特集 都市基盤の安全とICUSの活

Meguro Kimiro

Sugano Yumi

目黒 公郎

菅野 有美

UTokyo Repository

研究速報 : 応用要素法を用いた杭基礎の破壊挙動
に関する基礎的研究
その他のタイトル Fundamental Study on Failure Behavior of Pile
Foundation using Applied Element Method
著者 菅野 有美, 目黒 公郎
雑誌名 生産研究
巻 56
号 3
ページ 213-216
発行年 2004
URL http://hdl.handle.net/2261/00078657
doi: info:doi/10.11188/seisankenkyu.56.213
56巻3号 (2004) 生 産 研 究
‖|| |||||||||||||||II I III I II I 11 1 1 11 1 1 1 11 1 11 1 1 11 11 1 1 111 1 1111 11 1 1 111 1 1 111 1 1111 1 1 11111 1 11 1 1 11 1 1 11研
研 究 速 報
応用要素法を用いた杭基礎の破壊挙動に関する基礎的研究
Fundamental Study on Failure Behavior of Pile Foundation using Applied Element Method
菅 野 有 美*・目 黒 公 郎**
YumiSUGANO and KiminЭ MEGURO
1. は じ め に
一般に土木構造物は地盤の上に建設され,地盤によって
支えられている。また,構造物の多様化により軟弱地盤上
に建設される構造物が増加し,杭基礎が用いられるケース
が増えている。構造物の地震挙動を理解する上で,その構
造物を支える基礎と周辺地盤との相互作用を才巴握すること
の重要性は高い.事実,過去の地震被害では,地盤状態に
より基礎の破壊状況が異なり,それにより上部構造物の応
答にも影響があったことが報告されている°.周辺地盤を
含めた構造物全体の地震時挙動を追跡可能な解析モデルの
構築が求められている。さらに,杭基礎の地震被害は構造
物の慣性力によるものと地盤の変形によるものに大別され
る。そのため,構造物の破壊 。崩壊だけでなく地盤の大変
形も取 り扱うことが必要となる。
そこで本研究では,大変形問題の解析に適している応用
要素法 (Applied Element MethoとAEM)のを用いて,地盤と
基礎の相互作用を考慮できる解析モデルを構築し,地盤の
差による杭基礎の耐力や破壊過程への影響を定性的 ・定量
的に才巴握することを目的とする。ここでは,その第1歩と
して,乾燥砂地盤中における杭基礎の静的解析を行うが,
AEMによる解析では動的解析や液状化地盤解析にも発展
し得るものと考える。
2.応用要素法 (Applied Element Method:AEM)
AEMでは,解析対象を仮想的に分割した矩形要素の集
合体として扱う (図1).図2に示すように,各要素には,
その材料特性を有した法線方向と接線方向の2種類の分布
バネで結合されている。この接触点における剛性マトリク
スを計算するが,この剛性マトリクスの左上4分の1は式
(1)の通りである。
クラックの発生は個々のバネが破壊することで表現され
るため,クラックの発生位置や方向をあらかじめ仮定する
ことなく進行性破壊現象が追跡できる。このようなメカニ
*大阪ガス株式会社  (東京大学大学院工学系研究科)ホ*東京大学生産技術研究所 都市基盤安全工学国際研究センター
図1 要素分割とバネ代表領域
ズムによって,AEMは破壊 ・崩壊までを統一的に解析で
きる手法となっている。
また,鉄筋コンクリー トのような複合材料を扱う場合,
鉄筋位置には鉄筋の材料特性を有するバネを重ねて配置す
るなど,各々のバネ位置に合わせた特性を持たせることで
複合材料の挙動を表現することができる。
213
速 報
図2 要素バネの幾何学的関係
s i n 2 i g + o ; K ,
+ c o s ' ( 0 + 0 ) K .
―Itt sin(θ+α)
COS(θ+α)
+Ks sin(θ tt α)
COS(θ tt α)
c o s ( 0 + a )
K,L sin o
- s i n ( 0 + o )
KoL cos cv
‐KI Sin(θ tt α)
00S(θ+α)
十Ks sln(θ+α)
COS(θ+α)
,  r ,  ^
s ln - (  u  +  4 )Ks
+ cos'( 0 + cu )Kn
c o s ( 0 + a )
K,L cos a
+ s i n ( 0 + o )
KnL sino
00S(θ+α)
ヽL sin α
‐Sin(θ+α)
塩L oos α
00S(θ+α)
KsL cos α
+Sin(θ tt CV)
島L sin α
L2cos210+o)K"
+ L 2 s i n 2 ( 0 +
0 )K'
(式1)
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||IIIIIIIlllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllll
37
214   56巻3号 (2004) 生 産 研 究
速 報 l l l ll l l l111 1 1 1 1 1 1 1 11 111 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1111 1 1 1 1111 1 1111 1 1111 1 111111 1 1 1 111111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1111 1 1 11 11 1111 1111 1 11 1 1 11 1 1
3.材 料 特 性
(1)コンクリート
図3にコンクリー トの材料モデルを示す。圧縮域では前
川らによるモデルの,引張域では線形のモデルを用いた。
ただし,引張強度に達すると,剛性,応力ともにゼロとな
るものとした。
(2)鉄筋
鉄筋モデルには,2本の漸近線を持つMenengotto―Pin
モデルの (図4)を用いた.
(3)土(乾燥砂)
土のモデルとしては,図5に示すバイリエア型のモデル
を用いた。初期剛性島,GOは,式(2)うと (3)を用いて,
間隙比ι,鉛直有効応力σ′,ポアソン比γから求めた。
島=“07]… … … … … 《幼
EO=2(1+7)GO・………………………………………(3)
また,降伏強度はMohr¨COulombの破壊規準により決定し
た。
4口単 杭 解 析
1(1)解析モデル
牧,睦好らによる砂質地盤中におけるRC単杭の水平交
番載荷実評 )を参考に単杭の解析を行った。解析モデルを
図6に示す。杭下端と土槽は完全固定とし,杭上端部に強
制変位を与える静的単調載荷解析を行った。解析|に用いた
材料諸元は表1に示すとおりである。また,解析ケースを
表2にまとめる。ただし,表1の間隙比と式 (1)より算
出されるせん断岡1性をGο昭 としており,地盤剛性の変化
は間隙比の差として表した。
要素数   1   5195個
図6 単杭解析モデル
表1 材料諸元
図3 コンクリー トモデル
コンクリー ト
2.41 X lぴ
厳 Nl耐7
鉄筋
;単断徽″イ ア
献 ;鍍ハワ熙 7 1713×10'
砂
間隙比 0.8989
上ヒ国自 2.643
56巻3号  (2004) 生 産 研 究  215
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111研究 速 報
(2)解析結果
地盤剛性の異なるNo.1～No.3の復元カー変位履歴を
図7に示す。また,内部摩擦角の異なるNo.1,4,5の復
元カー変位履歴を図8に,杭頭変位5mm時のひび割れ図
を図9に示す。
表2 解析ケース
No.地醒鋼ll■tt Gxbη内音躍翻鞠亀F
1 1
1
1
一 一
.    111-一
一
|        | 一―No.1(Gs/Gorg〓1)
~~1~~~l maω G岬 の
|        | ‐・‐No 3(GS/Gorg=1.4)
40        60
DiSplacement[mm]
復元カ 変ー位履歴
Desplacement[mm]
図8 復元カー変位履歴
地盤剛性のみを変化させたケースでは,履歴曲線の変化
は見られなかった。しかし,内部摩擦角のみを変化させた
解析では,内部摩擦角が大きくなると復元力は大きくなり,
ひび割れの発生位置は浅 くなった.
地盤剛性よりも内部摩擦角の方が復元力の大きさに与え
る影響が大きいことがわかる。
5.群 杭 解 析
(1)解析モデル
単杭解析と同じ杭を3本設置し,全ての杭頭に同じ強制
変位を与える解析を行った。この解析モデルを図10に示
す。
(2)解析結果
各杭の復元カー変位履歴を図11に,3本の平均復元力
と単杭の復元力との比較を図12に示す。また,杭頭変位
が51111n時のひび害Jれ図を図13に示す。
先頭杭に比べ中間杭,後杭の復元力は小さく,3本の平
均復元力は単杭の場合よりも減少していることがわかる。
また,後の杭ほど深い位置からひび割れが発生し始めてい
る。
要素数 6舛0個
杭間距離 200-
図10 群杭解析モデル
﹇?
?
?
?
?
」
?
?
?」?
?
?
?
図 7
﹇?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
﹇?〓﹈??』?」
??〓?〕???
﹇?
?
﹈
?
?
?
?
図9 ひび害1れ図 (杭頭変位5mm時)
Disp:acement[mm]
図11 復元カー変位履歴
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII
39
?????．?﹇?〓〕??」?」﹈????．
?
56巻3号 (2004) 生 産 研 究
幸艮  ‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖I‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖H‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖‖
40        60
Displacementimm]
復元カ 変ー位履歴
図13 ひび割れ図 (杭頭変位5mm時)
6.お わ り に
構築した解析モデルにより,地盤剛性よりも内部摩擦角
の方が復元力の大きさに与える影響が大きいことが示され
た。また,複数本の杭が存在する場合には,群杭効果が表
現されている。
本研究で用いた地盤モデルはバイリニア型であり降伏応
力に重点を置いたものとなっている。故に,応カーひずみ
関係に関しては充分とは言えず,動的解析や著 しく大きい
地盤変形の解析には適していない。そのため,今後は地盤
要素の分離や再接触を考慮したモデルつを用いる必要があ
る。
さらに,精度向上のためには3DA¨EMDへの拡張も重
要と考えられる。
(2004年4月14日受理)
参 考 文 献
1) Tamotsu Matsui,Kazuo Oda Foundation Damage of Structures,
special lssuc of Soils and Foundadons,pp.189-200,1996,1.
2) Meguro.K,Tagel―Din Hatem: Applied Element Method for
Structural )Analysis: Theory and Application for Linear
Matc五als, Journal of Structural NIlechanics and Earthquake
Enginee五g,IscE,4,Vol.647,pp.3145,2000.
3) 岡村甫,前川宏一:鉄筋コンクリー トの非線形解析と構成
則, 技報堂出版,1991.
4) Y Yamada, H.Icmural Stress―Si in Based Mlodeling of
Hystcredc Structures Under Eathquake lnduced Bending and
Varying Axial Loads―Developlnent and Verification,Kyoto
University School of Civil Enginec五ng Rcscarch Report,No.
86-ST‐01,1986,3.
5)石 田毅,渡辺啓行,伊藤 洋,北原 義浩,松本 正毅 :低拘
束圧下の模型実験材料 (岐阜砂等)の静的 ・動的特性,電
力中央研究所報告,No.380045,1981,5.
牧 剛史,睦好 宏史 :鉄筋 コンクリー ト杭の水平復元力特性
と変形性状 に関する研究,土木学会論文集,No.683/V-52,
pp.103-118,2001,8.
Hatem Tagel¨Din and Kimiro MEGURO: Applied Element
NIlethod for Dynalluc Large Dcforlnation Analysis of Structures,
Structural Eng./Earthquakc Eng.,JSCE,Vol.17,No.2,pp.
215-224,2000,10.
目黒公郎,パテム・タグエルデイン :3次元応用要素法に
よる構造物の破壊 シミュレーシ ョン,生産研究,9,1999,
11.
図12
【?
?
】
?
?
?
?
||||lllllllllllllIIIIIIIIIIIIIIIIIIlilllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII
40


Fundamental Study on Failure Behavior of Pile Foundation using Applied Element Method

https://repository.dl.itc.u-tokyo.ac.jp/?action=repository_action_common_download&item_id=53540&item_no=1&attribute_id=19&file_no=1

Fundamental Study on Failure Behavior of Pile Foundation using Applied Element Method

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

UTokyo Repository