土木学会関西支部第 25 回コンクリート構造の設計 施工 維持管理の基本に関する研修会 説明内容 プレストレストコンクリートの設計 ( 設計編 11 章に即して ) プレストレストコンクリート部材の設計と応用 11.1 概説 11.2 プレストレストコンクリートの特徴 11.3 プレストレストコンクリート部材の挙動と解析 11.4 プレストレストコンクリート部材の設計 11.5 PC 部材の耐久性を高めるための方策および構造細目 2011 年 8 月 2 日オリエンタル白石 ( 株 ) 杉田篤彦 1 プレストレストコンクリート技術の応用 2 11.1 プレストレストコンクリートの概説 コンクリートの性質 弱い! 強い! 楽勝だねけて~~引張力助~ 圧縮力 P.154 プレストレストコンクリート (PC) とは何か 鉄筋コンクリート RC = Reinforced Concrete PC コンクリート PC = Pre-stressed Concrete コンクリートの引張強度は圧縮強度の 1/10 程度 3 1 Pre( 前もって ) 応力が与えられたコンクリート 4
コンクリートの性質 2 RC 桁と PC 桁 鉄筋コンクリート (RC) 桁 多少のひびわれはやむを得ない プレストレストコンクリート (PC) 桁 ひびわれの制御が自由にできる 鉄筋で引張部分を補強 プレストレスを導入して補強 PC の概念 コンクリートの引張側の補強応力をコンクリートに導入コンクリートの断面全体が有効 RC よりも断面を小さくすることができる緊張材 :PC 鋼材 5 6 11.2 PC の特徴 11.2.1 PC の原理 荷重 PP.154~155 P P C 桁 荷重 P 上縁 圧縮応力 上縁 荷重による応力 σc プレストレスによる応力 σct 合成応力 Σσc 中立軸 中立軸 + = 下縁 引張応力 7 2 下縁 σc σct Σσc 8
導入レベルプレストレス u P A 死荷重 P ep Zu プレストレス + 死荷重 u 活荷重 プレストレス + 死荷重 + 活荷重 : 断面上縁のプレストレスによる応力度 11.2.2 プレストレストコンクリートの分類 (1) 構造体としての設計上の分類 1コンクリートに引張応力を発生させない PC 構造 フルプレストレス : 床版 タンク PP.155~156 2コンクリートの引張応力は制限値以内 PC 構造 パーシャルプレストレス : 道路橋主桁 3コンクリートのひび割れの発生を認めるが ひび割れ幅制限を行う PRC(PPC) 構造 : コスト縮減 l P A P ep Zl l : 断面下縁のプレストレスによる応力度 9 10 PC 構造と PRC 構造 設計荷重作用時 ( 使用限界状態 ) PC 構造 PRC 構造 使用限界状態 ひび割れ発生許さない ひび割れ発生許す プレストレス 縁応力度制御 ひび割れ幅制御 ( 異形鉄筋併用 ) コンクリートの引張応力 ( 全て圧縮 ) ( 許容値内 ) -( 無視 ) コンクリートのひび割れ ( ひび割れ幅 ) ( 鉄筋の応力度 ) 名称 PC( フル ) PC( パーシャル ) PRC RC 大小自由度の高い設計が可能 11 3 12
11.2.2 PC の分類 (2) プレストレス工法による分類 PP.156~158 1) プレテンション方式 1) プレテンション付着 2) ポストテンション くさび式ねじ式ループ式 B.U. B.C. ベンドアップ / ボンドコントロール フレシネー工法アンダーソン工法 SEEE 工法バウル レオンハルト工法 etc 3) その他工法 4) 連続繊維補強材 a. 化学的方法 ( 膨張セメント ) b. フラットジャッキ ( 機械的 ) FRP( 炭素 アラミド ガラス ) 13 14 プレテンション方式の定着のしくみ プレテンションの定着付近の応力 圧縮応力の流れ 部材端部 圧縮応力の流れ 定着後の変形 定着前の形状 PC 鋼材 PC 鋼材とコンクリートとの付着応力分布付着応力 付着長さ 65φ PC 鋼材引張応力分布 σpx σp 15 4 0 16
2) ポストテンション方式 ポストテンション方式の定着のしくみ ネジ方式 くさび方式 17 18 2 ねじ方式 ポストテンション方式の定着具の例 11.2.3 PC( 構造 ) の特長 P.158 くさび方式 ネジ方式 全断面を有効に利用できるスレンダー 長支間化ひび割れ安全度が高い水密性 耐久性たわみ総量が小さい プレストレスによるたわみ ( 反り ) ねじりモーメント低減プレキャスト化が可能工期短縮 型枠の転用 ( 経済的 ) CO2 の削減施工管理緊張 グラウトなど細心の注意が必要高性能化 19 5 20
プレストレスの変化に関与する要因プレストレスの減少構造的材料の性質11.3 PC 部材の挙動と解析 11.3.1 プレストレス力 PP.159~163 PC 鋼材とシースの摩擦 1 1 プレストレッシング直後の状態 定着体のセット ( めりこみ ) 2 瞬時に減少する 2 クリープ 収縮 リラクセーションが終わった状態 コンクリートの弾性変形 コンクリートのクリープ 収縮 PC 鋼材のリラクセーション 3 4 5 徐々に減少する 緊張直後のプレストレス力 pt pi ( 1 2 3) 有効プレストレス力 pe pt ( 4 5) 21 22 プレストレスの減少 1PC 鋼材とシースとの間の摩擦 PP.159~160 プレストレスの減少 2 定着部の滑動 ( セット ) P.161 P x P i e ( x) μ: 角変化 1 ラジアン当たりの摩擦係数 α: 角変化 ( ラジアン ) λ: 緊張材の単位長さ当たりの摩擦係数 x : 緊張材の引張端から設計断面までの長さ A0 l Ep A 0 23 6 24
時間プレストレスの減少 3 コンクリートの弾性変形による減少 PP.160~161 プレストレスの減少 4 コンクリートのクリープ 収縮 PP.161~162 プレテンション方式の場合 σ pcs n φ (σ 1+n cd +σ σ σ cpt pt cpt )+E p φ 1+ 2 ε cs p n ' cpg ポストテンション方式の場合 1 ' N 1 p n cpg 2 N 25 26 弾性変形 クリープ 一定の持続荷重の元でコンクリートの変形が大きくなる現象 乾燥収縮 コンクリート P Δe 弾性変形 + 塑性変形 P Δe Δc PC 鋼材 Δe: 弾性変形 Δc: 塑性変形 時間 時間 27 7 28
プレストレスの減少 5PC 鋼材のリラクセーション 一定ひずみ下で応力が低下する現象 pr pt γ:pc 鋼材の見かけのリラクセーション率 PP.162~163 プレストレス力の変化に及ぼす要因 シースとの摩擦 弾性変形 定着具の滑動 クリープ, 乾燥収縮 リラクセーション ポストテンション方式 状態 Ⅰ - - 状態 Ⅱ - - - プレテンション方式 状態 Ⅰ 注 ) 状態 Ⅰ: 緊張中から緊張直後までに考慮すべき要因状態 Ⅱ: 緊張直後から, クリープ, 乾燥収縮, リラクセーション終了時までに考慮すべき要因 - - - 状態 Ⅱ - - - 29 30 11.3.2 曲げと軸力を受ける部材 PP.163~166 (1) ひび割れ発生前 (1) ひび割れ発生前 応力解析の仮定 (2) ひび割れ発生後 (3) 終局耐力 DL GL DL+LL 荷重 GL: はり自重 DL: 死荷重 LL: 活荷重 PC 鋼材量が極端に少ない場合の破壊荷重 荷重状態 (a) (e) ひび割れ発生荷重 (d) 断面に引張応力は発生しない (c) たわみが 0 となる荷重 (b) たわみ PC 鋼材量が適当な場合の破壊荷重 (g) (f) PC 鋼材降伏 31 弾性領域遷移領域 塑性領域 8 1 コンクリート PC 鋼材 鉄筋は弾性体 2 断面内のひずみは直線分布 3 コンクリートは全断面有効 コンクリート断面の応力度算出式 上縁 c ' N A M Z ', 下縁 c N A M Z 軸力 : 曲げ : N M P ep 32
(2) ひび割れ発生後 PC 部材の破壊様式 1 コンクリートは圧壊しないで PC 鋼材が破断 2PC 鋼材が降伏 部材曲率が大きくなり圧壊 3PC 鋼材が降伏する前に圧壊 応力解析の仮定 中立軸以下のコンクリートの引張抵抗は無視し 断面内のひずみは直線分布と仮定 33 (3) 終局耐力 終局耐力算定の仮定 1 破壊時の断面ひずみは直線分布 2 付着のある鋼材のひずみは各位置のコンクリートひずみと同じ 3 中心軸以下部分のコンクリートの引張抵抗は無視 破壊モーメントMu Mu Tp ( dp k2 x) Ts ( ds k2 x) 34 11.3.3 せん断を受ける部材 PP.166~168 11.3.4 ねじりを受ける部材 P.169 せん断破壊耐力 ねじりひび割れ発生前の挙動 σ i σ x σ y ( σ 2 4 曲げせん断破壊耐力 V yd V cd V sd ウエブ圧縮破壊耐力 x σ y V ) 2 ped 2 4τ (a) せん断引張破壊圧壊 (b) 曲げせん断破壊ウエブ圧壊 ひび割れ発生ねじりモーメントの約 80% 以下では弾性理論が適用可能 (0.7f cd 程度が事実上の適用限界と推定される ) ねじりひび割れ発生後の挙動 1 ねじり補強筋を有しない場合 爆発的に破壊 (1% 程度の補強筋でじん性向上 ) V f b d / γ wcd wcd w b (c) ウエブ圧縮破壊 35 9 2 ねじり剛性は急激に低下 3 ねじり抵抗モーメントの分担は明らかでない 36
11.4 PC 部材の設計設計の手順 (1) PP.169~172 応力度に関する検討の一般的な流れ Start 断面形状の仮定 荷重の計算 断面力解析 荷重による応力度の計算 PC 鋼材の仮定 プレストレスの計算 合成応力度の照査 NO 制限値を満足 YES End 37 38 ポストテンション単純 T 桁橋 横桁 主桁を架設した後, 場所打ち床版と横桁のコンクリートを打設し, 横締めPC 鋼材を緊張して一体化 1 設計断面の仮定します 場所打ち床版 主桁 39 10 40
1 死荷重主横桁自重桁間床版桁自重2 活荷重A活荷重群集荷重B活荷重2 作用荷重を計算します 橋面荷重 衝撃荷重 41 42 5 クリープ 3 温度 温度差 4 乾燥収縮 6 プレストレス プレストレス プレストレス 43 11 44
3 断面力を計算します 4 荷重によるコンクリート応力度を計算します 圧縮 (+) 曲げモーメント図 引張 (-) 45 46 PC 鋼材配置 (1) 5PC 鋼材を仮定します PC 鋼材を図心に配置 軸力 N=P 曲げモーメント M=P e=0 PC 鋼材を偏心配置 P C 鋼材 軸力 N=P 曲げモーメント M=P e=p e 47 12 48
PC 鋼材配置 (2) PC 鋼材を曲線配置 断面力に合わせて曲線配置する軸力 N=P 曲げモーメント M 1 =P e 1 ( 負の曲げモーメント ) 6 プレストレスを計算します P P M 2 =P e 2 ( 正の曲げモーメント ) 引張 (-) 圧縮 (+) 49 50 7 荷重による応力度とプレストレスを合成します 荷重圧縮 (+) + プレストレス 引張 (-) = 合成応力 圧縮 (+) 1 断面変更かNO15へ戻る8 合成応力度が許容値以内にあるか検討 引張 (-) 圧縮 (+) 引張 (-) 5 PC 鋼材量変更 YES 51 13 52
9 図面を作成します チェックを行い設計終了! 設計の手順 (2) 限界状態設計法 使用限界状態に対する検討 : 設計荷重作用時終局限界状態に対する検討 : 終局荷重作用時 (6 章 7 章 ) 施工時の検討 : 緊張時ひび割れ施工時コンクリート応力度変形桁の横座掘 etc PP.172~174 53 54 11.4.5 定着部の設計 ポストテンション方式定着支圧応力度定着部補強 ( 割裂周辺引張偏心力 etc) PP.174~177 引張域引張域圧縮域圧縮域引張域引張域 11.5 PC 部材の耐久性を高めるための方策および構造細目 PC 橋の耐久性を高める方策 (1) 緊張材の腐食防止 PP.177~184 プレテンション方式部材端周辺引張に抵抗する補強筋 55 14 56
確実なグラウト注入 グラウトの目的 緊張材の耐腐食性 コンクリート部材と緊張材に付着を与え一体化すること プレグラウト PC 鋼材 ポリエチレン (PE) 管で被覆された PC 鋼材に遅延硬化型のエポキシ樹脂をグラウト材として あらかじめ充填した PC 鋼材 適切なシース径 ( 空隙率 ) や中間排気口の設置位置を決定する. 注入口 排気口の構造やグラウトホース径は, 圧力損失が少ないものを選定する. PC 鋼材の定着端部まで充填可能な構造を有する定着具を使用する. 必要に応じて, 充填状況の確認や PC グラウトの再注入が可能であるシステムを使用する. PE 管 PC 鋼より線 57 エポキシ樹脂 58 樹脂塗装 PC 鋼材 PC 橋の耐久性を高める方策 (2) 高性能コンクリート エポキシ樹脂系 高密度ポリエチレン樹脂系 樹脂でコーティングすることにより PC 鋼材に防食機能を付与したもの 59 15 60
PC 橋の耐久性を高める方策 (3) エポキシ樹脂塗装鉄筋 PC 橋の耐久性を高める方策 (4) 非鉄シース エポキシ樹脂塗装鉄筋の適用例 エポキシ樹脂でコーティングすることにより 鉄筋に防食機能を付与したもの 61 62 PC 橋の耐久性を高める方策 (5) 透明シース 外ケーブル用 グラウト充填の確認 PC ケーブルの維持管理 PC 構造物の照査の前提条件 < 構造細目 > PP.179~183 緊張材のかぶり緊張材のあき緊張材の配置形状 配置間隔緊張材の最小曲げ半径定着体と緊張材図心線の直角性定着具支圧面からの直線区間の設置曲げモーメント交番点付近の分散配置定着間隔 縁端距離の確保と定着部付近の補強緊張ジャッキ作業空間の確保偏向部 ( 外ケーブル ) の補強 63 16 64
1) 端部定着具のかぶり 2) PC 鋼材の定着具間隔と縁端距離 桁端部定着 a a グラウトキャップ 定着具 d D d D d B B e A A d A<D B>D A B D 2 a かぶり確保 マルチワイヤーシステム定着具 最小間隔 ( 単位 ;mm) D と e に方向性は無いここに e=1.5d とする a 注 : グラウトキャップ使用時はキャップのかぶりを確保 65 種別 7S12.7 12S12.7 12S15.2 D 220 270 350 d 135 180 230 66 3) 斜角を有する場合の端部定着具間隔 4) 鋼材間隔と部材厚 斜角のある場合の留意点斜角のある場合の定着具間隔は 切り欠き寸法を考慮し余裕を持って間隔 (D) を決める バイブレーター PC 鋼材 ( シース ) 鋼材種類別シース径 鋼材種別 7S12.7 12S12.7 12S15.2 シース内径 55 65(70) 75(80) シース外径 58 68(77) 78(87) D B バイブレーター 45mm~60mm 注 ; シース径 ( ) 内数値は ケーブルを後挿入する場合を示す 後挿入は #2000 番台のものを使用 B はバイブレーターの挿入スペース 60~80mm 程度 67 17 留意事項 ; 十分な打設性能を考慮した部材厚さの設定を行う 68
外ケーブル構造およびプレキャストセグメント構造 内ケーブル方式 外ケーブル方式 PP.183~184 プレキャストセグメント方式について フ レキャストセク メント T 桁 フ レキャストセク メント箱桁 ロンク ラインマッチキャスト方式 仕切板 ショートラインマッチキャスト方式 69 70 プレストレストコンクリート技術の応用 PC 橋梁 ( その 1) 連続ラーメン箱桁 旧日本道路公団大井沢橋 P&Z 工法 このほかにも海洋構造物 地下構造物 舗装や補強などに利用されています. 71 18 旧建設省菅野橋張出し架設工法 72
PC 橋梁 ( その 2) 上信越自動車道碓氷橋支間 2@110.2m 洲本大橋 ( 洲本市 ) 支間 2@74m PC 斜張橋 呼子大橋 ( 佐賀県 ) 最大支間 250m 大芝大橋 ( 広島県 ) 最大支間 210m セグメント PC 斜張橋の特徴 長大支間に適している 国内最大支間は 260m( 伊唐島大橋鹿児島県 ) である桁高を低くでき, 桁下空間が大きく取れる斜材に調整力を与えることにより主桁 塔に作用する断面力を軽減でき, 経済的な設計ができる斜材配置 塔形状などの自由度が高く, 景観も独特なものとなる斜材を用いた張出し架設により, 合理的な施工法となる 73 74 PC 橋梁 ( その 3) エクストラドーズド橋 エクストラドーズド橋は, 桁橋と斜張橋の中間的な形状と構造特性を有しています. 桁橋に配置した外ケーブルを塔部で大きく偏心させています. 西湘バイパス小田原ブルーウェイブリッジ最大支間 122m 場所打ち張出し架設 日見夢大橋 桁橋 山陽自動車道つくはら橋最大支間 180m 場所打ち張出し架設 保津川大橋 エクストラドーズド橋 都田川橋 75 19 斜張橋 76
PC 橋梁 ( その 4) アーチ橋 池田へそっこ大橋 朧大橋 77 アーチ橋の特徴 景観に優れ, 耐震性に優れた構造形式であるアーチ部材の主断面力は圧縮力であり, コンクリートの特性に合致している国内最大支間は 260m( 天翔大橋宮崎県 ) である地盤の堅固な所に採用される架設途中はアーチを形成していないため, 不安定な構造であるアーチ橋の施工法 1 全支保工施工 2 セントル工法 3 張出し工法 : ピロン メラン張出し工法 トラス張出し工法 4 合成アーチ巻立て工法 5 ロアリング工法 78 PC 橋梁 ( その 5) 吊り床版橋の特徴 張弦橋吊り床版橋 ( 直路 上路 ) 吊り構造であり, 床版は純引張部材である大きな水平反力をとるためのアンカー基礎が必要である国内最大支間は 147.6m( 夢吊橋 ) 理論的には, 吊り橋規模の超支間が可能であるスレンダーで景観に優れる床版厚は支間長に関係なく 15cm~35cm 程度と薄い支保工が不要であり, 大規模な架設機械も不要である張渡した主ケーブルを利用して, プレキャスト床版を架設できる歩道橋としての実績が多い自動車道橋には, たわみ抑制の目的で上路式吊り床版橋が適用されている ( 速日峰橋, 青雲橋 のぞみ橋 など ) 79 20 80
2300 200 PC 橋梁 ( その 6) 1750 10250 450 9250 550 主桁 ( セグメント ) 925 3@2800=8400 925 10700 445 9810 445 場所打ち床版 t=200mm 場所打ち RC 床版 18cm PC 板 t=110mm 2% PC 板 8cm 775 3000 3150 3000 775 PC 板 t=80mm 外ケーブル 19S15.2B コンポ橋 81 PC コンポ橋 PCコンポ橋は, 主桁をプレキャストセグメント工法で製作し, 床版はプレキャストPC 板を型枠代わりに使用してPC 合成床版とした PC 合成桁橋です T 形コンポ橋施工の合理化 省力化場所打コンクリート主桁 横桁の少数化工期短縮 ( セク メント化,PC 板 ) 建設コスト縮減耐久性の向上 PC 板ライフサイクルコスト低減主桁セク メント環境保全に貢献産業廃棄物の減少 U 形コンポ橋現場作業騒音振動の減少架設時の安全性向上吊り足場の組立解体不要主桁の安定性向上 82 PC 容器 PC 防災構造物 卵形消化漕貯水槽 ロックシェッドスノーシェッド PC フレーム 83 21 84
PC 海洋構造物 その他 耐震補強 消波堤 ポンツーン 段床版 覆蓋 85 86 外ケーブルによる既設橋の補強 緊張材をコンクリートの外側に配置し, 定着部あるいは偏向部 ( デビエータ ) を介して部材に緊張力を与えることにより, 必要な性能の向上を図る工法です 新材料 新構造の橋梁例 新素材 超高強度繊維補強セメント系複合体 σck=200n/mm 2 外ケーブル補強例 87 22 酒田みらい橋 (2002 年 50m 歩道橋 ) 鉄筋は使用しない 上床版厚 50mm ウエブ厚 80mm 88
新材料 新構造の橋梁例 軽量化 高強度人工軽量骨材の使用 新材料 新構造の橋梁例 PC トラス橋斜材にコンクリート製斜材を採用 北海道縦貫自動車道シラリカ川橋 (96.2m) コンクリートは 50N/mm 2 単位重量 18.5kN/m 3 89 90 新材料 新構造の橋梁例 ストラット付き張出し床版 ストラット付き張出し床版 比較的小型の箱型断面で広幅員の橋梁が建設できる 91 23 ストラットと上床版接合部の例 ストラットは鋼製またはコンクリート製 92
新材料 新構造の橋梁例 プレテンションウエブ PC 橋 第二東名芝川高架橋 ( ストラット付き PC 箱桁 ) 第二東名桂島高架橋 ( 波形ウェブストラット付き PC 箱桁 ) 軽量化 現場の省力化 耐久性の向上 第二東名錐ケ瀧橋 箱桁 ) 93 94 新材料 新構造の橋梁例 合成構造異種材料の組合せで部材断面を構成複合構造橋梁混合構造異種材料の部材の組合せで構造物を構成 コンクリート桁と鋼桁を橋軸方向に接合した橋梁 波形鋼板ウェブ橋 複合トラス橋 合成けた橋 複合橋 ( 波形鋼板ウエブ PC 橋 ) PC 箱桁橋のウエブを波形鋼板に置き換えた合成構造です 主桁自重の軽減 (20~30%) 高いせん断座屈耐力 補剛材が不要優れたアコーディオン効果 軸力に抵抗しないウエブ 効率のよいプレストレス導入施工の合理化 工期短縮コスト縮減接合部の耐久性重要 新開橋 ( 新潟県 ) 最大支間 30m 2 主単純箱桁架設桁架設 銀山御幸橋 ( 秋田県 ) 最大支間 45.5m 耐候性鋼板使用押出し架設 95 24 96
複合橋 ( 鋼トラスウエブ PC 橋 ) 第二東名猿田川橋 巴川橋最大支間 119m 場所打ち張出し架設 プレストレストコンクリート技術の応用 鋼管トラス材 主桁自重の軽減合理的構造 コスト縮減施工性に有利な等桁高長支間化が可能圧迫感の少ない景観性トラス格点部の耐久性重要 97 丈夫で 美しく 長持ちするコンクリート構造物の実現 Concrete for Human! 人と文明を支えるコンクリート構造物を造り 将来に残していく そして技術の研鑽も! 98 25