建築構造物の大規模・超詳細モデリングによる強非線形応答解析
Strongly Nonlinear Response Analyses on Building Structures with Large-scaled and Super-detailed Numerical Modeling
向井 洋一 (神戸大学 大学院工学研究科)
Yoichi Mukai
構造物の衝撃応答解析に効率的な陽解法の衝撃解析コードを用い、建築構造物の大規模・超詳細モデリングにより、大地震を想定した建築物の終局挙動解析を行うことが本研究の目標である。通常の建築構造設計における構造解析では、静的実験などの結果から作成した部材レベルのマクロ要素が用いられるが、構造部材が破壊域に達したあとの建物の終局挙動までの十分な再現性が保証されていない。そこで、大地震を受ける建物の大変形域での強非線形応答について、巨視的視点と微視的視点から同時に観察し、建物倒壊のトリガとなる要因挙動や、マクロ要素による解析では予測不能な崩壊挙動のパターンを抽出する。
鉄筋コンクリート構造、鋼構造、木構造等、種々の構造材料による建築構造物を対象とし、解析対象構造物の建物形状をミクロな有限要素単位で詳細に再現するモデル化を行い、それぞれの有限要素単位で、それを構成する材料の構成則、ならびに境界条件を設定した「丸ごと」モデルによる構造解析を実施する。
1) 鉄筋コンクリート構造、鋼構造、木構造などの構造種別ごとに解析精度の向上を図るための詳細モデル化に関する留意点分析用に、各種構造のFEM解析テストモデル作成を行い、計算性能解析を実施する。
「丸ごと」モデル化の妥当性を確認するため、先ず100万要素レベルのFEM解析用テストモデルの解析とともに、通常の構造設計で用いられるマルチフレームモデル、集中質量系モデルなどによる地震応答解析結果との比較検討を行う。なお、詳細モデルの解析結果の評価については、過去に実施された実大実験用試験体の実験結果なども参考とする。
1) 鋼構造多層建築物について、FEM解析用テストモデルの作成と地球シミュレータでの詳細解析。マルチフレームモデル、集中質量系モデルとの応答比較による評価。
2) 鉄筋コンクリ－ト造多層建築物について、FEM解析用テストモデルの作成と詳細解析を実施するためのローカルでのテストラン。
3) 木構造建築物(社寺建築を対象)について、FEM解析用テストモデルの作成と詳細解析を実施するためのローカルでの予備解析。(H25に地球シミュレータでの解析実施の準備)
4) 高層鉄骨造建物の梁端溶接接合部の脆性的破断について、適切な補強方法の検討を行うための、FEM解析用テストモデルの作成と詳細解析を実施するためのローカルでのテストラン。
1) 鋼構造4階建て建築物について、FEM解析用テストモデルを作成し、解析精度の向上のための問題点分析を行った。マルチフレームモデル、集中質量系モデルによる応答解析結果との比較検討については、弾性応答域での各モデルの応答が整合するようにチューニングを行っても、降伏直後～大変形に至るにつれて、FEMモデルによる詳細解析では、脆弱層の変形進行が顕著となることが示された。なお、集中質量系モデルは進行性破壊を生じやすい一方で、その発生位置の特定などに関する結果の信頼性と解析の安定性に疑問がある。またフレームモデルでは、解析が安定する一方、脆弱層の変形進行を生じにくく評価する傾向が認められている。引き続き、鋼構造20階建て建築物のモデル作成も進めており、残る研究期間での地球シミュレータでの解析を実施予定であり、高層建物のケースの評価結果についても示すことができると考えられる。
2) 鉄筋コンクリ－ト造建築物について、すべての配筋の配置を考慮した建物モデル化を行い、テストランを行っている。異種材料による構造であり、材料部分のサブルーチンの計算量が多く、ベクトル化処理が十分でないため計算速度の効率化への影響が明らかになっている。効率的な利用に向けて材料サブルーチンのベクトル化を継続して行う必要性が指摘される。
3) 伝統的な木構造建築物の架構（特に社寺建築を対象）に関して、詳細なFEMモデルを作成し、3次元FEM解析のテストランにより、振動台実験との比較検討を実施している。予備解析で詳細モデルのパラメータ調整が完了しており、木材の複雑な直交異方性の影響を適切に評価するためのより詳細なモデル化の必要性が示唆されている。残る研究期間で要素数を増加したモデルの解析を実施予定であり、H25に実施予定の振動台実験結果との比較検討成果についても示すことができると考えられる。
4) 巨大地震によって、鉄骨造建築物における梁端溶接接合部の脆性的破断が既設の高層鉄骨造建物にも生じる可能性について、接合部切り出しユニッ トに対する詳細FEMテストモデルを作成し、破断を模擬した弾塑性バネ要素を用いた線材モデルによる概略の応答性状による予備検討結果とのキャリブレーションを実施している。概略モデルでは現象再現が困難であるため、精密なFEM解析による結果での現象解明の可能性が示唆される。
(年度当初の研究計画を全て達成した場合を100% / 複数の目標があった場合は、それぞれについて達成度を数値で記載)
概ね55%
今年度は研究の初年度であり、地球シミュレータでの効果的な解析実行に持ち込むための準備からスタートしており、各種構造別のテストモデルの作成段階において、担当者ごとに並行して、ローカルレベルでテストランによる検討を慎重に行っている。テストランでの妥当性が確認された解析モデルより、計算機資源を利用した本解析を実施している。ただし、有効な解析準備が完了する段階には所定の時間を要し、計算機利用を概ね研究期間後半に設けざるを得ない状況となっている。
(ベクトル化、 並列化チューニング等、 計算機資源を有効利用するために行ったこととその効果を記載)
計算機スピード向上に関しては、いくつかのモデルで実行性能の検証を行い、並列化効率について検証を行っている。特に、RCモデルのテストについて計算速度向上に問題があることが確認されている。計算ソフト開発会社からの情報も得つつ、考えられる原因を検証している。但し、多少のスピードアップは可能ではあるが、これらの問題点をすぐに解決し、ドラスティックな高速化を得るには、マンパワー、費用的に時間を要すると考えている。したがって、現状我々が求めている計算性能は満足しているが、効率的な利用に向けて材料サブルーチンのベクトル化を継続して行うこととしたい。
各種構造による建築物について、通常の実験検証に基づく範囲で作成される部材レベルのマクロ要素で扱いきれない、建物の大変形域での強非線形応答を評価するための詳細モデルを作成しているため、各種構造材料、構造ディテールの相違によるモデル化上の問題点を検証している。従って、モデル構築後でもテストランにより計算負荷の増加などの問題が明らかになっている構造種別のテストモデルについては、地球シミュレータの計算機資源の無駄演算を生じさせないために、初期解析までの準備を詳細に行っている。このように計算機利用のみの観点からみれば、計画的に利用できていない部分もある。ただし、いずれの構造種別についても、テストランの結果により、より精密なモデル化による精度向上の必要性が確認されている。
該当なし。