JP7415474B2 - Calculation method, program and system - Google Patents
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Description
本発明は算出方法、プログラム及びシステムに関する。 The present invention relates to a calculation method, program, and system.
従来技術として、コンクリート構造物を有限要素でモデル化し、このモデルに対する有限要素解析を実行して、コンクリート構造物の性能を評価する方法が知られている(特許文献1)。 As a conventional technique, a method is known in which a concrete structure is modeled using finite elements, and the performance of the concrete structure is evaluated by performing finite element analysis on this model (Patent Document 1).
従来技術を用いて有限要素解析(以下、FEM解析とも記載する)を実行し、コンクリート構造物の性能評価を試みる場合、コンクリート構造物に発生したひび割れを定量的に算定することは困難であった。 When attempting to evaluate the performance of concrete structures by performing finite element analysis (hereinafter also referred to as FEM analysis) using conventional technology, it was difficult to quantitatively calculate the cracks that occurred in the concrete structures. .
上記課題に鑑み、本発明は、コンクリート構造物のひび割れを定量的に算定し、コンクリート構造物の性能評価に用いることのできる方法、またはこれを用いたプログラム若しくはシステムを提供することである。 In view of the above problems, the present invention provides a method that can quantitatively calculate cracks in concrete structures and can be used for performance evaluation of concrete structures, or a program or system using the method.
上記課題を解決するため、本発明は一態様として、コンクリート構造物の有限要素モデルに対する有限要素解析を実行し、前記有限要素モデル上の領域における初期面積とひびわれ直交方向のひびわれ相当ひずみとの積に基づいて、前記コンクリート構造物の少なくとも一部のひび割れ面積を算出する方法を提供する。 In order to solve the above problems, one aspect of the present invention is to perform finite element analysis on a finite element model of a concrete structure, and to calculate the product of the initial area and the crack-equivalent strain in the direction orthogonal to the crack in the region on the finite element model. Provided is a method for calculating a crack area of at least a portion of the concrete structure based on the above.
本発明は一態様として、コンクリート構造物の有限要素モデルに対する有限要素解析の出力データを取得し、前記有限要素モデル上の領域における初期面積とひび割れ直交方向のひびわれ相当ひずみとの積に基づいて、前記コンクリート構造物の少なくとも一部のひび割れ面積を算出する処理を、コンピュータに実行させるプログラムを提供する。 As one aspect of the present invention, output data of a finite element analysis for a finite element model of a concrete structure is acquired, and based on the product of the initial area in the region on the finite element model and the crack equivalent strain in the direction orthogonal to the crack, A program is provided that causes a computer to execute a process of calculating a crack area of at least a portion of the concrete structure.
また、本発明は一態様として、有限要素によってモデル化したコンクリート構造物の有限要素解析を実行するためのプログラムを記憶する記憶装置と、前記プログラムを実行可能な制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記有限要素モデル上の領域における初期面積とひび割れ直交方向のひびわれ相当ひずみとの積に基づいて、前記コンクリート構造物の少なくとも一部のひび割れ面積を算出するシステムを提供する。 Further, one aspect of the present invention includes a storage device that stores a program for executing a finite element analysis of a concrete structure modeled using finite elements, and a control device capable of executing the program, The apparatus provides a system for calculating a crack area of at least a portion of the concrete structure based on a product of an initial area in a region on the finite element model and a crack-equivalent strain in a direction perpendicular to the crack.
本発明によれば、コンクリート構造物のひび割れ量を定量的に算定し、コンクリート構造物の性能評価に用いることのできる方法、またはこれを用いたプログラム若しくはシステムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method that quantitatively calculates the amount of cracks in a concrete structure and can be used for performance evaluation of the concrete structure, or a program or system using the method.
図1~図15を参照して、実施形態に係る、コンクリート構造物の性能評価方法について以下に説明する。なお、コンクリート構造物の具体例としては、鉄筋コンクリート、鋼板コンクリート、コンクリート充填鋼管など、各種のコンクリート構造物が想定される。 A method for evaluating the performance of a concrete structure according to an embodiment will be described below with reference to FIGS. 1 to 15. In addition, various concrete structures such as reinforced concrete, steel plate concrete, and concrete-filled steel pipes are assumed as specific examples of concrete structures.
また、性能評価には、コンクリート構造物の漏洩率(気密・水密性)評価、及び負圧維持機能評価、放射線遮蔽性能評価が含まれる。また、コンクリート構造物に発生した損傷を評価することも、本発明での性能評価に含まれる。 In addition, performance evaluation includes evaluation of leakage rate (airtightness/watertightness) of concrete structures, evaluation of negative pressure maintenance function, and evaluation of radiation shielding performance. Furthermore, evaluating the damage that has occurred to the concrete structure is also included in the performance evaluation in the present invention.
<実施形態>
実施形態に係る性能評価方法は、有限要素を用いてコンクリート構造物をモデル化し、ひび割れ面積を算出することによって行われる。ひび割れ面積は、ひび割れ面積算定式を導出することにより算出される。まず以下では、ひび割れ面積算定式の導出手順を説明する。なお、ひび割れ面積とは、コンクリート構造物において設定された領域内で発生した、ひび割れの面積の総和を指す。また、解析モデルにおいては、所定の要素やモデル全体など、解析者が設定した領域内で発生したひび割れの面積総和を指す。
<Embodiment>
The performance evaluation method according to the embodiment is performed by modeling a concrete structure using finite elements and calculating a crack area. The crack area is calculated by deriving a crack area calculation formula. First, the procedure for deriving the crack area calculation formula will be explained below. Note that the crack area refers to the total area of cracks that occur within a set area in a concrete structure. In addition, in an analytical model, it refers to the total area of cracks that occur within a region set by the analyst, such as a predetermined element or the entire model.
また、ひび割れ面積の算定の対象は、構造物や、解析モデル要素の表面、側面に現れたひび割れに限定されず、コンクリート構造物の断面や、要素断面におけるひび割れも含む。 Furthermore, the targets of crack area calculation are not limited to cracks that appear on the surface or side surfaces of structures or analysis model elements, but also include cracks in cross sections of concrete structures and element cross sections.
ひび割れ面積算定式の導出にあたり、コンクリートまたはそのモデル上において、まず図1(a)に示すような任意の形状を持った領域Sを想定し、この領域S内のひび割れ面積を算出することを考える。また領域Sにおける、ひび割れ長さ方向(ひび割れが延びる方向)をx軸方向とし、ひび割れ直交方向をy軸方向と定義する。 In deriving the crack area calculation formula, first assume a region S with an arbitrary shape as shown in Figure 1(a) on concrete or its model, and consider calculating the crack area within this region S. . Further, in the region S, the crack length direction (the direction in which the crack extends) is defined as the x-axis direction, and the direction orthogonal to the crack is defined as the y-axis direction.
領域Sにおいて、x軸及びy軸に延びる矩形の微小領域を抽出すると、この微小領域におけるひび割れ幅wcrは、図1(a)の式(1)のように表される。また、この微小領域のx軸方向長さがひび割れの長さに等しいため、ひび割れ面積acrは、図1(a)の式(2)のように計算できる。ここでy軸方向のひび割れ相当ひずみは、図1(c)のように定義される。すなわち、コンクリートに発生した、ひび割れ直交方向における機械ひずみから、ひび割れ発生時のひずみ(ひび割れひずみ)を除いたものである。なお、式(6)における全ひずみの定義は一例である。コンクリート構造物に実際に発生する荷重、ひずみによって、熱ひずみ、クリープひずみ以外にも、収縮ひずみなどが式(6)の右辺に加わり得ることは明らかである。 When a rectangular minute area extending in the x-axis and y-axis is extracted in the area S, the crack width w cr in this minute area is expressed as in equation (1) in FIG. 1(a). Furthermore, since the length of this micro region in the x-axis direction is equal to the length of the crack, the crack area a cr can be calculated as shown in equation (2) in FIG. 1(a). Here, the strain equivalent to cracking in the y-axis direction is defined as shown in FIG. 1(c). That is, it is the mechanical strain generated in the concrete in the direction perpendicular to the crack, minus the strain at the time of crack occurrence (crack strain). Note that the definition of the total strain in Equation (6) is an example. It is clear that, in addition to thermal strain and creep strain, shrinkage strain and the like can be added to the right side of equation (6) depending on the load and strain that actually occur in the concrete structure.
領域Sにおけるひび割れ面積は、微小領域におけるひび割れ面積を、領域S全域に亘って加算することにより求められる。すなわち、領域Sにおける微小要素の数をj個とすると、ひび割れ面積は、図1(b)の式(3)のように表される。 The crack area in the region S is obtained by adding the crack areas in the micro regions over the entire region S. That is, when the number of minute elements in the region S is j, the crack area is expressed as in equation (3) in FIG. 1(b).
式(3)は、微小領域の大きさを極限まで小さくすることによりx軸方向およびy軸方向の二重積分の式(4)に変換され、結果として式(5a)が得られる。式(5a)に示すように、領域Sにおけるひび割れ面積は、領域Sにおけるひび割れ相当ひずみの平均値と領域Sの初期面積の積として表される。初期面積とは、領域Sにひずみが発生していない状態での面積である。 Equation (3) is converted into Equation (4) for double integration in the x-axis direction and the y-axis direction by reducing the size of the minute region to the minimum, and Equation (5a) is obtained as a result. As shown in Equation (5a), the crack area in the region S is expressed as the product of the average value of crack-equivalent strain in the region S and the initial area of the region S. The initial area is the area in a state where no strain is generated in the region S.
なお、ひびわれ相当ひずみが一定値である場合や領域Sが十分小さい場合、領域S内の代表点を定め、この代表点におけるひび割れ相当ひずみを用いて代表値とし、ひび割れ面積を得てもよい(式(5b))。また、複数の代表点に基づいてひび割れ相当ひずみ代表値を定めてもよい。代表点の例として、領域Sが有限要素解析の要素である場合、積分点を選択することが考えられる。代表値の設定方法としては、領域Sでの平均値を用いることに限定されず、代表点の値をそのまま使用する方法や、複数の代表点に対してシンプソンの公式やガウス積分公式を適用して求めるなど、様々な方法が考えられる。 In addition, if the cracking equivalent strain is a constant value or if the area S is sufficiently small, a representative point within the area S may be determined, and the cracking equivalent strain at this representative point may be used as the representative value to obtain the crack area ( Formula (5b)). Furthermore, the representative value of strain equivalent to cracking may be determined based on a plurality of representative points. As an example of the representative point, if the region S is an element of finite element analysis, an integration point may be selected. The method of setting the representative value is not limited to using the average value in the area S, but also the method of using the value of the representative point as is, or applying Simpson's formula or Gaussian integral formula to multiple representative points. Various methods can be considered, such as determining the
<変形例>
また、以下のように考えてひび割れ面積算定式を導出することも可能である。変形例として説明する。
<Modified example>
It is also possible to derive a crack area calculation formula by considering the following. This will be explained as a modified example.
変形例では、図2のように、領域Sの微小要素において、ひび割れ長さをx軸方向における微小要素の実長と等しいと考える。ひび割れ面積は、ひび割れ幅×ひび割れ長さであるため、ひび割れ直交方向のひずみだけでなく、ひび割れ長さ方向のひずみにも影響を受けると考えるができる。この場合、微小要素におけるひび割れ面積は、x軸方向の全ひずみを用いて図2の式(8)のように表すことができる。式(8)は、図1の式(2)において、微小要素の幅としてΔxの代わりに(1+εtot,x)Δxを用いることによって得られる。 In a modified example, as shown in FIG. 2, the crack length in the microelement in the area S is considered to be equal to the actual length of the microelement in the x-axis direction. Since the crack area is calculated by crack width x crack length, it can be considered that it is affected not only by the strain in the direction perpendicular to the crack, but also by the strain in the direction of the crack length. In this case, the crack area in the microelement can be expressed as in equation (8) in FIG. 2 using the total strain in the x-axis direction. Equation (8) can be obtained by using (1+ε tot,x )Δx instead of Δx as the width of the minute element in Equation (2) of FIG.
その結果、領域Sにおけるひび割れ面積は、図2の式(9a)、(9b)として表される。導出の過程は、上記の実施形態で行ったもの(図1)と同様である。式(9a)、(9b)は、図1での式(5a)、(5b)に対応するものとなる。なお、式(9a)、(9b)のx軸方向の全ひずみには、特に全ひずみが領域Sで一様でない場合などにおいて、領域Sにおける平均値または代表値を用いてもよい。 As a result, the crack area in region S is expressed as equations (9a) and (9b) in FIG. The derivation process is similar to that performed in the above embodiment (FIG. 1). Equations (9a) and (9b) correspond to equations (5a) and (5b) in FIG. 1. Note that the average value or representative value in the region S may be used for the total strain in the x-axis direction in equations (9a) and (9b), especially when the total strain is not uniform in the region S.
また、これらの式(9a)、(9b)の右辺を変形して式(10)を経ることにより、式(11a)、(11b)が得られる。式(11a)、(11b)に示すように、これらのひび割れ面積は、式(5a)、(5b)で得られるひび割れ面積に対して、初期状態からのひび割れ長さの変化に基づくひび割れ面積増減量をそれぞれ加えたものであることがわかる。 Further, by transforming the right sides of these equations (9a) and (9b) and passing through equation (10), equations (11a) and (11b) are obtained. As shown in equations (11a) and (11b), these crack areas are determined by the increase or decrease in crack area based on the change in crack length from the initial state with respect to the crack area obtained by equations (5a) and (5b). It can be seen that the amounts are added.
<性能評価フロー>
上記で得られた式に基づき、具体的なコンクリート構造物について性能評価を行う方法について以下に述べる。ここでは、図3のように矩形の鉄筋コンクリート耐震壁100Aを解析モデル100としてモデル化し、有限要素解析の後に性能評価を行うケースを想定する。鉄筋コンクリート耐震壁100Aは、水平方向及び鉛直方向に延びる平板状の部材である。鉄筋コンクリート耐震壁100Aの下端部は、図3(a)に示すように、ローラーとピンによって単純支持される。
<Performance evaluation flow>
Based on the formula obtained above, a method for evaluating the performance of concrete structures will be described below. Here, a case is assumed in which a rectangular reinforced
解析モデル100は、図3(b)のように複数の節点1~9と、各節点によって規定される複数の矩形要素11~22によって構成される。解析モデル100の節点7には、鉄筋コンクリート耐震壁100Aと同様に、水平力が加えられる(図3(c))。解析モデル100の下端部は、鉄筋コンクリート耐震壁100Aと同様に、ローラーとピンによって支持される。解析モデルには、分散ひび割れモデル(非特許文献1。smeared crack modelともいう)が用いられるものとする。コンクリート及び鉄筋の構成則は、実際の物性を考慮して適当なものが選択される。
The
性能評価は、図4に示すフローに基づいて実行される。まずステップS1において、節点11~22に対して荷重や変位など、予め設定した条件を入力し、これに対する解析モデル100の応答を求める。応答は、一般的な有限要素解析の手法に基づき、数値解として求められる。すなわち、各要素11~22の剛性行列から解析モデル100の全体剛性行列を求め、これを用いて近似解を求める手法である。
Performance evaluation is performed based on the flow shown in FIG. First, in step S1, preset conditions such as load and displacement are input to the
ステップS2において、解析モデル100における各要素のひずみ、応力を出力する。なお、出力は解析ステップごとに行われても良い。以降のステップでは、ひずみを取得することによって、ひび割れ面積の算定が行われる。ひずみの算定方法は解析過程から抽出する方法や、節点変位から求める方法など様々考えられ、どのような方法を選択するかは、解析の目的などに応じて適宜決定される。
In step S2, the strain and stress of each element in the
ステップS3では、ひび割れ面積を算定する。ひび割れ面積の算定には、図1の式(5a)、(5b)に基づいて導出した、図3(e)の式(12a)、(12b)を用いる。式(12a)、(12b)は、図1の式(5a)、(5b)において、領域Sを要素mnに置換したものである。式(12a)、(12b)に示すように、ステップS3では、図3(d)のように、要素ごとのひび割れ面積をまず算定している。次に、図3(f)式(13)に示すように、各要素でのひび割れ面積の総和を取ることにより、要素解析モデル全体でのひび割れ面積を得ることができる。その後、各要素のひび割れ面積の総和(すなわち、要素解析モデル全体でのひび割れ面積)と、要素の初期面積の総和との比率により、ひび割れ率を算出する(図3(f)、式(14))。 In step S3, the crack area is calculated. For calculating the crack area, equations (12a) and (12b) in FIG. 3(e), which were derived based on equations (5a) and (5b) in FIG. 1, are used. Formulas (12a) and (12b) are obtained by replacing region S with element mn in formulas (5a) and (5b) in FIG. As shown in equations (12a) and (12b), in step S3, the crack area for each element is first calculated as shown in FIG. 3(d). Next, as shown in equation (13) in FIG. 3(f), by calculating the sum of the crack areas in each element, the crack area for the entire element analysis model can be obtained. After that, the crack rate is calculated from the ratio of the sum of the crack areas of each element (that is, the crack area of the entire element analysis model) and the sum of the initial areas of the elements (Fig. 3 (f), Equation (14) ).
なお、図3(g)に示すように、要素をさらに複数の領域に分割して、各領域におけるひび割れ面積を求める方法を用いても良い。例えば、図3(g)では、要素mnを4つの領域に分割し、これらの領域ごとにひび割れ面積を算出している。この場合における要素mnのひび割れ面積は、これら4つの領域におけるひび割れ面積の総和として表すことができる。あるいは、複数の要素によって構成される領域を定め、この領域内におけるひび割れ相当ひずみの平均値を用いて、ひび割れ面積を算出しても良い。 Note that, as shown in FIG. 3(g), a method may be used in which the element is further divided into a plurality of regions and the crack area in each region is determined. For example, in FIG. 3(g), element mn is divided into four regions, and the crack area is calculated for each of these regions. The crack area of element mn in this case can be expressed as the sum of the crack areas in these four regions. Alternatively, a region formed by a plurality of elements may be determined, and the crack area may be calculated using the average value of crack-equivalent strain within this region.
最後にステップS4において、鉄筋コンクリート耐震壁100Aの性能評価を行う。ステップS3において得られたひび割れ面積またはひび割れ率を用いて、例えば漏洩率評価のように、鉄筋コンクリート耐震壁100Aの性能評価が実行される。
Finally, in step S4, the performance of the reinforced
なお、性能評価をするにあたり、必ずしも解析モデル全体についてのひび割れ面積を求める必要はない。解析モデルの一部の領域や要素についてひび割れ面積を算出し、鉄筋コンクリート耐震壁100Aの性能評価を行っても良い。
Note that in performing performance evaluation, it is not necessarily necessary to obtain the crack area for the entire analytical model. The crack area may be calculated for some regions or elements of the analytical model, and the performance of the reinforced
<実験と解析の比較>
上述の性能評価方法の妥当性について検証を試みるため、試験体を用いて実験を行い、実験結果と本発明による算定結果とを比較した。以下に詳述する。
<Comparison of experiment and analysis>
In order to verify the validity of the above performance evaluation method, an experiment was conducted using a test specimen, and the experimental results were compared with the calculation results according to the present invention. The details are explained below.
〔試験体〕
図5には、試験体形状を、図6には試験体諸元を示す。試験体は鉄筋コンクリート造耐震壁である。試験体は、中央部に耐震壁(以下、壁板ともいう)を有し、その左右に側柱を配置している。また耐震壁の上下には左右に延出するスタブが固定されている。ひび割れを観察しやすくするため、壁及び柱の表面は白ペンキで塗装し、100mm角のメッシュを描いた(図7)。
[Test specimen]
FIG. 5 shows the shape of the specimen, and FIG. 6 shows the specifications of the specimen. The test specimen was a reinforced concrete shear wall. The test specimen had a seismic wall (hereinafter also referred to as wall plate) in the center, and side columns were placed on the left and right sides of it. Additionally, stubs extending left and right are fixed to the top and bottom of the seismic walls. To make it easier to observe cracks, the surfaces of the walls and pillars were painted with white paint, and a 100 mm square mesh was drawn (Figure 7).
試験体の壁筋比は0.5%とした(図6(a))。試験体の壁部分と両側の柱の芯は一致させ、壁横筋は柱内に直線定着(定着長さ30d)させた(図5)。壁縦筋は基礎スタブ底面において鉄板に溶接して固定し、加力スタブには直線定着(定着長さ50d)させた。 The wall reinforcement ratio of the test specimen was 0.5% (Fig. 6(a)). The wall portion of the test specimen and the core of the columns on both sides were aligned, and the wall transverse reinforcement was fixed in a straight line (fixed length 30 d) within the column (Figure 5). The wall vertical reinforcements were fixed by welding to the steel plate at the bottom of the foundation stub, and fixed in a straight line (fixed length 50 d) to the load-bearing stub.
図6(b)に示すように、セメントは普通セメントを使用し、粗骨材の最大寸法は9mmとした。図6(c)にコンクリートの材料試験結果を、図6(d)に鉄筋の引張試験結果を示す。いずれの材料試験においても供試体は3体用いられており、各図にはそれらの平均値を示している。 As shown in FIG. 6(b), ordinary cement was used as the cement, and the maximum dimension of the coarse aggregate was 9 mm. Figure 6(c) shows the material test results for concrete, and Figure 6(d) shows the tensile test results for reinforcing bars. Three specimens were used in each material test, and each figure shows their average value.
〔加力方法、計測方法〕
加力方法について述べる。実験では、図5に示すように、最初に両側柱の上部にそれぞれ146kNの柱軸力を加えた。柱軸力は試験体のコンクリート圧縮強度に対して軸力比を0.1となるように算定した。
[Applying method, measurement method]
The method of applying force will be described. In the experiment, as shown in Figure 5, a column axial force of 146 kN was first applied to the tops of both columns. The column axial force was calculated so that the axial force ratio to the concrete compressive strength of the test specimen was 0.1.
次に、柱軸力を一定に保持した状態で、加力スタブの高さ中央位置に正負交番漸増水平方向加力を行った。加力中は壁脚部に対する水平力載荷位置の水平方向相対変位より変形角を算定し(図8(a))、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%で正負繰返し載荷(0.2%は2回、その他は1回)を行った後、正方向に押し切った。 Next, while the column axial force was held constant, a gradually increasing horizontal force was applied in alternating positive and negative directions to the height center position of the force-applying stub. During application, the deformation angle was calculated from the horizontal relative displacement of the horizontal force loading position with respect to the wall leg (Figure 8(a)), and was 0.1%, 0.15%, 0.2%, and 0.25%. After repeated positive and negative loading (twice for 0.2%, once for others), it was pushed in the positive direction.
〔ひび割れ幅及びひび割れ面積の計測〕
ひび割れ幅の計測は、初亀裂発生時、繰返し載荷における各変形ピーク時、各ピークからの除荷時、変形角+0.3%到達時において実施した。
[Measurement of crack width and crack area]
The crack width was measured when the first crack occurred, at each deformation peak during repeated loading, when unloading from each peak, and when the deformation angle reached +0.3%.
ひび割れ1本ずつに対し、ひび割れ幅とひび割れ長さを乗じることによって、ひび割れ面積を算定した。このようにして耐震壁部分におけるすべてのひび割れについてひび割れ面積を計算し、これらの総和を耐震壁におけるひび割れ面積とした。 The crack area was calculated for each crack by multiplying the crack width by the crack length. In this way, the crack area was calculated for all the cracks in the shear wall, and the sum of these was taken as the crack area in the shear wall.
詳細には、ひび割れ面積(Acr)は、図8(b)に示す方法及び式により求めた。ここで,wiはi点で計測したひび割れ幅(ミリメートル、mm)である。wS,wEはそれぞれ始点、終点のひび割れ幅(mm)であり、最も近い計測点のひび割れ幅(図8(b)の例では wS = w1, wE = w4)とした。Li→i+1はi点からi+1点の間のひび割れ長さ(mm)であり、2点間の直線距離ではなく、ひび割れをトレースした多点折れ線の軌跡の長さとした。これを全ひび割れについて算定して合計したものをひび割れ面積とした。なお、計測したひび割れ幅が、本実験で使用したクラックスケールの最小目盛り0.03mmよりも小さかった場合、wi = 0mmとした。 In detail, the crack area (Acr) was determined by the method and formula shown in FIG. 8(b). Here, w i is the crack width (millimeters, mm) measured at point i. w S and w E are the crack widths (mm) at the starting point and the ending point, respectively, and were taken as the crack widths at the closest measurement point (in the example of FIG. 8(b), w S = w 1 , w E = w 4 ). L i→i+1 is the crack length (mm) between points i and i+1, and is not the straight line distance between two points, but the length of the trajectory of a multipoint polygonal line tracing the crack. This was calculated for all cracks and the total was taken as the crack area. Note that if the measured crack width was smaller than the minimum graduation of 0.03 mm of the crack scale used in this experiment, w i = 0 mm was set.
〔実験結果概要〕
図9に水平荷重-変形角関係を示す。初亀裂発生点は壁の斜めひび割れを最初に目視確認した点である。また、壁筋の降伏点は、耐震壁(壁板)の中央に設置した壁縦横筋に150mm間隔で貼付したひずみゲージ(図7)の値より、降伏ひずみに達した箇所が最初に現れた点である。
[Experiment results summary]
Figure 9 shows the relationship between horizontal load and deformation angle. The initial crack initiation point was the point where diagonal cracks in the wall were first visually confirmed. In addition, the yield point of the wall reinforcement was determined from the values of strain gauges (Fig. 7) attached at 150 mm intervals to the vertical and horizontal wall reinforcement installed in the center of the earthquake-resistant wall (wall plate), and the point where the yield strain was reached first appeared. It is a point.
初亀裂は変形角±0.02%近傍で発生した。その後、変形が大きくなるにつれ、壁のひび割れが増大し、剛性が低下した。試験体は、変形角が-0.18%に達したところで壁縦筋が降伏した。また、最終押し切り載荷において、変形角+0.5%を超えたところで壁横筋が降伏し、変形角+0.6%近傍で最大荷重に至った。 The first crack occurred around the deformation angle of ±0.02%. Later, as the deformation increased, the cracks in the wall increased and the stiffness decreased. In the test specimen, the wall longitudinal reinforcements yielded when the deformation angle reached -0.18%. In addition, in the final push-off loading, the wall transverse reinforcement yielded when the deformation angle exceeded +0.5%, and the maximum load was reached near the deformation angle +0.6%.
図13(a)に、変形角+0.2%における壁と柱のひび割れ状況を示す。初亀裂は耐震壁左右端の上から3~4番目のメッシュ近傍から斜め下方向に延びるひび割れであった。また、本試験は加力スタブの左右片側からの加力を行ったため、壁の左右非加力側の上部には殆どひび割れを生じなかった。 Figure 13(a) shows the cracks in the wall and column at a deformation angle of +0.2%. The first crack was a crack extending diagonally downward from the vicinity of the third or fourth mesh from the top of the left and right ends of the shear wall. In addition, in this test, the force was applied from both the left and right sides of the force-applying stub, so there were almost no cracks in the upper parts of the left and right sides of the wall on which no force was applied.
〔解析モデル〕
次に、試験体を有限解析モデルMによってモデル化し、解析結果を実験結果と比較した。以下に詳述する。
〔Analysis model〕
Next, the test specimen was modeled using a finite analysis model M, and the analysis results were compared with the experimental results. The details are explained below.
図10には、解析モデルMの要素分割を示す。解析モデルMは対称条件を考慮して壁厚方向の1/2をモデル化した3次元モデルとした。コンクリートは六面体要素、柱主筋は線材要素、壁筋及び柱帯筋は埋込み鉄筋でモデル化した。コンクリートと柱主筋の間にはばね要素を挿入し、付着すべり特性を考慮した。配筋は試験体と同様にモデル化し、壁筋比0.5%とした。 FIG. 10 shows the element division of the analytical model M. The analysis model M was a three-dimensional model in which 1/2 of the wall thickness was modeled in consideration of symmetry conditions. The concrete was modeled using hexahedral elements, the main column reinforcements were modeled using wire rod elements, and the wall and column reinforcements were modeled using embedded reinforcing bars. A spring element was inserted between the concrete and the main reinforcement of the column, and the adhesive slip characteristics were taken into consideration. The reinforcement arrangement was modeled in the same way as the test specimen, and the wall reinforcement ratio was set to 0.5%.
解析モデルMでは、底面の全節点において全方向の変位を拘束し、対称軸上の切断面において壁厚方向の節点変位を拘束した。実験と同様に、柱上部に軸力を載荷した後、加力スタブ中央高さにおいて、強制変位による正負交番載荷を行った。 In the analysis model M, displacement in all directions was restrained at all nodes on the bottom surface, and nodal displacement in the wall thickness direction was restrained at the cut plane on the axis of symmetry. As in the experiment, after applying an axial force to the top of the column, alternating positive and negative loading was performed using forced displacement at the center height of the applied stub.
材料モデルの選定は非特許文献1を参考とした。コンクリートは等価一軸ひずみに基づく直交異方性体とし、非直交分散ひび割れモデルを用いて、多方向に生じるひび割れを考慮した。圧縮側応力―ひずみ関係は修正Ahmadモデルにより表し、ひび割れ後の圧縮強度低減を考慮した。コンクリートの破壊基準はOttosenの4パラメータモデルにより表し、最大圧縮強度到達後は中村らの圧縮破壊エネルギーに基づく軟化勾配(非特許文献2)を定義した。引張側応力―ひずみ関係はひび割れ強度まで線形とし、強度後の特性は長沼らのモデルにより表した(非特許文献1)。ひび割れ面におけるせん断伝達特性は長沼らのモデルにより表した(非特許文献1)。
The material model was selected with reference to
鉄筋の応力-ひずみ関係は完全弾塑性モデルにより表した。繰返し応力下の履歴特性にはCiampiらのモデルを適用した。柱主筋の付着強度は靱性指針(非特許文献3)に則り算定した付着信頼強度とし、強度時のすべり量は1.0mmと仮定した。 The stress-strain relationship of reinforcing bars was expressed using a complete elastic-plastic model. The model of Ciampi et al. was applied to the hysteresis characteristics under repeated stress. The adhesion strength of the column main reinforcement was the adhesion reliability strength calculated in accordance with the toughness guideline (Non-Patent Document 3), and the slip amount at the time of strength was assumed to be 1.0 mm.
〔実験と解析との比較:荷重-変形関係〕
図11に実験とFEM解析の荷重-変形関係を示す。解析は、負側加力において実験よりも荷重がやや高かったが、荷重-変形関係の骨格曲線、耐震壁の初亀裂発生タイミング等については、FEM解析により実験結果を精度良く再現できている。
[Comparison between experiment and analysis: load-deformation relationship]
Figure 11 shows the load-deformation relationship in the experiment and FEM analysis. Although the load in the analysis was slightly higher than in the experiment in the negative side, the FEM analysis was able to accurately reproduce the experimental results in terms of the skeletal curve of the load-deformation relationship, the timing of the first crack in the shear wall, etc.
〔実験と解析との比較:壁のひび割れ状況〕
耐震壁の範囲全体でのひび割れ面積と、解析モデルMから算定した耐震壁の面積を比較した。図12には、耐震壁の変形角に対するひび割れ面積の実験と解析の比較を示す。解析モデルMにおけるひび割れ面積の算定では、まず図3(d)の式(10)に基づいて、各要素のひび割れ面積を求めた。その後、各要素のひび割れ面積の総和を取ることにより、解析モデルM全体のひび割れ面積を得た(図3(e)、式(11))。FEM解析から算出したひび割れ面積は、ピーク時においても、除荷時においても、実験の結果と同程度の値であった。また、壁の変形の増大に対して概ね線形に増大しており、これも実験結果におけるひび割れ面積の増大傾向と一致した。
[Comparison between experiment and analysis: wall crack situation]
The crack area over the entire area of the shear wall was compared with the area of the shear wall calculated from the analysis model M. Figure 12 shows a comparison between experiment and analysis of the crack area versus the deformation angle of the shear wall. In calculating the crack area in the analysis model M, first, the crack area of each element was determined based on equation (10) in FIG. 3(d). Thereafter, by calculating the sum of the crack areas of each element, the crack area of the entire analytical model M was obtained (FIG. 3(e), equation (11)). The crack area calculated from the FEM analysis was comparable to the experimental results both at the peak time and at the time of unloading. In addition, it increased approximately linearly with the increase in wall deformation, which also coincided with the increasing trend of crack area in the experimental results.
図13(b)には、変形角0.2%(1回目)における壁及び柱のひび割れ状況に関する、FEM解析の結果を示す。なお、図13に示すひび割れの分布は、従来技術によるFEM解析の結果であり、ひび割れ面積等の算定の結果を反映したものではないことに留意されたい。図13では、FEM解析が、ひび割れの方向など、実験結果(図13(a))を定性的に表せていることがわかる。しかし一方で、従来のFEM解析では、図12に示す結果と異なり、ひび割れ幅や間隔などの定量的な結果を正確には表せていないことが分かる。 FIG. 13(b) shows the results of FEM analysis regarding the cracking state of walls and columns at a deformation angle of 0.2% (first time). It should be noted that the crack distribution shown in FIG. 13 is the result of FEM analysis according to the prior art, and does not reflect the results of calculation of the crack area, etc. FIG. 13 shows that the FEM analysis can qualitatively represent the experimental results (FIG. 13(a)), such as the direction of cracks. However, on the other hand, it can be seen that the conventional FEM analysis cannot accurately represent quantitative results such as crack width and spacing, unlike the results shown in FIG.
上記のように、本実施形態に係る方法によって算出したひび割れ面積は、実験結果とよく一致することが分かる。 As mentioned above, it can be seen that the crack area calculated by the method according to the present embodiment matches well with the experimental results.
<効果>
上記の算定式では、初期面積とひび割れ相当ひずみを用いることによって、領域内のひび割れ面積を算出することができる。そのため、温度荷重、クリープなどの荷重条件やひずみが複合している場合においても、正確な値を算出することが可能である。
<Effect>
In the above calculation formula, the crack area within the region can be calculated by using the initial area and crack equivalent strain. Therefore, even when load conditions such as temperature load and creep and strain are complex, it is possible to calculate accurate values.
例えば、図14(a)のように熱ひずみが発生している場合では、要素には、ひび割れ分の変形に加え、熱ひずみに起因する変形(図中、点線で示す)が発生する。また、図14(b)のように、2軸方向に荷重が加わっている場合などでは、要素が変形しても要素面積が変化しないケースもある。ひび割れ面積を求める方法としては、例えば要素の面積増分に基づいてコンクリート構造物のひび割れ面積を算出する方法が考えられるが、このようにコンクリート要素またはコンクリート構造物の変形量、変位、及び面積増分を計測するだけではひび割れ面積を直接得ることが困難な場合が有る。このような場合においても上記方法を用いることによって、正確に、コンクリート要素またはコンクリート構造物のひび割れ面積を算定することが可能となる。すなわち本方法は、既存の方法に比較して、適用できる条件や範囲が広い。 For example, when thermal strain occurs as shown in FIG. 14(a), the element undergoes deformation due to the thermal strain (indicated by dotted lines in the figure) in addition to deformation due to cracks. Furthermore, as shown in FIG. 14(b), in cases where loads are applied in two axial directions, there are cases where the element area does not change even if the element is deformed. One possible method for calculating the crack area is, for example, to calculate the crack area of a concrete structure based on the area increment of the element. It may be difficult to directly obtain the crack area by simply measuring it. Even in such cases, by using the above method, it is possible to accurately calculate the crack area of the concrete element or concrete structure. In other words, this method has a wider range of applicable conditions and ranges than existing methods.
なお、上記実施形態において示した算定方法は、あくまでも一例である。本発明によるひび割れ面積の算定は、必ずしも要素ごとにひび割れ面積を求める方法に限定されるものではない。また、コンクリート構造物の性能評価を行うにあたり、ひび割れ面積の算定式に任意の係数を乗じることによって、ひび割れ面積又は性能を評価してもよい。 Note that the calculation method shown in the above embodiment is just an example. The calculation of the crack area according to the present invention is not necessarily limited to the method of calculating the crack area for each element. Furthermore, when evaluating the performance of a concrete structure, the crack area or performance may be evaluated by multiplying the crack area calculation formula by an arbitrary coefficient.
また、上記実施形態において有限要素として六面体一次要素を用いたが、あくまでも一例である。コンクリート構造物を三角形一次要素、三角形二次要素、四辺形一次要素、四辺形二次要素、四面体一次要素、四面体二次要素、六面体二次要素を含む任意の有限要素でモデル化し、それぞれの要素に応じた適当な方法で面積を算定してもよい。また、使用する有限要素は1種類に限定されず、複数の種類の有限要素で構成されたモデルに対して面積を算定してもよい。 Further, although a hexahedral linear element is used as a finite element in the above embodiment, this is merely an example. A concrete structure is modeled with arbitrary finite elements including triangular primary elements, triangular quadratic elements, quadrilateral primary elements, quadrilateral secondary elements, tetrahedral primary elements, tetrahedral secondary elements, and hexahedral secondary elements, and each The area may be calculated using an appropriate method depending on the factors. Furthermore, the number of finite elements to be used is not limited to one type, and the area may be calculated for a model made up of multiple types of finite elements.
上記において要素のひび割れ面積とは、各図の通り、要素の表面または側面の面積として説明しているが、本発明はこれに限定されるものではない。特に立体要素を考慮する場合など、ひび割れ面に直交する断面を想定し、この断面におけるひび割れ面積を導出することができる。 In the above, the crack area of the element is explained as the area of the surface or side surface of the element as shown in each figure, but the present invention is not limited to this. Especially when considering three-dimensional elements, it is possible to assume a cross section perpendicular to the crack surface and derive the crack area in this cross section.
なお、本発明の性能評価方法または解析方法は、コンピュータ上で機能可能なプログラムとして構成して、該コンピュータ上で機能させれば、自動的かつ簡便・迅速に実行されることとなる。例えば、図15のブロック図に示す様に、該プログラムを記憶する記憶装置30と制御装置40とを互いに通信可能に備えたコンピュータシステムCを構成し、上記の方法を実行させることが可能である。また、ポスト処理により、例えば図13のようなフォーマットでひび割れ面積を可視化することで、性能評価がさらに容易となる。
Note that the performance evaluation method or analysis method of the present invention can be automatically, simply, and quickly executed by constructing it as a program that can function on a computer and making it function on the computer. For example, as shown in the block diagram of FIG. 15, it is possible to configure a computer system C that includes a
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。また、本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。 Although the embodiments for carrying out the present invention have been described above, the above embodiments are intended to facilitate understanding of the present invention, and are not intended to be interpreted as limiting the present invention. Further, the present invention may be modified and improved without departing from the spirit thereof, and the present invention also includes equivalents thereof.
100、M 解析モデル
100A コンクリート構造物
100,
Claims (6)
前記有限要素モデル上の領域における初期面積と前記領域におけるひびわれ直交方向のひびわれ相当ひずみとの積に基づいて、前記コンクリート構造物の少なくとも一部のひび割れ面積を算出する方法。 Performing a finite element analysis on a finite element model of the concrete structure based on the physical properties of the concrete structure ,
A method of calculating a crack area of at least a portion of the concrete structure based on the product of an initial area in a region on the finite element model and a crack-equivalent strain in a direction perpendicular to the crack in the region .
前記有限要素モデル上の領域における初期面積と前記領域におけるひび割れ直交方向のひびわれ相当ひずみとの積に基づいて、前記コンクリート構造物の少なくとも一部のひび割れ面積を算出する処理を、コンピュータに実行させるプログラム。 Obtaining output data of a finite element analysis based on the physical properties of the concrete structure for a finite element model of the concrete structure,
A program that causes a computer to execute a process of calculating a crack area of at least a portion of the concrete structure based on the product of an initial area in a region on the finite element model and a crack-equivalent strain in a direction perpendicular to the crack in the region. .
前記プログラムを実行可能な制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記有限要素モデル上の領域における初期面積と前記領域におけるひび割れ直交方向のひびわれ相当ひずみとの積に基づいて、前記コンクリート構造物の少なくとも一部のひび割れ面積を算出する、システム。 a storage device that stores a program for performing finite element analysis on a finite element model of a concrete structure based on the physical properties of the concrete structure ;
A control device capable of executing the program,
The control device includes:
A system that calculates a crack area of at least a portion of the concrete structure based on a product of an initial area in a region on the finite element model and a crack-equivalent strain in a direction perpendicular to the crack in the region .
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002090230A (en) | 2000-09-19 | 2002-03-27 | Tokyo Electric Power Services Co Ltd | Evaluation method of behavior of mass concrete bearing tensile stress |
| JP2002222281A (en) | 2001-01-25 | 2002-08-09 | Ohbayashi Corp | Repairing cost calculating system, program for realizing repairing cost calculating system by computer, and computer readable record medium recording program |
| JP2007264840A (en) | 2006-03-27 | 2007-10-11 | Takenaka Komuten Co Ltd | Crack analysis apparatus, crack analysis method and crack analysis program |
| JP2013256819A (en) | 2012-06-13 | 2013-12-26 | Shimizu Corp | Material design method for impact-resistant structure, and impact-resistant structure |
| CN104992004A (en) | 2015-06-23 | 2015-10-21 | 中国石油天然气集团公司 | Critical unit area damage strain energy determining method for pipeline crack arrest prediction |
| CN107239640A (en) | 2017-06-30 | 2017-10-10 | 金陵科技学院 | A kind of finite element method of composite self-insulation wall |
-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002090230A (en) | 2000-09-19 | 2002-03-27 | Tokyo Electric Power Services Co Ltd | Evaluation method of behavior of mass concrete bearing tensile stress |
| JP2002222281A (en) | 2001-01-25 | 2002-08-09 | Ohbayashi Corp | Repairing cost calculating system, program for realizing repairing cost calculating system by computer, and computer readable record medium recording program |
| JP2007264840A (en) | 2006-03-27 | 2007-10-11 | Takenaka Komuten Co Ltd | Crack analysis apparatus, crack analysis method and crack analysis program |
| JP2013256819A (en) | 2012-06-13 | 2013-12-26 | Shimizu Corp | Material design method for impact-resistant structure, and impact-resistant structure |
| CN104992004A (en) | 2015-06-23 | 2015-10-21 | 中国石油天然气集团公司 | Critical unit area damage strain energy determining method for pipeline crack arrest prediction |
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