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ファイバー断面(M–φ 積分)

ファイバー断面の断面力と接線剛性は、平面保持仮定に基づくファイバー断面積分で算定します。

算定式

ファイバーひずみ(平面保持):

\[ \varepsilon = \varepsilon_0 - \kappa_z \cdot y + \kappa_y \cdot z \]

断面力:

\[ N = \sum \sigma \cdot A \]

\[ M_y = \sum \sigma \cdot A \cdot z \]

\[ M_z = \sum (-\sigma \cdot A \cdot y) \]

  • 接線剛性 3×3 は各ファイバーの \( E_t \cdot A \)、\( E_t \cdot A \cdot y \)、\( E_t \cdot A \cdot z \) の総和として求めます

記号・単位

記号意味単位
\( \varepsilon \)ファイバーのひずみ-
\( \varepsilon_0 \)断面の軸ひずみ(図心位置のひずみ)-
\( \kappa_y, \kappa_z \)y 軸・z 軸まわりの曲率1/mm
\( y, z \)断面内のファイバー位置mm
\( N \)軸力N
\( M_y, M_z \)y 軸・z 軸まわりの曲げモーメントN·mm
\( \sigma \)ファイバーの応力N/mm²
\( A \)ファイバーの断面積mm²
\( E_t \)ファイバーの接線ヤング係数N/mm²

実装参照:sepika_section::fiber::section_response(fiber.rs)が算定し、各ファイバーは独立履歴状態を保持します。 ファイバーの配置は断面形状(SectionShape)に応じて sepika_section::mn_surface::plastic_fibers_at が生成します(H 形・箱形は板分割、鋼管・円形は円環分割、RC・SRC・CFT はコンクリート・主筋・鋼材の各領域へ配置)。形状を持たない断面は矩形分割(sepika_section::fiber::rect_fiber_section)です。M–φ / M–θ 曲線は sepika_section::mn_surface で求めて断面詳細ビュー(M-N 相関曲面ビュー)に表示します(弾完全塑性、二分法で軸力整合、\( \theta(M) = \frac{M \cdot L}{6 \cdot EI_0} + L_p \cdot \left( \varphi(M) - M/EI_0 \right) \))。解析要素(ファイバー梁・マルチスプリング梁)は、要素が実際に生成した FiberSection をファイバー積分して応答を決めます。

材料割当と初期接線

以下の γ=23 固定は、材料未割当時の全塑性評価に限った既定値です。材料が割り当てられている場合も、鋼材・鉄筋等のファイバーは既存実装どおり材料の E(Material.young)を用います。コンクリートファイバーは、Fc≤60 では材料から解決した E を NewRC の初期接線へ反映し、Fc>60 では NewRC 固有の Ec を暫定的に外挿します。

CFT の等価断面性能で用いる Ec は、鋼管と充填コンクリートの等価換算のために Fc・コンクリート種類・単位体積重量から算定する値です。これは、CFT 充填コンクリートのファイバー材料に用いる NewRC の Ec(初期接線)とは別の値です。

材料未割当時の全塑性評価には次の既定強度を用います(鋼材降伏 235・鉄筋降伏 345・コンクリート圧縮 24 [N/mm²]、弾性係数 205000 [N/mm²])。 コンクリートの弾性係数は RC 規準式(\( \gamma = 23 \) 固定)によります。

実装参照:既定強度は sepika_section::mn_surface::StrengthParams::default(crates/sepika-section/src/mn_surface/types.rs)が与え、コンクリートの弾性係数は sepika_section::mn_surface::concrete_young が算定します。

ファイバー配置の解像度

全塑性評価の配置は、M-N 相関用マルチファイバーと単純降伏バネには細分割(最大寸法の 1/40 目安)、M-N 相関用マルチスプリングには粗い配置(最大寸法の 1/4 目安)を用います。 鋼管・円形の円環分割は、細分割では周 48・薄肉径方向 4・中実径方向 12、粗い配置では周 8・薄肉径方向 1・中実径方向 2 です。 非対称断面(山形・溝形・T 形等)は断面積重心へ座標を平行移動し、曲げの基準軸を図心に取ります。 SRC の内蔵鉄骨とコンクリートの重複は控除せず単純累加します(鉄骨断面積は数%のため影響は軽微ですが、断面積をわずかに過大に数える危険側の近似です)。

実装参照:細分割と粗い配置の解像度の選択は sepika_section::mn_surface::plastic_fibers(crates/sepika-section/src/mn_surface/fibers.rs)が行います。

M–N 相関曲面

剛塑性(全塑性応力分布)の支持点法で算定します。 平面保持のひずみ速度方向を単位球面上で掃引し、各方向でひずみ符号に応じた限界応力(鋼は ±fy、コンクリートは圧縮のみ)を積分した断面力が曲面上の支持点になります。 単純降伏バネは軸バネと回転バネの連成を線形相関(\( |N|/N\text{許容} + M/M\text{許容} = 1 \))で考慮し、曲面は N 軸を頂点とする双錐になります。 耐力 0 の軸があると退化するため、参照耐力には下限を設けます(軸耐力 1.0 [N]、モーメント耐力 1.0 [N·mm])。

実装参照:sepika_section::mn_surface::{build_surface, build_simple_spring_surface}(crates/sepika-section/src/mn_surface/surface.rs)が支持点法で構築し、支持点の断面力は sepika_section::mn_surface::plastic_point(crates/sepika-section/src/mn_surface/plastic.rs)が算定します。

M–φ / M–θ 曲線(断面詳細ビュー用)

弾完全塑性のファイバー評価で、曲率上限は最外縁ひずみが降伏ひずみの約 12 倍となる曲率とし、軸力整合は 80 回の二分法で行います。 初期剛性は最初のステップの割線とします。 この曲線は断面詳細ビュー(M-N 相関曲面ビュー)に表示するもので、解析要素(ファイバー梁・マルチスプリング梁)の応答は実 FiberSection のファイバー積分が決めます。

実装参照:sepika_section::mn_surface::{m_phi_curve, m_theta_curve}(crates/sepika-section/src/mn_surface/m_phi.rs)が算定します。

RC 主筋点の配置(既定)

矩形断面の主筋点は、断面検定の有効せいと同じ sepika_core::rc_rebar_geom の規約で置きます。

  • 縁から第 1 段中心: \( \text{かぶり} + \text{せん断補強筋径} + \text{主筋径}/2 \)
  • 段間隔: \( \text{主筋径} + \max(25,\ 1.5\cdot\text{主筋径}) \)(配筋指針のあき)
  • 円形断面の周方向主筋半径も、縁から同じ第 1 段距離を用います(ファイバー配置の多段は未対応)。整合質量では、段間隔の規約に従って各段の半径を内側へ移します