JP2011047803A - Method of calculating destruction property - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被破壊物の破壊性状を算出する破壊性状算出方法に関する。 The present invention relates to a destructive property calculation method for calculating the destructive property of an object to be destroyed.
近年、コンクリート構造物や岩石等の被破壊物を破壊する方法として、特許文献1のように、金属細線を介して接続された一対の電極および水等の破壊用物質が収容された破壊容器を、被破壊物に形成された装着孔に挿入し、金属細線に電気エネルギーを短時間にて放電供給することにより破壊用物質を急激に気化させ、気化の際の膨張により被破壊物を破壊する方法が提案されている。
In recent years, as a method of destroying a destruction object such as a concrete structure or a rock, a destruction container containing a pair of electrodes connected via thin metal wires and a destructive substance such as water as in
ところで、特許文献1のような破壊方法により被破壊物を破壊する際に、事前に破壊される範囲や破壊の態様(すなわち、被破壊物に生じる亀裂の幅や分布等の情報を含む破壊性状)を予測することができれば、残存部の健全性や強度低下等、施工計画に有益な情報を得ることができる。
By the way, when destroying a to-be-destructed object by the destructive method as in
しかしながら、実際の破壊工事では、被破壊物は様々な材料にて形成されており、また、様々な構造を有するため、被破壊物の破壊性状を予測するためには、被破壊物と同様の構造等を有する試験体を破壊してその破壊性状を観察する必要があり、破壊性状の予測に多大な労力と時間が必要であった。 However, in the actual destruction work, the destruction object is made of various materials and has various structures. Therefore, in order to predict the destruction property of the destruction object, it is the same as the destruction object. It was necessary to destroy a specimen having a structure and observe its fracture properties, and much effort and time were required to predict the fracture properties.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、被破壊物の構造に関わらず、被破壊物の破壊性状を容易かつ精度良く算出することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to easily and accurately calculate the destructive property of the object to be destroyed regardless of the structure of the object to be destroyed.
請求項1に記載の発明は、被破壊物の破壊性状を算出する破壊性状算出方法であって、a)金属細線を介して互いに接続された一対の電極および破壊用物質を容器内に収容した放電カートリッジを準備し、前記一対の電極に電気エネルギーを供給して前記金属細線を溶融気化させることにより前記破壊用物質を反応させ、前記破壊用物質の膨張による衝撃圧を衝撃圧測定器にて測定し、測定結果に基づいて衝撃圧の時間的な変化を示す基準衝撃圧波形を求める工程と、b)試験体の内部に、前記放電カートリッジと同様の、または、前記破壊用物質の量を変更した放電カートリッジを収容し、一対の電極に電気エネルギーを供給して前記試験体を破壊し、前記試験体の破壊性状を取得する工程と、c)前記試験体の構造をモデル化し、前記基準衝撃圧波形から複数の入力波形を生成して前記複数の入力波形の衝撃圧が加えられた場合の前記試験体の破壊性状を数値解析により求め、前記b)工程にて取得された破壊性状に相当する破壊性状が得られる入力波形を算出衝撃圧波形として取得する工程と、d)前記b)工程にて使用される前記破壊用物質の量を変更しつつ前記b)工程および前記c)工程を繰り返すことにより、前記破壊用物質の量と前記算出衝撃圧波形との関係を示す破壊用物質量−衝撃圧特性を取得する工程と、e)被破壊物の構造をモデル化し、前記破壊用物質量−衝撃圧特性に基づいて、前記被破壊物の破壊に使用される前記破壊用物質の量から解析用衝撃圧波形を求め、前記解析用衝撃圧波形を用いて数値解析を行うことにより、前記被破壊物の破壊性状を算出する工程とを備える。
The invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の破壊性状算出方法であって、前記a)工程において、前記衝撃圧測定器の内部空間に前記放電カートリッジが収容され、前記衝撃圧測定器が破壊されることなく前記内部空間に配置された圧力センサにより前記衝撃圧が測定される。
The invention according to
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の破壊性状算出方法であって、前記c)工程において、前記基準衝撃圧波形の形状をおよそ維持しつつ最大圧力を変更することにより、前記複数の入力波形が生成される。
Invention of
請求項4に記載の発明は、請求項1ないし3のいずれかに記載の破壊性状算出方法であって、前記試験体および前記被破壊物の構造のモデル化において、前記試験体および前記被破壊物に含まれる少なくとも1つの材料の応力−歪み特性が、歪み速度依存性を有する。
Invention of Claim 4 is a destructive property calculation method in any one of
請求項5に記載の発明は、請求項1ないし4のいずれかに記載の破壊性状算出方法であって、前記破壊用物質が自己反応性を有する。 A fifth aspect of the present invention is the destructive property calculation method according to any one of the first to fourth aspects, wherein the destructive substance is self-reactive.
請求項6に記載の発明は、請求項1ないし5のいずれかに記載の破壊性状算出方法であって、前記試験体および前記被破壊物がコンクリートを含む。 A sixth aspect of the present invention is the destructive property calculation method according to any one of the first to fifth aspects, wherein the specimen and the object to be destroyed include concrete.
本発明では、被破壊物の構造に関わらず、被破壊物の破壊性状を容易かつ精度良く算出することができる。 In the present invention, the destructive property of the destructible object can be easily and accurately calculated regardless of the structure of the destructible object.
図1は、本発明の一の実施の形態に係る放電衝撃破壊装置1の構成を示す図である。放電衝撃破壊装置1は、コンクリート構造物や岩石等の被破壊物に装着される放電カートリッジ2、配線3を介して放電カートリッジ2に接続されるコンデンサ4、および、配線5を介してコンデンサ4に接続される直流電源6を備え、配線3および配線5にはそれぞれ放電スイッチ31および充電スイッチ51が設けられる。図1では、図の理解を容易にするために放電カートリッジ2の一部を断面にて描いている。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a discharge
放電カートリッジ2は、プラスチック等により形成された略円筒状の破壊容器21、破壊容器21内に充填された無酸素環境下または低酸素環境下にて燃焼可能な液状やゲル状の破壊用物質22(すなわち、自己反応性を有する物質)、破壊容器21内に収容された一対の電極23、および、一対の電極23の先端部に接続され、電極23よりも断面積が小さい金属細線24を備える。一対の電極23は、金属細線24を介して互いに接続されるとともに配線3を介してコンデンサ4に接続される。
The
破壊容器21は、上部に開口を有する容器本体211、および、容器本体211の開口を閉塞して容器本体211の内部を密閉する蓋部212を備える。一対の電極23は、破壊容器21の蓋部212を貫通するとともに蓋部212に固定された配線3により破壊容器21に固定されており、電極23および金属細線24は破壊容器21内にて破壊用物質22の内部に位置する。
The
図2は、放電衝撃破壊装置1による被破壊物の破壊の流れを示す図である。放電衝撃破壊装置1により被破壊物の破壊が行われる際には、まず、図3に示すように、ドリル等により被破壊物9に凹部91が形成される(ステップS11)。本実施の形態では、被破壊物9はコンクリートを含む構造物(より具体的には、鉄筋コンクリート構造物)とされる。また、凹部91は深孔状の装填孔とされ、凹部91の深さ方向に垂直な断面は略円形とされる。図3では、図の理解を容易にするために被破壊物9を断面にて描いている。
FIG. 2 is a diagram showing a flow of destruction of an object to be destroyed by the discharge
続いて、放電カートリッジ2が被破壊物9の凹部91内(すなわち、被破壊物9の内部)に挿入され、凹部91内に砂等のタンピング材92が充填される(いわゆる、タンピングが行われる)(ステップS12)。次に、被破壊物9の放電衝撃破壊装置1の放電スイッチ31がOFFとされた状態で充電スイッチ51がONとされることにより、直流電源6からコンデンサ4に電気エネルギーが蓄積される。
Subsequently, the
その後、充電スイッチ51がOFFとされ、放電スイッチ31がONとされることにより、コンデンサ4に蓄積された電気エネルギーが、放電カートリッジ2の一対の電極23に供給されて金属細線24が溶融気化する。本実施の形態では、電圧が1kV以上6kV以下、電流の最大値が1kA以上50kA以下、かつ、供給時間が1秒以下の条件下にて、電気エネルギーが一対の電極23に供給される。溶融気化された金属細線24は数千度の金属ガスとなり、コンデンサ4からの電気エネルギーが当該金属ガスにさらに供給されることによりプラズマが発生する。
Thereafter, the
そして、金属細線24の溶融気化およびプラズマ化により発生する高温高圧により、放電カートリッジ2の破壊容器21内において破壊用物質22を反応させて瞬間的に蒸発気化させ、破壊用物質22の気化の際の膨張により生じる衝撃力(すなわち、放電衝撃力)により被破壊物9が破壊される(ステップS13)。放電衝撃破壊装置1では、放電カートリッジ2内の破壊用物質22の量を変更することにより、放電衝撃力を変更することができる。
Then, due to the high temperature and high pressure generated by melting and vaporizing the
次に、被破壊物9の破壊性状(本実施の形態では、破壊により被破壊物9に生じる亀裂の幅および分布)を被破壊物9の破壊よりも前に算出する破壊性状算出方法について、図4を参照しつつ説明する。図5は、破壊性状の算出に利用される衝撃圧測定器81を示す平面図であり、図6は、衝撃圧測定器81を図5中のA−Aの位置にて切断した断面図である。また、図7.Aおよび図8.Aはそれぞれ、破壊性状の算出に利用される試験体82a,82bの平面図であり、図7.Bおよび図8.Bはそれぞれ、試験体82a,82bを図7.A中のB−Bの位置、および、図8.A中のC−Cの位置にて切断した断面図である。図5ないし図8.Bでは、放電衝撃破壊装置1の放電カートリッジ2も併せて描いている。また、図6、図7.Bおよび図8.Bでは、図の理解を容易にするために、断面よりも奥の構成も破線にて併せて描いている。
Next, a destructive property calculation method for calculating the destructive property of the destructible object 9 (in this embodiment, the width and distribution of cracks generated in the destructible item 9 due to the destruction) before the destructive object 9 is destroyed. This will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a plan view showing an impact
図5および図6に示すように、衝撃圧測定器81は、正面視において略L字型の第1鋼材811、および、第1鋼材811の下部(すなわち、L字の下側の横線に相当する部位)上に配置される略直方体状の第2鋼材812を備え、第2鋼材812の第1鋼材811に対向する側面には、第2鋼材812の上下方向(図6中の上下方向に一致する。)の全長に亘る溝部813が形成されている。溝部813の上下方向に垂直な断面は図5に示すように略円形とされ、図5および図6に示すように、第1鋼材811と第2鋼材812とが6本のボルト815により結合されることにより、溝部813の側部開口および下部開口が第1鋼材811により閉塞される。これにより、溝部813は上部のみに開口を有する凹部813となる。衝撃圧測定器81は、また、凹部813の内側面および内底面に貼付されるシート状の2つの圧力センサ814を備える。本実施の形態では、圧力センサ814として、Dynasen社製のPVDF(ポリフッ化ビニリデン)フィルムが利用される。
As shown in FIGS. 5 and 6, the impact
被破壊物9の破壊性状が算出される際には、まず、放電衝撃破壊装置1の放電カートリッジ2が衝撃圧測定器81の凹部813に挿入され(すなわち、衝撃圧測定器81の内部空間に収容され)、凹部813内に砂等のタンピング材810が充填されて突き固められる。本実施の形態では、放電カートリッジ2の破壊容器21内の破壊用物質22(図1参照)の量は10ml(ミリリットル)とされる。
When calculating the destructive properties of the object 9 to be destroyed, first, the
続いて、被破壊物9の破壊の際と同様に、放電カートリッジ2の一対の電極23(図1参照)に電気エネルギーが供給され、金属細線24(図1参照)が溶融気化およびプラズマ化する際に発生する高温高圧により、放電カートリッジ2の破壊用物質22(図1参照)を反応させて瞬間的に蒸発気化させる。そして、破壊用物質22の気化の際の膨張により、衝撃圧測定器81が破壊されることなく(すなわち、衝撃圧測定器81の第1鋼材811や第2鋼材812に亀裂等を生じさせることなく)衝撃圧測定器81に衝撃圧が付与され、衝撃圧測定器81の内部空間に配置された圧力センサ814により当該衝撃圧が測定される(ステップS21)。
Subsequently, as in the case of destruction of the object 9 to be destroyed, electric energy is supplied to the pair of electrodes 23 (see FIG. 1) of the
図9は、衝撃圧の発生時からの経過時間と圧力センサ814にて測定された圧力との関係を示す図であり、図中の実線711は、圧力センサ814により取得された圧力の時間的な変化を示す衝撃圧波形(以下、「測定衝撃圧波形711」という。)を示す。図9に示すように、測定衝撃圧波形711では、衝撃圧の発生からおよそ50μ(マイクロ)秒後に圧力が最大値に達し、その後、緩やかに圧力が減少している。
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the elapsed time from the occurrence of the impact pressure and the pressure measured by the
ところで、図3に示す放電衝撃破壊装置1による実際の被破壊物9の破壊では、破壊用物質22の気化により凹部91の内壁に加えられる圧力が最大となった後は、被破壊物9に生じた亀裂等から圧力が逃げて急激に減少する。一方、火薬類を被破壊物の凹部内で爆破させて被破壊物を破壊する場合(すなわち、火薬発破が行われた場合)、凹部の内壁に加えられる圧力は、図10に示すように、衝撃圧の発生から数μ秒にて最大値に達した後、急激に減少して衝撃圧発生から約200μ秒後に0となることが一例として知られている。
By the way, in the actual destruction of the destruction target 9 by the discharge
破壊性状の算出では、圧力センサ814による測定結果である測定衝撃圧波形711(図9参照)、および、図10に示す火薬発破時の衝撃圧波形に基づいて、仮に破壊用物質22の気化による衝撃圧が当該衝撃圧により破壊される物体(すなわち、衝撃圧により亀裂が生じる物体)に付与されるとした場合における圧力の時間的な変化を示す基準衝撃圧波形が求められる(ステップS22)。具体的には、図9に示す測定衝撃圧波形711のうち圧力が最大値に達した後の波形が、図10に示す火薬発破時の衝撃圧波形における最大圧力到達後の波形と同様の形状となるように、より具体的には、圧力が最大値から急激に減少するとともに衝撃圧の発生から200μ秒後に0となるように測定衝撃圧波形711が補正される。図11では、補正後の衝撃圧波形である基準衝撃圧波形721を実線にて示し、測定衝撃圧波形711を破線にて示す。
In the calculation of destructive properties, based on the measured impact pressure waveform 711 (see FIG. 9), which is a measurement result by the
基準衝撃圧波形721が求められると、放電カートリッジ2の破壊用物質22(図1参照)を用いて図7.Aないし図8.Bに示す試験体82a,82bを実際に破壊することにより、試験体の破壊性状の取得が行われる。本実施の形態では、それぞれ2個の試験体82a,82bが使用される。試験体82aは、略円柱状の鉄筋コンクリートであり、図7.Aおよび図7.Bに示すように、試験体82aの上面(すなわち、図7.B中の上側の主面)には、平面視における中心線を中心として下方に伸びる凹部821が電動コア抜きドリル等により形成されている。試験体82aは、略円柱状のコンクリート本体822、コンクリート本体822の内部にて上記中心線を中心とする円周上に等間隔に配列された上下方向に伸びる8本の主筋823、および、8本の主筋823と交差するように上下方向に等間隔に配列された円周状の6本の帯筋824を備える。
When the reference
本実施の形態では、試験体82aの上下面の直径は600mmであり、高さは600mmである。また、凹部821の上下方向に垂直な断面は略円形であり、凹部821の上面からの深さは350mmである。主筋823としては長さ500mm、D22のSD(異形棒鋼)345が利用され、帯筋824としてはD10のSD295が利用される。隣接する帯筋824の上下方向の間隔は100mmである。
In the present embodiment, the diameter of the upper and lower surfaces of the
試験体82bは、試験体82aと同様の略円柱状の鉄筋コンクリートであり、図8.Aおよび図8.Bに示すように、試験体82bの上面には、平面視における中心線を中心として下方に伸びる凹部821が電動コア抜きドリル等により形成されている。試験体82bは、略円柱状のコンクリート本体822、コンクリート本体822の内部にて上記中心線を中心とする2つの同心円上にそれぞれ等間隔に配列された上下方向に伸びる8本の主筋823、内側の8本の主筋823と交差するように上下方向に等間隔に配列された円周状の7本の帯筋824、および、外側の8本の主筋823と交差するように上下方向に等間隔に配列された円周状の7本の帯筋824を備える。
The
本実施の形態では、試験体82bの上下面の直径は600mmであり、高さは800mmである。また、凹部821の上下方向に垂直な断面は略円形であり、凹部821の上面からの深さは500mmである。主筋823としては長さ700mm、D22のSD345が利用され、帯筋824としてはD10のSD295が利用される。上下方向にて隣接する帯筋824の上下方向の間隔は100mmであり、内側の7本の帯筋824の上下方向の位置と外側の7本の帯筋824の上下方向の位置とは等しくされる。試験体82a,82bのコンクリート本体822、主筋823および帯筋824のそれぞれの材料定数を図12に示す。
In the present embodiment, the diameter of the upper and lower surfaces of the
破壊用物質22による破壊性状の取得では、まず、ステップS21にて使用された放電カートリッジ2から破壊用物質22の量が5mlに変更された新たな放電カートリッジ2が、図7.Aおよび図7.Bに示す試験体82aの凹部821に挿入され(すなわち、試験体82aの内部に収容され)、凹部821内に砂等のタンピング材826が充填される。続いて、被破壊物9の破壊の際と同様に、放電カートリッジ2の一対の電極23(図1参照)に電気エネルギーが供給され、金属細線24(図1参照)が溶融気化およびプラズマ化する際に発生する高温高圧により、放電カートリッジ2の破壊用物質22(図1参照)を反応させて瞬間的に蒸発気化させる。そして、破壊用物質22の気化の際の膨張による衝撃圧により試験体82aが破壊され、試験体82aの破壊性状(すなわち、亀裂の幅および分布)が取得される(ステップS23)。
In acquiring the destructive property by the
図13.Aは、破壊後の亀裂が生じた試験体82aの外観を示し、図13.Bは、破壊後の試験体82aの上面および側面に生じた亀裂825の幅および分布を示す図である。図13.Bでは、図示の都合上、試験体82aの側面を展開して描いており、側面の左右方向の中央部が、図中の上面の下側の部位に対応する。図13.Bでは、幅が1.0mm未満の亀裂825を細線にて示し、また、主筋823および帯筋824を破線にて併せて描いている(図20.B、図23.Bおよび図25.Bにおいても同様)。試験体82aの側面には最大幅が数mmの亀裂825が生じており、これらの亀裂825は主筋823や帯筋824におよそ沿って伸びる。試験体82aの側面に生じた亀裂825は、試験体82aの上面および底面に到達するものが多い。また、試験体82aの上面にも亀裂825が生じている。
FIG. A shows the external appearance of the
次に、図12に示す材料定数に基づいて、試験体82aの各材料(コンクリート本体822、主筋823および帯筋824)の静的な応力−歪み特性が定義され、さらに、各材料の歪み速度依存性を考慮して試験体82aの構造の動的なモデル化が行われる。換言すれば、試験体82aの構造のモデル化では、試験体82aの各材料の応力−歪み特性が歪み速度依存性を有する。
Next, based on the material constants shown in FIG. 12, static stress-strain characteristics of each material (
静的なモデル化では、圧縮側は、応力の下降域を含めた簡略化した履歴モデルを用い、引張側は、軟化域に1/4モデルを踏襲している。図14および図15はそれぞれ、試験体82aのコンクリート本体822の圧縮強度および引張強度を示す図であり、図中の●印(ε’=0s−1)が静的な圧縮強度および引張強度を示す。このとき、数1に示す破壊エネルギーGfは78.8N/mとなり、数2に示す引張応力が0となる時の亀裂の幅wは0.2mmとなる。なお、数1および数2における圧縮強度fcおよび引張強度ftは図12に示す値が用いられ、粗骨材の最大寸法dmaxは20mmである。また、亀裂の幅wを特性長さLch(本実施の形態では、代表長さである100mm)により除することにより歪みに変換している。
In the static modeling, the compression side uses a simplified hysteresis model including a stress decrease region, and the tension side follows the 1/4 model in the softening region. FIG. 14 and FIG. 15 are diagrams showing the compressive strength and tensile strength of the
一方、動的なモデル化では、歪み速度ε’の影響は、歪み速度ε’が30s−1以下の範囲では数3および数4のように表され、歪み速度ε’が30s−1よりも大きい範囲では数5および数6のように表される。なお、数3ないし数6におけるfcdおよびftdはそれぞれ動的な圧縮強度および引張強度を表し、fcsおよびftsはそれぞれ静的な圧縮強度および引張強度を表す。また、各係数α、β、γ、δは、数7ないし数10に示す値である。
On the other hand, in the dynamic modeling, the influence of the strain rate ε ′ is expressed as in
数3ないし数6に示す歪み速度ε’の影響は図16のように表され、当該歪み速度ε’の影響を考慮した動的な圧縮強度および引張強度は、図14および図15中において●印以外の印(ε’=0.01〜100s−1)にて示される。図16の横軸は歪み速度を示し、縦軸は、静的な圧縮強度および引張強度に対する動的な圧縮強度および引張強度の割合を示す。
The influence of the strain rate ε ′ shown in
試験体82aのモデル化では、試験体82aの形状および作用荷重(すなわち、放電カートリッジ2による衝撃圧)の対称性を考慮して、図17に示す1/4モデルが用いられ、試験体82aの中心線を通る切り出し面827の条件を面対称としている。また、試験体82aの底面の境界条件を剛表面への面接触としている。主筋823および帯筋824(図7.Aおよび図7.B参照)はトラス要素としてモデル化し、コンクリート本体822と主筋823および帯筋824とは完全付着としている。コンクリート本体822には、8節点ソリッドの低減積分要素を用い、凹部821の要素分割は周方向に16分割(1/4モデルでは4分割)としている。図18.Aおよび図18.Bはそれぞれ、試験体82aのモデルにおける圧力作用部である凹部821の底部近傍の部位(図17中に丸印を付して示す。)の縦断面図および横断面図を示し、図中の矢印は凹部821に作用する圧力を示す。
In modeling the
試験体82aのモデル化が終了すると、ステップS22にて求められた基準衝撃圧波形を入力波形として、当該入力波形の衝撃圧が加えられた場合の試験体82aの破壊性状が数値解析により求められる。本実施の形態では、数値解析手法としてFEM(有限要素法)が用いられ、試験体82aの破壊終了後、十分な時間が経過したとみなせる時刻(すなわち、歪みが一定値に収束したとみなせる時刻であり、例えば、衝撃圧の発生から3000μ秒後)における試験体82aの最大主歪み(引張歪み)の分布が、試験体82aの破壊性状として求められる。
When the modeling of the
続いて、数値解析により求められた破壊性状(以下、「算出破壊性状」という。)と図13.Bに示す試験体82aの実際の破壊性状(すなわち、ステップS23にて取得された破壊性状)とが比較され、算出破壊性状が実際の破壊性状に相当し、同等とみなせる場合は、入力波形が算出衝撃圧波形として取得される。一方、算出破壊性状が実際の破壊性状に相当しない場合は、基準衝撃圧波形に基づいて次の入力波形が生成される。次の入力波形は、基準衝撃圧波形の形状をおよそ維持しつつ基準衝撃圧波形の最大圧力を変更することにより(本実施の形態では、基準衝撃圧波形全体に所定の値を乗じることにより)生成される。
Subsequently, the fracture properties obtained by numerical analysis (hereinafter referred to as “calculated fracture properties”) and FIG. When the actual destructive property of the
そして、次の入力波形の衝撃圧が加えられた場合の試験体82aの算出破壊性状が求められ、算出破壊性状と実際の破壊性状とが比較される。被破壊物9の破壊性状算出方法では、試験体82aの実際の破壊性状に相当する算出破壊性状が得られるまで、基準衝撃圧波形に基づいて新たな入力波形が生成されて新たな入力波形について算出破壊性状と実際の破壊性状との比較が行われ、実際の破壊性状に相当する算出破壊性状が得られた入力波形が算出衝撃圧波形として取得される。換言すれば、基準衝撃圧波形から複数の入力波形を生成し、当該複数の入力波形の衝撃圧が加えられた場合の試験体82aの破壊性状を数値解析により求め、実際の破壊性状に相当する破壊性状が得られる入力波形が算出衝撃圧波形として取得される(ステップS24)。
Then, the calculated destructive property of the
図19は、算出衝撃圧波形の衝撃圧が加えられた場合の試験体82aの算出破壊性状を示す図である。図19では、試験体82aの1/4モデルを中心線とは反対側および中心線側からそれぞれ見た斜視図を示す(図22、図24および図26においても同様)。図19に示す算出破壊性状では、試験体82aの側面において放電カートリッジ2のおよその位置に水平方向の歪み(すなわち、亀裂に対応する歪み)が生じており、主筋823に沿って伸びる上下方向の歪みが生じている。また、試験体82aの上面において帯筋824に沿う多角形の歪みが生じている。これらの歪みは、図13.Bに示す試験体82aの実際の破壊性状における亀裂825の分布に良く整合している。また、図19に示す算出破壊性状からは、試験体82aの内部において主筋823に沿う亀裂が生じていることがわかる。
FIG. 19 is a diagram showing the calculated destructive properties of the
1個目の試験体82aについて算出衝撃圧波形が取得されると、破壊用物質22の量が10mlである新たな放電カートリッジ2(すなわち、ステップS21にて使用された放電カートリッジ2と同様の新たな放電カートリッジ2)が、2個目の試験体82aの凹部821(図7.Aおよび図7.B参照)に挿入される。換言すれば、1個目の試験体82aの破壊時から破壊用物質22の量が変更される(ステップS25,S26)。続いて、ステップS23に戻り、1個目の試験体82aの破壊の際と同様に、凹部821内にタンピング材826が充填され、放電カートリッジ2に電気エネルギーが供給されて破壊用物質22が蒸発気化する。そして、破壊用物質22の気化の際の衝撃圧により、試験体82aが図20.Aに示すように破壊され、図20.Bに示すように、試験体82aの破壊性状が取得される(ステップS23)。試験体82aの側面には最大幅が20mm〜30mmの亀裂825が生じており、これらの亀裂825は主筋823や帯筋824におよそ沿って伸びる。試験体82aの側面に生じた亀裂825は、破壊用物質22の量が5mlの場合と同様に、試験体82aの上面および底面に到達するものが多く、また、試験体82aの上面にも亀裂825が生じている。
When the calculated impact pressure waveform is acquired for the
2番目の試験体82aは、コンクリート本体822のうち主筋823および帯筋824よりも外側の部位が内側の部位から分離されるまで破壊されており、主筋823および帯筋824よりも外側の部位は、図21.Aに示すように、複数のコンクリート塊として容易に撤去可能な状態となっている。図21.Bは、コンクリート本体822の主筋823および帯筋824よりも外側の部位が撤去された後の試験体82aを示す。図21.Bに示す破壊後の試験体82aでは、主筋823および帯筋824はいずれも破断されていない。
The
次に、ステップS22にて求められた基準衝撃圧波形から複数の入力波形を生成し、当該複数の入力波形の衝撃圧が加えられた場合の試験体82aの破壊性状を、上述の試験体82aのモデルを用いて数値解析により求め、実際の破壊性状に相当する破壊性状が得られる入力波形が算出衝撃圧波形として取得される(ステップS24)。図22は、算出衝撃圧波形の衝撃圧が加えられた場合の試験体82aの算出破壊性状を示す図であり、図22に示す算術破壊性状における歪みの分布は、図20.Bに示す試験体82aの実際の破壊性状における亀裂825の分布に良く整合している。また、図22に示す算出破壊性状から、試験体82aの内部において主筋823に沿う亀裂が生じていることもわかる。
Next, a plurality of input waveforms are generated from the reference impact pressure waveform obtained in step S22, and the destructive properties of the
続いて、破壊用物質22の量が10mlである新たな放電カートリッジ2が、図8.Aおよび図8.Bに示す試験体82bの凹部821に挿入される(ステップS25,S26)。そして、ステップS23に戻り、試験体82aの破壊の際と同様に、凹部821内にタンピング材826が充填され、放電カートリッジ2に電気エネルギーが供給されて破壊用物質22が蒸発気化する。破壊用物質22の気化の際の衝撃圧により、試験体82bは図23.Aに示すように破壊され、図23.Bに示すように、試験体82bの破壊性状が取得される(ステップS23)。
Subsequently, a
試験体82bの側面には最大幅が数mmの亀裂825が生じており、これらの亀裂825は主筋823や帯筋824におよそ沿って伸びる。試験体82bの側面に生じた亀裂825は、試験体82aの場合とは異なり、試験体82bの上面および底面に到達するものは少なく、また、試験体82bの上面には亀裂825は生じていない。このような試験体82aと試験体82bとの破壊性状の差は、試験体の上下方向の長さや放電カートリッジ2の上下方向の位置に起因していると考えられる。
次に、試験体82bの構造が試験体82aと同様の方法によりモデル化される。そして、ステップS22にて求められた基準衝撃圧波形から複数の入力波形が生成され、当該複数の入力波形の衝撃圧が加えられた場合の試験体82bの破壊性状が、試験体82bのモデルを用いて数値解析により求められ、実際の破壊性状に相当する破壊性状が得られる入力波形が算出衝撃圧波形として取得される(ステップS24)。図24は、算出衝撃圧波形の衝撃圧が加えられた場合の試験体82bの算出破壊性状を示す図であり、図24に示す算術破壊性状における歪みの分布は、図23.Bに示す試験体82bの実際の破壊性状における亀裂825の分布に良く整合している。また、図24に示す算出破壊性状から、試験体82bの内部において主筋823に沿う亀裂が生じていることもわかる。
Next, the structure of the
算出衝撃圧波形が取得されると、破壊用物質22の量が15mlである新たな放電カートリッジ2が、2個目の試験体82bの凹部821(図8.Aおよび図8.B参照)に挿入される(ステップS25,S26)。続いて、ステップS23に戻り、1個目の試験体82bの破壊の際と同様に、凹部821内にタンピング材826が充填され、放電カートリッジ2に電気エネルギーが供給されて破壊用物質22が蒸発気化する。そして、破壊用物質22の気化の際の衝撃圧により、試験体82bが図25.Aに示すように破壊され、図25.Bに示すように、試験体82bの破壊性状が取得される(ステップS23)。試験体82bの側面には最大幅が数mmの亀裂825が生じており、これらの亀裂825は主筋823や帯筋824におよそ沿って伸びる。試験体82bの側面に生じた亀裂825は、破壊用物質22の量が10mlの場合と同様に、試験体82bの上面および底面に到達するものは少なく、また、試験体82bの上面には亀裂825は生じていない。
When the calculated impact pressure waveform is acquired, a
次に、ステップS22にて求められた基準衝撃圧波形から複数の入力波形が生成され、当該複数の入力波形の衝撃圧が加えられた場合の試験体82bの破壊性状が、上述の試験体82bのモデルを用いて数値解析により求められ、実際の破壊性状に相当する破壊性状が得られる入力波形が算出衝撃圧波形として取得される(ステップS24)。図26は、算出衝撃圧波形の衝撃圧が加えられた場合の試験体82bの算出破壊性状を示す図であり、図26に示す算術破壊性状における歪みの分布は、図25.Bに示す試験体82bの実際の破壊性状における亀裂825の分布に良く整合している。また、図26に示す算出破壊性状から、試験体82aの内部において主筋823に沿う亀裂が生じていることもわかる。
Next, a plurality of input waveforms are generated from the reference impact pressure waveform obtained in step S22, and the destructive property of the
このように、準備された全ての試験体について、放電カートリッジ2の破壊用物質22の量を変更しつつステップS23,S24が繰り返され(ステップS25)、試験体の破壊に用いられた破壊用物質22の量とステップS24にて取得された算出衝撃圧波形との関係を示す破壊用物質量−衝撃圧特性が取得される(ステップS27)。図27は、破壊用物質量−衝撃圧特性の一例として、破壊用物質22の量とこれに対応する算出衝撃圧波形の最大圧力との関係を示す図である。図27に示すように、破壊用物質22の量が5ml、10mlおよび15mlの場合の最大圧力はそれぞれ、1.5kN/mm2、1.8kN/mm2、および、2.0kN/mm2である。
As described above, steps S23 and S24 are repeated for all the prepared specimens while changing the amount of the
ここで、試験体82a,82bにおける上下方向に垂直な断面における歪みについて説明する。図28.Aおよび図28.Bはそれぞれ、試験体82a,82bを放電カートリッジ2が配置される位置にて上下方向に垂直に切断した断面における最大主歪みのベクトル図であり、上述の数値解析による試験体82a,82bの破壊性状の取得時に算出されたものである。
Here, the distortion in the cross section perpendicular to the vertical direction of the
図28.Aに示すように、試験体82aの中心近傍(すなわち、凹部821近傍)では、径方向に垂直な方向(以下、「接線方向」という。)に大きな歪みが生じており、主筋823および帯筋824の位置(以下、「配筋位置」という。)にて歪みの方向が半径方向へと変化する。また、配筋位置から外側に離れた位置と外側縁との間の領域では、再び接線方向の歪みが卓越している。図28.Bに示すように、試験体82bの中心近傍(すなわち、凹部821近傍)では、接線方向に大きな歪みが生じており、内側の配筋位置と外側の配筋位置との間の領域では接線方向の歪みが卓越している。図28.Aおよび図28.Bに示すように、試験体82a,82bでは、主筋823および帯筋824により歪みの方向が変化し、主筋823および帯筋824に沿う、または、主筋823および帯筋824から外側に向かう亀裂が生じる。
FIG. As shown in A, in the vicinity of the center of the
図29は、図28.Aおよび図28.B中において丸で囲んで示す主筋823と配筋位置との交差位置におけるコンクリート本体822および帯筋824の歪みの時間的変化を示す図である。図29に示すように、試験体82aでは、帯筋824に生じた歪みは歪みの発生から約500μ秒後に約0.3%にて静定し、コンクリート本体822の帯筋824よりも外側の部位に生じた歪みは約1500μ秒後に約6%にて静定する。また、試験体82bでは、内側および外側の帯筋824に生じた歪みはそれぞれ、歪みの発生から約500μ秒後に約0.4%および約0.2%にて静定し、コンクリート本体822の内側の帯筋824と外側の帯筋824との間の部位に生じた歪みは約500μ秒後に約1.0%にて静定し、コンクリート本体822の外側の帯筋824よりも外側の部位に生じた歪みは約2000μ秒後に約6%にて静定する。
29 is the same as FIG. A and FIG. It is a figure which shows the time change of the distortion of the concrete
このように、コンクリート本体822の帯筋824と外縁との間の部位における歪みが他の部位よりも大きくなっているが、これは、試験体の中心から外縁に向かって進行する圧力波が外縁(すなわち、自由端)にて反射し、後続の圧力波と当該部位において重なって歪みが成長したことによるものと考えられる。また、図29では、歪みの時間的変化を示す曲線の勾配が歪み速度ε’を表すことになり、コンクリート本体822の帯筋824と外縁との間の部位ではε’が数10s−1と比較的大きい値をとる。このことから、数値解析の精度を向上するためには、試験体82a,82bのモデル化において歪み速度依存性を考慮することが好ましいといえる。
As described above, the distortion at the portion between the
破壊用物質量−衝撃圧特性の取得が終了すると、上述の試験体82a,82bのモデル化に準じた手法により、被破壊物9の構造のモデル化が行われる。続いて、ステップS27にて取得された破壊用物質量−衝撃圧特性に基づいて、被破壊物9の破壊に使用される破壊用物質22の量から解析用衝撃圧波形が求められる。本実施の形態では、図27に示すグラフから、被破壊物9の破壊に使用される破壊用物質22の量に対応する最大圧力が求められ、基準衝撃圧波形721(図11参照)の最大値に対する当該最大圧力の割合を基準衝撃圧波形721に乗じることにより解析用衝撃圧波形が求められる。そして、解析用衝撃圧波形を用いてFEMによる数値解析を行うことにより、解析用衝撃圧波形を有する衝撃圧が被破壊物9の凹部91の内壁に加えられた場合の被破壊物9の破壊性状が、試験体82a,82bの破壊性状取得の場合と同様に算出される(ステップS28)。
When the acquisition of the destructive substance amount-impact pressure characteristics is completed, the structure of the destruction target 9 is modeled by a method according to the modeling of the
被破壊物9の破壊性状の算出は、被破壊物9の実際の破壊よりも前に、破壊用物質22の量、放電カートリッジ2が挿入される凹部91の深さや位置等を様々に変更しつつ行われ、所望の破壊性状となるように、破壊用物質22の量や凹部の深さおよび位置等が決定される。その結果、被破壊物9の破壊作業の最適化(すなわち、安全性の向上や作業コストの低減等)が実現される。
The destruction property of the destruction target 9 is calculated by changing the amount of the
本実施の形態に係る破壊性状の算出方法は、破壊性状の算出精度をより高くするという観点からは、試験体82a,82bおよび被破壊物9が同種の構造を有する(すなわち、単一の同じ材料、または、複数種類の材料の同様の組合せにて形成される)ことが好ましいが、当該算出方法は、必ずしも試験体82a,82bと同様の鉄筋コンクリート構造物である被破壊物9のみに適用されるわけではなく、試験体82a,82bとは異なる構造の被破壊物(例えば、コンクリートのみにより形成された構造物や岩石)にも適用可能である。この場合、被破壊物の構造をモデル化した上で、上述のステップS22,S27にて取得された基準衝撃圧波形、および、破壊用物質量−衝撃圧特性に基づいて求められた解析用衝撃圧波形を用いて数値解析を行うことにより、被破壊物の破壊性状が求められる。
In the destructive property calculation method according to the present embodiment, from the viewpoint of increasing the destructive property calculation accuracy, the
以上に説明したように、本実施の形態に係る破壊性状の算出方法では、衝撃圧測定器81を用いて基準衝撃圧波形を求め、試験体82a,82bの破壊試験と試験体82a,82bの破壊性状の数値解析とに基づいて算出衝撃圧波形を取得して破壊用物質量−衝撃圧特性を取得し、基準衝撃圧波形および破壊用物質量−衝撃圧特性に基づいて被破壊物9の破壊性状が算出される。これにより、基準衝撃圧波形および破壊用物質量−衝撃圧特性を一度求めた後は、被破壊物の構造に関わらず、破壊試験を行うことなく被破壊物の破壊性状を容易かつ精度良く算出することができる。
As described above, in the fracture property calculation method according to the present embodiment, the reference impact pressure waveform is obtained using the impact
また、ステップS21において、衝撃圧測定器81の凹部821(すなわち、内部空間)に放電カートリッジ2が収容され、衝撃圧測定器81が破壊されることなく凹部821に配置された圧力センサ814により衝撃圧が測定されることにより、図9に示す測定衝撃圧波形711を精度良く取得することができる。これにより、ステップS22において、測定衝撃圧波形711に基づいて図11に示す基準衝撃圧波形721を精度良く求めることができる。その結果、ステップS28において、被破壊物の破壊性状をより精度良く算出することができる。
Further, in step S21, the
ステップS24では、基準衝撃圧波形の形状をおよそ維持しつつ最大圧力を変更することにより、複数の入力波形を容易に生成することができる。また、ステップS24では、試験体82a,82bの構造のモデル化が、試験体82a,82bに含まれる材料の応力−歪み特性が歪み速度依存性を有する状態で行われ、ステップS28では、被破壊物9の構造のモデル化が、試験体82a,82bのモデル化と同様に、被破壊物9に含まれる材料の応力−歪み特性が歪み速度依存性を有する状態で行われる。これにより、試験体82a,82bおよび被破壊物9の破壊性状を取得する際の数値解析の精度を向上することができ、試験体82a,82bおよび被破壊物9の破壊性状をさらに精度良く算出することができる。
In step S24, a plurality of input waveforms can be easily generated by changing the maximum pressure while approximately maintaining the shape of the reference impact pressure waveform. In step S24, the modeling of the structures of the
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention has been described, this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible.
ステップS21では、図5および図6に示す衝撃圧測定器81とは異なる構造を有する衝撃圧測定器により衝撃圧が測定されてもよい。例えば、図30および図31に示す衝撃圧測定器81aは、厚肉の鉄管816、鉄管816の上下の開口を閉塞する鉄板817、鉄管816の内側面に貼付されるアクリル製のプレート818、および、平滑面であるプレート818の内面に貼付された圧力センサ814を備え、鉄管816の内部空間に位置する放電カートリッジ2の周囲には珪砂819が充填される。衝撃圧測定器81aでは、鉄管816の高さは180mm、外径は76.3mm、肉厚は7.0mmであり、鉄管816内の圧力センサ814により衝撃圧が測定される。
In step S21, the impact pressure may be measured by an impact pressure measuring device having a structure different from that of the impact
上記実施の形態では、ステップS23において2種類の試験体82a,82bが用いられているが、ステップS23において用いられる試験体は1種類でも3種類以上でもよい。また、試験体の形状は、数値解析を容易に行うというて観点からは円柱とされることが好ましいが、円柱以外の様々な形状(例えば、角柱)とされてもよい。実際の破壊工事では、コンクリート構造物が被破壊物とされることが多いため、ステップS23にて用いられる試験体はコンクリートを含むことが好ましいが、コンクリート以外の他の材料により形成されてもよい。
In the above embodiment, two types of
ステップS24では、数値解析手法として、FEMに代えてDEM(個別要素法)やRBSM(剛体バネモデル)等が用いられてもよい。試験体82a,82bや被破壊物9のモデル化では、試験体82a,82bおよび被破壊物9に含まれる少なくとも1つの材料の応力−歪み特性が歪み速度依存性を有することにより、数値解析による破壊性状の取得精度が向上される。
In step S24, DEM (discrete element method), RBSM (rigid spring model), or the like may be used as a numerical analysis method instead of FEM. In the modeling of the
上記実施の形態では、凹部91は被破壊物9に形成された穴であるが、被破壊物9に形成された溝部が凹部91として利用されてもよい。また、上述の放電衝撃破壊装置1は、例えば、トンネルにおける仕上げ破壊作業やコンクリート構造物の解体作業、水中における破壊作業、その他、発破作業が制限される破壊・解体作業に利用することができる。
In the above embodiment, the
9 被破壊物
2 放電カートリッジ
21 破壊容器
22 破壊用物質
23 電極
24 金属細線
81,81a 衝撃圧測定器
82a,82b 試験体
721 基準衝撃圧波形
813 凹部
814 圧力センサ
9
Claims (6)
a)金属細線を介して互いに接続された一対の電極および破壊用物質を容器内に収容した放電カートリッジを準備し、前記一対の電極に電気エネルギーを供給して前記金属細線を溶融気化させることにより前記破壊用物質を反応させ、前記破壊用物質の膨張による衝撃圧を衝撃圧測定器にて測定し、測定結果に基づいて衝撃圧の時間的な変化を示す基準衝撃圧波形を求める工程と、
b)試験体の内部に、前記放電カートリッジと同様の、または、前記破壊用物質の量を変更した放電カートリッジを収容し、一対の電極に電気エネルギーを供給して前記試験体を破壊し、前記試験体の破壊性状を取得する工程と、
c)前記試験体の構造をモデル化し、前記基準衝撃圧波形から複数の入力波形を生成して前記複数の入力波形の衝撃圧が加えられた場合の前記試験体の破壊性状を数値解析により求め、前記b)工程にて取得された破壊性状に相当する破壊性状が得られる入力波形を算出衝撃圧波形として取得する工程と、
d)前記b)工程にて使用される前記破壊用物質の量を変更しつつ前記b)工程および前記c)工程を繰り返すことにより、前記破壊用物質の量と前記算出衝撃圧波形との関係を示す破壊用物質量−衝撃圧特性を取得する工程と、
e)被破壊物の構造をモデル化し、前記破壊用物質量−衝撃圧特性に基づいて、前記被破壊物の破壊に使用される前記破壊用物質の量から解析用衝撃圧波形を求め、前記解析用衝撃圧波形を用いて数値解析を行うことにより、前記被破壊物の破壊性状を算出する工程と、
を備えることを特徴とする破壊性状算出方法。 A destructive property calculation method for calculating the destructive property of a destruction object,
a) By preparing a discharge cartridge containing a pair of electrodes connected to each other via a fine metal wire and a destructive substance in a container and supplying electric energy to the pair of electrodes to melt and vaporize the fine metal wire Reacting the destructive substance, measuring an impact pressure due to expansion of the destructive substance with an impact pressure measuring device, and obtaining a reference impact pressure waveform indicating a temporal change in the impact pressure based on the measurement result;
b) Inside the test body, a discharge cartridge similar to the discharge cartridge or having a changed amount of the destructive substance is accommodated, and electric energy is supplied to a pair of electrodes to destroy the test body, Acquiring the destructive properties of the specimen,
c) Modeling the structure of the specimen, generating a plurality of input waveforms from the reference impact pressure waveform, and determining the fracture properties of the specimen when the impact pressures of the plurality of input waveforms are applied by numerical analysis B) obtaining an input waveform that provides a destructive property corresponding to the destructive property obtained in step b as a calculated impact pressure waveform;
d) Relationship between the amount of the destructive material and the calculated impact pressure waveform by repeating the steps b) and c) while changing the amount of the destructive material used in the step b) Obtaining a destructive substance amount-impact pressure characteristic,
e) Modeling the structure of the object to be destructed, and determining an analytical shock pressure waveform from the amount of the destructive substance used for destructing the destructible based on the destructive substance amount-impact pressure characteristic, Calculating the destructive properties of the object to be destroyed by performing numerical analysis using the shock pressure waveform for analysis; and
A destructive property calculation method comprising:
前記a)工程において、前記衝撃圧測定器の内部空間に前記放電カートリッジが収容され、前記衝撃圧測定器が破壊されることなく前記内部空間に配置された圧力センサにより前記衝撃圧が測定されることを特徴とする破壊性状算出方法。 The fracture property calculating method according to claim 1,
In step a), the discharge cartridge is accommodated in the internal space of the impact pressure measuring device, and the impact pressure is measured by a pressure sensor disposed in the internal space without breaking the impact pressure measuring device. The destructive property calculation method characterized by this.
前記c)工程において、前記基準衝撃圧波形の形状をおよそ維持しつつ最大圧力を変更することにより、前記複数の入力波形が生成されることを特徴とする破壊性状算出方法。 The fracture property calculation method according to claim 1 or 2,
In the step c), the plurality of input waveforms are generated by changing the maximum pressure while substantially maintaining the shape of the reference impact pressure waveform.
前記試験体および前記被破壊物の構造のモデル化において、前記試験体および前記被破壊物に含まれる少なくとも1つの材料の応力−歪み特性が、歪み速度依存性を有することを特徴とする破壊性状算出方法。 A destructive property calculation method according to any one of claims 1 to 3,
In modeling the structure of the specimen and the object to be destroyed, the stress-strain characteristic of at least one material contained in the specimen and the object to be destroyed has a strain rate dependency. Calculation method.
前記破壊用物質が自己反応性を有することを特徴とする破壊性状算出方法。 A destructive property calculation method according to any one of claims 1 to 4,
A destructive property calculation method, wherein the destructive substance is self-reactive.
前記試験体および前記被破壊物がコンクリートを含むことを特徴とする破壊性状算出方法。 A destructive property calculation method according to any one of claims 1 to 5,
The method for calculating destructive properties, wherein the specimen and the object to be destroyed include concrete.
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Title |
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JPN6013013196; 小尾博俊, 伊東章, 佐々木加津也, 北嶋秀昭, 阪本良: '放電衝撃によるコンクリート部材の破砕実験とシミュレーション解析' 土木学会年次学術講演会講演概要集(CD-ROM) Vol.64th, No.Disk 2, 20090803, Page.ROMBUNNO.V-576 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN115014139A (en) * | 2022-06-15 | 2022-09-06 | 安徽工业大学 | Electromagnetic pulse blasting system and method |
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