3次元的な塑性域の拡がりを考慮した木材はり要素の開発
Abstract
わが国では近年，地震や津波といった災害時に木造建築が深刻な被害を受けており，既存の木造建築に対する強度評価の需要が高まっている．また，限界状態設計法の普及や，住宅のみならず大規模な公共建築の木造化も進んでおり，各種の荷重を受ける木造建築の弾塑性挙動を高精度に把握し耐力を求めることは，ますます重要性を増していると言える．ここで，建築物などの骨組構造の解析には，計算効率の観点からはり要素がよく用いられる．特に，筆者らにより開発された，はり要素有限要素法の一種であるASI-Gauss法を用いると，1部材2要素分割でも高精度な弾塑性解析が可能となる．しかし，これまでASI-Gauss法による弾塑性解析では，塑性ヒンジ法が用いられてきた．この方法では，塑性化判定と同時に要素の剛性を急激に低下させる．一方，木材は引張側では脆性的，圧縮側では塑性化し靭性を示すという特徴を有することから，曲げ変形時は圧縮側から塑性域が進展し，剛性低下は比較的緩やかに進行する．したがって，ASI-Gauss法を木造建築の弾塑性解析に適用するにあたり，部材中の塑性域の拡がりを考慮することが重要と考えられる．特に実用上の観点から，立体骨組構造の解析に対応するため，3次元的な塑性域の拡がりを考慮する必要がある．そこで本研究では，平沢らや岩崎らによって適用されてきた，「塑性化の拡がりに伴う剛性低下を，断面積や断面二次モーメントの減少として表現する」という考えに基づき，3次元的な塑性域の拡がりを考慮した剛性低下処理を行うはり要素を開発し，ASI-Gauss法に導入した．そして他の解析手法との比較を行い，妥当性・有用性を検証した．
This study combines a novel beam element with the ASI-Gauss technique to
develop a method for fast and accurate three-dimensional analysis of timber
structures. The beam element lowers its stiffness by adjusting sectional
constants, which are determined by selecting several sections across the
beam and taking an average of their sectional constants. This process enables
the element to consider the three-dimensional expansion of a plastic region.
Four methods were implemented in this study for selecting sections during
the calculation of averaged sectional constants, and their accuracy was
evaluated through comparison with finite element analyses using solid elements.