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橋梁技術の変遷-丈夫で長持ちする橋を目指して-
平成28年11月18日
埼玉大学レジリエント社会研究センターセンター長・教授 睦好宏史
デザインフェスティバル2016
注:レジリエンス(Resilience)とは,「回復する力,立ち直る力」あるいは「しなやかで強いこと,強靱」と訳されています。レジリエント社会とは,大きな自然災害等が起こったとしても,被害を 小限に抑え,すぐに復旧して,人々がこれまでと同じ生活が出来るようにする社会です。
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1.外ケーブルPC橋から大偏心外ケーブルPC橋へ
2.橋梁の経年劣化の現状と問題点
3.橋梁の長寿命化に向けた研究
4.高い耐久性を持つ橋とは
5.新道路橋示方書について
講演内容
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外ケーブル構造( External Prestressing)とは?
定義:ケーブル(緊張材)がコンクリート断面の外部に配置された構造
Diaphragm Anchorage
External Tendons
Deviator Blocks
外ケーブル
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外ケーブルの配置
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他種構造との組み合わせ
複合トラスPC橋
波形鋼板ウェブPC橋
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外ケーブルを用いた橋梁の補強例
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実験に用いた外ケーブル試験体
span length; L = 5200
L/dps = 20.8, Sd/L = 0.58
External Cable
900
deviator dist; Sd = 3000
75
100Typical Section
325
275
275
Deviator Section断面図 デビエータ部の断面図
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荷重-変位曲線
-20 0 20 40 60 80 1000
20
40
60
80
100
120
Displacement (mm)
Load
(kN
)A-3 (Internal bonded)
A-1 (External)
A-2 (Ext. + Int. bonded)
外ケーブルPC
内ケーブルPC
内・外併用PC
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外ケーブルと内ケーブルの違い(1)
ケーブルとコンクリートとの付着がない‐ 耐力の低下‐ ひび割れ分散性が劣る
concrete strainat tendon level
average strainin tendonケーブルのひずみ
ケーブル位置のコンクリートひずみ
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Change of Eccentricity
DeviatorExternal Tendon
Load
外ケーブルの偏心距離の変化‐ 耐力の低減
外ケーブルと内ケーブルの違い(2)
偏心距離の変化
デビエータ外ケーブル
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After prestressing (initial stage)
dps
After loading (ultimate stage)
dpu
設計の考え方
where strain reduction coefficient u);
cu
cecps,m
psu,av
dps dpu
and depth reduction factor ( Rd ) ;
プレストレス導入後 終局時
ひずみ低減係数(Ωu)
有効高さ低減係数(Ru)
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一般式
設計の考え方
提案式
ここに;u = ひずみ低減係数Rd = 有効高さ低減係数
ここに;fps = 終局時の外ケーブル応力fpe = 有効初期外ケーブルの応力fps = 外ケーブルの応力増分
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Sub-divided into n elements
Lp
L2L1 L1
L
L3 L3
dpe
dpm
dpe
i =n
i =0
i =1
i =2
i =3
i =.
...
Axis of symmetry
Stress distribution
T
C
c
c(x )n
Section
d
x
hf
b
bwexternal tendons
reinforcementsps
Strain distribution ateffective prestressingStrain distribution at
ultimate stage
Strain distribution
c
cec,ps
ファイバーモデルによる解析
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c
co cu
t
(0.25%) (0.35%)
Concrete
c0.85
sy
sysy
sy
tension(+)
comp(-)
Reinforcement
susu
材料の応力ーひずみ曲線
py
py
pu
Prestressing steel
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変形の適合条件
MnMi
Moment distribution
Strain distribution of concrete at tendon level
外ケーブルのひずみ
i=0 i=ni=n-1i=1 ........
CL
c
f
変形の適合条件 fc =
ケーブル位置のコンクリートのひずみ分布
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DATA INPUT
Division of longitudinal elementand discrete element of cross section
Establishment of concrete strainat compression fiber of critical section
Assumption of strain distributionof critical section
Equilibrium of
Calculation of strain distributionof next section, i > 0
Calculation of deflection of beam
Ultimate stage
DATA OUTPUT
yes
yes
yes
no
internal forces
Assumption of elongation of tendon ps
Calculation of moment at critical section,Mnand performing moment distribution
th
c ,i =0th
no f c=
Mi = Mn yesno
Itera
tive
loop
No.
3(c
ompa
tibili
ty o
f def
orm
atio
n)
no
Itera
tive
loop
No.
1(fo
rces
equ
ilibr
ium
)Ite
rativ
e lo
op N
o.2
(mom
ent e
quili
briu
m)
Calculation of total deformationof concrete at tendon position
c,ps c = L
Next step
- Renewing depth of external tendon level, dps
- Increase of concrete strain at compression fiber
(secondary effect due to change of eccentricity)
解析のフローチャート
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実験値との比較(荷重-変異曲線)
-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1200
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Displacement (mm)
Load
(kN
)
A-1 (External PC with 2 dev., Sd = 1.8 m)
ExperimentAnalysis
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解析結果荷重-外ケーブル張力の増分量
0 100 200 300 400 5000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Stress increase in external tendon (MPa)
Load
(kN
)
ExperimentAnalysis
A-1 (External PC with 2 dev., Sd = 1.8 m)
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外ケーブル構造から大偏心外ケーブル構造へ
一般の外ケーブル構造
大偏心外ケーブル構造
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あゆみ橋(静岡県)
大偏心外ケーブル橋
Bedretto Bridge(Ticino, Switzerland)
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Bending Moment Diagram
Tendon Layout
・曲げモーメントの分布と同じケーブル配置
・支点部では魚のひれ(fin)のような
構造形式
構造上の利点
・桁高を減少させることによる自重軽減効果
・現場の状況に応じて設計に柔軟性(フレキシビリティ)を持たせることが出来る。
新しいコンセプトによる2径間大偏心外ケーブル橋
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2径間大偏心外ケーブルPC橋のイメージ図
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12501000
1250 1250 12501250 12501250 1250200 200405
500
285
250
Type A
1250
625
345
375
80
500
Type B
625
470
625
470
Type C
All dimensions in mm Cross Section
400
150 40
40
実験供試体の形状寸法
* ケーブルの配置は線形変換則による
10,000
断面形状
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ケーブル配置の線形変換則
桁端支点 中間支点
Cable Layout
d1d2 d2
Basic line
Cable Layout
d1d2
d2
Basic line
x
Cable Layout
d1d2
d2
Basic line 2x
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0 20 40 60 80 100 120 1400
102030405060708090
100110120
Displacement (mm)
Load
(kN
)
A-2 (unsymmetrical)
A-1 (symmetrical)
ExperimentAnalysis
実験と解析結果の比較
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67005900
268
700
500
200
1450 3800 1450
1500
200
1200
75400 400
550 75
600 6004@650=2600
Bridge Length 57300200 Girder Length 56900 200
350 23000 33200 3506900 16100 13500 6500 6500 6700
1700
1200
19S15.2(SWPR7B)
縦断形状
Perspective Image 断面形状
実橋への適用
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鳥崎公園橋の建設
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仮設工 鋼製ストラットの設置
外ケーブルの配置 型枠と鉄筋の配置
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コンクリート打設(主桁) コンクリート打設(フィン部)
プレストレスの導入(初期緊張) プレストレスの導入(最終緊張)
完成
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外ケーブルPC-エクストラドーズドPC-PC斜張橋
H/L 1/15 1/17
L H
T T
h
H
h = L/5H = 2.0 2.5 m
T T
h
H
h L/15 H/L 1/15 1/35
E t d d t iエクストラドーズドPC橋
一般の外ケーブルPC橋
PC斜張橋
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エクストラドーズドPC橋(ケーブルの許容応力=0.6fpu)
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PC斜張橋(ケーブルの許容応力=0.4fpu)
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Estimation
鉛直荷重の分配率
活荷
重に
よる
ケー
ブル
の応
力変
動
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ケーブルの許容応力と変動応力
エクストラドーズド橋
斜張橋
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1.外ケーブルPC橋から大偏心外ケーブルPC橋へ
2.橋梁の経年劣化の現状と問題点
3.橋梁の長寿命化に向けた研究
4.高い耐久性を持つ橋とは
5.新道路橋示方書について
講演内容
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出典:国土交通省
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維持修繕工事の推移
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維持管理における技術基準の体系
省令・告示、定期点検要領の体系
道路法
政令
省令・告示
通知(道路橋定期点検要領)
・道路法施行規則第4条の5の2の規定に基づいて行う
点検について、最小限の方法、記録項目を具体的に記
したもの
・上記4つの項目に対して具体の考え方や留意点を補足
・「一般的構造と主な着目点」、「判定の手引き」
H26.3.31公布H26.7. 1施行
H26.6.25策定
定期点検は4つの条件が少なくとも満たされるものでなければならない。
・「必要な知識と技能を有する者によること」・「5年に1度の頻度で行われること」・「近接目視によること」・「健全性の診断を行うこと」
土木学会研究討論会(2015年)より
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市区町村における橋梁保全業務に携わる土木技術者数
道路局調査(H24.7)
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Ynys‐y‐Gwas橋の落橋(イギリス 1985年)
・腐食によるPC鋼材の破断
↓
・グラウト+ポステン方式の禁止
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The River Scheldeに架かるPC橋の落橋
( ベルギー1992年)
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PC歩道橋の落橋(米国ノースキャロライナ:2000年)
・1995年完成
・自動車レース場と駐車場を結ぶ歩道橋。
・プレテンションPC鋼材の破断。
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形式:3スパントラ
ス橋
橋長: 581m
主スパン: 140m
幅: 34.5m
建設年: 1967年
ミシシッピ川に架かる州間高速道路35W号線(米国ミネソタ州:2007年8月)
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The I35SW bridge collapse on August 1, 2007 at 6:05pm
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2016/10/31 45
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セントアンソニーフォールズ橋(PC箱桁橋:370m)
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木曽川大橋(国道23号線)
長さ:858.46 m大支間長:70.63 m
幅 :11.8 m形式: 12連単純平行弦下路ワーレントラス橋建設年:1963年
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(出典)日経コンストラクション
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暮坪陸橋(国道7号線,山形県)
形式:PCポステンI型橋橋長:144 m建設年:1965年
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1980年頃(15年経過)・主桁にひび割れ・錆汁が発生
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1980年頃(15年経過)・主桁にひび割れ・錆汁が発生
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エポキシ樹脂による補修
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1991年(26年経過)・耐力確保のために新たに2基の支柱を設置
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1991年(26年経過)・主桁内部のPC鋼線が破断
↓・1999年架け替え
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出典:国交省暮坪陸橋に要した経費
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58
妙高大橋
4径間連続ラーメン橋、L=300m、セグメントPC1972年竣工
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PC鋼材の破断が発見される
9本破断
現場打ちコンクリート部
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載荷試験
・コンクリート応力は計算値と概ね整合。
・たわみ量は計算値の約6割程度。・セグメント継ぎ目に大きな開きは
生じなかった。
測定箇所応力度(N/mm2)
載荷試験 計算値
第1径間9ブロック
-3.4 -3.5
第4径間91ブロック
-3.3 -3.6
測定箇所たわみ量(mm)
載荷試験 計算値
第1径間 8.0 13.6
第4径間 6.2 9.8
載荷荷重:120t(静的載荷)載荷位置:第1径間、第4径間
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橋梁の劣化に影響を及ぼす要因
(外的要因)1)塩害→鋼材腐食2)疲労→床版の更新3)凍結融解4)その他(過積載)
(内的要因)1)グラウト(ポステンPC橋)2)防水・排水3)ASR4)その他(継手、ひび割れ)
(解明すべき点)1)鋼材が腐食破断した場合の安全性(耐荷性)2)グラウトの未充填に対する対処3)ASRに対する処置4)その他
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1.外ケーブルPC橋から大偏心外ケーブルPC橋へ
2.橋梁の経年劣化の現状と問題点
3.橋梁の長寿命化に向けた研究(埼玉大学)
4.高い耐久性を持つ橋とは
5.新道路橋示方書について
講演内容
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PC鋼材が破断したPC桁の力学的性状に関する研究
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PC鋼材を破断させた梁の力学的性状
図‐3:実験供試体の概要
f'c f'g σsy Es σpy σpu Ap σpe
(N/mm2) (N/mm2) (N/mm2) (kN/mm2) (N/mm2) (N/mm2) (mm2) (N/mm2)CASE-0 54.9 74.4 758CASE-1 56.5 91.0 809CASE-2 56.6 89.8 721CASE-3 57.4 93.5 782CASE-4 56.3 94.1 830CASE-5 57.7 89.1 743
プレストレス( SD345 D6 ) ( SWPD1L φ7 )
CASE
コンクリート圧縮強度
グラウト圧縮強度
鉄筋 PC鋼材
475 215 1,435 1,653 38.48
表‐1:使用材料および材料強度・導入直後の鋼材応力度
インデントPC鋼材φ7mm×3本配置
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PC鋼材を破断させた梁の実験概要
図‐4:実験ケース
PC鋼材の切断本数、切断箇所、および載荷方法(1点/2点)をパラメータとして載荷実験を実施し、鋼材破断による曲げ性状を確認
<CASE-0> 切断なし(健全な状態)二点載荷 <CASE-3> 1/4点2本切断 二点載荷
<CASE-1> 中央1本切断 二点載荷 <CASE-4> 1/4点2本切断 中央一点載荷
注: "×"印はPC鋼材の切断箇所を示す
<CASE-2> 中央2本切断 二点載荷 <CASE-5> 1/4点2箇所1本切断 中央一点載荷
500 5001000
500 500 500500
500 500 500500
500 500 500500
1000 1000500 500
1000 1000500 500
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漏洩磁束法による破断位置の推定
図‐8:漏洩磁束法の測定結果イメージ
漏洩磁束法の適用性確認
着磁の様子 計測の様子
図‐9:漏洩磁束法検査状況
漏洩磁束法:鋼材の破断を検知する非破壊検査手法の1つ。コンクリート表面から永久磁石により内部の鋼材を磁化(着磁)し,測定した磁束分布波形から鋼材破断部の漏洩磁束の有無を判定する。
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• PC鋼材を2本切断したケースについては、破断箇所で比較的明瞭なS字曲線を確認することができた。
• 切断前に着磁したCASE3においても、破断箇所を確認できた。
漏洩磁束法による破断位置の推定
図‐10:CASE2,3,4 測定結果
漏洩磁束法の適用性確認
図‐11:CASE1,5 測定結果
<2本切断したケース> <1本切断したケース>
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PC梁の載荷実験結果
図‐13:荷重~鉛直変位関係
載荷試験結果
• いずれのケースも曲げ圧縮破壊• 1点載荷と2点載荷が混在するため、支間中央のモーメントに換算し、
大モーメントを比較
図‐14:支間中央の曲げモーメント~鉛直変位関係
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PC梁の載荷実験結果
載荷試験結果(断面計算結果との比較)
図‐15: 大モーメント(実験結果)と鋼材破断面の抵抗モーメント
断面計算値と一致 実験結果が大きい
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PC梁の載荷実験結果
載荷試験結果
• 鋼材破断箇所と 大モーメントを示す箇所が一致するCASE1,CASE2,CASE3は、実験値と破壊抵抗モーメント(計算値)が一致。
CASE1:71.4%CASE2:48.4%
抵抗モーメント(曲げ耐力)
作用モーメント
図‐16:鋼材破断を伴う曲げ破壊の概念(CASE1,2)
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PC梁の載荷実験結果
ひび割れ性状
• CASE1,CASE2,CASE3は、鋼材破断位置において曲げ破壊
:PC鋼材の切断箇所
CASE2左
CASE2右
図‐20:載荷実験後の供試体(CASE2)
曲げ破壊箇所
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PC梁の載荷実験結果
載荷試験結果
CASE4:52.1%(計算値)
• CASE4,5は、破断箇所が 大モーメントを示す支間中央より離れており、破断面の抵抗モーメントの低下による影響を受け難い。
CASE4:88.7%
抵抗モーメント(曲げ耐力)
作用モーメント
図‐18:鋼材破断を伴う曲げ破壊の概念(CASE4)
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PC梁の載荷実験結果
ひび割れ性状
:PC鋼材の切断箇所
CASE4左
CASE4右
• CASE4は、支間中央より鋼材破断側に偏って損傷(曲げ破壊)
図‐21:載荷実験後の供試体(CASE4)
曲げ破壊箇所
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実PC桁の実験(土木学会論文集 E2(材料・コンクリート構造)Vol. 71, No. 3,2015より)
510
1000
405
5705 5780
17145
17620
5660190510 190 330
385
510
1000
57055780
17145
17620
17565
5660190 510190
385
330
345
A1 側 A2 側
A2 側 A1 側
G 9 P C 桁寸法図
450110
400
450 180
110
110
110
180
50
60
360
1000
150
200
1300
450
400
450
180
50
770 1000
1000
1300
単位:(a)側面・上面図主要材料 規格・設計値等
Co設計基準強度
400 kgf/cm2
鉄筋 D13 SD30
PC鋼線
12φ7
引張強度155 kgf/mm2
降伏点応力度135 kgf/mm2
伸び 5%以上
表 PC桁の主要材料強度など
75
(b)桁中央断面 (c)桁端断面
図 PC桁の構造一般図
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5章 載荷実験 (計測位置等)
載荷実験状況
76
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PC桁の曲げ耐荷性能
0
200
400
600
800
1000
0 100 200 300 400 500
荷重
(kN)
中央たわみ(mm)
case0
case1-0
case1-1case1-2
case1-3
ケース モデル破断束数
Case 0 規格値 0束Case1‐0
試験値
0束Case1‐1 1束Case1‐2 2束Case1‐3 3束設計荷重149.1kN
終局荷重297kN
77
・PC鋼線全5束中3束破断した場合でも,設計の終局荷重作用時を満足
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イオン交換樹脂を混和した再注入用PCグラウトの開発
78
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背景
既設PC橋における
グラウトの未充填が問題視シース(ダクト)
補修せずに腐食が進むと…
PC鋼材の破断
PC橋 桁断面
PC鋼材
コンクリート
シース(ダクト)
未充填部が塩害を受け
PC鋼材が腐食する
拡大
グラウト
PC鋼材の塩化物イオンを取り除く補修材の開発が求められている
プレストレス
プレストレス
PC鋼材
ダクト壁面
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シース(ダクト)
塩化物イオン
PC鋼材
グラウト未充填部 断面図 鋼材表面から補修用グラウトに塩化物イオンを拡散させる効果を期待
イオン交換樹脂の吸着効果により…
補修用グラウトに混入させる
未充填部に注入する
イオン交換樹脂
R - CH2N(CH3)3 OH
Cl- OH-
粒径 約0.5 mm
塩化物イオンを吸着する能力を持つイオン交換樹脂に注目
主な用途電力・化学・食品工業における水の脱イオンである
吸着 放出
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樹脂混入率の増加伴い全塩化物量が増加している
実験結果 全塩化物量
0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.0
0% 3% 5%全塩
化物
量(kg/m3)
樹脂混入率(%)
28日56日
0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.0
0% 3% 5%全塩
化物
量(kg/m
3 )
28日56日
0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.0
0% 3% 5%
全塩
化物
量(kg/m
3 ) 28日56日
固体としてNaClを付着させた場合
NaCl固体(薄) NaCl固体(濃)
NaCl固体(薄)+さび
イオン交換樹脂による塩化物イオンの吸着効果により拡散した塩化物量が
増加したと考えられる
少 多 少 多
少 多
樹脂混入率(%) 樹脂混入率(%)
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微生物を用いたコンクリートのひび割れ治癒技術の開発
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修復原理
• バクテリアを用いたひび割れ修復工法開発すること
CO2
CO2 栄養
バクテリア
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透水試験方法
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修復前の透水試験 修復後の透水試験修復剤注入試験(2週間)
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透水試験結果
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透水試験結果
導入ひび割れ幅
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1.外ケーブルPC橋から大偏心外ケーブルPC橋へ
2.橋梁の経年劣化の現状と問題点
3.橋梁の長寿命化に向けた研究
4.高い耐久性を持つ橋とは
5.新道路橋示方書について
講演内容
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理にかなうとは?10 m
今後新設あるいは架け替えされる橋(耐久性の観点から)1)構造的合理性
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Kinokawa Bridge
複合トラス橋
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波形鋼板ウェブPC橋
Name: Hontani BridgeType: 3-span continuous PC rigid bridge with corrugated steel webLength: 198 mMax. span: 97.202 mMethod: CantileverCompleted in 1995
Name: Ginzanmiyuki BridgeType: 5-span continuous PC bridge with corrugated steel webLength: 210 mMax. span: 45.5 mMethod: ExtrusionCompleted in 1995
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木曽川大橋(国道23号線)
長さ:858.46 m大支間長:70.63 m
幅 :11.8 m形式: 12連単純平行弦下路ワーレントラス橋建設年:1963年
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今後新設あるいは架け替えされる橋(耐久性の観点から)
1)構造的合理性
2)多重防護層(Multilayer Protection)
3)検査が容易であること
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PC鋼材を保護する外縁の層の破壊①舗装の欠陥(ひび割れなど)②床版防水層の欠陥③排水桝や排水管の欠陥④排水管の設置位置のミス⑤伸縮装置からの漏水⑥地覆の打ち継ぎ目からの漏水⑦インサートからの侵入⑧コンクリートかぶりの欠陥
PC鋼材を直接保護する層の破壊⑨ グラウトホース内のグラウト未充填⑩ 鋼製シースの破損⑪ 定着具の後埋めコンクリートの欠陥⑫ ダクト内のグラウト未充填による空隙
PC鋼材の腐食過程典型的なPC箱桁橋のハザードシナリオ(危険シナリオ)
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PC橋のマルチレイヤーシステム(多重防護層)
構造的防護層
High 1) Medium 2) Low 3)
Structural Protection
Action
外的環境及び作用外
Low
6)M
ediu
m 5)
Hig
h 4)
PL1
PL2
PL3
構造的防護層1)High:床版防水層+高品質コン
クリート+容易な点検2)Medium:表面改質+通常のコン
クリート3)Low:セグメント目地+表面保護
層なし+点検できない構造
外的環境/作用4)High:飛沫帯や凍結防止剤
の散布域5)Medium:湿潤環境6)Low:構造物の内部などの乾
燥している所
外的環境/作用
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PL1:鋼製シース+グラウト
PL2:プラスチックシース+グラウト
PL3:プラスチックシース+グラウト+モニタリング
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PL3の適用例:ラローン橋(スイス)
鉄道橋 迷走電流による電気腐食の懸念(直流電流が危険)
プラスチックシース+グラウト+モニタリング
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今後新設あるいは架け替えされる橋(耐久性の観点から)
1)構造的合理性
2)多重防護層(Multilayer Protection)
3)検査が容易であること
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テンドンギャラリー
点検(アクセス)可能+水が直接定着部に行かない配慮
箱桁内に定着突起を設け定着
点検(アクセス)可能+水が直接定着部に行かない配慮
点検時や維持管理時のアクセス
点検時や維持管理時にその部位に簡単に行けるようにすることは、マルチレイヤプロテクションの考え方の中でも重要な点である。特に桁端の定着部に設置されるテンドンギャラリーは重要である。
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1.外ケーブルPC橋から大偏心外ケーブルPC橋へ
2.橋梁の経年劣化の現状と問題点
3.橋梁の長寿命化に向けた研究
4.高い耐久性を持つ橋とは
5.新道路橋示方書について
講演内容
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出典:国土交通省
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出典:国土交通省
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出典:国土交通省
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ご清聴ありがとうございました。