StructFlow（構序）
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Technical overview

高強度鉄筋コンクリート断面解析のクラウド計算

本稿では、StructFlow（構序）の計算コアが対象とする解析範囲、根拠とする研究と規範、および原版 New RC 研究プログラムとの関係を概説します。

StructFlow 研究開発チーム・SUHUL LLC・更新日

概要

StructFlow（構序）は、台湾 New RC（新型高強度鉄筋コンクリート）の研究成果に基づくクラウド断面解析プラットフォームである。矩形柱・円形柱・構造壁の2軸強度、モーメント–曲率解析、片持ち式擁壁設計を対象とする。計算コアは教授による検証を受けており、原版研究プログラムの実際の出力と全点照合している。結果の一致を保ったまま、クラウド版は圧縮域の計算精度と速度を高め、連続的な需要／耐力比により安定した荷重照査を提供する。本稿は技術の概要であり、設計根拠と照査の全過程は、ご登録後に計算書で提供される。

キーワード高強度鉄筋コンクリート・New RC・2軸相互作用曲面・需要／耐力比・繊維モデル断面解析・擁壁

1研究の背景

台湾では 2010 年代から、新型高強度鉄筋コンクリート（New RC）の研究が進められている。高強度コンクリートと高強度鉄筋を組み合わせ、高層建築の部材寸法と鉄筋量を低減するものである [9, 10]。高強度材料では、従来の設計パラメータや拘束挙動の再較正が必要となる [15, 16]。関連する研究プログラムの多くはデスクトップ実行ファイルとして流通しているため、実務での統合、更新、追跡が難しい。

StructFlow の目標は、こうした研究プログラムを、力学的結果を変えずに日常的に使える実務ツールへ転換することである。

2断面強度

コンクリートの圧縮には等価矩形応力ブロック [3, 4] を用い、パラメータは New RC の研究による高強度コンクリート向けの修正 [10] に従い、fc′ 100 MPa 級まで適用できる。圧縮域は直接正確に計算するため、従来の繊維分割による離散化誤差がない。強度低減と軸力上限は拘束形式（帯筋／スパイラル筋）に応じて定める。

32軸相互作用曲面

各中立軸方位角に沿って P–M 子午線を計算し、3次元の相互作用曲面を構成する。サンプリング方式は原版と同じであるため、原版の出力と全点で照合できる。

構造壁の P–M 相互作用曲線（強軸と弱軸）06,00012,00018,00024,00030,000-2,0001,6675,3339,00012,66716,33320,000M（tf·m）P（tf）θ＝0°（x 軸まわり）θ＝90°（y 軸まわり）
図 1構造壁の既定ケースにおける θ＝0° と 90° の設計強度曲線。強軸と弱軸の耐力差を示す（計算コアによる実計算）。

4連続的な需要／耐力比

従来の離散的なサンプリング点による判定では、照査結果がサンプリング角度に応じて跳ぶ。StructFlow は設計強度曲面から連続で安定した需要／耐力比を求め、ETABS から出力された数万組の荷重を一度に照査できる。原版の判定法も併せて残してあり、旧結果との対照に利用できる。

5モーメント–曲率解析

繊維モデル断面解析では、かぶりと拘束された核心の両方を考慮する。核心コンクリートには Mander の拘束モデル [1, 2] を用い、HUNG モデルは高性能繊維コンクリート（HPFRCC）を記述し [11, 12]、UHPC 被覆モデルは UHPC 被覆補強の評価に用いる [13, 14]。

4種類のコンクリートモデルによるモーメント–曲率関係0.000.050.100.150.20050100150200250曲率 φ（1/m）M（tf·m）無拘束（μφ ≈ 3.25）Mander 拘束 K＝1.3（μφ ≈ 19.21）HUNG（HPFRCC）（μφ ≈ 12.01）UHPC 被覆（μφ ≈ 8.79）
図 2同一断面（60 × 60 cm、fc′ 700 kgf/cm²、P＝0.1fc′Ag）における、4種類のコンクリートモデルのモーメント–曲率曲線。計算コアによる実計算。

6片持ち式擁壁

[5, 6] に従う。安定性は安全率で照査し、部材は強度設計とする。地震時土圧には物部・岡部理論 [7] を用い、配筋は自動で選定する。
片持ち式擁壁の断面と壁体モーメント包絡壁体モーメント（tf·m/m）常時 Mu地震時 Mu設計強度 φMn
図 3既定の片持ち式擁壁の壁体モーメント包絡（計算コアによる実計算）。

7クラウドアーキテクチャと性能

計算コアはクラウド上でのみ実行され、ブラウザは入力を送信して結果を受け取るだけである。これにより研究成果を保護するとともに、すべての利用者が同一バージョンの計算コアを使うことを保証し、計算書にはバージョン番号を印字して追跡できるようにしている。

表 1計算性能（矩形柱 80 × 80 cm、#10 を 16 本）
演算規模時間
相互作用曲面2,622 点約 4 ms
相互作用曲面（高解像度）12,558 点約 8 ms
荷重組合せの照査2,000 組約 80 ms
モーメント–曲率曲線1本約 60 ms

参考文献

  1. Mander, J. B., Priestley, M. J. N., & Park, R. (1988). Theoretical stress-strain model for confined concrete. Journal of Structural Engineering, 114(8), 1804–1826. doi:10.1061/(ASCE)0733-9445(1988)114:8(1804)
  2. Popovics, S. (1973). A numerical approach to the complete stress-strain curve of concrete. Cement and Concrete Research, 3(5), 583–599. doi:10.1016/0008-8846(73)90096-3
  3. Whitney, C. S. (1937). Design of reinforced concrete members under flexure or combined flexure and direct compression. ACI Journal Proceedings, 33(3), 483–498. doi:10.14359/8429
  4. ACI Committee 318. (2019). Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-19) and Commentary (ACI 318R-19). American Concrete Institute. doi:10.14359/51716937
  5. 內政部（Ministry of the Interior, Taiwan）. (2023). 建築物混凝土結構設計規範（Design Specifications for Concrete Structures of Buildings），112 年 8 月 10 日修正發布，113 年 1 月 1 日生效. nlma.gov.tw
  6. 內政部（Ministry of the Interior, Taiwan）. (2023). 建築物基礎構造設計規範（Design Specifications for Foundations of Buildings），112 年 6 月 20 日修正發布，113 年 1 月 1 日生效. nlma.gov.tw
  7. Mononobe, N., & Matsuo, H. (1929). On the determination of earth pressure during earthquakes. Proceedings of the World Engineering Congress, Vol. 9, Tokyo, 177–185.
  8. Sutherland, I. E., & Hodgman, G. W. (1974). Reentrant polygon clipping. Communications of the ACM, 17(1), 32–42. doi:10.1145/360767.360802
  9. National Center for Research on Earthquake Engineering (NCREE). 台灣新型高強度鋼筋混凝土（Taiwan New RC）專區. ncree.niar.org.tw/service/newrc
  10. Chiu, C.-K., Hung, C.-C., Lin, K.-C., Liu, K.-Y., Lee, H.-J., Cheng, M.-Y., et al. (2019). Design Guideline for Building of High-Strength Reinforced Concrete Structures (Draft), NCREE-19-001. National Center for Research on Earthquake Engineering.
  11. Hung, C.-C., & Li, S.-H. (2013). Three-dimensional model for analysis of high performance fiber reinforced cement-based composites. Composites Part B: Engineering, 45(1), 1441–1447. doi:10.1016/j.compositesb.2012.08.004
  12. Hung, C.-C., El-Tawil, S., & Chao, S.-H. (2021). A review of developments and challenges for UHPC in structural engineering: Behavior, analysis, and design. Journal of Structural Engineering, 147(9), 03121001. doi:10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0003073
  13. Shao, Y., Kuo, C.-W., & Hung, C.-C. (2021). Seismic performance of full-scale UHPC-jacket-strengthened RC columns under high axial loads. Engineering Structures, 243, 112657. doi:10.1016/j.engstruct.2021.112657
  14. Hung, C.-C., Kuo, C.-W., & Shao, Y. (2021). Cast-in-place and prefabricated UHPC jackets for retrofitting shear-deficient RC columns with different axial load levels. Journal of Building Engineering, 44, 103305. doi:10.1016/j.jobe.2021.103305
  15. Ou, Y.-C., Alrasyid, H., Haber, Z. B., & Lee, H.-J. (2015). Cyclic behavior of precast high-strength reinforced concrete columns. ACI Structural Journal, 112(6), 839–850. doi:10.14359/51687911
  16. Shen, W.-C., & Hwang, S.-J. (2023). Confinement reinforcement of high-strength reinforced concrete tied columns under high axial load. ACI Structural Journal, 120(3), 145–155. doi:10.14359/51738505