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Scientific Reports第14巻、論文番号：10135（2024）この記事を引用
本稿では、内側フランジ (IOF) 荷重条件下における引抜成形ガラス繊維強化ポリマー (GFRP) 長方形中空断面 (RHS) プロファイルのウェブ クリッピング性能に関する数値的および人工知能 (AI) ベースの調査を紹介します。目的の研究目的を達成するために、一般的なシミュレーション ソフトウェアの 1 つである ABAQUS CAE を使用して、有限要素ベースの計算モデルが開発されました。次に、このモデルは、Chen と Wang の実験調査ベースの記事で報告された結果を利用して検証されました。有限要素モデルの検証後、前述の現象を調査するための広範なパラメトリック スタディが実施され、その結果に基づいて包括的で汎用的かつ首尾一貫したデータベースが組み立てられました。次に、このデータベースを使用して、AI ベースの遺伝子発現プログラミング (GEP) を採用し、引抜成形 GFRP RHS プロファイルのウェブ クリッピング設計の設計ガイドラインを策定しました。数値調査の結果に基づくと、IOF 荷重条件にさらされた上記構造プロファイルのウェブ クリッピング容量は、セクションの厚さとベアリング長さに直接関連しているのに対し、セクションの幅、セクションの高さ、セクションのコーナー半径、およびプロファイルの長さには反比例することがわかりました。AI ベースの調査の結果に基づいて、この研究で提案された修正設計ルールは、前述の構造プロファイルのウェブ クリッピング容量を正確に予測することがわかりました。この研究は、ウェブ クリッピングにさらされるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの設計ガイドラインの開発に関する文献に大きく貢献していますが、最終的な結論に達するまでにはまだ多くの作業が必要です。
近年、引抜成形された繊維強化ポリマー (FRP) 製品は、国際製造業の定番になりつつあります1,2,3,4。これは、強化繊維と液体樹脂を引抜成形 FRP に変換する高度な引抜成形プロセスにより、FRP 製品を連続的に製造できる自由度が得られるためです5。これらの FRP 製品は、海洋、電子機器、消費財など、多くの産業用途で使用されていますが、図 16、7 に示すように、建設業界が自動車業界に次いで最大の消費者であることがわかりました。さまざまな種類の FRP の中でも、引抜成形されたガラス FRP (GFRP) は、鋼鉄やコンクリートなどの従来の建設資材8,9,10,11,12 の潜在的な代替品として、技術関係者から最大の注目を集めています13,14,15,16。建設業界で引抜成形された GFRP の需要が急増しているのは、図 217、18 に示すように、いくつかの並外れた利点があるためです。引抜成形 GFRP 製品の最大の利点は、構造用鋼とアルミニウムに比べてそれぞれ 75% と 30% 軽量であることです19。さらに、非導電性で寸法安定性があるため、より安全で設計も優れています20,21。引抜成形 GFRP は、錆びるリスクなしにこれらすべての利点を提供するため、化学物質や天候への曝露の結果として腐食した材料を交換するために必要な全体的な長期メンテナンス コストを削減します22。さらに、電磁的に透明であるため、電磁波にさらされる用途での使用に適しています22。引抜成形 GFRP の構造プロファイルは、高度な溶接機を必要とせず、簡素化されたツールを使用して製造できます23。さらに、軽量であるため設置が容易で、持ち上げたり組み立てたりするための特別な装置も必要ありません24。引抜成形 GFRP のこれらすべての利点を考慮すると、内部補強、外部補強、耐震改修、橋梁デッキ、パネル、フレーム建物など、多くの土木インフラストラクチャ用途で需要が高まっています。22。内部補強として使用する場合、引抜成形 GFRP バーは、代替の構造用鋼バーの腐食や耐久性の問題を回避するために構造コンクリートの補強材として使用されます。一方、外部補強材として使用する場合は、構造的に欠陥のある既存のコンクリート インフラストラクチャが引抜成形 GFRP の適用によって修復されます25。柱の軸方向補強の場合、引抜成形 GFRP 製品は柱の外周に巻き付けられますが、梁、スラブ、その他の構造要素の曲げ補強の場合、引抜成形 GFRP 製品は張力側に接着され、全体的な曲げ荷重支持能力が最大 40% 増加します26。構造部材のせん断補強には、外部の垂直壁に接着される外部スターラップとして、引抜成形 GFRP 製品が使用されます26。また、引抜成形 GFRP は、性能が低い既存のコンクリート構造物や設計が不十分な新築のコンクリート構造物の耐震補強にも効果的なソリューションを提供します27。耐震補強中、土木構造物の破損または破損の可能性がある領域は、引抜成形 GFRP ジャケットとアンカーによって制限され、全体的な強度と延性挙動が改善されます28。補強用途とは別に、引抜成形 GFRP は、橋梁デッキ、パネル、フレーム建物、冷却塔などの建設用の構造プロファイルとしても使用できます29。引抜成形 GFRP の全体的な範囲を分析すると、構造プロファイルが建設業界で最大の適用分野であることがわかりました30。したがって、この記事で紹介する研究は、引抜成形 GFRP 構造プロファイルの性能に焦点を当てています。
FRP製品の応用分野。
プルトルージョン GFRP 製品の利点。
構造プロファイルは、全長にわたって均一な断面を持つ要素です。これらは通常、FRP の場合はプルトルージョン プロセス、鋼の場合は加熱および圧延プロセスなどの標準化されたプロセスで製造されます31。プルトルージョン GFRP の構造プロファイルは、アングル プロファイル、ワイド フランジ プロファイル、チャネル プロファイル、管状プロファイル、長方形中空セクション (RHS) またはボックス プロファイル、手すりプロファイルなど、さまざまな断面形状で利用できます32。手すりプロファイルは、階段、エスカレーター、およびその他の同様の領域で人体を支えるためにしか使用できませんが、アングル プロファイルは、曲げメンバーの横方向荷重支持要素として、および構造トラス システムの軸方向荷重支持要素として使用できます33,34。ワイド フランジ セクションは通常、大スパン構造の梁要素として使用されますが、ねじり荷重に対しては効果がなく、したがって、その使用は直線の垂直または水平メンバーのみに限定されます34,35。平行フランジ プロファイルとしても知られるチャネル セクション プロファイルは、一般的に棟木や梁に使用されますが、曲げ軸はフランジの幅に対して対称に配置されていません。そのため、過度に非対称な荷重条件にさらされるとねじれる可能性があります34,36。 RHS プロファイルと管状プロファイルは、通常、ほぼすべての構造用途 (桁、梁、柱など) で、複数の方向の荷重を支えるために使用されます34,36。これらは美的価値が高いため、公共の建物の構造要素としても装飾的なファサードとしても使用できます。 RHS プロファイルは表面が平坦であるため、接合や製造用途に適しています37。 引抜成形 GFRP のこれらのプロファイルには多くの利点と用途分野がありますが、それに関連する特定の課題もあります。これらの課題の 1 つは、引抜成形 GFRP 構造プロファイル、特に RHS プロファイルの潜在的な破損モードに関する知識が限られていることです38。これらのプロファイルを主な用途分野（すなわち、梁部材）で使用する場合の主な破損モードには、過度の曲げ破損、横方向のねじり座屈破損、局所的な座屈破損、および局所的なウェブ破損などがあります39。過度の曲げ破損では、通常、梁は荷重面の過度の変形の結果として破損しますが、これは最も予想されておらず、他のすべての破損モードが効果的に防止された場合にのみ発生します39。引抜成形された GFRP RHS プロファイルの横方向のねじり座屈破損は、プロファイルが横方向にたわんだりねじれたりしたときに発生します。これは通常、プロファイルの形状、荷重、および支持条件によって異なります39。局所的な座屈破損では、通常、フランジでは圧縮のために局所的な座屈が発生し、ウェブではせん断と曲げの複合効果によって発生します39。前述の構造プロファイルのウェブが過度のせん断の結果として局所的に押しつぶされるか降伏すると、通常、局所的なウェブ破損と見なされます39。ウェブの局所的な破損が座屈または圧潰のいずれかで観察されるこれらすべての破損モードは、一般的に「ウェブ クリッピング」と呼ばれる独特の破損モードのカテゴリに分類されます39。これは、横方向の機械的特性が縦方向と比較して保守的であるため、特に RHS プロファイルなどのプルトルージョン GFRP 構造プロファイルで最も顕著な破損モードです29。
集中横方向荷重条件、すなわち内部グラウンド (IG)、端部グラウンド (EG)、内部 1 フランジ (IOF)、端部 1 フランジ (EOF)、内部 2 フランジ (ITF)、および端部 2 フランジ (ETF) の作用下でウェブが破損するプルトルージョン GFRP 構造プロファイルの性能を調べる研究調査が過去にすでに多数実施されていました。このような実験的研究で、Prachasaree と GangaRao40 は、IG および EG 荷重条件にさらされたプルトルージョン FRP 多細胞ボックス プロファイルの破損初期化がウェブ フランジ接合部で発生し、荷重がさらに増加すると縦方向に沿って伝播することを発見しました。Borowicz と Bank41 は、3 点曲げまたは IOF 荷重条件にさらされたプルトルージョン GFRP 構造プロファイルの挙動を評価しました。実験結果から、すべての試験片が上部ウェブ フランジ接合部でくさび型せん断破損を起こして破損することがわかりました。ウェブとフランジの接合部で発生したこの破壊メカニズムは、後にウェブの座屈またはウェブの潰れが続くことが明らかになりました42,43,44,45。ウェブの破壊破壊は、引抜成形された GFRP プロファイルの機械的特性が横方向に達したときに発生するため、縦方向の対応する特性は最大限に活用できません46,47,48,49。引抜成形された GFRP 構造プロファイルの横方向圧縮破壊モードをさらに調査、検証、および特徴付けるために、Wu と Bai50 は、IG、EG、ITF、および ETF 荷重条件にさらされた前述の RHS プロファイルの一連の実験テストを実施しました。結果から、破壊はウェブとフランジの接合部で始まり、ウェブの潰れと座屈が続くことが明らかになりました。 Charoenphan らが実施した別の研究42 では、複合曲げおよび集中横荷重条件下での単セル引抜成形 FRP 構造プロファイルの破壊の特徴的なモードは、進行性引き裂き破壊であることが判明しました。試験片の破壊中、ウェブとフランジの接合部で最大の亀裂が発生し、荷重が増加するにつれてセル壁全体に広がることが観察されました。Chen と Wang51 は、IG、EG、ITF、および ETF 荷重条件にさらされた引抜成形 GFRP RHS プロファイルの挙動を評価するために、実験と有限要素法に基づく調査を組み合わせた調査を実施しました。この研究の目的は、重要な幾何学的および構造的パラメータが、前述の構造プロファイルの極限荷重容量、破壊メカニズム、および延性特性に与える影響を調査することでした。結果から、最初の亀裂はウェブとフランジの接合部付近で 45° に形成され、ウェブの損傷モードを示していることがわかりましたが、その後の亀裂は、ウェブの座屈モードを示している断面でウェブに垂直に形成されることがわかりました。上述の破壊メカニズムに加えて、IG および ITF 荷重条件にさらされた試験片では、縦方向の従来の亀裂や縦方向のしわ亀裂も観察されました。内部荷重を受けた試験片は、外部荷重を受けた試験片と比較して、より優れた強度と延性特性を示すことがわかりました。この研究では、構造用鋼の設計に利用可能な既存の設計ルールが、プルトルージョン GFRP プロファイルの強度を最大 70% 過大評価していることも明らかになりました。これは、それらのルールが構造用鋼の等方性特性に基づいており、プルトルージョン GFRP の直交異方性を考慮していないためです。この研究は、前述の RHS プロファイルのウェブ クリッピング容量について、より正確で信頼性の高い結果を得るための独自の公式を提案することで締めくくられました。過去に実施されたすべての研究調査は、プルトルージョン GFRP に関する文献に大きく貢献していますが、前述の構造用プロファイル、特に RHS プロファイルの設計に関する統一されたガイドラインを策定するにはまだ不十分です。これは、ウェブ クリッピングを受けた場合の上記の RHS プロファイルのパフォーマンスに関する研究が現在、ごくわずかしかないためです。さらに、いくつかの重要な構造的および幾何学的パラメータの範囲は、プルトルージョン GFRP RHS プロファイルのウェブ クリッピング動作への影響を評価する際にあまり保守的ではないことが判明しており、実用的なレベルまでさらに拡張する必要があります。
本研究では、既存文献の相違点や知識のギャップを分析し、複合曲げと集中横方向荷重条件、すなわち3点曲げまたはIOF荷重条件の作用下でウェブのクリッピングを受ける引抜成形GFRP RHSプロファイルの全体的な性能（強度、剛性、および破損メカニズム）を綿密に調査することを目的としています。また、本論文で紹介する研究は、いくつかの重要な幾何学的および構造的パラメータが前述の構造プロファイルの性能に与える影響を探ることも目的としています。さらに、上記のRHSプロファイルの挙動に関する詳細な分析を提供する包括的、普遍的かつ首尾一貫したデータベースを開発することも目的としています。本研究はさらに拡張され、既存の構造用鋼の設計手順に基づいて、ウェブのクリッピングを受ける引抜成形GFRP RHSプロファイルの設計に関する詳細なガイドラインを策定します。
前述の研究目的は、有限要素ベースの研究調査を実施することによって達成されました。その全体的な計画は、図 3 に示すように 5 つの段階に細分できます。この研究方法論の計画の最初の段階では、明確な知識ギャップと将来の研究範囲を持つ研究トピックが選択されました。今回の場合は、プルトルージョン GFRP RHS プロファイルのウェブ クリッピングです。この研究トピックの選択に関する詳細な説明は、「はじめに」ですでに提供されています。メイン テーマまたは研究調査のトピックが確定すると、その有限要素ベースのモデルがコンピューター ベースのシミュレーション ソフトウェア、つまり ABAQUS CAE52 で開発されました。前述の代表的モデルの開発後、実際の現実世界の現象をシミュレートする能力を検証または検証するために、実験結果に対して調整されました。与えられた有限要素ベースのモデルを検証するための実験データは、2015 年に Chen と Wang51 が実施した研究調査から取得されました。有限要素モデルが検証されると、広範囲にわたるパラメトリック スタディが実施され、曲げと集中横方向荷重の組み合わせによるウェブ クリッピングを受けるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの全体的なパフォーマンスに対するさまざまな重要な幾何学的、構造的、および材料パラメータの影響が調査されました。このパラメトリック スタディから得られた結果に基づいて、包括的で普遍的で首尾一貫したデータベースが組み立てられ、その後、ウェブ クリッピングに対する前述の構造プロファイルの設計ガイドラインを策定するために使用されました。これらの設計ガイドラインは、国際設計コード (例: ASCE53) で推奨されている構造用鋼の既存の設計ルールに基づいて策定されました。構造用鋼の最新の設計ルールは、人工知能 (AI) ベースの遺伝子発現プログラミング (GEP) を採用して変更され、プルトルージョン GFRP RHS プロファイルに実装できるほど効率的になりました。
研究方法論のスキーム。
前述の現実世界の現象の有限要素モデルの開発の全体的なプロセスは、幾何学的特性のモデリング、材料特性のモデリング、荷重と境界条件のモデリング、接触相互作用のモデリング、メッシュ特性の割り当て、および解析方法の選択の 6 つのフェーズに分けられます。特定の有限要素モデルの開発のこれらすべてのフェーズについては、次のセクションで詳しく説明します。
Chen と Wang51 の実験プログラムから採用した、引抜成形 GFRP RHS 荷重試験片の形状を図 4 に示します。この図で、B、H、T、Ro、Ri、L、および N は、それぞれ断面幅、断面高さ、断面厚さ、外角半径、内角半径、プロファイル長さ、および支持プレートまたは荷重プレートのベアリング長さを表します。前述の実験プログラムで報告された幾何学的測定値に従って、断面幅は 50.16 mm、断面高さは 100.28 mm、断面厚さはウェブとフランジでそれぞれ 4.02 mm と 3.98 mm、外角半径と内角半径はそれぞれ断面厚さの 2 倍と 1 倍の公称値、プロファイル長さは 500 mm としました。これは、図 4b の形状で指定された最小値よりもわずかに大きい値です。支持プレートと荷重プレートの両方のベアリング長さ、幅、および厚さは、それぞれ 150 mm、300 mm、30 mm としました。幾何学的測定が確定したら、数値調査に関係するすべての特徴が、その形状の性質に応じてコンピュータベースのシミュレーション ソフトウェア ABAQUS CAE52 でモデル化されました。RHS プロファイルの厚さは他の幾何学的寸法に比べて大幅に小さいため、砂時計制御と有限膜ひずみを備えた低積分 8 ノード四辺形面内汎用連続体シェル要素 (SC8R) を使用してモデル化されました。一方、ソリッド ジオメトリを持つ支持プレートとベアリング プレートは両方とも、ABAQUS52 ライブラリの砂時計制御を備えた低積分 8 ノード線形ブリック要素 (C3D8R) を使用してモデル化されました。上記の幾何学的特徴のモデル化にこれらの要素タイプを選択したのは、薄肉管状構造のウェブ クリッピングに関する最近のいくつかの調査研究の推奨事項に基づいています45,51,54,55,56,57,58。
(a) 断面図 (b) 有限要素モデルの校正用にプルトルージョンされた GFRP RHS 荷重試験片の立面図。
研究に含まれるすべての幾何学的特徴の材料特性は、Chen と Wang51 の実験調査に基づく学術論文から取得されました。この論文によると、プルトルージョン GFRP は、縦方向の引張強度が 275 MPa、層間せん断強度が 29 MPa、弾性率が 26 GPa であると考えられていました。ABAQUS CAE52 におけるプルトルージョン GFRP の全体的なモデリングは、重量特性、弾性挙動、および塑性または降伏後挙動のモデリングの観点から説明できます。前述の材料の重量特性は質量密度を定義することによってモデル化されましたが、弾性挙動は材料異方性の影響を組み込むために 3 方向すべてで工学定数を定義することによってモデル化されました。重量特性と弾性挙動のモデル化では、質量密度を 2050 kg/m3 としましたが、弾性係数、せん断係数、ポアソン比はそれぞれ、縦方向、横方向、せん断方向で 45 GPa、18 GPa、18 GPa、6 GPa、6 GPa、2.5 GPa、0.25、0.25、0.3 としました。引抜成形された GFRP の塑性挙動または降伏後挙動のモデル化は、1973 年に Hashin と Rotem によって開発された「Hashin 損傷基準」59,60 に基づいています。これは ABAQUS CAE52 に組み込まれており、FRP 複合材料の塑性挙動をモデル化するために、強度、破壊、粘性特性を定義する必要があります。塑性挙動のモデル化中、引張強度、圧縮強度、せん断強度、破壊エネルギーは、縦方向と横方向でそれぞれ 275 MPa、60 MPa、200 MPa、45 MPa、45 MPa、30 MPa、200 N/mm、150 N/mm とされ、粘性係数はすべての方向で 0.18 とされました。 ABAQUS CAE52 における Hashin 損傷基準の実装哲学は、損傷開始段階、損傷進展段階、損傷安定化段階の 3 つの段階に分けることができます。損傷開始段階では、繊維圧縮破壊、繊維引張破壊、マトリックス圧縮破壊、マトリックス引張破壊という予想される各破壊モードの係数が、Hashin と Rotem59 が推奨する数式を使用して計算されました。これらの係数のいずれかの値が 1 に近づくと、その特定の破壊モードで破壊が開始されます。 Hashin Damage Criterion の損傷進展フェーズでは、与えられたモデルのすべての有限要素の損傷状態が破壊エネルギーに基づいて計算されました。損傷前後の損傷または応力状態の差は、FRP 材料に割り当てられたフィーチャの軟化挙動をシミュレートします。軟化挙動を示す材料は、暗黙的解析で収束の複雑さを引き起こすことがあります。これらの収束の複雑さは、粘性特性に基づく Hashin Damage Criterion の損傷安定化スキームを実装することで回避できます。これは通常、破壊エネルギーを人工的に増加させることで FRP 複合材料に誘発される損傷を減速させる効果的な方法と考えられています。プルトルージョン GFRP RHS プロファイルの材料のモデリングとは別に、支持プレートと荷重プレートの両方の構造用鋼は、弾性係数 210 GPa、ポアソン比 0.3 の線形弾性材料としてモデル化されました。これは、構造用鋼の等方性により、前述の RHS プロファイルが破損する前は、両方のプレートが降伏限界内にとどまると予想されていたためです。
すべての境界条件（変位、回転、および外部荷重）は、支持プレートと荷重プレートの両方の外部法線面の幾何学的中心に作成された参照点を通じて、プルトルージョン GFRP RHS アセンブリに適用されました。これらの参照点は、剛体拘束を通じてそれぞれのプレートにリンクされていました。ウェブ クリッピング現象に関する先行研究の推奨事項45,51,61,62,63 と前述のアセンブリの構造配置に基づいて、支持プレートはすべての変位と回転の自由度に対して拘束され、荷重プレートは垂直方向にのみ移動できました。支持プレートの数は、初期モデル キャリブレーション中の 1 枚からパラメトリック スタディ中の 2 枚に増加されましたが、それらに適用された境界条件は同じままでした。プルトルージョン GFRP RHS 試験片でウェブ クリッピング現象を生成する外部荷重は、荷重プレートの垂直方向または横方向の変位制御圧力を通じて適用されました。
鋼板とプルトルージョン GFRP RHS プロファイル間の接触相互作用は、標準的な表面対表面接触としてモデル化されました。このタイプの接触では、通常動作中の圧力オーバークロージャは「ハード」に設定され、強制後に分離が許容されますが、接線動作中の摩擦定式化は摩擦係数 0.4 の「ペナルティ」に設定されました。この接触は、ABAQUS ライブラリ52 のマスタースレーブアルゴリズムを使用して、RHS プロファイルと支持プレートおよび荷重プレートの両方の相互作用面に適用されました。このアルゴリズムを実装するために、適用された荷重を伝達する表面はマスター表面と見なされ、適用された荷重が伝達される表面はスレーブ表面と見なされました。モデルキャリブレーションからパラメトリックスタディに移行すると、接触相互作用に少し変化があります。パラメトリックスタディ中に支持プレートが RHS プロファイルの中心ではなく端に配置されていたため、前述の RHS プロファイルと支持プレートの相互作用面間の接触は、タイ制約を使用してモデル化され、単純支持境界条件を効果的にシミュレートしました。
メッシュ化とは、特定の幾何学的エンティティを有限要素に離散化するプロセスです64。これは、構造ジオメトリの無限の自由度を有限に減らし、数値的に解けるようにします64。メッシュのサイズは通常、ソリューションの精度を制御します。より細かいメッシュとより小さな有限要素は、一般的により正確な結果を生成しますが、計算コストも増加します64。ソリューションの精度と計算コストのバランスを見つけるために、収束研究が頻繁に推奨されます51,65。本研究のメッシュ要素のサイズ（つまり、各方向に10 mm）も収束研究に基づいて決定され、その結果は図5に示されています。この研究に関係する幾何学的エンティティの寸法はそれほど大きくなかったため、メッシュ要素のサイズはボディ全体で同じに保たれました。この研究に関連する有限要素モデルのメッシュプロパティは、図6に示されています。
収束研究に基づいたメッシュ サイズの選択。
有限要素モデルをキャリブレーションするためのメッシュ プロパティ。
ABAQUS CAE52 は、特定の有限要素解析を効率的かつ効果的に実行するためのさまざまな方法とテクニックを提供しています11,12。これらの解析方法の中で、ABAQUS/Standard と ABAQUS/Explicit は、ウェブ クリッピング現象を含む問題に最も人気があり効果的な方法です11,12。ただし、ABAQUS/Explicit 解析は増分サイズが非常に小さいため、収束の複雑さを示す問題に適しています66,67,68,69,70,71,72,73。計算コストと特定の解析方法の有効性を考慮して、本研究では ABAQUS/Standard 解析を使用して、複合曲げと集中横方向荷重条件下でウェブ クリッピングを受けるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの挙動を調査しました。さらに、大きな変位が前述の構造プロファイルのパフォーマンスに与える影響を把握するために、幾何学的非線形性も解析に組み込まれました。
モデルの検証または確認は、有限要素モデルが意図した用途において現実世界の特定の現象をどの程度表現しているかを確認するプロセスです。これは、数値ベースの研究調査を実施するための前提条件です。この研究では、Chen と Wang51 が提示したプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの実験テスト結果を利用して、有限要素モデルを検証しました。このモデルの検証に関する説明は、2 つの部分に分けることができます。最初の部分では全体的なスキームについて説明し、2 番目の部分ではその結果について説明します。
この研究に関連する計算モデルの検証は、前述の構造アセンブリの 5 つの重要なパラメータ、すなわち、破損モードまたは破損メカニズム、荷重とたわみの関係、極限荷重容量、全体の断面剛性および延性比に基づいて行われました。破損モード、荷重とたわみの関係、極限荷重容量は自己記述的な用語ですが、断面剛性は弾性限界内で単位変形を生成するために必要な力であり、延性比は極限ひずみと降伏ひずみの比です。有限要素モデルを検証する全体的なスキームを図 7 に示します。
「モデル検証スキーム」で前述したように、モデル検証スキームの最初の段階は、破損モードの検証です。数値調査結果から、ウェブの切断を受けた引抜成形 GFRP RHS プロファイルの破損は、ウェブとフランジの接合部での 45° の亀裂の形成で始まることが明らかになりました。これらの初期亀裂に続いて、中央の 3 分の 1 に大きな縦方向の亀裂が形成され、ウェブ全体に小さなしわ状の亀裂が形成されることが観察されました。ウェブの亀裂は、ウェブとフランジの接合部およびその近くでベアリング プレートがウェブに打ち込まれることを伴うことも判明しました。ウェブの切断を受けた前述の構造プロファイルのこの破損モードは、図 8 に示すように、実験調査51 の結果から得られたものとよく一致することがわかりました。
故障モードに基づく有限要素モデルの検証。
破壊モードに加えて、与えられた有限要素モデルの検証は、荷重たわみ関係、極限荷重、全体の断面剛性、および延性比などのいくつかの重要な応力 – ひずみ特性に基づいて行われました。図 9 に示すように、これらの応力 – ひずみ特性を評価すると、与えられた構造アセンブリの有限要素モデルベースの荷重たわみ関係は、その全範囲にわたって 5% のエンジニアリング許容限界以下の偏差で、実験調査51 から得られた値とほぼ同じであることがわかりました。さらに、極限荷重、全体の断面剛性、および延性比に関する実験と有限要素ベースの計算モデルの結果の差は、それぞれ 1.69%、2.68%、および 2.55% であることが明らかになりました。図 9 に示す応力 – ひずみ特性に加えて、与えられた有限要素モデルは、追加の実験調査ベースのモデルの応力 – ひずみ特性に対しても検証されました (図 10)。図 11 に示すこれらの応力 – ひずみ特性の結果を分析すると、図 9 と 10、および図 8 に示す破損モードを考慮すると、与えられた有限要素モデルは、プルトルージョン GFRP RHS プロファイルのウェブ破損という実際の現実世界の現象をシミュレートするように完璧に調整されていると言えます。
応力-ひずみ特性に基づく有限要素モデルの検証。
応力-ひずみ特性に基づく有限要素モデルの検証。
有限要素モデルが実験結果に対して検証された後、広範囲にわたるパラメトリック研究が実施され、複合曲げと集中横方向または IOF 荷重条件の作用下でウェブ クリップリングを受けるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの性能に対するさまざまな重要な幾何学的、構造的、および材料パラメータの影響が調査されました。パラメトリック研究の説明は 2 つの部分に分けられます。最初の部分ではパラメトリック研究用に開発された計算モデルについて説明し、2 番目の部分では得られた結果について説明します。
パラメトリック研究では、曲げと集中横方向または IOF 荷重の組み合わせの作用下でウェブが折れ曲がるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの性能を調査するために、合計 111 の計算モデルが開発されました。荷重がかかった前述の構造アセンブリのこれらのモデルの幾何学的配置を図 11 に示します。ここで、B、H、T、Ro、Ri、L、および N は、それぞれ断面幅、断面高さ、断面厚さ、外角半径、内角半径、プロファイル長さ、および荷重プレートまたは支持プレートの支持長さを表します。これらすべてのパラメーターの範囲は、薄肉構造に対する AISC74,75 の推奨事項に基づいて決定され、表 1 に詳細が示されています。RHS プロファイルの長さは、図 11b に示すように、最小必要長さ51,76 よりもわずかに長くして、概数にしました。これらのパラメーターとは別に、荷重プレートまたは支持プレートの幅は、適用された荷重が適切に分散されるように、断面幅の 1.5 倍としました。この研究に関連する材料パラメータは、パラメトリック スタディ全体を通じて Chen と Wang51 の実験調査に基づく論文で提示されたものと同じに保たれました。これについては、「材料モデリング」で簡単に説明されています。このセクションで定義されていない他のいくつかのパラメータは、モデル キャリブレーション中にデフォルト値を使用しました。パラメトリック スタディは多数の有限要素モデルに関連付けられているため、各モデルに一意の ID (ID) または名前を割り当てる必要があります。パラメトリック スタディ中に開発された有限要素モデルのこの一意の ID または名前は、5 つの部分で構成されています。最初の部分は構造プロファイルの名前 (つまり、RHS プロファイル) を表し、2 番目の部分は断面の高さ、断面の幅、断面の厚さの順序で断面の寸法を整数で表します。モデル ID の 3 番目の部分はプロファイルの長さを記述し (たとえば、L0.25 は、指定された構造プロファイルの長さが 0.25 m であることを意味します)、4 番目の部分はベアリング プレートの長さを記述し (たとえば、N0.5B は、N が B の 0.5 倍であることを意味します)、最後にモデル ID の最後の部分は RHS ジオメトリの外側コーナー半径を詳しく説明します (たとえば、R2T は、Ro が T の 2 倍であることを意味します)。ウェブ クリップリングを受けるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルのパラメータ スタディから得られた結果については、次のセクションで詳しく説明します。
(a) 断面図 (b) パラメトリック研究用のプルトルージョン GFRP RHS 荷重試験片の立面図。
パラメトリック スタディでは、前のセクションで説明したさまざまな重要なパラメータが、複合曲げと集中横方向または IOF 荷重条件の作用下でウェブ クリップリングを受けるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルのパフォーマンスに与える影響を調査しました。これらの構造プロファイルのパフォーマンスの評価は、破壊モードと主要な強度特性、つまり極限荷重、最大曲げモーメント、および全体の断面剛性に基づいて行われました。これらすべてのパフォーマンス指標に関するパラメトリック スタディの結果は、表 1 に示され、後続のセクションで詳細に説明されています。
この記事で紹介した研究のパラメトリック スタディは、幅広いデータベースで実施され、信頼できる結果が得られ、その根拠として、健全で論理的な結論を導き出すことができます。この独自の特性を利用して、ウェブ クリッピングを受けるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルのすべての関連する有限要素ベースの計算モデルの破損メカニズムが分析されました。破損メカニズムの分析結果から、図 12 に示すように、複合曲げと集中横方向または IOF 荷重条件を受けた場合、ウェブの圧潰、完全座屈、局所座屈、および内側へのウェブの曲げが、前述の構造プロファイルの主な破損モードであることがわかりました。パラメトリック スタディの結果から、これらの破損モードのいずれかと特定の構造プロファイルとの関連性は、主にその形状と構造の安定性によって決まり、これはアスペクト比、細長比、断面高さと厚さの比、断面高さと幅の比、コーナー半径と断面厚さの比、およびベアリング長さと断面幅の比の関数であることが明らかになりました。パラメトリック スタディの結果の詳細な評価から、ウェブの内側への曲がりと局所的な座屈は、幾何学的および構造的安定性指数が低いプルトルージョン GFRP RHS プロファイルに関連する破損モードであることが判明しました。一方、ウェブの座屈と圧縮は、幾何学的および構造的安定性指数の値が高いプロファイルに関連する破損モードであることが判明しました。
ウェブの損傷を受けたプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの主な破損モード。
破壊モードに加えて、複合曲げと集中横方向または IOF 荷重条件の作用下でウェブ クリップリングを受けるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの強度特性 (つまり、極限荷重、最大曲げモーメント、および全体の断面剛性) に対する、断面幅、断面高さ、断面厚さ、断面のコーナー半径、プロファイル長さ、およびベアリング長さなどのさまざまな重要なパラメータの影響も調査されました。これらのすべてのパラメータが前述の構造プロファイルの強度特性に与える影響に関する詳細な説明は、次のサブセクションで提供されます。
パラメトリック スタディの結果から、ウェブ クリップリングを受けるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの全体的な強度特性に、断面幅は大きな影響を及ぼさないことが明らかになりました。ただし、断面幅が増加すると、極限荷重と最大曲げモーメントがわずかに減少する一方で、図 13 に示すように、前述の構造プロファイルの全体的な断面剛性がわずかに増加することがわかりました。これは、断面幅が増加すると、ウェブ上の荷重偏心がわずかに増加して極限荷重と最大曲げモーメントがわずかに減少する一方で、断面の高さと幅の比率が減少して、全体的な構造形状が強化されるためです。
ウェブの損傷を受けたプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの強度特性に対する断面幅の影響。
パラメトリック スタディの結果から、図 14 に示すように、ウェブ クリップリングを受けるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの極限荷重および全体的な断面剛性と断面高さは逆相関関係にあることが確認されました。これは、断面高さを高くすると、前述の構造プロファイルが材料降伏前に他の破損モードで破損する可能性も高くなるためです。さらに、断面高さは最大曲げモーメントに大きな影響を与えないことがわかりました (図 14)。これは、前述の「パラメトリック スタディ モデル」で説明したように、断面高さを高くするとプロファイルの長さも長くなるためです。
ウェブの損傷を受けたプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの強度特性に対する断面高さの影響。
パラメトリック スタディの結果から、図 15 に示すように、ウェブ クリップリングを受けたプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの断面の厚さは、強度特性 (極限荷重、最大曲げモーメント、および断面全体の剛性) と直接関係していることがわかりました。これは、断面の厚さが厚くなると、断面の高さと厚さの比率が小さくなり、前述のプロファイルの幾何学的および構造的安定性も高まるためです。さらに、適用される曲げおよび集中横方向または IOF 荷重条件に対する抵抗面積も増加します。
ウェブの損傷を受けたプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの強度特性に対する断面厚さの影響。
パラメトリック スタディの結果、図 16 に示すように、ウェブの損傷を受けたプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの断面のコーナー半径は、強度特性 (極限荷重、最大曲げモーメント、および断面全体の剛性) と逆相関関係にあることが明らかになりました。これは、断面のコーナー半径を大きくすると、適用される曲げの偏心とウェブへの集中横方向荷重も大きくなり、より低い応力強度で破損する原因となるためです。
ウェブの損傷を受けたプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの強度特性に対する断面コーナー半径の影響。
パラメトリック スタディの結果から、図 17 に示すように、プロファイルの長さは、ウェブ クリップリングを受けるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの極限荷重および断面剛性と逆相関関係にあることがわかりました。これは、プロファイルの長さが長くなると、アスペクト比が大きくなるため、前述のプロファイルの全体的な幾何学的および構造的安定性が低下するためです。ただし、曲げモーメントはプロファイルの長さに直接影響されるため、プロファイルの長さによって大きな影響を受けないことがわかりました。
ウェブの損傷を受けたプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの強度特性に対するプロファイル長さの影響。
図 18 に示すパラメトリック スタディの結果から、ベアリング長さは、複合曲げと集中横方向または IOF 荷重条件の作用下でウェブが破損するプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの強度特性 (つまり、極限荷重、曲げモーメント、および全体の断面剛性) と直接関係していることが明らかになりました。ベアリング長さが長くなると、荷重分散領域も増加し、前述の構造プロファイルのウェブ上の応力集中が減少するためです。
ウェブの損傷を受けたプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの強度特性に対するベアリング長さの影響。
複合曲げと集中横方向荷重または IOF 荷重条件下でウェブ クリップリングを受けるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルのウェブ クリップリング設計ガイドラインは、以前の研究者 11,12,29,50,76 によって確立された伝統に基づいて、国際設計コード、すなわち ASCE53 および EC377 の既存の設計式を修正することによって開発されました。前述の構造プロファイルのこれらの設計ガイドラインの開発に関する説明は、3 つの部分に分けることができます。最初の部分では、これらの設計ガイドラインの開発の全体的なスキームを示し、2 番目の部分では、これらの設計ガイドラインの開発に使用される AI ベースの GEP に関する詳細を示します。一方、3 番目の部分では、ウェブ クリップリングを受けるプルトルージョン GFRP RHS プロファイル用に、それによって得られた修正された設計ガイドラインを示します。
パラメトリック スタディの結果に基づいて、複合曲げと集中横方向または IOF 荷重条件下でウェブ クリップリングを受けるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの全体的なパフォーマンスを説明する包括的で普遍的で首尾一貫したデータベースが構築されました。次に、このデータベースを使用して、所定の荷重条件下での前述の構造プロファイルのウェブ クリップリング設計のガイドラインを策定しました。これらの設計ガイドラインを策定する全体的なプロセスを図 19 に示します。これは、5 つの主要なステップに分けることができます。最初のステップでは、国際設計コード、つまり ASCE53 と EC377 で推奨されている構造用鋼のウェブ クリップリング設計の設計ルールが、それぞれ式 (1) と (7) に示すように特定されました。式 (2) ～ (6) は、式 (1) に含まれる標準係数を計算するために提供されています。これらの式で使用されているパラメータの一部は、「パラメトリック スタディ モデル」ですでに説明されていますが、P は RHS プロファイルのウェブあたりの公称強度、θ は水平に対するウェブの傾斜角度、α は EC377 で詳細に説明されているウェブ クリップリング係数、la は有効支持長さ、fy と E はそれぞれ RHS プロファイルの材料の降伏強度と弾性係数を表します。これらの式を使用して、表 1 に詳述されている試験片のウェブ クリップリング強度を計算し、有限要素モデルから得られた値と比較しました。前述の国際規格の設計式と有限要素モデルから得られた結果間の誤差は、一部の先行研究者78,79,80,81 が推奨する AI ベースの GEP アルゴリズムを使用して解決されました。この誤差の補正は、乗法強度修正係数として ASCE53 と EC377 の設計式に導入されました。このエラーの解決と強度修正係数の進化に使用される GEP モデリング手順については、次のセクションで詳しく説明します。
プルトルージョン GFRP RHS プロファイルのウェブ クリッピング設計ガイドラインを策定するスキーム。
GEP は、生体の自然プロセスを模倣することで、特定のデータポイント セットの数学的関数を定式化することを目的とした AI ベースの進化アルゴリズムです。ASCE53 および EC377 の設計方程式に導入される強度修正係数のモデリングは、GEP を使用しながらプルトルージョン GFRP RHS プロファイルに実装するのに十分な効率性を実現するために、非常に汎用性の高いデータ モデリング ソフトウェア GeneXproTools 5.0 を使用して行われました。モデリング プロセスを初期化するために、表 1 に示すような包括的で汎用的で一貫性のあるデータベースが GeneXproTools にインポートされました。このデータベースのモデル パラメーターは入力変数と見なされ、パラメトリック スタディ中に開発された計算モデルと ASCE53 および EC377 の設計方程式から取得した前述のプロファイルの最大荷重を比較することによって計算された強度修正係数は出力変数と見なされました。 GeneXproTools は、頭部サイズ、染色体数、遺伝子数、遺伝子あたりの定数、リンク関数、モデル関数などの重要なモデリング パラメータを指定する機能をユーザーに提供します。これらのモデリング パラメータのさまざまな組み合わせを使用して、複数の GEP モデルが生成されました。これらのモデルのパフォーマンスは、式 (8) ～ (12) に示されているように、最も一般的に使用される 5 つの適合度指標、つまり決定係数 (R2)、二乗平均平方根誤差 (RMSE)、平均絶対誤差 (MAE)、相対二乗平方根誤差 (RRSE)、およびパフォーマンス インデックス (ρ) に基づいて評価されました。これらの式では、T、T̅、および P はそれぞれ、与えられた出力、与えられた平均出力、および予測出力を表し、n はデータ ポイントの総数を表します。これらのパフォーマンス指標の結果に基づいて、最も適合したモデルが、ASCE53 および EC377 の設計式で使用される強度修正係数として提案されました。こうして得られたこれらの国際規格の修正設計式は、前述の構造プロファイルのウェブ クリッピング設計に使用することが推奨されました。
「設計ガイドラインの開発計画」に示されている、ウェブ クリップリングを受けるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの設計ガイドラインの開発の全体計画で説明されている方法論に従って、構造用鋼の国際設計コード、すなわち ASCE53 および EC377 の既存の設計ガイドラインを、パラメトリック スタディ中に作成された有限要素ベースの計算モデルに適用して評価しました。結果を比較すると、前述の設計ルールはプルトルージョン GFRP RHS プロファイルのウェブ クリップリング容量を平均で約 75% 過大評価していることがわかりました。これは、これらの設計ルールが構造用鋼の等方性に基づいており、プルトルージョン GFRP の材料の直交異方性を考慮していないためです。この誤差に対する修正は、ウェブ クリッピング強度修正係数 (CGFRP) を ASCE53 の設計方程式に導入し、EC377 の設計方程式にすでに含まれている構造用鋼のウェブ クリッピング係数 (α) をプルトルージョン GFRP のウェブ クリッピング係数 (αGFRP) に置き換えることによって、前述の設計ガイドラインに組み込まれました。これにより得られた修正設計ルールは、式 (13) ～ (16) に示されています。これらの方程式に含まれるほとんどのパラメーターは、「設計ガイドラインの開発スキーム」ですでに説明されていますが、特に、PM-ASCE と PM-EC3 は、それぞれ ASCE53 と EC377 の修正設計方程式を使用して計算された極限荷重に関して、プルトルージョン GFRP RHS プロファイルのウェブ クリッピング容量を表します。
プルトルージョン成形された GFRP RHS プロファイルのウェブ クリップリング設計における ASCE53 および EC377 の提案された修正設計ルールの一貫性と健全性は、最も頻繁に使用される統計分析の 1 つである信頼性分析29 を使用することによって評価されました。信頼性分析では、これらの設計ルールの一貫性と健全性を信頼性指数 (β) の観点から決定します。信頼性指数は、式 (17) を使用して計算できます。この式で、Cϕ、ϕ、Fm、Mm、Pm、VF、VM、VQ、VP、および CP は、較正係数、抵抗係数、平均製造係数、平均材料係数、平均荷重比 (つまり、有限要素モデルから得られた極限荷重と修正設計ルールを使用して計算された極限荷重の比) 係数、製造係数の変動係数、材料係数の変動係数、荷重効果の変動係数、荷重比の変動係数、および補正係数を表します。これらのパラメータのほとんどは設計コード53,77および既存の研究文献12,29,82で報告されていますが、その他のパラメータは表2に示されています。βの値が高いほど、設計実務における安全性または信頼性のレベルが高いことを意味します。プルトルージョンGFRP構造プロファイルのウェブクリッピング設計では、通常、βの目標値として3.5が推奨されています29,83。信頼性分析の結果、βは、表2に示すように、ASCE53とEC377の修正設計ルールでそれぞれ3.95と3.58であることがわかりました。信頼性分析の結果を分析すると、提案された設計ルールは一貫性があり、健全で、したがって信頼できると言えます。
上で説明した ASCE53 および EC377 の修正設計ルールのパフォーマンスは、最も頻繁に使用される 5 つの適合性指標、つまり R2、RMSE、MAE、RRSE、および ρ に基づいて評価されました。図 20 に示す適合性評価結果から、これらのパフォーマンス指標は、修正 ASCE53 モデルではそれぞれ 0.9822、31.44、20.52、0.0904、および 0.0633 であるのに対し、修正 EC377 モデルではそれぞれ 0.9333、54.42、33.62、0.1566、および 0.1110 であることが明らかになりました。これらの性能指標について得られた結果に基づいて、修正された ASCE53 および EC377 モデルは、プルトルージョン GFRP RHS プロファイルのウェブ クリッピング容量を正確に予測することがわかりました (図 21)。そのため、複合曲げと集中横方向または IOF 荷重条件の作用下でウェブ クリッピングを受ける前述の構造プロファイルの設計に、これらのモデルを使用することが推奨されました。
提案された Web 障害容量予測モデルのパフォーマンス評価。
提案された Web 障害容量予測モデルの予測精度。
この研究論文では、複合曲げと集中横方向または内部フランジ (IOF) 荷重条件の作用下でウェブ クリッピングを受ける引抜成形ガラス繊維強化ポリマー (GFRP) 長方形中空断面 (RHS) プロファイルの性能に関する数値調査を提示しました。このために、ABAQUS CAE52 を使用した有限要素ベースの計算モデルが開発され、その後、Chen と Wang51 の学術論文で報告された実験結果を利用して検証されました。有限要素モデルが検証されると、前述の現象を調査するための包括的なパラメトリック スタディが実施され、その結果に基づいて修正されたウェブ クリッピング設計ガイドラインが提案されました。この研究の調査結果に基づいて、次の結論を導き出すことができます。
この研究で開発された有限要素ベースの計算モデルは、曲げまたは集中した横方向の荷重条件にさらされたプルトルージョン GFRP RHS プロファイルのウェブ破損という実際の現実の現象をシミュレートするために正確に調整されていることが判明しました。
破損メカニズムの分析から、複合曲げと集中横方向または IOF 荷重条件にさらされたプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの主な破損モードは、ウェブの破砕、完全座屈、局所座屈、および内側への曲がりであることがわかりました。
IOF 荷重条件にさらされたプルトルージョン GFRP RHS プロファイルのウェブ クリップリング容量は、セクションの厚さとベアリング長さに直接関連しているのに対し、セクションの幅、セクションの高さ、セクションのコーナー半径、およびプロファイルの長さには反比例することがわかりました。
この研究で提案された ASCE53 および EC377 の修正設計ルールは、複合曲げと集中横方向または IOF 荷重条件にさらされた場合のプルトルージョン GFRP RHS プロファイルのウェブ破壊容量を正確に予測できることがわかりました。
この記事で紹介した研究は、ウェブ クリッピングを受けるプルトルージョン GFRP RHS プロファイルの性能に関する文献に大きく貢献しています。ただし、最終的な結論に達するまでにはまだ多くの作業が必要です。したがって、将来の研究者は、他の境界条件 (エンド ワン フランジ (EOF)、エンド ツー フランジ (ETF)、インテリア ツー フランジ (ITF) など) およびプロファイル タイプに関して前述の現象を調査することをお勧めします。また、将来の研究者は、ウェブ クリッピングを受けるプルトルージョン GFRP 構造プロファイルの全体的な性能を記述する包括的で広範囲なデータベースを開発し、それに基づいて統一された設計ガイドラインを策定することも推奨されます。さらに、他の従来の分析アルゴリズムと比較して優れた性能を示す革新的な人工知能 (AI) ベースのアルゴリズムを利用して、上記の構造プロファイルの独立したウェブ クリッピング設計ルールを開発することが推奨されます 84,85,86,87,88,89。
この研究で使用されたすべてのデータは原稿に記載されています。
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Scientific Reports (Sci Rep) ISSN 2045-2322 (オンライン)
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元記事: https://www.nature.com/articles/s41598-024-59345-4