使用者產品體驗報告
五洋建設株式會社
技術研究所 土木技術開發部 課長 宇野 州彥
使用產品 Engineer's Studio® Ver.10
該程式具有基於3D光纖元件和Reissner-Mindlin理論的平板元件，可進行靜態和動態分析，同時考慮材料非線性和幾何非線性。除了支持設計驗證的功能外，本報告還介紹了在抗震措施和維護管理領域的有效使用方法，包括詳細的地震損壞分析和退化結構的剩餘強度評估。
從研發角度探討結構分析軟體的使用
五洋建設株式會社 技術研究所 土木技術開發部 課長
宇野 州彥
2005年加入五洋建設株式會社。在管理陸上和港口結構的施工後，他被分配到總部土木工程設計部，從事港口結構和橋樑的抗震設計工作。之後，他加入技術研究所，從事陸上和港口結構的研究與開發。迄今為止，一些研發成果已用於現場和銷售，並獲得了日本道路協會論文獎、日本港口協會論文獎、日本土木工程師學會和岩土工程學會的優秀演講獎。在日本土木工程師學會等學術團體中擔任講師和委員會活動等。博士（工學）、工程師（綜合技術監督部/建設部）
前言
在結構物的設計階段，一般會使用結構解析軟體。此次介紹的"Engineer's Studio® Ver.10"，不僅能夠對結構分析軟體中通常得到的應力和位移等分析結果進行分析，而且利用其結果，例如，可以進行基於"路橋指示手冊"和"混凝土標準指示手冊"的設計驗證，對於設計用戶來說是非常有用的軟體。此外還有報告輸出功能，有助於製作報告書。另外，在解析結果的視覺化等視覺方面也非常出色。傳統的結構分析軟體，由於作為計算方法是框架分析，分析模型也由框架結構表示，分析結果也用數值表示，或者通常只在另外的檔中輸出數值，當向訂購者和公眾解釋時，有必要單獨建立更易於理解的圖表，以便加深理解。在"Engineer's Studio® Ver.10"中，在構建分析模型的階段可以表示要分析結構的形狀，而且分析結果也可以透過配色容易理解地表現混凝土和鋼筋的損壞情況，因此可以直接作為說明資料來使用，有助於大幅降低設計人員和分析負責人的負擔。從提高生產效率和改革工作方式的觀點來看，這是非常有效的功能。我在設計部工作的時候就開始使用「Engineer's Studio® Ver.10」，對這些功能非常滿意。
其中，關於令和3年7月在靜岡縣熱海市發生的土石流（照片1），由於普通居民拍攝並在SNS上公開的影片，提高了國民對土石流災害的關心。
在我現在所屬的研究開發部門中，「Engineer's Studio®Ver.10」有怎樣的用處，這次將給大家介紹幾個例子。
地震損壞的構造物的受害分析1）
在此介紹以2011年3月11日東北地方太平洋近海地震中發生的鐵路高架橋受損為物件，利用「Engineer's Studio®Ver.10」進行受損分析的事例。
在東北地區太平洋海域地震中，各種構造物發生了嚴重的破壞。東北新幹線的鐵路高架橋也發生了損傷。這裡，以發生損傷度B1的受害的高架橋2）圖1）為對象，實施推定地震動的三維非線性動態分析，把握各柱構件和高架橋整體的地震時行為，在怎樣的過程中柱構件受到損傷，我們還基於動態行為來推測各柱構件（中間柱和端部柱）的損傷度為什麼會產生差異。
作為迄今為止的受害分析結果3），推測在高架橋地震時「旋轉變形模式」發生了卓越的損害，但「Engineer's Studio® Ver.10」可以用於3D建模物件高架橋（圖2）進行非線性動態分析，因此可以更詳細地瞭解受害原因。
圖1 高架橋的損壞情況2）
圖2 分析模型
首先是「Engineer's Studio® Ver.10」透過對目標高架橋的特徵值進行分析，著眼于各振動模式與推定地震波形的關係。特徵值分析表明，高架橋的旋轉變形模式被激發（圖3），該模式的振動頻率出現在估計的地震波的卓越區域。
接著，介紹使用推定地震波進行動態分析的結果示例。圖4顯示了中間柱和端部柱中心的剪切力的回應時間歷史記錄。圖中還示出了斷面計算的剪切耐力值、軸方向鋼筋的屈服點以及混凝土中壓縮應變超過壓縮強度時的失真。首先，在中間柱和端柱中，與強度相比，地震過程中產生的剪切力較小。這與實際的損害沒有剪切破壞是一致的。此外，比較中間柱和端部柱的回應可知端部柱的回應大。由於版面的原因而中斷刊登，但在線路方向上也是同樣的結果。
圖3 特徵值分析結果（旋轉變形模式：2.85Hz）
圖4 柱中央部剪切力的回應時刻表（線路直角方向）
圖5 柱上部斷面的彎曲損傷狀態
另外，「Engineer's Studio® Ver.10」還可以使用光纖元件進行建模，因此也可以把握柱子的損傷狀態。在柱上部斷面中，從壓縮應變超過壓縮強度時的失真的位置以及主鋼筋屈服的分佈圖可以看出，端部柱的損傷分佈在更寬的範圍內（圖5）。
並且，明確了無論在哪一個柱上，在上部或基部都產生大的斷面力（圖6）。比較端部柱和中間柱，發現端部柱分佈在更寬的範圍內，對於彎曲裂紋以上的損傷，與實際受害一致。
圖6 柱的最大彎曲損傷狀態
這樣，「Engineer's Studio® Ver.10」中所搭載的固有值解析功能和使用纖維元素進行模型化，可以詳細進行地震災害分析。正如前文所述，「Engineer's Studio® Ver.10」在損傷結果的視覺效果方面也非常出色，因此可以廣泛地傳達地震災害的情況，讓大家理解，對今後的抗震對策非常有幫助。
評估因鋼筋腐蝕而惡化的結構的殘餘耐力4）
「Engineer's Studio®Ver.10」在與維護管理相關的研究開發中也是非常有用的工具。這裡，以上部鋼筋腐蝕劣化的棧橋為物件，利用「Engineer's Studio®Ver.10」，根據劣化度判定結果，在此將介紹開發的棧橋殘餘受力評價的方法。
棧橋在港口構造物中屬於特別容易受到鹽害，建設後50年以上的公共港灣設施的比例在2020年3月約為21%，2030年3月約為43%，2040年3月約為66%5）。根據港灣法的修改，港灣設施的檢查被義務化了，設施管理者需要更加妥善地進行維護管理。
在此基礎上，本公司與東京工業大學共同開發了利用一般定期檢查得到的劣化度判定結果，比較容易地評價棧橋的殘餘耐力的技術。在一般定期檢查中，劣化度以a～d的4個階段表示，如果準備了與這些劣化度對應的構造解析用的骨骼模型，就可以使用「Engineer's Studio®Ver.10」來評價剩餘耐力。
因此，準備了符合各劣化度的試驗體，透過進行裝載實驗來計算骨架模型。
圖7 試驗體的概要圖（單位：mm）
(a) 健全的梁
(b) 劣化度a的梁
圖8 載荷實驗結果的例子
透過裝載實驗得到的負荷-位移關係來計算骨骼模型，可以使用「Engineer's Studio® Ver.10」進行建模。「Engineer's Studio®Ver.10」的特點是透過輸入鋼筋混凝土的斷面和配筋，可以自動計算骨架模型，這在設計中是非常有用的。此外，還與「Engineer's Studio®Section Ver.2」聯動，對於結構斷面的耐荷性能，可以使用各種設計基準進行評價。另一方面，由於使用者可以自由設定骨骼模型，所以也可以應用本次實驗中計算的骨骼模型。本次提案的骨骼模型，對於健全的梁的骨骼模型，也可以根據各劣化度在剛性及耐荷力上乘以降低率來設定，因此，例如預先假設為健全的梁，計算健全的梁的骨骼模型，然後再重新設定利用降低率的骨骼模型即可。關於該降低率的導入，如果能在「Engineer's Studio®Ver.10」的軟體上自動設定的話，能夠更容易地評價剩餘承重度，所以期待今後的功能擴展。
下面介紹以劣化的實際棧橋為例進行剩餘承受力評價的事例。
圖9顯示了所研究的實際棧橋的分析模型。這個棧橋已經被檢查和勘察過，惡化評估的結果顯示在圖10中。圖中圈出的梁是可能存在鋼筋斷裂的梁。
圖9 分析模型
圖10 劣化度判定結果
使用「Engineer's Studio®Ver.10」來評價當圖11所示的輸入地震動作用於這樣劣化的棧橋時發生怎樣的損傷，即棧橋的殘餘承受力是怎樣的程度。
圖11 輸入地震運動
解析結果如圖12所示。另外，這次只顯示了梁的損傷結果，沒有顯示樁的損傷狀態。如圖所示，如果透過利用「Engineer's Studio®Ver.10」，準備與劣化度相應的骨架模型，就可以評價劣化的棧橋的殘餘承受力。不僅是這次展示的棧橋，在各種各樣的構造形式中也可以應用。
圖12 棧橋的剩餘耐力評價結果
總結
「Engineer's Studio®Ver.10」在設計各種構築物時是非常有用的軟體，這一點對使用該軟體的人來說已經是眾所周知的，在進行研究開發時也是非常強大的工具。今後「Engineer's Studio®Ver.10」也將廣泛應用於地震災害分析、抗震對策以及維護管理等領域。另外，最近也導入了使用人工智慧技術的損傷評估技術6)，但作為導入人工智慧技術的前提，並且為了提高其精度也必須進行結構解析。期待「Engineer's Studio®Ver.10」今後在各種各樣的場合被使用。
參考文獻
- 宇野州彥、稻場友也、小林將志、秋山充良:東北地方太平洋海域因地震受損的鐵道RC高架橋的3D非線性動態分析損害分析，土木學會論文集A1(構造·地震工學)，Vol.72，No.4，pp.I_506-I_514，2016。
- (公社)土木學會地震工學委員會:東日本大地震橋樑等損害分析小委員會最終報告書，2015年。
- 小林將志、篠田健次、水野光一朗、野澤伸一郎、石橋忠良:關於東北地方太平洋海域因地震受損的新幹線RC高架橋損害分析，土木學會論文集A1(構造·地震工學)，Vol.70，No.4，pp.I_688-I_700，2014。
- 宇野州彥，岩波光保:利用劣化度判定結果的殘餘受力評價方法在實際棧橋中的應用，土木學會論文集B3(海洋開發)，Vol.74，No.2，pp.I_55-I_60，2018。
- 日本國土交通省:日本國土交通省基礎設施長壽命化計畫(行動計畫)，pp.6-7,2021。
- 宇野州彥，白可，岩波光保：利用圖像資訊的機械學習方法對棧橋的殘餘耐力評價的研究，AI資料科學論文集，Vol.1，No.J1，pp.132-141，2020。
（Up&Coming '22 春季刊）
|
||||||
 Up&Coming |
