JP2002090230A - Technique for evaluating behavior of tensile-stress- bearing mass concrete - Google Patents

Technique for evaluating behavior of tensile-stress- bearing mass concrete

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JP2002090230A
JP2002090230A JP2000283934A JP2000283934A JP2002090230A JP 2002090230 A JP2002090230 A JP 2002090230A JP 2000283934 A JP2000283934 A JP 2000283934A JP 2000283934 A JP2000283934 A JP 2000283934A JP 2002090230 A JP2002090230 A JP 2002090230A
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concrete
analysis
stress
casing
behavior
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JP2000283934A
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Japanese (ja)
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Keimei Ozawa
啓明 小澤
Toshihiro Koyama
俊博 小山
Masanobu Adachi
正信 足立
Atsushi Yamatani
敦 山谷
Shigechika Nanbu
茂義 南部
Sadayoshi Kato
定良 加藤
Keiichi Iizuka
敬一 飯塚
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Tokyo Electric Power Services Co Ltd
Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Original Assignee
Tokyo Electric Power Co Inc
Tokyo Electric Power Services Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for evaluating the behavior of tensile-stress- bearing mass concrete capable of reevaluating the behavior of a structure of mass concrete by a highly accurate material model and substantially reducing the number of reinforcing bars. SOLUTION: The technique for evaluating the behavior of tensile-stress- bearing mass concrete includes a procedure for analytically evaluating the behavior of the mass concrete by an RC(reinforced concrete) non-linear FEM(finite element method).

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば地下発電
所廻りコンクリートなどのように巨大構造物のマスコン
クリートにおいて引張応力を負担するマスコンクリート
の挙動評価手法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for evaluating the behavior of mass concrete which bears tensile stress in mass concrete of a huge structure such as concrete around an underground power plant.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、地下発電所の発電機廻りのコン
クリート部分には、躯体自重およびケーシング内水圧や
発電機荷重といった各種外力が作用すると共に、施工時
のコンクリート水和熱に起因する温度応力や運転時に発
電機が発する熱による温度応力が発生する。従来、この
発電機廻りのコンクリート部を設計するには、構造物を
弾性体とした線形FEM(有限要素法)に基づく許容応
力度法が適用されており、各種荷重によって発生する引
張応力をすべて鉄筋が負担する結果、過剰な配筋になる
という問題点が生じ、過剰な鉄筋量によって当然資材コ
スト、作業コスト、納期等の点で不利になっていた。ま
た、発電機廻りコンクリート以外の巨大構造物のマスコ
ンクリートにおいても同様に過剰な配筋になり問題点が
生じるが、それを解消し得る有効な技術が提案されてい
なかった。
2. Description of the Related Art In general, various external forces such as the body's own weight, water pressure in a casing and generator load act on a concrete portion around a generator in an underground power plant, and a temperature stress caused by concrete hydration heat during construction. And thermal stress generated by the heat generated by the generator during operation. Conventionally, to design the concrete part around this generator, the allowable stress method based on the linear FEM (finite element method) using the structure as an elastic body has been applied. As a result of the burden of the reinforcing bars, there is a problem that the reinforcing bars are excessively arranged, and the excessive amount of the reinforcing bars naturally causes disadvantages in terms of material costs, work costs, delivery dates, and the like. Similarly, mass concrete of a huge structure other than the concrete surrounding the generator also has excessive reinforcement and causes problems, but no effective technology has been proposed to solve the problem.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】この発明は、マスコン
クリートによる構造物の挙動を高い精度の材料モデルを
使った非線形FEMを適用し、ひび割れを許容するマス
コンクリートの挙動評価手法を提供することを目的とす
る。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method of evaluating the behavior of a mass concrete structure by applying a non-linear FEM using a highly accurate material model to the behavior of a structure made of mass concrete and permitting cracks. Aim.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は次の構成を有する。すなわち、本発明
は、マスコンクリートの挙動をRC(Reinforc
ed concrete)非線形FEM(有限要素法)
によって解析的に評価する手順を含むことを特徴とする
引張応力を負担するマスコンクリートの挙動評価手法で
ある。また、解析結果と各部位に要求される性能を比較
する設計体系化である。また、巨大構造物のマスコンク
リートについて、段階施工を考慮した非線形FEMに基
くひび割れを評価する手法である。また、段階施工時に
発生する温度応力を再現する等価な温度分布を算出する
手法である。
In order to achieve the above object, the present invention has the following arrangement. That is, according to the present invention, the behavior of mass concrete is controlled by RC (Reinforc).
ed collect) Nonlinear FEM (finite element method)
This is a method for evaluating the behavior of mass concrete bearing tensile stress, characterized by including a procedure of analytically evaluating the concrete. It is also a design systematization that compares the analysis results with the performance required for each part. In addition, for mass concrete of a huge structure, this is a method for evaluating cracks based on nonlinear FEM in consideration of stepwise construction. Further, this is a method of calculating an equivalent temperature distribution for reproducing a temperature stress generated at the time of stepwise construction.

【0005】発明者が鋭意考察した結果、本来コンクリ
ート構造物は、低い荷重レベルから著しい非線形性を示
す傾向があり、このような非線形性を設計において考慮
することにより、過剰であった鉄筋量を低減できること
を見出したものである。本発明はこのような観点に基き
なされたものであって、マスコンクリートの挙動をRC
非線形FEMによって解析的に評価することにより、従
来、弾性体として扱われていた構造物の挙動を高い精度
の材料モデルによって再評価し、構造物に要求される性
能とのバランスを考慮することにより大幅なコスト削減
の可能性がある。本発明において、解析結果と構造系の
各部位に要求される性能との比較する手順を含むことに
よって大幅な鉄筋量の削減を可能とできる。また、本発
明において、巨大構造物のマスコンクリートについて、
リフト分けによるマスコンクリートの打設、すなわち、
段階施工を考慮した非線形FEMに基くひび割れの評価
をする手順を含むことにより、施工時の挙動を適切に捕
らえることが可能となる。また、本発明において、段階
施工時に発生する温度応力を再現する等価な温度分布を
算出する手順とを含むことにより、非線形FEMによっ
て施工時温度の影響を評価することを可能にしている。
以上のように、施工温度を含めて種々の荷重を考慮した
非線形FEMを実施し、この解析から求められる主応力
およびひび割れ損傷といった情報に基いて性能照査でき
る評価体系を実現できる。
[0005] As a result of the inventor's intensive studies, concrete structures originally tend to exhibit significant non-linearity even at low load levels. It has been found that it can be reduced. The present invention has been made based on such a viewpoint, and the behavior of mass concrete is described as RC.
Analytical evaluation by non-linear FEM allows the behavior of a structure, which was conventionally treated as an elastic body, to be re-evaluated with a high-precision material model, and by taking into account the balance with the performance required for the structure. There is potential for significant cost savings. In the present invention, by including a procedure for comparing the analysis result with the performance required for each part of the structural system, it is possible to significantly reduce the amount of reinforcing bars. Further, in the present invention, regarding the mass concrete of the huge structure,
Casting mass concrete by lift division, that is,
By including a procedure for evaluating a crack based on a non-linear FEM in consideration of stepwise construction, it is possible to appropriately capture behavior during construction. Further, in the present invention, by including a procedure of calculating an equivalent temperature distribution for reproducing a temperature stress generated at the time of stepwise construction, it is possible to evaluate the effect of the construction temperature by using a non-linear FEM.
As described above, a non-linear FEM in which various loads including the construction temperature are considered is performed, and an evaluation system capable of checking performance based on information such as principal stress and crack damage obtained from this analysis can be realized.

【0006】[0006]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。実施形態は、巨大コンクリート構造
物の一例として地下発電所を挙げ、この発電所の中詰コ
ンクリート部の設計合理化を図るための基礎的なデータ
を得ることを目的として本発明を実施したものである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The embodiment exemplifies an underground power plant as an example of a giant concrete structure, and implements the present invention for the purpose of obtaining basic data for rationalizing the design of a filled concrete part of the power plant. .

【0007】図1に地下発電所の一例の全体構造説明図
を示す。図1のように、スラブ・側壁・仮壁のコンクリ
ート10で囲まれた中が中詰コンクリート部14で埋ま
り、発電機のドラフト部周囲もコンクリート16で埋め
る。なお、12は、スラブと壁に囲まれた部屋の部分の
発電機室、17aは主変圧器室、17bは組み立て室で
ある。また、図2は中詰コンクリート部14の三次元立
体モデルであり、図3は該中詰コンクリート部14軸対
称モデルである。図2、図3に示すように、中詰コンク
リート部14では、上部から上部防振ステー18、固定
子基礎と下部防振ステー20、下部ブラケット22、お
よび内水圧の生じるケーシング収容部24等から主に構
成される。
FIG. 1 is an explanatory view of the entire structure of an example of an underground power plant. As shown in FIG. 1, the inside of the slab, the side wall, and the temporary wall surrounded by the concrete 10 is filled with the filled concrete portion 14, and the periphery of the draft portion of the generator is also filled with the concrete 16. In addition, 12 is a generator room of the part of the room surrounded by the slab and the wall, 17a is a main transformer room, and 17b is an assembly room. FIG. 2 is a three-dimensional model of the filling concrete portion 14, and FIG. 3 is an axisymmetric model of the filling concrete portion 14. As shown in FIGS. 2 and 3, in the filled concrete portion 14, the upper vibration isolating stay 18, the stator foundation and the lower vibration isolating stay 20, the lower bracket 22, and the casing accommodating portion 24 where internal water pressure is generated from the upper portion. Mainly composed.

【0008】[I]非線形FEMによる解析的検討 RC(鉄筋コンクリート)構造物の非線形性を考慮した
FEM(有限要素法)解析をコンピュータにより実施し
たものである(例えば、岡村甫、前川宏一共著「鉄筋コ
ンクリートの非線形解析と構成則」(1991年技報堂
出版株式会社発行)を参照)。
[I] Analytical Study by Nonlinear FEM FEM (Finite Element Method) analysis in consideration of nonlinearity of RC (Reinforced Concrete) structures is performed by a computer (for example, "Reinforced Concrete" by H. Okamura and K. Maekawa) Non-linear Analysis and Constitutive Rule "(published by Gihodo Shuppan Co., Ltd. in 1991)).

【0009】[1]検討内容 解析モデル 解析モデルの一例は前記図3に示しており、このモデル
において、想定した地下発電所は、高さ21m、半径約
16mの軸対称構造(図3では軸をCLで示す)であ
り、大きく分けて、仮壁部10と、発電機および水車の
ケーシング鋼管を支持する中詰コンクリート部14から
成る。この場合のモデルにおける要素は8節点のアイソ
パラメトリック要素であり、弾塑性破壊モデルに基づく
RC要素である。要素分割は特にケーシング廻りについ
ては、内水圧作用時の主応力の流れを考慮して、ケーシ
ング鋼管から約50cmの範囲までは放射状とした。ま
た、仮壁部分については断面高さ方向に2分割とした。
なお、ケーシング鋼管は厚さ80mmを想定し、鋼管を
モデル化したケースについては、これを弾性要素とし
た。境界条件および荷重条件については検討パラメータ
としたため、後記のおよびで詳述する。
[1] Content of Study Analytical Model An example of the analytical model is shown in FIG. 3 described above. In this model, the assumed underground power plant has an axisymmetric structure having a height of 21 m and a radius of about 16 m (in FIG. Is indicated by CL), and is roughly composed of a temporary wall portion 10 and a concrete filling portion 14 for supporting a casing steel pipe of a generator and a water turbine. The elements in the model in this case are 8-node isoparametric elements, and are RC elements based on the elasto-plastic fracture model. In the element division, especially around the casing, a radial shape was used up to a range of about 50 cm from the casing steel pipe in consideration of the flow of the main stress at the time of internal water pressure action. Further, the temporary wall portion was divided into two in the cross-section height direction.
The casing steel pipe was assumed to have a thickness of 80 mm, and in the case where the steel pipe was modeled, this was used as an elastic element. Since the boundary condition and the load condition were set as parameters to be studied, they will be described in detail later in and.

【0010】検討ケース 検討ケースについても、中詰コンクリート部の鉄筋量や
コンクリート強度,あるいは解析モデルの要素種類や境
界条件(ケーシング鋼管部境界条件など)といった、合
理化検討を行う上で重要となる因子をパラメータとして
おり、これらのパラメータを変化させることによって、
構造物の変形、あるいはひびわれや鉄筋降伏といった損
傷がどのように変化するかを主に評価した。検討ケース
は計15ケース(CASE1〜15)であり、各ケース
の解析条件は図4に示すとおりである。以下に各検討ケ
ースにおいて考慮した個々のパラメータに関する詳細を
示す。
Investigation case In the investigation case, factors that are important in conducting rationalization investigation, such as the amount of reinforcing steel and concrete strength of the filled concrete part, the element type and boundary conditions of the analysis model (casing steel pipe boundary conditions, etc.). Is a parameter, and by changing these parameters,
We mainly evaluated how the deformation of the structure or the damage such as cracks and rebar yield change. A total of 15 cases were studied (CASE 1 to 15), and the analysis conditions in each case were as shown in FIG. The details of the individual parameters considered in each study case are described below.

【0011】境界条件 地下発電所は本体側部および底部が岩着となっている。
したがって、解析モデルにおいても岩着部分、すなわち
モデル側方と底部を固定条件とした。ただし、CASE
15については、温度応力(運転時)が主に外部拘束に
よって発生するのか内部拘束によって発生するのかを検
討するため、モデル全体をピン−ローラ支持とし、極力
外部拘束の影響を排除するモデルとした。次に、ケーシ
ング鋼管端部(水車側)についてはスピードリングによ
ってかなり強固に拘束されるものと考えられるが、一
方、従来の設計ではこの端部をフリーの条件として解析
が行われている。高い内水圧が作用する場合、この部分
の境界条件の違いによって内水圧が中詰コンクリート部
に与える影響は大きく変わることが予想される。したが
って、ここではケーシング端部の境界条件をパラメータ
とし、自由条件と固定条件のケースを設定した。設定し
た3種類の境界条件は図3に示すように、岩着部Aの固
定(CASE1〜CASE3)と、岩着部固定+ケーシ
ング端部B固定(CASE4〜CASE14)と、鉛直
ローラCとピンDによる仮壁10側壁部ピンローラ支持
(CASE15)としたものである。
Boundary conditions The underground power plant has rocks on its side and bottom.
Therefore, also in the analysis model, the rocky portion, that is, the side and bottom of the model were fixed. However, CASE
Regarding No. 15, in order to examine whether the temperature stress (during operation) is mainly generated by external restraint or internal restraint, the entire model was pin-roller supported, and the model was designed to eliminate the influence of external restraint as much as possible. . Next, it is considered that the end (the turbine side) of the casing steel pipe is considerably firmly constrained by the speed ring. On the other hand, in the conventional design, the analysis is performed with this end being a free condition. When a high internal water pressure acts, it is expected that the effect of the internal water pressure on the filled concrete portion will greatly change depending on the boundary conditions at this portion. Therefore, in this case, the case of the free condition and the fixed condition is set using the boundary condition of the casing end as a parameter. As shown in FIG. 3, the three types of boundary conditions that have been set are as follows: fixation of rock attachment portion A (CASE1 to CASE3), fixation of rock attachment portion + casing end B fixation (CASE4 to CASE14), vertical roller C and pin D is a pin roller support (CASE 15) on the side wall of the temporary wall 10.

【0012】荷重条件 本解析で考慮する荷重は躯体自重、ケーシング内水圧、
発電機荷重(鉛直および水平)、防振ステー反力、運転
時温度荷重である。なお、施工時のコンクリート水和熱
による温度荷重については、中詰コンクリートの場合、
リフトごとの打設に応じたモデルの更新、あるいは各リ
フトごとの材令の違いを考慮したコンクリートの弾性係
数を考慮している。荷重図および運転時温度分布を図5
および図6に示す。まず、ケーシング内水圧は80kg
f/cm2とするが、これは有効落差の大きい地下発電所
に相当する値である。また、ケーシング鋼管をモデル化
しないCASE10およびCASE11においては、既
設地点の設計と同様、コンクリートの内水圧負担分を全
内水圧の50%とし、本解析では40kgf/cm2とな
る。発電機荷重は水平7kgf/cm2、鉛直20kgf
/cm2であり、防振ステー反力は13kgf/cm2であ
る。逐次増分解析では、これらの荷重を荷重制御で与え
ている。設計では運転時温度荷重として夏場の温度分布
と冬場の温度分布の2通りを考慮するが、本検討におい
てはそのうち夏場の温度を考慮した。これは冬場に比べ
てケーシング内水温度とコンクリート温度の差が大き
く、ケーシング廻りの引張応力が卓越する温度分布であ
る。温度分布は別途、定常の熱伝導解析を行い、算出さ
れた温度分布を非線形応力解析に用いた。なお、熱伝導
解析に用いた材料定数は図7に示すとおりである。
Load conditions The loads considered in this analysis are the body's own weight, the water pressure in the casing,
Generator load (vertical and horizontal), anti-vibration stay reaction force, temperature load during operation. For the temperature load due to the heat of hydration of concrete during construction,
The model is updated according to the placement of each lift, or the elastic modulus of concrete is taken into account in consideration of the difference in material age for each lift. Figure 5 shows the load diagram and temperature distribution during operation.
And FIG. First, the water pressure inside the casing is 80kg
f / cm 2 , which corresponds to an underground power plant with a large effective head. In addition, in CASE10 and CASE11 in which the casing steel pipe is not modeled, the internal water pressure burden of concrete is set to 50% of the total internal water pressure, and is 40 kgf / cm 2 in the present analysis, similarly to the design of the existing point. Generator load horizontal 7 kgf / cm 2, a vertical 20kgf
/ cm 2 and the anti-vibration stay reaction force is 13 kgf / cm 2 . In the sequential incremental analysis, these loads are given by load control. The design considers two types of temperature load during operation, the summer temperature distribution and the winter temperature distribution. In this study, the summer temperature was considered. This is a temperature distribution in which the difference between the water temperature in the casing and the concrete temperature is larger than in winter, and the tensile stress around the casing is dominant. For temperature distribution, steady heat conduction analysis was separately performed, and the calculated temperature distribution was used for nonlinear stress analysis. The material constants used in the heat conduction analysis are as shown in FIG.

【0013】配筋 従来の地下発電所の設計において、特に問題視されるの
が発電機廻りである中詰コンクリート部の過剰とも思え
る鉄筋量である。これは、構造物に発生する応力を弾性
解析によって算出しているため、コンクリートの引張応
力や鉄筋とコンクリートの付着作用といった力学的性質
を考慮せず、許容応力度法によって配筋を決定したこと
に起因する。したがって、設計の合理化を検討する場
合、材料の非線形性と力学的特性を考慮した解析によっ
て、構造物の鉄筋量の削減がどこまで期待できるかを見
極める必要がある。本検討では、特に鉄筋量の多いケー
シング廻りのフープ鉄筋量をパラメータとし、実施工の
鉄筋量であるD32×6段@150(単位体積あたり2
00kgf/cm3)のケースを最大鉄筋量のケースと
し、その半分のD32×3段@150のケースと無筋コ
ンクリートのケースの計3ケースを設定した。そのと
き、ケーシング廻りを除く中詰コンクリート部の鉄筋量
は、全ての方向に鉄筋比で0.6%(150kgf/c
3相当)とし、ケーシング廻りを無筋コンクリートに
したケースに限り中詰コンクリート部全体を無筋コンク
リートとした。なお、仮壁部もRC要素でモデル化し、
弾性解析のCASE13を除く全てのケースで鉄筋比は
各方向に0.4%(100kgf/cm3相当)とした。
Reinforcement In the design of a conventional underground power plant, a particular problem is the amount of reinforcing steel which seems to be an excess of the concrete filling around the generator. This is because the stress generated in the structure is calculated by elastic analysis, so the rebar arrangement was determined by the allowable stress method without taking into account the mechanical properties such as the tensile stress of concrete and the adhesion between the reinforcing steel and the concrete. caused by. Therefore, when considering rationalization of design, it is necessary to determine how much reduction in the amount of rebar in a structure can be expected by analysis taking into account the nonlinearity and mechanical properties of the material. In this study, the amount of hoop reinforcement around the casing with a particularly large amount of reinforcement was used as a parameter, and the amount of reinforcement was D32 x 6 steps / 150 (2 per unit volume).
A case of 00 kgf / cm 3 ) was set as the case of the maximum amount of reinforcing steel, and a total of three cases, a half of D32 × 3 steps32150 and a case of unreinforced concrete, were set. At that time, the amount of reinforcing steel in the filled concrete part excluding the surroundings of the casing was 0.6% (150 kgf / c) in all directions.
and m 3 equivalent), the whole in packed concrete unit only in a case where the casing around the unreinforced concrete was unreinforced concrete. The temporary wall is also modeled using RC elements.
Reinforcement ratio in all cases except the CASE13 of elastic analysis was 0.4% in each direction (100 kgf / cm 3 equivalent).

【0014】材料物性値 解析で用いた材料物性値を図8に示す。このとき中詰部
のコンクリート強度については、設計の合理化を検討す
る上でのパラメータとした。具体的には、標準的なコン
クリート強度としてf'c=210kgf/cm2、コン
クリートの単位セメント量を減らすことを想定したケー
スとしてf'c=135kgf/cm2および180kg
f/cm2、既設地点の実測値としてf'c=282kg
f/cm2を設定した。なお、引張強度は次式により算定
している。
Material Property Values The material property values used in the analysis are shown in FIG. At this time, the concrete strength of the hollow portion was used as a parameter for studying design rationalization. Specifically, f'c = 210 kgf / cm 2 as a standard concrete strength, and f′c = 135 kgf / cm 2 and 180 kg as a case assuming that the unit cement amount of concrete is reduced.
f / cm 2 , f'c = 282 kg as an actual measurement value of the existing point
f / cm 2 was set. In addition, the tensile strength is calculated by the following equation.

【数1】 一方、仮壁部のコンクリート強度については、すべての
ケースでf'c=240kgf/cm2である。
(Equation 1) On the other hand, the concrete strength of the temporary wall is f′c = 240 kgf / cm 2 in all cases.

【0015】[2]検討結果 鉄筋量の違いによる挙動の比較(ケーシング端部自由
条件) ここでは、ケーシング端部を拘束しない条件で中詰コン
クリート部の鉄筋量をパラメータとしたケースの比較を
行った。解析結果を比較したケースは以下の3ケースで
ある。 CASE1:ケーシング廻りのフープ筋 D32×6段
@150相当 ケーシング廻り以外の中詰部 鉄筋比0.6%(r,
z,θ方向) CASE2:ケーシング廻りのフープ筋D32×3段@
150相当 ケーシング廻り以外の中詰部 鉄筋比0.6%(r,
z,θ方向) CASE3:中詰部は全て無筋コンクリート 解析結果のうち変形図およびひびわれ図を比較したもの
を図9に示す。変形図で細線は変形前、太線は変形後を
示す。また、図に示したひびわれの長さは、ひびわれ直
交方向のひずみレベルを表しており、左肩に示した最大
値ひずみ(ε nmax)はひびわれ直交ひずみの最大値であ
る。
[2] Results of study Comparison of behaviors due to differences in the amount of reinforcing bars (casing end free
(Conditions) Here, the filling is performed under the condition that the casing end is not restrained.
Comparison of cases with the amount of reinforcing bar in the cleat part as a parameter
went. The following three cases compared the analysis results.
is there. CASE1: Hoop around casing D32 × 6 steps
相当 150 equivalent Filled parts other than around the casing Rebar ratio 0.6% (r,
(Z, θ directions) CASE 2: Hoop streak around casing 32 × 3 steps
150 equivalent Filled portion other than around the casing Rebar ratio 0.6% (r,
(Z, θ directions) CASE3: Filled part is all plain concrete Comparison of deformation and crack in analysis results
Is shown in FIG. In the deformed view, the thin line is before deformation and the thick line is after deformation.
Show. The length of the crack shown in the figure is
Represents the level of distortion in the cross direction, the maximum shown on the left shoulder
Value strain (ε nmax) Is the maximum value of cracked orthogonal strain.
You.

【0016】ここでの解析結果のようにケーシング端部
を自由の条件とした場合、ケーシング鋼管は内水圧によ
って上下に押し広げられるような変形性状を示す。した
がって、ケーシング鋼管上部では、本来、鉛直下向きの
発電機荷重(20kgf/cm2)によって沈み込むよう
な鉛直変位が示されるはずであるが、内水圧によってケ
ーシング鋼管より上部のマスコンクリート全体が押し上
げられることとなり、鉛直変位は殆どキャンセルされて
0に近い(ただし、CASE3を除く)。また、コンク
リートの引張ひずみは、ケーシングが押し広げられるこ
とによって特にケーシング外側(図面ではケーシングの
右側)に集中する傾向であり、これは、ひびわれ図によ
っても確認できる。鉄筋量の違いによる挙動の違いを比
較すると、CASE1とCASE2では、CASE2の
ケーシング廻りの鉄筋量がCASE1の1/2であるに
も関わらず、変形および損傷の程度は殆ど同等である。
このときケーシング廻りでは最大主応力〈引張〉の方向
がケーシングの接線方向であるため、ひびわれは放射状
に発生し、その範囲は概ね50cm〜100cmまでで
あった。次に、中詰コンクリート部を無筋コンクリート
とした場合(CASE3)、挙動は他の2ケースに比べ
て大きく変わっている。無筋コンクリートの条件で載荷
した場合、引張応力が集中するケーシング右側では一気
にひずみが局所化し、ひびわれは仮壁部付近まで到達し
ている。したがって、ケーシングより上部の構造の鉛直
変位も他のケースに比べて大きい。このようなひずみの
局所化は、逐次増分解析の過程でトータルの内水圧の8
0%を載荷した時点で生じており(他の荷重も80%で
ある)、その時点でのひびわれ進展の様子を図10に示
す。また、参考として局所化する直前の主応力状態を図
11に示すが、次ステップでひびわれが一気に生じる部
分の引張応力はft=20kgf/cm2に対して16k
gf/cm2と周辺の要素と比べても最も大きくなってい
る。なお、今回の解析では、いずれのケースについても
ケーシング廻り以外でひびわれは発生しておらず、ケー
シング内水圧が、中詰コンクリート部を設計する上で最
も支配的な荷重条件であることが分かる。
When the end of the casing is free as shown in the analysis results here, the casing steel pipe exhibits a deforming property such that it can be spread up and down by the internal water pressure. Therefore, the upper part of the casing steel pipe should originally exhibit a vertical displacement such as sinking due to a vertically downward generator load (20 kgf / cm 2 ), but the entire mass concrete above the casing steel pipe is pushed up by the internal water pressure. That is, the vertical displacement is almost canceled and is close to 0 (except for CASE3). In addition, the tensile strain of concrete tends to concentrate on the outside of the casing (the right side of the casing in the drawing) as the casing is expanded, which can be confirmed by a crack diagram. Comparing the difference in behavior due to the difference in the amount of reinforcing bars, the degree of deformation and damage is almost the same in CASE1 and CASE2, even though the amount of reinforcing bars around the casing of CASE2 is の of that in CASE1.
At this time, since the direction of the maximum principal stress <tensile> around the casing was the tangential direction of the casing, cracks occurred radially, and the range was approximately from 50 cm to 100 cm. Next, when the filled concrete portion is made of unreinforced concrete (CASE 3), the behavior is significantly different from those of the other two cases. When loaded under the condition of plain concrete, the strain is localized at a stretch on the right side of the casing where tensile stress is concentrated, and the cracks have reached near the temporary wall. Therefore, the vertical displacement of the structure above the casing is larger than in other cases. Such localization of strain is caused by the total internal water pressure of 8 in the process of sequential incremental analysis.
It occurs when 0% is loaded (the other loads are also 80%), and the state of crack propagation at that time is shown in FIG. For reference, FIG. 11 shows the main stress state immediately before the localization. The tensile stress at the portion where cracks occur at a stretch in the next step is 16 k for ft = 20 kgf / cm 2 .
gf / cm 2 , which is the largest value as compared with peripheral elements. Note that, in this analysis, no crack occurred in any case except around the casing, and it is understood that the water pressure in the casing is the most dominant load condition in designing the filled concrete portion.

【0017】鉄筋量の違いによる挙動の比較〈ケーシ
ング端部固定条件〉 ここでは、ケーシング端部をスピードリングの拘束性を
考慮して固定条件とし、中詰コンクリート部の鉄筋量を
パラメータとしたケースの比較を行った。比較ケースは
以下の3ケースである。 CASE4:ケーシング廻りのフープ筋D32×6段@
150相当 ケーシング廻り以外の中詰部鉄筋比0.6%(r,z,
θ方向) CASE5:ケーシング廻りのフープ筋D32×3段@
150相当 ケーシング廻り以外の中詰部鉄筋比0.6%(r,z,
θ方向) CASE6:中詰部は全て無筋コンクリート 解析結果のうち変形図およびひびわれ図を比較した図を
図12に示す。変形図で細線は変形前、太線は変形後を
示す。また、図に示したひびわれの長さは、ひびわれ直
交方向のひずみレベルを表しており、左肩に示した最大
値ひずみ(ε nmax)はひびわれ直交ひずみの最大値であ
る。
Comparison of behaviors due to differences in the amount of reinforcing steel
Fixing conditions of the ring end>
Considering fixed conditions, the amount of reinforcing steel in
A comparison was made between the cases with parameters. The comparison case is
These are the following three cases. CASE4: Hoop streak around casing 32 x 6 steps
Equivalent to 150 0.6% (r, z,
θ direction) CASE5: Hoop streak around the casing D32 x 3 steps
Equivalent to 150 0.6% (r, z,
(θ direction) CASE6: Filled portion is all plain concrete.
As shown in FIG. In the deformed view, the thin line is before deformation and the thick line is after deformation.
Show. The length of the crack shown in the figure is
Represents the level of distortion in the cross direction, the maximum shown on the left shoulder
Value strain (ε nmax) Is the maximum value of cracked orthogonal strain.
You.

【0018】解析結果のようにケーシング端部を固定条
件とした場合、内水圧によってケーシング全体が比較的
均等に広がるような性状を示し、先の検討内容で示した
ケーシング端部を自由としたケース(CASE1〜CA
SE2)で、ケーシング鋼管が上下に押し広げられるよ
うな変形性状を示したのとは挙動が大きく異なってい
る。また、中詰部を全て無筋コンクリートとしたケース
でもひずみの局所化は生じておらず、損傷範囲は大きな
鉄筋量を想定したモデルとさほど変わらない。今回の解
析では放射状に発生したひびわれは、鋼管から概ね50
cmまでの範囲であり、ひびわれの多いところでも10
0cm未満であった。このことから、ケーシング内水圧
はケーシング廻りのコンクリート全体で負担されてお
り、応力が一箇所に集中せず、限られた範囲に均等に分
布することが分かった。次に発電機側の境界条件の影響
について調べるため、図13にケーシング端部を自由と
したCASE1と固定としたCASE4の主応力図(R
Cの等価な剛性に対する主応力)を比較した。図からも
明らかなようにCASE1ではケーシングの上下方向で
内水圧による圧縮応力が広範囲で大きく発生しており、
反対にケーシング右側では引張応力が比較的大きい。こ
れに対し、CASE4では応力の分布はケーシングの廻
りで比較的一様であり、内水圧の影響範囲もCASE1
と比較して狭い範囲であることが分かる。ケーシング端
部を固定としたケースでは、発電機設置位置(例えば図
3の符号20の位置に対応)では、鉛直下向きの発電機
荷重(20kgf/cm2)によって沈み込むような変位
が示されており、このときの変位量は中詰コンクリート
部の鉄筋量に関わらず0.4mm程度である。このこと
からも、発電機設置位置ではケーシング内水圧の影響が
非常に小さいことが分かる。なお、いずれのケースにつ
いてもケーシング廻り以外でひびわれは発生していな
い。また、仮壁部最上階のスラブの鉛直変位〈上方向〉
は、運転時温度のうち発電機温度が40ーCと高いこと
から、構造物が膨張したことに起因するものであると考
えられる。
When the casing end is fixed as shown in the analysis results, the casing exhibits the property of spreading the casing relatively evenly due to the internal water pressure, and the casing end described in the previous study is free. (CASE1-CA
In SE2), the behavior is significantly different from the case where the casing steel pipe exhibited a deformable property such that the casing steel pipe was pushed up and down. In addition, even in the case where all the filling portions are made of unreinforced concrete, localization of strain does not occur, and the damage range is not so different from the model assuming a large amount of reinforcing steel. In this analysis, cracks that occurred radially were approximately 50 mm from the steel pipe.
cm up to 10 cm, even in cracked areas
It was less than 0 cm. From this, it was found that the water pressure in the casing was borne by the entire concrete around the casing, and the stress was not concentrated at one place but was evenly distributed in a limited range. Next, in order to investigate the influence of the boundary condition on the generator side, FIG. 13 shows the principal stress diagram (C R1) of CASE 1 with the casing end free and CASE 4 with the casing fixed.
C, the principal stress for equivalent rigidity). As is clear from the figure, in CASE1, a large amount of compressive stress due to internal water pressure is generated in a wide range in the vertical direction of the casing.
On the other hand, the tensile stress is relatively large on the right side of the casing. On the other hand, in CASE4, the stress distribution is relatively uniform around the casing, and the influence range of the internal water pressure is CASE1.
It can be seen that the range is narrower than that of. In the case where the casing end is fixed, a displacement such as sinking due to a vertically downward generator load (20 kgf / cm 2 ) is shown at the generator installation position (for example, corresponding to the position of reference numeral 20 in FIG. 3). The displacement amount at this time is about 0.4 mm regardless of the amount of reinforcing steel in the filled concrete portion. This also indicates that the influence of the casing water pressure is very small at the generator installation position. In each case, no crack occurred except around the casing. The vertical displacement of the slab on the top floor of the temporary wall (upward)
Is considered to be due to the expansion of the structure because the generator temperature is as high as 40-C among the operating temperatures.

【0019】コンクリート強度の影響 中詰コンクリート部のコンクリート強度をパラメータと
した解析結果の比較を行った。比較ケースは以下の4ケ
ースである。 CASE7:f'c=135kgf/cm2,ft=15
kgf/cm2 CASE8:f'c=180kgf/cm2,ft=18
kgf/cm2 CASE6:f'c=210kgf/cm2,ft=20
kgf/cm2 CASE9:f'c=282kgf/cm2,ft=25
kgf/cm2 解析結果のうち変形図およびひびわれ図を比較したもの
を図14に示す。変形図で細線は変形前、太線は変形後
を示す。また、図に示したひびわれの長さは、ひびわれ
直交方向のひずみレベルを表しており、左肩に示した最
大値ひずみ(εnmax)はひびわれ直交ひずみの最大値で
ある。変形図によるとコンクリート強度の違いによる変
形の違いは顕著ではなく、4ケースともほぼ同様の挙動
を示している。ただし、発電機設置位置の鉛直変位はC
ASE7で0.5mm、CASE9で0.3mmとコン
クリート強度が大きくなるに従って小さくなっている。
また、ひびわれ範囲については、コンクリート強度の小
さいケースで僅かに損傷範囲が広がる傾向はあるが、今
回のパラメータの範囲においてコンクリート強度の違い
による損傷程度の違いは小さいといえる。したがって、
ケーシング端部の境界条件が固定である場合、ある程度
コンクリート中の単位セメント量を減らし、低強度のコ
ンクリートを用いることは可能であると考えられる。
Influence of Concrete Strength The results of analysis using the concrete strength of the filled concrete part as a parameter were compared. The comparison cases are the following four cases. CASE 7: f′c = 135 kgf / cm 2 , ft = 15
kgf / cm 2 CASE 8: f′c = 180 kgf / cm 2 , ft = 18
kgf / cm 2 CASE6: f'c = 210kgf / cm 2, ft = 20
kgf / cm 2 CASE9: f'c = 282kgf / cm 2, ft = 25
FIG. 14 shows a comparison between the deformation diagram and the crack diagram among the results of the kgf / cm 2 analysis. In the deformed view, the thin line shows the state before deformation, and the thick line shows the state after deformation. The length of the crack shown in the figure represents the strain level in the direction orthogonal to the crack, and the maximum strain (ε nmax ) shown on the left shoulder is the maximum value of the orthogonal strain. According to the deformation diagram, the difference in deformation due to the difference in concrete strength is not remarkable, and the four cases show almost the same behavior. However, the vertical displacement of the generator installation position is C
ASE7 is 0.5 mm and CASE9 is 0.3 mm, which decreases as the concrete strength increases.
As for the crack range, the damage range tends to slightly increase in cases where the concrete strength is low, but it can be said that the difference in the degree of damage due to the difference in concrete strength is small in the range of the parameters in this case. Therefore,
When the boundary condition of the casing end is fixed, it is considered possible to reduce the amount of unit cement in concrete to some extent and to use low-strength concrete.

【0020】[II]合理化検討 実施形態の手法による作用効果を合理化の点から説明す
る。 ここでは、主に前記[I]のFEMによる解析的検討
で実施したパラメータスタディーの結果を基に、中詰め
コンクリート部の鉄筋量およびセメント量の削減といっ
た観点で地下発電所中詰めコンクリート部の設計の合理
化について考察した。
[II] Rationalization Study The operation and effect of the method of the embodiment will be described in terms of rationalization. Here, based on the results of the parameter studies conducted mainly in the analytical study using FEM in [I] above, the design of the underfilled concrete section of the underground power plant was considered from the viewpoint of reducing the amount of reinforcing steel and cement in the underfilled concrete section. The rationalization of was considered.

【0021】鉄筋量の削減 RC構造物の非線形解析を行った結果から、発生したひ
びわれの範囲を評価した場合、図12に示したようにケ
ーシング端部の境界条件を固定条件とした解析では、極
端に設計の合理化を図った例として設定した中詰め部を
無筋コンクリートとしたケースにおいても、ひびわれの
範囲はケーシング鋼管から1m未満の範囲であった。こ
のとき発生したひびわれ直交ひずみについても最大で2
00〜300μのオーダーであり、この程度のひずみか
ら推定されるひびわれ幅は、中詰め部に要求されるケー
シングパイプの支持機能を確保する上では特に問題とは
ならないと考えられる。また、発電機が設置される中詰
めコンクリート上部(バレル廻り)については主に発電
機の鉛直荷重によって圧縮応力が卓越し、引張応力によ
ってひびわれが発生するケースはない。したがって、バ
レル廻りのコンクリートについては、解析上、無筋コン
クリートに近い状態であっても発電機の支持機能が喪失
されることはないと判断できる。
Reduction of the amount of reinforcing bars When the range of the generated cracks is evaluated from the result of the nonlinear analysis of the RC structure, as shown in FIG. 12, in the analysis in which the boundary condition of the casing end is a fixed condition, Even in the case where the middle filling portion set as an example in which the design was rationalized extremely was made of unreinforced concrete, the range of the crack was less than 1 m from the casing steel pipe. The maximum value of the cracked orthogonal strain generated at this time is 2
It is on the order of 00 to 300 μ, and the crack width estimated from this degree of strain is not considered to be a particular problem in securing the casing pipe support function required for the filling portion. In addition, in the upper part of the stuffed concrete (around the barrel) where the generator is installed, the compressive stress is predominant mainly due to the vertical load of the generator, and there is no case where cracks are generated due to the tensile stress. Therefore, regarding the concrete around the barrel, it can be determined from the analysis that the support function of the generator is not lost even in a state close to the plain concrete.

【0022】検討結果から、非線形解析で算定されるひ
ずみおよび推測されるひびわれ幅を評価基準とした場
合、ひびわれを制御するために鉄筋による補強が必要と
なる範囲は、マスコンクリート部のうちケーシング廻り
の狭い範囲に限られることが予測できる。したがって、
中詰めコンクリート部については、現状からかなりの鉄
筋量の削減が期待できる。前記の解析では極端な合理化
の例として中詰め部を無筋コンクリートとしたケースを
設定したが、例えば、より現実的な合理化の案として、
中詰めコンクリート部の鉄筋量を限界鉄筋比程度とした
場合を想定してコストダウンの効果を試算してみた。こ
の場合の限界鉄筋比とは以下の式のように設定される鉄
筋比とする。まず、既設の地下発電所の中詰めコンクリ
ート部に必要とされる鉄筋量はケーシング廻りで平均2
00kgf/cm3、それ以外のバレル廻り等では90〜
150kgf/cm3であり、すべての部分を平均すると
約145kgf/cm3である。したがって、中詰めコン
クリート部の体積が約4500m3であることから、ト
ータルで約650,000kgf程度の鉄筋が必要とな
る。一方、限界鉄筋比〈0.57%×3方向〉で同様の
計算を行うと鉄筋量は約135kgf/cm3と概算さ
れ、トータルで必要な鉄筋量は607,500kgf
(135kgf/cm3×4500m3)程度となり、比
で表すと約7%程度の合理化が可能であると考えられ
る。また、既設構造物の中詰めコンクリートの鉄筋量が
最も小さい部分では一方向に0.38%の鉄筋比であ
り、これは例えば、D19@300×300に相当する
値である。仮にこの鉄筋量を中詰めコンクリート全体に
適用した場合の総鉄筋量を概算すると約405,000
kgf(90kgf/cm3×4500m3)となり、こ
の場合、実に4割近い鉄筋量の削減となる。しかし、解
析的には無筋コンクリートであっても機能維持が可能で
あることが示唆されていることを考慮すれば、十分に期
待できる合理化案であると考えられる。以上の検討結果
を図15にまとめる。
From the examination results, when the strain calculated by the nonlinear analysis and the estimated crack width are used as evaluation criteria, the range in which reinforcement by reinforcing steel is necessary to control the crack is the area around the casing in the mass concrete part. Can be expected to be limited to a narrow range. Therefore,
For the filled concrete part, a considerable reduction in the amount of reinforcing steel can be expected from the current situation. In the above analysis, as an example of extreme rationalization, we set a case with unfilled concrete as the filling part, but for example, as a more realistic rationalization plan,
We tentatively calculated the effect of cost reduction assuming that the amount of reinforcing steel in the middle-filled concrete part was about the critical reinforcing steel ratio. The limit rebar ratio in this case is a rebar ratio set as in the following equation. First, the amount of reinforcing steel required for the middle concrete section of an existing underground power plant is around 2 casings on average.
00kgf / cm 3 , 90 ~
It is 150 kgf / cm 3 and the average of all parts is about 145 kgf / cm 3 . Therefore, since the volume of the filled concrete portion is about 4500 m 3 , a reinforcing bar of about 650,000 kgf is required in total. On the other hand, when the same calculation is performed with the limiting rebar ratio <0.57% × 3 directions>, the rebar amount is estimated to be about 135 kgf / cm 3, and the total necessary rebar amount is 607,500 kgf.
(135 kgf / cm 3 × 4500 m 3 ), which can be rationalized by about 7% in terms of ratio. In the portion of the existing structure where the amount of reinforcing steel of the filling concrete is the smallest, the reinforcing steel ratio in one direction is 0.38%, which is, for example, a value corresponding to D19 @ 300 × 300. If this amount of rebar is applied to the entire filling concrete, the total amount of rebar is approximately 405,000.
kgf (90 kgf / cm 3 × 4500 m 3 ), and in this case, the amount of reinforcing bars is reduced by almost 40%. However, considering that the analysis suggests that the function can be maintained even with unreinforced concrete, it is considered to be a rationalization plan that can be expected sufficiently. FIG. 15 summarizes the above examination results.

【数2】 (Equation 2)

【0023】その他の合理化のための改善点として、現
状設計ではケーシング廻りのフープ筋の必要鉄筋量を、
要素のr方向とz方向それぞれの必要鉄筋量を足し合わ
せる方法で算出していることが指摘できる。これについ
ては、ケーシング廻りの発生応力に対して最も支配的な
荷重である内水圧を作用させたときの主応力方向が、ほ
ぼフープ筋方向であることを考慮すれば、主応力を用い
て設計することで鉄筋量の削減を図ることも可能である
と考えられる。ちなみに今回の弾性解析の結果ではケー
シング廻りのコンクリート最大主応力(引張主応力)は
最大で86.5kgf/cm2であり、フープ筋の範囲を
ケーシングから50cm、鉄筋の降伏強度を3500k
gf/cm2とすると、その範囲の奥行き1mあたりの必
要鉄筋量は122cm2であり、D29@150を3段
に配置することで対応できる。一方、従来の設計手法に
基づいて配筋を行うと、下式により求められるr方向
(x方向)とz方向(y方向)の必要鉄筋量を足し合わ
せることとなり、今回の解析では、σr=-12.7kg
f/cm2、σz=0.4kgf/cm2、τrz=92.4
kgf/cm2であることから同じ範囲の必要鉄筋量は2
82cm2となり、やはりD32@150を5〜6段配
置する必要が生じる。
As another improvement for rationalization, in the current design, the necessary reinforcing bar amount of the hoop bar around the casing is
It can be pointed out that the calculation is performed by a method of adding the required reinforcing bar amounts in the r direction and the z direction of the element. Regarding this, considering that the main stress direction when the internal water pressure which is the most dominant load to the generated stress around the casing is applied is almost the hoop streak direction, the design using the main stress It is thought that it is also possible to reduce the amount of rebar by doing. By the way, according to the result of this elasticity analysis, the maximum principal stress of the concrete around the casing (tensile principal stress) is 86.5 kgf / cm 2 at the maximum, the hoop is 50 cm from the casing, and the yield strength of the reinforcing bar is 3500 k.
Assuming gf / cm 2 , the required amount of rebar per meter in depth in that range is 122 cm 2 , which can be dealt with by arranging D29 @ 150 in three stages. On the other hand, when the reinforcement is arranged based on the conventional design method, the required amount of rebar in the r direction (x direction) and the z direction (y direction) obtained by the following equation is added, and in this analysis, σ r = -12.7kg
f / cm 2 , σ z = 0.4 kgf / cm 2 , τ rz = 92.4
kgf / cm 2 , the required rebar amount in the same range is 2
82 cm 2 , and it is necessary to arrange D32D150 in 5 to 6 steps.

【数3】 (Equation 3)

【0024】単位セメント量の削減 図14では中詰めコンクリート部のコンクリート強度を
f’c=135kgf/cm2〜282kgf/cm2の範
囲で変化させたときの解析結果の比較を示したが、その
結果、ある程度コンクリート強度が低減しても変形や損
傷が大きく変化しないことが確認できた。これは、中詰
めコンクリート部では、ケーシング廻りを除いて圧縮応
力が卓越し、しかも応力レベルがコンクリートの圧縮強
度に比べて十分小さいことによる。したがって、ここで
はコンクリートの品質を損なわない範囲で単位セメント
量を削減させることで設計の合理化を検討した。実施工
においてはコンクリート中の単位セメント量は300k
gf/m3であり、水セメント比W/Cは55%程度とし
ている。その結果、コンクリートの一軸圧縮強度f’c
は実測値で282kgf/cm2である。コンクリートの
配合において単位水量を増加させることは乾燥収縮を増
加させる原因となる。したがって、単位水量を変えずに
水セメント比W/Cをコンクリート標準示方書で許容さ
れる65%まで大きくして合理化の検討を行う。コンク
リート中の単位水量は300kgf/m3×55%より1
65kgf/m3と求められる。この値を変えずにW/C
=65%とするには、165/65%より単位セメント
量は254kgf/m3となる。すなわち、約46kgf
/m3のセメント量の削減が可能であり、中詰めコンクリ
ート部の体積が約4500m3であることから207,
000kgf(46kgf/m3×4500m3)のセメ
ント量を削減できることとなる。また、このときのコン
クリート圧縮強度は骨材種類等にも依存するが、一般的
に概ね200kgf/cm2程度と推測できる。なお、同
様の検討を水セメント比W/C=60%としたケースに
対して行った場合でも約112,000kgfのセメン
ト量の削減が期待できる。以上の結果を図16にまとめ
る。ただし、マスコンクリートの場合、W/Cが大きく
なり乾燥収縮が大きくなることについては注意する必要
がある。
Reduction of Unit Cement Amount FIG. 14 shows a comparison of analysis results when the concrete strength of the filled concrete portion is changed in the range of f′c = 135 kgf / cm 2 to 282 kgf / cm 2. As a result, it was confirmed that even if the concrete strength was reduced to some extent, the deformation and damage did not change significantly. This is due to the fact that the compressive stress is predominant in the filled concrete part except around the casing, and the stress level is sufficiently smaller than the compressive strength of the concrete. Therefore, we studied rationalization of the design by reducing the unit cement amount within a range that does not impair the quality of concrete. Unit cement in concrete is 300k
gf / m 3 , and the water / cement ratio W / C is about 55%. As a result, the uniaxial compressive strength of the concrete f'c
Is 282 kgf / cm 2 as an actually measured value. Increasing the unit water content in the concrete mix causes increased drying shrinkage. Therefore, the ratio of water / cement W / C is increased to 65% which is allowed in the concrete standard specification without changing the unit water amount, and the rationalization is examined. Unit water content in concrete than 300kgf / m 3 × 55% 1
It is required to be 65 kgf / m 3 . W / C without changing this value
To make 65%, the unit cement amount becomes 254 kgf / m 3 from 165/65%. That is, about 46 kgf
/ m 3 of cement can be reduced, and the volume of the filled concrete part is about 4500 m 3 ,
The amount of cement of 000 kgf (46 kgf / m 3 × 4500 m 3 ) can be reduced. The concrete compressive strength at this time also depends on the type of aggregate and the like, but can generally be estimated to be approximately 200 kgf / cm 2 . In addition, even when the same examination is performed on the case where the water / cement ratio W / C = 60%, a reduction in the amount of cement of about 112,000 kgf can be expected. The above results are summarized in FIG. However, in the case of mass concrete, it is necessary to pay attention to the fact that W / C increases and drying shrinkage increases.

【0025】(III)非線形解析の高度化(施工時温度
応力の導入) 地下発電所構造物の発電機廻り中詰コンクリート部はマ
スコンクリートとして扱われることから、施工時に発生
するコンクリート水和熱による温度応力に配慮する必要
がある。マスコンクリート構造物の施工過程では水和熱
による残留応力の発生を制御するため、中詰コンクリー
ト部を複数のリフトに分割し、段階施工を行うのが一般
的である。したがって、設計においてもその施工過程を
考慮した段階施工解析を実施し、温度応力を算出するこ
とが必要であり、このためには、解析手法として段階的
なモデルの更新はもちろんのこと、リフト間の熱の伝達
条件や各リフトの材令についてもそのつど変更させるこ
とが不可欠となる。しかしながら、現状では非線形解析
と段階施工を考慮した熱伝導解析を一体とした解析は非
常に困難である。ここでは、このような問題に対処する
方法として、段階施工を考慮した逐次解析によらずに施
工時温度応力を算定する方法を検討した。
(III) Advancement of nonlinear analysis (introduction of thermal stress during construction) Since the concrete filling around the generator of the underground power plant structure is treated as mass concrete, the concrete hydration heat generated during construction causes It is necessary to consider temperature stress. In order to control the generation of residual stress due to heat of hydration in the construction process of a mass concrete structure, it is common to divide the filled concrete part into a plurality of lifts and perform stepwise construction. Therefore, it is necessary to carry out the stage construction analysis taking into account the construction process and to calculate the thermal stress in the design, and this requires not only the stepwise updating of the model as an analysis method, but also the It is essential to change the heat transfer conditions and the material age of each lift each time. However, at present, it is very difficult to integrate a nonlinear analysis and a heat conduction analysis that considers stepwise construction. Here, as a method for dealing with such a problem, a method of calculating the thermal stress during construction without using sequential analysis in consideration of stepwise construction was studied.

【0026】(1)施工時温度応力の算定方法 RC非線形解析では段階施工を考慮した逐次解析による
施工時温度応力の算定が困難であるため、以下に示すよ
うな、施工時温度応力をステップ解析を行わないで再現
する方法を提案した。これは、段階施工を考慮した熱伝
導解析を行わずに温度が定常となる時に構造物に残留す
る施工時温度応力を再現できるような温度分布を算出
し、これを直接非線形解析に適用する方法である。以下
にその手順を示す。
(1) Calculation method of thermal stress during construction In RC nonlinear analysis, it is difficult to calculate thermal stress during construction by sequential analysis in consideration of step construction, so that the following step analysis of thermal stress during construction is performed as shown below. We proposed a method to reproduce without doing. This is a method of calculating the temperature distribution that can reproduce the temperature stress during construction remaining in the structure when the temperature becomes steady without performing the heat conduction analysis considering the stage construction, and applying this directly to the nonlinear analysis It is. The procedure is described below.

【0027】まず、熱伝導解析および弾性解析による
熱応力解析によって段階施工時に発生する定常状態とな
る残留応力を算出する。このときの解析モデルおよび材
料物性値は前記図3および図17に示すとおりであり軸
対称要素を用いている。なお、コンクリートの弾性係数
についてはひび割れによる剛性の低減を考慮した値とし
て初期弾性係数の1/4を用いた。 で算出した応力を再現できる温度分布を次のような
理論に基づいて算定した。施工時の最終的な応力分布を
再現するひずみは、内部拘束もしくは外部拘束によって
発生したそれ自身が応力に寄与するひずみと、温度によ
って発生した膨張あるいは収縮分(応力に無関係)に相
当するひずみを足し合わせたものと仮定することで以下
の式で表される。
First, a residual stress in a steady state which is generated at the stage of construction is calculated by a thermal stress analysis based on a heat conduction analysis and an elasticity analysis. The analysis model and material properties at this time are as shown in FIG. 3 and FIG. 17, and an axisymmetric element is used. In addition, about the elastic modulus of concrete, 1/4 of the initial elastic modulus was used as a value in consideration of the reduction in rigidity due to cracks. Was calculated based on the following theory. The strain that reproduces the final stress distribution at the time of construction is the strain generated by internal or external constraints that contributes to the stress itself, and the strain corresponding to the expansion or contraction (irrespective of the stress) generated by temperature. It is expressed by the following equation by assuming that they are added.

【数4】 (Equation 4)

【0028】数4に基づき、求める等価温度増分ΔT
を逆算し、その等価温度分布を入力した線形の温度応力
解析を行えば、応力が再現できると考える。
Based on Equation 4, the equivalent temperature increment ΔT to be obtained
It is considered that the stress can be reproduced by performing a linear temperature stress analysis in which the equivalent temperature distribution is input by performing the inverse calculation.

【0029】(2)温度分布の算定結果 逐次解析による熱伝導解析の結果(温度分布)を図18
および図19に示す。また、図19に於ける最終解析ス
テップ、すなわち定常時(181日目)に対応する熱応
力解析の結果のうち最大主応力(引張側)と最小主応力
(圧縮側)および主応力矢線図を図20〜図22に変形
図を図23に示す。また、この解析最終ステップ(完成
時181日)の残留応力から先のひずみ式を用いて等価
な温度分布(ΔT)を算出した結果を図24に示す。
(2) Result of Calculation of Temperature Distribution FIG. 18 shows the result of heat conduction analysis (temperature distribution) by sequential analysis.
And FIG. Further, in the final analysis step in FIG. 19, that is, in the results of the thermal stress analysis corresponding to the steady state (day 181), the maximum principal stress (tensile side), the minimum principal stress (compression side) and the principal stress arrow diagram 20 to FIG. 22 are shown in FIGS. FIG. 24 shows a result of calculating an equivalent temperature distribution (ΔT) from the residual stress in the final step of the analysis (181 days upon completion) by using the above strain equation.

【0030】次に求めた等価な温度分布を適用した時の
施工時温度応力の再現性を確認するため、再度この温度
分布を用いて熱応力解析を実施した。この解析で求めら
れた応力分布のうち最大主応力(引張側)と最小主応力
(圧縮側)を図25および図26に、主応力矢線図を図
27に示す。このとき、比較のため先に実施した逐次解
析の応力分布を併せて掲載した。コンクリートのひび割
れに影響する最大主応力に着目すると、段階施工を考慮
した逐次解析(図25の(b))ではケーシング廻りの
値がやや大きくなり、その値は最大で15kgf/cm2
である。その他の部分は概ね2〜8kgf/cm2の引張
応力が生じている。一方、等価な温度分布を用いた解析
(図25の(a))でもケーシング廻りを含め全体的に
2〜10kgf/cm2の応力レベルであり、逐次解析の
結果とほぼ一致していることが分かる。ただし最上段リ
フトの仮壁との接触部分、あるいは最下段リフトで10
kgf/cm2から最大で18kgf/cm2とやや大きめ
の値を示している。これは仮壁による外部拘束が大きく
実際にはせん断成分も含まれていると考えられるが、本
手法ではせん断成分を無視して等価温度を算出している
ことも要因であると考えられる。
Next, in order to confirm the reproducibility of the temperature stress during construction when the obtained equivalent temperature distribution was applied, a thermal stress analysis was performed again using this temperature distribution. The maximum principal stress (tensile side) and the minimum principal stress (compression side) of the stress distribution obtained by this analysis are shown in FIGS. 25 and 26, and the principal stress arrow diagram is shown in FIG. At this time, the stress distribution of the sequential analysis performed earlier is also shown for comparison. Focusing on the maximum principal stress that affects the cracks in concrete, in the sequential analysis (FIG. 25 (b)) in consideration of the stepwise construction, the value around the casing is slightly larger, and the value is up to 15 kgf / cm 2.
It is. The other parts have a tensile stress of about 2 to 8 kgf / cm 2 . On the other hand, in the analysis using the equivalent temperature distribution (FIG. 25 (a)), the stress level is 2 to 10 kgf / cm 2 as a whole, including around the casing, and it is almost consistent with the result of the sequential analysis. I understand. However, the contact with the temporary wall of the top lift or the bottom lift
somewhat shows a larger value from kgf / cm 2 and 18 kgf / cm 2 at maximum. This is thought to be due to the fact that the external constraint due to the temporary wall is large and a shear component is actually included. However, it is also considered that this method calculates the equivalent temperature while ignoring the shear component.

【0031】(3)等価温度分布を用いた非線形解析 1)解析条件 ここでは、(2)で算定した施工時温度応力を再現する
等価な温度分布を非線形解析に適用し、解析を実施し
た。非線形解析の解析モデルは軸対称要素を用いており
図3に示すモデルである。また、材料物性値は先に図1
7に示したものと同様である。中詰コンクリート部の配
筋はケーシング廻りの鉄筋をD32が3段(奥行き方向
150mmピッチ)とし、その他の部分をr、z、θ各
方向について0.6%の鉄筋量とする。なお、検討に用
いた荷重は施工時温度荷重を含め以下のとおりであり、
これらの詳細を前述の図5および図6に示した。
(3) Non-linear analysis using equivalent temperature distribution 1) Analysis conditions Here, an equivalent temperature distribution that reproduces the temperature stress during construction calculated in (2) was applied to the non-linear analysis and analysis was performed. The analysis model of the non-linear analysis uses an axially symmetric element and is a model shown in FIG. In addition, the physical properties of the material
7 is the same as that shown in FIG. The reinforcing bars around the casing are arranged in three steps of D32 (pitch in the depth direction of 150 mm) for the reinforcing concrete around the casing, and the remaining portions are 0.6% in the r, z, and θ directions. The loads used in the study, including the temperature load during construction, are as follows.
These details are shown in FIGS. 5 and 6 described above.

【0032】施工時温度解析 運転時温度 躯体自重 ケーシング内水圧 発電機自重 防振ステー反力 以上の解析ケースをCASE1とし、併せて施工時温度
荷重のみを考慮しない解析モデルCASE2の解析を実
施し、両者の比較から当該構造物に対する施工時温度荷
重の影響を検討した。
Temperature analysis during construction Temperature during operation Frame weight of the body Water pressure in the casing Generator weight Self-vibration stay Reaction force The above analysis case is referred to as CASE1, and an analysis model CASE2 that does not consider only the temperature load during construction was performed. From the comparison between the two, the effect of the temperature load during construction on the structure was examined.

【0033】2)解析結果 施工時温度荷重のみを考慮した場合の解析結果のうちひ
びわれ図を図28に示す。同図から中詰部全体にはひび
われが生じているが、そのオーダーは100μ程度の微
細なひびわれである。ただし、中詰部最上部の仮壁との
接合部分では仮壁の拘束が大きいためひびわれのオーダ
ーが1500μに及んでいるが、実際には仮壁と中詰部
は差し筋による渡合であり縁が切れていることから問題
にならないと判断した。なお、先の図25(a)ではひ
びわれが発生するほどの応力は生じておらず、本解析結
果と必ずしも一致していないが、これは弾性解析では施
工時の乾燥収縮や自己収縮、などによって発生するひび
割れを考慮してあらかじめ弾性係数を1/4に低減して
いたためであり、すなわち、非線形解析では材料物性を
操作することなく直接的にひびわれを評価できたといえ
る。
2) Analysis Results FIG. 28 shows a crack diagram among the analysis results when only the temperature load during construction is considered. As shown in the figure, cracks have occurred in the entire filling portion, and the order of the cracks is as fine as about 100 μm. However, at the junction with the temporary wall at the top of the filling, the order of the cracks is 1500 μm because of the large constraint of the temporary wall. It was decided that this would not be a problem because it had expired. In FIG. 25 (a), a stress sufficient to cause cracking is not generated and does not always agree with the present analysis result, but this is due to drying shrinkage and self-shrinkage during construction in elasticity analysis. This is because the elastic modulus was previously reduced to 1/4 in consideration of the cracks that occurred, that is, it could be said that the nonlinear analysis could directly evaluate the crack without manipulating the material properties.

【0034】次に、施工時温度と他の外力(自重を含
む)の両方を考慮したCASE1と他の外力のみで施工
時温度を考慮しないCASE2の結果を比較したものを
図29〜図32に示す。この中で図30に両者のひびわ
れを、図31にそのケーシング鋼管廻りの拡大図を示し
たがCASE2ではケーシング廻りの狭い範囲にのみひ
びわれが発生しているのに対して、CASE1では施工
時温度の影響により中詰部全体にひびわれが生じてい
る。また、ケーシング廻りのひびわれはCASE2では
200から最大で600μのオーダーであるのに対し
て、CASE1では施工時温度を考慮していることから
最大で1200μとなっている。ただし、本解析ではス
ピードリングの剛性を考慮せず、ケーシング鋼管左側の
境界条件を自由としているためにケーシング鋼管が大き
く広げられて周囲のひびわれが著しくなっているが、実
際にはスピードリングの剛性によってケーシングの変形
が抑制されるため、その効果を考慮すればひびわれも少
なくなると考えられる。このように、施工時に発生する
温度応力の影響を解析的に評価した場合、構造物の中詰
部には微細ながらもひびわれが発生することが予測でき
る。したがって、設計において合理化を図る場合にもこ
の点には十分な注意が必要であり、構造物に要求される
性能と発生が予想されるひびわれに対する限界値等の設
定が今後の課題となる。
Next, FIG. 29 to FIG. 32 show the results of CASE 1 in which both the temperature at the time of construction and other external forces (including own weight) are taken into consideration and the results of CASE 2 in which the temperature at the time of construction is not taken into account only by other external forces. Show. FIG. 30 shows cracks in both cases, and FIG. 31 shows an enlarged view around the casing steel pipe. In CASE2, cracks occurred only in a narrow area around the casing. Cracks have occurred in the entire filling part due to the influence of the above. The crack around the casing is 200 to 600 μm at maximum in CASE2, but is 1200 μm at maximum in CASE1 because the temperature during construction is taken into account. However, in this analysis, the rigidity of the speed ring was not taken into account, and the boundary condition on the left side of the casing steel pipe was free, so the casing steel pipe was greatly expanded and the surrounding cracks became remarkable. Since deformation of the casing is suppressed by this, it is considered that cracking is reduced if the effect is considered. As described above, when the influence of the thermal stress generated at the time of construction is analytically evaluated, it is possible to predict that cracks are generated in the hollow portion of the structure although it is minute. Therefore, sufficient attention must be paid to this point even in the case of rationalization in design, and the setting of the performance required for the structure and the limit value for the crack which is expected to occur will be a future subject.

【0035】前記実施形では、発電機の中詰コンクリー
トについて本発明を実施していたが、その他の大規模コ
ンクリート構造物にも本発明は実施可能である。
In the above-described embodiment, the present invention is applied to a concrete filled with a generator. However, the present invention can be applied to other large-scale concrete structures.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上説明したように、この発明は上述の
ように構成したので、マスコンクリートの挙動をRC非
線形FEMによって解析的に評価することにより、従
来、弾性解析的によって設計されてきた構造物の実挙動
を高い精度の材料モデルが組み込まれた非線形FEMで
再評価し、構造物に要求される性能とのバランスを考慮
することにより大幅なコスト削減ができる。
As described above, since the present invention is constructed as described above, the behavior of mass concrete is analytically evaluated by RC non-linear FEM, so that the structure conventionally designed by elastic analysis is used. By re-evaluating the actual behavior of an object with a non-linear FEM incorporating a high-accuracy material model, and taking into account the balance with the performance required for the structure, significant cost reduction can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施形態に係る地下発電所の一例の全
体構造説明図を示す。
FIG. 1 is an overall structural explanatory view of an example of an underground power plant according to an embodiment of the present invention.

【図2】中詰コンクリート部14の三次元立体モデルで
ある。
FIG. 2 is a three-dimensional three-dimensional model of the filling concrete part 14;

【図3】中詰コンクリート部の軸対称モデルの説明図で
ある。
FIG. 3 is an explanatory diagram of an axially symmetric model of a concrete filling portion.

【図4】検討した各ケース(CASE1〜15)の説明
図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of each case (CASE 1 to 15) studied.

【図5】上記モデルの荷重図である。FIG. 5 is a load diagram of the model.

【図6】運転温度分布の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of an operating temperature distribution.

【図7】熱伝導解析に用いる材料定数の説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of material constants used for heat conduction analysis.

【図8】材料物性値の説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram of material property values.

【図9】CASE1〜CASE3の中詰部の鉄筋量の違
いによる挙動の比較説明図である。
FIG. 9 is a comparative explanatory diagram of a behavior due to a difference in the amount of rebar in the hollow portion of CASE1 to CASE3.

【図10】ひび割れの進展過程の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of a crack propagation process.

【図11】ひび割れの進展状況説明図である。FIG. 11 is a diagram illustrating the progress of cracks.

【図12】CASE4〜CASE6の中詰部の鉄筋量の
違いによる挙動の比較説明図である。
FIG. 12 is a comparative explanatory diagram of behavior due to a difference in the amount of rebar in the filling portion of CASE4 to CASE6.

【図13】ケーシング端部をフリーとしたCASE1と
固定したCASE4の主応力説明図である。
FIG. 13 is an explanatory diagram of main stresses in CASE1 in which a casing end is free and CASE4 in which a casing is fixed.

【図14】CASE7〜CASE9の中詰部の鉄筋量の
違いによる挙動の比較説明図である。
FIG. 14 is a comparative explanatory diagram of behavior due to a difference in the amount of rebar in the filling portion of CASE7 to CASE9.

【図15】中詰コンクリート部の鉄筋量削減の合理化検
討結果説明図である。
FIG. 15 is an explanatory diagram of a result of a rationalization study of the reduction of the amount of reinforcing bars in the filled concrete portion.

【図16】中詰コンクリート部のセメント量削減の合理
化検討結果説明図である。
FIG. 16 is an explanatory diagram of a result of a rationalization study on reduction of the amount of cement in the filled concrete portion.

【図17】施工温度応力の算定における解析のための材
料物性値および材料定数の説明図である。
FIG. 17 is an explanatory diagram of material property values and material constants for analysis in calculating a working temperature stress.

【図18】熱伝導解析結果(第1リフト〜第4リフト)
の説明図である。
FIG. 18 is a heat conduction analysis result (first lift to fourth lift).
FIG.

【図19】熱伝導解析結果(第5リフト〜完成時)の説
明図である。
FIG. 19 is an explanatory diagram of a heat conduction analysis result (fifth lift to completion).

【図20】完成時の最大主応力図である。FIG. 20 is a maximum principal stress diagram at the time of completion.

【図21】完成時の最小主応力図である。FIG. 21 is a minimum principal stress diagram upon completion.

【図22】完成時の主応力矢線図である。FIG. 22 is a principal stress arrow diagram at the time of completion.

【図23】完成時の変形図である。FIG. 23 is a modified view upon completion.

【図24】等価温度分布の説明図である。FIG. 24 is an explanatory diagram of an equivalent temperature distribution.

【図25】等価温度分布から求めた最大主応力図であ
る。
FIG. 25 is a maximum principal stress diagram obtained from an equivalent temperature distribution.

【図26】等価温度分布から求めた最小主応力図であ
る。
FIG. 26 is a minimum principal stress diagram obtained from an equivalent temperature distribution.

【図27】温度分布から求めた主応力矢線図である。FIG. 27 is a principal stress arrow diagram obtained from a temperature distribution.

【図28】施工時温度荷重のみによる挙動説明図であ
る。
FIG. 28 is an explanatory diagram of behavior based on only a temperature load during construction.

【図29】変形図である。FIG. 29 is a modified view.

【図30】ひび割れ説明図である。FIG. 30 is an explanatory diagram of cracks.

【図31】ひび割れ説明図である。FIG. 31 is an explanatory diagram of cracks.

【図32】主応力図である。FIG. 32 is a main stress diagram.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 スラブ・側壁・仮壁部コンクリート部 14 中詰コンクリート部 24 内水圧 10 Slab / side wall / temporary wall concrete section 14 Filled concrete section 24 Internal water pressure

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 俊博 東京都台東区東上野三丁目3番3号 東電 設計株式会社内 (72)発明者 足立 正信 東京都台東区東上野三丁目3番3号 東電 設計株式会社内 (72)発明者 山谷 敦 東京都台東区東上野三丁目3番3号 東電 設計株式会社内 (72)発明者 南部 茂義 東京都千代田区内幸町一丁目1番3号 東 京電力株式会社内 (72)発明者 加藤 定良 東京都台東区東上野三丁目3番3号 東電 設計株式会社内 (72)発明者 飯塚 敬一 東京都台東区東上野三丁目3番3号 東電 設計株式会社内 Fターム(参考) 2D047 AB01  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Toshihiro Koyama 3-3-1 Higashi-Ueno, Taito-ku, Tokyo Inside TEPCO Design Co., Ltd. (72) Inventor Masanobu Adachi 3-3-1, Higashi-Ueno, Taito-ku, Tokyo Tokyo Electric Power Design Co., Ltd. (72) Inventor Atsushi Yamatani 3-3-3 Higashi Ueno, Taito-ku, Tokyo Tokyo Electric Power Co., Ltd. (72) Inventor Shigeyoshi Nambu 1-3-1, Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Tokyo Electric Power Company Inside (72) Inventor Sadayoshi Kato 3-3-1 Higashi-Ueno, Taito-ku, Tokyo Tokyo Electric Engineering Co., Ltd. (72) Keiichi Iizuka 3-3-1, Higashi-Ueno, Taito-ku, Tokyo Tokyo Electric Design Co., Ltd. Company F-term (reference) 2D047 AB01

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 マスコンクリートの挙動をRC非線形F
EMによって解析的に評価する手順を含むことを特徴と
する引張応力を負担するマスコンクリートの挙動評価手
法。
1. The behavior of mass concrete is determined by RC nonlinear F
A method for evaluating the behavior of mass concrete bearing tensile stress, comprising a procedure of analytically evaluating by EM.
【請求項2】 解析結果と各部位に要求される性能を比
較する工程を含むことを特徴とする引張応力を負担する
請求項1に記載のマスコンクリートの挙動評価手法。
2. The method for evaluating the behavior of mass concrete according to claim 1, further comprising a step of comparing the analysis result with the performance required for each part.
【請求項3】 巨大構造物のマスコンクリートについ
て、段階施工を考慮した非線形FEMに基くひび割れの
評価をする工程を含むことを特徴とする請求項1または
2に記載の引張応力を負担するマスコンクリートの挙動
評価手法。
3. The mass concrete bearing a tensile stress according to claim 1, wherein the mass concrete of the huge structure includes a step of evaluating a crack based on a non-linear FEM in consideration of stepwise construction. Behavior evaluation method.
【請求項4】 段階施工時に発生する温度応力を再現す
る等価な温度分布を算出する手順とを含むことを特徴と
する請求項1または2に記載の引張応力を負担するマス
コンクリートの挙動評価手法。
4. The method for evaluating behavior of mass concrete bearing tensile stress according to claim 1 or 2, further comprising a step of calculating an equivalent temperature distribution for reproducing temperature stress generated at the time of stepwise construction. .
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