スピーカー

ファズルール・R・カーン 本会議講師

FRP複合材による構造工学の革新:過去30年にわたる私の歩み

ジン・グァン・テン

学長兼教授
構造工学
香港理工大学

  • 過去30年以上にわたり、繊維強化ポリマー(FRP)複合材料は、主に海洋やその他の過酷な環境における優れた耐食性により、既存の構造物の強化や新しい構造物の建設の両方において、鋼やコンクリートに代わる有望な材料として浮上してきた。FRPは現在、世界中で構造物の長寿命化のための補強材の主流として広く使用されている。新設構造物では、耐久性向上や長寿命化のため、鋼材に代わるFRP鉄筋、FRPフィラメントワインドチューブ、FRPケーブルなど様々なFRP製品の開発・適用が検討されている。FRPによる構造物の長寿命化は、耐用年数当たりのCO2排出量を大幅に削減する有効な手段であり、将来の持続可能なインフラ整備に貢献するものである。

    本講演では、まずFRP補強技術の発展について、研究と実用化の両面から概説し、FRPが現在主流の補強技術であることを示す。次に、鉄骨に代わって構造物の耐久性を向上させる可能性のあるいくつかの有望なFRP製品に重点を置きながら、新しい建築におけるFRPの構造的利用について批判的に概観する。次に、新築構造におけるFRPの普及と迅速な採用を阻む障害について考察し、これらの障害を克服するための戦略を提示する。最後に、講演者が発明した新しいクラスのFRP対応ハイブリッド構造部材であるFRP-コンクリート-鋼のダブルスキン管状部材を例に、その大きな可能性を示すとともに、新素材構造の構想から実用化までの長い道のりを説明する。

基調講演者

ライフサイクル・エンジニアリング - あらゆるスケールの構造物への影響

マーク・サルキシャン

パートナー
Skidmore, Owings & Merrill LLP
米国

  • ライフサイクル土木工学は、あらゆる規模の構造物の設計に不可欠な枠組みとなっている。 構造物の耐用年数全体を考慮することで、生命の安全性、性能、維持管理、回復力、コスト、環境への影響に関する重要な考慮事項が導き出されている。 橋梁構造物については、風雨に直接さらされるため、数年前から考慮すべき事項が明らかになっていたが、建築構造物についてはそうではなかった。 最近では、特に地震が多い地域で使用される構造物の期待寿命を定義することを中心に取り組み、ライフサイクル・エンジニアリングへの重要なアプローチにつながっている。具体的な事例を通して、小規模住宅から高層商業ビルまで、あらゆるスケールの構造物のライフサイクル・エンジニアリングを探る。 二酸化炭素の排出は、構造物のライフサイクル・エンジニアリングにとって重要な考慮事項である。 排出される二酸化炭素には、建設時(具現化時)および潜在的に運転時に寄与する3つの主要な構成要素がある。 その構成要素とは、材料、建設プロセス、確率的損傷である。 材料の種類と使用量は、一般的に具現化炭素に最も大きな影響を与えるが、建設時間と建設工程も重要な要因である。 確率的損害の考慮は、排出量に最終的に大きく寄与する。 現在の標準的な建築基準法では、建築物は通常、人命の安全性を考慮して設計されているため、地震が発生した場合、構造物に大きな損傷を与える可能性がある。 この損傷は、修復に材料と工期を要するため、環境に大きな影響を与える。 建物が大きく損傷し、居住不可能と判断された場合、解体と再建に伴う炭素を考慮しなければならない。 大きな地震が発生した後に、構造物が修理や交換を必要としないように、耐震性があり、大きな地震での損傷を抑える構造システムや部品を作るための重要な取り組みがある。

ライフサイクル橋梁工学の課題と機会

ファビオ・ビオンディーニ

教授
ミラノ工科大学

  • 橋梁やインフラシステムの資産管理は、老朽化・劣化の過程や、変化する気候の中で複数の危険にさらされることによる有害な影響のため、公的機関や管理機関にとって優先順位の高い課題である。不確実性の下で、限られた資源を合理的に配分し、インフラ規模での橋梁維持補修介入の効率的な優先順位付けを行うための意思決定プロセスに情報を提供するためには、学際的なリスクに基づくライフサイクル指向の基準、方法論、ツールが必要である。実際、ほとんどの先進国では、過去半世紀以上にわたって建設された膨大な数の橋梁やインフラ施設が、急速に耐用年数の終わりに近づいている。補修や交換の必要性の規模は著しく大きく、各国の持続可能な発展にとって重要な障害となっている。この状況は、気候変動の影響によってさらに悪化しており、気候変動は環境災害への曝露を変化させ、構造物の劣化やインフラの老朽化の速度を増大させる可能性がある。このような課題に対処するため、橋梁工学はライフサイクル・アプローチへと大きく変化しつつあり、インフラ規模でのシステマティックなビジョンを取り入れている。このパラダイムシフトは、重要なインフラシステムの安全性、信頼性、冗長性、堅牢性、機能性、災害回復力、持続可能性を保護、維持、改善するための基準、手法、手順を統合し、強化するために重要である。しかしながら、リスクベースのライフサイクル評価手法は十分に確立されているものの、供用中の構造物の長期性能に関する情報が限られているため、その強固な検証と正確な校正は困難な課題である。従って、ライフサイクル評価手法を実際に導入して成功させるためには、既存構造物の検査や実験的試験からデータを収集することが不可欠である。これらの課題に対処することは、構造ヘルスモニタリングシステムの広範な利用と革新、橋梁や高架橋に関する構造データをリアルタイムで管理するためのデジタルインベントリの活用、人工知能、モノのインターネット、デジタルツインズなどの新技術の導入によるスマートインフラの開発など、橋梁工学を育成・発展させるための複数の機会を解き放つことにもなる。本講演では、ライフサイクル橋梁工学における課題、機会、将来の展望を取り上げるため、最近の研究プロジェクトの成果やケーススタディを含め、研究の進歩と成果をレビューする。

スマートで客観的なモデリングの時代におけるマルチハザードのライフサイクル・レジリエンスの追求

ジェイミー・パジェット

教授
ライス大学

  • 地震、ハリケーン、洪水などのハザードイベント時やその後に、構造物やインフラシステムが確実かつ効果的に機能することは、公共の安全、経済活力、生活の質にとって不可欠である。インフラのレジリエンス(耐力、適応力、回復力)を促進するリスク情報に基づく意思決定には、その生涯を通じてこのようなストレス要因にさらされた場合のシステムの性能を確実に予測することが必要である。しかし、このような未来は、ダイナミックに変化する状況に関する不確実性、自然災害やインフラ(投資不足)の不均衡な影響の遺産に関する課題、スマートシステムや新たなデータやアルゴリズムに関連する機会をもたらす。本講演では、複数の災害にさらされるインフラのスマートで公平なライフサイクル回復力モデリングへのパラダイムシフトについて議論する。インフラの回復力追求のアルゴリズムと結果の両方において、インテリジェンスを注入し、公平性への配慮を促進することを意図した、このようなモデリングの枠組みの特徴と次元について議論する。ハザード、システム、スケールを横断するケーススタディを活用し、構造物からインフラ、コミュニティスケールまでのリスクとレジリエンスのモデリングにおける最近の進歩を強調する。

コンクリートの炭酸化、鉄筋の腐食、温室効果ガスへの影響。

ロバート・E・メルチャーズ

教授
ニューカッスル大学
オーストラリア

  • 内陸の鉄筋コンクリート構造物の鉄筋腐食は、しばしば「炭酸化」に起因する。これは、大気中の二酸化炭素の侵入によってコンクリートのpHが十分に低下し、水分の存在下で鋼材の腐食が始まるという主張に基づいている。ほとんどの場合、二酸化炭素の浸透深さのみが考慮され、実際のコンクリートではなく、溶液中での実験室観察が多い。著しい鉄筋腐食の直接的な証拠はほとんど報告されていない。ここでは、温帯気候地帯で60年間大気暴露を続けた後、異なる標高と場所から採取した数本の鉄筋コンクリート柱について、炭酸化深さ、コンクリートpH、鉄筋腐食の詳細な観察結果を報告する。何らの保護もなく、大胆に露出していたにもかかわらず、鉄筋腐食の証拠を示したものはなかった。すべてのコンクリートで、炭酸化はコンクリート・マトリックスの10~15mm程度までしか見られず、コンクリートのpHは内部から外表面に向かって徐々に低下していた。これらの観察結果は、現代の腐食科学に基づいて解釈されている。まとめると、鉄筋腐食の開始と進行は、コンクリートのアルカリが浸出によって徐々に長期にわたって失われ、その結果コンクリートのpHが低下することによってのみ起こりうる。これとは対照的に、二酸化炭素によって形成される炭酸塩は、コンクリートの細孔を塞ぐことによって実際に保護作用を発揮し、それによってアルカリの溶出速度を遅らせる。鉄筋腐食の発生を予測する簡単なモデルを提案する。現在の観察から、コンクリート母材が高品質であれば、鉄筋腐食の深刻なリスクなしに、炭酸化が大気中の二酸化炭素の吸収源として機能することが示された。このような大気中の二酸化炭素の吸収は、大気中の温室効果ガスの削減に有益である。よく言われる「炭酸化」による鉄筋腐食の恐れは、実際のコンクリートやその解釈に関する不十分な実験的表現に基づいており、見当違いであると結論づけられる。

コンクリート構造物の耐久性と回復力のためのマルチ物理学フィールドおよびマルチスケール予測理論

エアロン・チェン

教授
同済大学
中国

  • コンクリート橋の耐久性と回復力は、炭酸化、塩化物の浸入、高温、鉄筋腐食、コンクリートのひび割れなどの劣化プロセスによって大きく影響を受け、これらすべてが構造物の完全性を損なう。これらの課題に対処するため、現在の研究は、温度、湿度、化学反応、機械的応力などの環境、材料、機械的要因の連成効果を調査するマルチフィジックス、マルチスケール予測理論へとシフトしている。主な科学的課題には、き裂の発生と進展の理解、マルチフィールドプロセスの結合の正確なモデル化、メソスケールメカニズムと大規模構造物の挙動との関連付けなどが含まれる。本発表では、炭酸化、塩化物浸透、鉄筋腐食、ひび割れ、火災誘発損傷などの劣化メカニズムを扱うための、メソスケールでのマルチフィジックス場結合理論を紹介する。このモデルは、化学的、電気化学的、熱的、機械的プロセスを統合し、これらの要因間の相互作用に関する深い洞察を提供し、十分な情報に基づいた橋梁保全戦略の基礎を築く。

斜張橋のライフサイクルヘルス・モニタリングとメンテナンスのためのストリーミングベースのメカニカル・デジタル・ツイン

ホン・ハオ

ARC ローリエート・フェロー
ジョン・カーティン特別教授
カーティン大学

  • 従来の斜張橋のIoTベースのヘルスモニタリングシステムは、センサーデータの送信と統合を容易にしますが、多くの場合、有限要素(FE)力学モデルとの直接的な相互作用を欠いています。一般的に、センサデータは、モーダル更新のために間接的に使用されるか、FEモデルを調整するために手動で入力され、リアルタイムの構造評価の効率を制限している。本研究では、ストリーミング計算を利用してリアルタイムのセンサーデータを直接FEモデルと統合し、力学モデルの継続的な自動更新を可能にする革新的なフレームワークを提案する。これにより、人手による介入を減らし、構造状態の変化をほぼリアルタイムでデジタルツインに反映させることができる。データ送信とFEモデルの更新によりわずかな待ち時間が発生しますが、このシステムはライフサイクルのヘルスモニタリングに有効です。Unity 3Dを使用することで、メカニカルモデルをリアルタイムで視覚化し、センサーデータ、FE解析とモデル更新、デジタルツイン視覚化のための統一プラットフォームを構築しています。このアプローチは、センサーデータと橋梁の物理モデルをデジタルツインシステムで接続することで、橋梁モニタリングの精度と応答性を高めます。これは、土木工学におけるライフサイクル管理の新たな基準となります。

劣化構造物の多目的最適ライフサイクル管理と意思決定

スンヨン・キム

教授
Wonkwang University
大韓民国

  • 劣化しつつある構造物やインフラストラクチャーは、その耐用年数を通じて、外部荷重、機械的ストレス要因、環境条件、極端な事象に絶えずさらされている。これらの要因は、その性質上非常に不確実であるため、構造物の性能と残存耐用年数の正確な評価と予測を複雑にしています。これらの課題に対処するためには、適時の検査とモニタリングが不可欠である。しかし、検査とモニタリングだけでは、耐用年数を延ばしたり性能を向上させたりすることはできない。したがって、劣化した構造物の効果的なライフサイクル管理には、点検、モニタリング、維持管理を統合することが極めて重要である。本論文では、複数の目的に基づき、ライフサイクルを考慮した点検・監視・保全計画の最適化に焦点を当てる。これらの目的には以下が含まれる:(a)性能ベース、(b)コストベース、(c)損傷検出ベース、(d)耐用年数ベース、(e)リスクベースの目的である。本論文では、これらの目的の定式化と、点検・監視・保守管理の単一目的および多目的最適化のアプローチを示す。最適な管理戦略を選択するための意思決定プロセスを提供する。さらに、点検・モニタリングからの情報を活用した更新プロセスを取り上げ、ライフサイクルの点検・モニタリング・保全計画の精度を高める。