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温度応力解析

温度応力解析とは

セメントの水和に起因するひび割れに関する照査は、温度解析によって有害なひび割れが発生しないことを事前に確かめることが出来ます。 当社では「マスコンクリートの温度応力解析プログラム」(FEM、CP法)による解析業務をおこなっています。

 セメントと水の水和反応によって生じる水和熱は、コンクリート構造物に発生するひび割れの原因となります。
 打設後のコンクリート温度は、部材厚や材料、施工時期などによって異なりますが、外気温よりも相当に高くなることが通常です。
 したがって、コンクリート温度が外気温まで降下する過程においては、温度差に相当する体積収縮が生じることになります。
 しかし、コンクリート構造物は外的かつ内的に拘束されていることが通常ですから、自由に収縮することはできません。


このために生じるのが引張応力で、これがコンクリートの引張強度以上になるとひび割れが発生することになります。温度ひび割れといわれるもので、比較的若材齢のコンクリート構造物に生じるものです。
現在は、コンクリート温度や応力を計算できるようになっていますので、あらかじめひび割れ発生確率を照査することが可能であり、ひび割れ発生が不可避な計画であれば、対策内容を考慮した計算を行うことによって、対策効果を評価することも可能です。
すなわち、事前にひび割れを制御する対策が可能であるということです。温度応力解析とは、このような計算、計画作業をいうものです。


温度応力解析の対象となる構造物

温度ひび割れが問題となるのは、マスコンクリートといわれる部材厚の大きな構造物です。マスコンクリートというと、コンクリートダムに代表されるような、きわめて大規模な構造物を想像しがちですが、身近な構造物にもごく一般的に(しかも施工時に)生じるのが温度ひび割れです。
ひび割れ発生確率を事前に照査すべき部材厚の目安は、壁部材の場合50cm以上、スラブ部材の場合80cm以上とされています。すなわち、身近な構造物であっても、照査対象となることがわかります。
どこの会社でも設計し、あるいは施工する構造物で、とくに温度ひび割れが問題になるものとしては、次のようなものがあります。

  • 橋台
  • 橋脚
  • カルバート
  • 擁壁

近年は、このような構造物を施工する際に、温度ひび割れの発生確率を事前照査することが必要となり、発生したひび割れに対しても対応することが求められるようになっています。

 このひび割れのうち、外部拘束によるひび割れは、必ずしも施工品質の良否に起因するものではありませんが、その可能性があることを事前に照査し、発注者様の理解を得ておくのがよいといえます。(事後報告では、スムーズに進まない場合も少なくありません)
有効な対策をとるためには相応の費用を必要としますが、一般の構造物にあっては、高額な対策費用まではかけられないことが通常です。
対象工事においてとり得る対策とあわせ、ひび割れ発生後の事後対応までを協議しておくのがよいといえます。

温度ひび割れの種類

温度ひび割れの種類には、次のものがあります。

・内部拘束による表面ひび割れ

 部材表面と内部の温度差によって生じる内部拘束応力により、ごく初期の材齢で発生する表面ひび割れ。主として、スラブ部材に発生するひび割れです。 (スラブ厚80~100cm以上の場合、応力照査の対象となります)

・外部拘束による貫通ひび割れ

 新設コンクリート全体の温度が降下するときの収縮変形が既設コンクリートなどによって拘束されて生じる外部拘束応力により、材齢がある程度進んだ後に発生する貫通傾向のひび割れ。主として、壁部材に発生するひび割れです。
 表層部にとどまる内部拘束によるひび割れに比べ、構造物(部材)の耐久性に及ぼす影響の大きいものです。
(壁厚50cm以上の場合、応力照査の対象となります)


温度応力解析の必要性

 構造物の設計体系が性能照査型へ移行し、これにより設計段階でコンクリートのひび割れ性能を照査することが求められてきました。また、入札でもプロポーザル(企画、提案)方式が浸透してきており、3次元FEMによる温度応力解析が、技術点を高める重要なポイントとなっています。


応力解析

温度解析


解析フロー
    ひび割れ対策
  • 温度上昇量の低減(セメント種類・量、リフト高さ)
  • 応力の低減(誘発目地、保温養生)
  • その他(プレ・ポストクーリング、膨張剤)


    対象コンクリート
  • ダム
  • 擁壁
  • ボックスカルバート
  • 水利施設
  • 高強度コンクリート