(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定であって、少なくとも膨張材の種類及び混和量に応じた膨張ひずみ値であって拘束体の長さ変化率を示す膨張ひずみ値を含む設定と鉄筋コンクリート部材の断面に関する設定とを受け付ける受付手段と、
前記受付手段により受け付けられた設定の膨張ひずみ値に基づいて、部材断面を所定の方向に対して分割し、断面内のコンクリートの膨張力と拘束体の引張力との釣り合い条件から断面内のひずみ分布及び応力分布の少なくともいずれかを解析する解析手段と、
前記解析手段の解析結果による、部材断面内のコンクリートの膨張力によるひずみ分布及び応力分布を受け付けて解析する積層モデルを用いて、鉄筋コンクリート部材の曲げ耐力及び軸方向耐力の少なくともいずれかを算出する曲げ耐力／軸方向耐力算出手段と
を有する鉄筋コンクリート部材の設計支援装置。
【請求項２】
膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定であって、少なくとも膨張材の種類及び混和量に応じた膨張ひずみ値であって拘束体の長さ変化率を示す膨張ひずみ値を含む設定と鉄筋コンクリート部材の断面に関する設定とを受け付ける受付手段と、
前記受付手段により受け付けられた設定の膨張ひずみ値に基づいて、部材断面を所定の方向に対して分割し、断面内のコンクリートの膨張力と拘束体の引張力との釣り合い条件から断面内のひずみ分布及び応力分布の少なくともいずれかを解析する解析手段と、
前記解析手段の解析結果による、部材断面内のコンクリートの膨張力によるひずみ分布及び応力分布を受け付けて解析する積層モデルを用いて、鉄筋コンクリート部材の断面応力度を算出する断面応力度算出手段と
を有する鉄筋コンクリート部材の設計支援装置。
【請求項３】
膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定であって、少なくとも膨張材の種類及び混和量に応じた膨張ひずみ値であって拘束体の長さ変化率を示す膨張ひずみ値を含む設定と鉄筋コンクリート部材の断面に関する設定とを受け付ける受付手段と、
前記受付手段により受け付けられた設定の膨張ひずみ値に基づいて、部材断面を所定の方向に対して分割し、断面内のコンクリートの膨張力と拘束体の引張力との釣り合い条件から断面内のひずみ分布及び応力分布の少なくともいずれかを解析する解析手段と、
前記解析手段の解析結果による、部材断面内のコンクリートの膨張力によるひずみ分布及び応力分布を受け付けて解析する積層モデルを用いて、鉄筋コンクリート部材のひび割れ幅を算出するひび割れ幅算出手段と
を有する鉄筋コンクリート部材の設計支援装置。
【請求項４】
鉄筋コンクリート部材のせん断耐力を算出するせん断耐力算出手段
をさらに有する請求項１から３のいずれかに記載の鉄筋コンクリート部材の設計支援装置。
【請求項５】
膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定であって、少なくとも膨張材の種類及び混和量に応じた膨張ひずみ値であって拘束体の長さ変化率を示す膨張ひずみ値を含む設定と鉄筋コンクリート部材の断面に関する設定とを受け付け、
前記受け付けられた設定の膨張ひずみ値に基づいて、部材断面を所定の方向に対して分割し、断面内のコンクリートの膨張力と拘束体の引張力との釣り合い条件から断面内のひずみ分布及び応力分布の少なくともいずれかを解析し、
前記解析の解析結果による、部材断面内のコンクリートの膨張力によるひずみ分布及び応力分布を受け付けて解析する積層モデルを用いて、鉄筋コンクリート部材の曲げ耐力及び軸方向耐力の少なくともいずれかを算出する
鉄筋コンクリート部材の設計支援方法。
【請求項６】
前記解析結果に基づいて、試験用部材の長さ変化率を推定する
請求項５に記載の鉄筋コンクリート部材の設計支援方法。
【請求項７】
前記推定された長さ変化率に基づいて、膨張材の混和量を算出する
請求項６に記載の鉄筋コンクリート部材の設計支援方法。
【請求項８】
コンピュータを含む鉄筋コンクリート部材の設計支援装置において、
膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定であって、少なくとも膨張材の種類及び混和量に応じた膨張ひずみ値であって拘束体の長さ変化率を示す膨張ひずみ値を含む設定と鉄筋コンクリート部材の断面に関する設定とを受け付ける受付ステップと、
前記受け付けられた設定の膨張ひずみ値に基づいて、部材断面を所定の方向に対して分割し、断面内のコンクリートの膨張力と拘束体の引張力との釣り合い条件から断面内のひずみ分布及び応力分布の少なくともいずれかを解析する解析ステップと、
前記解析手段の解析結果による、部材断面内のコンクリートの膨張力によるひずみ分布及び応力分布を受け付けて解析する積層モデルを用いて、鉄筋コンクリート部材の曲げ耐力及び軸方向耐力の少なくともいずれかを算出する曲げ耐力／軸方向耐力算出ステップと
を前記コンピュータに実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄筋コンクリート部材の設計支援装置、設計支援方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄筋コンクリート部材の設計は、許容応力度設計法が中心的な位置を占めてきた。近年、土木学会発刊の「コンクリート標準示方書」の改訂が行われ、鉄筋コンクリート部材の設計は、鉄筋コンクリート構造物の性能を照査することを原則とした設計形態に移行した。その一つの手段である限界状態設計法は、通常のコンクリートを対象とする。
一方、建築分野では「住宅の品質確保の促進などに関する法律」が制定されたことなどから、コンクリートのひび割れ制御に対する関心が高まっており、コンクリート構造物のひび割れ抑制を目的とした膨張コンクリートが注目されている。
コンクリート用膨張材又は膨張コンクリートに関する研究は、精力的に行われている。例えば、非特許文献１では、膨張コンクリートを用いた部材における膨張分布の推定方法が開示されている。
近年では、例えば、膨張コンクリートを用いた鉄筋コンクリート構造物の適用用途として、場所打ちコンクリートでは、建築の基礎、スラブ、土間、橋脚、壁高欄、床版、覆工コンクリート、海洋構造物、マスコンクリートなどが挙げられる。また、例えば、コンクリート製品用途では、ボックスカルバート、ヒューム管、よう壁、Ｕ字溝などが挙げられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】辻幸和、前山光宏、「膨張コンクリートを用いた部材における膨張分布の推定方法」、セメント技術年報、１９７７年、ＸＸＸＩ、ｐ．２３１−２３３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１に開示された推定方法は、理論的なものであり、この推定方法を現実の断面設計に適用することは、計算が煩雑であることから困難であった。
本発明は、膨張コンクリートの限界状態設計を容易に行うことができる鉄筋コンクリート部材の設計支援装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明に係る鉄筋コンクリート部材の設計支援装置は、膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定であって、少なくとも膨張材の種類及び混和量に応じた膨張ひずみ値であって拘束体の長さ変化率を示す膨張ひずみ値を含む設定と鉄筋コンクリート部材の断面に関する設定とを受け付ける受付手段と、前記受付手段により受け付けられた設定の膨張ひずみ値に基づいて、部材断面を所定の方向に対して分割し、断面内のコンクリートの膨張力と拘束体の引張力との釣り合い条件から断面内のひずみ分布及び応力分布の少なくともいずれかを解析する解析手段と、前記解析手段の解析結果による、部材断面内のコンクリートの膨張力によるひずみ分布及び応力分布を受け付けて解析する積層モデルを用いて、鉄筋コンクリート部材の曲げ耐力及び軸方向耐力の少なくともいずれかを算出する曲げ耐力／軸方向耐力算出手段とを有する。
また、本発明に係る鉄筋コンクリート部材の設計支援装置は、膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定であって、少なくとも膨張材の種類及び混和量に応じた膨張ひずみ値であって拘束体の長さ変化率を示す膨張ひずみ値を含む設定と鉄筋コンクリート部材の断面に関する設定とを受け付ける受付手段と、前記受付手段により受け付けられた設定の膨張ひずみ値に基づいて、部材断面を所定の方向に対して分割し、断面内のコンクリートの膨張力と拘束体の引張力との釣り合い条件から断面内のひずみ分布及び応力分布の少なくともいずれかを解析する解析手段と、前記解析手段の解析結果による、部材断面内のコンクリートの膨張力によるひずみ分布及び応力分布を受け付けて解析する積層モデルを用いて、鉄筋コンクリート部材の断面応力度を算出する断面応力度算出手段とを有する。
また、本発明に係る鉄筋コンクリート部材の設計支援装置は、膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定であって、少なくとも膨張材の種類及び混和量に応じた膨張ひずみ値であって拘束体の長さ変化率を示す膨張ひずみ値を含む設定と鉄筋コンクリート部材の断面に関する設定とを受け付ける受付手段と、前記受付手段により受け付けられた設定の膨張ひずみ値に基づいて、部材断面を所定の方向に対して分割し、断面内のコンクリートの膨張力と拘束体の引張力との釣り合い条件から断面内のひずみ分布及び応力分布の少なくともいずれかを解析する解析手段と、前記解析手段の解析結果による、部材断面内のコンクリートの膨張力によるひずみ分布及び応力分布を受け付けて解析する積層モデルを用いて、鉄筋コンクリート部材のひび割れ幅を算出するひび割れ幅算出手段とを有する。
【０００６】
好適には、鉄筋コンクリート部材のせん断耐力を算出するせん断耐力算出手段をさらに有する。
【０００７】
また、本発明に係る鉄筋コンクリート部材の設計支援方法は、膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定であって、少なくとも膨張材の種類及び混和量に応じた膨張ひずみ値であって拘束体の長さ変化率を示す膨張ひずみ値を含む設定と鉄筋コンクリート部材の断面に関する設定とを受け付け、前記受け付けられた設定の膨張ひずみ値に基づいて、部材断面を所定の方向に対して分割し、断面内のコンクリートの膨張力と拘束体の引張力との釣り合い条件から断面内のひずみ分布及び応力分布の少なくともいずれかを解析し、前記解析の解析結果による、部材断面内のコンクリートの膨張力によるひずみ分布及び応力分布を受け付けて解析する積層モデルを用いて、鉄筋コンクリート部材の曲げ耐力及び軸方向耐力の少なくともいずれかを算出する。
好適には、前記解析結果に基づいて、試験用部材の長さ変化率を推定する。
好適には、前記推定された長さ変化率に基づいて、膨張材の混和量を算出する。
【０００８】
さらに、本発明に係るプログラムは、コンピュータを含む鉄筋コンクリート部材の設計支援装置において、膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定であって、少なくとも膨張材の種類及び混和量に応じた膨張ひずみ値であって拘束体の長さ変化率を示す膨張ひずみ値を含む設定と鉄筋コンクリート部材の断面に関する設定とを受け付ける受付ステップと、前記受け付けられた設定の膨張ひずみ値に基づいて、部材断面を所定の方向に対して分割し、断面内のコンクリートの膨張力と拘束体の引張力との釣り合い条件から断面内のひずみ分布及び応力分布の少なくともいずれかを解析する解析ステップと、前記解析手段の解析結果による、部材断面内のコンクリートの膨張力によるひずみ分布及び応力分布を受け付けて解析する積層モデルを用いて、鉄筋コンクリート部材の曲げ耐力及び軸方向耐力の少なくともいずれかを算出する曲げ耐力／軸方向耐力算出ステップとを前記コンピュータに実行させる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、膨張コンクリートの限界状態設計を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る鉄筋コンクリート部材の設計支援装置１０のハードウェア構成を示す図である。
【図２】設計支援装置１０の表示装置２０に表示されるメイン画面１００を示す図である。
【図３】断面設定処理において表示される断面入力画面１２０を示す図である。
【図４】膨張材タブが選択された場合における断面設定処理において表示される断面入力画面１２０を示す図である。
【図５】照査設定処理において表示される照査条件の設定画面１３０を示す図である。
【図６】断面入力画面１２０において、膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定及び鉄筋コンクリート部材の断面に関する設定が入力され、解析されたひずみの分布表示画面１４０である。
【図７】安全性の判定処理において表示される検討結果画面１５０を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る設計支援装置１０上で動作する断面設計支援プログラム２００の機能構成を示す図である。
【図９】ＪＩＳ  Ａ  ６２０２  Ｂ法により測定された膨張材の単位量と長さ変化率との関係を例示する図である。
【図１０】仕事量一定則に基づいて、鉄筋が断面に対して高さ方向に非対称に配置される場合における鉄筋コンクリート部材に導入されたケミカルプレストレスの推定手法を説明する図であって、図１０（Ａ）は断面を示し、図１０（Ｂ）は、ケミカルプレストレインの分布を示し、図１０（Ｃ）は、ケミカルプレストレスの分布及び鋼材の応力分布を示す。
【図１１】解析部２０８による内部ひずみの解析処理を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の実施形態に係る設計支援装置１０により用いられる積層モデルの概念を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態における積層モデルに適用される部材の応力ひずみモデルを示し、図１３（Ａ）はコンクリートの応力ひずみモデルを示し、図１３（Ｂ）は鉄筋の応力ひずみモデルを示す。
【図１４】デコンプレッションモーメントを説明する図である。
【図１５】本発明の実施形態に係る設計支援装置１０の全体動作（Ｓ２０）を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る鉄筋コンクリート部材の設計支援装置１０のハードウェア構成を示す図である。
図１に示すように、設計支援装置１０は、ＣＰＵ１２、メモリ１４、ハードディスク駆動装置等の記憶装置１６、ネットワークを介して外部のコンピュータ等（不図示）とデータの通信を行う通信装置１８、液晶ディスプレイ等の表示装置２０、及びキーボードやマウス等の入力装置２２を有する。これらの構成要素は、バス２４を介して互いに接続されている。
【００１２】
次に、図２乃至図７を用いて、設計支援装置１０のＣＰＵ１２により表示装置２０に表示される操作画面を説明する。
図２は、設計支援装置１０の表示装置２０に表示されるメイン画面１００を示す図である。
図２に示すように、メイン画面１００には、断面設定ボタン１０２、照査設定ボタン１０４、解析ボタン１０６、安全性の検討ボタン１０８、使用性の検討ボタン１１０及び体積変化分布ボタン１１２が含まれる。なお、本実施形態では、これらの構成要素はボタンとして実現されているが、実行される機能を指示する手段であればよく、ボタンに限定されない。
【００１３】
鉄筋コンクリート部材の設計支援は、プリ処理、解析及びポスト処理から構成される。プリ処理には、断面設定処理及び照査設定処理が含まれ、ポスト処理には、安全性の判定処理及び使用性の判定処理が含まれる。
【００１４】
メイン画面１００において、断面設定ボタン１０２が押下されると、断面設定処理が実行される。照査設定ボタン１０４が押下されると、照査設定処理が実行される。同様にして、解析ボタン１０６、安全性の検討ボタン１０８、使用性の検討ボタン１１０が押下されると、それぞれ解析処理、安全性の判定処理、使用性の判定処理が実行される。また、体積変化分布ボタン１１２が押下されると、コンクリートの膨張特性及び収縮特性の少なくともいずれかに起因する断面応力度の分布が表示される。
【００１５】
図３は、断面設定処理において表示される断面入力画面１２０を示す図である。
図３に示すように、断面入力画面１２０には、断面選択部１２２、設定内容選択部１２４、設定値入力部１２６及びプレビュー部１２８が含まれる。断面入力画面１２０は、メイン画面１００において断面設定ボタン１０２が押下されると表示装置２０に表示される。
【００１６】
断面選択部１２２は、設定する断面を選択するための選択手段であり、例えばボタンにより実現される。本実施形態では、断面選択部１２２により、断面１〜断面５から１の断面が選択される。したがって、本実施形態に係る設計支援装置１０は、設定された５断面を同時に判定することができる。
【００１７】
設定内容選択部１２４は、断面形状、主筋、コンクリート、膨張材、せん断補強筋及び材料係数のいずれかを選択するための手段であり、例えばタブにより実現される。設定値入力部１２６は、設定内容選択部１２４において選択された項目に関する設定値を入力するための手段である。例えば、設定内容選択部１２４において「主筋」が選択されると、鉄筋１及び鉄筋２に関する設定値が入力可能となる。プレビュー部１２８には、設定値入力部１２６において入力された設定値を反映する断面が模式的に表示される。
【００１８】
なお、選択可能な断面数、設定可能な鉄筋数及び設定項目は、本例に限定されない。また、画面構成も本例に限定されない。
【００１９】
図４は、膨張材タブが選択された場合における断面設定処理において表示される断面入力画面１２０を示す図である。
図４に示すように、断面入力画面１２０の設定内容選択部１２４において膨張材タブが選択された場合、膨張材に関する設定、より具体的には、膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定が入力可能となる。本実施形態では、基準となる膨張ひずみの値（ＪＩＳ  Ａ６２０２  Ａ法又はＢ法の値）が入力される。なお、この値は、後述する試験用部材の拘束鋼材の長さ変化率εsである。また、入力される値は、本例に限定されず、例えばＪＩＳデータに準拠して得られた値であってもよい。
【００２０】
図５は、照査設定処理において表示される照査条件の設定画面１３０を示す図である。
図５に示すように、照査条件の設定画面１３０には、終局限界条件入力部１３２及び使用限界条件入力部１３４が含まれる。照査条件の設定画面１３０は、メイン画面１００において照査設定ボタン１０４が押下されると表示装置２０に表示される。
【００２１】
終局限界条件入力部１３２は、終局限界の状態における設計曲げモーメント、設計軸力及び設計せん断力などの設計断面力を入力するための手段である。使用限界条件入力部１３４は、使用限界における設計断面力を入力するための手段である。このような入力手段を介して、照査条件が入力される。
【００２２】
照査条件として、例えば５ケースが入力可能である。したがって、本実施形態に係る設計支援装置１０は、断面入力画面１２０において入力される５断面と組み合わせることにより、２５パターンの照査を同時に行うことができる。なお、照査条件で入力する各設計断面力は、各限界状態に限定されるものではない。
【００２３】
図６は、断面入力画面１２０において、膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定及び鉄筋コンクリート部材の断面に関する設定が入力され、解析されたひずみの分布表示画面１４０である。
分布表示画面１４０は、解析処理が実行された後、メイン画面１００において体積変化分布ボタン１１２が押下されると表示装置２０に表示される。図６に示すように、分布表示画面１４０には、検討断面選択部１４２、計算結果表示部１４４、コンクリートの特性に基づく応力分布を表示する応力分布表示部１４６及びコンクリートの特性に基づくひずみ分布を表示するひずみ分布表示部１４８が含まれる。
【００２４】
コンクリートの特性には、例えば、膨張コンクリートによる膨張ひずみ、自己収縮ひずみなどがある。膨張ひずみは、例えば、膨張材の種類、混和量、コンクリート配合、養生などの条件により変動する。なお、当該条件は、これらに限定されず、例えば、ＪＩＳ  Ａ  ６２０２に準じて計測される値が用いられてもよい。また、コンクリートの特性により導入された応力は、膨張コンクリートの場合には「ケミカルプレストレス」となり、コンクリートの特性により導入されたひずみは「ケミカルプレストレイン」となる。
【００２５】
検討断面選択部１４２は、断面入力画面１２０において設定された断面のいずれかを選択するための選択手段である。検討断面選択部１４２において断面が選択されると、この断面に関する計算結果等が、計算結果表示部１４４、応力分布表示部１４６及びひずみ分布表示部１４８に表示される。なお、解析方法については、後で詳述する。
【００２６】
図７は、安全性の判定処理において表示される検討結果画面１５０を示す図である。
図７に示すように、検討結果画面１５０には、条件選択部１５２及び結果表示部１５４が含まれる。検討結果画面１５０は、解析処理が実行された後、メイン画面１００において安全性の検討ボタン１０８が押下されると表示装置２０に表示される。
【００２７】
条件選択部１５２は、断面入力画面１２０において入力される断面及び照査条件の設定画面において設定されたケースを選択するための選択手段である。結果表示部１５４には、条件選択部１５２において選択された条件の下における計算結果及び安全性の判定結果が表示される。
【００２８】
なお、図７に示される検討結果画面１５０には、曲げモーメントと軸方向力とを受ける場合に関する結果が表示されているが、せん断力に関する計算結果及び安全性の判定結果も同様にして表示される。また、使用性に関する計算結果及び判定結果（例えば、ひび割れ幅や変形量）は、メイン画面１００において使用性の検討ボタン１１０が押下されると表示される。
【００２９】
次に、上述した鉄筋コンクリート部材の設計支援方法及び画面遷移を実現するプログラムを説明する。
図８は、本発明の実施形態に係る設計支援装置１０上で動作する断面設計支援プログラム２００の機能構成を示す図である。なお、以降、断面設計支援プログラム２００を単に設計支援プログラム２００ともいう。
図８に示すように、設計支援プログラム２００は、制御部２０２、表示部２０４、入力受付部２０６、解析部２０８、結果記憶部２１０、曲げ耐力／軸方向耐力算出部２１２、せん断耐力算出部２１４及びひび割れ幅算出部２１６を有する。設計支援プログラム２００は、設計支援装置１０のメモリ１４にロードされ、ＣＰＵ１２により実行される。
【００３０】
設計支援プログラム２００において、制御部２０２は、他の構成要素を制御する。また、制御部２０２は、他の構成要素との間でデータの入出力を行う。表示部２０４は、制御部２０２から画面データを受け付けて表示装置２０に図２乃至図７に示される画面を表示する。
【００３１】
入力受付部２０６は、入力装置２２を介して入力される設定を受け付けて制御部２０２に対して出力する。より具体的には、入力受付部２０６は、断面入力画面１２０及び照査条件の設定画面１３０を介して、膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定及び鉄筋コンクリート部材の断面に関する設定を受け付ける。
【００３２】
解析部２０８は、入力受付部２０６により受け付けられた設定に基づいて、断面内の力の釣合い条件から断面内のひずみ分布及び応力分布の少なくともいずれかを解析する。また、解析部２０８は、鉄筋コンクリート部材の断面応力度をさらに解析する。
【００３３】
結果記憶部２１０は、後述する曲げ耐力／軸方向耐力算出部２１２、せん断耐力算出部２１４及びひび割れ幅算出部２１６による算出結果並びに解析部２０８による解析結果を記憶する。これらの解析結果等は、制御部２０２により書き込まれ、読み出される。結果記憶部２１０は、メモリ１４及び記憶装置１６の少なくともいずれかにより実現される。
【００３４】
曲げ耐力／軸方向耐力算出部２１２は、解析部２０８による解析結果に基づいて部材の曲げ耐力及び軸方向耐力の少なくともいずれかを算出し、算出結果に基づいて安全性を判定する。せん断耐力算出部２１４は、解析部２０８による解析結果に基づいて部材のせん断耐力を算出し、算出結果に基づいて安全性を判定する。ひび割れ幅算出部２１６は、解析部２０８による解析結果に基づいてひび割れ幅を算出し、算出結果に基づいて使用性を判定する。
【００３５】
設計支援プログラム２００は、このような構成要素により、膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定及び鉄筋コンクリート部材の断面に関する設定を受け付け、前記受け付けられた設定に基づいて、部材断面を所定の方向に対して分割し、断面内の力の釣合い条件から断面のひずみ分布及び応力分布の少なくともいずれかを解析する。また、設計支援プログラム２００は、この解析結果に基づいて、断面耐力（曲げ耐力、軸方向耐力及びせん断耐力）、断面応力度、ひび割れ幅及び変形量を算出する。
【００３６】
次に、設計支援プログラム２００の解析部２０８によるコンクリートの特性に起因する断面の応力分布及びひずみ分布の解析手法を詳細に説明する。なお、以下の説明では、簡略化のため膨張コンクリートを対象とする。また、コンクリートの特性は、膨張コンクリートの膨張に限定されるものではない。
【００３７】
膨張コンクリートの膨張が、鉄筋などの拘束体により拘束されると、コンクリートには圧縮応力が、拘束体には引張応力が導入される。なお、自己収縮などでは、コンクリートには引張応力が、拘束体には圧縮応力が導入される。
膨張コンクリートの場合、コンクリートに導入されたケミカルプレストレスは、コンクリートと鉄筋との力の釣合い条件から、次式で表される。
【００３８】
【数１】
0005379270.tif 000002
【００３９】
ここで、σcはケミカルプレストレス（Ｎ／ｍｍ２）、ｐは拘束鋼材比、Ｅsは拘束鋼材の弾性係数（Ｎ／ｍｍ２）、εsは拘束鋼材の長さ変化率を示す。
【００４０】
図９は、ＪＩＳ  Ａ  ６２０２  Ｂ法により測定された膨張材の単位量と長さ変化率との関係を例示する図である。なお、図９において、膨張材Ａは、石灰−エトリンガイト複合系膨張材であり、膨張材Ｂは、エトリンガイト系膨張材である。
図９に例示するように、膨張材の単位量が増加するほど、長さ変化率は増加する。このような長さ変化率εsは、図４に示される断面入力画面１２０において、膨張材に関する設定として入力される。
【００４１】
このため、解析結果に基づいて、入力された長さ変化率が適切であるか否かが、判定されることができる。したがって、ユーザは、解析結果に基づいて、例えばＪＩＳ  Ａ  ６２０２  Ｂ法などの管理用供試体（試験用部材）の長さ変化率を推定し、この推定された長さ変化率に基づいて、膨張材の混和量を算出することができる。
【００４２】
解析部２０８は、仕事量一定則に基づいて内部ひずみの分布を推定する。仕事量一定則は、「膨張コンクリートが拘束に対してなす仕事量は拘束の程度によらず一定である」とするもので、次式で表される。
【００４３】
【数２】
0005379270.tif 000003
【００４４】
ここで、Ｕは、膨張コンクリートが拘束鋼材に対してなす仕事量（Ｎ／ｍｍ２）を示す。
【００４５】
図１０は、仕事量一定則に基づいて、鉄筋が断面に対して高さ方向に非対称に配置される場合における鉄筋コンクリート部材に導入されたケミカルプレストレスの推定手法を説明する図であって、図１０（Ａ）は断面を示し、図１０（Ｂ）は、ケミカルプレストレインの分布を示し、図１０（Ｃ）は、ケミカルプレストレスの分布及び鋼材の応力分布を示す。
図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）より、膨張コンクリート部材の下縁からの距離ｘの位置における膨張ひずみεxは、次式で表される。
【００４６】
【数３】
0005379270.tif 000004
【００４７】
ここで、ｈは、断面の高さ（ｍ）、εbは、下縁の膨張ひずみ、εuは、上縁の膨張ひずみを示す。ケミカルプレストレインの分布を得る基礎式は、式（３）で得られた膨張ひずみを式（２）に代入することにより求められる。
【００４８】
また、図１０（Ｃ）に示すように、鉄筋の引張力と膨張コンクリートの圧縮力との力の釣合い条件より式（４）が、下縁のモーメントの釣合い条件より式（５）がそれぞれ成立する。
【００４９】
【数４】
0005379270.tif 000005
【００５０】
ここで、ｂは、部材断面の幅（ｍ）、Ａsiは、鉄筋ｉの鉄筋量（ｍ２）、Ｅsは、鉄筋の弾性係数（Ｎ／ｍ２）を示す。ケミカルプレストレス及びケミカルプレストレインは、式（３）においてεb及びεuを仮定して式（４）及び式（５）を満足させるεb及びεuを求めることにより算出される。なお、矩形以外の断面では、式（４）及び式（５）の幅ｂを修正すればよい。
【００５１】
図１１は、解析部２０８による内部ひずみの解析処理を示すフローチャートである。
図１１に示すように、ステップ１００（Ｓ１００）において、解析部２０８は、εb及びεuを仮定する。
ステップ１０２（Ｓ１０２）において、解析部２０８は、式（３）に基づいて、膨張ひずみの分布を算出する。
【００５２】
ステップ１０４（Ｓ１０４）において、解析部２０８は、式（４）の左辺第１項に基づいてコンクリートの膨張力の合計（Ａ）を算出し、式（４）の左辺第２項に基づいて鉄筋の引張力の合計（Ｂ）を算出する。
ステップ１０６（Ｓ１０６）において、解析部２０８は、式（５）の左辺第１項に基づいて（Ａ）の下縁におけるモーメント（Ｃ）を算出し、式（５）の左辺第２項に基づいて（Ｂ）の下縁におけるモーメント（Ｄ）を算出する。
【００５３】
ステップ１０８（Ｓ１０８）において、解析部２０８は、（Ａ）−（Ｂ）が予め決められた許容誤差より小さいか否か及び（Ｃ）−（Ｄ）が同様の許容誤差より小さいか否かを判定する。解析部２０８は、（Ａ）−（Ｂ）が許容誤差より小さく、かつ、（Ｃ）−（Ｄ）が許容誤差より小さい場合にはＳ１１０の処理に進み、そうでない場合にはＳ１００に戻る。
【００５４】
ステップ１１０（Ｓ１１０）において、解析部２０８は、Ｓ１００の処理で仮定されたεb及びεuを採用する。
このようにして、εb及びεuが決定され、内部ひずみの分布が求められる。
【００５５】
次に、本発明の実施形態に係る設計支援装置１０により用いられる積層モデルを説明する。
本発明の実施形態に係る設計支援装置１０は、対象とする鉄筋コンクリート部材の断面の高さ方向に対して微小要素に分割した積層モデルを用いて、断面内の力の釣り合い条件から、断面耐力及び断面応力度のいずれかを算出する。
【００５６】
図１２は、本発明の実施形態に係る設計支援装置１０により用いられる積層モデルの概念を示す図である。
図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）に示すように、積層モデルは、部材断面を有限の微小要素に分割し、微小要素の力の釣合いから断面設計を行うモデルである。
【００５７】
積層モデルにおいて、曲げモーメントを考慮すると、断面に作用する力の釣合い条件から式（６）が、モーメントの釣合い条件から式（７）が成立する。
【００５８】
【数５】
0005379270.tif 000006
【００５９】
ここで、Ｃ'cは、コンクリートの圧縮力（Ｎ）、Ｃ'sは圧縮鉄筋の圧縮力（Ｎ）、Ｔcは、コンクリートの引張力（Ｎ）、Ｔsは、引張鉄筋の引張力（Ｎ）、Ｍは、曲げモーメント（Ｎｍ）、ｄは、引張鉄筋の有効高さ（ｍ）、ｙcは、部材の圧縮縁からコンクリートの圧縮合力の作用位置までの距離（ｍ）、ｄ'は、圧縮鉄筋の有効高さ（ｍ）、ｙtは、部材の圧縮縁からコンクリートの引張合力の作用位置までの距離（ｍ）、ｘは、中立軸の位置（ｍ）を示す。
【００６０】
本発明の実施形態に係る設計支援装置１０は、式（６）及び式（７）に基づいてコンクリートの圧縮縁のひずみを設定することにより、断面耐力又は任意の応力状態における断面応力度を算出する。より具体的には、設計支援装置１０は、コンクリートの圧縮縁のひずみとしてコンクリートの終局ひずみが設定された場合、断面耐力を算出し、コンクリートの終局ひずみよりも小さいひずみが設定された場合、断面応力度を算出する。
【００６１】
また、曲げモーメント及び軸方向力を同時に受ける場合、断面に作用する力の釣合い条件から式（８）が成立し、モーメントの釣合い条件から式（９）が成立する。
【００６２】
【数６】
0005379270.tif 000007
【００６３】
ここで、Ｎは、軸力（Ｎ）、ｅは、偏心量（ｍ）、ｙ０は、断面の図心高さ（ｍ）を示す。
【００６４】
図１３は、本発明の実施形態における積層モデルに適用される部材の応力ひずみモデルを示し、図１３（Ａ）はコンクリートの応力ひずみモデルを示し、図１３（Ｂ）は鉄筋の応力ひずみモデルを示す。なお、本発明の実施形態における積層モデルに適用される部材の応力とひずみとの関係は、１つ以上の数式で表されていれば良く、図１３に示される応力ひずみモデルに限定されるものではない。
【００６５】
膨張コンクリートは、外力が作用する前には、コンクリートのケミカルプレストレスと鋼材のケミカルプレストレインに応じた応力とが釣り合った状態にある。したがって、図１３に示される応力ひずみモデルにおいては、膨張コンクリートは、普通コンクリートの応力ひずみモデルの原点を移動させた状態で釣り合っている。本発明の実施形態に係る設計支援装置１０は、このような釣合い条件を初期条件として与えられることにより、膨張コンクリートにおける断面耐力又は断面応力度を算出する。
【００６６】
次に、設計支援プログラム２００の曲げ耐力／軸方向耐力算出部２１２による曲げ耐力算出手法、せん断耐力算出部２１４によるせん断耐力算出手法及びひび割れ幅算出部２１６によるひび割れ幅算出手法を説明する。
設計支援プログラム２００の曲げ耐力／軸方向耐力算出部２１２は、コンクリートの圧縮縁のひずみをコンクリートの終局ひずみとして、断面耐力を算出する。また、コンクリートの終局ひずみよりも小さいひずみが設定された場合、曲げ耐力／軸方向耐力算出部２１２は、断面応力度を算出する。
【００６７】
せん断耐力算出部２１４は、解析部２０８により解析された内部ひずみ又は内部応力により、後述するデコンプレッションモーメントを算出する。また、膨張コンクリートの場合も同様に、せん断耐力算出部２１４は、解析部２０８により算定されたケミカルプレストレスをデコンプレッションモーメントとして考慮することで算定する。せん断耐力算出部２１４は、例えば、土木学会コンクリート標準示方書に記載されている次式を用いて算出する。
【００６８】
【数７】
0005379270.tif 000008
【００６９】
ここで、Ｖydは、鉄筋コンクリート部材のせん断耐力、Ｖcdは、コンクリートが受け持つせん断耐力、Ｖsdは、せん断補強筋が受け持つせん断耐力、Ａsは、引張側鋼材の断面積（ｍｍ２）、ｂwは、腹部の幅（ｍｍ）、Ａwは、せん断補強筋の配置間隔ssにおけるせん断補強筋の断面積（ｍｍ２）、Ｍ0は、設計曲げモーメントＭdに対する引張縁において、軸方向力Ｎdによって発生する応力を打ち消すのに必要な曲げモーメント（デコンプレッションモーメント）、ｆwydは、せん断補強筋の設計降伏強度（Ｎ／ｍｍ２）、αsは、せん断補強筋が部材軸となす角度、ｚは、圧縮応力の合力の作用位置から引張鋼材図心までの距離（ｍｍ）を示す。
【００７０】
図１４は、デコンプレッションモーメントを説明する図である。
図１４に示すように、膨張コンクリート部材の場合、設計軸方向力による圧縮応力にケミカルプレストレスが加わるため、デコンプレッションモーメントＭ0は、鉄筋コンクリート部材に比べて大きくなる。したがって、部材の軸方向にケミカルプレストレスを考慮することにより、デコンプレッションモーメントが増加し、部材のせん断耐力が大きくなる。
【００７１】
ひび割れ幅算出部２１６は、次式を用いてひび割れ幅を算出する。
【００７２】
【数８】
0005379270.tif 000009
【００７３】
ここで、ｗは、ひび割れ幅（ｍｍ）、ｋ1は、鋼材の表面形状がひび割れ幅に及ぼす影響を表す係数、ｋ2は、コンクリートの品質がひび割れ幅に及ぼす影響を表す係数、ｋ3は、引張鋼材の段数を表す係数、ｃは、かぶり（ｍｍ）、ｃsは、鋼材の中心間隔（ｍｍ）、φは、鋼材径（ｍｍ）、ε'csdは、コンクリートの収縮及びクリープ等によるひび割れ幅の増加を考慮するための数値、σseは、鋼材位置のコンクリートの応力度が零の状態からの鉄筋応力度の増加量（Ｎ／ｍｍ２）を示す。
【００７４】
次に、本発明の実施形態に係る設計支援装置１０の全体動作を説明する。
図１５は、本発明の実施形態に係る設計支援装置１０の全体動作（Ｓ２０）を示すフローチャートである。
図１５に示すように、ステップ２００（Ｓ２００）において、設計支援装置１０は、メイン画面１００を表示装置２０に表示する。ユーザが、入力装置２２を用いて断面設定ボタン１０２を押下すると、設計支援装置１０は、断面入力画面１２０を表示し、膨張材を混和したコンクリートの特性に関する設定及び鉄筋コンクリートの断面に関する設定を受け付ける。また、ユーザが、照査設定ボタン１０４を押下すると、設計支援装置１０は、照査条件の設定画面１３０を表示し、照査条件を受け付ける。
【００７５】
その後、ユーザによりメイン画面１００の解析ボタン１０６が押下されると、設計支援装置１０は、膨張コンクリートの内部ひずみの分布の解析処理（Ｓ１０）を実行する。
【００７６】
解析処理後、ステップ２０２（Ｓ２０２）において、ユーザによりメイン画面１００の安全性の検討ボタン１０８が押下されると、設計支援装置１０は、曲げ耐力及び軸方向耐力を算出し、算出結果及び判定結果を含む検討結果画面１５０を表示する。
【００７７】
また、ステップ２０４（Ｓ２０４）において、設計支援装置１０は、せん断耐力を算出し、算出結果及び判定結果を含む検討結果画面（不図示）を表示装置２０に表示する。
さらに、ステップ２０６（Ｓ２０６）において、ユーザによりメイン画面１００の使用性の検討ボタン１１０が押下されると、設計支援装置１０は、ひび割れ幅を算出し、算出結果及び判定結果を含む検討結果画面（不図示）を表示装置２０に表示する。
なお、Ｓ２０２〜Ｓ２０６の処理の順序は、本例に限定されず、いかなる順序であってもよい。また、せん断耐力及びひび割れ幅に関する検討結果画面には、曲げ耐力及び軸方向耐力に関する検討結果画面と実質的に同様の内容が含まれている。
【符号の説明】
【００７８】
１０    設計支援装置
１２    ＣＰＵ
１４    メモリ
１６    記憶装置
１８    通信装置
２０    表示装置
２２    入力装置
２００    断面設計支援プログラム
２０２    制御部
２０４    表示部
２０６    入力受付部
２０８    解析部
２１０    結果記憶部
２１２    曲げ耐力算出部
２１４    せん断耐力算出部
２１６    ひび割れ幅算出部
【図１】
0005379270.tif 000010
【図２】
0005379270.tif 000011
【図３】
0005379270.tif 000012
【図４】
0005379270.tif 000013
【図５】
0005379270.tif 000014
【図６】
0005379270.tif 000015
【図７】
0005379270.tif 000016
【図８】
0005379270.tif 000017
【図９】
0005379270.tif 000018
【図１０】
0005379270.tif 000019
【図１１】
0005379270.tif 000020
【図１２】
0005379270.tif 000021
【図１３】
0005379270.tif 000022
【図１４】
0005379270.tif 000023
【図１５】
0005379270.tif 000024