長寿命化に向けた腐食管耐荷力の推定と評価
中日本建設コンサルタント㈱飯嶋隆之、中根進

１．はじめに管きょの腐食に起因する道路の陥没事故が相次ぎ、平成 19 年９月に国交省が緊急的な調査・点検を自治体に要請し、その結果を公表している。
その公表１)では、圧送管出口付近を始めとする管きょの腐食が明らかになったが、その対策の実施は約 80％(平成 21 年３月末現在)に留まっている。
陥没の原因は、特に下水道用鉄筋コンクリート管(以下ヒューム管と言う)の腐食による耐荷力の低下が考えられる。腐食管の耐荷力を推定する手順と推定値を示す。この腐食による耐荷力推定値を減肉管(規格厚より薄い新管)の外圧試験結果で評価する。
２．鉄筋コンクリートとヒューム管の構造的差異
一般的に鉄筋コンクリート構造体は、図－１の単純

圧縮側
中立軸梁を考えた場合に、部材上端側(中立軸より上)に圧縮力、部材下端側に引張力が発生する。

引張側

鉄筋コンクリートでは、圧縮力をコンクリートが受図－１ 単純梁の応力状態

け持ち、引張力は鉄筋で負担する。
これは、コンクリートには引張力を負担する曲げ引張り強度がほとんどないことに起因するものである。
無筋コンクリートでは、それを無視すると強度を保てない結果となるので、考慮することになる。無筋コンクリートの曲げ引張力σbt は、規定２）によると設計強度(圧縮強度)の1/7 で、0.3 N/mm2 以下を期待している。
一方ヒューム管は、鉄筋を有するコンクリート構造ではあるが、一般的な鉄筋コンクリートと構造的な差異がある。
ⅰ. ヒューム管はコンクリートの曲げ引張り強度を期待している。３）,４）ⅱ. ヒューム管は高い強度の圧縮強度を持つコンクリートを使用している。例５） 50 N/mm2
ⅲ. 最小鉄筋かぶりは鉄筋コンクリートでの一般値の適用を受けていない。
ⅳ. ヒューム管は、二次製品(工場生産品)であり、その性能は図－２の荷重状態の管頂部内側で 0.05mm のひび割れを生じた時の荷重(ひび割れ荷重)をもって「外圧強さ」５)としている。
この時の最大発生曲げモーメントを「ひび割れ保証モーメント」と言う。ひび割れ保証モーメントは(１)式で算出する。

1

図－２ ヒューム管外圧試験

…………………

(１)

３．ヒューム管のひび割れ荷重の推移
ヒューム管の耐荷力は、時代とともに強度が高まってきている。ヒューム管のひび割れ荷重の推移６）を概説する。
ヒューム管は、1950 年(昭和 25 年)に JIS A 5303 として制定された。現在の外圧強さ１種管に相当するもので「遠心力鉄筋コンクリート管」と言う。JIS では 1972 年に、普通管の外圧強さが１種及び 2 種に区分され、高強度の 2 種管が追加されている。
下水道用のヒューム管(下水道用鉄筋コンクリート管)は、JIS の１種２種区分の前、1968年に日本下水道協会規格(JSWAS)A－1 暫定規格として制定された。この規格は JIS の外圧 2種管に相当するものであった。
しかし、JSWAS1987 年の改正では、外圧 2種管だけであったものから、下水道用も 1 種管、2 種管及び 3 種管(NC 形のみ)が登場し、今日(JSWAS2011 年)に至っている。
JIS や JSWAS から 1 種管を選定した場合のひび割れ保証荷重の推移を図－３に示す。
図－３に示すようにひび割れ保証荷重が変化してきているので、既存のヒューム管の耐荷力を評価するためには、既存管がどの年代の規格で布設されているか調査することが最
図－３ １種管ひび割れ保証荷重の推移例も重要である。
４．ヒューム管の耐荷力評価上の問題点

ヒューム管はひび割れ荷重で表した性能保障であることから、製造各社は、耐荷力の評価(構造計算)に必要な構造諸元を公表していない。

表－１ 国交省アンケートによるヒューム管の構造諸元７）

国交省がヒューム管構造諸元についてアンケート・ヒヤリング調査した結果７）を表－１に示す。
表－１の調査結果で明らかなように国交省の聞き取り調査でも構造計算に必要な諸元を知ることができない。ましてや長2寿命化で対象とする老朽化したヒューム管は、製造会社、製造年度も不明なことが多く、構造諸元を知ることは困難である。
このことから、既設管を硫化水素等の影響による腐食(肌荒れ、骨材・鉄筋の露出、中性化、薄肉化)状況を調査してもその管の残存強度を構造計算から推定することは困難である。
５．管きょ残存耐荷力の推定値
５.１ 残存耐荷力(ひび割れ抵抗曲げモーメント)
ヒューム管は、コンクリート圧縮側の腐食による減肉が耐荷力に影響する。またヒューム管は、コンクリートの引張強度を期待した鉄筋コンクリートであるため、管内側の腐食による減肉でも、耐荷力に影響するものと考えられる。
気相中に放散された硫化水素ガスによる管内面の腐食は、気液接触面や管頂部に激しい(文献７）p.4)ことや管内面全体の腐食事例(同文献 pp.27～28)が示されている。減肉による耐荷力の低下を推定する１つの手法として、管厚が内面一様に減少している事例の残存耐荷力を試算する。
管の耐荷力は、ひび割れ抵抗曲げモーメントで評価する。鉄筋コンクリート構造体は、曲げ圧縮応力度やせん断応力度で照査するが、円形管の場合、発生するせん断力は非常に小さく、一般的に曲げモーメントのみで照査している。
ヒューム管は、荷重状態により管内側のコンクリートが引張状態になったり、圧縮状態になったりするので、コンクリートの引張側か圧縮側が腐食するかによって耐荷力(ひび割れ抵抗曲げモーメント)が異なる。
１)引張側が腐食する場合
管厚Ｔ２)圧縮側が腐食する場合

管単位長ｂｄ' 中立軸
ｄ ｘ

圧縮側
引張側
元厚 腐食代Ｔe

管厚Ｔ
引張側
圧縮側
元厚

管単位長ｂｄ中立軸ｘｄ'
腐食代Ｔe

ヒューム管のひび割れ抵抗曲げモーメントを(２)式で表す。

σｂｔ
Ｍｒ=Ｉ・…………………… (２) ａ2⎛ m･b･T＋n ⎛⎜ A ＋A ′ ⎞⎟ ⎞m･b･T＋2n ⎛⎜ A S･d＋A S′･d ′ ⎞⎟⎜S ⎟⎝ S⎠⎟ ＋⎝⎠x＝ ⎜b(1－m )b(1－m )
⎜⎜⎟⎟
⎝
⎠

Ｉ＝

{(－m･b･T＋n ( A S＋A S′ )……
b(1－m)b′332′ 23m(T－x ) ・ x ＋m(T－x ) ＋n･AS (d－x ) ＋n･A S ( x－d ))}…… (２) ｃ

ここに、Ｍr：ひび割れ抵抗曲げモーメント (N･m)ｘ：中立軸の位置(mm)

Ｉ：断面二次モーメント(mm４)

Ｔ：管厚(mm)

ｄ：鉄筋位置における有効厚さ

3(２) ｂ(引張側 mm)

ｄ'：同左(圧縮側 mm)

Ａs：管単位長さ当たり引張側鉄筋断面積(mm２)

Ａ's：管単位長さ当たり圧縮側鉄筋断面積 Ａ's＝Ａs (mm２)ｂ：管の単位長(1000 mm)

Ｅs：鉄筋のヤング係数
Ｅc：コンクリートの圧縮ヤング係数
Ｅt：コンクリートの引張ヤング係数
ヤング係数比ｍ：Ｅt／Ｅc
ヤング係数比ｎ：Ｅs／Ｅcσc：コンクリートの圧縮強度(N/mm2)(N/mm2)

σｂｔ：コンクリートの曲げ引張強度(２)式の特徴は、コンクリートの引張強度が考慮されていることである。(２)式は、文
献８)と文献９)を参照した。文献８)に示される式は、論文作成時の推敲ミスが考えられる。
５.２ 残存耐荷力(ひび割れ抵抗曲げモーメント)の推定手順
残存耐荷力(ひび割れ抵抗曲げモーメント)は、図－３を参考に製造時期のひび割れ保証荷重を調べた上で、以下の手順で算出する。ここでは 1972 年と 1987 年以降の JSWAS A-1値の２ケースを検討する。
①管種、管径毎のひび割れ保証荷重を(１)式に代入し、新管時のひび割れ保証モー
メントＭc を算出する。
②次に(２)ｂ,ｃ式を用いて中立軸の位置ｘと断面二次モーメントＩを算出する。
コンクリート曲げ引張強度σｂｔは、設表－３ 算出条件

計値を使うべきであるが、不明であるこ

1972年規格とから、(２)ａのＭr にひび割れ保証モー
メントＭc を代入して逆算する。
ひび割れ抵抗モーメントＭr の計算に必要な構造諸元は、1972 年規格は某社製
造配筋図、1987 年以降規格は国交省のヒヤリング調査値を使用した。各年規格の算出条件を表－３に示す。

配筋法
鉄筋量

1987年以降規格

1000mm以上複鉄筋 900mm以上複鉄筋

複鉄筋 As'＝AsAs'＝As

有効厚 単鉄筋 管厚×2/5ｄ'
複鉄筋 調査値22～35mm

管厚×1/225 mm

鉄筋比ｐ調査値(某社製造文献８）
Ａs /（ｄ･ｂ） 配筋図)より算定
ヤング係数比ｍEt/Ec＝0.5

Et/Ec＝0.5ｎEs/Ec＝10.0

Es/Ec＝7.0

外圧１種管のコンクリート曲げ引張強度σｂｔは、1972 年規格では、1.9～4.6 N/mm2で、1987 年以降で 4.3～6.7 N/mm2 の範囲にあった。σｂｔは、管径ごとに異なった値が算出されるが逆算した値をそのまま採用する。
③逆算したσｂｔと腐食を考慮した管厚中心半径Ｒを用いて(２)式から腐食した管きょの残存耐荷力(ひび割れ抵抗曲げモーメントＭr)を算出する。
管内腐食が鉄筋位置に達したときは鉄筋が露出している状態になり、鉄筋の付着が期待できず鉄筋で引張力を負担できないが、ひび割れ抵抗曲げモーメントＭr は管厚減少に伴い4複鉄筋の状態が単鉄筋になった状態で外側鉄筋位置に達するまで計算する。単鉄筋の場合、腐食が鉄筋の位置まで達したら計算を終了する。
５.３ 残存耐荷力(ひび割れ抵抗曲げモーメント)の推定値
代表的に管径 250,600,1000,2000mm の外30圧１種管に対し、管厚減少量を 0～100％ま外圧１種管kNm/mで変化させた場合の管厚減少量と残存耐荷ひび割れ抵抗曲げモーメント

力(ひび割れ抵抗曲げモーメント)の関係を
図－４,５に示す。
図－４は 1972 年改正のひび割れ保証荷重、図－５は 1987 年改正(～2011 年)のひび割れ保証荷重で算定した残存耐荷力を示す。以下 1972 年規格、1987 年以降規格と●：管内側引張▲：管内側圧縮25201520001010005言う。

6002500

単鉄筋の耐荷力は、コンクリート圧縮側0の腐食の方がコンクリート引張側の腐食よ102030405060
管厚減少量 ％

708090100

図－４ 管厚減少量と残存耐荷力(1972 年規格)り低下する。これは、コンクリートの圧縮30強度が引張強度より大きい理由による。

外圧１種管kNm/m

複鉄筋の耐荷力は、内側鉄筋位置までのひび割れ抵抗曲げモーメント

腐食については単鉄筋と同じく、コンクリート圧縮側の腐食の方がコンクリート引張側の腐食より低下する。腐食が内側鉄筋位置より深くなると単鉄筋状態で引張側有効厚さｄが大きくなるので、コンクリート圧縮側腐食が引張側腐食より大となる。

●：管内側引張▲：管内側圧縮25200020151010005600
250

図－４、５で明らかのように同じ１種管00であっても、製造時期の規格値によりひび102030405060
管厚減少量 ％708090100

図－５ 管厚減少量と残存耐荷力(1987 年以降)割れ保証荷重が変わっているので、残存耐荷力に差が出る。

６．減肉管の外圧試験値による残存耐荷力推定値の評価
６.１ 減肉管の外圧試験値
池田 匡隆ら 10) が新管(φ250)の減肉管(JSWASA-2011 の規格厚より薄い管で規格厚の１/２以下の管を３～４本)を実際に製作し，図－２に示す JSWASA-1 の外圧試験を行い，その結果を公表している。減肉管の管厚と外圧強度(ひび割れ荷重，破壊荷重)

図－６ 管厚と外圧強度の関係(φ250mm)

5の関係を図－６に示す。ここに図－６の縦軸の荷重は、前述図－２の管頂に掛けた線荷重である。文献 11)にはφ250 mm を含めて JSWAS１種管のφ200 mm～φ700 mm の外圧強度を示している。
図－６からひび割れ荷重値(▲)を拾い読みするとともにその回帰式から外圧試験によるひび割れ抵抗曲げモーメントを上述(１)式で算定して図－７に示す。
図－５に示すφ250 の管厚減少量とひび割れ抵抗モーメントの関係と減肉管の試験値を比較して合わせて図－７に示す。図－７の推定値は、コンクリート圧縮側の腐食の方がコンクリート引張側の腐食より低下するので、図－４，５の▲管内側圧縮の値を示した。そひび割れ抵抗曲げモーメントkN･m/mの他管径の外圧試験 11）によるひび割れ抵抗モーメントと推定値の比較は、別表に示した。
10.90.80.70.60.50.40.30.20.10

管径250推定値
減肉管
ひび割れ荷重値

010203040

管厚減少量

5060％

図－７ 外圧試験によるひび割れ抵抗モーメントと推定値の比較(φ250mm)

推定値(青色実線)は、新管(管厚減少量０％)の状態で外圧試験のひび割れ抵抗モーメン
トより低い強度になり、管厚現象量が大になるにしたがいその差が小さくなった。これは，推定計算に入力しているコンクリートや鉄筋の物性が異なることなどが考えられる。
各管径に対する減肉管の外圧試験値と推定値の比較は、別表資料を参照していただくが、管厚減少量０～25％までについて、φ350,400,500 は、よく一致しており、その他の管では外圧試験値より最大で 18％低い結果であった。管厚減少量 25～50％では、φ350,400,500の推定値は、外圧試験値より大きな強度を示した。
７．ヒューム管の鉄筋かぶりと管厚減少量
一般に鉄筋コンクリートにおいては、鉄筋かぶりは重要な性能である。鉄筋かぶりが不足
すると鉄筋がコンクリートの中性化により発錆し、その錆で膨張することによりコンクリートに亀裂が生じて破壊する。また鉄筋かぶりが小さい場合には、鉄筋に沿ったひび割れができやすく、コンクリート付着強度は著し

表－４ 鉄筋かぶり c と許容ひび割れ幅の関係く低下する。
鋼材の腐食が進行する危険性を少なくするための最低限、制御すべきひび割れ幅の値
として許容ひび割れ幅 12)が表－４のように6設定されている。
ヒューム管のひび割れ保証荷重時のひび割れ幅 13)は、0.05mm であり、このひび割れ幅を鉄筋の腐食を進行させないための最小鉄筋かぶりと考え、表－４から算定して表－５に示す。
呼び径が小さい径については管厚が薄い

表－５ ひび割れ幅 0.05mm の最小鉄筋かぶりため、製作時から表－５の「腐食性環境」、「特に厳しい腐食性環境」の最小鉄筋かぶりを満足していない。

環境条件

係数

鉄筋かぶりｃ

一般の環境

0.005

10.0 mm

腐食性環境

0.004

12.5 mm

特に厳しい腐食性環境

0.003514.3 mm

コンクリート２次製品に対する最小鉄筋かぶりは、表－６が示されている。

表－６ 二次製品の最小鉄筋かぶり
区分
最小かぶり
昭和55年版 耐久性に考慮する
9mm かつ鉄筋径以上1980必要のある面15mm かつ鉄筋径以上
平成8年制定 取替え困難
1996
取替え比較的容易 9mm かつ鉄筋径以上

ヒューム管の腐食により管厚が減少する
過程で、二次製品として最小鉄筋かぶりを有さないと鉄筋の腐食が懸念されるので、ヒューム管の耐荷力を評価できるのは表－６の最小鉄筋かぶり(9mm かつ鉄筋径以下)までと考えられる。
管厚減少量を 50％まで推定しているが、最小鉄筋かぶりを満足する管厚までの推定にとどめることが妥当と考えられる。
８．長寿命化に向けた耐荷力推定値の利用例
腐食管の耐荷力を推定することにより、長寿命化に向けて、・腐食管の埋設状態(使用状態)の作用荷重から管体に発生する曲げモーメントを算定し、推定した管減少量に対するひび割れ抵抗曲げモーメントと比較して、腐食管の埋設状態(使用状態)での耐荷力を評価する。
・地震時の作用荷重に対する腐食管体に発生する曲げモーメントを算定し、同様に、腐食管の地震時耐荷力を評価する。
・管減少量に対するひび割れ抵抗曲げモーメントを減肉してない状態に対して基準化する。視覚調査(テレビカメラ、潜行目視)によって得られた腐食程度を管厚減少量に変えて、基準値を求め、その値を不具合のリスク値や、改築・修繕の優先度指標の１つとして利用する。
ことなどが考えられる
９．まとめと課題
管内面腐食による管厚減少に伴い耐荷力が低下することを明らかにし、その残存耐荷力の推定手順と推定値を示した。単鉄筋のヒューム管耐荷力は、コンクリート圧縮側の腐食の方がコンクリート引張側の腐食より低下することを明らかにした。また指定値は、減肉管の外圧試験結果とよく一致した。
長寿命化対策の検討にあたりヒューム管の残存耐荷力を評価するには、次の２点を明確にしなければならない。

7

ⅰ. ヒューム管の構造諸元を明らかにする。
ⅱ. 鉄筋付着力を確保するためのヒューム管最小鉄筋かぶりを明らかにする。
この２つの問題点に対する一定の解決手順を示せたと考える。
今後、部分的に腐食した管をモデル化して有限要素法によって解析し、部分腐食管の耐荷力と本報告の一様に腐食した管の耐荷力を比較検討し、本報告の推定法手法の適用事例を示し、利便性を高めたいと考えている。
本報告の耐荷力は、1972 年規格と 1987 年以降規格のひび割れ保証荷重を使って算定したものであり、ヒューム管製造時期によってはもっと低下することになる。
本報告では、経年管のコンクリート強度、鉄筋の引張強度の低下については、触れていな
いが、文献９)では、・一般的なヒューム管の設計強度(38MPa 程度と想定)は、すべての部位で満足していた。
製作した新管のコンクリート圧縮強度は 75MPa であったとしている。
・鉄筋については、引張強度が概ね 600MPa 以上であり、新管の鉄筋よりむしろ高い値となった。と報告されていることを付記しておく。
本文のヒューム管耐荷力算出の考え方については、国交省藤生和也らの論文７)を引用したこと、下水道新技術推進機構の減肉管の外圧試験結果 10）を引用したこと、紙面を借りて厚くお礼申し上げます。
＜参考文献＞
１)国交省 下水道管路の損傷状況に関する点検等調査(第 7 回)の結果について
２)道路橋示方書･同解説 共通編 平成 14 年 3 月 p150
３)全国コンクリート製品協会 コンクリート製品設計･施工要覧 増補改訂版 1986４)(社)全国ヒューム管協会 ヒューム管設計施工要覧 平成 12 年 5 月 1 日改訂版ｐ101５)(社)日本下水道協会 下水道用鉄筋コンクリート管 JSWAS A-1 平成 15 年 2 月 1 日改正６)全国ヒューム管協会ホームページ 2008．6 月
７)(社)日本下水道協会 下水道管路施設腐食対策の手引き(案)平成 14 年 5 月
８)藤生和也，松宮洋介，濱田知幸

管路施設の長寿命化に関する調査

平成 18 年度下水道関係調査研究年次報告書集９)(社)全国ヒューム管協会 ヒューム管設計施工要覧 ｐ108 平成 12 年 5 月 1 日改訂版10)(財)下水道新技術推進機構

池田匡隆，井藤元暢

経年管の耐荷力に関する調査

第 49 回下水道研究発表会講演集 平成 24 年度 N-7-3-3
11)財団法人下水道新技術推進機構 衝撃弾性波検査法による管路診断技術資料―2012 年
３月― pp.126～134
12)下水道管きょ改築・修繕にかかる調査・診断・設計実務必携 管診協 p.16513)コンクリート標準示方書[構造性能照査編]土木学会 2002 年制定 p978

別表：１種管(1987 年以降：JSWAS A-１-2011)の減肉管外圧試験によるひび割れ抵抗モーメ
ントと推定値の比較

凡例：
推定値
減肉管
ひび割れ荷重値

管径 2000.7

ひび割れ抵抗曲げモーメントkN･m/m

ひび割れ抵抗曲げモーメントkN･m/m

0.8
0.6
0.50.40.30.20.100102030

管厚減少量405010203040

管厚減少量

％

5060％

1.4
ひび割れ抵抗曲げモーメントkN･m/m

管径 3001.2
10.80.60.40.200102030

管厚減少量

1.81.640500.60.40.2030

管厚減少量0.60.40.20104050204050

管厚減少量

30％

60702.5

10.8200.801.41.2101％

管径 4000

管径 3501.260

ひび割れ抵抗曲げモーメントkN･m/m

ひび割れ抵抗曲げモーメントkN･m/m

管径 250060

1.4

ひび割れ抵抗曲げモーメントkN･m/m

10.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.20.1060

管径 450
21.5
10.5
00％

102030

管厚減少量

940％

5060

ひび割れ抵抗曲げモーメントkN･m/m2.5

凡例：

管径 500推定値
減肉管ひび割れ荷重値

21.5
10.5
00102030

管厚減少量405060％管径 6003

ひび割れ抵抗曲げモーメントkN･m/m

ひび割れ抵抗曲げモーメントkN･m/m3.52.52
1.5
10.5
00102030

管厚減少量4050604.54

管径 700

3.5
32.5
2
1.5
10.5
00％

102030

管厚減少量

1040％

5060