JP7481300B2 - コンクリート部材の応力推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート部材の応力推定方法、特にコンクリート部材のプレストレス推定方法に関する。

従来、コンクリート部材のコンクリート部分の測定面にＸ方向及びＹ方向の２枚の歪ゲージを重ねて貼り付け、測定面から垂直方向にコア掘削機を用いて切込みを入れて円柱状のコアを切り出し、歪ゲージを介して得た切込み前後の歪の差である解放歪を求め、この解放歪に基づいた解放応力からプレストレスを推定している（例えば、特許文献１参照）。

特許第５０９５２５８号公報

しかしながら、特殊なコア掘削機を用いて切込みを入れなければ、切込み中に歪ゲージから測定データを得ることができない。これは、歪ゲージから延びる計測器に延びる配線がコア掘削機のコアドリルによる切削の邪魔になるからである。そこで、切込み前に歪データを測定し、配線を一旦取り外した状態で切込みを行い、切込み完了後に、配線を再度結線させて歪データを得ている。

このように配線の取り外し及び再接続を行うと、作業に時間がかかる。また、切込み中は歪データを得られないので、切込み中に生じたコンクリートのひび割れなどの不具合を検知することができず、プレストレスの検出精度が劣るおそれがある。

また、Ｘ方向、Ｙ方向２枚の歪ゲージを１組として、同一の測定面に２組以上の歪ゲージを設けて従来の方法で測定する場合、各測定位置での解放歪の影響や、コア削孔による微細なひび割れの影響が及ばないように、５００ｍｍ以上離間させて、測定位置ごとに１つずつデータを取る必要がある。しかし、このような距離を確保することが可能な場合は少なかった。

本発明は、以上の点に鑑み、作業の簡略化及び歪データの精度向上を図ることが可能なコンクリート部材の応力推定方法を提供することを目的とする。

本発明のコンクリート部材の応力推定方法は、コンクリート部材の測定面に少なくとも１つ以上の歪ゲージを貼り付ける工程と、全ての前記歪ゲージが貼り付けられた箇所を取り囲むように、前記コンクリート部材の測定面の延びる方向に延びるように、前記コンクリート部材のコンクリート部分に切込みを入れる工程と、前記歪ゲージを介して当該歪ゲージの貼り付け方向における前記コンクリート部材の歪を検出する工程と、前記検出した歪に基づいて、前記歪ゲージの貼り付け方向における前記コンクリート部分の応力を推定する工程とを備えることを特徴とする。

本発明のコンクリート部材の応力推定方法によれば、全ての歪ゲージが貼り付けられた箇所を取り囲むように、コンクリート部材の測定面の延びる方向に延びるようにコンクリート部分に切込みを入れる。これにより、上記従来の場合とは異なり、歪ゲージの配線がコア掘削機などにより切込みを入れる際に邪魔にならないので、切込み開始時から切込み完了まで歪ゲージから歪データを連続して取得することができる。よって、歪の挙動を連続的に把握することにより、切込み中に生じたコンクリートのひび割れなどの不具合を検知することができ、応力の推定精度の向上を図ることが可能となる。

本発明のコンクリート部材の応力推定方法において、前記少なくとも１つ以上の歪ゲージの貼り付けは、任意の第１の方向に第１の歪ゲージを貼り付けることと、前記第１の方向と交差する第２の方向に第２の歪ゲージを貼り付けることを含むことが好ましい。

この場合、異なる２方向の歪を測定することが可能となり、異なる２方向の応力を推定することが可能となる。

また、本発明のコンクリート部材の応力推定方法において、前記第１の歪ゲージと前記第２の歪ゲージとを複数組貼り付けることが好ましい。

この場合、異なる２方向の歪をさらに精度良く測定することができるので、異なる２方向の応力を推定する精度の向上を図ることが可能となる。

また、本発明のコンクリート部材の応力推定方法において、前記少なくとも１つ以上の歪ゲージのうち１の歪ゲージは、前記コンクリート部材に作用するプレストレスの方向に貼り付けることが好ましい。

この場合、プレストレスの方向の歪を測定することができ、ひいては、プレストレスの方向の応力を検出することが可能となる。

また、本発明のコンクリート部材の応力推定方法において、前記歪ゲージを複数貼り付ける場合、各前記歪ゲージは前記切込みを入れる方向に離間することが好ましい。

この場合、歪ゲージが離間するので、歪ゲージを介して精度の良い歪を測定することが可能となる。なお、測定面の延びる方向に延びるようにコンクリート部分に切込みを入れるので、歪ゲージを貼り付け可能な測定面を切込み方向に延びるように確保でき、離間して複数枚の歪ゲージを貼り付けることが可能になる。また、２組以上の歪ゲージを貼り付けることも可能となる。

また、本発明のコンクリート部材の応力推定方法において、前記コンリート部材の切込みを入れる方向は、プレストレスの方向に対して直交する方向であることが好ましい。

この場合、複数枚の歪ゲージをそれぞれ介して検出した歪を比較する場合、プレストレスのかかり方が同一の位置において比較することができる。また、プレストレスの方向と平行な方向にコンクリート部分に切込みを入れることは、構造上難しく、直交方向に切り込みを入れることが好ましい。

また、本発明のコンクリート部材の応力推定方法において、前記歪ゲージに接続されている配線は、前記切込みを入れ始める側とは反対側に延びることが好ましい。

この場合、切込みを入れる際に、歪ゲージの配線とコア掘削機のコアドリルなどとの干渉を防止することが可能となる。

また、本発明のコンクリート部材の応力推定方法においては、測定面の延びる方向に延びるようにコンクリート部分に切込みを入れるので、測定面と垂直方向に延びるように切込みを入れる従来の場合と比較して、切込みを入れる際のコンクリートの温度上昇は小さく、温度歪の影響も小さくなる。

また、コンクリートの温度上昇量が小さくなるため、１組の歪ゲージ間に発生する温度差は小さくなり、温度歪は同一であると仮定することができ、後述するように、本発明のコンクリート部材の応力推定方法において、前記少なくとも１つ以上の歪ゲージの貼り付けは、Ｘ方向にＸ方向の歪ゲージを貼り付けることと、前記Ｘ方向と直交するＹ方向にＹ方向の歪ゲージの貼り付けることを含み、前記Ｘ方向の歪ゲージを介して検出した歪をεＸ ’、前記Ｙ方向の歪ゲージを介して検出した歪をεＹ ’、前記コンクリート部分のポアソン比をνとしたとき、下記式（１）～式（３）に基づいて、温度歪εＴ、温度歪εＴを除去したＸ方向の歪εＸ、及び温度歪εＴを除去したＹ方向の歪εＹを求めることも可能である。
εＴ＝(εＹ’ ＋νεＸ’)/(１＋ν) ・・・ （１）
εＸ＝（εＸ’－ εＹ’）/(１＋ν) ・・・ （２）
εＹ＝ν（εＸ’－ εＹ’）/(１＋ν) ・・・ （３）

本発明の実施形態に係るコンクリート部材の応力推定方法におけるコンクリートに切込みを入れた状態を示す模式図。 切込み前後における歪データの一例を示すグラフ。

本発明の実施形態に係るコンクリート部材の応力推定方法について図１を参照して説明する。なお、図１は本実施形態を模式的に説明するための図であり、寸法はデフォルメされている。

本方法の対象となるコンクリート部材１０は、図１に示すように、例えば、ＰＣ鋼材１１でプレストレスが与えられたコンクリート１２からなる部材である。コンクリート部材１０は、特に、ＰＣ鋼材１１を緊張して張力を与えた後にコンクリート１２と固定したＰＣ(プレストレスト)コンクリート部材である。ＰＣコンクリート部材は、ＰＣ橋のＰＣ桁などに使用されている。

このようなＰＣコンクリート部材において、所望のプレストレスが作用しているか否か確認するために、又は、設計資料が存在せずプレストレスが不明であるなどのために、実際のプレストレスを推定する必要が生じることがある。本方法は、このようなプレストレスを推定するに適している。

本方法においては、まず、コンクリート部材１０のコンクリート部分１２の測定面１３に歪ゲージ１４，１５を貼り付ける工程を行う。ただし、ＰＣ鋼材１１とは近接しない位置に歪ゲージ１４，１５を貼り付けることが好ましい。

歪ゲージ１４，１５は、測定面１３に密着して貼り付けられることにおり、測定面１３に生じた貼り付け方向における歪を検出するための歪データを、計測器（不図示）から得ることができる。

ここでは、Ｘ方向（図１における左右方向）の歪を検出するようにＸ方向に第１の歪ゲージ１４を測定面１３に貼り付け、Ｘ方向と直交するＹ方向（図１における前後方向）の歪を検出するようにＹ方向に第２の歪ゲージ１５を測定面１３に貼り付ける。

さらに、ここでは、第１及び第２の歪ゲージ１４，１５を複数組、具体的には２組貼り付けている。このように複数組の歪ゲージ１４，１５を設置することにより、複数の歪データの挙動を比較して、歪の測定値の適否を合理的に判断することができるので、測定精度の向上を図ることが可能となる。

そして、ここでは、各歪ゲージ１４，１５は、測定面１３の延びる方向に一直線状となるように、具体的には、Ｘ方向に一直線状になるように、それぞれの間に間隔を設けて貼り付けている。なお、測定面１３の延びる方向とは、測定面１３が延在する方向のうちのプレストレスの作用するＰＣ鋼材１１に対し、プレストレスのかかり方が同一の位置となる、直交方向とすることが望ましい任意の方向であり、本実施形態のように測定面１３がコンクリート部材１０の下面である場合、測定面１３の延びる方向は、Ｘ方向が望ましい。また、測定面が曲面などである場合、測定面の延びる方向は、測定面が全体として延在する方向である。

次に、歪ゲージ１４，１５を貼り付けた状態において、測定面１３の延びる方向に延びるように、コンクリート１２の部分に切込み１６を入れる工程を行う。また、各歪ゲージ１４，１５を介して歪を測定する工程を行う。これらの工程は上述したように同時に行うが、切込み前後に、それぞれ歪を測定するだけでもよい。

切込み１６は、図示しないが、市販のコア掘削機などを用いて入れる。コア掘削機は、円筒形状のコアドリル（コアビット）を備えており、通常、上述した従来のようにコンクリートから円柱状のコアを切り出すために使用される。

本実施形態では、このコア掘削機を用いて、図１の左側から右側に向けて測定面１３に対して平行に、コンクリート部分１２に半円状の切込み１６を入れて、半円柱状のコア１７を切り出す。ただし、図１の右側から左側に向けて切込み１６を入れてもよい。切り出した半円柱状であるコア１７において、その中心軸方向（左右方向）に延びる矩形平面の表面に全ての歪ゲージ１４，１５が当該方向に延びるように一直線上に位置している。

なお、コンクリート部材１０の下面に前後方向（Ｙ方向）に歪ゲージを貼り付け、前後方向に切込みを入れてもよいが、応力状態が異なる断面付近になるため、好ましくない。また、削孔作業を行うことが困難となる。

そして、切込み１６は、全ての歪ゲージ１４，１５が貼り付けられた箇所が内側となるように取り囲んで、その周囲を縁切りして、コア１７がプレストレスから解放されるように行う。プレストレスが解放されることにより、測定面１３に作用する応力が変化し、測定面１３の歪が変化するので、歪ゲージ１４，１５が取得する歪データも変化する。図２に一例を示すように、切込み前後の歪の差が解放歪である。

半円状に切込み１６を入れるので、コアドリルの半分がコンクリート１２の外部に露出した状態で切削が行われる。これにより、円状に切り込む従来の場合と比較して、切粉がスムーズに排出されるので、切粉同士の摩擦などによる温度上昇がコア１７に生じ難い。さらに、露出した部分ではコアドリルが外気に触れて熱を発散するため、コア１７の温度上昇が抑制される。

コンクリートは温度上昇すると膨張して温度歪が生じるので、切込み前後のコア１７の温度差は小さいことが好ましい。また、コンクリートに含まれる水分が蒸発して収縮が発生するおそれもあるので、過度な温度上昇は好ましくない。本方法においては、上述したように、切込み１６によるコア１７の温度上昇を抑制することができるので、切込み前後のコア１７の温度歪を抑制することが可能であり、また、切込み後のコア１７の温度が切込み前の温度に近くなるまで待機する時間の短縮化を図ることが可能となる。

半円柱状のコア１７は容易に引き出すことができるので、コンクリート部分１２の内部骨材、中性化深さ、ひび割れの状態など、測定精度に影響する関連情報を引き出したコア１７から確認することが可能である。また、切り込まれた側でも同様の測定が可能である。

なお、コア１７は必ずしも切り出す必要はなく、歪ゲージ１４，１５を貼り付けた部分を超えるように切込み１６を入れ、全て歪ゲージ１４，１５を貼り付けた箇所にプレストレスが作用しないようにしただけでもよい。

また、コア１７は、半円柱状に限定されず、断面形状が半円よりも大きい又は小さくなるように、円柱状の一部を削除したような形状であってもよい。ただし、断面形状が半円よりも大きな場合には、測定面を全長に亘って切込みを入れなければ、コア１７を取り出すことは困難となる。

なお、各歪ゲージ１４，１５に接続されている配線１８は、コア削孔機が位置する切込み１６を入れ始める側とは反対側に延びて、計測器（不図示）に接続される。これにより、歪ゲージ１４，１５の配線１８がコア掘削機による切削を邪魔しないので、図２に示すように、切込み開始から切込み完了まで歪データを連続して取得して、歪の挙動を連続的に把握することができる。これにより、切込み中に生じたコンクリート１２のひび割れなどの不具合を検知することができ、歪の測定精度、ひいては応力の検出精度の向上を図ることが可能となる。

ただし、切込み開始前と切込み完了後時にのみ、歪を検出してもよい。この場合であっても、これらの歪の差から解放歪を求めることは可能である。

また、歪ゲージ１４，１５は、相互の干渉や重ね合せがないように、適宜な間隔を隔てて貼り付けることが好ましい。上記従来の場合のように測定面と垂直方向に切り込みを入れるのでなく、測定面１３の延びる方向に延びるように切込み１６を入れるので、長い範囲に亘って測定面１３を確保することができ、測定面１３に複数の歪ゲージ１４，１５を適宜な間隔を貼り付けることが可能となる。

なお、コンクリートは、砂利、砂、セメント、水を混合してなる非均質材料であり、特に砂利等の骨材により性状が影響を受ける。土木系構造物に使用するコンクリートの骨材は、一般的に２０ｍｍ～４０ｍｍであり、この骨材の影響を抑えて計測することができる歪ゲージの寸法は、骨材の最大寸法の３倍程度が好ましいとされている。

そこで、例えば、本実施形態において使用される歪ゲージ１４，１５の寸法は６０ｍｍ～７５ｍｍであり、コア１７の直径は１００ｍｍ程度であることが好ましい。そして、歪ゲージ１４，１５の間隔は７５ｍｍ程度以上と複数枚の歪ゲージ１４，１５を近接して設置することができる。

そして、測定した歪に基づいてコンクリートの応力を推定する工程を行う。

以下、温度歪を考慮した応力推定の一例について説明する。ただし、応力の推定方法はこれに限定されず、従来と同様の方法を用いてもよい。

Ｘ方向の歪ゲージ１４を介して検出したＸ方向の歪みεＸ ’は、Ｘ方向の応力εＸとＸ方向の温度歪εＸＴとからなり、Ｙ方向の歪ゲージ１５を介して検出したＹ方向の歪みεＹ ’は、Ｙ方向の応力εＹとＸ方向の温度歪εＹＴとからなると考えられる。これより、下記の式（１）、式（２）が成立する。
εＸ ’＝εＸ＋εＸＴ … （１）
εＹ ’＝εＹ＋εＹＴ … （２）

そして、Ｘ方向の応力εＸとＹ方向の応力εＹには、コンクリート１２のポアソン比νを用いた下記の式（３）の関係が成立する。
εＹ＝－ν・εＸ … （３）

本実施形態に係るコンクリート部材の応力推定方法においては、コア掘削機で切込み１６を入れる際、コンクリート１２の温度上昇は、上述したように小さい。そのため、歪ゲージ１４，１５間に発生する温度差は小さくなり、温度歪は同一であると仮定することができるので、Ｘ方向の温度歪εＸＴとＸ方向の温度歪εＹＴとは等しく、下記の式（４）が成立すると推察される。
εＸＴ＝εＹＴ ・・・ （４）

上記の式（１）～式（４）から、温度歪εＴ、ｘ方向の歪εＸ及びｙ方向の歪εＹは、下記の式（５）～式（７）に基づいて求めることができる。
εＴ＝εＸＴ＝εＹＴ＝(εＹ’ ＋νεＸ’)/(１＋ν) ・・・ （５）
εＸ＝（εＸ’－ εＹ’）/(１＋ν) ・・・ （６）
εＹ＝ν（εＸ’－ εＹ’）/(１＋ν) ・・・ （７）

なお、ｘ方向の歪εＸは、Ｘ方向の歪ゲージを介して得たＸ方向の計測歪εＸ ’から温度歪εＴを差し引いたＸ方向の歪であり、計測歪εＸ ’が切込み前後の歪差である解放歪である場合は、コンクリートが内在していたＸ方向の解放歪を表す。

上述した歪の算出方法においては、検出した歪εＸ ’、εＹ ’から温度歪εＸＴ、εＹＴを除去することができるので、コア１７の温度上昇に関わらず歪εＸ’、εＹを推定することができる。このため、コア１７が冷却するまで歪測定を待つ必要がなく、測定時間の短縮化を図ることが可能となる。

なお、本発明は、上述したコンクリート部材の応力推定方法に限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。

例えば、Ｘ方向に歪ゲージ１４を、Ｙ方向に歪ゲージ１５を貼り付けて、これら歪ゲージ１４，１５を介して歪を求める場合について説明した。しかし、歪ゲージは、例えば、１枚であってもよい。この場合、例えば、プレストレスの方向に歪ゲージを貼り付けることにより、プレストレスを求めることが可能となる。

また、複数の歪ゲージを貼り付ける場合、必ずしも互いに直交する方向の歪を検出するように歪ゲージを貼り付けなくともよい。歪ゲージが検出する歪の方向が既知であれば、直交してなくとも、例えば、プレストレスが作用する方向の歪を求めることは可能だからである。また、本方法の対象となるコンクリート部材１０は、プレストレスが与えられた部材である場合について説明したが、プレストレスが与えられていないコンクリート部材であってもよい。

１０…コンクリート部材、 １１…ＰＣ鋼材、 １２…コンクリート、コンクリート部分、 １３…測定面、 １４…歪ゲージ、第１の歪ゲージ、Ｘ方向の歪ゲージ、 １５…歪ゲージ、第２の歪ゲージ、Ｙ方向の歪ゲージ、 １６…切込み、 １７…コア、 １８…配線。

Claims (8)

1. コンクリート部材の測定面に少なくとも１つ以上の歪ゲージを貼り付ける工程と、
   全ての前記歪ゲージが貼り付けられた箇所を取り囲むように、前記コンクリート部材の測定面の延びる方向に延びるように、前記コンクリート部材のコンクリート部分に切込みを入れる工程と、
   前記歪ゲージを介して当該歪ゲージの貼り付け方向における前記コンクリート部材の歪を検出する工程と、
   前記検出した歪に基づいて、前記歪ゲージの貼り付け方向における前記コンクリート部分の応力を推定する工程とを備えることを特徴とするコンクリート部材の応力推定方法。
2. 前記少なくとも１つ以上の歪ゲージの貼り付けは、任意の第１の方向に第１の歪ゲージを貼り付けることと、前記第１の方向と交差する第２の方向に第２の歪ゲージを貼り付けることを含むことを特徴とする請求項１に記載のコンクリート部材の応力推定方法。
3. 前記第１の歪ゲージと前記第２の歪ゲージとを複数組貼り付けることを特徴とする請求項２に記載のコンクリート部材の応力推定方法。
4. 前記少なくとも１つ以上の歪ゲージのうち１の歪ゲージは、前記コンクリート部材に作用するプレストレスの方向に貼り付けることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のコンクリート部材の応力推定方法。
5. 前記コンクリート部材の切込みを入れる方向は、プレストレスの方向に対して直交する方向であることを特徴とする、請求項１から４の何れか１項に記載のコンクリート部材の応力推定方法。
6. 前記歪ゲージを複数貼り付ける場合、各前記歪ゲージは前記切込みを入れる方向に離間することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のコンクリート部材の応力推定方法。
7. 前記歪ゲージに接続されている配線は、前記切込みを入れ始める側とは反対側に延びることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のコンクリート部材の応力推定方法。
8. 前記少なくとも１つ以上の歪ゲージの貼り付けは、Ｘ方向にＸ方向の歪ゲージを貼り付けることと、前記Ｘ方向と直交するＹ方向にＹ方向の歪ゲージの貼り付けることを含み、
   前記Ｘ方向の歪ゲージを介して検出した歪をεＸ ’、前記Ｙ方向の歪ゲージを介して検出した歪をεＹ ’、前記コンクリート部分のポアソン比をνとしたとき、下記式（１）～式（３）に基づいて、温度歪εＴ、温度歪εＴを除去したＸ方向の歪εＸ、及び温度歪εＴを除去したＹ方向の歪εＹを求めることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のコンクリート部材の応力推定方法。
   εＴ＝(εＹ’＋νεＸ’)/(１＋ν) ・・・ （１）
   εＸ＝（εＸ’－εＹ’）/(１＋ν) ・・・ （２）
   εＹ＝ν（εＸ’－εＹ’）/(１＋ν) ・・・ （３）

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