鋼繊維補強コンクリート（SFRC）の数値モデリング手法

要点

• 鋼繊維補強コンクリート（Steel Fiber Reinforced Concrete、SFRC）用の材料構成則が十分に確立されていない課題に対し、鋼繊維を明示的に表現する新たな解析手法を提案

• 鋼繊維をビーム要素としてモデル化することで、材料パラメータの調整への依存を低減

• 実験との比較により、ひび割れ挙動および耐力を高精度に再現

概要

　本研究では、鋼繊維補強コンクリート（SFRC）の数値解析において「適切な材料構成則が十分に確立されていない」という課題に対し、新たなモデリング手法を提案した。従来は、一般コンクリートモデルを用いて試験結果に一致するようパラメータを調整する必要があったが、本研究では鋼繊維をビーム要素として明示的にモデル化し、材料特性の合わせ込みへの依存を低減した解析を試みた。ただし、コンクリート構成則は従来モデルを用いるため、圧縮軟化挙動の再現には圧縮損傷特性に関するパラメータの補正など、追加的な調整が必要であった。

研究背景

　SFRCは高い靭性と耐久性を有し、耐衝撃・耐爆などの分野で重要な材料である。一方、有限要素解析においてはSFRC用の材料構成則が十分に確立されておらず、解析では、既存のコンクリートモデルに対して鋼繊維の効果を考慮したパラメータ調整に依存している。この手法は実験依存性が高く、解析条件によって結果の妥当性が変化する課題がある。そのため、材料パラメータの調整への依存を低減する解析アプローチが求められている。

研究成果

　図1に有限要素モデルの全体構成を示す。図2に、コンクリート中の鋼繊維を示す。本モデルでは、コンクリートをソリッド要素、鉄筋および鋼繊維をビーム要素として表現している。この図から、補強部材がコンクリート内部に埋め込まれる形で配置されていることが分かり、補強部材を介した荷重伝達経路が形成されている様子を読み取ることができる。

　鋼繊維の位置および配向をランダムに設定してモデル化している。鋼繊維がコンクリート内に分散することで、ひび割れが局所に集中することを防ぎ、応力を広範囲に分散させる役割を果たしている。

　図3に試験結果と解析結果のひび割れパターン比較を示す。この図では、ひび割れの発生位置、進展方向、および密度が実験結果と概ね一致していることが確認できる。特に、鋼繊維によりせん断破壊が抑制され、曲げひび割れが卓越する挙動が再現されている。一方で、一部でひび割れの発生箇所にずれが見られるが、これは鋼繊維（ビーム要素）とコンクリート（ソリッド要素）の結合による応力伝達が局所化した影響と考えられる。

社会的インパクト

 本研究は、SFRC専用の材料構成則に依存しない解析手法の可能性を示しており、耐爆設計や原子力構造物など高信頼性が求められる分野における設計効率向上に寄与する。また、材料開発においても実験依存を低減し、シミュレーション駆動の設計を加速させる可能性がある。

まとめ

論文情報

掲載先：SMiRT27プロシーディングス（2024）
論文タイトル：A Numerical Modelling Technique for Steel Fiber Reinforced Concrete
著者：Pierluigi Olmati、村松 晃次（大成建設）、竹越 邦夫

用語解析

[用語1] 材料構成則
応力とひずみを関係づけ、材料の力学的特性を記述するモデル。
[用語2] 鋼繊維補強コンクリート
鋼繊維（直径0.5～1 mm、長さ25～60 mm）をコンクリートに分散させ、靭性やひび割れ抵抗性を向上させた材料。本研究では、直径0.75 mm、長さ60 mmの鋼繊維が使用されている。

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