ユーザー事例集

建設現場にマルチフィジックスシミュレーションを導入

時間, 温度, 材料の選択, 気象条件, 鋳造技術はすべて, 建物の建設に使用されるコンクリートの初期の性能に影響を与える可能性があります. Heidelberg Materials は, 主要な変数がプロジェクトにどのような影響を与えるかについて顧客が十分な情報に基づいて決定を下せるように, コンパイルされたシミュレーションアプリを使用して予測的なマルチフィジックスモデリング機能へのアクセスを提供しています.

Alan Petrillo著
2023年 9月

コンクリートは, 小さな家からそびえ立つ橋や超高層ビルまで, 数え切れないほど多くの建造物の基礎を成しています. しかし, コンクリートが長寿命であるという約束を果たすためには, 施工業者が建設プロセス中に適切な決定を下す必要があります. その選択はコンクリートの硬化速度, つまり成熟速度に影響し, 長期的な強度と耐久性を決定するのに役立ちます.

請負業者は, 成熟度法を使用してコンクリート打設プロセスの潜在的な結果を予測できますが, 現場でこの技術を適用するのは難しい場合があります. このため, 世界最大のセメント, 骨材, プレキャストおよびレディーミックスコンクリートのサプライヤーの1つであるHeidelberg Materialsは, スウェーデンとノルウェーの顧客にHETTと呼ばれるコンピュータープログラムを提供しています. （参照1）同社は複数世代のHETTの開発に参加してきましたが, 新しいバージョンは異なります: HETT²²は, 現場の状況, 周囲温度, 材料の選択, その他の関連変数を考慮したマルチフィジックスモデルに基づく予測にタイムリーにアクセスできるコンパイル済みシミュレーションアプリです. HETT²² とその関連モデルは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用してマルチフィジックスモデルとシミュレーション アプリを構築することを専門とする COMSOL 認定コンサルタントである Deflexional によって Heidelberg Materials 向けに作成されました (参照 2). アプリケーションビルダーを使用してモデルをカスタムアプリに変換した後, Deflexional は COMSOL Compiler™ を使用してそれを展開しました. リリースからわずか 6 か月で, HETT²² は 1100 回以上ダウンロードされました.

“HETT²²は, さまざまな観点からオプションを評価するのに役立ちます”と, Heidelberg Materials のCement Sverige (旧Cementa) の HETT プログラムのプロジェクトマネージャー, Mikael Westerholm 氏は語ります. シミュレーションを使用して早期成熟プロセスの潜在的な結果を予測することで, 請負業者は, 決定が事実上確定する前に, 建設の代替案に関して行う選択に自信を持つことができます.

時間, 温度, そしてセメントの水和のトレードオフ

コンクリートの成熟度と強度の発達を制御する化学プロセスにはさまざまな要因が影響しますが, 温度は特に重要な役割を果たします.

“セメントの水和はセメントと水の化学反応で, 大量の熱が発生します”と, Heidelberg MaterialsのSement Norge (旧 Norcem) の技術マネージャー, Tom Fredvik 氏は説明します.“これにより, 硬化プロセス中に温度が上昇し, セメントの水和速度は温度に大きく左右されます. 温度が高いほど, 水和速度が速くなり, 強度が向上します.”

急速な水和は必ずしも望ましいことではありません. 暑い気候で急速に硬化するコンクリートは, 寒い条件でゆっくりと熟成するコンクリートよりも弱くなる可能性があります. 逆に, 氷点下の気温も強度の発達を阻害する可能性があります.“特に冬季に打設する場合は, これらの影響を考慮することが非常に重要です”とFredvik 氏は言います. “最悪の場合, コンクリートが十分な強度を得る前に凍結すると, 永久的な凍害を受ける可能性があります.”

請負業者は, 凍結のリスクを軽減するために, 型枠を断熱し, コンクリートの自由表面を断熱材で覆ったり, 外部から熱を加えたりすることができます. このような技術は, 過熱, 早期乾燥, または建設プロジェクトコストの大幅な増加を避けるために慎重に適用する必要があります.

成熟度法による筋力発達の推定

請負業者は, 熱管理戦略に着手する前に, 成熟度法を使用して特定のプロジェクトの潜在的な結果を予測できます. “成熟度法は, 温度がコンクリートの強度の発達に及ぼす影響を推定するために 50 年以上使用されてきました”とWesterholm 氏は述べています. “これは強度を予測する非破壊的な方法です. 強度は, コンクリートを打設した後にコアサンプルを分析することによってのみ判定できます.”

成熟度法では, 既知の指標と現場およびプロジェクト固有のデータを組み合わせます. コンクリート混合物の成熟度関数と基準強度の値は事前に取得できますが, コンクリートがさらされる温度を推定する必要があります. この推定温度曲線は, 周囲温度とセメントの水和によって発生する内部熱を考慮する必要があります. 実際の温度レベルは, 特定のコンクリート鋳造物全体にわたって均一に変化するわけではないため, 強度も不均一に発生する可能性があります.

マルチフィジックスシミュレーションを請負業者に委ねる

シミュレーションの予測可能性をより広く利用できるようにするため, Heidelberg Materials は Deflexional と契約して HETT の最新バージョンを作成しました. “Heidelberg のチームが目標を説明したとき, 私たちは HETT の有用性を拡大する絶好の機会だと考えました”と Deflexional の CEO である Daniel Ericsson 氏は述べています. HETT²²は, COMSOL Multiphysics ソフトウェアのアプリケーションビルダーを使用して開発され, COMSOL Compiler™を使用してコンパイルされたプログラムの第 1 世代です.

“HETT²²では, できるだけユーザーフレンドリーにすることが目標の 1 つでした”と Fredvik 氏は語ります. “また, お客様が現実世界の状況をより詳細に検討できるように, 新しい機能も追加しました.”

仮想のコンクリート鋳造プロジェクトの簡単な見回り検査で, HETT²²の拡張機能がわかります (図 2). アプリのユーザーは, まずさまざまな建設シナリオを表す典型的なケースのリストから選択し, 鋳造形状パラメーター, 材料の混合, コンクリートの強度クラス, 時間枠, 予想される気象条件を定義します. モデルは, 鋳造の物理的環境がその動作にどのように影響するかを考慮します.

“既存のスラブ上にコンクリートを鋳造する場合, 新しい鋳物と古い鋳物との接合部は非常に重要です”と Fredvik 氏は言います. “HETT²²を使用すると, 接合部周辺で何が起こっているかを分析できます.” 鋳物内部の加熱ケーブルや加熱/冷却パイプの存在など, コンクリートの温度と強度の発達に影響を与える可能性のあるその他の関連する物理的属性をモデルに組み込むことができます. モデルの形状とメッシュを図 3 に示します.

型枠と形状を定義した後, ユーザーは計画された鋳造に現場固有の天気予報を統合できます (図 4). 全世界の予報は自動的にダウンロードされ, モデルの適切な境界条件に変換されます. “事前に予報を選択するだけでなく, 硬化期間中に現場で記録された温度を HETT²²に提供し, 測定された条件が予想と大幅に異なる場合は調整することもできます”と Fredvik 氏は述べています.

時間的制約と必要な強度は, ユーザーが材料を選択する際に大きな影響を与えます. “この例では, 型枠を取り外す前に強度要件が 15 MPa に設定されています”とWesterholm氏は述べます. “そのため, 事前にインストールされたライブラリから適切な強度のコンクリートを選択します. ユーザーは, コンクリートに混合する補助的なセメント材料を選択することもできます. これらの材料には, フライアッシュ, 粒状高炉スラグ, シリカフュームなどがあります”とWesterholm氏は説明します.

これらの材料は, エネルギー生産や鉄およびフェロシリコンの加工など, 他の産業からの副産物です. セメントに補助材料を使用したり, コンクリートに添加物として使用したりすることで, コンクリート建設の全体的な炭素排出量を削減できます. “CO₂ 排出量の削減は, 世界中のコンクリート業界の焦点です”とWesterholm氏は言います.” しかし, これらの代替材料は水和を遅らせ, 強度発現特性が異なります. ²²は, ユーザーがあまり知らないコンクリートの挙動を予測するのに役立つようにしたいと考えました.”

シミュレーション結果が先制的な調整を導く

アプリに搭載されている COMSOL モデルの助けを借りて, HETT²² は, 型枠の取り外し前に希望の強度 (この例では 15 MPa) に達するのにどれくらいの時間がかかるかを判断するための予測値を生成します. “周囲の空気と土壌の予想温度を追跡し, コンクリート自体の温度曲線を予測できます”と Fredvik 氏は言います (図 5). “温度の推移に基づいて, 鋳造物全体が必要な強度に達するまでに約 30 時間かかると計算できます.”この特定の作業では時間が長すぎる場合, HETT²²は, さまざまなコンクリートの選択が型枠の取り外しの推定時間に及ぼす潜在的な影響を表示できます. 建設業者は, Heidelberg Materials のコンクリート製品のメニューからさまざまなオプションを選択できるほか, 各オプションのパフォーマンス特性の詳細をシミュレーション アプリで直接確認できます.

実際の気象条件が予報と異なる場合はどうなるでしょうか. その場合, ユーザーは温度の値を調整して, それが強度の発達にどのような影響を与えるかを確認できます. “空気と風速が大幅に変化した場合, 予想よりも早く型枠を外す可能性があります”とFredvik氏は言います.

マルチフィジックスシミュレーションは費用対効果分析をサポートします

建設チームは, 物理的条件に関連する選択の影響を予測することで, コンパイルされたシミュレーションアプリを使用して, 各プロジェクトの経済性と二酸化炭素排出量をより適切に管理できます. たとえば, 天気予報で, 低炭素コンクリートの鋳造に低温のため時間がかかりすぎることが示された場合, 請負業者は潜在的なコストと利益のトレードオフに直面することになります.

“より高価で, 二酸化炭素排出量が増える可能性があったとしても, より硬化の早いセメントやより強度の高いコンクリートに切り替えるべきでしょうか？”とWesterholm氏は疑問を投げかけます. “それとも, 当初の計画をそのままにして, 型枠を断熱したり保温したりする対策を講じることは可能でしょうか？”

Heidelbergは顧客に数百種類のコンクリート配合案を提供しています. 同社にとって, シミュレーションアプリは, 潜在的に困難な選択肢を補完する不可欠なものです. COMSOL Multiphysics ソフトウェアの予測モデリング機能は, アプリのカスタムインターフェースを通じて提供されるため, ユーザーは情報に基づいた意思決定をより効率的に行うことができます.

“これが, 当社が顧客にHETT²²を提供する理由です”と Fredvik 氏は語ります. “コンクリート鋳造作業の各意思決定ポイントで HETT22が顧客にとって付加価値となるため, 当社はこれを当社の技術サポート サービスの中核と考えています.”