用户产品体验报告
五洋建设株式会社
技术研究所 土木技术开发部 课长 宇野 州彦
使用产品 Engineer's Studio® Ver.10
该程序具有基于三维光纤元件和Reissner-Mindlin理论的平板元件，可进行静态和动态分析，同时考虑材料非线性和几何非线性。除了支持设计验证的功能外，本报告还介绍了在抗震措施和维护管理领域的有效使用方法，包括详细的地震损坏分析和退化结构的剩余强度评估。
从研发角度探讨结构分析软件的使用
五洋建设株式会社 技术研究所 土木技术开发部 课长
宇野 州彦
2005年加入五洋建设株式会社。在管理陆上和港口结构的施工后，他被分配到总部土木工程设计部，从事港口结构和桥梁的抗震设计工作。之后，他加入技术研究所，从事陆上和港口结构的研究与开发。迄今为止，一些研发成果已用于现场和销售，并获得了日本道路协会论文奖、日本港口协会论文奖、日本土木工程师学会和岩土工程学会的优秀演讲奖。在日本土木工程师学会等学术团体中担任讲师和委员会活动等。博士（工学）、工程师（综合技术监督部/建设部）
前言
在结构物的设计阶段，一般会使用结构解析软件。此次介绍的"Engineer's Studio® Ver.10"，不仅能够对结构分析软件中通常得到的应力和位移等分析结果进行分析，而且利用其结果，例如，可以进行基于"路桥指示手册"和"混凝土标准指示手册"的设计验证，对于设计用户来说是非常有用的软件。此外还有报告输出功能，有助于制作报告书。另外，在解析结果的可视化等视觉方面也非常出色。传统的结构分析软件，由于作为计算方法是框架分析，分析模型也由框架结构表示，分析结果也用数值表示，或者通常只在另外的文件中输出数值，当向订购者和公众解释时，有必要单独创建更易于理解的图表，以便加深理解。在"Engineer's Studio® Ver.10"中，在构建分析模型的阶段可以表示要分析结构的形状，而且分析结果也可以通过配色容易理解地表现混凝土和钢筋的损坏情况，因此可以直接作为说明资料来使用，有助于大幅降低设计人员和分析负责人的负担。从提高生产效率和改革工作方式的观点来看，这是非常有效的功能。我在设计部工作的时候就开始使用“Engineer's Studio® Ver.10”，对这些功能非常满意。
其中，关于令和3年7月在静冈县热海市发生的泥石流（照片1），由于普通居民拍摄并在SNS上公开的视频，提高了国民对泥石流灾害的关心。
在我现在所属的研究开发部门中，“Engineer's Studio®Ver.10”有怎样的用处，这次将给大家介绍几个例子。
地震损坏的构造物的受害分析1）
在此介绍以2011年3月11日东北地方太平洋近海地震中发生的铁路高架桥受损为对象，利用“Engineer's Studio®Ver.10”进行受损分析的事例。
在东北地区太平洋海域地震中，各种构造物发生了严重的破坏。东北新干线的铁路高架桥也发生了损伤。这里，以发生损伤度B1的受害的高架桥2）图1）为对象，实施推定地震动的三维非线性动态分析，把握各柱构件和高架桥整体的地震时行为，在怎样的过程中柱构件受到损伤，我们还基于动态行为来推测各柱构件（中间柱和端部柱）的损伤度为什么会产生差异。
作为迄今为止的受害分析结果3），推测在高架桥地震时“旋转变形模式”发生了卓越的损害，但“Engineer's Studio® Ver.10”可以用于三维建模对象高架桥（图2）进行非线性动态分析，因此可以更详细地了解受害原因。
图1 高架桥的损坏情况2）
图2 分析模型
首先是“Engineer's Studio® Ver.10”通过对目标高架桥的特征值进行分析，着眼于各振动模式与推定地震波形的关系。特征值分析表明，高架桥的旋转变形模式被激发（图3），该模式的振动频率出现在估计的地震波的卓越区域。
接着，介绍使用推定地震波进行动态分析的结果示例。图4显示了中间柱和端部柱中心的剪切力的响应时间历史记录。图中还示出了截面计算的剪切耐力值、轴方向钢筋的屈服点以及混凝土中压缩应变超过压缩强度时的失真。首先，在中间柱和端柱中，与强度相比，地震过程中产生的剪切力较小。这与实际的损害没有剪切破坏是一致的。此外，比较中间柱和端部柱的响应可知端部柱的响应大。由于版面的原因而中断刊登，但在线路方向上也是同样的结果。
图3 特征值分析结果（旋转变形模式：2.85Hz）
图4 柱中央部剪切力的响应时刻表（线路直角方向）
图5 柱上部截面的弯曲损伤状态
另外，“Engineer's Studio® Ver.10”还可以使用光纤元件进行建模，因此也可以把握柱子的损伤状态。在柱上部截面中，从压缩应变超过压缩强度时的失真的位置以及主钢筋屈服的分布图可以看出，端部柱的损伤分布在更宽的范围内（图5）。
并且，明确了无论在哪一个柱上，在上部或基部都产生大的截面力（图6）。比较端部柱和中间柱，发现端部柱分布在更宽的范围内，对于弯曲裂纹以上的损伤，与实际受害一致。
图6 柱的最大弯曲损伤状态
这样，“Engineer's Studio® Ver.10”中所搭载的固有值解析功能和使用纤维元素进行模型化，可以详细进行地震灾害分析。正如前文所述，“Engineer's Studio® Ver.10”在损伤结果的视觉效果方面也非常出色，因此可以广泛地传达地震灾害的情况，让大家理解，对今后的抗震对策非常有帮助。
评估因钢筋腐蚀而恶化的结构的残余耐力4）
“Engineer's Studio®Ver.10”在与维护管理相关的研究开发中也是非常有用的工具。这里，以上部钢筋腐蚀劣化的栈桥为对象，利用“Engineer's Studio®Ver.10”，根据劣化度判定结果，在此将介绍开发的栈桥残余受力评价的方法。
栈桥在港口构造物中属于特别容易受到盐害，建设后50年以上的公共港湾设施的比例在2020年3月约为21%，2030年3月约为43%，2040年3月约为66%5）。根据港湾法的修改，港湾设施的检查被义务化了，设施管理者需要更加妥善地进行维护管理。
在此基础上，本公司与东京工业大学共同开发了利用一般定期检查得到的劣化度判定结果，比较容易地评价栈桥的残余耐力的技术。在一般定期检查中，劣化度以a～d的4个阶段表示，如果准备了与这些劣化度对应的构造解析用的骨骼模型，就可以使用“Engineer's Studio®Ver.10”来评价剩余耐力。
因此，准备了符合各劣化度的试验体，通过进行装载实验来计算骨架模型。
图7 试验体的概要图（单位：mm）
(a) 健全的梁
(b) 劣化度a的梁
图8 载荷实验结果的例子
通过装载实验得到的负荷-位移关系来计算骨骼模型，可以使用“Engineer's Studio® Ver.10”进行建模。“Engineer's Studio®Ver.10”的特点是通过输入钢筋混凝土的截面和配筋，可以自动计算骨架模型，这在设计中是非常有用的。此外，还与“Engineer's Studio®Section Ver.2”联动，对于结构断面的耐荷性能，可以使用各种设计基准进行评价。另一方面，由于用户可以自由设定骨骼模型，所以也可以应用本次实验中计算的骨骼模型。本次提案的骨骼模型，对于健全的梁的骨骼模型，也可以根据各劣化度在刚性及耐荷力上乘以降低率来设定，因此，例如预先假设为健全的梁，计算健全的梁的骨骼模型，然后再重新设定利用降低率的骨骼模型即可。关于该降低率的导入，如果能在“Engineer's Studio®Ver.10”的软件上自动设定的话，能够更容易地评价剩余承重度，所以期待今后的功能扩展。
下面介绍以劣化的实际栈桥为例进行剩余承受力评价的事例。
图9显示了所研究的实际栈桥的分析模型。这个栈桥已经被检查和勘察过，恶化评估的结果显示在图10中。图中圈出的梁是可能存在钢筋断裂的梁。
图9 分析模型
图10 劣化度判定结果
使用“Engineer's Studio®Ver.10”来评价当图11所示的输入地震动作用于这样劣化的栈桥时发生怎样的损伤，即栈桥的残余承受力是怎样的程度。
图11 输入地震运动
解析结果如图12所示。另外，这次只显示了梁的损伤结果，没有显示桩的损伤状态。如图所示，如果通过利用“Engineer's Studio®Ver.10”，准备与劣化度相应的骨架模型，就可以评价劣化的栈桥的残余承受力。不仅是这次展示的栈桥，在各种各样的构造形式中也可以应用。
图12 栈桥的剩余耐力评价结果
总结
“Engineer's Studio®Ver.10”在设计各种构筑物时是非常有用的软件，这一点对使用该软件的人来说已经是众所周知的，在进行研究开发时也是非常强大的工具。今后“Engineer's Studio®Ver.10”也将广泛应用于地震灾害分析、抗震对策以及维护管理等领域。另外，最近也导入了使用人工智能技术的损伤评估技术6)，但作为导入人工智能技术的前提，并且为了提高其精度也必须进行结构解析。期待“Engineer's Studio®Ver.10”今后在各种各样的场合被使用。
参考文献
- 宇野州彦、稻场友也、小林将志、秋山充良:东北地方太平洋海域因地震受损的铁道RC高架桥的三维非线性动态分析损害分析，土木学会论文集A1(构造·地震工学)，Vol.72，No.4，pp.I_506-I_514，2016。
- (公社)土木学会地震工学委员会:东日本大地震桥梁等损害分析小委员会最终报告书，2015年。
- 小林将志、篠田健次、水野光一朗、野泽伸一郎、石桥忠良:关于东北地方太平洋海域因地震受损的新干线RC高架桥损害分析，土木学会论文集A1(构造·地震工学)，Vol.70，No.4，pp.I_688-I_700，2014。
- 宇野州彦，岩波光保:利用劣化度判定结果的残余受力评价方法在实际栈桥中的应用，土木学会论文集B3(海洋开发)，Vol.74，No.2，pp.I_55-I_60，2018。
- 日本国土交通省:日本国土交通省基础设施长寿命化计划(行动计划)，pp.6-7,2021。
- 宇野州彦，白可，岩波光保：利用图像信息的机械学习方法对栈桥的残余耐力评价的研究，AI数据科学论文集，Vol.1，No.J1，pp.132-141，2020。
（Up&Coming '22 春季刊）
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