フジタ技術研究報告第 50 号 2014 年

現場計測データとリアルタイム温度応力解析によるコンクリート施工管理システムの開発

藤 倉 裕 介
友概近誠

*1

関原弦

相良誠

*1

要

施工者は施工による不具合を未然に防ぐとともに、合理的で経済的な施工計画を立案することが必要である。本報
告では、コンクリートの打込みから養生までの各施工プロセスにおいて、現場計測結果や温度応力解析結果を施工管理に有効活用することを目的として、コンクリート内部やその周辺に設置したセンサーの計測結果やそれらのデータに基づいて解析された結果をリアルタイムで表示するシステムについて示す。また、本システムをコンクリートの施工管理、品質管理手法として現場適用した結果について示し、本システムの適用性と展望を検証した。

Development of concrete construction management system
based on real-time thermal stress analysis and on-site measurement data
Abstract
Contractors are required to select appropriate materials, and understand their effect on theperformance of the concrete over time, including placeability, strength development, andlong-term durability.
In this report, we developed a construction management system for real-time
display and thermal stress analysis of each construction process – from concrete
placing to curing using sensors placed around construction site. The results obtained
show the applicability of this system to the construction site .

キーワード： 打込み，現場計測，ビジュアル化，＊１ 建設本部 土木エンジニアリングセンター

マスコンクリート，施工管理－43－フジタ技術研究報告 第 50 号

§１．はじめにサーの計測結果やそれらのデータに基づいて数値解析した結果をリアルタイムで表示するシステムの開発を

近年、公共工事をはじめコンクリート構造物の高品質化、行っている 4)。本報告ではシステム全体の概要について長寿命化への要求が高まっている。コンクリート構造物の品示すとともに、コンクリート打設状況をビジュアル化す質向上のためには、施工者は使用材料であるコンクリートるシステムや逐次取り込まれた現場の外気温湿度の計の力学性能、耐久性能やひび割れ抵抗性といった時間軸測結果を境界条件として数値解析を行い現状のコンクで要求される性能を照査するとともに、打込み、締固め、仕リートの強度や発熱状況、ひび割れ指数等の解析結果を上げ、養生に至る施工サイクルを事前に検討しておくことが表示するシステムについて示し、コンクリートの施工管必要である。しかし、実際のコンクリート施工は現場で打込理、品質管理手法として現場適用した結果について報告

み、締固めを行うため、その品質は作業員の経験や熟練度、する。

施工者の管理方法の良し悪しで決定されるといっても過言§２．施工管理システム

では無い。また、仕上げ作業のタイミングや養生方法によっては、有害なひび割れや不具合を生じ、表層のかぶりコンクリートの耐久性に影響を及ぼすこともある。

2.1 本システムの概要

また、土木構造物の多くは部材寸法の大きなマスコンクリ

施工管理システムの概要を図 1 に示す。本システムは、ートとなることが多く、セメントの水和発熱に起因した温度応コンクリートの打込みから養生、脱型までの間の施工管理を力が発生してひび割れを生じる。そのため、温度応力によ1 つのシステムで一貫して行い、施工の省力化と高度化をるひび割れ発生確率を事前に照査するとともに、有害なひ実現することを目的として開発したものである。図 1 に示す

び割れ幅以下となるような対策を検討する必要がある。近ように、本システムはコンクリート打込み時において、その状年では、学協会の指針類をはじめ照査方法が確立され 3 次

況をビジュアル的に把握して打上がり高さ、打込み速度、元 FEM 法による汎用解析ソフトが開発されている。また、打重ね時間間隔の管理を行う打設管理システムと、打込み事前の解析結果に基づいて発注機関と施工者が温度ひび後の養生中のコンクリートの強度、発熱状況やひび割れ指割れ対策や不具合も軽減するような工夫に取り組む事例も数等の情報を把握することで脱型管理やマスコンクリートの報告がなされている 1)。しかし、実際に打ち込まれたコンクリ温度ひび割れ対策の一手法として実施する養生管理シスートの温度分布や応力状態、ひび割れの発生状況が事前テムとに分けられる。本システムでは、コンクリート内部、あの照査結果と異なり、想定以上のひび割れが生じるケース

るいはコンクリート打設部位周辺に無線式の計測センサーも多くある。

を設置し、得られた計測データをパソコンに取込み、数値

そのため、事前に計画された施工プロセスの履行確認、解析を行い施工管理に必要な情報をリアルタイムで図化す

事前解析の検証、施工状況の記録等を目的とし、様々なる。また、システムで表示される情報はインターネットやセンシング機器や計測システムを用いた現場計測が施Wi-Fi を介して他のパソコンや現場に持参した携帯端末等工管理の補助的なツールとして活用されている。計測項でも把握が可能であり、合理的で迅速な管理が可能である。

目としては、コンクリートの充填検知、温度計測、強度以下に上記の 2 つのシステムについて示す。

推定、含水状態を把握するためのセンサー、コンクリー
トの養生環境の計測等、用途は多岐に亘り 2)、3)、施工管

2.2 打設管理システムの概要

理に導入した際の有効性も示されている。しかし、施工打設管理システムは、図 1 に示すように型枠内に設置し管理に必要な多くの情報を得ようとすると、計測機器のたセンサーによりコンクリートの打込み高さを把握するもの

取扱いや設置にも手間がかかりコストも要するため、一であり、複数本のセンサーの計測結果を 2 次元あるいは 3

般的な施工において普及しているとはいえない。また、施工時に計測を実施しても作業に従事する作業員や施工管理担当者が施工中にリアルタイムで結果を把握することができず、結果として事後の評価となってしまうことが多いのも現状である。
そのような背景から、著者らはコンクリートの打込みから養生までの施工プロセスにおいて、現場計測結果や温度応力解析結果を施工管理に有効活用することを目的として、コンクリート内部やその周辺に設置したセン－44－次元的に図化することによりコンクリートの打込み状況を把握することができるシステムである。
本センサーの原理は、型枠内に設置した計測センサー
ケーブルのコンクリート打込みに伴って変化する静電容量の変化を連続的に計測することによりコンクリートの打込み高さを把握するものである。計測原理の概要を図 2 に示す。
図 2(a)は何も充填されていない空の円筒に計測ケーブルを鉛直に設置した状況を示す。計測センサーケーブルは一定の間隔を持った 2 本の線により構成されており、この間

現場計測データとリアルタイム温度応力解析によるコンクリート施工管理システムの開発

養生管理システム

打設管理システム

脱型前コンクリート打込み

タブレット端末，外部表示機器，外部養生制御装置・・

脱型後

無線式計測センサー（温度、湿度、風速・・）

インターネット，
WiFi

Wi-Fi

無線式計測センサー（打設高さ、温度）

パソコン（現場，事務所）
リアルタイム図化，表示（グラフ，分布図・・）

無線ルータ
中継機・・

鉄筋

コンクリート打込み

データ保存（計測結果，解析結果）

無線親機

型枠
施工管理に必要な情報（コンクリート打設状況の表示
打重ね時間間隔，打設速度・）施工管理に必要な情報（コンクリート温度，ひずみ
圧縮強度，ひび割れ指数，分布図，含水率分布，養生温度・・・）計測ソフト

温度応力解析ソフト

LAN

図 1 本システムの概要には静電容量がある。一般の空気中における比誘電率は硬化コンクリート

計測センサーケーブル
フレッシュコンクリート

小さく、計測センサーケーブル全体の静電容量は少ない。
(a)の円筒の例では静電容量の合計値は 14(F)である。一方、水などの液体をはじめフレッシュコンクリートでは一般

111111に比誘電率が空気の約 80 倍と大きくなり、図 2(b)に示すよ11

うに約半分までコンクリートが打ち込まれると、その合計値

11は 646(F)、打込み完了後は 1120(F)となる。すなわち、コンクリートの打込み高さと静電容量の関係を事前に調べておくことにより、コンクリートの打込み高さを連続的に検知できるわけである。この手法は、静電容量の変化を利用した水硬化過程ではセメントの水和反応により水分が減少して硬180180180

円筒60606060606060606060608080

180180

合計 14(F)(a)

ける測定にも応用が可能である。すなわち、コンクリートの801電容量を捉える電気的な計測回路や計測周波数は異なる。になる 4)。また、このセンサーはコンクリートの硬化過程にお111位センサーによる既往の手法 5)と類似した方法であるが、静なお、静電容量と打込み高さの関係はおおよそ比例関係

1606060

合計 646(F)（打込み完了後は 1120(F)）

合計 840(F)

(b)

(c)

図 2 計測原理の概要化体が形成され静電容量は低下する。図 2(c)の例では静電容量の合計は 840(F)となり、固体部分の静電容量の影可能であり、コンクリート打込み箇所、または離れた場所で響が小さいものと仮定すると、この低下量を把握することでも計測状況を把握することが可能である。コンクリートの打消費、逸散により減少した水分量を求めることができる。コ

設状況をリアルタイムで把握することにより、コンクリート打ンクリートの温度分布の影響等、水分量推定の精度には課設速度や打設量の把握が可能である。また、打込み後から題があるが、あらかじめキャリブレーションしておくことで圧の時間を表示または色分けすることでコールドジョイントと縮強度等の物性の推定も可能である 6)。

いった施工時に生じる不具合を未然に防ぐことができる。コ

計測されたデータは図 1 に示すようにタグから無線ルーンクリート打込み時の充填状況の目視確認が困難で、しかタを介して回収され、パソコンにて解析され、打込み高さをも鉄筋量が多い場合や振動締固め機の使用が困難な部位示すグラフや打込み状況を図化して表示する。これらの計の打ち込み状況の把握、品質管理に有効である。写真 1 に測結果の情報は、Wi-Fi 機能を使って別のパソコンやスマ計測用センサーケーブルおよび周辺機器を示す。

ートフォンなどの各種端末へ無線で転送することが－45－フジタ技術研究報告 第 50 号

2.3 養生管理システムの概要

通信用タグ

養生管理システムでは、図 1 に示すように現場に設置した温湿度計の計測データを逐次パソコンに取り込み、そのデータをコンクリートの養生温度の境界条件として FEM 法による温度応力解析を行うものである。前項で示した打設管理システムで計測されたコンクリート打設温度、打設高さとその時の時刻の関係は、温度応力解析を行う際のモデルの初期条件として反映される。温度応力解析を実施する際

計測センサーケーブルにおいて同一日に打設される部位をモデル化する場合、部位全体のコンクリートがある時刻に打込まれる設定とするのが通常である。しかし、土木構造物のように大きな部位のコンクリート打設は数時間から半日をかけて行われるものであり、打設時刻によってコンクリートの初期温度は異なる。すなわち、同一日に打設される部位を複数回の打設部位としてモデル化することで実際の施工状況を再現した解析を実施しようとするものである。

WiFi 無線

無線式の外気温湿度計は複数個設置することができ、ルータ

コンクリート構造物の打設リフトごと、あるいは仮囲いやシートに覆われて加温された条件など、任意の場所に写真 1 計測用センサーケーブルおよび周辺機器計測機器を設置することでコンクリートの養生環境を計測する。本システムでは汎用 FEM 温度応力解析ソフを築造する工事であり、柱のコンクリート打設の際に本シストに改良を加え、現場の外気温データを用いながら逐次テムを適用した例を示す。柱は長辺9.5ｍ、短辺6.5ｍ、コン解析し、その結果をリアルタイムで図化する手法を構築

クリート厚さ 1ｍの中空の長方円形の断面をした構造物であしたものである。外気温湿度は数分ごとに自動的にパソり、コンクリート 1 回当たりの打設高さは 5ｍである。高密度コンに取り込まれ、温度応力解析が 30 分～1 時間ごとのの配筋が配置されており、コンクリートの打設速度や打設高ステップで実施される。そして解析結果を逐次表示するさを一定にしながら打設を行う必要があることから、本シスことで現時点のコンクリートの圧縮強度、コンクリートテムの適用を行ったものである。計測センサーケーブルお温度、ひび割れ指数、あるいはコンクリート温度やひびよび通信用タグの設置状況を写真 2 に示す。計測センサー

割れ指数の時刻歴グラフやモデル断面のコンター図等

ケーブルは別途用意した長さ 5.5ｍの鉄筋に沿わせて鉛直をパソコンに表示する。また、1 日後あるいは数日後にに設置し、柱断面の内側 8 箇所と外側 10 箇所に等間隔に、おけるコンクリートの状況の予測機能も有している。こそれぞれ表面からかぶり深さの位置に設置した。

れらの計測結果の情報は、打設管理システムと同様にコンクリートの打設開始時から計測を開始し、打込み状況

Wi-Fi 機能を使って別のパソコンやスマートフォンなどをリアルタイムで表示を行った。写真3 にはスマートフォンをの各種端末へ無線で転送することが可能であり、コンク用いて遠隔にて打ち込み状況を把握している状況を示す。

リート打込み箇所から離れた場所でも計測状況を把握

また、打込み状況のビジュアル画面を示す。この画面ではすることが可能である。また、インターネットを介して橋脚の外側に円周状に設置した 10 点の計測結果を円周情報を各部署で共有することも可能である。コンクリー状の 2 次元の展開図として表示している。図中には各計測トの現状の状態をリアルタイムで把握し、ひび割れ対策

センサーの打込み高さ、打上り速度、コンクリートが打ち込のための養生や、周辺装置への制御を迅速に行うことでまれてからの経過時間が示されている。本システムの適用

ひび割れ発生リスクを大幅に低減できる。

により、作業状況が明確となりポンプ車の筒先位置や振動締固め機の使用を適切に実施でき、コンクリートの一層あたりの打設高さや打設速度を施工計画通りに実施できること§３．現場適用事例が分かった。また、施工状況がビジュアル化され、その画面を現場で見ることにより、実際に打込み作業、締固め作業を

3.1 打設管理システムの適用例開発したシステムを建設現場への適用した事例を報告す

行う作業員の品質への意識も高まり、事前に打ち合わせたる。本工事は、フーチング部と中空の柱からなる道路橋脚施工計画が確実に遵守できることが分かった。本システム－46－

打設高さ(m)

現場計測データとリアルタイム温度応力解析によるコンクリート施工管理システムの開発

各センサーNo. 、打設高さ更新停止時間（分）

写真 3 遠隔での確認状況

外気温データコンクリート温度（解析結果）

コンクリート温度の上昇状況

通信用タグ（1 時間ごとに更新）
計測センサーケーブル
外気温データ

ひび割れ指数（解析結果）

写真 2 計測機器の設置状況

ひび割れ指数の低下状況（1 時間ごとに更新）

図 4 計測結果、解析結果の表示状況
3.2 養生管理システムの適用例
前項と同様の道路橋脚に適用した事例を示す。コンクリート打設箇所周辺に温湿度センサーを設置し計測結果を数分ごとにパソコンに取り込み、このデータを境界条件とし
図 3 3 次元での打込み状況の図化て 1 時間ごとに温度応力解析を実施した。解析結果は温度分布やひび割れ指数の分布図（コンター図）や事前に指定のような施工の｢見える化｣技術を施工管理に有効活用するしておいた節点におけるコンクリート温度、ひび割れ指数をことで施工時の不具合を防ぐとともに、作業員の熟練度の図化した。図 4 に計測結果、解析結果のパソコンでの表示影響を低減できるものと考えられる。

画面を示す。画面の左側は現場の外気温湿度やコンクリー

図 3 には打込み状況を 3 次元で図化した状況を示す。

ト温度などの計測結果を表示し、右側は温度応力解析結果施工中のリアルタイムでの表示には情報量が多いなどの課を表示している。図 4 には外気温度の計測結果とあらかじ

題があるが、型枠の中の見えないコンクリートの打込み状況

め指定しておいた節点のコンクリート温度とひび割れ指数

全体が一目で確認ができるため、均一な打込み高さを維持の解析結果を示す。現状のコンクリートの温度やひび割れするための筒先位置の指示や作業員の配置の指示、作業指数がリアルタイムで把握できることが分かる。また、例えばの進捗状況や残りのコンクリート量の把握等、迅速な対応

事前解析で想定したひび割れ指数よりも低下する可能性がが可能となり施工管理の効率が向上するものと考えられる。

ある場合や外気温度の変動が大きくコンクリートの品質に影－47－

フジタ技術研究報告 第 50 号

とともに、本システムの利便性向上、施工の合理化や省力化を図っていく予定である。また、本システムの適用によるコンクリートの品質への影響についても検証を行う予定である。
参考文献
1) 森岡弘道，二宮純，細田暁，田村隆弘：地方自治体
におけるコンクリート構造物のチェックシートを活用した品質確保の取組み，コンクリート工学年次
論文集，Vol.35，No.1，pp.1327-1332，2013.7
2) 湯浅昇，笠井芳夫：非破壊による構造体コンクリー

図 5 コンクリート温度分布の表示状況

トの水分測定法，コンクリート工学，Vol.32，No.9，
pp.49-55，1994.9

響を与える可能性がある場合など、現場の現状の状態を把3) 平田隆祥，佐野禎，十河茂幸：コンクリートの水和握するだけでなく、コンクリートの養生などの対策を迅速に過程の水分量モニタリング技術の紹介，コンクリー実施することが可能となる。図 5 はコンクリート温度分布のト工学，Vol.44，No.5，pp.45-49，2006.5

表示画面を示す。現場事務所において現状のコンクリート4) 藤倉裕介ほか：コンクリート打設状況の連続検知，の発熱状況を把握できることにより、現場職員や作業員のビジュアル化による品質管理手法の開発と適用事

打込み後の養生や温度ひび割れ対策の必要性、品質向上

例，土木学会第 66 回年次学術講演会概要集，CS9-019，への意識がより高まることも分かった。

pp.37-38，2011.9
5) 坂井吾郎，万木正弘，坂田昇，岩城実：品質保証を§４．おわりに考慮した高流動コンクリートの施工について，コン
ク リ ー ト 工 学 年 次 論 文 報 告 集 ， Vol.17 ， No.1 ，

本報告では、コンクリートの打込みから養生までの各施

pp.233-238，1993.7

工プロセスにおいて、現場計測結果や温度応力解析結果

6) 藤倉裕介：静電容量の変化によるコンクリートの打を施工管理に有効活用することを目的として、コンクリート内込みから硬化，乾燥過程の水分量評価手法に関する部やその周辺に設置したセンサーの計測結果やそれらの基礎的検討，第４回 コンクリート構造物の非破壊データに基づいて解析された結果をリアルタイムで表示す検査シンポジウム，「成熟社会におけるコンクリーるシステムについて紹介するとともに、本システムを現場適ト構造物の非破壊検査の役割」論文集，pp.209-214，用した結果について示した。

2012.8

打設管理システムでは、コンクリートの打込み状況を面的に、しかも連続的にリアルタイムで把握することができ、そのひ と こ と画面を現場で見ることにより、実際に打込み作業、締固め

コンクリート構造物の高品質化、高作業を行う作業員の品質への意識も高まり、事前に打ち合耐久化に対するニーズは高い。しかし、わせた施工計画が確実に遵守できることが分かった。本シ

過剰な提案や高コストな対策が望まステムでは、単にコンクリートの打込み状況を把握するだけれているわけではない。本システムをでなく、打込み速度、打込みからの経過時間、コンクリート活用することで、安定的な品質を確保打設量などの数値情報を得られるため、これまで以上に合するとともに、施工の合理化、省力化理的に施工管理が実施できるものと考えられる。

藤倉 裕介

また、養生管理システムでは、現状のコンクリートの発熱状況、ひび割れ指数の低下状況をリアルタイムで把握、更には将来の状況を把握できることにより、コンクリート打込み後における養生への対応が迅速に実施できるとともに、現場職員や作業員の温度ひび割れ対策の必要性、品質向上への意識がより高まることも分かった。
今後は、本システムの建設現場での適用と検証を重ねる－48－が実現できるものと考える。