pre-stress Chemical Pre-strain The The origin of of the the stress-strain curves of of expansive concrete is is moved according to to chemical pre-stress and and chemical pre-strain 14

15 Calculation results ; Ultimate strength Flexural Strength of CPC member RC RC Plain Plainconcrete (without (without expansive expansive additive) additive) p 0.6% CPC-200 CPC-200 Expansive Expansive concrete concrete (Expansion; (Expansion; )) CPC-500 CPC-500 Expansive Expansive concrete concrete (Expansion; (Expansion; ) 単位幅 :1000mm ) Bending Moment(kNm) 400 cracking moment flexural st rength(γ b:1.15) mm p 0.3% 50mm 450mm 0 RC(A) CPC- 200(A) CPC- 500(A) a) The cracking moment increased by introducing the chemical pre-stress. b) Ultimate flexural strength of expansive concrete is almost same as plain concrete one. The reason of yield strength of reinforcement is same with of both expensive concrete and plain one. 15

16 Calculation results ; Ultimate strength Interactive carves of CPC member RC RC Plain Plainconcrete (without (without Expansive Expansive additive) additive) CPC-200 CPC-200 Expansive Expansive concrete concrete (Expansion; (Expansion; )) CPC-500 CPC-500 Expansive Expansive concrete concrete (Expansion; (Expansion; )) 500mm p 0.3% p 0.6% 単位幅 :1000mm 50mm 450mm RC(A) CPC- 200(A) CPC- 500(A) Axial force(kn) Bending momnet(knm) Likewise, Ultimate strength of of expansive concrete equals to to plain concrete one. one. 16

17 Calculation results ; Controlling crack 4. Controlling crack and crack width by expansive concrete Crack width relates to the strain of main reinforcement and the distance between each cracks. Crack width w(mm) Japan Society of of Civil Civil Engineers σ se w = 1.1 k { + ( )} + 1 k2 k3 4c 0.7 cs φ ε csd Es Sectional Factors (Distance between each cracks) Strain of tensile steel bars The strain of of the main reinforcement can evaluate the crack width of of the concrete 17

18 Calculation results ; Controlling crack Bending moment and Strain of reinforcement Case1 Plain concrete Case2 Expansive concrete (Expansion; ) Case3 Expansive concrete (Expansion; ) 500mm p 0.3% p 0.6% 単位幅 :1000mm 50mm 450mm Cracking Bending moment (knm) Yield Strain of main reinforcement ( 10-6 ) The The cracking moment, increased with with the the introduction of of the the chemical pre-stress. 18

19 Calculation results ; Controlling crack Effect of Expansive concrete Case1 Plain concrete Case2 Expansive concrete (Expansion; ) Case3 Expansive concrete (Expansion; ) 500mm p 0.3% p 0.6% 単位幅 :1000mm 50mm 450mm Bending moment(knm) Strain of main reinforcement( 10-6 ) Degrees of decreasing is almost same as pre-strain. For For the the same bending moment, the the strain of of reinforcement of of the the expansive concrete is is small. The The reason of of chemical pre-strain is is introduced into into the the reinforcement. 19

20 Experiment Loading test test of of Box Box culvert 100 C.L. 150 Load D10(SD345) C.L Method of loading test Cross section 20

21 Effect of chemical pre-strain P=19.0kN C.L. 2.01kNm (P/2=9.5kN) kN ;Measured value of strain of reinforcement Plain concrete Bending moment diagram Calculation of Expansive concrete For For the the same same Load, Load, Strain Strain of of reinforcement decreases by by chemical pre-strain using using expansive additive. Loading test test results; results; Strain Strain of of reinforcement 21

22 Calculation results ; Controlling crack Crack width Bending moment (knm) Experimental Crack widt h(mm) Bending moment(knm) Case1 Case2 30 Case3 Case1 Case1 Plain Plain concrete concrete Case2 Case2 Expansive Expansive concrete concrete (Expansion; (Expansion; )) Case3 Case3 Expansive Expansive concrete concrete (Expansion; (Expansion; )) Calculation Crack widt h(mm) 22

23 Conclusion Conclusion (1) The concept of work done for expansive concrete can estimate both chemical pre-stress and chemical pre-strain. (2) The Fiber model with The concept of work done can evaluate mechanical behaviors of the expansive concrete members. (3) Crack width of reinforced concrete decreases using an expansive additive. Degree of decreasing crack width is corresponds to with degree of chemical pre-strain. The control of the crack width using expansive concrete can greatly extend the life of concrete structures. 23

24 Thank you Thank you very much for your attention. Please your question and comment to the following. 24

25 Expansive additive CSA Expansive additive CSA is produced by crushing a sintered compound mainly consisting of limestone, gypsum, and bauxite (calcium oxide, calcium sulfate and aluminum oxide) in adequate amounts. The chemical composition of sintered CSA clinker mainly consists of hauyne, free lime and free gypsum. Hydration of these minerals forms ettringite (3CaO-Al2O3-3CaSO4-32H2O), a very small crystal with dimensions of several microns. In the cement paste hardening process, this colloid-like crystal becomes burr-like within minute gel voids. It thus reduces hardening shrinkage and dry shrinkage of the gel, and furthermore it acts to expand the gel. Therefore, the presence of ettringite increases the density of the concrete matrix, reduces dry shrinkage, and induces compressive stress into a concrete structure under a restrained Scanning electron microscopy condition. Through the above mechanism, image of ettringite CSA reduces dry shrinkage cracking in concrete and increases the water-tightness of concrete structures. 25

26 DENKI KAGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA What is DENKA CSA? (Properties of CSA) Hydration System CSA s ingredients CaSO 4 +H 2 O CaO +H 2 O Ca(OH) 2 Hauyne +H 2 O 3CaO Al2O3 CaSO 4 12H 2 O 3CaO Al 2 O 3 Ca(OH) 2 12H 2 O 3CaO Al 2 O 3 3CaSO 4 32H 2 O Expansive substance Ettringite 26

27 第 5 章膨張コンクリートによるひび割れ幅の制御膨張コンクリートによるひび割れ幅の制御 RC 部材のひび割れ, ひび割れ幅の制御 (1) コンクリート強度の増加 (2) 鉄筋量の増加 (3) 鉄筋の配置間隔の制御 (4) 膨張コンクリート 27

28 第 5 章膨張コンクリートによるひび割れ幅の制御膨張コンクリートによるひび割れ幅の制御 (1) (1) コンクリート強度の増加同一断面で, コンクリートの圧縮強度 (30,45,60N/mm 2 ) を水準として算定ひび割れ発生時の曲げモーメントは上がる曲げモーメント (knm) fc24, fc24, 圧縮強度ひび割れ幅 ( mm ) fc:30 fc:45 fc:60 ひび割れ発生後のひび割れ幅は, 制御できない圧縮強度の増加は, 単にひび割れ発生時の曲げモーメントを増加させるだけ膨張コンクリートは, ひび割れ制御に, より有効にはたらく 28

29 第 5 章膨張コンクリートによるひび割れ幅の制御膨張コンクリートによるひび割れ幅の制御 (2) (2) 鉄筋量の増加同一断面で, 引張鉄筋の鉄筋量 (0.6%,0.75%,0.9%) を水準として算定 400 曲げモーメント (knm) 鉄筋比ひび割れ幅 ( mm ) 0.60% 0.75% 0.90% 鉄筋比に応じてひび割れ幅を制御できる鉄筋比の増加曲げ耐力の増加せん断破壊先行せん断補強筋の増加鉄筋比の増加はひび割れ制御の観点からは, 非経済的, ひび割れ幅を制御できるが, 非経済的な断面設計となるとなる 29

30 第 5 章膨張コンクリートによるひび割れ幅の制御膨張コンクリートによるひび割れ幅の制御 (3) (3) 鉄筋の配置間隔による制御同一断面で, 鉄筋の配置間隔 (150mm,125mm,100mm) を水準として算定曲げモーメント (knm) 配筋間隔 150mm 125mm 100mm ひび割れ幅 ( mm ) 配筋間隔によるひび割れ幅の影響は, 小さいさい 30

31 第 5 章膨張コンクリートによるひび割れ幅の制御膨張コンクリートによるひび割れ幅の制御ひび割れ発生に対し制御方法ひび割れ幅に対してコンクリート強度の増て加鉄筋量の増加鉄筋の配置間隔の制御膨張コンクリート 31

32 第 7 章結論第 7 章結論粒度の及ぼす膨張への影響 (1) (1) 膨張量は, 膨張材の粒子の個数と表面積との積で整理できる. (2) (2) 膨張材の粒度を調整することで, 積極的にケミカルプレストレスを導入できることが確認されたされた. 膨張材粒子の仕事は, 一様であると考えられるが, 構成する粒度により, 仕事量を制御できる. 32

33 第 7 章結論第 7 章結論 CPC 部材の限界状態設計 (1) (1) 仕事量一定則を適用することで,CPC 部材の部材のCP CPを評価することができる (2) (2) 積層モデルによる断面解析を適用することで, CPC CPC 部材の断面耐力, 断面応力度を適切に評価することが可能であるある. 膨張コンクリートのひび割れ幅の制御を定量的に表すことが可能である. 33

34 A Proposal of Limit State Design Method Considering Chemical Pre-strain of Chemically Pre-stressed Concrete Members by Expansive Additive 膨張材によるケミカルプレストレインを考慮した限界状態設計法ご清聴いただきありがとうございました. 34

35 参考 1 設計法の違い 35

36 鉄筋コンクリート構造物の設計形態許容応力度設計法通常の使用状態で発生する最大応力度と材料強度との比較簡便でわかりやすいことから, 長期にわたり採用されてきた限界状態設計法各限界状態に対して, 断面耐力等の安全性を照査する方法昭和 61 年のコンクリート標準示方書の改訂において採用 36

37 許容応力度設計法の例 RC はり設計荷重コンクリートは, どれだけの強度があれば良いか? 鉄筋は, どれだけの強度があれば良いか? 設計荷重設計荷重材料応力度材料応力度膨張材により材料強度は変わらない考慮できない材料強度材料強度許容応力度許容応力度通常の使用状態での最大荷重により生じる材料応力度が, 許容応力度以下であることを確認する. 37

38 限界状態設計法の例設計荷重 RC はり設計荷重設計荷重断面力断面力膨張材の膨張力や膨張ひずみを考慮できる安全性の照査設計断面材料特性設計断面材料特性断面耐力断面耐力構造物がその状態に達すると, 破壊破壊 / 使用できないなどの各限界状態に対して, 安全性の照査を行う. 戻る 38

39 第 4 章限界状態設計における積層モデルと安全性の検討限界状態設計法の流れ設計荷重断面耐力算定 ( 積層モデル ) M 曲げ + 軸力 + 膨張ひずみ分布ケミカルプレストレスケミカルプレストレイン断面力算定 ( 骨組解析など ) 照査 ( 耐力ひび割れ幅等 ) 39

40 第 4 章限界状態設計における積層モデルと安全性の検討積層モデル Fiber Model 断面解析における積層モデル曲げモーメント Cs Cc Tc 軸力 Ts 微小区間に分割ひずみ分布応力分布 40

41 参考 2 終局耐力 41

42 第 4 章限界状態設計における積層モデルと安全性の検討 CPC 部材のせん断耐力 V = V + V yd cd コンクリート V cd d p n vcd sd = β β β f b d / γ w b V せん断補強筋 sd [ Aw f wyd ( sin α s + cosα s )/ Ss ] z / γ b = せん断補強筋で決まる f vcd = f cd β 4 d = 1 d β 3 p = 100Pv = b A w s d 部材の断面形状デコンプレッションモーメント M 0 Comp. Comp. + Comp. + = β = 1+ M n 0 = M 0 M d M d ( N d ( N d 0) < 0) Comp. CP Tens. Nd M 0 合成後ケミカルプレストレスにより, デコンプレッションモーメントが増加し, これに応じて, 部材のせん断耐力が向上する. 42

43 第 4 章限界状態設計における積層モデルと安全性の検討 CPC 部材のせん断耐力 Md:100kN Vyd(kN) Nd'(kN) Case1-1 Case1-2 Case1-3 通常は, 曲げ破壊が先行するように設計するため, せん断耐力の向上は, 設計上, クリティカルになることはないない. 43

44 参考 3 許容ひび割れ幅 44

45 第 5 章膨張コンクリートによるひび割れ幅の制御ひび割れに対する検討鉄筋コンクリート構造物のひび割れ鉄筋コンクリートは, ひび割れを許容する材料 (1) 無害なひび割れ (2) 有害なひび割れ鋼材の機能を低下 ( 腐食 ) させるひび割れ使用性の照査ひび割れに対する検討が重要 45

46 第 5 章膨張コンクリートによるひび割れ幅の制御許容ひび割れ幅鋼材の機能を維持するために, 目的に応じて, 許容ひび割れ幅が定められている. 鋼材の腐食に対する許容ひび割れ幅 (mm) 鋼材の腐食に対する環境条件鋼材の種類一般の環境腐食性環境異形鉄筋普通丸鋼特に厳しい腐食性環境 0.005c 0.004c c PC 鋼材 0.004c - - c: かぶり (mm) 土木学会コンクリート標準示方書より 46

47 参考 4 ケミカルプレストレイン 47

48 第 5 章膨張コンクリートによるひび割れ幅の制御引張鉄筋のひずみと曲げモーメント Case1 普通コンクリート Case2 膨張コンクリート : Case3 膨張コンクリート : 曲げモーメント (knm) 引張鉄筋のひずみ ( 10-6) 0μ 200μ 500μ 48

第 5 章膨張コンクリートによるひび割れ幅の制御引張鉄筋のひずみと曲げモーメント Case1 普通コンクリート Case2 膨張コンクリート :200 10-6 Case3 膨張コンクリート :500 10-6 140 曲げモーメント (knm)

49 第 5 章膨張コンクリートによるひび割れ幅の制御引張鉄筋のひずみと曲げモーメント Case1 普通コンクリート Case2 膨張コンクリート : Case3 膨張コンクリート : 曲げモーメント (knm) 引張鉄筋のひずみ ( 10-6) 0μ 200μ 500μ 積極的に CP CPを入れる場合, これに見合う鉄筋が必要 ( 鉄筋量の増加, 降伏点の大きい鉄筋を採用 ) 49

50 拘束の弱い端部の膨張ひずみ例えば, 以下に制御 ε u σ u As 3 As 2 膨張コンクリート圧縮力 (CP) 鉄筋の引張力 As 1 ε b σ b 長さ変化率応力分布 50

51 基準となる膨張ひずみ (JIS A 6202 A 法法 B 法など ) 収縮補償を目的とした場所打ち用途 150~ ケミカルプレストレス導入用コンクリート ( 工場 200~ 実際は, 程度を上限 51

52 仕事量一定則の適用範囲ケミカルプレストレス (N/ mm 2 ) 材齢 7 日式 (2-5) 推定値 : 配合 B 推定値 : 配合 A エトリンガイト系鋼材比 (%) アウイン石灰複合系膨張ひずみ ( 10-6 ) 鉄筋比 (%) 52

53 第 2 章膨張コンクリート膨張材は, 何故ひび割れを抑制するのか? 膨張コンクリートは, 水和の過程で, 体積変化 ( 膨張膨張 ) するするケミカルプレストレイン ( 膨張 ) 長さ変化率 ( 収縮 ) 材齢膨張コンクリート普通コンクリート ( 引張 ) 応力引張材齢 ( 圧縮 ) 圧縮水中気乾ケミカルプレストレス 53

54 参考 5 膨張コンクリートの伸び能力 54

55 参考 5 膨張コンクリートは, 伸び能力が大きいひび割れ発生時の引張ひずみが大きい普通コンクリート :50~ 膨張コンクリート :100~ コンクリートの応力ひずみ曲線 σc kfc σ' c = kf ' c ε' 2 ε' c 0 ε' ε' c 0 2 ε 0 εc 55

56 参考 6 CPC 部材の実験結果例 56

57 第 6 章 CPC 部材の力学的挙動 ( 追加分 ) 提案したモデルの検証 Step.1 Step.1 CPC CPC 部材レベルでの検証 CPCはりの曲げ載荷実験曲げ性状, せん断性状, ひび割れ性状 Step.2 Step.2 証構造物レベルでの検ボックスカルバートの載荷実験引張鉄筋のケミカルプレストレインの効果を検証 57

58 第 6 章 CPC 部材の力学的挙動 ( 追加分 ) Step.1 部材レベルでの検証 SD295 D16 はり供試体 SD295 D19 SD295 D @120= 配合 W/C s/a Air 単位量 (kg/m 3 ) (%) (%) (%) W C EX S G Add 普通コン膨張コン

59 第 6 章 CPC 部材の力学的挙動 ( 追加分 ) Step.1 普通コン膨張コン断面耐力破壊荷重 (kn) 破壊形式せん断 * せん断 * 曲げ引張曲げ引張曲げ引張曲げ引張曲げ耐力時の荷重 M(kN) 解析値せん断耐力時の荷重 V(kN) V/M>1: 曲げ破壊 V/M<1: せん断破壊 M/V 普通コンの 2 体は, せん断破壊曲げ耐力は, 鉄筋の降伏に支配されるたケミカルプレストレスにより, め, 膨張材の影響はないせん断耐力が向上したことを示唆しているいる 59

60 第 6 章 CPC 部材の力学的挙動 ( 追加分 ) Step.1 ひび割れ性状普通コンクリート膨張コンクリート一次載荷一次載荷二次載荷二次載荷破壊時破壊時膨張コンクリートは, 同一の荷重において, ひび割れ本数も少なく, 一様に分散している. 60

61 第 6 章 CPC 部材の力学的挙動 ( 追加分 ) Step.1 引張鉄筋のひずみ, ひび割れ幅曲げモーメント (kn m) 比較 580~ 引張鉄筋のひずみ ( 10-6 ) 普通コンクリート膨張コンクリート解析値 ( 普通コン ) 解析値 ( 膨張コン ) 曲げモーメント (kn m) 比較 60 普通コンクリート 40 膨張コンクリート 20 解析値 ( 普通コン ) 解析値 ( 膨張コン ) 曲げひび割れ幅の最大値 ( mm ) 61

62 参考 8 力の釣合い例 62

63 ひずみケミカルプレストレイン M 膨張ひずみ応力ケミカルプレストレス M 初期状態外力力の釣合い状態 63

<4D F736F F D CC82E898678E77906A E DD8C7697E181698F4390B3816A312E646F63>

<4D F736F F D CC82E898678E77906A E DD8C7697E181698F4390B3816A312E646F63> 付録 1. 吹付枠工の設計例グラウンドアンカー工と併用する場合の吹付枠工の設計例を紹介する付録図 1.1 アンカー配置開始現地条件の設定現況安全率の設定計画安全率の設定必要抑止力の算定アンカー体の配置計画アンカー設計荷重の設定作用荷重および枠構造の決定設計断面力の算定安全性の照査土質定数 (C φ γ) 等を設定例 ) ここでは Fs0.95~1.05 を設定例 ) ここでは Fsp1.20~1.50