上面増厚補強を行った 鉄筋コンクリート床版の挙動と健全性モニタリング手法

ＲＣ床版の上面増厚補強と

疲労損傷モニタリング

2006.2.27

社会基盤設計学領域

4年

岡田 裕昭

卒業研究

研究の背景

鉄筋コンクリート床版における

押抜きせん断破壊事例の発生．

種々の補修・補強工法の提案

上面増厚補強工法

既存床版上面にコンクリートを打設し，

新旧コンクリートを一体化させる工法

せん断耐力の向上，疲労耐久性の向上に期待．

・床版のせん断耐力を向上

→比較的損傷の進行した床版に適用可能．

→

使用限界状態の床版に対して適用した場合，

補強効果の有無を確認する必要がある．

・上面増厚材料の種類によって，補強効果

が変化

→

材料を代えた場合，補強効果の有無を確認す

る必要がある．

上面増厚補強工法の特徴

・上面増厚補強に新材料（

ＭＭＡ樹脂コンク

リート・膨張性ＳＦＲＣ

）を使用した場合の

補強効果の有無について確認する

．

検討項目

輪荷重走行試験

研究の目的

・補強前後における

床版の

力学的挙動

の改善

・

疲労耐久

性の向上

上面増厚材料の特性

（1）

ＭＭＡ樹脂コンクリート

・流動性に優れ，締固め作業を必要としない．

・低温下（-10℃）でも硬化可能．

・温度依存性が大きい．

（2）

膨張性ＳＦＲＣ

・膨張材を添加し，硬化時の自己収縮を低減．

・流動化剤により，可使時間が延長．

実験供試体

C 単位（mm）

L

C

L

輪荷重 上端筋 下端筋

RC床版を3体使用

1体目 No.1

→MMA補強床版

2体目 No.2

→SFRC補強床版

3体目 No.3

→無補強床版

実験概要

載荷プログラム

No.1,No.2床版 →

予備載荷

No.3床版，MMA補強床版，SFRC補強床版 →

本載荷

0 50 100 150 200 250 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 荷重走行回数（×106回） 載荷荷重（ ｋ Ｎ） MMA補強床版 SFRC補強床版 予備載荷 No.1,No.2床版 No.3床版 実験概要

実験結果

Ａ.予備載荷の結果と劣化度の導入

Ｂ.本載荷の結果と増厚補強効果

Ａ.予備載荷の結果 -劣化度D

δ

の導入-・活荷重たわみより求まる劣化度 D

δ

o

c

o

δ

W

W

W

W

D





＝

D

_δ

：活荷重たわみから求まる劣化度

W：活荷重たわみの実測値(mm)

W

o

：全断面有効時の理論活荷重たわみ(mm)

W

c

：引張側コンクリート無視時の理論活荷重たわみ(mm)

No.1床版

No.2床版

D

δ

＝1.21

D

δ

＝0.99

使用限界状態

実験結果

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

1.E+00

1.E+02

1.E+04

1.E+06

1.E+08

1.E+10

1.E+12

等価繰り返し荷重走行回数（回）

活荷重たわみ（

ｍ

ｍ

）

Ｂ.本載荷の結果：

活荷重たわみの経時変化

No.3床版 Wc=1.69mm MMA補強床版 増厚部の変形 ＳＦＲＣ補強 床版 押し抜きせ ん断破壊 No.3床版 Wo=0.38mm No.3床版 Dδ=1.25 押し抜きせん断破壊 実験結果

ＭＭＡ補強床版

増厚部の変形

ＳＦＲＣ補強床版

押し抜きせん断破壊

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

-1500

-750

0

750

1500

計測位置　（mm）

活荷重た

わみ　

（m

m

）

Ｂ.本載荷の結果：

MMA活荷重たわみ分布

MMA補強床版：補強によって，床版中央で0.92mmの

活荷重たわみが低減された．

MMA補強床版 試験終了時 No.1床版 予備載荷終了時 MMA補強床版 本載荷前 実験結果

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

-1500

-750

0

750

1500

計測位置　（mm）

活荷重た

わみ　

（m

m

）

Ｂ.本載荷の結果：

SFRC活荷重たわみ分布

SFRC補強床版：補強によって，床版中央で0.95mmの

活荷重たわみが低減された．

SFRC補強床版 試験終了時 No.2床版 予備載荷終了時 SFRC補強床版 本載荷前 実験結果

Ｂ.本載荷の結果：

ひび割れ発生状況

・床版下面において，ひび割れ長さを計測，床版下面

のある一定面積に対するひび割れ密度C

d

を求めた．

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0

1.00E+00 1.00E+02 1.00E+04 1.00E+06 1.00E+08 1.00E+10 等価繰り返し荷重走行回数（回） ひ び 割れ密度　 Cd （ m/ m 2 ） No.3床版 SFRC補強床版 MMA補強床版

ひび割れ発生の

抑制に効果あり

実験結果

疲労耐久性の評価

0.1 1.0

1.E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09 1.E+10 1.E+11 等価繰り返し荷重走行回数（回） 載荷荷重せん 断強度比（ P / P sx ) No.3床版 SFRC補強床版 MMA補強床版

S-N関係図

MMA補強床版

2.6倍

SFRC補強床版

43倍

疲労耐久性の評価

520

.

1

07835

.

0

)

/

(

P

P

LogN

Log

Log

_sx







結論

・使用限界状態の床版に対してＭ

ＭＡ樹脂コンクリートおよび膨

張性ＳＦＲＣを増厚材料に用い

た場合，

床版の力学的挙動を大

幅に改善

すると共に，

疲労耐久

性を向上

させることができた．

今回の実験で上面増厚補強効果がある

ことを確認した．

新材料を用いる理由 その1

ＳＦＲＣで補強した床版の増厚層界面における

再損傷事例が発生．

界面部 既存床版部 上面増厚部

既存床版部の拘束に起因

する引張ひずみの導入．

原因

鋼繊維が効率良く界面に

配置されるのは難しい．

膨張材を添加して引張ひずみに抵抗させる．

→

膨張性ＳＦＲＣ

参考資料

新材料を用いる理由 その2

・上面増厚施工は交通規制を伴うため，厳しい

施工環境となる．

・寒中でも硬化し，施工が容易な材料が必要で

ある．

セメントの代わりにアクリル系樹脂を用

いた

ＭＭＡ樹脂コンクリート

の使用．

参考資料

補強工法 概要 メリット デメリット 縦桁増設 工法 主桁間に縦桁を増設 し，発生曲げモーメ ントを低減 曲げモーメントを減少 できる せん断耐力の向上 にならない 下面補強 工法 床版下面からシート やコンクリートで補 強する ・交通規制が丌要 ・繊維量の調節で補強 の程度を調節できる 補強後，下面の状況 を確認できない 上面増厚 工法 既存床版の上面に コンクリートを増設 する ・曲げ・せん断耐力の 向上 ・下面からの状況確認 可能 ・再補強工法として適 用可能 ・交通規制を伴う為， 急速施工が要求さ れる ・夜間，寒中で硬化 する材料が必要 ・ジョイント部での 嵩上げ

RC床版の補強工法の比較

参考資料

増厚材料の強度

MMA樹脂コンクリート 膨張性SFRC

圧縮強度（N/ｍｍ

2

）

28.7

48.4

引張強度（N/ｍｍ

2

）

4.88

6.14

弾性係数（N/ｍ

2

）

5.759.E+09

3.0249E+10

MMA樹脂コンクリート 膨張性SFRC アスファルトコンクリート舗装 単位体積重量（ｋN/m3) 22.1 22.5 22.5

増厚材料の単位体積重量

AS層

増厚層

既設床版

補強前

補強後

参考資料

各材料の配合

最大骨材 寸法G_max （mm） 水ｾﾒﾝ ﾄ比 W/C （％） 細骨 材率 s/a （％） 単位量（kg/m3_） 水 (W) ｾﾒﾝﾄ (C) 川砂 (S1) 砕砂 (S2) 砕石 (G) AE減水 剤 20 53.9 46.0 172 320 408 407 1005 3.20

（1）コンクリート床版

（2）MMA樹脂コンクリート

使用材料名 ＭＭＡ樹脂 モルタル 主剤 細骨材 ＭＭＡ樹脂用 プライマー ＭＭＡ樹脂モルタル 硬化剤 使用重量 （kg） 2.7 25 1.82 0.081（3％） 参考資料

（3）膨張性SFRC

各材料の配合

水結合 材比 W/B（％） 細骨材 率 s/a （％） 単位量（kg/m3_） W B S G SF SP JS MA C NEX 37.5 55 185 473 20 824 760 100 3.45 3.45 0.0986 W: 水，B: 結合材(＝C+NEX)，C: 超速硬セメント（比重3.01）， NEX: 膨張材（比重3.19），S: 細骨材（表乾比重2.59）， G: 粗骨材（表乾比重2.63），SF: 鋼繊維（比重7.85）， SP: 高性能減水剤，JS: 凝結遅延剤，MA: 空気量調整剤． SF：繊維長30mm，公称径0.62mm，体積混入量Vｆ＝1.27% 経 過 時 間 （min） 0 10 20 50 52 ス ラ ン プ （cm） 11.5 13 12 6 0

膨張性SFRCのスランプの変化

参考資料

MMA樹脂コンクリート：温度-弾性係数関係

MMA樹脂コンクリート：温度の経時変化

0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 20 40 60 80 100 荷重走行回数（万回） 表面温度（ ℃） MMA樹脂表面温度 床版下面の温度 参考資料

膨張性SFRC

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 0 168 336 504 672 840 1008 注水からの材齢（時間） ひずみ（μ） Ex+SF Ex SF Normal 気乾状態 （7日） （0日） （14日） （21日） （28日） （35日） （42日）

膨脹材の添加→自己収縮は1/4～1/5に低減

EX：膨張材のみ SF：鋼繊維のみ EX+SF：膨張材+鋼繊維 Normal：膨張材も鋼繊維 もなし 参考資料

予備載荷における荷重強度の決定

参考資料

作用荷重（tｆ) 走行回数（回）

10

45,783,503

11

13,564,512

12

2,233,930

13

1,608,505

14

624,657

15

258,949

16

113,626

17

52,412

18

25,270

19

12,674

20

6,586

約3日間の走行

目的

所定の劣化度を不えるたわみを求めるために，Huberの版

理論に従い，Compo解析によって全断面有効時の理論活荷

重たわみW

o

および引張側コンクリート無視時の理論活荷

重たわみW

ｃ

を求める．

分割諸元・・・次ページ参照

設定荷重・・・10tf（98000N）

載荷面積・・・中央120mm×300mm載荷

解析概要

参考資料

弾性支持 単純支持 載荷位置

要素分割図

Huberの版理論式，直交異方性版理論

参考資料  x y q y w D y x w H x w D_x 2 _{y 4} , 4 2 2 4 4 4              cx sx x I n I D 1 -1 E : ₂ c c    の板剛性＝ れを考慮した合成床版 床版支間方向のひび割   cy sy y I n I D 1 -1 E : ₂ c c    剛性＝ 考慮した合成床版の板 橋軸方向のひび割れを y x y x c y x c xy D D D D D D D D H       2 1 2 2 :有効ねじり剛性＝ ₁   y x c D D D1  x y c xy D D D 2 1  :コンクリートの弾性係数，ポアソン比 :橋軸方向の中立軸に関するコンクリート，鉄筋の断面２次モーメント :橋軸直角方向の中立軸に関するコンクリート，鉄筋の断面２次モーメント c c E , sx cx I I , sy cy I I ,

断面諸量および材料定数

(主鉄筋断面）

供試体の種類 No1 No2 No3 ＭＭＡ ＳＦＲＣ コンクリートのヤング係数Ｅｃ

（Ｎ/㎡） 3.23.E+10 3.19.E+10 3.26.E+10 3.23.E+10 3.19.E+10 ポアソン比 ν 0.198 0.167 0.203 0.198 0.167

鋼材のヤング係数Ｅｓ（Ｎ/㎡） 1.926E+11 1.957E+11 1.899E+11 1.926E+11 1.957E+11

増厚材料のヤング係数Ｅo （Ｎ/㎡） 3.70.E+09 3.50.E+10 全断面有効中立軸位置（m) 0.081 0.081 0.081 0.1132 0.0955 引張コンクリート無視中立軸位置 （m） 0.038 0.039 0.038 0.071 0.044 全断面有効コンクリート換算断面

2次モーメント（m4₎ 3.727E-04 3.736E-04 3.720E-04 3.5259E-04 6.354E-04

引張コンクリート無視換算断面

2次モーメント（m4₎ 8.873E-05 9.075E-05 8.710E-05 8.8634E-05 1.471E-04

断面諸量および材料定数

(配力筋断面）

供試体の種類 No1 No2 No3 ＭＭＡ ＳＦＲＣ コンクリートのヤング係数Ｅｃ

（Ｎ/㎡） 3.23.E+10 3.19.E+10 3.26.E+10 3.23.E+10 3.19.E+10 ポアソン比 ν 0.198 0.167 0.203 0.198 0.167

鋼材のヤング係数Ｅｓ（Ｎ/㎡） 1.973E+11 1.92E+11 1.898E+11 1.973E+11 1.920E+11

増厚材料のヤング係数Ｅo （Ｎ/㎡） 3.70.E+09 3.50.E+10 全断面有効中立軸位置（m) 0.081 0.081 0.081 0.1132 0.0953 引張コンクリート無視中立軸位置 （m） 0.036 0.036 0.035 0.06835 0.04045 全断面有効コンクリート換算断面

2次モーメント（m4₎ 3.669E-04 3.665E-04 3.657E-04 3.468E-04 6.274E-04

引張コンクリート無視換算断面

2次モーメント（m4₎ 7.835E-05 7.743E-05 7.539E-05 7.873E-05 1.253E-04

床版中央の理論たわみ（98kN換算）

分類 無補強 MMA樹脂補強 SFRC補強 理論活荷重 たわみ（mm） 全断面有効

0.380

0.319

0.203

引張側 コンクリート 無視

1.69

1.78

1.08

参考資料

参考資料：実験結果

予備載荷の結果：

活荷重たわみの経時変化

参考資料

0

1

2

3

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

走行回数（万回）

床版中央の活荷重た

わみ（

ｍ

ｍ

）

No.1床版

No.2床版

引張側コンクリート無視理論活荷重たわみ 全断面有効コンクリート無視理論活荷重たわみ

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500

計測位置（mm）

床版中央の活荷重た

わみ（

ｍ

ｍ

）

予備載荷の結果：

活荷重たわみ分布

参考資料 No.1床版 予備載荷前 引張側コンクリート無視理論活荷重たわみ 全断面有効コンクリート 無視理論活荷重たわみ No.1床版 予備載荷後 No.2床版 予備載荷前 No.2床版 予備載荷後

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0

1.00E+00 1.00E+02 1.00E+04 1.00E+06 1.00E+08 等価繰り返し走行回数（回） ひび割れ密度　 Cd （ m / m 2 ）

予備載荷の結果：

ひび割れ密度の経時変化

参考資料 No.2床版 No.1床版

使用限界状態

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

1.E+00 2.E+09 4.E+09 6.E+09 8.E+09 1.E+10

等価繰り返し荷重走行回数（万回） 活荷重たわみ（ ｍ ｍ ） .

本載荷の結果：

活荷重たわみの経時変化

参考資料 MMA補強床版 SFRC補強床版 No.3無補強床版

本載荷の結果：

補強前後の引張鉄筋ひずみの低減

参考資料

ゲージ名 5・h-I 4-5・h 3・h-I 2-3・h 1´h-I 0-1´h 0・g-h 0・e-f 0・h-I

ひずみ値 （με） 予備載荷 終了 240 62 80 75 488 232 500 315 563 増厚補強 直後 181 22 91 42 364 147 384 270 364

ゲージ名 5・h-I 4-5・h 3・h-I 2-3・h 1´h-I 0-1´h 0・g-h 0・e-f 0・h-I

ひずみ値 （με） 予備載荷 終了 253 -3 378 27 529 116 565 41 520 増厚補強 直後 145 6 189 35 269 60 262 42 242

No.1→MMA樹脂コンクリート補強

No.2→膨張性SFRC補強

多くの鉄筋でひずみ値の低減を確認

参考資料

参考資料

ひび割れ発生状況図

参考資料

参考資料

参考資料

参考資料

MMA補強床版

補強後（MMA）

増厚前

（No.

1）

参考資料

参考資料

計測点位置

参考資料

参考資料

参考資料

疲労耐久性の評価

1等価繰り返し走行回数

ここに、Neq：基準とする荷重Poに換算した等価繰り返し走行回数

Pi：実際に載荷した荷重（tf）

Po：基準とする荷重（tf）

ni：荷重Piにおける走行回数

m：係数 1/k k＝0.07835でS-N曲線の傾きの絶対値

2 S-N曲線

ここに、P：作用荷重（tf）

Psx：押し抜きせん断耐力

N：繰り返し走行回数

等価繰り返し走行回数とS-N曲線式

i m

n

Po

Pi

Neq





(

/

)

520

.

1

07835

.

0

)

/

(

P

P

LogN

Log

Log

_sx







参考資料

2上面増厚補強床版

ここに，ｔ：増厚高さ（㎜）

τ

s´max

：増厚材料の最大せん断応力度（N/mm

2

)

1無補強床版

ここに，B：梁状化したときの梁幅（mm）

τ

smax

：最大せん断応力度（N/mm

2

)

x

m

:中立軸高さ(mm）

C

m

：かぶり（mm)

σ

tmax

：コンクリートの最大引張応力度（N/mm

2

)

押し抜きせん断耐力の算定式

参考資料 max max

2

2

_{s m m t} sx

B

x

C

B

P















_{max max}



2

_max

2

_{s m s m t}

sx

B

x

t

t

C

B

0.1 1.0

1.E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09 1.E+10 1.E+11

等価繰り返し荷重走行回数（回） 載荷荷重せん 断強度比（ P / P sx ) No.3床版 SFRC補強床版 MMA補強床版

S-N関係図

MMA補強床版

6倍

SFRC補強床版

101倍

参考資料

0.1

1.0

1.E+06

1.E+08

1.E+10

1.E+12

等価繰り返し荷重走行回数（回）

載荷荷

重せん断強

度比（

P

/

P

sx

)

かぶりを＋1cm（4cm）とした場合

ほぼS-N曲線上にプロットされる．

参考資料 No.3床版 MMA補強床版 SFRC補強床版

0.1

1.0

1.E+06

1.E+08

1.E+10

1.E+12

等価繰り返し荷重走行回数（回）

載荷荷

重せん断強

度比（

P

/

P

sx

)

参考資料

ＭＭＡ補強床版が押し抜きせん断破壊した場合

ＭＭＡ補強床版

187倍

SFRC補強床版 MMA補強床版 No.3床版

初期損傷を考慮した評価手法

Dδ＝1.21 No.3 押し抜きせん断破壊 活 荷 重 た わ み 等価繰り返し走行回数 Dδ＝0.99 No.1 残存寿命

N

_f

‐N

₁ No.2 残存寿命

N

_f

‐N

₂ N2 N1 Nf 参考資料

残存寿命の推定

・No.3床版の破壊荷重走行回数をN

fとする．

・No.1，2床版の劣化度における荷重走行回数をN

1，

N

2とする．

・残存寿命はそれぞれN

f

-N

1

，N

f

-N

2

で表わされる．

参考資料

残存寿命に対する疲労耐久性

・上面増厚補強された床版の荷重走行回数をN

MMAお

よびN

SFRCとする．

・残存寿命に対する比は以下の式によって表わされ

る．

1

N

N

N

f MMA MMA







2

N

N

N

f SFRC SFRC







MMA補強床版 SFRC補強床版

η

110

72

衝撃振動試験

1.

たわみ

による劣化度

（1） ここに D_δ：たわみから求まる劣化度 Ｗ：任意の走行回数における活荷重たわみ Ｗo：全断面有効時の理論活荷重たわみ Ｗｃ：引張側コンクリート無視の理論たわみ

2.

ひび割れ密度

による劣化度

（2） ここに D_c：ひび割れ密度から求まる劣化度 Cd：ひび割れ密度（m/m2_）

W

Wo

Wc Wo

D

_







0

.

10

Cd

D

_c



既往の劣化度の定義式

参考資料

Ⅰ 質量約5kgの木槌を高さ10cm

から落下

Ⅱ 床版上面に設置した加速度計

より振動を感知

Ⅲ 応答波形からFFTにより周波

数分布を求める

Ⅳ ピーク周波数を読み取る

木槌 加速度計

実験方法

参考資料

浮上り防止装置 主桁（単純支持） 横桁（弾性支持） 輪荷重軌道 打撃位置 加速度計計測位置 No1 No2 No3 No4 No5

加速度センサの配置概要 単位（㎜）

参考資料

試験状況

参考資料 加振 加速度センサ ゴム版

木槌で衝撃を入力

し，版全体を振動

させる．

床版1パネル区間を

検査対象とする．

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0 25 50 75 周波数（Hz） ス ペ ク ト ル強度 （ m / s² ） 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0 25 50 75 周波数（Hz） ス ペ ク ト ル強度 （ m / s² ）

走行前

初期走行終了

ピーク周波数が

低周波側へシフト

参考資料

No.1床版（

走行前後

）スペクトル分布

参考資料

たわみーひび割れ密度から求まる劣化度の相関

0.00

0.50

1.00

1.50

0.00

0.50

1.00

1.50

たわみによる劣化度D

_δ

ひ

び

割れ密度に

よ

る

劣化度

D

c

D

_δ

＝D

_c

No.3

No.2

No.1

MMA

SFRC

0.0

0.5

1.0

1.5

15

30

45

60

75

固有振動数（Hz）

劣化度

D

δ 参考資料

固有振動数ーたわみから求まる劣化度の相関

No.3

No.1

No.2

SFRC

MMA

固有振動数-ひび割れ密度から求まる劣化度の相関

参考資料

0.0

0.5

1.0

1.5

15

30

45

60

75

固有振動数（Hz）

劣化度

D

ｃ

No.3

No.1

No.2

MMA

SFRC

位相差スペクトル

走行前 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0 20 40 60 周波数（Hz） スペ ク ト ル振幅 （m/s 2） 走行終了 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0 20 40 60 周波数（Hz） ス ペ ク ト ル振幅 （m /s2） 位相差スペクトル 0 90 180 270 360 0 20 40 60 周波数（Hz） 位相角 （ 度） _No1 No4 No5 位相差スペクトル 0 90 180 270 360 0 20 40 60 周波数（Hz） 位相角 （ 度） _No1 No4 No5 参考資料

固有振動数-たわみから求まる劣化度

D

_δ

y = 100.24x

2

- 262.41x + 202.19

R

2

= 0.9964

0

15

30

45

60

75

0.00

0.50

1.00

1.50

たわみから求まる劣化度

D

_δ

固有

振動

数（H

z）

No.1

No.2

参考資料

固有振動数-ひび割れ密度から求まる劣化度

D

_ｃ

y = 80.318x

2

- 187.72x + 140.04

R

2

= 0.9933

0

15

30

45

60

75

0.00

0.50

1.00

1.50

ひび割れ密度から求まる劣化度

D

_ｃ

固有

振動

数（H

z）

No.1

No.2

参考資料

（劣化度の推定手法の検討に関して）

・たわみ-ひび割れ密度はほぼ直線関係となる．

・固有振動数-たわみ，固有振動数-ひび割れ密度

の関係において良い相関が確認できた．

⇒非破壊検査を適用することで

劣化度を推定できる可能性を示した．

まとめ

参考資料