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型枠とは、コンクリートや類似の材料をプレキャストまたは現場打ちで流し込むための型枠のことです。コンクリート構造物においては、仮設構造物が型枠を支える役割を果たします。特殊な用途では、型枠が最終構造物に恒久的に組み込まれ、断熱効果を高めたり、完成した構造物の強度を強化したりすることもあります。
型枠は、木材、金属、プラスチック、または複合材料で作られる場合がある。
コンクリートスラブの初期の例のいくつかは、ローマの技術者によって建設されました。コンクリートは圧縮荷重に対する抵抗力が非常に高いものの、引張強度やねじり強度は比較的低いため、これらの初期の構造物は圧縮に強いアーチ、ヴォールト、ドームで構成されていました。この時代の最も有名なコンクリート構造物は、ローマのパンテオンです。この構造物を成形するために、構造物の将来の形状に合わせて仮設の足場と型枠または仮設構造物が構築されました。これらの建築技術はコンクリートを流し込むことだけに限られず、石造建築でも広く使用されていました。建築材料の複雑さと生産能力の限界のため、コンクリートが好ましい建築材料として台頭したのは、ポルトランドセメントと鉄筋コンクリートの発明までありませんでした。
従来の工法と似ていますが、桁材と根太材は通常、集成材の梁に置き換えられ、支持部材は調整可能な金属製の支柱に置き換えられます。これにより、この工法はより体系的で再利用性に優れたものとなっています。
スラブ構造におけるコンクリートの復活の黎明期には、仮設構造物の建築技術は再び石積みと大工仕事から派生した。伝統的なスラブ型枠工法は、木材または若い木の幹で作られた支持部材で構成され、スラブの厚さに応じて約 3 ～ 6 フィートまたは 1 ～ 2メートル間隔で組み立てられた横桁の列を支える。これらの横桁の間には、約12 インチ (30 cm) 間隔で根太が配置され、その上に板または合板が置かれる。横桁と根太は通常 4 × 4インチまたは 4 × 6インチの木材である。最も一般的な合板の厚さは、インチ単位で3 ⁄ 4インチ、メートル単位で 18 mm である。
従来の工法と似ていますが、桁材と梁材はアルミニウム成形システムまたは鋼梁に置き換えられ、支持部材は金属製支柱に置き換えられます。これにより、この工法はより体系的で再利用性も高まります。アルミニウム梁は伸縮式ユニットとして製造されるため、様々な距離に配置された支持部材に架設することが可能です。伸縮式アルミニウム梁は、様々なサイズの構造物の建設において、繰り返し使用できます。
これらのシステムは、プレハブ式の木材、鋼鉄、またはアルミニウム製の梁と型枠モジュールで構成されています。モジュールは通常、3～6フィート（1～2メートル）以下の大きさです。梁と型枠は通常、手作業で設置され、ピン、クリップ、またはネジで固定されます。モジュール式システムの利点は、型枠の設置にクレーンが不要であること、未熟練労働者でも迅速に施工できること、コンクリートが固まった後に型枠モジュールを取り外すことができ、設計強度に達する前に梁だけを残すことができることです。
これらのシステムは、解体せずに建物の複数の階で再利用できるスラブ型枠「テーブル」で構成されています。組み立てられたセクションは、エレベーターで吊り上げるか、クレーンで階から階へと「吊り上げ」られます。所定の位置に設置されると、テーブル間、またはテーブルと壁の間の隙間に仮設型枠が充填されます。テーブル型枠は、形状やサイズ、使用される材料が様々で、一体型のトラスで支えられているものもあります。これらのシステムを使用することで、型枠の設置と撤去（または「剥離」）にかかる時間と労力を大幅に削減できます。これらの利点は、広い面積でシンプルな構造物に最も適しています。また、建築家やエンジニアがこれらのシステムのいずれかを前提として建物を設計することもよくあります。
テーブルは、梁型枠とほぼ同じ方法で構築されますが、このシステムの個々の部品は、輸送できるように接続されています。最も一般的な外装材は合板ですが、鋼材やグラスファイバーも使用されます。根太は、木材、集成材（多くの場合、 I形鋼の形）、アルミニウム、または鋼材で作られています。桁は、木製のI形鋼で作られることもありますが、通常は鋼製チャンネルで作られています。これらは、ねじ止め、溶接、またはボルト締めによって互いに固定され、「デッキ」になります。これらのデッキは通常長方形ですが、他の形状にすることもできます。
すべての支持システムは、型枠を適切な高さに設置し、コンクリートが硬化した後に取り外せるように、高さ調整可能でなければなりません。通常、これらのシステムを支えるために、梁スラブ型枠で使用されるものと同様の（または同一の）調整可能な金属製支柱が使用されます。一部のシステムでは、ストリンガーと支持部材を組み合わせて鋼製またはアルミニウム製のトラス構造にしています。また、デッキを取り付けるための金属フレームの支保工タワーを使用するシステムもあります。もう1つの一般的な方法は、型枠デッキを事前に打設された壁や柱に取り付けることで、垂直支柱の使用を完全に不要にすることです。この方法では、調整可能な支持シューを穴（場合によってはタイ穴）にボルトで固定するか、打設されたアンカーに取り付けます。
これらのテーブルのサイズは70～1,500平方フィート（6.5～140平方メートル）まで様々です。このシステムには大きく分けて2つのアプローチがあります。
この工法は、米国や東アジア諸国では比較的よく用いられています。この工法の利点は、スラブ単位面積あたりの手作業時間とコストをさらに削減できること、そしてシンプルで体系的な建築技術であることです。一方、欠点としては、建設現場のクレーンに高い吊り上げ能力が必要となること、クレーン使用時間が高額になること、材料費が高くなること、そして柔軟性に欠けることが挙げられます。
この方式では、テーブルのサイズと重量に制限があります。一般的な幅は6 ～ 10 フィート (1.8 ～ 3.0 m)、一般的な長さは12 ～ 20 フィート (3.7 ～ 6.1 m)ですが、テーブルのサイズと形状は異なる場合があります。この方式の主な特徴は、テーブルをクレーンの搬送フォークまたは建物の側面に取り付けられた資材プラットフォームエレベーターで持ち上げることです。通常、テーブルはサイズと構造に応じて、移動トロリーを使用して、エレベーターまたはクレーン昇降プラットフォームまで水平に一人で運搬されます。最終的な位置調整はトロリーで行うことができます。この技術は、米国、ヨーロッパ、および一般的に人件費の高い国で人気があります。この方式の梁型枠またはモジュール型枠と比較した場合の利点は、作業時間とコストをさらに削減できることです。小型のテーブルは、一般的に、大型のテーブルと比較して、幾何学的に複雑な建物 (円形または非長方形) に合わせてカスタマイズしたり、柱の周りに成形したりすることが容易です。この方法の欠点は、材料費が高くなることと、クレーン作業時間が長くなることです（クレーンフォークで吊り上げる場合）。
トンネル型枠は、壁と床を一度に打設できる、部屋サイズの大きな型枠です。複数の型枠を使用すれば、建物の床全体を一度に打設できます。トンネル型枠は、型枠全体を建物の外に滑り込ませて次の階に吊り上げるのに十分なスペースが必要です。型枠を取り外すために、壁の一部は打設せずに残されます。通常、打設は4日間隔で行われます。トンネル型枠は、床内や階間で型枠を再利用できるため、同じまたは類似のセルを持つ建物や、人件費が高い地域に最適です。トンネル型枠は時間とコストを節約します。トンネル型枠システムの使用コストは、プロジェクトの規模、材料費、人件費、現場の状況など、いくつかの要因によって異なります。初期投資は高額に見えるかもしれませんが、長期的な節約と効率性により、大規模プロジェクトではこの方法がより経済的になります。[ 2 ]
構造上の格子を参照してください。
コンクリート型枠油の主な目的は、基礎構造とそこに流し込まれたコンクリート混合物との間の接着力を低減することです。[ 3 ]また、乾燥やコンクリートの過負荷によるひび割れや欠けの発生の可能性も低減します。表面間の接着力を低減するコンクリート型枠油がないと、基礎、壁、または隔壁を損傷せずに構造物を取り外すことは事実上不可能になります。リスクは段のサイズが大きくなるにつれて増加します。[ 4 ]
クライミング型枠（ジャンプフォームとも呼ばれる）は、垂直コンクリート構造物用の特殊な型枠で、建設プロセスに合わせて上昇します。比較的複雑で費用もかかりますが、形状が非常に反復的な建物（タワーや超高層ビルなど）や、継ぎ目のない壁構造が必要な建物（特殊なクライミング型枠であるグライディング型枠を使用）には効果的なソリューションとなります。
様々な種類の昇降式型枠が存在し、それらは時折移動されるものもあれば、自力で移動できるものもある（自降式型枠や滑走式型枠には、通常、油圧ジャッキが必要となる）。
二酸化炭素排出量削減目標に支えられ、設計における持続可能性への注目が高まっている。コンクリートの体積あたりのエネルギー消費量は少ないが、消費量が多いため、セメントの製造は世界のCO2排出量の約5％を占めている。[ 6 ]
コンクリートは、ほぼあらゆる形状の構造物を経済的に構築できる可能性を秘めた流体です。コンクリートは、ほぼあらゆる形状の型に流し込むことができます。しかしながら、その結果として、材料使用量が多く、二酸化炭素排出量も大きい構造物が生まれます。コンクリート型枠として直交型枠が広く用いられてきた結果、コンクリート構造物には角柱状の形状が確立されていますが、このような剛性の高い型枠システムは相当な圧力に耐えなければならず、大量の材料を消費します。さらに、このような構造物は、断面形状が変化する部材に比べて、より多くの材料を必要とし、自重も大きくなります。
単純な最適化手法[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]を用いて、要素の長さに沿った任意の点での曲げ耐力とせん断耐力が、その要素に適用される荷重包絡線の要件を反映するような可変断面部材を設計することができる。
従来の型枠を、主に低コストの布製シートで構成された柔軟なシステムに置き換えることで、柔軟な型枠はコンクリートの流動性を利用して、高度に最適化された、建築的に興味深い建物の形状を作り出します。大幅な材料の節約が可能です。[ 10 ]最適化された断面は、最終的な限界状態容量を提供しながら、エンボディドカーボンを削減し、構造物全体のライフサイクル性能を向上させます。
柔軟に成形された梁の断面を制御することが、材料使用量の少ない設計を実現する鍵となります。基本的な前提は、鉄筋とコンクリートが加えられる前に、柔軟で透水性のある布のシートが仮設構造物システム内に保持されるということです。梁に沿って距離に応じて布型枠の形状を変化させることで、最適な形状が作られます。したがって、柔軟な型枠は、材料集約度の低い、より持続可能な建設業界への移行に必要な設計および建設哲学の変化を促進する可能性を秘めています。[ 11 ]
布型枠はコンクリート技術のニッチな分野です。柔らかく柔軟な素材を型枠として使用し、生コンクリートに対して張力の強い布地やプラスチック素材を使用します。国際布型枠協会は布型枠に関する研究を行っています。[ 12 ]
ロシアのNPO-22工場（ Prosterの商標で、型枠として設計されたモデル21 ）の設計では、必要に応じて曲げて曲線状にできる（穴の開いた）鉄板が使用されている。V字型のレールを備えたこの板状の型枠は、一方向（垂直方向）には形状を維持するが、鋼梁で補強する前に曲げることができる。複数の板は、鉄板製のフェンスと同様の方法で固定できる。
取り外し可能な型枠の場合、コンクリートが型枠に流し込まれて固まった（または硬化した）ら、型枠を取り外して完成したコンクリートを露出させます。流し込みから取り外しまでの時間は、必要な養生や型枠が重量を支えているかどうかなど、作業仕様によって異なりますが、通常は流し込み完了後少なくとも24時間です。たとえば、カリフォルニア州運輸局は、型枠を流し込み後1～7日間設置しておくことを要求していますが[ 13 ] 、ワシントン州運輸局は、型枠を外側に湿った毛布をかけて3日間設置しておくことを要求しています[ 14 ] 。
型枠の取り外しが早すぎたり、未硬化コンクリートの重量による負荷に耐えられる設計になっていなかったりすると、重大な事故が発生することがあります。また、設計が不十分な型枠がコンクリート打設中に曲がったり破損したりすると、「型枠破裂」と呼ばれる現象も発生します（特に高圧コンクリートポンプを使用した場合）。その結果は、打設中に簡単に補修できる軽微な漏れから、型枠の壊滅的な破損、さらには死亡事故まで、多岐にわたります。
コンクリートは硬化するにつれて型枠にかかる圧力が小さくなります。硬化は漸近的なプロセスであり、最終的な強度の大部分は短時間で達成され、その後の硬化はセメントの種類、混和材、温度や周囲の湿度などの打設条件によって変化します。コンクリートの設計強度は28日後に達成されなければなりません。圧縮強度は、コンクリートの立方体または円柱に対する破壊試験である圧縮計を用いて測定されます。
生コンクリートは型枠に水平方向の静水圧も加えます。そのため、型枠下部の圧力は上部よりも大きくなり、型枠の下部で吹き出しが発生することがほとんどです。上の柱型枠の図では、「柱クランプ」の間隔が下部で狭くなっています。柱は鋼製の調整可能な「型枠支柱」で補強され、 さらに20mmの「貫通ボルト」を使用して柱の長辺を支えていることに注意してください。
「永久型枠」の中には、構造物の追加補強材としても機能するものもある。
