超軽量コンクリートを用いた浮体構造物の研究（２）Study on the Floating Structure with Super-light-weight Concrete(2)

古田大介*・伊藤理*
FURUTA,Daisuke and ITOU,Osamu* （財）沿岸開発技術研究センター

調査部 研究員

For the development of a hybrid floating structure with super-light-weight concrete and steel, durability anda structural member resistance tests have been conducted. Wave basin experiments have been also
conducted to investigate the performance of a yoke-mooring system.
Key Words: super-light-weight concrete , floating structure , durability ,mooring

1. はじめに浮体構造物は，海水交換性により環境への影響が小さ
く，地震に強いことから，浮桟橋等に採用されている．
近年，公共投資の効率的運用が求められている中，海洋環境下で耐食性に優れて管理の容易な，かつ，経済的に優れた構造物の開発が重要な課題となっている．
(財)沿岸開発技術研究センターでは，超軽量コンクリ
ートと鋼のハイブリッドによる浮体構造物の軽量化技術の確立と，浮体の持つ移動性を考慮した係留方式を提案する研究を，平成１２年度から２カ年計画で実施した．
本論文は，その成果の一部として，超軽量コンクリートの耐久性と耐荷力に関する試験と，係留装置として提案したヨーク係留装置の検討について紹介するものである．

2. 耐久性と耐荷力に関する試験
2.1 使用材料，配合及び各種試験結果(1)コンクリートの目標仕様と使用材料
超軽量コンクリートの目標仕様を以下のように設定し，表-1 に示す材料を使用した．
単位体積質量 1.5
強 度 30N/mm2 以上
ス ラ ン プ 18cm
表-1 使用材料
材
セメント
粗骨材
細骨材
混和剤料
高炉セメントＢ種
軽量粗骨材
軽量細骨材
硬質パーライト高性能 AE 減水剤

絶乾密度(kg/l)
3.04
1.29
1.7
1.26－(2)配合試験練りを行い，上記の仕様を満足する超軽量コンクリート（AP）の配合を決定した（表-2）．なお，比較のための普通コンクリ－ト(N)の配合も示す．
超軽量コンクリートの粗骨材，細骨材は全て絶乾状態にして練り混ぜたものである．従って，粗骨材，細骨材の練り混ぜ時の吸水率(各々約 5%)を用いて換算すると，実質的な水セメント比はおよそ 35%である．
表-2 超軽量コンクリートの配合
ｹｰｽ
APＮ

W/C
Air
(%)
(%)
45.0
5.056.54.5

注）W/C:水ｾﾒﾝﾄ比
Air:空気量
W :水単位量（kg/m3）
C
S1S2
G422
266
131465310831965

W
190
175

C :ｾﾒﾝﾄS1 :細骨材
S2 :細骨材

Ad
4.23.2

G :粗骨材
Ad:高性能AE減水剤（AP）
Ad:AE減水剤(N)(3)コンクリートの性状フレッシュコンクリートの性状を表-3 に，硬化コンク
リ－トの性状を表-4 に示す．表-4 より圧縮強度はいずれも目標値(30N/mm2)以上を満足している．また，超軽量コンクリートは普通コンクリートに比べ引張，曲げ引張，せん断強度及びヤング率は小さい．
表-3 フレッシュコンクリートの性状
ｽﾗﾝﾌﾟ 空気量 単位容積質量
ｹｰｽ(cm)(kg/m3)(%)
AP 19.0
4.61530Ｎ16.5

4.3

気乾単位容積質量注) (kg/m3)

備考

1490

超軽量ｺﾝｸﾘｰﾄ2240

普通ｺﾝｸﾘｰﾄ2320

注) 28 日間水中養生後に取り出し，2 週間室内に静置後計測．

表-4 硬化コンクリ－トの性状
ケース

圧縮強度
(N/mm2)ヤング率(x104N/mm2)

7日

28 日

28 日

AP

27361.51

N24342.62

曲げ引張
せん断強度
強度
(N/mm2)(N/mm2)
28 日
28 日
28 日
2.84.44.7(1/12.9) (1/8.2) (1/7.7)
3.47.26.9(1/10.0) (1/4.7) (1/4.9)
引張強度(N/mm2)注) 括弧内は，圧縮強度(材令 28 日)に対する比率を示す．

2.2 耐久性試験結果

(1)中性化試験
促進中性化試験を行った．試験は促進試験槽（温度20℃，炭酸ガス濃度5％）内に試験体（10cmφ×20cm）を保存し，３カ月経過後，割裂して試験体を半割れにして直ちに中性化深さを計測した．結果を表-5 に示す．普通コンクリートに比較して，超軽量コンクリートの中性化深さは非常に小さい．これは, 普通コンクリートの水セメント比(56.5%)に比較して，超軽量コンクリートの水セメント比(実質水セメント比約35％)が小さく，セメン
トマトリクスが非常に緻密なためと考えられる．
表-5 促進中性化試験結果
ケース
AP（超軽量コンクリート）N（普通コンクリート）

中性化深さ(mm)
1 以下
14.2

表-6 透水試験結果
透水係数(x10-4cm2／s)
9.6
46.3

平均浸透深さ(cm)
1.2
3.6

ケース
APN

備考
W/C=約 35%
W/C=56.5%

2.3 ハイブリッド梁の載荷試験(1)試験概要
超軽量コンクリートを使用した鋼・コンクリ－トハイ
ブリッド(RCH)梁の載荷試験を行い，耐力の確認を行った．
模型は浮桟橋の側壁及び底版を想定し，部分的に取り出した実物大梁模型とした．模型の概要を図-2 に示す．模型 1 と模型２は軸方向の鉄筋量を変えている．
ｽﾀｯﾄﾞφ16x50L

ｺﾝｸﾘｰﾄ

鉄筋 a

鉄筋ｂ680150(2)塩化物浸透試験
電気泳動法による促進透過性試験を行った．試験は，拡散セル(容量 1 ﾘｯﾄﾙ，正極側 0.3N の NaOH 溶液，負極側3%の NaCl 溶液)の中央に配置した試験体(10cmφ×3cm 厚鋼板 6t50 150 5010010010@200=2000のコンクリート)に直流電圧を負荷し，負極側から正極側2502200へ移動した塩化物イオン濃度を原則として１日おきに２模型 1:鉄筋 a=D16(SD295A)，鉄筋 b=D16(SD295A)週間程度計測した．
模型 2:鉄筋 a=D10(SD295A)，鉄筋 b=D16(SD295A)
試験結果を図-1 に示す．超軽量コンクリート(AP)の方
図-2 試験模型（単位：mm）が普通コンクリ－ト(N)と比較して，塩化物イオン濃度が非常に小さくなった．これは前述のとおり水セメント比(2)試験ケースの違いによるものと考えられ，文献 1)に示された結果か試験ケースは模型の種類，載荷方向の組み合わせによらも，このことが裏付けられるものと考えられる．
り表-7 の 5 ケースとした．なお，載荷方向は浮体側壁の水セメント比が異なるため単純な比較はできないが，一般部及び内部補剛材部をそれぞれ想定したものである．
強度を同程度に確保すれば超軽量コンクリートも普通コ
一般部 ：正曲げ載荷（鋼板引張）,図-3(a)ンクリ－トと同等以上の性能を確保できると考えられる．
補剛材部：負曲げ載荷（鋼板圧縮）,図-3(b)比重1.2
1.51.82.3NAP

0.150.10W/C

各模型とも両端単純支持の 2 点載荷(4 点曲げ)とし，載荷は漸増載荷とした．
30055%

文献１）

56.5%(a)正曲げ載荷（鋼板引張）

本試験

300-

Cl 濃度(mol/l)

0.2040%
40%
約 35%
37.5%

0.05
0.00
0246810日数（日）121416100

図-3 試験模型（単位：mm）

図-1 塩化物イオン濃度計測結果(3)透水試験
窒素ガスを用いた加圧透水試験機を用いて促進試験を行った．試験体は 15cmφ×30cm とし，圧力容器内に設置して加圧水を作用させた．加圧水の圧力は 1.5MPa として48 時間作用させた後，試験体を取り出し，直ちに割裂して水の浸透深さから透水係数を算出した．
試験結果を表-6 に示す．透水係数も他の試験結果と同様に，水セメント比の小さい超軽量コンクリート(AP)が普通コンクリート(N)に比較して非常に小さくなった．

1002000(b)負曲げ載荷（鋼板圧縮）

表-7 試験ケース

正曲げｼﾘｰｽﾞ
負曲げｼﾘｰｽﾞ

ヤング率

模型の種類

圧縮強度
(N/mm2)(x104N/mm2)

材令（日）

AP-T1

模型１36.6

1.5142

N-T1

模型１35.2

2.6345ケース

AP-C1

模型 136.6

1.5142N-C1

模型 135.2

2.63

45

AP-C2

模型２36.6

1.5142(3)載荷試験結果概要

表-8 に最大荷重，破壊形態を図-4，図-5 に各シリーズの荷重と変位の関係を示す．ひび割れの発生経過は正曲げシリーズ，負曲げシリーズともほぼ同様で，まず，スパン中央付近に曲げひび割れが生じ，荷重を増大していくにつれ，ひび割れが進展あるいはほぼスタッド位置に新たなひび割れを生じ，最終的にせん断破壊を生じた．また，超軽量コンクリートを使用したＲＣＨ梁(AP)は，普通コンクリートを使用したＲＣＨ梁(N)と同等以上の性能を有することが確認できた．
1009080AP-T1

荷重 (KN)

706050N-T1403.2 水槽実験による実用性検証
実験は規則波及び不規則波を各波方向（0゜，45゜，90゜）で浮体に作用させ，浮体の運動，加速度，ヨーク及びばねの係留力等を計測した．実験水槽は三菱重工業（株）長崎研究所の浅水域水槽（L×B=40m×17.5m）を使用し，供試模型の縮率は水槽の造波能力及び計測精度等を考慮して 1/20 とした．
(1) 浮体模型
コンクリート比重（γ）の異なる３つのケースを想定し，表-9 に示す浮体要目を設定した．γ=1500kg/m3（Case2）を代表状態とする．Case1，3 については喫水影響について調査するため，一部の条件下での実験とした．
表-9 浮体模型の主要目（模型縮率 1/S=1/20，√S= 4.472）

3020

Case1
γ=2300kg/m3
実機
模型

設計荷重

1000510152025

変位 (mm)図-4 荷重と変位の関係（正曲げシリーズ）
4035

荷重 (KN)

302520AP-C1

N-C115AP-C210

設計荷重

50010203040
変位 (mm)

5060

70

Case2
γ=1500kgt/m3
実機
模型

Case3
γ=1200kg/m3
実機
模型

長さ L (m)

35.0

1.75

35.0

1.75

35.01.75

幅 B (m)
喫水 d (m or mm)
排水量 Δ(ton or kg)
重心高さ KG(m or mm)メタセンタ高さ GM(m or mm)
Kxx/B
慣動
Kyy/L
半径Kzz/L

10.0
1.4

0.5
70.0

10.0
1.1

0.5
55.0

10.0
0.9

0.5
45.0

502

61.2

395

48.2

323

39.4

1.19

59.5

1.23

61.5

1.37

68.5

5.46

273

6.90

345

8.34

417

0.339
0.25
0.25

0.339
0.25
0.25

0.341
0.25
0.25

0.341
0.25
0.25

0.347
0.25
0.25

0.347
0.25
0.25

図-5 荷重と変位の関係（負曲げシリーズ）

注）d,KG,GM の単位は実機：ｍ，模型：mm．Δは実機：ton，模型：kg．

表-8 各ケースの最大荷重, 破壊の状況(2) 係留装置模型
係留装置としてのヨーク装置及び係留ばね装置は，想定実機としていくつかの形態が考えられる．ここでは，ばね特性はスプリングで模型化し，その基本的特性が直接模擬できるようにした．
① ヨーク係留装置
・係留連結点の自由度
陸側 ；ピンジョイント ：Pitch 方向回転自由浮体側；ボールジョイント：3 軸回転自由・軸間長さ 15m
（模型寸法 0.75m）
・ヨーク部重量 6ton （模型重量 0.73kg）② ばね係留装置（模型 0.25N/mm）
・ばね定数 100kN/m（模型 12.5N）・初期張力 100kN

ケース
AP-T1
N-T1
AP-C1
N-C1
AP-C2

載荷 ひび割れ最大荷重
破壊形態
方向 荷重(kN) (kN)
正曲げ
4286.5
引張鉄筋降伏前にせん断破壊
正曲げ3577.2
せん断破壊
負曲げ329.8
引張鉄筋降伏後,せん断破壊
負曲げ1129.0
引張鉄筋降伏後,せん断破壊
負曲げ1630.7
引張鉄筋降伏後,せん断破壊

3.ヨーク係留装置の検討
3.1 概要浮体式石油生産設備等の一点係留システムとして実用されているヨーク係留装置を，浮桟橋の係留方式として採用する場合の実用性を水槽実験で検討した．
図-6 ヨーク係留概念図
ヨーク係留装置は係留ブイと船体とが，ヨーク（Yoke, くびき）と呼ばれる三角形（A 字型）の平面トラス構造によって連結されているもの
で，概念図を図-6 に示す．

(3) 実験条件
規則波中及び不規則波中での実験を行った．規則波は基本性能を把握するため常時対応の波高 0.5m とし，不規則波は異常時対応の有義波高 1.0m とした．不規則波のスペクトルは Bretschneider-光易型を用いた．波方向の影
響を調べるため，図-7 に示す波方向μを 0，45，90degとして実験を行った．

岸壁無しの状態を基本としたが，岸壁がある場合についても一部実験を行い，岸壁影響によって運動，係留力が変動する影響を調査した．岸壁の反射率の実測値はほぼ 0.8 である．
実施した実験のケースを表-10 に示す．また，実験結果に対して以下の解析を行い，データ整理を行った．
・ 規則波実験：振幅・位相解析により，規則波応答の振幅を算出．
・ 不規則波実験：スペクトル解析により，不規則波応答の有義値を算出．
(4) 実験結果
実験結果は波高で正規化した応答を波周期ベースの図に表し，各パラメータ影響を比較した．
結果の一例として，波方向 45゜における岸壁の影響を計算値と比較してまとめたものを
図-8 に示す．

図-7 模型配置と波方向の関係

浮体状態
Case2
Case3
Case1
（γ=2.3t/m3） （γ=1.5t/m3） （γ=1.2t/m3）なし

波方向 0゜－

波方向0゜,45゜－－

波方向 90゜－

岸壁無し，波方向45deg
岸壁有り，波方向45deg
岸壁無し，計算値
岸壁有り，計算値

Case2(=1.5)
水深10m, Sway

2.52.01.5
1.00.5468Tw (s)10121086422.5

214岸壁無し，波方向45deg
岸壁有り，波方向45deg
岸壁無し，計算値
岸壁有り，計算値

Case2(=1.5)
水深10m, Heave

2.0
1.5
1.00.5468Tw (s)1012岸壁無し，波方向45deg
岸壁有り，波方向45deg
岸壁無し，計算値
岸壁有り，計算値

Case2(=1.5)
水深10m, Fx
400
300
200
10002

468Tw (s)10121468Tw (s)101214岸壁無し，波方向45deg
岸壁有り，波方向45deg
岸壁無し，計算値
岸壁有り，計算値

121086420214468Tw (s)101214岸壁無し，波方向45deg
岸壁有り，波方向45deg
岸壁無し，計算値
岸壁有り，計算値

Case2(=1.5)
水深10m, Fy
400
Fy振幅/波振幅 (kN/m)

24Case2(=1.5
水深10m, Pitch

0.0

Fx振幅/波振幅 (kN/m)

1200.02① 比重 1.5 程度,圧縮強度 35N/mm2 程度の超軽量コンク
リートの中性化,透水性及び塩化物浸透性の特性は,ほぼ同程度の強度を有する普通コンクリ－トと比較して,非常に高い抵抗性を示した．超軽量コンクリー
トでは,骨材の弱さをカバーするために水セメント比を小さくしてセメントマトリクスの強度を上げており,組織が緻密になったためと考えられる．
② 超軽量コンクリートを使用したＲＣＨ梁は,同等の圧縮強度を有する普通コンクリ－トを使用したＲＣ
Ｈ梁と比較して，同等以上の性能を示した．

300
200
10002468Tw (s)10

図-8 波方向 45゜における岸壁の影響

12① 実験において，特に大きな非線形現象は観察されなかった．
② 実験値と計算値を比較した結果，理論計算は実設計に十分使用できる推定精度を有することが確認できた．また，岸壁の干渉影響も理論計算は比較的精度良く推定できることが確認できた．
③ ヨーク・ばね係留方式は Surge, Sway 方向には拘束度の強い係留方式になっており，このような係留に対しては浮体軽量化が係留力低減に有効である．
④ 本研究の実験ケースでは，ヨークに作用する最大係留力は波方向 45゜，設計波条件の有義波周期 8s，有義波高 1m で変動力有義値は約 70kN と，比較的小さな荷重に押さえられている．

5．おわりに岸壁無し，波方向45deg
岸壁有り，波方向45deg
岸壁無し，計算値
岸壁有り，計算値

Case2(=1.5)
水深10m, Roll

Pitch振幅/波振幅 (deg/m)

Sway振幅/波振幅 (m/m)

波方向0゜,45゜, 90゜

浮体縦付
距離 15m
浮体横付
距離 2m, 5m

10m

Heave振幅/波振幅 (m/m)

波方向
0゜, 90゜

Roll振幅/波振幅 (deg/m)

岸壁

4.1 耐久性と耐荷力に関する試験

4.2 ヨーク係留装置の検討

表-10 実験ケース
水深4．まとめ14

本研究は日本財団の助成を受けて２年間研究を行った「超軽量コンクリート等による浮体構造物の研究」の成果を一部とりまとめたものである．本研究のまとめとして「超軽量コンクリートを使用したＲＣハイブリッド浮体構造物の設計・施工マニュアル」を作成しており，詳細はこちらを参照していただくとともに，本研究成果が浮体構造物の検討に際しての一助となれば幸いである．
また，研究に際しては「超軽量コンクリート等による浮体構造物の研究委員会（委員長：早稲田大学清宮 理教授）」によるご指導・ご助言を頂いた．関係各位に厚く御礼申し上げます．

参考文献
1)横田 弘他：高性能軽量コンクリ－トによる港湾構造物建造に関する考察，軽量コンクリ－トの性能の多様化と利用の拡大に関するシンポジウム論文集，日本コ
ンクリ－ト工学協会，pp.153-158，2000.8.