コンクリート構造物設計の要点

阪 田 憲 次

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建設材料
•鋼
• コンクリート
• れんが
• 木材

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コンクリートの特徴• 世界のあらゆる地域において製造可能• 多種多様な強度、形状、寸法の構造物に適用• 信頼性、耐久性の高い材料• 価格低廉（セメント、砂、砂利、水）• 圧縮には強いが引張には弱い• アルカリ性 ⇔ 鉄筋の腐食を防ぐ• 線膨張係数が鋼の線膨張係数と同一• 付着力（接着力）が大きい

鋼とともに、主要な建設材料である
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コンクリート構造物の設計構造物が具備すべき条件（要求性能）
1）安全性：自重、自動車、列車、群衆、地震、風、雪、土圧、水圧、波圧、潮流圧、温度変化、収縮差等の種々の荷重作用 に対して安全である。
2）耐久性：凍結融解、繰り返し荷重、高温、中性化等の作用および、海水（硫酸塩）、塩化物イオン、酸・アルカリ等の環境作用に抵抗し、長年月にわたって使用に耐える。
3）使用性：通常の使用に際し、過度のたわみ、振動等の不都合を生じない。
4）環境性：景観、環境負荷などが問題になることもある。
5）経済性4

鉄筋コンクリートの原理
荷重（作用）
曲げモーメントが作用C/L
圧縮応力はコンクリートが負担

中立軸

引張応力は鉄筋が負担
鉄筋とコンクリートとは付着力によって一体化している

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許容応力度法

M１） つり合い条件： C = T (C = bxσc/2

T = σsAs)２） 平面保持の仮定： σc/σs/n = x/(d-x)３） モーメントのつり合い条件： M = CZ = TZ

σc = M/αbd2 ≦ σca σs = M/βbd2 ≦σsa４） 許容応力度 ： σca = fc’/3 σsa = 180 N/mm2 ≒ fy/1.56許容応力度法における耐久性への対応• 水セメント比の制限
1） 耐凍害性:表1の値以下でなければならない。
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２） 海洋構造物（塩分環境下）に用いるコンクリートの水セメント比は表2の値以下とする。
２３） 耐化学薬品性：① SO2として0.2%以上の硫酸塩を含む土や水に接するコンクリートは表2の（Ｃ）の値以下とする② 融氷剤を用いることが予想される場合は、（ｂ）の値以下とする。
４） 水密性:普通および軽量コンクリートで55%以下、ダムの外部コン
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クリートで60%以下とする。

仕様規定から性能規定への移行• 仕様規定が、構造物の材料や工法、寸法を具体的に規定するのに対して、性能規定は、構造物に要求される「性能」を規定するものです。
• 性能規定化の効果①社会への説明性の向上②基準類など国際標準との整合を確保③設計・施工の自由度の増加が新技術の採用を促進④技術競争力の向上による品質の向上とコスト縮減（国土交通省ホームページより）9性能規定の効果 （国土交通省HPより）・鉄筋が過密・鉄筋組立が複雑←
・コンクリート打設が大変

照査 →・鋼管を活用して鉄筋を少量化
・鉄筋加工、組立の省力化
・コンクリートの打設が容易
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土木学会コンクリート標準示方書
要求性能
安全性
性能照査型設計（2002年）

許容応力度設計法（1931年）

耐久性・・・・・・・・

限界状態設計法（1986年）
耐久性照査（1999年）

仕様規定

11安全性の照査（限界状態設計法）
・断面力の決定（荷重）作用の特性値

構造解析

設計断面力

設計作用
γf：作用係数

γa：構造解析係数

・断面耐力の決定
終局強度の計算

設計断面耐力設計強度
γb：部材係数・照査

γm：材料係数

材料強度の特性値
設計基準強度照査

設計断面耐力

設計断面力
γi：構造物係数12ブロック積み擁壁工法「道路土工－擁壁工指針」• 擁壁の設計に当たっては、原則として、想定する作用に対して要求性能を設定し、それを満足することを照査する。
• 擁壁の設計は、論理的な妥当性を有する方法や実験等による検証がなされた手法、これまでの経験・実績から妥当とみなせる手法等、適切な知見に基づいて行うものとする。
• 通常のブロック積擁壁では、経験に基づく設計法により、ブロックの積み方は原則として練積で、水平方向の目地が直線とならない谷積にするものとする。（仕様規定）

13耐久性の照査
設計の段階で耐久性を保証する
予測式← コンクリートの配合条件等↓(安全係数)X(劣化現象の設計値）≦(制限値）
↑
実験、実績
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中性化

CO2CO2かぶり；C中性化残り;Ck

鉄筋コンクリート
pH=12.5

pH=8.5Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
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中性化の照査
構造物係数:1.0（重要構造物1.1）

γiyd＜1.0ylim

中性化深さの設計値 = γcb･αd√tαk･βe･γc
αk：中性化速度係数の特性値
βe:環境作用の程度を表す係数
γc：コンクリートの材料係数

鋼材腐食発生限界深さ＝C－Ck
C：かぶりの期待値（設計かぶり）
Ck：中性化残り
通常環境；10mm
塩分環境下；10～25mmとするのがよい。

中性化に対する耐用年数（年）16各種係数等予測値
・中性化速度係数：p = 3.57  9.0・W/B
・塩化物イオンに対する拡散係数：
普通ポルト； log Dp = -3.9(W/C)2  7.2(W/C) - 2.5
高炉､シリカ； log Dp = -3.0(W/C)2  5.4(W/C) - 2.2・相対動弾性係数：試験 JIS A 1148(A法)で求めてよい。
最大 W/C を表で与える。
・ 耐化学的侵食性：最大 W/C を表で与える。

・ コンクリートの透水係数：試験で求める。
log Kp = 4.3(W/C) - 12.517耐震設計18

震度とは地盤がαガルの加速度で振動した時その重力の加速度g（980ガル）との比は、
k = α/gk:震度B/2
モーメントのつり合い
kW・Ｈ／２ = W・Ｂ／２

kW

G

ｋ＝Ｂ／Ｈ
ウエストの公式

H/2W

震度法
＝
静的横力法
＋許容応力度法19• 1923年：関東地震（M=7.9）
橋脚、橋台、基礎に耐震上問題があることが分かった。
日本興業銀行ビル（震度＝0.067で設計）；関東地震で無傷であり、震度法が評価されたが、内藤多仲理論による耐震壁、塑性域の変形性能、不静定次数等が影響しての結果である。
• 1926年：道路構造に関する細則案（物部長穂）
橋の建設地点に生じる最も強い地震力を対象とし、橋の各部に最大の応力を生じさせる震度を考慮する。これは橋に対する世界初の耐震基準であるが、設計の具体的な記述はなく、耐震設計の実務は技術者に委ねられていた。
新潟地震までの38年間、震度法が必要以上に過信され、橋の耐震技術に関する進歩はなかった。
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• 1964年：新潟地震（M=7.5）• 1971年：道路橋耐震設計指針（耐震基準）①標準震度を0.2 とし、これに地域、地盤、重要度の補正係数をかけて設計震度を求める。
②震度は地盤の揺れではなく、橋の揺れ（応答加速度）に基づいて定める。「応答を考慮した修正震度法」（動的概念）
橋の固有周期に基づく修正係数は最大で1.5（過少評価）<2.5（神戸）③液状化対策 ④落橋防止装置• 1990年:地震時保有耐力法
RC橋脚にだけ適用され、設計地震動は、関東地震の加速度応答スペクトル(最大１g)で与える。
・ 1995年：兵庫県南部地震（M=7.3）→コンクリート標準示方書(後述）・ 2011年:東北地方太平洋沖地震（M=9.0）
津波に対する備え（後述） 長周期地震動
21速度波形と速度応答スペクトル
東京大学地震研究所古村教授作成

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地震による構造物の破壊
阪神高速道路３号神戸線８径間PC高架橋(1969年完成) 設計震度：0.2（水平方向） 0.1（上下方向）「土木ウォッチング」東京都市大学吉川弘道教授より23土木学会コンクリート標準示方書（2017年制定）
4.2 地震の影響(設計編：標準）(2) レベル１地震動は、設計供用期間中に生じる可能性が比較的高い地震動としてよい。
(3) レベル２地震動は、設計供用期間中に生じる確率は小さいが、非常に強い地震動とし、一般に、以下の地震動のうち、その影響の大きい方としてよい。
（ⅰ） 直下もしくは近傍における内陸の活断層による地震動（兵庫県南部地震における神戸ポートアイラン
ド強震計の記録（12年版））（ⅱ） 陸地近傍で発生する大規模なプレート境界地震による地震動（中央防災会議が提唱している想定東海地震の断層モデル；MW=8.0(12年版））
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耐震補強、耐震設計の効果

在来線（阪神以降の耐震設計）

東北新幹線（未補強のものでのみ軽微な損傷）
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津波による橋梁の破壊（2011年：東北地方太平洋沖地震）

北リアス線

島越駅付近

ラーメン高架橋26

土木学会コンクリート標準示方書（2012年制定）
６．４ 作用の種類(設計編：本編）
6.4.1 一般
性能照査にあたっては、一般に以下に示す荷重を考慮することとする。
・死荷重 ・活荷重 ・土圧 ・水圧 ・流体力 ・波力・プレストレスト力 ・風荷重 ・収縮およびクリープによる影響 ・温度の影響 ・日射の影響・地震の影響
・施工時荷重 ・その他
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土木学会コンクリート標準示方書（2012年制定）6.4.5 水圧、流体力および波力（設計編：本編）(1) 静水圧、地震時動水圧、流体力および波力は、構造物の種類、環境条件、部材の寸法等に応じて定めるものとする。
【解説】流れによる流体力の特性値Pwは、次式により求めてよい。
Pw = 0.5 ρ・ν2・Cν・A（Ｎ）
ここに、
ρ：水の密度
ν：流速Cν：抵抗係数
A：構造物を流れ方向に投影した面積
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津波に対する備え（中央防災会議・港湾空港技研）• レベル1津波：津波の内陸への侵入を防ぐ海岸保全
施設等の建設を行う上で想定する津波であり、最大クラスの津波に比べて発生頻度は高く、津波高は低いものの大きな被害をもたらす津波である。
発生確率；1回/100年 防災（ハード対策）• レベル２津波：住民避難を柱とした総合防災対策を構築する上で想定する津波であり、発生頻度は極めて低いものの、発生すれば甚大な被害をもたらす最大クラスの津波である。
発生確率；1回/1000年減災（ハード対策＋ソフト対策）
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コンクリート構造物の劣化

アルカリ骨材反応によるひび割れ

塩害による鉄筋の腐食:国総研木村嘉富氏提供

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橋梁の劣化状況

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インフラの老朽化と維持管理（国土交通省HP)32

（国土交通省HP）

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インフラのメンテナンス
社会基盤（インフラ）の長寿命化・長期効用

メンテナンスの時代（２０１３年メンテナンス元年）＊メンテナンスマネジメントシステムの構築
1) データベース、カルテの整備
2) 予防保全(劣化が進む前に、こまめに補修して長寿命化を図る、更新投資額の削減と維持管理費の増加：アセットマネジメントで評価）
3) メンテナンス技術の開発
・劣化度検査の頻度（5年に一度、近接目視）・検査箇所及びその方法(どこをどう検査するか）34インフラのメンテナンス(続）・劣化度の判定(診断の標準化）・劣化度に応じた補修あるいは補強の程度と方法＊社会構造および環境変化に応じたメンテナンスの高度化、高機能化
・人口減少(インフラの廃棄or 更新）
・異常気象(ゲリラ豪雨に対応する貯水量の増加）＊メンテナンスを担う人材の育成と資格認定
・地方における人材確保と官民学の協働（住民参加）
・公共工事に関する調査及び設計等の品質確保に資する技術者資格登録（国土交通省）＊財源の確保（道路特定財源等）
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点検・修繕の進捗状況（平成26年度～28年度）

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点検・修繕の進捗状況（平成26年度～28年度）

点検が実施された橋梁の数（3年間）：398,243件
判定Ⅰ(健全)、判定Ⅱ (経過観察段階）、判定Ⅲ(早期措置段階）
判定Ⅳ（機能に支障があり、緊急措置が必要）：396件(0.1%)
修繕・架替；272件(57％)、撤去・廃止；92件(23％)
機能転換；1件(0.3％)、未定76件；(19％)
37コンクリート構造物のライフサイクル

施工

供用
維持管理

設計
廃棄

更新

補修・補強

検査・評価

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まとめ
• コンクリート構造物の設計は、その施工および維持管理等、そのライフサイクル全体を考慮したものでなければならない。
• コンクリート構造物の設計は、従前の仕様規定型から性能規定型に移行する。
• 従前の仕様規定型も、過去の実績、経験の蓄積の中で、目的とする性能を満足することが確認されたもので、要求性能に至る一つの方法である。
• コンクリート構造物の性能照査の方法、すなわち設計法は、基準や示方書等に取り上げられることによってはじめて普及する。
• 津波がコンクリート構造物へ及ぼす影響については、今後解決すべき設計上の課題である。
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