一一一》泗鵠ロロ鑿》

⑤
RC倒也の11,副耳巽47厨.二
濁十ら=■◆ヘム勤文宝.19鈍・12
[21]
コンクリーート椴造物の有限要素解析における解析モデルの評価
正会員岡村甫
(東京大学工学部)
正全国前川宏一
(長岡技術科学大学工学部)
1゜はじめに
鉄筋コンクリート構造物の有限要湯解厨(FEM解折)は主として、現Bこの理解に画点を置いた研究に用
いられる俎合と、実際の投叶糞務に応用される珊合とか挙げられる。現時点では十分には解明されていない
数多くの力学挙動の仮定を投げ、8f算Baによる近似叶算を行うプロセスを採る。FBM解析に期待される目
的を速成するには、その解析結果がどれはどの侶頼性と妥当性とを有し、実FBIのRCHI遺物の挙動を廻跡し
ているかを評価しておかなければなら江い゜
本報告は、PEM解肝モデルの評価を如何にすべきかについて桧ずるものである。この間皿は樹めて猟し
<、到底滴足な回答を与えることは不可侭である。解析モデルの評価と今後いか侭発展すべきかについての
正者等の見解をできるかぎり明確にかつ正直に述べることができるだけである。
FPU
揖造月用析においては槌々なアプローチが存在する熱いかなるものにおいても践理の出発点では、力学3$
動をすべて実月鱸果に合わす掻作が必要となる。
図Lに示すように、鉄筋コンクリートシェル、U遺物のせん断挙動を解折する俎合、趙理の出発点をシェル
Ni透物そのもののせん断実、船古巣におくことで、結果を麺自式Iこまとめることが出来る.また、鉄筋コンク
リート要嚢のマクロ江西内・面外応力下の変形ならびに破趨を実験から定式化して、その要暴特性を有限要
嚢40世としてシェルを解くことも可能である。さらに、餌付、コンクリート、ひびわれ、付冠などを9自立に
モデル化して鉄筋コンクリート要詔の挙動を月BUfし、それに基づいてシェルを解くことも可歯である.アプ
ローチは梯〃であるが、どこを解枅モデルの出発点に証くかが異なるだけで、いずれも実験式から出発する
ことに変わりはないのである。当鵠のことながら、対玖としている問題により近いところから出発している
解折モデルほど箱肛は商い.
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図1解肝モデルの出発点
-139-
匡
LEVEL3
しかし、解析モデルの出発点が図lのレベル1に近づく.ほど、解斫モデルとしての適用性が飛国的に伸び
る事実は極めて重要である.見掛け上、極めて複雑な挙動でも、実は個々の力学的挙助が、外的に与えられ
た条件において相互に関連した桔果として現れる組合作用の所産である.これを数学(数値)的に滴掴する
阻作が、ここでいうr解肝予測』ともいえよう。
このようなアプローチの中で解肝ならびに評伝を行う我”は、科学の立明と工学の立堪をとることになろ
う.図1のレベルlから出発するならば、科学の立場からあらゆる条件においても、個々の仮定に商い粗皮
が要求される.ここでの相度が低いと、適用面囲が広範になっても予測相肛が低下するからである。あらゆ
る条件下での迫用性を係征するには、より本質と検心に迫る普遍則を見出す必要がある。科学の歴史からみ
ても、本貫は極めて簡単な裏旦垂で表裏されているのは興味深い.
科学の信念にのみ立脚して普遍性を追求するとすれば、現段階のレベル1は初歩的レペルにいるにすぎな
い.一方、工学の立場からみると、対象に敏感にロ剣号を及ぼす挙動を銀中的に商柑肛で把掴して、他の条件
下での挙動に優先する方向を採ることができる。エ学的センスで社会に寄与することは、コンクリート技桁
者としてのとるべき立場である。科学と工学の目1面を考頤しなければ、解りfモデルの押価は成り立たないと
いうのが筆者らの見解である。
我国で関発ならびに使用されているFEMプログラムのアンケート餌査の結果を表lに示す。JCI-RC-FEH
委且会が主催となって昭和59年6月に行ったものである.作表にあたっては、使用しているコンクリートモ
デル、ひびわれモデル、付着モデル、、H生マトリックスの解法ならびにプログラムの主たる解if対象を項目
とした.プログラムのWU月艮や解枅結果の8判ロを知るための参簿文献を妃し、この表によって我国におけるF
BMプログラムの現状が把担できるよう努めた.各プログラムは3クラスに分知した.、
ミクロと分頻したグループは、主として鉄筋コンクリート構造UUや構造要暴の力学的な挙動を解明し、本
質的な理解を深める目的を持って開発されているものである.したがって、現象解明の基本となる仮定や仮
税(ミクロレペルの仮定)の相度を向上することに、開発の主力が置かれているのである。趙理の出発点は
虫さ促図1のレベル1厘五かれている.当然、基本的な現象nF明が里襲れているものを解析対象としている。
たとえば、ばりのせん断問田については、ひびわれをできる限り現実に近づけるために、紐散型のひびわれ
モデルをfE用したり、ひびわオ1鏡界面のせん断伝達・せん断膨彊特性や要竃の変形・破壊甚単の精度向上に
努力が払われている。また、柱の挙動に対する3次元16J束効果の解明や酎蔑§R係BUfの解りテネロ度におよぼすモ
デルの検針が行われているのである。
マクロと分類したグループは、プログラムを実構造物の段叶に$用することを念頭に函いたものである。
したがって、これらのプログラムは構造物の全体的な挙動を遵合的に把屈することを主目的としている。ひ
びわれの取り扱いがすべて分散型であるの6以上の理由によるものと月田、(される。このような全体的な取り
扱いがなじむgg式構造物やシェル構造物が対象として多いのも当然であろう。シェルWU遺物は而外変形をも
受けるので、大部分は3次元変位場を考巫できる形になっている.ただし、$力坦は2次元を仮定している
ものが多い.このクラスのもので応力を3次元場で毘述し、基本となる仮定にも視点を画いているものは、
ミクロな性格をも持つものとして、釘区分して掲示した.このグループに分因したプログラムの曲理の出発
点は、基本的鹿は図1のレベル2にあるといえる.たとえば、銭筋とコンクリートの付蒋や鉄筋のダポ作用
は、ひびわれ甦生鐘におけるコンクリートの引彊191性として鉄筋コンクリート要$の1,性に取り入れられて
いる.ただし.壁やシェルを解く際に、純然たる「鉄筋コンクリート要暴」の揖成式を実験により求め、そ
れを基昌妨租式として解肝をスタートさせているものは見当たらない.レベル1から出発して、hRnZコンク
リート要秦の楓成式を求めきれない分を尋レベル2での割切りで補う形になっている。鉄筋コンクリート要
$の拐成式を明確に竃勘しているものは、マクロモデルの研究ではCollins(49〕の研究などがq6げられろ
域FBMの分野では見当たらない.
一般という■函に■めたプログラムは、個々の項目に対応するモデルを自由遇沢するもの、ならびに使用
者の作成に委ねる性格のものであり、汎用ソフトならびに骨格プログラムの性格が強い。これらは、ある種
皮、限定された使用者に対して公開される形を採用している.
◇
-140-
21プログラムの呪伏(アンケート曲■よIDD
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コンクリートの幌出口
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-141-
得窓とする領壇をもっているプログラムといえども、その性能は実験桔果との照合によってチェックして
おり、照合用のデータとプログラムの適用範囲には密接な関係がある。
出発点となる力学モデルがすべて正しく計算手法に矛盾がないとき、すべてのRC構造物に適用可能な-
H顕凪析手法を得ることができるものとの信念を箪者等は持っている。しかし、仮定したモデルは完全なもの
ではない。思わぬ見落しを犯すことはよくあることである.各レベルでの解析モデルはそれぞれの実験結果
と予測値との比較を行うことによって評価される。このとき、1つの実験挙動、例えば荷重一度位の関係‐
だけで解析モデルの評価をすることは極めて不合理である。2つ以上の仮定が間迫っているjIU合には、予測
値と実験値が合致することは住々にして起こる。しかし、数だけ多ければ粗度が良くなる訳ではない。同種
の実験について多くの解析照査を重ねても適切な評価とは言えないのである。解析上の幾つかの仮定の粉肛
が敏感に解厨子副使に現れるもので評価する必要がある。ある特定の仮定だけが影等し、残りの仮定の相度
が解折結果に鈍感な対象を用いる泗合は必ずしも正当な評価ができないのである。したがって、解析対象の
錯元がパラメトリックに分散,かつ特殊なケースが含まれていることも箆要である。以上の内容を、コリン
ズの実験繕果〔50〕と筆者等の解祈結果との対応を例にとって概括してみたい。
図旦に示す直交2方向に等方配筋されたRC板に縄せん断応力が作用するものである。荷更と幾何形状が
同一の軸に対して線対称であるために、2方向の鉄筋ひずみは必然的に等しくなり、ひびわれ面でのずれが
発生しない特殊なケースである。せん断伝逮の仮定はRC坂の挙動に全く影辱しないので、この間皿をもっ
てせん砥伝達モデルが妥当であると判断することはできない。終局耐力はひびわれ平行方向のコンクリート
の圧壌で決定されるため、ひびわれ平行方向のコンクリート99成式(破壇基準)の粉度が問われている問題
であると言えよう。
図旦は正者等の計算桔果である。この叶算はコンクリートのH1成式を求めることを主眼に盃いた2粕実験
の桔果に基づいて、ひびわれ平行方向のコンクリートのI1iI生・強度低下を評価したモデルを用いていたため、
爵力・破壊時変形をほぼ正弦に予測できたのである。終局時において変形・強度の予測ができたのは、たま
たまこの間皿ではひびわれ幅が大きくなり、付着がほとんど切れていたため、解祈モデルでは考恵していな
かったコンクリートの引彊IFH生がほぼ零に近かったからである。当然のことながら、ひびわれ発生直後にお
ける鉄筋方向の平均ひずみは大きめに評価する結果となった。
No.Aと同様に、終局厨力6こついてはひびわれ平行方向の破壇基準がH1題となるにもかかわらず、箪者等の
解折では厨力と変形を小さ目に予測した(図上参照Lこれは、実際の榎はひびわれ4国が終局時においても
小さく、ひびわれヨゴテ方向のWU成式導出に用いた実験条件(ひびわれ幅0.鞄以上、ひびわれ間隔10cmO)と
大きくHRれていて、仮定の精度が悪かったことに起因している.これに対して、編筋コンクリートの構成式
をそのままひびわれ間のコンクリートの構成式とした解折モデルの正博控侶がもっとも高かったのである.仮
定したモデルの遭用関囲が実際の構造物内で再現されていないとぎ、その挙動が現象に敏感なときは解析精
果と実H2結果とは当然のことながら大きく異なるのである。ひびわれ発生後におけるコンクリートのひびわ
れ平行方向についての判り成則は以上の2ケースで評価されるが,当時この評価に商えたものはなく。コリン
ズの挑戦侭FEH研究者は敗れたのである。
異方性呪腔覆に縄せん断力
ひびわれ4日の珂肋ロによるひびわれ面せん断伝遇DDH生の低下が、RC仮のせん断変形に敏感に利く点が特敏
である.せん断剛性を零とすると、鉄筋に過大なせん断力を期待することに癒り、過小配筋のために,ひび
われの発生と同95に鉄筋が塑性化して酎力を失う。逆にせん断伝遼剛性を一定にすると、鉄筋の負担を軽く
評価してしまう可能性がある。
筆者亭はひびわれ幅Iこ対する商桁度のせん断伝達モデルを用いたために、終局司力に至る痩形を十分商い
桁度で予測することができた.また鉄筋曰が小さいために、ひびわれ幅が大きく開く結果、ひびわれ平行方
-142-
何の構成式の適用範囲が保証されていたのである。
ここで、せん断伝逸剛性をひびわれ前の25%の一定値に設定(実際よりも大)し、さらにひびわれ間のコ
ンクリートの剛性を実際よりも著しく低減させた解斫を行った。これらの仮定はいずれも実際の挙動を正確
に模擬したものでないことは明らかである.前者は坂の変形を小さくする方向に影審し、後者は変形を大に
する方向に作用する。その結果、両者が相殺しあって、121且のように見掛け上、実際の現象を模歴している
かのように見えるのである。グウエル効果を過大に見積もる等の処盈によっても同揮に特定の結果庭合わす
ことは可能である。
2つ以上の不確定要因がある鳩合は、このように桔果がいかようにも変化し得るのであって、適用範囲の
広範なRCHU造解肝モデルの開発には、1つ1つの仮定を十分吟味して、柑度を高めていくことが不可欠で
あるというのが筆者等の考えである。この方法絵のゴールは、はるかかなたにあることは耶実であって、個
存のWU造物のそれぞれの現象に対して特に影審の大きい要因について,重点的腱研究を進めることが工学の
立場から要求されるのである。
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図4N0.8供拭体についての実験値と解析結果図5N。.C供拭体についての実験値と解折結果
-143-
5.解肝モデルの評価のための検征実戦
解折モデルの適用性と箱度とは検征に用いた実験桔果に全面的に依存する。検征実験をいかなるものを採
用し、いかなるものでもって評価するかを間通えると、正当な解肝モデルの評価とならないことは前節に示
したとおりである。検証実験の週定が解析モデルの評価の函要なポイントとなるのである。鉄筋コンクリー
ト栂造りUの挙動に充分な理解をもった技術者こそが、正しく検征実験を週定し得るのである。さまざまな仮
定の妥当性をチェックできるパラメトリックな実験を小数有効に週定することが肝要である。その意味にお
いてコリンズの過定した問題はひびわれに関するコンクリート構成式の検征に対して,この要件を十分満足
しており、以後の進歩に大きく貢献したのである。′
一般には、あらゆる仮定がすべて敏感に利くような構造物はまれで、むしろ小数の仮定が#I造物のタイプ
ごとにそれぞれ影響を大きく及ぼすのである。そこで、以下に種々の仮定が解析の粉塵に大きく影響する実
験について例を挙げてみたい。
鉄筋コンクリートばりのせん断破壇厨力がその-つである。斜めひびわれが最終的にコンクリート部分を
突き抜ける時の破壊基単によって、破壇酎力が大きく異なる.従来の解析では、せん断ずれを伴う時期を両
目に87価する例が多い。分散ひびわれモデルでは、せん断ひびわれが突き抜ける要素の応力状態を追跡でき
ないこと、ならびに破壇基準が正確でないことの2者が主固因と考えられる。分離ひびわれモデルは、この
ようなd徴本のひびわれが全体挙動に形忠するものに適した手法であり、前者の原因を除くものである。一
方、後者の問題は、ひずみ勾配が卓越し、かつ庵力の捷れる方向が変化するといった状況のコンクリートの
ロ自逮基準を、ひずみ勾配が殆ど-梯で、さらに限定された応力径路(例えば、載荷速度が一定、等主応力比
載荷、主応力軸回転のないI屋路)下での実験結果を用いて計算している現状では、解決できないのではない
だろうか.
ディープピームでウェプが圧壇する堪合が典型的な例である。コンクリートの非線形応力一ひずみの関係
がそのまま、ばりの変形と破迫に形毒する.この問題では付藩の影唇は無視できる。付軒のないケースで解
軒をおこなった桔果、荷重一変形関係は殆ど変化しない。実際、実験において鉄筋のひずみは一様化されて
いる.せん断伝逸も変形には形審しない。これはひびわれ発生以後も主応力の流れの方向はほとんど変化し
ないためである。
せん断伝退毛1彰再
瀞面壁の荷画一変形関係がその-つである。ひびわれ面でのせん断伝達、グポ作用、付釘及びコンクリー
トのnlHR式がすべて関係してくる例であり、麺Z・加力などの状態IごU:って個々の要索が、1箸に現れてくる。
底力は比ODU勺滑らかに嚢化しているので、有限要嚢法にとって得窓な領域である。
しかし-形忠因ヨヨ田々は極めて祖雑なものであり、この相度を高めて汎用性を向上させるには、なお検討
力《必要であろう.一かこれらの要嚢がからみあったRC坂としての挙動を出発点に函くことで、通用範囲
を越えない範囲で設計のレベルに用いることのできる最も近いものであろう。
以上のように、個々の仮定が十分でないと、滴足のいく桔果が得られない坦合が多い。むしろコリンズ問
題のように、解折することによって何が不十分なのかが』glWiされるのである。この趨鐡が得られることは大
きな前進健轟がる.この極、Hをもつことは極めて重要であって、第2回せん断コロキウムにおけるJCI過
定拭nh体もこの認勘の基に週定されたのである〔51〕。
そ丁の評旧悪町
何を寧日厘月BUf鰭果が実Na結果を予測し得たか、あるいは予測できなかったかを判断するかについてば、
一般的な法則はない.FEMアンケートでは、殆どのものが、1)荷重一たわみ関擁2)荷重一鉄筋ひず
み関係、3)ひびわれパターン、4)終局時の面力と変形、5)破壊モードを挙げている。これらの桔果を
62合的に判断して、3F伍しているのが現状であろう。
-144-
図上は、コンクリートの圧縮一引張領域の特性を特に考慮していない揖成則を使用してRCばりを解いた
桔果である。荷函一たわみ関係は実験値とほぼ近い値を与えている.しかし、解析では等モーメント区間の
コンクリートの圧戦で破壇した桔果が,実瞭は裁荷点のすぐ外側が滑って破壊したのである。1)~4)の
結果が合致していて65)の破壇モードが一致しないケースは最終段階まで全変形を提題できたとはいえな
いのではないだろうか。破壇モードは解析モデルの評価において画要なチェック韻イントと考えている.
桁度のよいRC構造実験の変、》係数I土10%以下である。また、マクロモデル侭おける予inl精度は変動係
数10%をもって妥当と判断すべきであると筆者等は考えており、解析結果と良い実測値とは10%以内の
差でありたいものである。この程度の値を確保できなければ、解析上に何らかの問題があると考え、その遇
用には工学的な判断を加える必要があると琴えて頂きたいのである。現段階では、特定の対象に対して、粗
皮のうえでFEM解析はマクロモデルに脇てない状況である。
300
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、
2
シX函
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RoIatIvoDIgpr…mentql-q2CUUZEJ
(m、)
図6RCばりの解折結果の一例
7.桔蹟
本文の姶旨はあくまで華者の見解であり、他にも色々な考え方があるのは当然である.しかも幾''十柔務の
中でFEMを用いた経験がなく、もっぱら研究に用いている立場であるので、RC構造物のPEM解折を行
っている技衡者の共通の同意を必ずしも得ることはできないであろう.今後、有効に研究閲発を週めていく
段階で、一つの思考材料になれば、本報告の目的を達したものと思う。以下に趙旨を纏める。
〔l〕解析モデルの通用麓囲と粉度は、検証に用いた実戦桔果に依存する。
〔2〕、検軒翼験は、・小数のパラメトリックに諸元を変化させた実験を採用することが肝要である。特に、極
錨なケースを幾つか含む必要がある。また、解斫に用いる幾つかの仮定が敏感に桔果に反映するよう
な実験を週別すべきであり、これらは鉄筋コンクリート技術者としてのセンスに依存する.
〔3〕検証の段階で、複数の仮定がNII返っていても見掛け上、良い粉庇を示すことがあるので注江しなけれ
ばならない。検征実験が遺切ならば、この間迅いを犯す危険性も低下する。したがって、解析の出発
点となる仮定1つ1つの吟味が大切である。
〔4〕基本仮定の輔度と適用範囲とを鏑めることが不可欠である。特に現故に敏感に形容するものを重点的
に詰めるべきである。
(5)解析と実月月桔果との差は誤差(変動係数)10%を鉄筋コンクリート工学上の目安とすべきである。
このとき、破壊モードも含めて、全変形一外的作用の関係を多角的厘検征しなければ、大きなミスを
犯す危険がある。
【謝辞】多忙な研究・柔務のなかでFBMアンケートに回答を寄せていただいた方々に厚く御礼申しあげ
る。なお、本報告の一部は文部省科学研究費補助金(拭験研究〔1〕課題番号58850100,代麦・岡村師
を受けて行ったものである.
-145-
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(I】■ロ幻.丸田■r虻暉Dのせん苗已12田H1の#nBh屈頂必鱒届」JEI.c1.2思鞄師年6月."・鱒・'06
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