ひび割れ面の摩擦接触を考慮した損傷モデル EX18605 (京都大学情報基盤センター推薦課題) 相馬 悠人 (茨城大学理工学研究科) ひび割れ面の摩擦接触を考慮した損傷モデルによる鉄筋コンクリートの 3 次元破壊シミュレーション ■ 研究の背景と目的 RC柱の破壊挙動 土木構造物の崩壊を防ぐため，建設材料である鉄筋コンクリートのひび割れ進展挙動を 定量的かつ詳細に把握し，防災・減災対策を図ることが重要な課題となっている． しかし，ひび割れの開口やひび割れ面の摩擦接触が繰り返し生じながら破壊が進行するため，その挙動を予測することは容易ではない． 目的 これまでの研究成果 ひび割れの開口に加えて，ひび割れ面の摩擦接触を考慮した 材料モデルを開発し，鉄筋コンクリートの破壊挙動を再現する． 摩擦接触を考慮していない． ■ 従来の数値解析手法 コンクリートの材料モデル：等方性損傷モデル 領域分割法に基づく並列有限要素解析 等方的に剛性を低下させて ひび割れを表現． RCはり (約75万要素) 入力データの読み込み s = 1−D Ce s ：応力ベクトル e ：ひずみベクトル C ：弾性係数行列 D ：損傷変数 分割数の設定 分割領域の割当 節点と要素番号の割当 境界条件の付け替え = 1−D C11 1−D C12 0 1−D C21 1−D C22 0 0 0 1−D C33 s11 s22 t12 e11 e22 g12 前処理 コア数 計算時間 8 16 32 64 48 96 144 ひずみ e 応力 s D = 0 0 ≤ D ≤ 1 16分割 (4×2×2) 並列有限要素解析 E e0 eeq Gf he ：ヤング率 ：破壊発生ひずみ ：等価ひずみ ：破壊エネルギー ：要素長さ 後処理 分割領域毎の結果を集約 D = 1 − e0 eeq exp − Ee0he Gf eeq−e0 出力データの書き出し 改良 ひび割れ面の摩擦接触を考慮した損傷モデル 損傷 弾性 D = 0 D = 1 0 < D < 1 弾性：1-D 損傷：D 摩擦力： 局所座標系における構成則に着目し， 摩擦接触をモデル化する． 接触挙動のモデル化 γ′12 t′12 1−D C33g′12 Dtf τf no contact: e′11 > 0 s′11 = 1−D C11e′11+ 1−D C12e′22 【全体座標系】 【局所座標系】 s11 contact: s′11 = C11e′11+ 1−D C12e′22 e′11 ≤ 0 t′12 t′12 s′22 t12 s′11 t12 摩擦挙動のモデル化 s22 s22 tf = msn = m |s′11| ：摩擦係数 m t12 no sliding: tf ≥ |t′12| t′12 = C33g′12 t12 s′11 s′22 t′12 t′12 s11 sliding: e2 tf < |t′12| t′12 = 1−D C33g′12 + sgn g′12 Dtf e′2 e′1 e1 弾性領域 損傷領域 ■ 妥当性の検証：一面せん断試験のシミュレーション 一定の荷重：0.1, 0.5, 1.0 MPa 《 レンガ 》 《 モルタル 》 2 変位量：0.8 mm ヤング率 E 17 GPa ポアソン比 ν 0.15 ヤング率 E 5 GPa ポアソン比 ν 0.2 : Experiment : Analysis (1.0 MPa) : Analysis (0.5 MPa) : Analysis (0.1 MPa) 鉄板 1.5 レンガ 界面 《 界面 》 モルタル せん断応力 (MPa) 1 ヤング率 E 1 GPa ポアソン比 ν 0.2 圧縮引張強度比 k 10 破壊エネルギー Gf 0.01 N/mm 破壊発生ひずみ ε0 0.0006 摩擦係数 μ 0.8 50 mm 0.5 強制変位 0.8 mm 0.0 1.0 0.25 0.5 0.75 1 損傷変数 せん断変位 (mm) 204 mm ■ 今後の研究計画 鉄筋コンクリートの付着メカニズム 鉄筋とコンクリートの境界面などに提案モデルを適用する． 鉄筋の表面形状を考慮した有限要素モデルを用いて，大規模並列計算を実行する． 摩擦 実現象を高精度に再現するだけでなく，内部のひび割れ進展挙動を明らかにする． 接触