2015 Fiscal Year Research-status Report
合成部材の構造性能評価の高精度化に向けた数値要素試験の開発
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15K14017
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
齊木 功 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40292247)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 非均質梁 / 均質化法 / 剛体回転 / せん断剛性 / ずれ止め / 合成桁 / 接触解析 / 弾塑性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，微視構造を持つ2次元および3次元梁の平均物性評価のための周期境界条件を定式化し，かつ剛体回転を拘束する方法を提案した．これにより，非均質梁の平均的な力学的特性を評価する方法を提案した．この方法により3次元均質梁の曲げ・せん断・ねじり剛性を評価し，解析解と比較し十分な精度を有していることを確認した．また，2次元非均質梁のせん断剛性を評価し，変位境界条件によるせん断剛性との比較を行った．梁軸方向に一様な2次元3層梁の解析では，単純な変位の拘束では端面での自由なせん断変形を拘束してしまうためにせん断剛性を過大評価することになる．その影響が相対的に小さくなるように長い梁をモデル化することによって精度を向上することは可能であるが，数値解析的な効率は良いとはいえない．一方，本手法では端面は数値モデル上便宜的に設けるのみであり，梁軸方向に一様なせん断ひずみ分布が再現され，代表体積要素長によらず一定のせん断剛性が得られた．
上記の手法に弾塑性・接触を考慮して，実際の合成桁橋に近いモデルのせん断剛性評価を行い，従来から用いられているずれ止めの押抜試験を模擬したモデルの有限要素解析と比較を行った．接触を考慮することで，摩擦が存在する場合には，一般的にスタッドに作用するせん断力として用いられている載荷荷重が実際にスタッドに作用しているせん断力と一致しない事が分かった．また，合成桁モデルの解析結果と押し抜き試験モデルの解析結果の比較から，押し抜き試験でスタッドに作用するせん断力が合成桁中のスタッドに作用するせん断力と一致しない事が分かった．さらに，スタッド間隔の異なる解析結果からスタッド間隔が狭くなるほどスタッドに作用するせん断力は小さくなることが分かった．
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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
研究実績の概要で述べた通り，本研究では，微視構造を持つ2次元および3次元梁の平均物性評価のための周期境界条件を定式化し，かつ剛体回転を拘束する方法を提案した．これにより，非均質梁の平均的な力学的特性を評価する方法を提案した．この方法は橋軸直角方向に凹凸のない梁に対してその精度を確認しているが，補剛材のような薄い凹凸がある場合に，その板が大きく変形することで剛性を過小評価する傾向があることがわかってきた．したがって，この点についてより詳しく確認し，対応を考える必要がある．
また，鋼とコンクリートの異種材料間で接触解析を行っているが，初期付着を考慮すると付着破壊に伴う大きな不つり合い力が発生し，通常のNewton-Raphson法が機能しなくなる場合があることがわかった．そこで，付着破壊に伴う不つり合い力を1ステップで解消するのではなく，複数ステップに分割することにより収束性を高めることを考えている．
以上，概ね当初の計画通り研究は進捗しているが，上記の２点について，当初予定していなかった課題が見いだされたため，当初の計画と同時並行的に問題の解決を試みる予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
概ね当初の計画通り，以下のように研究を継続する予定である．
非線形性を含む構造要素の数値要素試験の開発を引き続き行うとともに，数値要素試験で用いている弾塑性および接触を考慮した非線形有限要素解析の結果を，申請者や他の研究者が過去に行った各種ずれ止めの要素実験の結果と比較することにより，その精度と妥当性を確認する．ここで，耐荷力や荷重-ずれ変位関係の比較に加えて，ずれ止め周辺の応力状態などについても詳細に検討し，解析の高精度化を図る．
次に，構築した数値要素試験を用いて，曲げモーメントがない状態で合成はりや板の非線形せん断挙動を解析する．この結果を従来の要素実験の結果と比較することにより，要素実験が持つ剛な境界や，偏心載荷に伴うモーメントによって生じる界面法線方向の圧縮・引張が合成梁や合成版の耐荷力や荷重-ずれ変位関係に及ぼす影響を定量的に評価する．
さらに，構築した数値要素試験を用いて，実際の複合構造物中で想定される，任意の曲げモーメントおよびせん断力の組合せによる応力状態における，合成はりや板の非線形挙動を解析し，それらの相互作用を明らかにする．具体的には，合成はりであれば，正曲げや負曲げ，またその大きさによって，ずれ止めを含む合成はりの耐荷力や荷重-ずれ変位関係が影響を受けることを予想しており，その定量的な評価を行う．この結果は，申請者の過去の研究や研究協力者（宇都宮大学・中島教授）が行った複合構造の大型模型実験の結果と比較し，その妥当性を検証する．これらの結果から，ずれ止め単体ではなく，合成はりや板としての各種限界状態の解明を行い，これらに対する高精度な性能評価手法を構築する．
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