| Project/Area Number |
21K04241
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 22020:Structure engineering and earthquake engineering-related
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
沖中 知雄 近畿大学, 理工学部, 教授 (90298985)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
Maddegedar a.L. 東京大学, 地震研究所, 准教授 (20426290)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2023: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
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| Keywords | スーパーシアき裂 / 超高速ビデオカメラ / 高次PDS-FEM / スーパーシア破壊 / 画像計測 / PDS-FEM / PDS－FEM / 衝撃破壊試験 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究の目的は断層のスーパーシア破壊の発生に与える地盤の不均一性の影響を実験と数値解析を用いて明らかにすると共に，破壊により発生する衝撃波を数値解析により再現することである．実験では衝撃破壊試験を行い，供試体中の初期欠陥から材料中のせん断波の伝播速度を超える速度でき裂を進展させる．き裂の進展状況とき裂周りの応力場を毎秒10,000万枚撮影可能な超高速ビデオカメラで画像計測する．解析として高次基底関数を組み込んだ動的高次PDS-FEM法を適用し，スーパーシア破壊と破壊により発生する衝撃波を再現できる動的数値解析手法の確立を目指す．解析精度は画像計測結果との比較により検討される．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は断層の破壊モードの一つで大規模地震を引き起こす可能性があるスーパーシア破壊について，実験と数値解析を用いて検討することである．実験では2枚の矩形供試体の長辺を突合せて静的な圧縮荷重を載荷した後，横方向から高速で飛翔体を衝突させて衝撃荷重を載荷する．衝撃載荷により突合せ部にすべりを発生さえることで断層の破壊をモデル化する．供試体の作成材料として光弾性感度をもつ透明樹脂を採用することで，破壊部近傍の応力分布を光弾性縞として可視化し，可視化された応力分布と破壊の進行過程の透過画像を超高速ビデオカメラにより時間分解能1μ秒で画像計測した．画像計測結果の検討により供試体作成材料中のせん断波の伝播速度を超える速度での破壊の進行と，破壊先端部での応力波のマッハコーンの形成が確認され，スーパーシア破壊の再現に成功した．当該年度はすべり面である供試体突合せ面の摩擦係数，飛翔体の衝突速度を変化させ，これらがスーパーシア破壊に及ぼす影響を検討した．実験の結果から飛翔体速度の上昇に伴う破壊速度の上昇が明らかとなった．すべり面の摩擦係数に伴う破壊速度の低下については結論に至っていないが，摩擦係数の増加に伴いスーパーシア破壊からせん断波の伝播速度を下回る通常の破壊モードに遷移することが確認できた．
数値解析手法として連続体中のき裂進展解析に適した解析手法である高次PDS-FEM法を採用し，実験で計測した破壊の進展を再現することを試みた．突き合せた供試体全体を連続体としてモデル化し，上載荷重を載荷した静的解析結果を初期状態として衝撃載荷による動的き裂進展解析を実行した．供試体の接合部に対応する位置に強度の低い要素列を設定することで破壊の発生位置を接合面位置に限定した．また破壊後の要素には摩擦力を作用させた．動的解析によりせん断波の伝播速度を超える速度で破壊を進行させることができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現在までの進捗状況について実験と数値解析に分けて記述する．
実験では衝撃載荷の載荷速度と突合せ面の摩擦係数が破壊挙動に与える影響を検討した．本実験では鋼鉄製の飛翔体を空気圧で加速して供試体に衝突させる．空気圧を変化させることにより飛翔体の速度を制御し，衝突速度が破壊速度に与える影響を調べた．その結果飛翔体速度の上昇と共に破壊の進行速度が上昇することが確認できた．突合せ面の摩擦係数は突合せ面を番手の異なる耐水ペーパーで研磨して祖度を変化させることにより，摩擦係数を0.21～0.46の間で変化させた．作成された供試体の破壊実験で破壊の進展速度を計測した結果，摩擦係数が大きくなるに伴い進展速度が低下する傾向がみられたが供試体による変動が大きく，明確な結論を導くには至らなかった．これは研磨を手作業で行ったため突合せ面の平面を維持できなかった供試体があり，結果に影響を与えたものと考えられる．供試体作成精度を向上させて再検証することが令和6年度の課題である．
数値解析では実験で計測したスーパーシア破壊を高次PDS-FEMを用いた動的き裂進展解析することを試みた．上載荷重を載荷した静的解析を行い，静的解析結果を初期状態として側方から衝撃荷重を載荷して動的なき裂の進展解析を実施した．き裂の進展基準として最大主応力が設定強度を超えた要素内を最大主応力に直交する方向にき裂が進展するものとし，き裂進展後の要素は摩擦を伴う接触要素として取り扱う．本年度は上載荷重と摩擦係数が破壊の進展速度に与える影響について検討した．上載荷重が大きくなるに伴い，破壊の進展速度は低下した．また摩擦係数を変化させて実施した解析では，摩擦係数の増大に伴ってき裂進展速度が低下することが確認できる．
以上の進捗状況から，おおむね順当に進展していると結論付けた．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和6年度の研究計画を実験と解析に分けて記述する．
実験では衝撃載荷によるスーパーシア破壊実験を継続する．摩擦係数がき裂進展速度に与える影響について継続して検討を行う．令和5年度に行った実験では供試体作成の精度不足から結論を導くには至らなかったため，供試体作成精度を向上させて再度実験を遂行する．作成精度向上のためには卓上小型平面研磨機の購入を検討している．これにより突合せ面の祖度を精度よくコントロールできることが期待できる．また異なる材料を突き合せた面での破壊進行について実験を行い，異種材料間の接合面でのスーパーシアき裂の破壊速度，進展状況について画像計測を通して検討する．
数値解析では高次PDS-FEMを用いたスーパーシア破壊の動的解析を継続して実施する．令和6年度はき裂進展の判定に用いる要素の破壊基準とき裂進展後の要素で適用される摩擦力のモデルを検討し，解析精度の向上を図る．精度の検討は実験結果との比較を通して実施する．実験では供試体中の応力分布が光弾性縞として可視化されており，破壊に伴う応力分布の変化が時間分解能１μ秒で計測される．数値解析により得られた応力分布から光弾性縞を再現し，実験結果と比較することにより数値解析の精度を検証する．この比較を通して精度の高いスーパーシア破壊の解析手法を確立することを目指す．
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