耐震補強
「円弧拘束RCダンパ工法」
鉄筋コンクリート部材を用いた制震工法による橋梁の耐震補強工法
制震工法は、長周期化や減衰付加により、橋脚や基礎に作用する地震力を低減できる工法です。制震工法は機械式ダンパや鋼製ダンパによる工法が一般的であるが、耐久性やコストの面で課題がありました。
円弧拘束RCダンパ工法は、従来の制震工法にあった耐久性やコスト面での課題を解決するために、RCダンパ部材に円弧拘束機構を付与した制震ダンパ工法です。
本工法は、この円弧拘束機構の付与により、地震時に繰り返し生じるRCダンパ部の大きな変形に対して、安定した変形性能と減衰性能を有しています。RCダンパが曲げ変形する際にRCダンパ内部の軸方向鉄筋が塑性変形することで、ダンパとしての減衰力が得られます。また、RCダンパ部は高密度ポリエチレン管で被覆された部材としているので、塩害などに対して高い耐久性を確保することが可能となっています。
特許登録済及び特許出願中
円弧拘束RCダンパによる耐震補強のイメージと円弧拘束RCダンパのメカニズム
- キーワード
- 橋梁、制震、耐震補強、ダンパ、耐久性
従来RC部材の2倍以上の高い繰返し変形性能
一般的な鉄筋コンクリート部材は、地震時繰返し変形を受けて、断面力が大きくなる部材端部にて鉄筋降伏により塑性ヒンジが形成され、コンクリートの圧縮破壊、鉄筋の座屈によるかぶりコンクリートの剥落、及び鉄筋の破断によって耐力が低下し、部材としての終局に至ります。本円弧拘束RC工法は、塑性ヒンジ部を緩やかな円弧形状に変形させることにより、鉄筋コンクリート部材の繰返し変形性能を飛躍的に高めることを可能としています。従来の鉄筋コンクリート部材の限界変形性能が部材角4%程度（せん断スパン長1,000mmに対し、水平変形量40mm）とされているのに対し、本円弧拘束RCダンパは、部材角8%以上（従来技術の２倍以上）の繰返し変形性能を有することを、実物大試験体を用いた構造実験で確認をしています。
実物大試験体構造実験による地震時変形性能の確認
実物大実験より得られた水平荷重－水平変位の関係
（繰返し変形に対して非常に安定した履歴特性）
特長・メリットココがポイント
高い繰返し変形性能
地震時に生じる大きな繰返し変形に対して、非常に安定した性能を有します。多数回地震動に対しても高い安全性を有します。
- 高い変形性能（水平変形±160mm以上）
- 多数回地震に対する安定性（繰返し100回以上鉄筋破断等の脆性的な破壊なし）
- 明快な力学メカニズム（様々な条件で設計可能）
実物大実験による高い繰返し変形性能の確認
塩害等に対する高い耐久性
ダンパ部は、高密度ポリエチレン管で被覆されていますので、海岸線に近い環境にける塩害等に対して高い耐久性を有します。高密度ポリエチレン管は、斜張橋ケーブルや電線の被覆材として多数の実績があり、信頼性の高い材料です。
高密度ポリエチレン管による被覆構造
低価格の制震ダンパ
橋脚や基礎に作用する地震力を低減する耐震補強として制震工法が有効ですが、機械式ダンパなどでは高いコストが課題でした。本工法では、機械式ダンパなどと比較して低価格で制震工法を採用することが可能となります。また、機械式ダンパで必要な塗装などのメンテナンス費を大幅に削減することが可能となります。
円弧拘束ダンパと機械式ダンパの初期コスト比較
（制震ダンパ性能 200kN、±150mmの場合）
適用実績
高速道路耐震補強
規模：設置ダンパ約200本
連続繊維シートによる橋脚の耐震補強工法
炭素繊維及びアラミド繊維を用いた巻き立て補強工法
炭素繊維やアラミド繊維は、鋼材に比べて高強度･高耐久性･軽量･施工が容易という特徴を有しており、付加価値の高い建設材料として注目されています。これらの連続繊維をシート状にして、樹脂接着剤を用いて橋脚表面に貼り付けることにより、橋脚のせん断耐力や靱性（変形性能）の向上を容易に行うことができます。
鹿島では、さまざまな構造実験を行い、炭素繊維シート及びアラミド繊維シートを用いた橋脚の耐震補強工法を確立しています。
連続繊維シートによる橋脚耐震補強のイメージ
- キーワード
- 橋脚、耐震補強、連続繊維シート、炭素繊維シート、アラミド繊維シート、巻き立て
施工手順の概要
連続繊維シートの一般的な施工手順はフロー図に示すとおりで、連続繊維シートを必要回数だけ繰り返し貼付することにより設計で要求される耐震補強性能を確保します。
連続繊維シートや接着剤などの使用材料は鋼板補強に比べて軽量であるため、揚重機などを使用しないで施工場所へ搬入することができます。また、連続繊維シートは補強対象構造物の形状に合わせて現地で切断加工することができます。
連続繊維シートの施工状況（シート貼付工）
連続繊維シートの施工手順の一例
特長・メリットココがポイント
連続繊維シートの特徴
連続繊維シートには、次のような特徴があります。
- 高強度（PC鋼材以上の引張強度）
- 軽量（比重が鋼材の1/5程度）
- 高弾性（鋼材の1～3倍の弾性係数）
- 高耐久性（腐食の心配がない）
炭素繊維シート
- 軽量かつ高強度で施工が簡便
- 破断ひずみが大きいため、繊維が破断しにくい
- 耐衝撃性が高く、地震波などの衝撃に強い
- 電気絶縁性があり、通電トラブルがない
アラミド繊維シート
連続繊維と鋼材の応力－ひずみ曲線の比較
連続繊維シートの機械的性質
連続繊維シートの代表的な機械的性質を示します。必要補強量に応じて、繊維目付量と積層枚数を適切に組み合せて使用します。
連続繊維シートの機械的性質の一例
適用実績
田尻スカイブリッジ耐震補強
場所：大阪市泉南郡田尻町
竣工年：2021年
発注者：大阪府
規模：炭素繊維シート7,800m2
アラミド繊維シート3,500m2
京急久里浜駅構内耐震補強
場所：神奈川県横須賀市
竣工年：2009年5月
発注者：京浜急行電鉄
使用材料：アラミド繊維シート
鶴見つばさ橋耐震性向上
場所：神奈川県横浜市
竣工年：2006年9月
発注者：首都高速道路公団
規模：炭素繊維シート6,800m2
学会論文発表実績
- 「炭素繊維シートによる鶴見つばさ橋主塔橋脚SRC構造部の耐震補強効果確認実験」，構造工学論文集Vol.53A，土木学会，2007年3月
- 「アクリル樹脂を用いた鶴見つばさ橋主塔橋脚の耐震補強工事」，土木学会，第35回関東支部技術研究発表会，2008年3月
既設岸壁の耐震補強工法
可塑状グラウトとジェットクリート、杭による
ケーソン式岸壁補強工法
港湾施設等の荷揚岸壁は、通常時は資機材などの荷揚げに使用しますが、災害時においては緊急資機材の搬入拠点としての機能も担う重要設備です。
ケーソン式岸壁は、ケーソンと背面の裏込栗石で構成されていますが、大地震時にはケーソンの変状（沈下または海側への移動）やケーソン背面地盤の地盤変状などが生じ、その機能を喪失することが懸念されます。
このため、ケーソン式岸壁の耐震性向上を目的として、ケーソン背面土の地盤改良（可塑状グラウトとジェットクリートの組合せ）およびケーソンへの補強杭による補強工法を愛媛県の岸壁に採用しました。
施工状況
ケーソン式岸壁補強工法 標準断面図
- キーワード
- 岸壁、ケーソン、耐震性向上、地盤改良、補強杭
施工ステップ
- 1. 高圧噴射撹拌工施工時の海域への固化材などの流出防止を目的に可塑状グラウトで遮蔽壁を造成します。
- 2. ケーソン背面土を対象に高圧噴射撹拌工による地盤改良（ジェットクリート工法）を行います。
- 3. 既設ケーソンと補強杭を一体化し、ケーソンに作用する外力の補強杭への伝達を目的とした高強度可塑状グラウトをケーソン隔壁内に注入します。
- 4. 既設ケーソンを貫通する補強杭を施工します（オールケーシング工法）。
施工手順図
特長・メリットココがポイント
本工法は、以下に示す3つの技術で成立しています。
1. 可塑状グラウトによる巨礫の空隙充填、改良材の海域への流出防止
可塑性グラウトは、シールドトンネルの裏込め材やトンネル空洞充填材などに活用されてきました。しかしながら、地下水位以下の巨礫地盤中の空隙充填への適用事例が少ないため、室内試験と現場施工試験により目標品質を確認した結果、良好な充填状況が確認できました。また、地盤改良材（ジェットクリート工）の海域への流出防止として、遮蔽壁の機能も果たしています。
可塑状グラウト充填後コアの一例
2. ジェットクリート工による巨礫を含む地盤改良
ケーソン背面土は巨礫を含む地盤（最大粒径700mm）であり、通常の地盤改良が困難でした。このため、現場施工試験により改良出来形、改良品質を確認しました。その結果、未改良部はなく、巨礫を含む地盤でも良好に改良できることを確認しています。
改良体ボーリングコアの一例
3. ケーソン隔室内グラウト工と補強杭の施工
ケーソン隔室内は中詰栗石が詰まっていて、補強杭施工のための削孔時、孔壁が崩壊して中詰栗石の緩み（ジャ－ミング）が生じ、ケーソンの変位が懸念されました。これに加えて、ケーソンと補強杭を一体化しケーソンに作用する外力を補強杭に伝達させることが必要です。このため、グラウト充填により孔壁崩壊を防止して施工中のケーソンの変位を抑制するとともに、ケーソンと補強杭を確実に一体化させました。
耐久性評価ツール
「LIFE D.N.A.®」
コンクリート中の劣化因子移動や化学反応を予測する解析ソフト
近年、コンクリート構造物の耐久性向上のニーズが高まり、100年以上の耐用年数が要求されることもあります。しかし、100年以上の長期にわたる耐久性を、これまでのコンクリート構造物の実績や経験のみで説明することは極めて困難です。そこで、鹿島では解析的手法によりコンクリートの耐久性を評価する研究に取り組み、耐久性評価に重要な劣化因子のコンクリート内での移動を把握する手法について検討してきました。これらの研究成果をシステムとして取りまとめ、コンクリート内の劣化因子の移動を精度良く解析する、「LIFE D.N.A.®（Diffusion aNd Advection）」を開発しました。
平成15年度土木学会 吉田賞
2004年日本コンクリート工学会 論文賞
2021年度セメント協会論文賞
構造物に生じた劣化の一例
- キーワード
- コンクリート、耐久性、物質移行、劣化因子、溶脱、中性化、塩害、拡散係数、空隙率
技術の詳細
LIFE D.N.A.は、コンクリートの耐久性を評価するために重要となる劣化因子（イオン、水分など）のコンクリート内での移動を把握することで、コンクリートの耐久性を高い精度で評価するシステムです。また、劣化因子の拡散・移流といった基本的な物質移動のみでなく、劣化因子の移動速度に関連するコンクリート内の化学反応も考慮しています。これにより、コンクリート内の劣化因子の移動を精度良く解析することができます。
LIFE D.N.A.では、塩分浸透などのイオンの移流拡散解析を行う「一般解析」、中性化の解析を行う「中性化解析」、Ca溶脱の解析を行う「溶脱解析」、複数イオンの移動を考慮した解析を行う「多種イオン溶脱解析」、硫酸による劣化の解析を行う「硫酸解析」、硫酸塩による劣化の解析を行う「硫酸塩解析」の6種類について、1次元および2次元で解析することができます。それぞれの要素ごとに拡散係数、初期含有量、境界条件を設けることが可能です。境界条件は、時間依存性を考慮することができるので、例えば補修後の塩分浸透性を解析することが可能です。
これらの機能により、新設構造物については、構造物の設計段階で、材料、構造物形状、初期欠陥の有無を考慮した耐久性評価を行うことができます。また、既設構造物については、劣化調査結果（欠陥、構造物形状、劣化程度）に基づき、補修方法、時期、材料の評価・選定を行うことができます。
入力画面の例
浸透性吸水防止材「マジカルリペラー」による塩分浸透抑制解析の事例
特長・メリットココがポイント
ひび割れを有するコンクリートについて評価可能
コンクリートにひび割れが入ることで、劣化因子のコンクリート中への浸透が早くなり、構造物は早期に劣化します。LIFE D.N.A.では、このようなひび割れを有するコンクリートの耐久性を評価することができます。下図では、0.5mmのひび割れを有するコンクリートの塩害に対する照査例を示しています。
- ひび割れの存在によって、塩化物イオンが早期に鉄筋位置まで侵入することが分かります。
- 他にも、LIFE D.N.A.では、表面被覆された場合など、実際の環境に応じたコンクリートの耐久性評価が可能です。
ひび割れを有するコンクリートの塩害照査例
Caの溶脱についても精度良く評価可能
ダム、河川の橋脚、水道施設のように水と接するコンクリートからは、長期的にその主成分であるCaが溶け出してしまう、「溶脱」と呼ばれる現象が生じます。LIFE D.N.A.では、この「溶脱」に対する評価も可能です。
LIFE D.N.A.の解析精度を検証するため、実際に70年間供用された構造物についてCaの溶脱を調査し、LIFE D.N.A.による解析値と比較しました。
- 実際の環境を考慮した解析を実施した結果、解析値と実測値は精度良く合致することが確認されました。
実構造物の調査結果との比較（Caの溶脱）
適用実績
LIFE D.N.A.は、新設・既設構造物を合わせると、これまでに100件以上の構造物の塩害、中性化、溶脱などに関する耐久性評価・設計・維持管理に幅広く適用されています。
学会論文発表実績
- 「コンクリート中の各種イオン移動と化学反応のモデル化」，セメント・コンクリート論文集，Vol.74，No.1，2021年
- 「セメント系材料からの成分溶脱解析における水和物の沈殿と境界条件の影響」，コンクリート工学年次論文集，Vol.31，No.1，2009年
- “Modeling of leaching from cementitious materials used in underground environment”，Applied Clay Science，Vol.26，2004年
- 「カルシウムイオンの溶出に伴うコンクリートの変質に関する実態調査と解析的評価」，土木学会論文集 Ⅴ，Vol.54，2002年
- 「モルタルからのCa溶出およびそれに伴う変質の長期予測に関する基礎的研究」，土木学会論文集 Ⅴ，Vol.45，1999年
