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1
プレストレストコンクリートプレストレストコンクリート部材の部材の設計と応用設計と応用
2011年8月2日オリエンタル白石(株)
杉田 篤彦
土木学会関西支部第25回 コンクリート構造の設計・施工・維持管理の基本に関する研修会
2
説 明 内 容
・プレストレストコンクリートの設計(設計編11章に即して)
11.1 概説11.2 プレストレストコンクリートの特徴11.3 プレストレストコンクリート部材の挙動と解析11.4 プレストレストコンクリート部材の設計11.5 PC部材の耐久性を高めるための方策および構造細目
・プレストレストコンクリート技術の応用
3
11.1 プレストレストコンクリートの概説
コンクリートの性質
弱い! 強い!
引張力
助けて~~~
楽勝だね
♪圧縮力
コンクリートの引張強度は圧縮強度の 1/10 程度
P.154
4
《PCコンクリート》PC = Pre-stressed Concrete
Pre(前もって) 応力が与えられた コンクリート
《鉄筋コンクリート》
RC = Reinforced Concrete
プレストレストコンクリート(PC)とは何か
1
5
コンクリートの性質2
多少のひびわれはやむを得ない
鉄筋で引張部分を補強
ひびわれの制御が自由にできる
プレストレスを導入して補強
《 鉄筋コンクリート(RC)桁 》
《 プレストレストコンクリート(PC)桁 》
RC桁とPC桁
6
PCの概念
コンクリートの引張側の補強
応力をコンクリートに導入
コンクリートの断面全体が有効
RCよりも断面を小さくすることができる
緊張材:PC鋼材
7
荷重
圧縮応力
引張応力
上縁
下縁
中立軸
11.2 PCの特徴11.2.1 PCの原理
PP.154~155
8
荷重P C 桁
PP
σc’
σc
上縁
下縁
中立軸
荷重による応力
+
プレストレスによる応力
σct’
σct
=
合成応力
Σσc’
Σσc
2
9
u
プレストレス
ZuepP
APu ・
ZlepP
APl ・
死荷重プレストレス
+死荷重
活荷重
プレストレス+
死荷重+
活荷重
:断面上縁のプレストレスによる応力度
l :断面下縁のプレストレスによる応力度10
11.2.2プレストレストコンクリートの分類(1)構造体としての設計上の分類
①コンクリートに引張応力を発生させない
PC構造、フルプレストレス :床版、タンク
②コンクリートの引張応力は制限値以内
PC構造、パーシャルプレストレス:道路橋主桁
③コンクリートのひび割れの発生を認めるが、
ひび割れ幅制限を行うPRC(PPC)構造:コスト縮減
PP.155~156
11
PC構造とPRC構造
ひび割れ幅制御(異形鉄筋併用)
ひび割れ発生
許すPRC構造
縁応力度制御ひび割れ発生
許さないPC構造
プレストレス使用限界状態
12
RC○(鉄筋の応力度)-(無視)PRC○(ひび割れ幅)○
PC(パーシャル)×○(許容値内)PC(フル)××(全て圧縮)
名 称コンクリートの
ひび割れ
コンクリートの
引張応力導入レベル
大
小
自由度の高い設計が可能
設計荷重作用時(使用限界状態)
3
13
11.2.2 PCの分類(2)プレストレス工法による分類
1)プレテンション 付 着 B.U. B.C.ベンドアップ / ボンドコントロール
2)ポストテンションくさび式ねじ式
ループ式
フレシネー工法アンダーソン工法
SEEE工法バウル・レオンハルト工法 etc
3)その他工法
4)連続繊維補強材
a.化学的方法(膨張セメント)b.フラットジャッキ(機械的)
FRP(炭素、アラミド、ガラス)
PP.156~158
14
1)プレテンション方式
15
プレテンション方式の定着のしくみ
16
プレテンションの定着付近の応力
◯ PC鋼材とコンクリートとの付着応力分布付着応力
付着長さ 65φ
◯ PC鋼材引張応力分布
0
σpxσp
PC鋼材
定着後の変形
定着前の形状
部材端部 圧縮応力の流れ◯ 圧縮応力の流れ
4
17
2)ポストテンション方式
18
ポストテンション方式の定着のしくみ
くさび方式
ネジ方式
19
くさび方式
②ねじ方式
ネジ方式
ポストテンション方式の定着具の例
20
11.2.3 PC(構造)の特長
全断面を有効に利用できるスレンダー、長支間化
ひび割れ安全度が高い水密性、耐久性
たわみ総量が小さい。プレストレスによるたわみ(反り)、ねじりモーメント低減プレキャスト化が可能工期短縮、型枠の転用(経済的)、CO2の削減施工管理緊張、グラウトなど細心の注意が必要高性能化
P.158
5
21
11.3 PC部材の挙動と解析11.3.1 プレストレス力
①プレストレッシング直後の状態
②クリープ・収縮、
リラクセーションが終わった状態
PP.159~163
22
プレストレスの変化に関与する要因
プレストレスの減少
構造的
材料の性質
PCPC鋼材とシースの摩擦鋼材とシースの摩擦
定着体のセット(めりこみ)定着体のセット(めりこみ)
コンクリートの弾性変形コンクリートの弾性変形
コンクリートのクリープ・収縮コンクリートのクリープ・収縮
PCPC鋼材のリラクセーション鋼材のリラクセーション
瞬時に減少する
徐々に減少する
①
緊張直後のプレストレス力
③
④
②
⑤
有効プレストレス力
)( ③②①pipt)( ⑤④ptpe
23
プレストレスの減少①PC鋼材とシースとの間の摩擦
)( xix ePP
μ:角変化1ラジアン当たりの摩擦係数α:角変化(ラジアン)λ:緊張材の単位長さ当たりの摩擦係数x :緊張材の引張端から設計断面までの長さ
PP.159~160
24
プレストレスの減少②定着部の滑動(セット)
EpAl 0
A0
P.161
6
25
プレストレスの減少③コンクリートの弾性変形による減少
'cpgp n
NNn cpgp
121 '
プレテンション方式の場合
ポストテンション方式の場合
PP.160~161
26
プレストレスの減少④コンクリートのクリープ・収縮
211 φ+
σσ
+n
ε)+E+σ(σφnσ∆
pt
cpt
cspcptcdpcs
PP.161~162
27
Δe
P
弾性変形
Δe
Δc
P
弾性変形+塑性変形
クリープ 一定の持続荷重の元でコンクリートの変形が大きくなる現象
Δe:弾性変形
Δc:塑性変形
時間
28
時間
時間
コンクリート
PC鋼材
乾燥収縮
7
29
プレストレスの減少⑤PC鋼材のリラクセーション
ptpr ・
γ:PC鋼材の見かけのリラクセーション率
一定ひずみ下で応力が低下する現象
PP.162~163
30
プレストレス力の変化に及ぼす要因
状態Ⅱ状態Ⅱ 状態Ⅰ状態Ⅰ
○-○-クリープ,乾燥収縮
○○○-リラクセーション
---○定着具の滑動
-○-○弾性変形
---○シースとの摩擦
プレテンション方式ポストテンション方式
注)状態Ⅰ:緊張中から緊張直後までに考慮すべき要因状態Ⅱ:緊張直後から,クリープ,乾燥収縮,リラクセーション終了時までに
考慮すべき要因
31
11.3.2 曲げと軸力を受ける部材
(1)ひび割れ発生前
(2)ひび割れ発生後
(3)終局耐力
PP.163~166
荷重状態(a)
たわみが0となる荷重(b)
断面に引張応力は発生しない(c)
ひび割れ発生荷重( d)
(e)
(f) P C鋼材降伏
P C鋼材量が適当な
場合の破壊荷重(g)P C鋼材量が極端に
少ない場合の
破壊荷重
弾性
領域
遷移
領域
塑性
領域
G L
D L
D L + L L
G L :はり自重
D L:死荷重
L L:活荷重
荷
重
た わ み
32
(1)ひび割れ発生前
ZM
ANc
ZM
ANc ,
'' epPM
N軸力:曲げ:
■応力解析の仮定
①コンクリート、PC鋼材、鉄筋は弾性体
②断面内のひずみは直線分布
③コンクリートは全断面有効
■コンクリート断面の応力度算出式
上縁 下縁
8
33
(2)ひび割れ発生後
■PC部材の破壊様式
①コンクリートは圧壊しないでPC鋼材が破断
②PC鋼材が降伏、部材曲率が大きくなり圧壊
③PC鋼材が降伏する前に圧壊
■応力解析の仮定
中立軸以下のコンクリートの引張抵抗は無視し、断面内のひずみは直線分布と仮定。
34
(3)終局耐力
■終局耐力算定の仮定
①破壊時の断面ひずみは直線分布
②付着のある鋼材のひずみは各位置のコンクリートひずみと同じ
③中心軸以下部分のコンクリートの引張抵抗は無視
)・・()・・( xkdsTsxkdpTpMu 22■破壊モーメントMu
35
11.3.3 せん断を受ける部材
44)(
2
22 τyxyxi
σσσσσ
■せん断破壊耐力
bwwcdwcd γdbfV /■ウエブ圧縮破壊耐力
■曲げせん断破壊耐力
pedsdcdyd VVVV
圧 壊
(b) 曲げせん断破壊
ウエブ圧壊
(c) ウエブ圧縮破壊
(a) せん断引張破壊
PP.166~168
36
11.3.4 ねじりを受ける部材
■ねじりひび割れ発生前の挙動
ひび割れ発生ねじりモーメントの約80%以下では弾性理論が適用可能(0.7f’cd程度が事実上の適用限界と推定される)。
■ねじりひび割れ発生後の挙動
① ねじり補強筋を有しない場合、爆発的に破壊(1%程度の補強筋でじん性向上)。
② ねじり剛性は急激に低下。
③ ねじり抵抗モーメントの分担は明らかでない。
P.169
9
37
11.4 PC部材の設計設計の手順(1)
PP.169~172
38
Start
断面形状の仮定
荷重の計算 断面力解析荷重による
応力度の計算
PC鋼材の仮定
合成応力度の照査
プレストレスの計算
制限値を満足
EndNOYES
応力度に関する検討の一般的な流れ
39
ポストテンション単純T桁橋
横桁
場所打ち床版
主桁
横桁場所打ち床版
主桁 を架設した後,
と
のコンクリートを打設し,
横締めPC鋼材を緊張して一体化
40
① 設計断面の仮定します。
10
41
② 作用荷重を計算
します。
42
①死荷重
主桁自重
桁間床版
横桁自重
橋面荷重
②活荷重
A活荷重
B活荷重
群集荷重
衝撃荷重
43
③温度、温度差
④乾燥収縮
44
⑤クリープ
⑥プレストレス
プレストレス プレストレス
11
45
③ 断面力を計算します。
曲げモーメント図
46
④ 荷重によるコンクリート応力度を計算します。
圧縮(+)
引張(-)
47
⑤ PC鋼材を仮定します。
P C 鋼 材
48
PC鋼材を図心に配置
軸力 N=P
曲げモーメント M=P×e=0
PC鋼材を偏心配置
軸力 N=P
曲げモーメント M=P×e=P・e
PC鋼材配置(1)
12
49
PC鋼材を曲線配置断面力に合わせて曲線配置する
軸力 N=P
曲げモーメント M1=P×e1(負の曲げモーメント)
M2=P×e2(正の曲げモーメント)
PC鋼材配置(2)
50
⑥ プレストレスを計算します。
PP
圧縮(+)
引張(-)
51
⑦ 荷重による応力度とプレストレスを合成し
ます。
圧縮(+)
引張(-)
荷 重
圧縮(+)
引張(-)
+
プレストレス
=
圧縮(+)
引張(-)
合成応力
52
⑧ 合成応力度が
許容値以内にあるか検討
YES
NO①か⑤へ戻る
① 断面変更
⑤ PC鋼材量変更
13
53
⑨ 図面を作成します。
チェックを行い設計終了!
54
設計の手順(2)限界状態設計法
使用限界状態に対する検討
:設計荷重作用時
終局限界状態に対する検討
:終局荷重作用時(6章 7章)
施工時の検討
:緊張時 ひび割れ 施工時コンクリート応力度
変形 桁の横座掘 etc
PP.172~174
55
11.4.5 定着部の設計
■ポストテンション方式
定着支圧応力度
定着部補強(割裂 周辺引張 偏心力 etc)
■プレテンション方式
部材端周辺引張に抵抗する補強筋
PP.174~177
引張域
引張域
圧縮域
引張域
圧縮域
引張域
56
11.5 PC部材の耐久性を高めるための方策および構造細目
PC橋の耐久性を高める方策 (1)■緊張材の腐食防止
PP.177~184
14
57
■確実なグラウト注入
グラウトの目的
・緊張材の耐腐食性・コンクリート部材と緊張材に付着を与え一体化すること
・適切なシース径(空隙率)や中間排気口の設置位置を決定する.・注入口・排気口の構造やグラウトホース径は,圧力損失が
少ないものを選定する.・PC鋼材の定着端部まで充填可能な構造を有する定着具を
使用する.・必要に応じて,充填状況の確認やPCグラウトの再注入が
可能であるシステムを使用する.
58
■プレグラウトPC鋼材
ポリエチレン(PE)管で被覆されたPC鋼材に遅延硬化型のエポキシ樹脂をグラウト材として、あらかじめ充填したPC鋼材
エポキシ樹脂
PE管
PC鋼より線
59
■樹脂塗装PC鋼材
エポキシ樹脂系
樹脂でコーティングすることにより、PC鋼材に防食機能を付与したもの
高密度ポリエチレン樹脂系
60
PC橋の耐久性を高める方策 (2)■高性能コンクリート
15
61
PC橋の耐久性を高める方策 (3)■エポキシ樹脂塗装鉄筋
エポキシ樹脂塗装鉄筋の適用例
エポキシ樹脂でコーティングすることにより、鉄筋に防食機能を付与したもの
62
PC橋の耐久性を高める方策 (4)■非鉄シース
63
外ケーブル用
グラウト充填の確認
PCケーブルの維持管理
PC橋の耐久性を高める方策 (5)■透明シース
64
PC構造物の照査の前提条件<構造細目>
緊張材のかぶり緊張材のあき緊張材の配置形状・配置間隔緊張材の最小曲げ半径定着体と緊張材図心線の直角性定着具支圧面からの直線区間の設置曲げモーメント交番点付近の分散配置定着間隔・縁端距離の確保と定着部付近の補強緊張ジャッキ作業空間の確保偏向部(外ケーブル)の補強
PP.179~183
16
65
a
a’ かぶり確保
注:グラウトキャップ使用時はキャップのかぶりを確保
グラウトキャップ
定着具
桁端部定着
a
a
1) 端部定着具のかぶり
66
1352207S12.7
23035012S15.218027012S12.7
dD種別
マルチワイヤーシステム定着具、最小間隔 (単位;mm)
d D d
D
d
A A
d
B B e
ADA・B≧D2
Dとeに方向性は無いここに、e=1.5dとする。
2) PC鋼材の定着具間隔と縁端距離
67
D
○斜角のある場合の留意点
斜角のある場合の定着具間隔は、切り欠き寸法を考慮し余裕を持って間隔(D)を決める。
3) 斜角を有する場合の端部定着具間隔
68
58557S12.7
78(87)75(80)12S15.268(77)65(70)12S12.7
シース外径
シース内径
鋼材種別
B
PC鋼材
バイブレーター
バイブレーター45mm~60mm
(シース)
注; シース径( )内数値は、ケーブルを後挿入する場合を示す。
後挿入は#2000番台のものを使用
鋼材種類別シース径
Bはバイブレーターの挿入スペース60~80mm程度
○留意事項; 十分な打設性能を考慮した部材厚さの設定を行う
4)鋼材間隔と部材厚
17
69
外ケーブル構造およびプレキャストセグメント構造
◆内ケーブル方式 ◆外ケーブル方式
PP.183~184
70
プレキャストセグメントT桁 プレキャストセグメント箱桁
ロングラインマッチキャスト方式
プレキャストセグメント方式について
仕切板
ショートラインマッチキャスト方式
71
このほかにも海洋構造物・地下構造物・舗装や補強などに利用されています.
プレストレストコンクリート技術の応用
72
PC橋梁(その1)連続ラーメン箱桁
旧 日本道路公団 大井沢橋 P&Z工法
旧 建設省 菅野橋 張出し架設工法
18
73
上信越自動車道 碓氷橋 支間2@110.2m
大芝大橋 (広島県) 最大支間210m セグメント洲本大橋 (洲本市) 支間2@74m
呼子大橋 (佐賀県) 最大支間250mPC橋梁(その2) PC斜張橋
74
長大支間に適している。
国内最大支間は260m(伊唐島大橋 鹿児島県)である
桁高を低くでき,桁下空間が大きく取れる
斜材に調整力を与えることにより主桁・塔に作用する断面力を軽減でき,経済的な設計ができる
斜材配置・塔形状などの自由度が高く,景観も独特なものとなる
斜材を用いた張出し架設により,合理的な施工法となる
● PC斜張橋の特徴
75
PC橋梁(その3)
エクストラドーズド橋
都田川橋
日見夢大橋
保津川大橋
76
山陽自動車道 つくはら橋
最大支間180m 場所打ち張出し架設
西湘バイパス 小田原ブルーウェイブリッジ
最大支間122m 場所打ち張出し架設
桁橋
エクストラドーズド橋
斜張橋
エクストラドーズド橋は,桁橋と斜張橋の中間的な形状と構造特性を有しています.桁橋に配置した外ケーブルを塔部で大きく偏心させています.
19
77
PC橋梁(その4)
アーチ橋
池田へそっこ大橋
朧大橋
78
景観に優れ,耐震性に優れた構造形式である
アーチ部材の主断面力は圧縮力であり,コンクリートの特性に合致している
国内最大支間は260m(天翔大橋 宮崎県)である
地盤の堅固な所に採用される
架設途中はアーチを形成していないため,不安定な構造である
アーチ橋の施工法
①全支保工施工
②セントル工法
③張出し工法:ピロン・メラン張出し工法・トラス張出し工法
④合成アーチ巻立て工法
⑤ロアリング工法
● アーチ橋の特徴
79
PC橋梁(その5)
張弦橋
吊り床版橋(直路・上路)
80
吊り構造であり,床版は純引張部材である
大きな水平反力をとるためのアンカー基礎が必要である
国内最大支間は147.6m(夢吊橋)
理論的には,吊り橋規模の超支間が可能である
スレンダーで景観に優れる
床版厚は支間長に関係なく15cm~35cm程度と薄い
支保工が不要であり,大規模な架設機械も不要である
張渡した主ケーブルを利用して,プレキャスト床版を架設できる
歩道橋としての実績が多い
自動車道橋には,たわみ抑制の目的で上路式吊り床版橋が適用されている(速日峰橋,青雲橋、のぞみ橋、など)
● 吊り床版橋の特徴
20
81
PC橋梁(その6)コンポ橋
10700
445 9810 445
2300
200
775 3000 3150 3000 775
外ケーブル
19S15.2BPC板t=110mm
PC板t=80mm
場所打ち床版
t=200mm
10250
450 9250 550
925 925
175
0
3@2800=8400
場所打ちRC床版18cm
PC板8cm
主桁(セグメント)
2%
82
施工の合理化・省力化
主桁・横桁の少数化
工期短縮(セグメント化,PC板)建設コスト縮減
耐久性の向上
ライフサイクルコスト低減
環境保全に貢献
産業廃棄物の減少
現場作業騒音振動の減少
架設時の安全性向上
吊り足場の組立解体不要
主桁の安定性向上
● PCコンポ橋
PC板
主桁セグメント
場所打コンクリート
PCコンポ橋は,主桁をプレキャストセグメント工法で製作し,床版はプレキャストPC板を型枠代わりに使用してPC合成床版としたPC合成桁橋です
T形コンポ橋
U形コンポ橋
83
PC容器
卵形消化漕
貯水槽
84
PC防災構造物
ロックシェッド
スノーシェッド
PCフレーム
21
85
PC海洋構造物
消波堤
ポンツーン
86
その他
段床版
覆蓋
耐震補強
87外ケーブル補強例
緊張材をコンクリートの外側に配置し,定着部あるいは偏向部(デビエータ)を介して部材に緊張力を与えることにより,必要な性能の向上を図る工法です
外ケーブルによる既設橋の補強
88
酒田みらい橋酒田みらい橋 (2002(2002年、年、50m50m、歩道橋、歩道橋))
鉄筋は使用しない、上床版厚鉄筋は使用しない、上床版厚50mm50mm、ウエブ厚、ウエブ厚80mm80mm
新素材新素材 →→ 超高強度繊維補強セメント系複合体超高強度繊維補強セメント系複合体
σσckck==200200N/mmN/mm22
新材料・新構造の橋梁例
22
89
北海道縦貫自動車道北海道縦貫自動車道 シラリカ川橋シラリカ川橋 ((96.2m96.2m))
コンクリートはコンクリートは50N/mm50N/mm22、単位重量、単位重量18.5kN/m18.5kN/m33
新材料・新構造の橋梁例
軽量化軽量化 →→ 高強度人工軽量骨材の使用高強度人工軽量骨材の使用
90
新材料・新構造の橋梁例
PCトラス橋PCトラス橋 斜材にコンクリート製斜材を採用斜材にコンクリート製斜材を採用
91
ストラット付き張出し床版ストラット付き張出し床版
新材料・新構造の橋梁例
比較的小型の箱型断面で広比較的小型の箱型断面で広
幅員の橋梁が建設できる。幅員の橋梁が建設できる。
92ストラットと上床版接合部の例、ストラットは鋼製またはコンクリート製ストラットと上床版接合部の例、ストラットは鋼製またはコンクリート製
ストラット付き張出し床版ストラット付き張出し床版
23
93
第二東名第二東名 芝川高架橋芝川高架橋 (ストラット付き(ストラット付きPCPC箱桁)箱桁)
第二東名第二東名 桂島高架橋(波形ウェブストラット付き桂島高架橋(波形ウェブストラット付きPCPC箱桁)箱桁) 94
プレテンションウエブプレテンションウエブPCPC橋橋
新材料・新構造の橋梁例
第二東名第二東名 錐錐ケケ瀧橋瀧橋
••軽量化軽量化
••現場の省力化現場の省力化
••耐久性の向上耐久性の向上
95
複合構造橋梁
合成構造
混合構造
異種材料の組合せで異種材料の組合せで
部材断面を構成部材断面を構成
異種材料の部材の組合せ異種材料の部材の組合せ
で構造物を構成で構造物を構成
・コンクリート桁と鋼桁を橋軸・コンクリート桁と鋼桁を橋軸
方向に接合した橋梁方向に接合した橋梁
波形鋼板ウェブ橋
複合トラス橋
合成けた橋
新材料・新構造の橋梁例
96
● 複合橋(波形鋼板ウエブPC橋)
PC箱桁橋のウエブを波形鋼板に置き換えた合成構造です。
主桁自重の軽減(20~30%)高いせん断座屈耐力・補剛材が不要
優れたアコーディオン効果・軸力に抵抗しないウエブ・効率のよいプレストレス導入
施工の合理化・工期短縮コスト縮減接合部の耐久性重要
銀山御幸橋 (秋田県) 最大支間45.5m耐候性鋼板使用 押出し架設
新開橋 (新潟県) 最大支間30m2主単純箱桁 架設桁架設
24
97
● 複合橋(鋼トラスウエブPC橋)
第二東名 猿田川橋・巴川橋 最大支間119m場所打ち張出し架設
鋼管トラス材
主桁自重の軽減
合理的構造・コスト縮減
施工性に有利な等桁高
長支間化が可能
圧迫感の少ない景観性
トラス格点部の耐久性重要
98
プレストレストコンクリート技術の応用プレストレストコンクリート技術の応用
丈夫で、美しく、長持ちするコンクリート構造物の実現
Concrete Concrete forfor Human !Human !人と文明を支えるコンクリート構造物を造り、人と文明を支えるコンクリート構造物を造り、
将来に残していく。そして技術の研鑽も!将来に残していく。そして技術の研鑽も!
25
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