[論文レビュー] Critique of Critical Shear Crack Theory (CSCT) for fib Model Code Articles on Shear Strength and Size Effect of RC Beams

Abdullah Dönmez, Zdeněk P. Bažant|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2018

Structural Behavior of Reinforced Concrete参考文献 31被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、fibモデルコードに実装された臨界せん断ひび割れ理論（CSCT）を検証し、その理論的基盤が6つの誤った仮説に依存しており、実験範囲外では信頼性の低い予測をもたらすことを示している。CSCTは実験的に確認されたエネルギー的サイズ効果則（SEL）を模倣しているが、物理的メカニズムを隠蔽し、有限要素法による検証に失敗しており、設計規格への採用を揺るがす要因となっている。

ABSTRACT

The size effect of Muttoni et al.'s CSCT is shown to be very close and asymptotically identical to the energetic size effect law (SEL) extensively verified experimentally and theoretically (due to appear in the 2019 ACI Code for both beam shear and punching). However, the CSCT derivation and calculation procedure obfuscates the mechanics of failure. It is shown to rest on six scientifically untenable hypotheses, which makes CSCT untrustworthy outside the testing range. It would have to be taught to students as a dogma. These conclusions are supported by experimentally calibrated finite element simulations of crack path and width, stress distributions and localizations during failure, and strain energy release. The simulations also show the CSCT to be incompatible with the 'strut-and-tie' model modernized to include the size effect in the compression strut. Finally, further deficiencies are pointed out for the Modified Compression Field Theory (MCFT), currently embedded in the Model Code.

研究の動機と目的

• fibモデルコードにおける鉄筋コンクリート梁のせん断設計に実装された臨界せん断ひび割れ理論（CSCT）の科学的妥当性に疑問を呈すること。
• CSCTの導出および応用の背後にある6つの科学的に根拠のない仮説を特定し、暴露すること。
• 有限要素シミュレーションを通じて、CSCTがひび割れ経路、応力分布、エネルギー解放率を正確に予測できないことを実証すること。
• CSCTが圧縮ブレースにサイズ効果を組み込んだ現代化されたラーメン・トライアングルモデルと整合しないこと。
• 機械的透明性と実験的頑健性に欠けるため、CSCTを教育的基盤理論として採用すべきではないという主張をすること。

提案手法

• 四点曲げ条件下で、サイズが異なる鉄筋コンクリート梁（d = 110 mm ～ 925 mm）の実験的校正済み有限要素シミュレーションを実施し、ひび割れの進行とエネルギー解放の挙動をモデル化する。
• 不適切なメッシュ感度を回避し、損傷局在化を一貫して確保するため、固定メッシュサイズ（12.5–20 mm）の3次元連続体六面体要素を用いる。
• 鉄筋を2節点線形ビーム要素としてコンクリート要素に接続し、鋼筋の挙動と相互作用を模擬する。
• シュトゥットガルト、トロント、東京、ワールラーベンの実験データ（深さ、鉄筋比、せん断スパン比の異なる梁）とCSCTの予測を比較する。
• エネルギー保存則と次元解析を用いてエネルギー的サイズ効果則（SEL）を導出し、バンキングのπ定理を用いてひずみエネルギー解放の関数的形を確立する。
• Gf が臨界エネルギー解放率である条件 ∂Π/∂a = Gf b を用いて、SELの導出を検証し、決定的サイズ効果係数 λ を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 臨界せん断ひび割れ理論（CSCT）は、構造サイズが異なる鉄筋コンクリート梁のせん断強度におけるサイズ効果を正確に予測できるか？
• RQ2 CSCTの科学的妥当性と予測信頼性を損なう6つの根拠のない仮説は何か？
• RQ3 CSCTは、実験的に確認されたエネルギー的サイズ効果則（SEL）と比較して、ひび割れ経路、応力分布、ひずみエネルギー解放の観点でどのように異なるか？
• RQ4 CSCTは、圧縮ブレースにサイズ効果を組み込んだ現代化されたラーメン・トライアングルモデルと整合性を持つか？
• RQ5 なぜCSCTはコンクリートのような準破壊材料の真の破壊メカニズムを正しく表現できないのか？

主な発見

• CSCTがエネルギー的サイズ効果則（SEL）と漸近的に同一であることが示され、SELは広範に実験的および理論的に検証済みである。
• CSCTの背後には科学的に根拠のない6つの仮説が存在し、これにより実験範囲外では信頼性が著しく低下し、科学的理解ではなく教条的教育を要する。
• 有限要素シミュレーションにより、CSCTは破壊時のひび割れ経路、ひび割れ幅、応力局在、ひずみエネルギー解放率を正しく予測できないことが判明した。
• 小梁では実験結果から最大29%のずれを示し、大梁（d → ∞）ではそのずれが倍増する。特に二次的パラメータが変化する場合には顕著である。
• CSCTは、圧縮ブレースのサイズ効果を適切に反映した現代化されたラーメン・トライアングルモデルと不整合である。
• エネルギー保存則と次元解析に基づくSELの導出は、破壊力学の仮定に依存せず、物理的に妥当であり、CSCTの恣意的で形式的な定式化とは対照的である。