JP2013256819A

JP2013256819A - 耐衝撃構造の材料設計方法及び耐衝撃構造

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Publication number: JP2013256819A
Application number: JP2012133841A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Morita; 武森田
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2013-12-26
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: JP6098862B2

Abstract

【課題】確実に裏面剥離、貫通を抑制できるように、コンクリートを使用してなる耐衝撃構造の材料設計を行なう方法及び耐衝撃構造を提供する。
【解決手段】コンクリートを使用してなる耐衝撃構造の材料設計方法であって、コンクリートの引張軟化特性における引張軟化開始点応力度と終局引張ひずみ又は引張軟化域ひずみ量とをパラメータとし、衝撃荷重によるコンクリート部材の損傷が小さくなる二つのパラメータの組み合わせを導出し、この二つのパラメータの組み合わせとなるコンクリートを使用する。
【選択図】なし

Description

本発明は、コンクリートを使用してなる耐衝撃構造の材料設計方法及び耐衝撃構造に関する。

例えば、航空機、自動車、列車、あるいは爆発事故や竜巻などによる飛来物がコンクリート構造物（コンクリート構造部材）に衝突することにより、コンクリート構造物には、曲げ破壊あるいはせん断破壊といった全体的な破壊や、表面破壊、裏面剥離、貫通などの局部的な破壊が生じる。また、局部破壊のうち、裏面剥離や貫通が生じると、構造物内部に存在する人や設備、物品等にも被害が及ぶことになる。このため、裏面剥離や貫通を抑制し、構造物内部に存在する人や設備、物品等への被害を防止できるようにすることが求められる。

これに対し、裏面剥離や貫通を抑制する方法としては、部材厚さを厚くする方法、裏面を鋼板やシート状の材料で補強する方法、繊維補強コンクリートを使用してコンクリート構造物を形成する方法などが提案、実用化されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２０１０−０２４６７６号公報特開２００６−０８９２９５号公報

一方、上記の裏面剥離や貫通を抑制する方法のうち、特に繊維補強コンクリートを使用して裏面剥離、貫通を抑制する対策においては、未だ、系統的な設計が可能なほど、データや知見が蓄積されていないのが現状であり、確実に裏面剥離や貫通を抑制できるように、材料設計手法を確立することが強く求められている。

本発明は、上記事情に鑑み、確実に裏面剥離、貫通を抑制できるように、コンクリートを使用してなる耐衝撃構造の材料設計を行なう方法及び耐衝撃構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の耐衝撃構造の材料設計方法は、コンクリートを使用してなる耐衝撃構造の材料設計方法であって、前記コンクリートの引張軟化特性における引張軟化開始点応力度と終局引張ひずみ又は引張軟化域ひずみ量とをパラメータとし、衝撃荷重によるコンクリート部材の損傷が小さくなる前記二つのパラメータの組み合わせを導出し、該二つのパラメータの組み合わせとなる前記コンクリートを使用することを特徴とする。

また、本発明の耐衝撃構造の材料設計方法においては、前記二つのパラメータの最適な組み合わせを導出する際に、コンクリート部材を格子状に配列した複数の要素に区画し、衝撃荷重によるコンクリート部材の損傷を下式で定義した損傷面積に基づいて評価することが望ましい。
（損傷面積）＝Σ{（ひび割れの入った要素数）×（要素面積）}

本発明の耐衝撃構造は、上記のいずれかの耐衝撃構造の材料設計方法を用いて構築される耐衝撃構造であって、前記二つのパラメータと損傷面積の関係から、引張軟化開始点応力度を引張強度の２５％とした場合には、引張軟化域ひずみ量をプレーンコンクリートの３．０倍以上、引張軟化開始点応力度を引張強度の５０％とした場合には、引張軟化域ひずみ量をプレーンコンクリートの２．０倍以上、引張軟化開始点応力度を引張強度の７５％とした場合には、引張軟化域ひずみ量をプレーンコンクリートの１．５倍以上、引張軟化開始点応力度を引張強度の１００％とした場合には、引張軟化域ひずみ量をプレーンコンクリートの１．０倍以上の条件を満たす前記コンクリートを使用して構築されることを特徴とする。
なお、本発明におけるプレーンコンクリートとは、改質前のベースとなるコンクリートを意味する。

また、本発明の耐衝撃構造においては、前記コンクリートに繊維が混入されていることが望ましい。

さらに、本発明の耐衝撃構造においては、前記繊維が、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、鋼のいずれかで形成され、単独あるいは複数種の前記繊維が前記コンクリートに混入されていることがより望ましい。

本発明の耐衝撃構造の材料設計方法及び耐衝撃構造においては、衝撃荷重によるコンクリート部材の損傷が小さくなる引張軟化開始点応力度と終局引張ひずみ又は引張軟化域ひずみ量との二つのパラメータの組み合わせを導出し、この二つのパラメータの組み合わせとなるコンクリート材料を選定することで、確実且つ合理的に、裏面剥離や貫通といった局部破壊を抑制できるように耐衝撃構造を設計、実現することが可能になる。

よって、本発明の耐衝撃構造の材料設計方法及び耐衝撃構造においては、裏面剥離や貫通を抑制し、構造物内部に存在する人や設備、物品等への被害を、確実に防止できる耐衝撃構造を実現することが可能になる。

コンクリート板の解析モデルを示す図である。コンクリート板に衝突が生じた際の荷重−時間関係を示す図である。コンクリートの応力−ひずみ曲線を示す図である。プレーンコンクリート板内におけるひび割れの発生状態を示す解析結果である。プレーンコンクリート板に対し、軟化開始点応力度とひずみ差を２倍にした場合のひび割れの発生状態を示す解析結果である。ひずみ差と損傷面積比の関係を示す図である。

以下、図１から図６を参照し、本発明の一実施形態に係る耐衝撃構造の材料設計方法及び耐衝撃構造について説明する。

はじめに、本実施形態の耐衝撃構造の材料設計方法においては、コンクリートを使用してなる耐衝撃構造の材料設計方法であり、コンクリートの引張軟化特性における引張軟化開始点応力度と終局引張ひずみ又は引張軟化域ひずみ量とをパラメータとし、衝撃荷重を受けるコンクリート部材に関する有限要素解析等の数値解析によって、衝撃荷重によるコンクリート部材の損傷が小さくなる前記二つのパラメータの組み合わせを導出し、これら二つのパラメータの組み合わせとなるコンクリートを使用して耐衝撃構造を構築する。

また、コンクリートの引張軟化特性における引張軟化開始点応力度と終局引張ひずみ又は引張軟化域ひずみ量の二つのパラメータの最適な組み合わせを導出する際には、コンクリート部材をメッシュ状（格子状）に配列した複数の要素に区画し、衝撃荷重によるコンクリート部材の損傷を下式で定義した損傷面積に基づいて評価する。
（損傷面積）＝Σ{（ひび割れの入った要素数）×（要素面積）}

ここで、本実施形態の耐衝撃構造の材料設計方法の優位性を実証するために行なった解析検討について説明するとともに、本実施形態の耐衝撃構造の材料設計方法及び耐衝撃構造をより具体的に説明する。

本解析検討において、コンクリート板（コンクリート、コンクリート部材）の破壊性状に関する数値解析では、剛体がコンクリート板に高速衝突する場合を想定し、コンクリートの局部破壊に関する解析を、非線形有限要素法プログラムを用いて行なった。また、高速衝突で発生する荷重は、衝突荷重−時間関係で与えるようにした。

また、高速衝突を受けるコンクリート板は、図１に示すように、２次元軸対称系でモデル化した。さらに、コンクリート板には、剛飛翔体の衝突によって表面破壊が生じるため、剛飛翔体の直径と貫入深さ分の要素を解析モデルから予め削除した。そして、理論計算によって得られた図２に示す荷重−時間関係を、図１に示す貫入深さｄ_０の位置に作用させた。このときの計算方法は、中央差分法を用いた動的時刻歴応答計算とした。

次に、コンクリートモデル（等価一軸応力−ひずみ関係）は図３に示した通りであり、このコンクリートモデルにおける設定条件を表１に示すようにした。また、解析におけるコンクリートの静的圧縮強度は４０Ｎ／ｍｍ^２、静的引張強度は４Ｎ／ｍｍ^２とした。

ここで、コンクリートの圧縮強度と引張強度は、ひずみ速度が大きくなると増大する。既往の研究により飛翔体を衝突させた場合、衝突部には非常に高い圧力が生じることが知られている。また、既往のコンクリートの高速３軸圧縮試験により、側圧９４Ｎ／ｍｍ^２に対する動的圧縮強度（ひずみ速度１０^０〜１０^１（１／Ｓ））は静的圧縮強度の約５倍になるという報告がなされている。

このため、本解析検討では、動的圧縮強度σ_ｃには、静的圧縮強度４０Ｎ／ｍｍ^２を５倍した２００Ｎ／ｍｍ^２（最大圧縮応力時ひずみεｃ＝０．０４）を用い、また、コンクリートは、高圧時に圧縮軟化挙動を示さないため、最大応力以降は一定の応力となるように応力−ひずみ曲線をモデル化した。

プレーンコンクリートの引張強度σ_ｔについては、既往の研究を参考にして静的引張強度を４倍した１６Ｎ／ｍｍ^２を用いた。また、引張軟化域については、動的な引張強度の後に瞬時に１／４まで強度が低下して軟化するモデルとした。
ここで、本実施形態におけるプレーンコンクリートとは、改質前のベースとなるコンクリートを意味するものである。

なお、終局引張ひずみε_ｔｕは、プレーンコンクリートの引張破壊エネルギーを１００Ｎ／ｍと仮定し、解析のメッシュ寸法長３ｍｍを考慮して算定した塑性ひずみと弾性ひずみの和（１７，０００μｍ）とした。また、本解析検討では、基礎的な段階として、全ての要素に対して同じひずみ速度・圧力状態を仮定した。

そして、まず、図４は、解析で得られたプレーンコンクリート板に生じるひび割れの最終状態を示している。なお、この図４では、対称性を考慮して、プレーンコンクリート板の半断面を表示している。

次に、図３及び表１を参照し、引張軟化特性を変化させた解析及び解析結果について説明する。

この解析では、引張軟化曲線の軟化開始点応力度σ_ｔｐと、引張応力がゼロになる終局引張ひずみε_ｔｕを変数とした。また、軟化開始点応力度σ_ｔｐは、プレーンコンクリートで適用した０．２５σ_ｔを基準にして、０．５０σ_ｔ、０．７５σ_ｔ、１．００σ_ｔの４水準とした。さらに、終局引張ひずみε_ｔｕは、終局引張ひずみε_ｔｕと最大引張応力時ひずみε_ｔの差をひずみ量（引張軟化域ひずみ量）△ε_ｔｓと定義し、プレーンコンクリートに関する△ε_ｔｓ（△ε_ｔｓｐとする）に対する倍率を０．２５〜４．００として与えた。
なお、軟化開始点応力度σ_ｔｐを頂点とし、ひずみ差△ε_ｔｓを底辺とする三角形の面積は、破壊エネルギーに相当するひずみエネルギーｇｆを表す。また、ここでは、プレーンコンクリートの解析におけるひずみエネルギーｇｆをｇｆｐと表記する。

そして、一例として、図５は、プレーンコンクリートに対し、軟化開始点応力度σ_ｔｐとひずみ差△ε_ｔｓを２倍にした場合のひび割れの最終状態（σ_ｔｐ＝０．５σ_ｔ、△ε_ｔｓ＝２△ε_ｔｓｐ、ｇｆ＝４ｇｆｐ）を示している。この図５の結果を図４のプレーンコンクリート板の結果と比較すると、損傷範囲（ひび割れの生じた要素の数）が小さいことがわかる。

次に、損傷評価と、軟化開始点応力度σ_ｔｐ、ひずみ差△ε_ｔｓの二つのパラメータの合理的な組み合わせについて説明する。

ここでは、プレーンコンクリート板の０．１７６０ｍｓにおけるひび割れ領域（図４に示した最終状態のひび割れ領域）の面積に対する各パラメータ解析に追いける０．１７６０ｍｓのひび割れ領域の面積の比（以下、損傷面積比という）を算定して損傷度を評価した。また、このとき、ひび割れ領域の面積は、ひび割れが生じた要素数をカウントし、その個数と要素面積（メッシュサイズ）の積により求めた。
すなわち、コンクリート部材を格子状（メッシュ状）に配列した複数の要素に区画し、衝撃荷重によるコンクリート部材の損傷（損傷度）を下式で定義した損傷面積に基づいて評価した。
（損傷面積）＝Σ{（ひび割れの入った要素数）×（要素面積）}

図６は、ひずみ差△ε_ｔｓと損傷面積比の関係を軟化開始点応力度σ_ｔｐ別に示した図である。また、この図中の点線は、ひずみエネルギーｇｆが等しいプロットを結んだものである。

そして、この図６に示すように、各軟化開始点応力度σ_ｔｐにおいて、ひずみ差△ε_ｔｓが大きいほど、損傷面積比が小さくなることが確認された。しかし、ひずみエネルギーｇｆが３ｇｆｐ〜４ｇｆｐ以上では、ひずみ差△ε_ｔｓが変化しても損傷面積比に大きな変化は認められなかった。また、ひずみ差△ε_ｔｓを△ε_ｔｓｐ〜４△ε_ｔｓｐに変化させた場合の損傷面積比は、各軟化開始点応力度σ_ｔｐ＝０．２５σ_ｔでは１．００〜０．７５に低下した。この一方で、ひずみ差△ε_ｔｓをプレーンコンクリートの４倍にしても、損傷が２５％程度の低下に留まっていた。

これらの結果から、軟化開始点応力度σ_ｔｐごとに損傷面積比が頭打ちとなる△ε_ｔｓを目標としてコンクリートを改質することによって、合理的な材料設計を行なうことが可能になる。

したがって、本実施形態の耐衝撃構造の材料設計方法、及びこの材料設計方法を用いて構築される耐衝撃構造においては、衝撃荷重によるコンクリート部材の損傷が小さくなる引張軟化開始点応力度と終局引張ひずみ又は引張軟化域ひずみ量との二つのパラメータの組み合わせを導出し、この二つのパラメータの組み合わせとなるコンクリート材料を選定することで、確実且つ合理的に、裏面剥離や貫通といった局部破壊を抑制できるように耐衝撃構造を設計、実現することが可能になる。

よって、裏面剥離や貫通を抑制し、構造物内部に存在する人や設備、物品等への被害を、確実に防止できる耐衝撃構造を実現することが可能になる。

また、本実施形態の耐衝撃構造の材料設計方法及び耐衝撃構造においては、引張軟化開始点応力度と終局引張ひずみ又は引張軟化域ひずみ量の二つのパラメータの最適な組み合わせを導出する際に、（損傷面積）＝Σ{（ひび割れの入った要素数）×（要素面積）}を用いて損傷面積を求めるようにしたことで、正確且つ合理的にひび割れ損傷度を評価することが可能になる。

また、本実施形態の耐衝撃構造においては、前記二つのパラメータと損傷面積の関係から、引張軟化開始点応力度を引張強度の２５％とした場合には、引張軟化域ひずみ量をプレーンコンクリートの３．０倍以上、引張軟化開始点応力度を引張強度の５０％とした場合には、引張軟化域ひずみ量をプレーンコンクリートの２．０倍以上、引張軟化開始点応力度を引張強度の７５％とした場合には、引張軟化域ひずみ量をプレーンコンクリートの１．５倍以上、引張軟化開始点応力度を引張強度の１００％とした場合には、引張軟化域ひずみ量をプレーンコンクリートの１．０倍以上の条件を満たすコンクリートを使用して耐衝撃構造を構築すると、より確実且つ合理的に、裏面剥離や貫通といった局部破壊を抑制できるように耐衝撃構造を実現することが可能になる。

さらに、本実施形態の耐衝撃構造においては、コンクリートに繊維を混入して構築すると、比較的容易に且つ確実に、繊維によってコンクリートを改質し、裏面剥離や貫通といった局部破壊を抑制できる耐衝撃性に優れた耐衝撃構造を構築することができる。

また、このとき、繊維が、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、鋼のいずれかで形成され、単独あるいは複数種の繊維をコンクリートに混入すると、さらに、容易に且つ確実に、繊維によってコンクリートを改質し、裏面剥離や貫通といった局部破壊を抑制できる耐衝撃性に優れた耐衝撃構造を構築することができる。

以上、本発明に係る耐衝撃構造の材料設計方法及び耐衝撃構造の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

Claims

コンクリートを使用してなる耐衝撃構造の材料設計方法であって、
前記コンクリートの引張軟化特性における引張軟化開始点応力度と終局引張ひずみ又は引張軟化域ひずみ量とをパラメータとし、衝撃荷重によるコンクリート部材の損傷が小さくなる前記二つのパラメータの組み合わせを導出し、該二つのパラメータの組み合わせとなる前記コンクリートを使用することを特徴とする耐衝撃構造の材料設計方法。
請求項１記載の耐衝撃構造の材料設計方法において、
前記二つのパラメータの最適な組み合わせを導出する際に、コンクリート部材を格子状に配列した複数の要素に区画し、衝撃荷重によるコンクリート部材の損傷を下式で定義した損傷面積に基づいて評価するようにしたことを特徴とする耐衝撃構造の材料設計方法。
（損傷面積）＝Σ{（ひび割れの入った要素数）×（要素面積）}
請求項１または請求項２に記載の耐衝撃構造の材料設計方法を用いて構築される耐衝撃構造であって、
前記二つのパラメータと損傷面積の関係から、
引張軟化開始点応力度を引張強度の２５％とした場合には、引張軟化域ひずみ量をプレーンコンクリートの３．０倍以上、
引張軟化開始点応力度を引張強度の５０％とした場合には、引張軟化域ひずみ量をプレーンコンクリートの２．０倍以上、
引張軟化開始点応力度を引張強度の７５％とした場合には、引張軟化域ひずみ量をプレーンコンクリートの１．５倍以上、
引張軟化開始点応力度を引張強度の１００％とした場合には、引張軟化域ひずみ量をプレーンコンクリートの１．０倍以上の条件を満たす前記コンクリートを使用して構築されることを特徴とする耐衝撃構造。
請求項３記載の耐衝撃構造において、
前記コンクリートに繊維が混入されていることを特徴とする耐衝撃構造。
請求項４記載の耐衝撃構造において、
前記繊維が、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、鋼のいずれかで形成され、単独あるいは複数種の前記繊維が前記コンクリートに混入されていることを特徴とする耐衝撃構造。