(57)【要約】【課題】コンクリートの内部構造に応じた拡散係数の分布を考慮したコンクリート内の物質移動の解析計算を効率的に行えるようにする。【解決手段】コンクリート内のイオン物質の移行を格子ボルツマン法（ＬＢＭ）を用いて解析する。解析対象であるコンクリートの全体構造を表すマクロモデルと、モルタルに対応したスケールのメゾモデルと、セメントペーストに対応したスケールのミクロモデルとを用いる。マクロ解析部３２はマクロモデルについてＬＢＭ解析計算部３８により物質移行解析を行うが、その際、各格子点の拡散係数は、メゾ解析部３４を起動してメゾモデルでの物質移行を解析することにより決定する。同様に、メゾ解析部３４はメゾモデルの各格子点の拡散係数を、ミクロモデル解析部３６を起動してミクロモデルでの物質移行を解析することにより決定する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリート内の物質移行を解析するための装置であって、
解析対象をコンクリート全体のスケールで数値モデル化したマクロモデルと、前記コンクリートを構成するモルタルに対応するスケールで数値モデル化したメゾモデルと、前記モルタルを構成するセメントペーストに対応するスケールで数値モデル化したミクロモデルの入力を受け付けるデータ入力部と、
与えられた数値モデルについて、当該数値モデルの各格子点での拡散係数を用いて物質移行の挙動の解析計算を行う解析計算部と、
前記入力されたマクロモデルを前記解析部に与えて当該マクロモデルでの物質移行を解析するマクロモデル解析部と、
前記入力されたメゾモデルを前記解析部に与えて当該メゾモデルでの物質移行を解析するメゾモデル解析部と、
前記入力されたミクロモデルを前記解析部に与えて当該ミクロモデルでの物質移行を解析するミクロモデル解析部と、を備え、
前記マクロモデル解析部は、前記マクロモデルの各格子点の拡散係数を、各格子点に対応する前記メゾモデルでの領域について前記メゾモデル解析部を起動して物質移行の解析を行わせることにより取得し、
前記メゾモデル解析部は、前記メゾモデルの各格子点の拡散係数を、各格子点に対応する前記ミクロモデルでの領域について前記ミクロモデル解析部を起動して物質移行の解析を行わせることにより取得し、
前記ミクロ解析部は、前記ミクロモデルの各格子点の拡散係数として、セメントペースト及びその中の空隙水について予め記憶された値を用いることを特徴とするコンクリートの物質移行解析装置。
【請求項２】
前記解析計算部は格子ボルツマン法又はこれに基づく解析手法により物質移行を解析することを特徴とする請求項１記載のコンクリートの物質移行解析装置。
【請求項３】
コンクリート内の物質移行を解析するための方法であって、コンピュータが、
解析対象をコンクリート全体のスケールで数値モデル化したマクロモデルと、前記コンクリートを構成するモルタルに対応するスケールで数値モデル化したメゾモデルと、前記モルタルを構成するセメントペーストに対応するスケールで数値モデル化したミクロモデルの入力を受け付けるデータステップと、
与えられた数値モデルについて、当該数値モデルの各格子点での拡散係数を用いて物質移行の挙動の解析計算を行う解析計算ステップと、
前記入力されたマクロモデルを前記解析部に与えて当該マクロモデルでの物質移行を解析するマクロモデル解析ステップと、
前記入力されたメゾモデルを前記解析部に与えて当該メゾモデルでの物質移行を解析するメゾモデル解析ステップと、
前記入力されたミクロモデルを前記解析部に与えて当該ミクロモデルでの物質移行を解析するミクロモデル解析ステップと、を実行し、
前記マクロモデル解析ステップでは、前記マクロモデルの各格子点の拡散係数を、各格子点に対応する前記メゾモデルでの領域について前記メゾモデル解析ステップを実行して物質移行の解析を行わせることにより取得し、
前記メゾモデル解析ステップは、前記メゾモデルの各格子点の拡散係数を、各格子点に対応する前記ミクロモデルでの領域について前記ミクロモデル解析ステップを実行して物質移行の解析を行わせることにより取得し、
前記ミクロ解析ステップでは、前記ミクロモデルの各格子点の拡散係数として、セメントペースト及びその中の空隙水について予め記憶された値を用いることを特徴とするコンクリートの物質移行解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリートでの塩や各種イオン等の物質の移行を解析するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、コンクリート内部での塩素イオン（Ｃｌ−イオン）その他の各種イオン等の物質移行を解析して、コンクリートの劣化を解析する手法が提案されている（例えば非特許文献１等を参照）。非特許文献１に開示される手法では、コンクリートの拡散係数等の物性値や境界条件を入力し、それらの入力データに基づいて任意の時間及び任意の位置における物質の濃度分布等を計算する。
【非特許文献１】鹿島建設株式会社、”１００年先のコンクリート劣化を高い精度で解析”、［online］、平成１５年５月８日検索、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.kajima.co.jp/news/press/200211/15c1to-j.htm＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
コンクリートは、セメントペースト、粗骨材、細骨材等からなり、さらに、内部には微細なクラックを含むという複雑な微細構造を有している。また、コンクリート内での物質の移動のし易さを示す拡散係数の値は、それらの各構造部分によって異なっている。したがって、コンクリート中の物質移行を正確に解析するには、コンクリートの各構造部分毎の拡散係数を考慮した解析計算を行うことが必要である。しかしながら、上記非特許文献１では、拡散係数に関して、コンクリートの物性値として例えば拡散係数を入力することが開示されているのみであり、コンクリート全体の拡散係数が一様であると扱って計算しているものと考えられる。このように拡散係数を一様とみなして計算した場合には、解析計算結果が実際の物質移行の挙動に合うように、経験的に求められた補正係数を用いざるを得ないが、そのような補正係数を正確に求めること自体が難しい。
【０００４】
また、コンクリートの微細構造を考慮するため、例えば有限要素法や境界要素法等で解析計算を行うにあたり解析対象であるコンクリートをミクロンオーダの微細な要素へ分割することも考えられる。しかし、要素が微細になるほど、計算に必要な記憶領域が膨大になると共に計算時間も長くかかるようになり、解析効率が低下してしまう。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、コンクリートの内部構造に応じた拡散係数の分布を考慮したコンクリート内の物質移動の解析計算を効率的に行えるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、  コンクリート内の物質移行を解析するための装置であって、
解析対象をコンクリート全体のスケールで数値モデル化したマクロモデルと、前記コンクリートを構成するモルタルに対応するスケールで数値モデル化したメゾモデルと、前記モルタルを構成するセメントペーストに対応するスケールで数値モデル化したミクロモデルの入力を受け付けるデータ入力部と、
与えられた数値モデルについて、当該数値モデルの各格子点での拡散係数を用いて物質移行の挙動の解析計算を行う解析計算部と、
前記入力されたマクロモデルを前記解析部に与えて当該マクロモデルでの物質移行を解析するマクロモデル解析部と、
前記入力されたメゾモデルを前記解析部に与えて当該メゾモデルでの物質移行を解析するメゾモデル解析部と、
前記入力されたミクロモデルを前記解析部に与えて当該ミクロモデルでの物質移行を解析するミクロモデル解析部と、を備え、
前記マクロモデル解析部は、前記マクロモデルの各格子点の拡散係数を、各格子点に対応する前記メゾモデルでの領域について前記メゾモデル解析部を起動して物質移行の解析を行わせることにより取得し、
前記メゾモデル解析部は、前記メゾモデルの各格子点の拡散係数を、各格子点に対応する前記ミクロモデルでの領域について前記ミクロモデル解析部を起動して物質移行の解析を行わせることにより取得し、
前記ミクロ解析部は、前記ミクロモデルの各格子点の拡散係数として、セメントペースト及びその中の空隙水について予め記憶された値を用いることを特徴とする。
【０００７】
本発明の一態様において、前記解析計算部は格子ボルツマン法又はこれに基づく解析手法により物質移行を解析する。
【０００８】
また、本発明は、コンクリート内の物質移行を解析するための方法であって、コンピュータが、
解析対象をコンクリート全体のスケールで数値モデル化したマクロモデルと、前記コンクリートを構成するモルタルに対応するスケールで数値モデル化したメゾモデルと、前記モルタルを構成するセメントペーストに対応するスケールで数値モデル化したミクロモデルの入力を受け付けるデータステップと、
与えられた数値モデルについて、当該数値モデルの各格子点での拡散係数を用いて物質移行の挙動の解析計算を行う解析計算ステップと、
前記入力されたマクロモデルを前記解析部に与えて当該マクロモデルでの物質移行を解析するマクロモデル解析ステップと、
前記入力されたメゾモデルを前記解析部に与えて当該メゾモデルでの物質移行を解析するメゾモデル解析ステップと、
前記入力されたミクロモデルを前記解析部に与えて当該ミクロモデルでの物質移行を解析するミクロモデル解析ステップと、を実行し、
前記マクロモデル解析ステップでは、前記マクロモデルの各格子点の拡散係数を、各格子点に対応する前記メゾモデルでの領域について前記メゾモデル解析ステップを実行して物質移行の解析を行わせることにより取得し、
前記メゾモデル解析ステップは、前記メゾモデルの各格子点の拡散係数を、各格子点に対応する前記ミクロモデルでの領域について前記ミクロモデル解析ステップを実行して物質移行の解析を行わせることにより取得し、
前記ミクロ解析ステップでは、前記ミクロモデルの各格子点の拡散係数として、セメントペースト及びその中の空隙水について予め記憶された値を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、コンクリートの内部構造に応じた拡散係数の分布を考慮したコンクリート内の物質移動の解析計算を効率的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態である物質移行解析装置について説明する。  
図１は、本発明の一実施形態に係わる物質移行解析装置１０の構成図であり、図２は、物質移行解析装置１０の機能ブロック図である。
【００１１】
図１に示す如く、物質移行解析装置１０は、ＣＰＵ１２、ＲＯＭやＲＡＭから構成されるメモリ１４、ハードディスク等の外部記憶装置１６、キーボードやマウス等の入力装置１８、液晶やＣＲＴ等のディスプレイ装置２０等を備えるコンピュータシステムにより構成されている。
【００１２】
図２に示す如く、物質移行解析装置１０は、データ入力部３０、マクロ解析部３２、メゾ解析部３４、ミクロ解析部３６、およびＬＢＭ解析計算部３８の各機能部と、モデルデータベース４０、モルタル関連データベース４２、骨材関連データベース４４、および基本データベース４６の各データベース部とを備えている。機能部３０〜３８は、ＣＰＵ１２が外部記憶装置１６にインストールされた解析プログラムをメモリ１４に読み出して実行することにより実現され、また、データベース４０〜４６は外部記憶装置１６上に設けられている。
【００１３】
本実施形態の物質移行解析装置１０は、解析対象であるコンクリート内での物質（例えばＣｌ−やＣａ＋などのイオン）の移行を、周知の格子ボルツマン法（ＬＢＭ：Lattice Boltzmann Method）又はこの格子ボルツマン法に基づいて発展した解析手法を用いて解析する。格子ボルツマン法は、解析対象を、２次元であれば三角形又は長方形の、３次元であれば直方体のメッシュに区画し、各格子点とそれに隣接する格子点との間での物質の流れに関する関係式を用いた解析手法であり、主に流体解析の分野で一般的に用いられている。なお、格子ボルツマン法についての詳細は、例えば、蔦原道久他２名、「格子気体法・格子ボルツマン法−新しい数値流体力学の手法−」、初版、コロナ社、１９９９年９月１０日発行を参照のこと。
【００１４】
格子ボルツマン法により物質移行を解析する際には、物質の拡散係数の値が必要となる。上述したように、解析対象がコンクリートである場合、コンクリートはセメントペースト内に細骨材および粗骨材が混入されており、さらに、内部にクラックを含むことが多く、各構成部分によって拡散係数の値は大きく異なっている。したがって、コンクリート全体が一様な拡散係数を有するとみなして計算することは妥当ではなく、コンクリートの内部構造に応じて、セメントペーストや細骨材・粗骨材の夫々の拡散係数を用い、さらにクラックについてはその内部に充満する水の拡散係数を用いて計算するべきである。
【００１５】
一般に、コンクリートに含まれる粗骨材はメートルオーダの構造を有し、細骨材を含んだモルタルはミリメートルオーダの構造を有し、モルタルを構成するセメントペーストはミクロンオーダの構造を有する。そこで、本実施形態では、解析対象であるコンクリートについて、コンクリート全体、モルタル、及びセメントペーストに夫々対応したメートルオーダ、ミリメートルオーダ、及びミクロンオーダの３つのスケールの数値モデル（本発明において、夫々、ミクロモデル、メゾモデル、およびマクロモデルと称する）を入力し、これらのモデルを用いて、計算量やデータ記憶量の増大を招くことなく、コンクリートの内部構造を反映した正しい拡散係数を用いて物質移行解析を正確に行えるようにしている。
【００１６】
すなわち、図３に示すように、マクロ解析部３２がマクロモデルについてＬＢＭ解析計算を行う際には、マクロモデルの各格子点での拡散係数として、各格子点に該当するメゾモデルでの領域についてメゾ解析部３４によるＬＢＭ解析計算にで得られた値を用い、メゾモデルについてＬＢＭ解析計算を行う際には、メゾモデルの各格子点の拡散係数として、マイクロモデルで各格子点に該当する領域についてミクロ解析部３６によりＬＢＭ解析計算で得られた値を用いるようにしている。こうすることにより、ＬＢＭ解析計算を行なう際の要素数を増大させることなく（つまり、計算量や記憶容量を増大させることなく）、コンクリートの内部構造を考慮した正確な物質移動解析を行うことが可能となる。
【００１７】
データ入力部３０は、解析対象であるコンクリートのミクロモデル、メゾモデル、およびマクロモデルを表すモデルデータ、移動を解析しようとする各物質のマクロモデル上での初期濃度分布、初期流速分布、コンクリートの環境条件（例えば、コンクリートの周囲の水およびその流速の分布等）等のデータの入力を入力装置１８から受け付ける。入力されたモデルデータはモデルデータベース４０に格納される。なお、コンクリートのミクロモデルおよびメゾモデルのデータは、例えば、コンクリートについてＸ線ＣＴ撮影を行うことにより得ることができ、また、マクロモデルのデータは例えばコンクリートの設計データ等に基づいて得ることができる。
【００１８】
図４にマクロモデルのデータの一例を示す。同図に示すように、マクロモデルでは、コンクリート内のモルタル６０内での鉄筋６２及び粗骨材６４の配置と、コンクリートの環境条件（周囲の空気６６や水の分布）が表される。
【００１９】
マクロ解析部３２は、データ入力部３０で入力されモデルデータベース４０に格納されたマクロモデルのデータに基づいて、ＬＢＭによりコンクリート内の物質移動（より具体的には、コンクリート内の物質濃度分布の時間変化）を解析計算する。ＬＢＭによる解析計算は、ＬＢＭ解析計算部３８により実行されるが、その際、コンクリート内での物質の拡散係数が必要となる。本実施形態では、上述の通り、メゾ解析部３４およびミクロ解析部３６によるＬＢＭ解析結果に基づいて得られた拡散係数を用いることで、コンクリートの内部構造を反映した正しい物質移動解析を行えるようになっている。
【００２０】
モルタル関連データベース４２には、上記のようにメゾ解析部３４及びミクロ解析部３６により計算された、コンクリートのメゾ構造及びマイクロ構造を考慮した拡散係数のデータが蓄積されていく。また、骨材関連データベース４４には、各種粗骨材・細骨材の拡散係数が予め格納されている。さらに、基本データベース４６には、セメントペースト及び水について各種物質の拡散係数が予め格納されている。
【００２１】
図５は、マクロ解析部３２、メゾ解析部３４、及びミクロ解析部３６による計算処理をより詳細に示す。
【００２２】
先ず、マクロ解析部３２の処理内容を説明する。図５に示すように、マクロ解析部３２は、モデルデータベース４０からマクロモデルのデータを読み出し（Ｓ１００）、このマクロモデルの格子点のうち、モルタルに該当する格子点についての拡散係数をモルタル関連データベース４２に問い合わせる（Ｓ１０２）。そして、問い合わせのあった格子点と同じ状態での拡散係数が登録済みであれば、その値を読み出し（Ｓ１０４）、一方、登録済みでなければ、メゾ解析部３４を起動し、そのモルタル状態での物質移動を解析させて拡散係数を計算させる（Ｓ１０６）。計算された拡散係数はモルタル状態を示すデータと共にモルタル関連データベース４２に格納される。ここで、格子点と同じモルタル状態とは、例えば、コンクリートの変質度合いやクラックの発生状況が同じ場合であり、格子点と同じ状態かどうかは、格子点でのイオン濃度の値および格子点に該当するメゾモデルおよびマイクロモデルの領域でのクラックの分布に基づいて判断される。また、マクロ解析部３２は、粗骨材に該当する格子点についての拡散係数を骨材関連データベース４４から取得する（Ｓ１０８）。
【００２３】
以上のように各格子点の拡散係数が得られたら、次に、それら拡散係数の値をパラメータとしてＬＢＭ解析計算部３８を起動し、所定の微小時間Δｔ後における各格子点でのイオン濃度を計算させる（Ｓ１１４）。なお、上記Ｓ１０２〜Ｓ１１４の処理は、各種物質について夫々独立に行われる。次に、計算時点ＴがΔｔだけ増加させられて、計算時点Ｔが所定の目標時期に達したか否かが判別される（Ｓ１１６）。その結果、目標時期に達していれば計算結果がディスプレイ装置２０へ表示出力される（Ｓ１１８）。すなわち、コンクリート中の各物質（イオン）の濃度分布の時間変化や、それら濃度分布に基づいて判断されたコンクリートの劣化度合いが例えばグラフィック表示される。一方、目標時期に達していなければ、各格子点でのＣａ＋イオン濃度に基づいて、隣接する格子点でのＣａ＋イオン濃度の勾配からＣａ＋イオンが溶解するかどうかが判定され、Ｃａ＋イオンが溶解したと判定された格子点が空隙に変更（Ｓ１２０）された後、上記Ｓ１０２以降の処理が繰り返される。
【００２４】
メゾ解析部３４は、上記のようにマクロ解析部３２により起動されると（Ｓ１０６）、拡散係数が要求された格子点に該当するメゾモデル（すなわちモルタルに対応するモデル）をモデルデータベース４０から読み出す（Ｓ１５０）。そして、読み出したメゾモデルの各格子点のうち、モルタルに該当する格子点について、ミクロ解析部３６を起動し、マクロ解析部３２から指示されたモルタル状態での物質移動をＬＢＭにより解析して拡散係数を計算させる（Ｓ１５２）。また、メゾ解析部３４は、細骨材に該当する格子点についての拡散係数を骨材関連データベース４４から取得する（Ｓ１５４）。こうして各格子点の拡散係数が得られたら、次に、それら拡散係数の値をパラメータとしてＬＢＭ解析計算部３８を起動して、所定の微小時間Δｔ後における各格子点でのイオン濃度を計算させ（Ｓ１５６）、その結果に基づいて、拡散係数を決定してマクロ解析部３２へ返す（Ｓ１５８）。
【００２５】
ミクロ解析部３６は、上記のようにメゾ解析部３４により起動されると（Ｓ１５２）、拡散係数が要求された格子点に該当するミクロモデル（すなわちセメントペーストに対応するモデル）をモデルデータベース４０から読み出す（Ｓ１７０）。そして、読み出したミクロモデルの格子点のうちセメントペーストに該当する各格子点について、基本情報データベース４６からセメントペーストの拡散係数を読み出す（Ｓ１７２）と共に、クラックに該当する各格子点について、基本情報データベース４６から、クラックに充満する間隙水の拡散係数を読み出す（Ｓ１７４）。次に、それらの拡散係数の値をパラメータとしてＬＢＭ解析計算部３８を起動して、所定の微小時間Δｔ後における各格子点でのイオン濃度を計算させ（Ｓ１７６）、その結果に基づき拡散係数を決定してメゾ解析部３４へ返す（Ｓ１７８）。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態では、マクロモデルの各格子点での拡散係数を、メゾモデルでの物質移行解析を行うことにより計算し、メゾモデルの各格子点での拡散係数をミクロモデルでの物質移行解析を行うことにより計算するという異なる３つのスケールのモデルを用いて階層的に物質移行解析を行うことで、マクロモデルにおいて格子点の数を増大させることなく、メゾモデルおよびミクロモデルで表されるコンクリートの微細構造を反映した正確な物質移行解析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係わる物質移行解析装置１０の構成図である。
【図２】本実施形態の物質移行解析装置の機能ブロック図である。
【図３】本実施形態においてマクロモデル、メゾモデル、ミクロモデルを用いた解析計算の原理を説明するための図である。
【図４】マクロモデルのデータの一例を示す図である。
【図５】マクロ解析部、メゾ解析部、及びミクロ解析部による計算処理を詳細に示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  物質移行解析装置
１２  ＣＰＵ
１４  メモリ
１６  外部記憶装置
１８  入力装置
２０  ディスプレイ装置
３０  データ入力部
３２  マクロ解析部
３４  メゾ解析部
３６  ミクロ解析部
３８  ＬＢＭ解析計算部
４０  モデルデータベース
４２  モルタル関連データベース
４４  骨材関連データベース
４６  基本データベース
【図１】
2005071036.tif 000003
【図２】
2005071036.tif 000004
【図５】
2005071036.tif 000005
【図３】
2005071036.tif 000006
【図４】
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