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本研究では、地盤工学分野の剛塑性設計法を対象に、そのあり方を力学的・数学的な観点から整理した。現状では、支持力、斜面安定、土圧問題は慣用解析法を用いて塑性安定性を評価し、安全率を満たす構造物を設計するのが基本である。しかし、慣用解析法では、大胆な割り切りや単純化によって解析が容易になった代償として、解の力学的な意味づけ、解の最適性や唯一性については曖昧なままである。
本研究で目指した塑性設計法の再構築は、剛塑性解析法の特徴を活かした上で、力学的数理的に整合性のある解析法によって塑性安定性を評価する体系を明示することにあった。そのためには、材料挙動の大胆な剛塑性モデル化のもと、初期応力状態が不要、かつより少ない物性パラメータで塑性崩壊時の荷重係数を評価する解析法の構築が不可欠である。そこで、主双対内点法アルゴリズムに基づく高速かつ安定な解法として混合型剛塑性有限要素法を開発した。
剛塑性解析法は、増分型の弾塑性解析法に対して、直接法と呼ばれる。これは、塑性崩壊状態の物理量を直接評価するためである。繰返し荷重を受ける線形弾性完全塑性体では、剛塑性解析法と同様の数理構造をもつシェイクダウン解析法が知られている。本研究では、混合型のシェイクダウン解析法についても、定式化と解析コードを開発し、その特性を調査した。さらに、繰返し荷重時に残留する永久変形量を評価するBounding techniqueについてもその数理構造を調査した。これら直接法による解析体系によっても、理論的には終局限界、シェイクダウン限界、残留変形量の推定を直接法だけで解析することが可能である。今後は、本研究で構築した理論的な枠組のもと、具体的な問題を解くためのツール作りとノウハウの結集が重要である。
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