(57)【要約】【課題】地中構造体の引抜き試験を模擬する数値解析において、モデルの精度と計算量のトレードオフを解決する。【解決手段】構造体モデル生成部１１が地中構造体をモデル化した構造体モデルを生成し、粒子生成部１２が、解析の結果の引抜き抵抗力が過小評価されるような時刻歴結果を示すことが生じることのない最大のＳＰＨ粒子の径を設定して、地中構造体の支持体である土壌をモデル化したＳＰＨ粒子を生成し、演算部１４が有限要素法とＳＰＨ法により構造体モデルとＳＰＨ粒子を連成解析する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中構造体をモデル化した構造体モデルを生成する構造体モデル生成部と、
前記地中構造体の支持体である土壌をモデル化した粒子を生成する粒子生成部と、
有限要素法とＳＰＨ法により前記構造体モデルと前記粒子を連成解析する演算部と、を備え、
前記粒子生成部は、解析の結果の引抜き抵抗力が過小評価されるような時刻歴結果を示すことが生じることのない最大の前記粒子の径を設定する
ことを特徴とする解析装置。
【請求項２】
前記地中構造体は下部支線アンカであり、
前記粒子生成部は、前記粒子と前記構造体モデルとの主たる接触部分において前記粒子が前記構造体モデルに２列接触するように前記粒子の径を設定する
ことを特徴とする請求項１に記載の解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌に埋設された地中構造体の解析技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電柱は、社会インフラを支える構造物の一つである。通信ケーブルを架渉する電柱にかかる力を平衡に保つため、末端の電柱には支柱もしくは支線が設置される。支線は、上部支線（鋼より線）と下部支線に分かれる。下部支線の一種である支線アンカが地中に埋め込まれて、電柱を支持する。
【０００３】
下部支線アンカは、地中に埋設されるため、直接劣化状態を観察することは難しい。そこで、コンピュータ援用工学（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：ＣＡＥ）における数値解析により、構造物の耐力を推定および予測することが試みられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−２０５２６０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Nils Karajan, Zhidong Han, Hailong Teng, Jason Wang, "On the Parameter Estimation for the Discrete-Element Method in LS-DYNA", 13th International LS-DYNA Users Conference 2014
【非特許文献２】Nils Karajan, Zhidong Han, Hailong Teng, Jason Wang, "Interaction Possibilities of Bonded and Loose Particles", 9th European LS-DYNA Conference 2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
地中構造体の引抜き試験のシミュレーションにおいて、剛な構造用鋼材を前提とした地中構造体と、それを支持する柔な粘土質・砂質土とを同時にモデル化し、一体物として連成解析を実施するには、様々な観点から困難を伴う。
【０００７】
地中構造体と土壌の連成問題を取り上げた場合、解析手法として、例えば、有限要素法（ＦＥＭ）およびメッシュフリー法のひとつであるエレメント・フリー・ガラーキン法（ＥＦＧＭ）、土壌を連続体ではなく離散体として取扱う個別要素法（ＤＥＭ）などが考えられる。
【０００８】
ＥＦＧＭを用いて土壌の変形を再現するための手法を検討すると、下記の問題に突き当たる。一つめは、ある程度の引き抜き・変形には対応できるが、１００ｍｍ程度の引き抜きを模擬するのが限界である点である。ＥＦＧＭでは、領域積分のためのバックグラウンドメッシュ品質が重要であり、これが構造メッシュに依存する場合は極端な変形に対応することが困難であることが原因である。二つめは、重力の影響が結果に殆ど表出しない点である。ＥＦＧＭを用いて計算されたアンカ引抜荷重の大部分は変形抵抗成分によって賄われている。つまり土壌の変形抵抗を過大評価している可能性がある。三つめは、柔らかい土に対しては接触不安定性によりほとんど計算ができない点である。
【０００９】
ＤＥＭを用いて土壌の変形を再現するための手法を検討すると、下記の問題に突き当たる。一つめは、土壌粒子間の結合強度を過小評価し過ぎる点である。二つめは、土壌粒子を粒子状離散体としてモデル化しているために、土壌分野で一般に使用されているムーアクーロンモデルなど、土壌粘性と内部摩擦などとの関連性を見出すことが困難な数値解析モデルとなってしまう点である。
【００１０】
土壌のモデル化において、土壌粒子の結合強度の観点などから，取り得る手法は限定されるという課題がある。また、モデルの高精細化および解析手法によっては、計算量が爆発的に増加するという課題がある。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、地中構造体の引抜き試験を模擬する数値解析において、モデルの精度と計算量のトレードオフを解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様に係る解析装置は、地中構造体をモデル化した構造体モデルを生成する構造体モデル生成部と、前記地中構造体の支持体である土壌をモデル化した粒子を生成する粒子生成部と、有限要素法とＳＰＨ法により前記構造体モデルと前記粒子を連成解析する演算部と、を備え、前記粒子生成部は、解析の結果の引抜き抵抗力が過小評価されるような時刻歴結果を示すことが生じることのない最大の前記粒子の径を設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、地中構造体の引抜き試験を模擬する数値解析において、モデルの精度と計算量のトレードオフを解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本実施形態の解析装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】図２は、本実施形態の解析装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】図３は、支線を説明するための図である。
【図４】図４は、支線下部アンカの構成を示す斜視図である。
【図５】図５は、数値解析に用いた構造体モデルとＳＰＨ粒子を説明するための図である。
【図６Ａ】図６Ａは、支線下部アンカの安定板の表面の半分にＳＰＨ粒子が１列乗るときの数値解析結果を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、支線下部アンカの安定板の表面の半分にＳＰＨ粒子が２列乗るときの数値解析結果を示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、支線下部アンカの安定板の表面の半分にＳＰＨ粒子が３列乗るときの数値解析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１６】
本実施形態では、地中構造体の引抜き試験のシミュレーションにおいて、鉄鋼材料など剛な材料を使用した地中構造体をＦＥＭにて扱い、地中構造体の支持体である柔な土壌をＳｍｏｏｔｈｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ（ＳＰＨ）法で扱う。本実施形態では、土壌を粒子で離散化してモデル化し、ＳＰＨ法を適用する。ＳＰＨ法は、各粒子の周囲の空間をカーネル関数の重ね合わせによってスムージングすることにより、連続体的な変形挙動を模擬できる。一方で、地中構造体（ＦＥＭ）と土壌（ＳＰＨ法）との接触判定において、土壌粒子は点として地中構造体側は面として振る舞う。このため、接触力の算出において、接触面上における粒子密度、すなわち粒子径は重要な要素となる。
【００１７】
図１は、本実施形態の解析装置１の構成を示す機能ブロック図である。同図に示す解析装置１は、構造体モデル生成部１１、粒子生成部１２、設定部１３、演算部１４、および表示部１５を備える。解析装置１が備える各部は、中央演算処理装置、記憶装置等を備えたコンピュータにより構成して、各部の処理がプログラムによって実行されるものとしてもよい。このプログラムは解析装置１が備える記憶装置に記憶されており、磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等の記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
【００１８】
構造体モデル生成部１１は、ＣＡＤにより地中構造体をモデル化した構造体モデル（３次元モデル）を生成する。構造体モデル生成部１１は、他の装置で生成した構造体モデルを入力してもよい。構造体モデル生成部１１は、構造体モデルを、ＦＥＭで用いる複数の有限個の要素（メッシュ）に分割する。
【００１９】
粒子生成部１２は、土壌を離散化してモデル化したＳＰＨ粒子を生成し、構造体モデルの周囲に充溢させる。このとき、粒子生成部１２は、後述の演算部１４の処理時間が所定時間内に収まり、かつ、良好な解析結果が得られるよう、ＳＰＨ粒子と構造体モデルとの主たる接触部分にＳＰＨ粒子が適切に接触するように、ＳＰＨ粒子の粒子径を設定する。ＳＰＨ粒子の粒子径が小さいと十分な精度の解析結果が得られるが、処理時間が増大する。ＳＰＨ粒子の粒子径が大きいと正確な解析結果が得られない。本実施形態では、粒子生成部１２は、解析の結果の引抜き抵抗力が過小評価されるような時刻歴結果を示すことが生じることのない最大の粒子径を設定する。
【００２０】
設定部１３は、解析処理に必要な各種パラメータの設定を行う。例えば、要素座標系の設定、材料特性値の設定、境界条件の設定、および外力条件の設定などが挙げられる。
【００２１】
演算部１４は、ＦＥＭとＳＰＨ法を適用して、構造体モデルとＳＰＨ粒子を連成解析する。
【００２２】
表示部１５は、演算部１４による解析結果を表示する。例えば、表示部１５は、ベクトル図、等高線、時刻歴図、アニメーションなどにより解析結果を表示する。
【００２３】
図２を参照し、本実施形態の解析装置１の動作について説明する。
【００２４】
ステップＳ１において、構造体モデル生成部１１は、解析対象の地中構造体の構造体モデルを形成する。
【００２５】
ステップＳ２において、構造体モデル生成部１１は、構造体モデルを複数の有限個の要素に分割する。
【００２６】
ステップＳ３において、粒子生成部１２は、土壌を離散化してモデル化したＳＰＨ粒子を生成し、構造体モデルの周囲に充溢させる。
【００２７】
ステップＳ４において、設定部１３は、解析に必要な各種パラメータを設定する。
【００２８】
ステップＳ５において、演算部１４は、ＦＥＭとＳＰＨ法を適用して、地中構造体の引抜き試験の連成解析を行う。
【００２９】
ステップＳ６において、表示部１５は、解析結果を表示する。
【００３０】
次に、本実施形態の解析装置１により、支線下部アンカの引抜き試験を数値解析した実施例について説明する。
【００３１】
図３に示すように、通信ケーブルを架渉する電柱にかかる力を平衡に保つために、支線を電柱に設置する。支線は、上部支線（鋼より線）と下部支線で構成される。下部支線は、上部支線と直接繋がるロッド部（鋼棒）と地中に埋設されるアンカ本体部で構成される。ロッド部とアンカ本体部とは、ストラップに通したボルトで締結される。アンカ本体部には、ロッド部から引き抜く力が加えられる。
【００３２】
図４に示すように、アンカ本体部１００は、案内板１１０、抵抗板１２０、および安定板１３０の３つの部分からなる。案内板１１０はロッド部に接続される。抵抗板１２０は、面方向に対して垂直に方向板１２１と呼ばれる鋼板が溶接される。抵抗板１２０の安定板１３０側には、安定板受１２２と呼ばれる三角形状の突起台座（鋼板）が存在する。
【００３３】
解析装置１を用いて、ロッド部のループに荷重をかけたときの支線下部アンカの引抜き試験をＳＰＨ粒子の粒子径を変えて数値解析した。
【００３４】
安定板１３０の上面は、支線下部アンカを引抜くときの土壌との主たる接触面となる。安定板１３０の上面が線対称であることから、構造体モデルとして安定板１３０の半分を用いた。半分にした安定板１３０の幅は５０ｍｍである。
【００３５】
半分の安定板１３０の引抜き試験に伴い影響を受けると予想される土壌をモデル化した。図５に、構造体モデルとＳＰＨ粒子の粒子径を３０ｍｍとしたときのＳＰＨ粒子の位置を示す。粒子径を３０ｍｍとすると、幅５０ｍｍの構造体モデル上に２列×１６点のＳＰＨ粒子が乗り、土壌半分が１７列×６７点のＳＰＨ粒子で表現されている。
【００３６】
粒子の間隔（粒子の中心間の距離）は、ほぼ粒子径と同じである。粒子径に応じて粒子の間隔が変わる。粒子径を５０ｍｍ以上とすると、土壌を表現するＳＰＨ粒子の数は減り、構造体モデル上に乗るＳＰＨ粒子は１列以下となる。粒子径を３０ｍｍ未満とすると、土壌を表現するＳＰＨ粒子の数は増え、構造体モデル上に乗るＳＰＨ粒子は３列以上となる。
【００３７】
図６Ａ〜６Ｃに、安定板１３０上に乗るＳＰＨ粒子の列の数を変更した場合の数値解析結果を示す。図６Ａ〜６Ｃのグラフは、ロッド部のループに荷重をかけたときの、その荷重による支線下部アンカの引抜け状況を示す変位との関係を示す。
【００３８】
図６Ａのグラフは、安定板１３０表面上にＳＰＨ粒子が１列乗った場合の数値解析結果である。粒子径を５０ｍｍ以上とした場合、幅が５０ｍｍの安定板１３０の構造体モデルの表面にはＳＨＰ粒子が１列以下乗る。ＳＰＨ粒子径が構造体モデルの幅よりも広い場合、粒子間を構造体モデルがすり抜けるために引き抜き抵抗力が大幅に低下する。ＳＰＨ粒子径が５０ｍｍの場合、ＳＰＨ粒子が構造体モデルの表面に１列以下しか乗らず、引抜きによりアンカ面上での粒子の横滑りが容易に起きる。このため、引抜き抵抗力が過小評価されるような時刻歴結果を示すことが繰り返し生じ正確に計算できない。すなわち、図６Ａに示すように、数値解析結果を示すグラフがガタついてしまう。なお、Ｉｎｔｅｌ  Ｘｅｏｎ  ＣＰＵ  ８コアによる計算実行時間は約２５時間であった。
【００３９】
図６Ｂのグラフは、安定板１３０表面上にＳＰＨ粒子が２列乗った場合の数値解析結果である。粒子径を３０ｍｍ以上５０ｍｍ未満とした場合、図５に示したように、幅が５０ｍｍの安定板１３０の構造体モデルの表面にはＳＰＨ粒子が２列乗る。安定板１３０の構造体モデルの表面にＳＰＨ粒子が２列乗るとき、計算した抵抗力は、下部支線アンカの公称地耐力３０ｋＮと同程度になり、比較的正確である。図６Ｂに示すように、数値解析結果を示すグラフはガタついておらず、引抜き抵抗力が過少評価されるような時刻歴結果を示していない。なお、Ｉｎｔｅｌ  Ｘｅｏｎ  ＣＰＵ  ８コアによる計算実行時間は約４５時間であった。
【００４０】
図６Ｃのグラフは、安定板１３０表面上にＳＰＨ粒子が３列乗った場合の数値解析結果である。粒子径を３０ｍｍ未満とした場合、幅が５０ｍｍの安定板１３０の構造体モデルの表面にはＳＰＨ粒子が３列以上乗る。より粒子径の小さいＳＰＨ粒子でモデル化した土壌は十分な表現力を有しており、引抜き抵抗力は十分な精度をもって計算され得る。しかしながら、土壌半分が図５よりも多数のＳＰＨ粒子で表現されるので、計算量は爆発的に増加することとなる。計算機の能力によっては、非現実的な時間を要することとなり、実用上問題を来す結果となる。なお、Ｉｎｔｅｌ  Ｘｅｏｎ  ＣＰＵ  ８コアによる計算実行時間は１２５時間以上であった。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態によれば、構造体モデル生成部１１が地中構造体をモデル化した構造体モデルを生成し、粒子生成部１２が、解析の結果の引抜き抵抗力が過小評価されるような時刻歴結果を示すことが生じることのない最大のＳＰＨ粒子の径を設定して、地中構造体の支持体である土壌をモデル化したＳＰＨ粒子を生成し、演算部１４が有限要素法とＳＰＨ法により構造体モデルとＳＰＨ粒子を連成解析することにより、地中構造体の引抜き試験を模擬する数値解析において、土壌をモデル化したＳＰＨ粒子の径を適切に設定してモデルの精度と計算量のトレードオフを解決できる。
【符号の説明】
【００４２】
１…解析装置
１１…構造体モデル生成部
１２…粒子生成部
１３…設定部
１４…演算部
１５…表示部
１００…アンカ本体部
１１０…案内板
１２０…抵抗板
１２１…方向板
１２２…安定板受
１３０…安定板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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