安定論と破壊力学に基づく建築構造物の脆性破壊の研究

• 研究課題/領域番号: 12650572
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 建築構造・材料
• 研究機関: 京都工芸繊維大学
• 研究代表者: 小坂 郁夫 京都工芸繊維大学, 工芸学部, 助教授 (40127163)
• 研究分担者: 上谷 宏二 京都大学, 大学院・工学研究科, 教授 (40026349)
• 研究期間 (年度): 2000 – 2002
• 研究課題ステータス: 完了 (2002年度)
• 配分額: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2002年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 2001年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2000年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
• キーワード: 破壊力学 / 安定論 / 脆性 / 亀裂進展 / 鉄骨造 / 亀裂

研究概要

本研究では、部材に初期亀裂が存在する建築構造物の崩壊時の挙動解明の研究を行った。
まず、破壊力学に基づいて、部材要素中の亀裂進展挙動の数値解析に境界要素法を適用した。この境界要素亀裂進展理論を用いて、長方形断面の脆性梁とH形断面の脆性梁の材端モーメント-材端回転角関係を求めた。この経路は、亀裂進展が生じることにより不安定となる釣合い経路である。このモーメント-材端回転角関係から、亀裂部分に対応する簡易で有効な亀裂回転バネモデルを提案した。これらの回転バネモデルは亀裂要素を含んだ建築骨組の脆性破壊挙動の数値解析に有用である。
初期亀裂欠陥を含む脆性骨組において、亀裂進展の安定性は亀裂要素の周辺の剛性(亀裂部を取り除いた骨組の剛性)の大きさによって変化することを数学的に明らかにした。すなわち、骨組の亀裂部分以外の全体の剛性が大きい場合には、一気に(動的に)亀裂が進む(不安定)という状況になりやすい。この骨組の安定性判定は剛性行列の固有値と固有ベクトルを用いて行えることを示した。また、全体剛性行列を縮約してからこの方法を適用できることも示した。この方法は複数の初期亀裂を有する骨組に適用することも可能である。
多数の亀裂進展実験を行い、その特徴を提示した。平板(鋼板)の亀裂引張実験、H形鋼の亀裂曲げ実験、梁と柱の接合部の亀裂進展実験を行った。また、発泡スチロールによる実験も行った。