こうえいフォーラム第９号／２００１．１

空港舗装における無筋コンクリートの温度応力挙動について
BEHAVIOR OF THE EXPANSION INDUCED THERMAL STRESS IN CONCRETE PAVEMENT OFTHE AIRPORT APRON野上富治*・桜井達朗**・浜 昌志***
Tomiharu NOGAMI,Tatsuro SAKURAI and Masashi HAMACracks nearby an expansion joint of the apron at Tokyo International Airport has been aproblem for airplane. The cracks indicated that they were thermal stress cracks. Then,measurement of temperature, strain, and joint displacement were carried out. Thermal stressanalysis based on these data was performed in order to identify a cause of the cracks. This paper
presents the cracking mechanism was made clear by the examination.
Key Words : airport, apron, concrete pavement, thermal stress, crack

１．は じ め に
東京国際空港（羽田空港）のエプロン舗装部は、当空港の航空輸送、旅客機能の位置付けより、１区域10スポット以上を有するといった規模を示している。そのような大きな範囲に対して、施工上もしくはコンクリート版の性状より当空港では、120mを標準として膨張目地が設けられている。
膨張目地はコンクリート舗装の最大の弱点であるので、その設置間隔をできるだけ大きくすることが望ましいとされている。当空港ならびに、関西国際空港においては、その膨張目地周辺に線状クラックが生じており、補修が行われたものとなっている１）。当空港で目地部の破損が認められた区域は図−１に示す西側貨物エプロン、洗機地区.整図−１ エプロン目地部の破損位置

備地区エプロンである。コンクリートの目地部の破損につける設計安全率は2.0（設計カバレージの区分N）となっていては、舗装下部の条件、目地部の荷重伝達不足、温度応いる３），４）。

力による破損といったことが既存資料 により考えられる。

整備地区エプロン（エプロンその７）においては、膨張現在のコンクリート版設計においては、温度応力はその目地部が接して上部が角欠けするような破損が夏期に見ら推定が難しいために、空港舗装では輪荷重による応力で版れ、その影響は温度応力によるものが深く関わっていると厚を設計し、温度応力の影響はコンクリート強度の安全率考えられた。その状況に対して、平成８年度にエプロン舗に含めて処理している。本エプロンのコンクリートの設計装等工事（その11）の無筋コンクリート舗装版（NC舗装

曲げ強度は4.9N/mm (50kgf/cm )であるが、現行設計法にお版）に、ひずみ計、継目計といった測定機器を埋設して、

２）22

夏期におけるエプロンの挙動を測定した５）。
本報告は、その測定データから得られた知見を基に、そ＊＊＊＊＊＊

運輸省第二港湾建設局
中央研究所 開発研究部
首都圏事業部 地盤構造部の挙動を温度応力解析にてシミュレーションし、エプロン設計への一提言を行ったものである。

69

空港舗装における無筋コンクリートの温度応力挙動について

２．空港におけるコンクリート舗装について
エプロン舗装等工事（その11）における設計.施工条件を有するような大規模なエプロンは、我が国においてあまり多くはないと思われるが、破損が確認されている当空港、を以下に示す。コンクリート版厚は46cmである。

関西国際空港に共通していることは、第１種空港といった（1）設計.施工条件

エプロンの規模と海上埋立空港といった点である。

① 設計荷重：LA-1（B-747-400）②

設計反復作用回数：20,000回③

路盤の支持力
設計支持力係数K75＝70MN/m3（7.0kgf/cm3）④

設計基準曲げ強度：材齢28日で4.9(50kgf/cm2)N/mm2⑤

縦横方向の目地間隔：7.5mを標準としている。

⑥

目地間隔、目地板

膨張目地間隔は設計上25mmとしていたが、施工上では上部GL-20mmまでを目地間隔30mmとして施工した。目地内には上部GL-20mmに注入目地材、その下部に目地板を挿入している。注入目地材、目地板は空港土木工事共通仕写真−１ 破損の状態例

様書６）の品質規格を満足したものを用いており、具体的には以下の物性の目地板を用いた。

３．エプロン温度応力観測

発泡体系目地板
復元率90％以上

1/2圧縮強度

0.7N/mm (7.0kgf/cm )以上す位置において、膨張目地に面して表−１に示す測定を行はみ出し量4mm以下った。測定は平成８年３月下旬のコンクリート打設（冬場2エプロン舗装等工事（その11）での測定は、図−２に示2施工）から、平成９年１月下旬までの測定を行った。測定（2）破損事例

期間における外気温変化は最大36℃、最低２℃程度を示す

当空港における破損事例として図−１に示す区域の内、ものであった。また、膨張目地で囲まれた版の平面積は、貨物エプロン地区（エプロンその１）、エプロンその７で冬場１月と夏場８月で夏場は冬場に比べて1.00028倍に膨の破損を以下に示す。

張していた。なお、測定期間において、当エプロンの破損

1）貨物エプロン地区は認められなかった。

貨物エプロン地区は平成４年２月〜11月にコンクリート打設（NC、版厚38cm）が行われ、平成５年５月に破損が認められた。破損箇所は膨張目地周辺にて２月〜４月に施工された位置であった。本破損位置はターミナル施設供用に向けて、速やかに打ち換え（膨張目地から左右に50cm分打ち換え）による補修が行われた。当時の記録が定かではないが、膨張目地間隔25mmで設置したものが、舗装上部にて11mmまで圧縮されていたようである。
2）エプロンその７
エプロンその７では、平成６年10月〜２月にかけてコンクリート打設が行われ、平成７年夏に破損が認められた。
破損の状態例を写真−１に示すが、膨張目地の角欠けや注入目地材のはみ出しが認められている。
これらの破損で共通している点は、冬場施工を行い、翌年夏期に破損に至ったということである。破損は夏季において膨張目地が圧縮されていることや、注入目地材のはみだしから、コンクリート版の冬期から夏期にかけての温度差による膨張に起因した温度応力が考えられる。膨張目地

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図−２ 測定位置関係図

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表−１ 計測内容
測定機器
ひずみ計
観測

諸元
KM-100B

測定単位×10-8
圧縮ひずみ：−
引張ひずみ：＋

継目計観測

BJ-50ATmm
コンクリート膨張：−
コンクリート収縮：＋℃

熱電対観測

CC 0.65

測定頻度
1996.3.18〜6.9：２時間ピッチ観測6.10〜1997.1.12：30分ピッチ観測

測定データの整理は、短期データ整理、長期データ整理
図−３ コンクリート版内の温度変化（７/ 30）に分けて、以下の観点で行った結果を示す。

16時〜18時で温度勾配が逆転する結果となった。

短期データ整理

季節別の14：00における深度方向分布は図−４に示す通・季節別温度勾配
・舗装温度とひずみの関係りであり、夏期と冬期では25℃程度の違いが認められる。

・舗装温度と継目の関係
長期データ整理・舗装温度とひずみの関係
・舗装温度と継目の関係
なお、測定結果は、図−２の観測位置における16AB（16レーンのAB地点）の軸方向における結果を示すものとし、同位置は２月22日にコンクリート打設が行われている。
図−４ 季節別コンクリート版内の温度変化（14：00）（1）短期データ整理
1）季節別温度勾配

2）舗装温度とひずみの関係

コンクリート版内の温度変化を夏期（７/ 30）のデータ

夏期（７/ 18）、冬期（１/９）のデータを用い、日変化にて表した結果を図−３に示す。図−３に示すように版上におけるひずみ（Ｓ記号）と同一深度における舗装内温度下にて温度は異なり、上部は日変動として10℃程度あるの（Ｔ記号）の関係を図−５に示す。温度上昇に伴って、ひに対して、下部は３℃程度の変化となっている。また、こずみは圧縮側へ移動し、日変動は舗装上部が大きいことがれらの温度の深度分布は、二次曲線で近似され、夏期では分かる。

図−５ 舗装温度とひずみの関係

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3）舗装温度と継目の関係

温度（Ｔ記号）との関係を図−７に示す。夏場に向って圧夏期（７/18）、冬期（１/９）のデータを用い、日変化縮ひずみ（マイナス）側への移動、舗装上部におけるデーにおける継目変位（Ｊ記号）と同一深度における舗装内温タの変動が確認できる。

度（Ｔ記号）の関係を図−６に示す。温度上昇に伴って版また、コンクリート舗装版の上下面の温度差によって生膨張（目地圧縮）側へ移動し、日変動でも舗装上部は１

じるそり拘束応力σt７），８）を、今回の各時間における版上mm程度変位していることが分かる。

下の温度差を当てはめた結果、そり拘束応力σt＝1.6〜−0.7(16〜−7kgf/cm 2)N/mm 2といった値が得られた。今回、（2）長期データ整理

曲げ強度4.9N/mm2(50kgf/cm2)に対する安全率は2.0である

1）舗装温度とひずみの関係ことから、許容値内（2.5N/mm 2）にあることが確認でき

観測期間におけるひずみ（Ｓ記号）と同一深度におけるる。

図−６ 舗装温度と継目の関係

図−７ 鋪装温度とひずみの関係

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図−８ 鋪装温度と継目変位の関係

2）舗装温度と継目の関係④

継目変位は、夏期は版膨張（目地圧縮）、冬期は版観測期間における継目変位（Ｊ記号）と同一深度におけ収縮が認められ、版上部で年間7.5〜8.5mm程度のる温度（Ｔ記号）との関係を図−８に示す。夏場に向って目地圧縮が認められた。また、日変動でも１mm程版膨張（目地圧縮：マイナス）側への移動が確認できる。

度は測定された。

版上部において、最大値として版収縮方向には1.22mm、版膨張方向には−8.72mmの値が観測された。なお、版下部のJ16AB1は９/19以降のデータは異常値となっている。

（4）施工上から考えられる版破損解析を行うに当たり、これまでの道路建設で示されている施工に対する記述、材料に関する記述を整理した。

（3）温度応力観測総括

道路舗装の目地部における破損は、図−10に示すよう観測結果より得られた知見は以下のとおりである。に目地部にモルタルなどの混入によって生じたり、目地材①

温度上昇に伴い、コンクリート版のひずみは圧縮側の垂直施工不良によっても生じる８），９）。このことは、目地に移行する。補足ではあるが、コンクリート版は板の材料特性において目地板の強度よりも、目地にかかる図−９の模式図に示すように、温度上昇時にはそり応力を均等に受けることが目地材に求められることと考え変形を起こそうとするが、コンクリート版の自重のられる。

影響から、版上部ではその逆の圧縮ひずみを示す 。

道路舗装での膨張目地には、セメントコンクリート舗装② 舗装内の温度深度分布は二次曲線で概ね近似できる。

要綱 ９）に示される材料規定において、ほとんどが板目地③（木材）を用いている。

８）

舗装内の温度は、外気温によるだけではなく、日射量等を考慮する必要がある。

図−９ 温度上昇に伴う版変形模式図

図−10 施工上からくる目地破損

73空港舗装における無筋コンクリートの温度応力挙動について

４．温度応力解析

外気温、日射量のデータは、過去５年間の気象データを（1）解析内容用い、日射量の影響を温度に等価変換した相当外気温とし解析手法は、温度履歴解析は外気温および日射の影響にて扱う。

よる吸熱、放熱過程を考慮した、有限要素法による２次元非定常熱伝導解析により行い、温度応力解析は有限要素法による平面ひずみ状態での２次元熱応力解析により行う。
解析検討手順としては、第一ステップとして、計測結果

Te；相当外気温、α；日射吸収率、f；表面熱伝達率、I；全天日射量、Tout；外気温（温度、ひずみ、継目変位）による挙動を再現できるような、妥当な解析モデルを数日間の短期間変動解析（時間単位計算）より構築する。第二ステップとしては、構築されたモデルを用いて、１年間程度の長期間変動解析（日単位計算）を実施し、ひびわれ発生メカニズムの検討を行う。
第一ステップでの妥当な解析モデル構築のための留意点
としては、以下の点が挙げられる。
・日射量の影響・コンクリート版と路盤との接合状態
・目地板の弾性係数等

図−12 温度履歴解析モデル概念図（2）解析モデル、物性の設定
解析対象は、図−11に示すとおり、長辺となる施工軸方向に着目して、16AB-16CLとする。
解析モデルは、隣り合うコンクリート版を対象としたハーフモデルとする。温度履歴解析モデル概念図は図−12に示し、温度応力解析モデル概念図は図−13に示す。
コンクリート、路盤、路床、目地板の物性値諸定数は、既往の文献資料を参考に、表−２、表−３のとおりとする。
その他、長期間変動解析では打設当初の断熱温度上昇を図−13 温度応力解析モデル概念図考慮する。
表−２ 熱定数

図−11 解析対象
表−３ 弾性定数74

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引張ひずみ（膨張）、負が圧縮ひずみ（収縮）となる。
検討の結果、温度については、日射吸収率を７月では0.4、10月では0.3、1月では0.2と設定すれば、図−15に示すように計測値と解析値はよく合うことがわかった。
T16AB1〜5が計測値で、AT16AB1〜5が解析値である。
継目変位、全ひずみについては、コンクリート版と路盤の境界面を不連続性として取り扱い、ジョイント要素によ
図−14 計測器配置図

りモデル化すると、図−16、17に示すとおり、挙動を定性的に表わすことができることがわかった。計算によると、（3）短期間変動解析による検討

夜から昼へと温度上昇するに伴い版の上面が膨張しそり変

夏期（７月）、秋期（10月）、冬期（１月）の季節毎の３形となり、目地付近から10〜20mの範囲でジョイント要素日間を、検討対象期間として、計測値と解析値の時間別のの鉛直剛性に引張が生じ切断された状態となった。

履歴の比較を行い、妥当な解析モデルを構築する。

J16AB1〜5が継目変位計測値で、AJ16AB1〜5が継目変位

温度履歴解析については、境界条件となる外気温に日射の影響を考慮した相当外気温に着目し、そのパラメーターである日射吸収率の適切な値を検討する。
温度応力解析については、コンクリート版と路盤の接合状態、目地板の弾性係数等に着目し、妥当な解析モデルの構築を図る。
計測値と解析値の比較方法は、次に示すとおりである。
計測配置は図−14に示す。
・温度：T16AB1〜T16AB5の計測値と解析値について、対象期間の最初の値を０として比較する。
・継目変位：J16AB1〜J16AB3の計測値と解析値について、対象期間の最初の値を０として比較する。正は目地が開く方向で、負は閉じる方向とする。
・全ひずみ：コンクリート版の伸縮挙動を捉えるため、
S16AB1〜3とS16CL1〜3の差分の計測値と解析値について、対象期間の最初の値を０として比較する。正が

図−15 温度の計測値と解析値の比較

図−16 継目変位の計測値と解析値の比較

図−17 全ひずみの計測値と解析値の比較

75

空港舗装における無筋コンクリートの温度応力挙動について解析値である。S16AB1〜5が全ひずみ計測値で、すれば、温度履歴および温度応力解析挙動を精度良くシミ

AS16AB1〜5が全ひずみ解析値である。

ュレーションすることができると考える。

さらに、継目変位挙動等を解析により定量的に再現する

・温度境界条件は、外気温に日射の影響を考慮した相当外気温を用いる。

上で、目地板の弾性係数の値に着目した。そこで、夏期の検討対象期間の最終日（７/17）を抽出し、継目変位の日・温度応力解析モデルは、コンクリート版と路盤の境界面をジョイント要素でモデル化する。

変動の計測データから、目地板の弾性係数を逆解析により同定したところ、当初設定した1.4N/mm (14kgf/cm )22から・目地板の弾性係数は、圧縮ひずみとの関数で表す。

4.3N/mm (44kgf/cm )となり、図−18に示すようによく合う22ことがわかった。秋期（10/19）、冬期（１/12）においても検討したところ、同様な結果を得ることができた。

（4）長期間変動解析による検討
上記の検討による解析モデルを用い、長期間変動解析にこのように、コンクリート版と路盤の境界面をジョインより、種々の条件を設定し、ひびわれ発生メカニズムの検ト要素でモデル化し、さらに目地板の弾性係数を適切な値討を行う。変状原因の因子として、外気温（過去５年間にするとコンクリート版の温度応力挙動を定量的に再現す（1992〜1996年）の最大年振幅）、打設時期、コンクリートることができる。の版長、目地幅、コンクリートの版厚について想定した。

そして、目地板の弾性係数は、継目変位つまり圧縮ひず

よって、検討ケースは、表−４に示すとおりとした。

み（＝継目変位/目地幅25mm）の状態により変化するもの
表−４ 検討ケースと推測し、６/10〜６/16、７/１〜７/17、10/３〜10/19、１/１〜１/12の各日に対して、逆解析により目地板の弾性係

打設時期

コンクリート版の長さ

目地幅版

ケース １

２月

120.0m25mm

46cm

なし

平均年振幅SIN波近似 基本ケース数を同定する。同定された弾性係数と圧縮ひずみの相関式

ケース ２２月

120.0m25mm

46cm

なし

最大年振幅SIN波近似 外気温の影響

ケース ３−１５月

120.0m25mm46cmなし

平均年振幅SIN波近似 打設時期の影響

ケース ３−２８月120.0m25mm46cm

なし

平均年振幅SIN波近似〃

ケース ３−３11月

120.0m25mm46cm

なし

平均年振幅SIN波近似〃

ケース 4−１

２月40.0m25mm46cm

なし

平均年振幅SIN波近似 コンクリートの版長の影響（相関係数＝0.83）を次式および図−19に示す。

以上の検討結果から、次に示す事項を解析モデルに考慮

厚 目地内の異物混入

外気温モデル

備考

ケース 4−２２月120.0m25mm46cm

なし

平均年振幅SIN波近似

ケース ５−１

２月

120.0m20mm

46cm

なし

平均年振幅SIN波近似 目地幅の影響〃

ケース ５−２２月

120.0m30mm

46cm

なし

平均年振幅SIN波近似

ケース ６−１

２月

120.0m25mm

30cm

なし

平均年振幅SIN波近似 コンクリートの版厚の影響

ケース ６−２２月

120.0m25mm38cm

なし

平均年振幅SIN波近似

ケース ７２月120.0m25mm46cm〃〃あり（表面部） 平均年振幅SIN波近似 目地内の異物混入の影響※ケース ７の異物混入は、その箇所での目地板の弾性定数をコンクリートとして現わす。

図−20に長期間変動解析の一例としてケース１の結果を示すが、実測継目変位に近似していることが確認できた。

図−18 継目変位の計算値と解析値の比較（逆解析）

図−20 継目実測変位と解析結果（ケース１）の比較

コンクリートの強度を曲げ強度試験結果から推定して、
圧 縮 強 度 ＝ 4 8 . 1 N / m m 2( 4 9 0 k g f / c m 2) 、 引 張 強 度 ＝3.0N/mm2(31kgf/cm2)、せん断強度＝6.1N/mm2(62kgf/cm2)とする。
解析の結果、ひびわれ発生に対して最も影響のある応力は、せん断応力で次に引張応力であった。目地近傍に着目して、各ケースの最大せん断応力を図−21に示す。
図−19 目地板の圧縮ひずみと目地板の弾性係数の相関図

76

その結果、比較的に影響の度合いが大きかったものは、

こうえいフォーラム第９号／２００１．１

応力状態は版厚方向に均等に分布

目地板が正常に機能している場合
せん断破壊

一部の目地板の拘束状態が厳しくなることによる応力集中

目地板の一部の弾性不足が生じた場合
せん断破壊線接触部に応力集中

目地内に混入物があり正常に機能していない場合

最大せん断応力（N/mm2）

図−21 各ケースの目地近傍の最大せん断応力の比較

図−24 ひびわれ発生メカニズムの概念図

5.0

い範囲の挙動を示すものとなった。温度応力解析で、4.0

最も破損に直結するものは、せん断応力となったが、3.0

表面部→中央部→底面部といった順で発生応力は大2.0きくなった（比率としては、表面部を1.0とすると、1.0

中央部1.05、底面部1.24程度となる）。
②0.0
2月５月８月

せん断応力増加に影響のある項目は、外気温の増減

11月と打設時期であり、具体的には外気温振幅が激しく、冬期に施工することでの条件が厳しいものとなる。

図−22 打設時期と最大せん断応力との関係

最大せん断応力（N/mm2）

外気温振幅（温度差）を激しくすると、目地板の圧5.0

縮ひずみは40％以上となり、破損に至らない他検討

4.0

ケースでは40％以下の圧縮ひずみとなっている。
③3.0

目地部に異物が混入したものとして、目地部のせん2.0断応力を求めた場合においても版破壊は再現するこ1.0とが可能となった。
（図−24）
④0.0
40m

120m

200m

目地板の圧縮ひずみ、弾性係数は版上下において異なってくるため、本解析では目地上部の目地開口幅が30mmとなっていることから、破損に至る条件は

図−23 コンクリートの版長と最大せん断応力との関係再現できなかったが、局所的な圧縮ひずみ増大による応力集中によって破損に至る可能性もある（図−24）。

外気温、打設時期であり、コンクリートの版長を極端に短くすることでも効果があることがわかった。打設時期及びコンクリートの版長と最大せん断応力との関係は、図−22〜23に示すとおりであった。
また、ケース7のように目地内に異物が混入すると、その箇所での応力集中が生じ、破壊に至る応力が発生するこ５．現状設計・施工に対する提言（案）
挙動データ、施工上留意事項、解析結果を踏まえた現状
設計.施工に対する提言（案）を以下に示す。
①とがわかった。

コンクリート版に膨張目地を有す必要があると判断した場合は、冬期施工（12〜３月）に際して、膨張目地間隔を広げることで版端部に生じる応力の低減（5）解析結果効果が望まれるため、膨張目地間隔を30mm程度に広げる等の対処を行う。

本解析で得られた知見を以下に示す。
①

空港コンクリート舗装設計要領に示される膨張目地②

施工上、目地板変形状態（目地の垂直施工不良）で設置間隔100〜200m、算定される舗装厚30〜46cmでの施工を避けるとともに、目地間にコンクリート、は、目地部に生じる温度応力の違いは大差ない。まモルタル等の異物が混入しないように留意する。セた、目地間隔は狭くなるほど、発生応力は大きくな

メントコンクリート舗装要綱では、目地る傾向を示すが、20〜30mmの間では破損に至らなよりやや広めに施工し、かつ目地板の上部にコンクは目地板

77

空港舗装における無筋コンクリートの温度応力挙動についてリートが残らないように十分清掃することが大切でには、膨張目地の開口幅は膨張目地の間隔、コンクリートあると記されている。

版の施工時期等によって適宜変わり得るものであると追記されている。

６．お わ り に
今回の挙動解析において、コンクリート版膨張目地部破損を再現するためには、極端な外気温変動（年間温度差37℃程度）、目地内の異物混入により再現できた。また、目地板の物性の与え方が本解析のポイントとなり、目地板

参考文献
１）関西国際空港株式会社：NC舗装版のひび割れ補修工法（セメント系）について、第32回空港土木工事報告会、平成９年10月
２）運輸省航空局：空港舗装補修要領（案）、昭和59年３月
３）（財）航空振興財団：空港コンクリート舗装構造設計要領1990、運輸省航空局監修の圧縮ひずみ（目地板の圧縮ひずみによる弾性係数の変化）

４）土木学会：舗装工学

によっても破損が考えられた。

５）運輸省東京空港工事事務所：平成８年度東京国際空港エプロン舗装

したがって、目地板の物性が破損メカニズムの推定に当たって重要なパラメータとなり、応力を均一に伝達すること、版上下において異常な応力集中を起こさない程度の圧縮ひずみ（40〜50％以上程度）に抑えることが重要となる。
また、今後の課題として、解析上設定した目地板の圧縮ひずみに対する弾性係数の変化の関係が解析のポイントとなったことから、実際の目地板の材料特性上における応力−ひずみ関係（高い拘束状態での急激な弾性係数の増加）が懸念される10），11）。
なお、本年度改定された「空港舗装構造設計要領」12）78

挙動調査報告書、平成９年３月
６）（財）港湾空港建設技術サービスセンター：空港土木工事共通仕様
書、運輸省航空局監修、平成８年４月
７）八谷好高、上中正志：空港コンクリート舗装の目地.ひびわれ部の挙動、港湾技研資料、NO.710、1991
８）福田萬大：講座.舗装の維持修繕９コンクリート舗装：舗装26-1、

1991
９）（社）日本道路協会：セメントコンクリート舗装要綱、pp.156-158
10）岩間滋：コンクリート舗装の構造設計に関する実験的研究、土木学会論文集第111号、1964年
11）蒔田ら：最近のコンクリート舗装用目地材料について、第11回日本
道路会議論文集、1973年
12）（財）港湾空港建設技術サービスセンター：空港舗装構造設計要領、運輸省航空局監修、平成11年４月