JP4498962B2 - コンクリート構造物内部ひずみの測定方法及びコンクリート構造物 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート構造物の内部応力状態を算定し、コンクリート構造物の安全性を評価するコンクリート構造物内部ひずみの測定方法及びコンクリート構造物に関するものである。

従来、コンクリート構造物（下記非特許文献１参照）の内部ひずみの測定においては、鉄筋に１軸ひずみゲージを設けて、１軸ひずみ場を対象として測定している。
土木学会：コンクリート標準示方書［構造性能照査編],２００２．３

しかしながら、上記した従来の１軸のひずみ場を対象としたゲージでは、コンクリート構造物に生成される複雑な内部応力を正確に測定することが困難であった。
本発明は、上記状況に鑑みて、コンクリート構造物の内部２軸場のひずみ状態を測定し、前記コンクリート構造物内部の応力状態を測定するコンクリート構造物内部ひずみの測定方法及びコンクリート構造物を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕コンクリート構造物内部ひずみの測定方法において、コンクリート構造物の性能に影響を及ぼさず、かつ、コンクリート打設時の打設圧に耐えうる剛性を有する部材を、ｘ軸，ｙ軸及びｘｙ軸の２軸場のひずみを測定できるよう３軸ひずみゲージのｘ軸及びｙ軸と対応させたｘ軸及びｙ軸を有する十字形状に形成し、この十字形状の部材のｘ軸部及びｙ軸部に前記コンクリート構造物との付着・定着性能を確保する手段を施し、前記十字形状の部材の中央部にｘ軸，ｙ軸及びｘｙ軸からなる前記３軸ひずみゲージを貼付け、この３軸ひずみゲージが貼り付けられた前記十字形状の部材をｙ軸方向に一列に並ぶように複数個連設し、この連設した部材をｘ軸方向に所定間隔をとって複数個並べて前記コンクリート構造物に埋め込み、前記３軸ひずみゲージからの測定値を用いて前記コンクリート構造物内部の応力状態を測定することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のコンクリート構造物内部ひずみの測定方法において、前記部材のコンクリートとの付着・定着性能を確保する手段が形成される間隔は、前記３軸ひずみゲージを挟んでｘ軸方向、ｙ軸方向とも等間隔に、かつ、想定されるひび割れの間隔よりも小さく設定することを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載のコンクリート構造物内部ひずみの測定方法において、目視調査が不可能なコンクリート杭などの地中コンクリート構造物のヘルスモニタリングに用いることを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕記載のコンクリート構造物内部ひずみの測定方法において、前記３軸ひずみゲージからの出力を遠隔地から収集して遠隔地からのヘルスモニタリングを行うことを特徴とする。
〔５〕コンクリート構造物の性能に影響を及ぼさず、かつ、コンクリート打設時の打設圧に耐えうる剛性を有し、ｘ軸，ｙ軸及びｘｙ軸の２軸場のひずみを測定できるよう３軸ひずみゲージのｘ軸及びｙ軸と対応させたｘ軸及びｙ軸を有する十字形状に形成した部材と、この部材の前記十字形状の部材の中央部に貼付けられるｘ軸，ｙ軸及びｘｙ軸からなる３軸ひずみゲージとを備え、前記部材にはｘ軸部及びｙ軸部に前記コンクリートとの付着・定着性能を確保できる手段を設け、前記３軸ひずみゲージが貼り付けられた前記十字形状の部材をｙ軸方向に一列に並ぶように複数個連設し、この連設した部材をｘ軸方向に所定間隔をとって複数個並べて前記コンクリート構造物に埋め込んだ前記コンクリート構造物内部の応力状態を測定しうる測定装置を具備することを特徴とする。

〔６〕上記〔５〕記載のコンクリート構造物において、前記部材がプラスチック板であることを特徴とする。
〔７〕上記〔５〕記載のコンクリート構造物において、前記部材がアクリル板であることを特徴とする。
〔８〕上記〔５〕記載のコンクリート構造物において、前記コンクリートとの付着・定着性能を確保する手段は前記部材に形成された切り欠きであることを特徴とする。

〔９〕上記〔５〕記載のコンクリート構造物において、前記コンクリートとの付着・定着性能を確保する手段は前記部材内に形成された切り抜きであることを特徴とする。
〔１０〕上記〔５〕記載のコンクリート構造物において、前記コンクリートとの付着・定着性能を確保する手段は前記部材の表面に施された目粗し処理であることを特徴とする。

本発明によれば、２軸場のひずみを測定可能であるため、応力状態が複雑なコンクリート構造に対しての内部の応力状態を確実に測定することができる。
また、目視調査が不可能なコンクリート杭などの地中コンクリート構造物のヘルスモニタリングや、３軸ひずみゲージからの出力を遠隔地から収集して遠隔地からのコンクリート構造物のヘルスモニタリングへの利用が可能である。

本発明のコンクリート構造物内部ひずみの測定方法は、コンクリート構造物の性能に影響を及ぼさず、かつ、コンクリート打設時の打設圧に耐えうる剛性を有する部材を、ｘ軸，ｙ軸及びｘｙ軸の２軸場のひずみを測定できるよう３軸ひずみゲージのｘ軸及びｙ軸と対応させたｘ軸及びｙ軸を有する十字形状に形成し、この十字形状の部材のｘ軸部及びｙ軸部に前記コンクリート構造物との付着・定着性能を確保する手段を施し、前記十字形状の部材の中央部にｘ軸，ｙ軸及びｘｙ軸からなる前記３軸ひずみゲージを貼付け、この３軸ひずみゲージが貼り付けられた前記十字形状の部材をｙ軸方向に一列に並ぶように複数個連設し、この連設した部材をｘ軸方向に所定間隔をとって複数個並べて前記コンクリート構造物に埋め込み、前記３軸ひずみゲージからの測定値を用いて前記コンクリート構造物内部の応力状態を測定する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示す３軸ひずみゲージを有するアクリル板の要素形状を示す図、図２はそのコンクリート構造物へのアクリル板の配置を示す図である。
図１に示すように、十字形状に加工したアクリル板１′の中央部に３軸ひずみゲージ２を貼付し、これを要素として、図２に示すように、十字形状が連続的に形成された長尺状のアクリル板１をコンクリート構造物１１内に埋込むことによって、コンクリート構造物１１内部の２軸場のひずみ状態を測定する。２軸場のひずみに対応するため、十字形状に加工したアクリル板１′にはｘ軸方向およびｙ軸方向に切欠き１Ａを設けて定着性能を確保した。また、３軸ひずみゲージ２を挟んだこの切欠き１Ａの間隔は、ｘ軸方向及びｙ軸方向とも等間隔、かつ、想定されるひび割れ間隔よりも小さく設定する必要がある。本発明では、剛性の小さいアクリル板等を材料として、コンクリート構造物１１の性能に及ぼす影響をなくすようにしている。なお、３は軸方向鉄筋を示している。

また、上記実施例に代えて以下のように構成することができる。
（１）ひずみゲージ貼り付け部材は、上記したアクリル板に限定されるものではなく、コンクリート構造物の性能に影響を及ぼさず、かつ、コンクリート打設時の打設圧に耐えうる剛性を有する部材であればよい。例えば、プラスチック板などでもよい。
（２）上記したひずみゲージ貼り付け部材には切欠きを設けるようにしたが、これに限定されるものではなく、ｘ軸方向及びｙ軸方向にコンクリートとの付着・定着性能を確保できるものであればよい。例えば、部材内に円形などの切り抜きを設けたり、部材表面に施した目粗し処理であってもよい。

以下、具体的な例について説明する。
せん断力を受ける杭や柱等の鉄筋コンクリート（以下、ＲＣ) 円形断面部材の設計は、断面を等積正方形に換算し、はり部材の実験より導かれた耐力式を適用することにより行われる（上記非特許文献１参照）。しかし、一般に杭や柱等の境界条件は、両端固定に近いため、部材のせん断耐力を過小評価する可能性がある。そこで、本発明では、せん断スパン比に着目し、逆対称曲げ荷重を受ける円形断面部材の耐力、および破壊のメカニズムについて、コンクリート内部のひずみを測定することによって考察した。

そこで、以下のようにして実験を行なった。
また、実験供試体（コンクリート構造物）により測定結果の妥当性を検証した。
図３は供試体であるコンクリート構造物を示す図、図４および図５に本発明の３軸ゲージより得られたひずみ値から算定した最大主ひずみの角度を示す。本実験において、主ひずみの大きさ、方向が妥当であることが確認された。

供試体の形状および諸元は、ここでは、せん断補強鉄筋のないせん断スパン比の異なる３供試体を用いた。供試体形状は図３に示した通りであり、その諸元を表１に示す。

この表１において、ａは剪断スパン（ｍｍ）、Ｄは直径（ｍｍ）、ｄは設計上の有効高さ（ｍｍ）、ａ／ｄはせん断スパン比、ｆ_C ′はコンクリートの圧縮強度（Ｎ／ｍｍ² ）、Ｅ_C はコンクリートの弾性係数（ｋＮ／ｍｍ² ）、Ｐ_t は引張鉄筋比、ｆ_y は軸方向鉄筋の降伏強度（Ｎ／ｍｍ² ）である。

ここでは、逆対称の曲げ荷重を作用させるため、コンクリート構造物１１の上下にフーチング１２，１３を設けた（図３参照）。また、軸方向鉄筋３は、高強度鉄筋を用いることとしたが、付着破壊を回避する観点から、軸方向鉄筋３をＳＤ３９０程度の普通強度鉄筋と仮定してもせん断破壊するように供試体の設計を行った。
次に、載荷方法および測定項目について説明する。

本実験では、変位制御により、図３の上フーチング１２を水平加力することによって逆対称曲げ荷重を作用させた。また、本実験の主な測定項目は、載荷点の荷重、変位、ひび割れ性状、およびコンクリート内部のひずみである。
以下、コンクリート内部のひずみ測定について詳述する。
境界条件の異なるＲＣ部材のせん断耐力、および破壊に至るメカニズムを議論する上で、コンクリート内部のひずみは、非常に重要な情報となる。また、有限要素法等の解析的手法は、ひび割れ面、またはひび割れ後のコンクリートのモデル化等により、それ以降の応力状態が大きく影響されるため、現状では、終局時の応力状態の精度よい把握が困難である。

（測定方法）
せん断破壊するＲＣ部材は、２軸のひずみ場であり、また、ひび割れの発生にともなって主ひずみの方向が変化するため、従来の測定方法では、ひずみの把握が困難であった。本発明では、上記した図１及び図２に示すように、３軸ひずみゲージ２を２軸のひずみ場に対応できる形状に加工したアクリル板１′に貼付し、コンクリート構造物１１に埋め込むことにより、ひずみの測定を行った（図１参照）。また、本実験で用いたアクリル板１′は、厚さ１０ｍｍ、弾性係数３．１ｋＮ／ｍｍ² であり、供試体に対する面積比、および剛性比ともに十分小さいため、耐力におよぼす影響はないものと考えられる。このようなアクリル板１′に貼付した３軸ひずみゲージ２により、本発明では、コンクリート内部の最大主ひずみ、最小主ひずみ、および主ひずみの角度の算定が可能になった。

（測定位置）
アクリル板１は、載荷方向と平行に軸方向鉄筋の内側に配置した。供試体Ｉのアクリル板１の配置は図２の通りである。供試体II、および供試体III についても同様に側面からみて端部（Ｓ点，Ｎ点）、および部材軸（Ｃ点，Ｅ点）になるように配置した。また、３軸ひずみゲージ２は、供試体全体のひずみ分布が把握できるように、供試体の下端から上端まで、１００ｍｍ、または１５０ｍｍ間隔に配置した。

（測定結果の検証）
ここで、アクリル板１に貼付した３軸ひずみゲージ２の測定値の検証を行う。せん断スパン比が最も大きい供試体III のＮ点の測定値から算定した最大主ひずみ、および主ひずみの角度を検証例とし、図４および図５に示す。ここで、横軸は、最大主ひずみ（図４）、または主ひずみの角度（図５）、縦軸は部材高さである。載荷は、図２中のＳ点からＮ点方向に行うため、Ｎ点の上側は引張、下側は圧縮となる。また、主ひずみの角度は、図６に示すように水平方向から最大主ひずみ直交方向、つまり、ひび割れ方向を時計回りにとることとした。

せん断スパン比の大きい供試体III では、上端から３００ｍｍの位置で、８１ｋＮの時に曲げひび割れが発生した。図４より、７４ｋＮから１０４ｋＮのとき、上端から３００ｍｍの位置の最大主ひずみが、コンクリートの引張強度時のひずみ（以下、限界引張ひずみ）約１００μを超えていることがわかる。また、主ひずみ角度についても上端が０度、つまり、ひび割れ方向が水平、下端が９０度、つまり、ひび割れ方向が鉛直を示しており、想定されるひび割れ性状と一致した。このように、３軸ひずみゲージによりコンクリート内部のひずみを精度良く測定できることが確認できた。

更に、実際のコンクリート構造物に対しても、応力状態が複雑な構造に適用することによって、破壊に対する安全性を定量的に判定することが可能になる。例えば、せん断スパン比の小さな柱部材、梁部材、または、目視調査が不可能な杭等の地中構造物に配置することによって、地震等の大きな外力を受けた後の構造物の安全性の評価が可能になる。また、プレストレスコンクリート構造に対しては、定着部や偏向部等の応力が複雑な部位の評価、および一般部のひずみの測定によって定着不良等の欠陥の発見が可能になる。

また、実験供試体としては、構造は、鉄筋コンクリート構造、無筋コンクリート、プレストレスコンクリート構造、複合構造などでもよい。
ゲージの配置は、想定したひび割れ間隔以下が望ましいが、必ずしも想定したひび割れ間隔以下でなくともよい。測定方向とゲージ貼付け面が平行になるように配置する。
更に、本発明のコンクリート構造物内部ひずみの測定方法は、
（１）目視調査が不可能なコンクリート杭などの地中コンクリート構造物のヘルスモニタリングを行うことができる。

（２）また、前記３軸ひずみゲージからの出力を遠隔地から収集して遠隔地からのコンクリート構造物のヘルスモニタリングを行うことができる。
すなわち、目視調査が不可能なコンクリート杭などの地中コンクリート構造物が、偶発的な地震や風水害等による損傷後の健全度（具体的には、主ひずみと損傷レベルの関係を与える損傷指標で評価）を迅速に行う手段として活用でき、その判定に基づき取替えや補強等の措置を講じるなどしてコンクリート構造物の早期復旧の実現に寄与することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のコンクリート構造物内部ひずみの測定方法及びコンクリート構造物は、応力状態が複雑なコンクリート構造内部ひずみの測定に利用可能である。

本発明の実施例を示す３軸ひずみゲージを有するアクリル板の要素形状を示す図である。 本発明の実施例を示すコンクリート構造物へのアクリル板の配置を示す図である。 供試体であるコンクリート構造物を示す図である。 最大ひずみの測定例を示す図である。 主ひずみの角度の測定例を示す図である。 主ひずみの角度を示す図である。

１ 十字形状が連続的に形成された長尺状のアクリル板
１′ 十字形状に加工したアクリル板
２ ３軸ひずみゲージ
３ 軸方向鉄筋
１１ コンクリート構造物
１２，１３ フーチング

Claims (10)

1. コンクリート構造物の性能に影響を及ぼさず、かつ、コンクリート打設時の打設圧に耐えうる剛性を有する部材を、ｘ軸，ｙ軸及びｘｙ軸の２軸場のひずみを測定できるよう３軸ひずみゲージのｘ軸及びｙ軸と対応させたｘ軸及びｙ軸を有する十字形状に形成し、該十字形状の部材のｘ軸部及びｙ軸部に前記コンクリート構造物との付着・定着性能を確保する手段を施し、前記十字形状の部材の中央部にｘ軸，ｙ軸及びｘｙ軸からなる前記３軸ひずみゲージを貼付け、該３軸ひずみゲージが貼り付けられた前記十字形状の部材をｙ軸方向に一列に並ぶように複数個連設し、該連設した部材をｘ軸方向に所定間隔をとって複数個並べて前記コンクリート構造物に埋め込み、前記３軸ひずみゲージからの測定値を用いて前記コンクリート構造物内部の応力状態を測定することを特徴とするコンクリート構造物内部ひずみの測定方法。
2. 請求項１記載のコンクリート構造物内部ひずみの測定方法において、前記部材のコンクリートとの付着・定着性能を確保する手段が形成される間隔は、前記３軸ひずみゲージを挟んでｘ軸方向、ｙ軸方向とも等間隔に、かつ、想定されるひび割れの間隔よりも小さく設定することを特徴とするコンクリート構造物内部ひずみの測定方法。
3. 請求項１記載のコンクリート構造物内部ひずみの測定方法において、目視調査が不可能なコンクリート杭などの地中コンクリート構造物のヘルスモニタリングに用いることを特徴とするコンクリート構造物内部ひずみの測定方法。
4. 請求項１記載のコンクリート構造物内部ひずみの測定方法において、前記３軸ひずみゲージからの出力を遠隔地から収集して遠隔地からのヘルスモニタリングを行うことを特徴とするコンクリート構造物内部ひずみの測定方法。
5. コンクリート構造物の性能に影響を及ぼさず、かつ、コンクリート打設時の打設圧に耐えうる剛性を有し、ｘ軸，ｙ軸及びｘｙ軸の２軸場のひずみを測定できるよう３軸ひずみゲージのｘ軸及びｙ軸と対応させたｘ軸及びｙ軸を有する十字形状に形成した部材と、該部材の前記十字形状の中央部に貼付けられるｘ軸，ｙ軸及びｘｙ軸からなる３軸ひずみゲージとを備え、前記部材にはｘ軸部及びｙ軸部に前記コンクリートとの付着・定着性能を確保できる手段を設け、前記３軸ひずみゲージが貼り付けられた前記十字形状の部材をｙ軸方向に一列に並ぶように複数個連設し、該連設した部材をｘ軸方向に所定間隔をとって複数個並べて前記コンクリート構造物に埋め込んだ前記コンクリート構造物内部の応力状態を測定しうる測定装置を具備することを特徴とするコンクリート構造物。
6. 請求項５記載のコンクリート構造物において、前記部材がプラスチック板であることを特徴とするコンクリート構造物。
7. 請求項５記載のコンクリート構造物において、前記部材がアクリル板であることを特徴とするコンクリート構造物。
8. 請求項５記載のコンクリート構造物において、前記コンクリートとの付着・定着性能を確保する手段は前記部材に形成された切り欠きであることを特徴とするコンクリート構造物。
9. 請求項５記載のコンクリート構造物において、前記コンクリートとの付着・定着性能を確保する手段は前記部材内に形成された切り抜きであることを特徴とするコンクリート構造物。
10. 請求項５記載のコンクリート構造物において、前記コンクリートとの付着・定着性能を確保する手段は前記部材の表面に施された目粗し処理であることを特徴とするコンクリート構造物。

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