コンクリート・岩石におけるクラック進展解析手法の確立

1993 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 04555106
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 堀井 秀之 東京大学, 工学部, 助教授 (10181520)
• 研究分担者: 宋 河原 東京大学, 工学部, 講師 (10226722) ; 山口 栄輝 東京大学, 工学部, 助教授 (90200609)
• キーワード: クラック進展解析 / 破壊力学 / 引張軟化曲線 / 逆解析 / 鋼繊維補強コンクリート / トンネル覆工 / 設計法

研究概要

コンクリートにおける一般的なクラック進展解析手法の開発を行った。変位の不連続面を有する有限要素の定式化を行い、不連続面では引張軟化関係を満足させ、さらに、引張軟化域における除荷経路を考慮し、引張軟化曲線から除荷経路への分岐を厳密に判定した。結果として、通常の切り欠きから進展する1本のクラックの解析だけでなく、切り欠き無しの無筋コンクリートの曲げ試験のように、クラックが最初分布して発生し、やがて一本のクラックに局所化する過程を解析することが可能となった。
引張軟化曲線は引張破壊挙動を支配する材料特性であり、一軸引張試験におけるピーク後の開口変位と伝達応力の関係と定義される。しかし、一軸引張試験を実施し引張軟化曲線を得ることは難しい。そこで本研究では、安定した試験が容易であるノッチ付き無筋梁の曲げ試験より引張軟化曲線を得る逆解析法を開発した。この逆解析法は、ノッチ先端の開口変位は常に開口変位の最大値であり、ある時点までに求めた引張軟化曲線の部分からノッチ先端を除いて開口変位増分と伝達応力増分の関係が既知であるという点に着目し、その時点からのノッチ先端の開口変位増分と伝達応力増分の関係を、荷重増分と載荷点変位増分の関係から求め、この増分計算を繰り返すことにより引張軟化曲線を求めるという方法である。
さらに開発したコンクリートにおけるクラックの進展解析手法と引張軟化曲線の逆解析法を応用し、近年導入された掘削と覆工を並行して行うトンネルの工法において鋼繊維補強コンクリートを覆工に用いるための設計法を提案した。これは、断面耐力の算定にひびわれの応力伝達を考慮したが、破壊力学に基づく新しい設計法である。

研究成果

• [文献書誌] Y.Okui,H.Horii,and N.Akiyama: "“A continuum theory for solids containing microstructures"" International Journal of Engineering Science. 31. 735-749 (1993)
• [文献書誌] M.Cai and H.Horii: "“Constitutive model and FEM analysis of jointed rock masses"" Int.J.Rock Mech.Min.Sci.& Geomech.Abstr.30. 351-359 (1993)
• [文献書誌] P.Kabele,E.Yamaguchi,and H.Horii: "“Analysis of concrete structures by FEM-BEM superposition method"" Computational Mechanics. 763-768 (1993)
• [文献書誌] H.Horii and P.Nanakorn: "“Fracture Mechanics Based Design of SFRC Tunnel Lining"" Proceedings of JCI International Workshop on Size Effect in Concrete Structures. 347-358 (1993)
• [文献書誌] H.Horii and Y.Okui: "“Thermomechanics and micromechanics-based continuum theory for localization phenomena"" Proceedings of IUTAM Symposium on Fracture of Brittle Disordered Materials. (1993)
• [文献書誌] 堀井秀之: "破壊するジョイントを含む岩盤の構成式のモデル化とFEM解析" 第9回岩の力学国内シンポジウム講演論文集. 1-6 (1994)