【非破壊】マスコンクリート三次元温度応力解析

2021/12/01

解析、対策工の検討などでお困りなことはありませんか？

マスコンクリートの施工にあたっては、事前にセメントの水和熱による温度応力及び温度ひび割れに対する十分な検討を行わなければならないとされております。
弊社では三次元温度応力解析により温度ひび割れに関する検討を行い、打込み区画の大きさ、高さ、継目の位置及び構造、打込み時間間隔などの設定にご協力いたします。

各種土木・建築構造物の解析

各種土木・建築マスコンクリート温度応力解析の対応が可能です。施工前に検討を行うことで、ひび割れの発生や最大幅を抑制することができます。

二次元・三次元での対応

提出書類の様式に合わせて、二次元、三次元での温度応力解析が可能です。

幅広い対策工の検討

様々な対策工の検討ができます。技術提案や養生材など、解析を基に定量的な評価を行うことが可能です。指数の改善のみでなく最大ひび割れ幅の抑制を目的とした対策も行えます。

温度応力解析の概要

Q：そもそも温度応力解析はやらなければならないのか？
A：マスコンクリートであれば、温度ひび割れへの対策はほぼ確実にやっておく必要があります。コンクリート標準示方書では以下の記述が見られます。

例）コンクリート標準示方書2017　12章　初期ひび割れに対する照査
12.1 一般
（1）コンクリートの収縮やセメントの水和熱に起因する初期ひび割れが、構造物の所要の性能に影響しないことを確認しなければならない
（2）沈みひび割れおよびプラスティック収縮ひび割れについては、一般にその照査を省略してもよい
（3）セメントの水和に起因するひび割れが問題となる場合には、実績による評価、または温度応力解析による評価のいずれかの方法により照査しなければならない
（4）ひび割れの制御を目的としてひび割れ誘発目地を設ける場合には、構造物の機能を損なわないように、その構造および位置を定めなければならない

＜マスコンクリートとは＞

マスコンクリートとして扱うべき構造物の部材寸法は、構造形式、コンクリートの使用材料、配合および施工の諸条件によりそれぞれ異なるが、広がりのあるスラブについてはおおよそ厚さ80～100cm以上、下端が拘束された壁では厚さ50cm以上と考えてよい。　（コンクリート標準示方書より）

解析の方法

・温度応力解析では、二次元（2D）での解析と三次元（3D）での解析が存在します。現在では一般的に三次元での解析が用いられています。
・弊社では提出書類に合わせて、二次元または三次元での解析を行うことが可能です。

【使用ソフトウエア】
・二次元解析：JCMAC1(日本コンクリート工学会)
・三次元（FEM）解析：ASTEAMACS(計算力学研究センター)　※FEM：有限要素法（Finite Element Method）

評価方法

評価方法はひび割れ指数により行い、ひび割れ指数が大きければ発生する温度応力よりも引張強度が大きく、ひび割れが発生しにくいということになります。

＜一般的な配筋の構造物における標準的なひび割れ発生確率と安全係数γcr ＞

制御目標	ひび割れ発生確率	安全係数γcr
ひび割れを防止したい場合	5（％）	1.85以上
ひび割れの発生をできるだけ制限したい場合	15（％）	1.40以上
ひび割れの発生を許容するが、ひび割れ幅が過大とならないように制限したい場合	50（％）	1.0以上

＜例＞

橋台解析結果（吹き出し内の数値がひび割れ指数） → 竪壁に関しては、コンター図が赤く、数値も0.58と値が小さいことから幅の過大なひび割れが発生する可能性が高い。

構造物

どのような形式のコンクリート構造物も解析を行うことができます。
解析例：橋台、函渠（ハーフプレキャストボックス含む）、巻立て、重力式擁壁、護岸工、建築基礎、魚道、etc

＜解析結果一例（砂防堰堤）＞

対策工

温度ひび割れを制御する方法としては、ひび割れ指数を制御する方法とひび割れ幅を制御する方法の2通りがございます。

＜一般的な対策工一覧＞

工法		長所	短所
①ひび割れ誘発目地		計画位置にひび割れを誘発させ、耐久性と美観を確保	目地部にひび割れの発生を前提とする
②膨張材の添加		収縮応力を低減させる	費用がかかる試験練りが必要
③養生方法の変更		費用・手間がかからない	効果は限定的
④打設高さの変更		打設量を減らすことで温度上昇量を抑える	計画の見直しが必要大きな効果は見込めない
⑤打設間隔の変更		下部リフトの熱が残っている状態であれば拘束力が弱まり、温度応力が抑制される	計画の見直しが必要条件次第では効果は見込めない
⑥配合の変更	BB→N	線膨張係数の低下により歪み量が減少する	最高温度はBBより上昇化学抵抗性は減少
⑥配合の変更	BB→M	発熱量の低減	コスト高対応不能なプラントもある
⑦補強鉄筋		費用が比較的安い有害なひび割れを抑制できる	ひび割れ指数自体は改善されない
⑧ハイパーネット		有害なひび割れを抑制できる設置の制限が少ない	ひび割れ指数自体は改善されない
⑨プレクーリング（打設温度の低減）		温度上昇量を抑える	セメント工場の設備による
⑩パイプクーリング		温度上昇量を抑える施工後の温度管理も可能	計画の見直しが必要費用対効果は小さい

対策工検討一例（指数改善）

※赤い程、ひび割れ指数が低いことを示す。

対策工検討一例（最大ひび割れ幅の抑制）

温度応力解析結果からひび割れ幅を予測し、基準値を超えるようなひび割れ幅とならないようにするために、補強鉄筋や補強ネットの検討も可能です。

＜橋台補強鉄筋案＞

＜橋脚補強ネット案＞

温度応力解析実績（2013〜2018年抜粋）

温度応力解析に関しては認知が高まり、国土交通省の発注案件において特記仕様書に解析実施が記載されるケースが増えています。また、県物件に関しても同様の動きが見られるようです。最近では、年間200件程ご依頼いただいております。

発注機関	2013	2014	2015	2016	2017	2018
国土交通省	35	68	85	98	127	143
東北地方整備局	1	3	1	0	9	9
関東地方整備局	6	6	9	16	10	22
中部地方整備局	24	49	62	58	64	43
北陸地方整備局	4	10	13	16	24	14
近畿地方整備局				2	5	12
中国地方整備局				6	5	12
九州地方整備局				6	10	31

発注機関	2013	2014	2015	2016	2017	2018
都道府県	11	15	23	50	54	55
長野県	0	2	2	14	13	12
新潟県	2	3	4	4	3	5
石川県	3	2	5	0	5	2
富山県	2	4	1	2	3	1
静岡県	0	2	2	13	8	5
三重県	2	1	5	1	2	2
東京都	0	1	2	2	1	0
群馬県	2	0	1	8	9	6
宮城県	0	0	1	1	0	2
山梨県				2	1	1
福井県				1	0	1
滋賀県				2	4	1
千葉県					1	3
神奈川県					1	0
和歌山県					2	0
広島県					0	0
熊本県					0	4
宮崎県					1	0
埼玉県						1
栃木県						1
兵庫県						1
福岡県						1
長崎県						1
茨城県						4
福島県						1