連続繊維補強材の局部応力に対する破壊基準の構築

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本研究では、はり部材中の連続繊維補強材の局部応力による破壊基準を、(1)連続繊維補強材直線部の斜めひび割れとの交差部での破断、(2)連続繊維補強材曲げ成形部での破断、に分けて検討した。以下にそれぞれに対して得られた知見を示す。(1)直線部の破壊基準連続繊維補強材直線部の破壊基準を明らかにすることを目的として、連続繊維補強材に引張力とせん断力を作用させたモデル供試体を用いた実験及び3次元非線形有限要素解析を行った。その結果、連続繊維補強材直線部の破壊モードは、曲げ支配型とせん断力支配型の2つに分けて考えることができることが明らかとなった。すなわち、曲げ支配型の場合、連続繊維補強材は一軸引張歪みに達したときに破断し、せん断支配型の場合には一軸引張歪みに達する前に限界のせん断歪みに達し破壊する。特に、炭素繊維補強材の限界せん断歪みはアラミド繊維補強材よりも非常に小さいことが明らかとなった。(2)曲げ成形部の破壊基準曲げ成形部における破壊基準を明らかにする目的で、はり部材中のせん断補強筋をモデル化した実験及び2次元非線形有限要素解析を行った。その結果、曲げ内半径が小さなものほど、曲げ成形部強度が小さく、特に、一軸引張強度に対する曲げ成形部強度との比、すなわち強度低下率は、アラミド繊維補強材に比べ炭素繊維補強材の方が大きいことが実験的に明らかとなった。有限要素解析より、曲げ内半径が小さなものほど応力集中率が大きくなることが明らかとなり、その結果、曲げ内半径が小さなものほど曲げ成形部強度が小さくなるものと考えられた。また解析において、一軸引張歪みに達したときに破断するとした破壊基準を用いた場合、本解析は、アラミド繊維補強材に対しては実験値を精度よく評価できたが、炭素繊維補強材に対しては実験値より曲げ成形部強度が大きくなる傾向にあった。これは、直線部同様、一軸引張歪みに達する前に限界のせん断歪みに達し破断しているものと考えられた。