骨組構造の爆破解体解析・実験システムの開発


 欧米などでは近年,ダイナマイトの発破により多層構造物を取り壊す,いわゆる爆破解体が盛んに行われている.重機や人間の手によって解体する従来の工法と比べて工期が短く,安全性や経済性の面で有利な点が多い.しかし,このような爆破解体作業には,特に都市部では周辺構造物に被害を与えないよう細心の注意を持ってあたる必要があり,高度な知識と経験に依存する傾向がある.実際に日本では,筑波科学万博会場や琵琶湖々畔の古ホテルの取り壊しなど,その適用例はごく少数に限られている.爆薬の仕掛け方やその量はもとより,発破順序やタイミングに関するノウハウを広く共有できれば,爆破解体技術のさらなる普及が見込まれる.このノウハウの共有化には,簡便な解体実験システムのみならず,建物の崩壊現象を定量的に扱うことが可能な数値解析手法の開発が必要であると考える.
 今日までに,建物の崩壊現象を解析した例がいくつか報告されている.中でも,個別要素法(DEM)や不連続変形法(DDA)は適用範囲が多岐に渡っており,建物の地震崩壊解析や岩盤崩落解析などで多くの成果が出ている.しかし,その数値モデルの特性上,3次元建物モデルでの弾性状態から塑性,破断状態までに渡るシームレスな解析は現状では困難である.本研究では,爆破解体現象を定量的に系統立てて把握するために,弾性状態から塑性,破断状態までシームレスに解析可能な有限要素解析手法の構築を行い,さらには,電磁デバイスを用い再利用可能な解体実験システムを開発することを目的とする.
 解析手法には,WTCビルの飛行機衝突解析などで使用実績のあるASI-Gauss法を適用する.ASI-Gauss法は,要素内の数値積分点を部材性状に合わせて順応的にシフトすることで,計算コストを低く抑えることが可能な順応型Shifted Integration法(ASI法)をさらに改良した手法である.ASI-Gauss法では,2つの線形チモシェンコはり要素をサブセット要素として考え,そのガウス積分点に相当する位置に応力評価点を配置するように数値積分点をシフトすることで,弾性変位解の精度を向上させている.また,積分点のシフトと同時に断面力を解放することで破断を表現し,幾何学的な位置関係に基づいて要素間をギャップ要素で拘束し,接触を表現可能としている.本研究では,ASI-Gauss法を用いて骨組構造の爆破解体解析を実施し,発破条件の相違による崩壊モードの影響を調べ,解析システムの有効性を検証した.



高層ホテルの爆破解体解析



電磁デバイスを用いた爆破解体実験システム

アルミニウム角材の両端に電磁ホルダを取り付けた構造部材を多数連結して骨組構造を組み上げ,制御装置により任意の連結部の磁界を消滅させて発破を模擬し,解体現象を再現する実験システムを開発した.発破間隔はPCで制御し,発破箇所は磁界切換えスイッチにより指定する.この実験システムは爆薬などの危険物を使用せず,何度も再利用可能である.実験結果と解析結果を比較すると,定量的に良く一致していることが分かる.

(a) 発破条件  


 (b) 実験結果                                (c) 解析結果

6層骨組構造の爆破解体

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関連文献(Books):

D. Isobe: Progressive Collapse Analysis of Structures: Numerical Codes and Applications, Elsevier, eBook ISBN: 9780128130421, Paperback ISBN: 9780128129753, 2017. Elsevier

関連文献(Journals):

都井 裕, 磯部大吾郎: 骨組構造の有限要素崩壊解析における順応型 Shifted Integration 法, 日本造船学会論文集, 第171号, (1992), pp.363-371. abstract

Y.Toi and D.Isobe: Adaptively Shifted Integration Technique for Finite Element Collapse Analysis of Framed Structures, International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol.36, (1993), pp.2323-2339. abstract

都井 裕, 磯部大吾郎: 順応型 Shifted Integraion 法による骨組構造の座屈崩壊挙動の有限要素解析, 日本造船学会論文集, 第174号, (1993), pp.469-477. abstract

都井 裕, 磯部大吾郎: 順応型 Shifted Integration 法による骨組構造の動的崩壊挙動の有限要素解析, 日本造船学会論文集, 第175号, (1994), pp.299-306. abstract

Y.Toi and D.Isobe: Finite Element Analysis of Quasi-Static and Dynamic Collapse Behaviors of Framed Structures by the Adaptively Shifted Integration Technique, Computers and Structures, Vol.58, No.5, (1996), pp.947-955. abstract

磯部大吾郎, 都井 裕: 順応型 Shifted Integration 法による脆性骨組構造体の動的崩壊挙動の有限要素解析, 日本造船学会論文集, 第180号, (1996), pp.471-478. abstract

D.Isobe and Y.Toi: Analysis of Structurally Discontinuous Reinforced Concrete Building Frames Using the ASI Technique, Computers and Structures, Vol.76, No.4, (2000), pp.471-481. abstract

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D. Isobe: An Analysis Code and a Planning Tool Based on a Key Element Index for Controlled Explosive Demolition, International Journal of High-Rise Buildings, Vol.3, No.4, (2014), pp.243-254. abstract

東 健太,磯部 大吾郎: キーエレメント指標に基づく建物の発破解体計画手法の開発, 日本建築学会構造系論文集, 第83巻, 第743号, (2018), pp.59-67. abstract

関連文献(Proceedings):

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江口 正史,磯部大吾郎: 骨組構造の爆破解体解析および解体実験システムの開発, 日本機械学会第18回計算力学講演会講演論文集, No.05-2, (2005), pp.327-328. abstract

D.Isobe, M. Eguchi, K. Imanishi and Zion Sasaki: Verification of Blast Demolition Problems Using Numerical and Experimental Approaches, Proceedings of the Joint International Conference on Computing and Decision Making in Civil and Building Engineering, (2006), pp.446-455, Montreal, Canada. abstract

江口 正史,磯部大吾郎: 骨組構造の爆破解体解析・実験システムの開発, 日本建築学会2006年度大会(関東)学術講演梗概集B-1, (2006), pp.275-276. abstract

江口 正史,磯部大吾郎: 骨組構造の爆破解体過程に関する定量的検証, 日本機械学会第19回計算力学講演会講演論文集, No.06-9, (2006), pp.247-248. abstract

勝 拓也,磯部大吾郎: 高層建築物の発破解体計画システムの開発,日本機械学会第22回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.09-21, (2009), pp.153-154. abstract

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勝 拓也,磯部大吾郎: 発破解体計画のためのキーエレメント特定, 日本建築学会2010年度大会(北陸)学術講演梗概集B-1, (2010), pp.287-288. abstract

勝 拓也,磯部大吾郎: キーエレメント指標に基づく発破解体解析,日本機械学会第23回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.10-2, (2010), pp.421-423. abstract

磯部大吾郎,勝 拓也: キーエレメント指標に基づいた発破解体計画手法, 日本建築学会2011年度大会(関東)学術講演梗概集B-1, (2011), pp.225-226. abstract

D. Isobe and T. Katsu: Blast Demolition Planning Tool using Key Element Index, Proceedings of the 9th International Conference on Shock & Impact Loads on Structures (SILOS11), (2011), pp.395-401, Fukuoka, Japan.abstract

荻野 朋哉,磯部大吾郎: 建物の階高-スパン比と発破解体効率との関係, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第17巻, (2012). abstract

根岸 亮介,磯部大吾郎: RC骨組構造の発破解体解析コードの開発, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第17巻, (2012). abstract

磯部大吾郎,荻野 朋哉: キーエレメント指標に基づいた発破解体計画手法 その2.建物の階高-スパン比が崩壊挙動に与える影響について,日本建築学会2012年度大会(東海)学術講演梗概集, (2012), pp. 357-358. abstract

D. Isobe: A Collapse Analysis Code and Its Recent Applications, Abstracts of the 1st Spain - Japan Workshop on Computational Mechanics, (2012), Barcelona, Spain.abstract

荻野 朋哉,磯部大吾郎: 高層建築物の発破解体計画に関する一考察,日本機械学会第25回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.12-4, (2012), pp.79-80. abstract

根岸 亮介,磯部大吾郎: 大型RC骨組構造の発破解体解析,日本機械学会第25回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.12-4, (2012), pp.81-82. abstract

磯部大吾郎: キーエレメント指標に基づいた発破解体計画手法 その3.キーエレメント指標の積算値と崩壊下限値との関係,日本建築学会2013年度大会(北海道)学術講演梗概集, (2013), pp. 373-374. abstract

D. Isobe, T. Ogino and R. Negishi: Numerical Studies on Planning and Analyzing Blast Demolition Behaviors of Buildings, USB Proceedings of APCOM & ISCM2013, (2013), Singapore. abstract

日下 善輝,磯部大吾郎: キーエレメント指標を用いたS造建築物の発破解体計画, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第19巻, (2014). abstract

日下 善輝,磯部大吾郎: キーエレメント指標に基づいた発破解体計画手法 その4.キーエレメント指標の積算値と残存物高さの関係,日本建築学会2014年度大会(近畿)学術講演梗概集, (2014), pp. 343-344. abstract

日下 善輝,磯部大吾郎: 建物の発破解体計画と残存物形態との関係,日本機械学会第27回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.14-14, (2014). abstract

日下 善輝,磯部大吾郎: キーエレメント指標を用いたS造建築物の発破解体計画 −層数が異なる場合の比較−, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第20巻, (2015). abstract

日下 善輝,磯部大吾郎: キーエレメント指標に基づいた発破解体計画手法 その5.層数が異なる場合の比較,日本建築学会2015年度大会(関東)学術講演梗概集, (2015), pp. 295-296. abstract

東 健太, 磯部大吾郎: キーエレメント指標の分散を用いた建物の発破箇所選定方法に関する検討, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第21巻, (2016). abstract

D. Isobe: A Finite Element Approach to Analyze Large-Scale Collapse Behaviors of Buildings and Motion Behaviors of Non-Structural Components, Semi Plenary Lecture, Proceedings of the 12th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XII), (2016), Seoul, Korea. abstract

D. Isobe: Large-Scale Collapse Analyses of Buildings and Motion Analyses of Non-Structural Components within Them, Thematic Plenary Lecture, Abstracts of the International Conference on Computational Methods (ICCM2016), (2016), Berkeley, CA, USA. abstract

東 健太,磯部大吾郎: キーエレメント指標に基づいた発破解体計画手法 その6.分散を用いた発破箇所選定,日本建築学会2016年度大会(九州)学術講演梗概集, (2016), pp. 415-416. abstract

東 健太, 磯部大吾郎:スパン数の異なる建物におけるキーエレメント指標の分散を用いた発破解体計画, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第22巻, (2017). abstract

東 健太,磯部大吾郎: キーエレメント指標に基づいた発破解体計画手法 その7.スパン数・発破箇所選定方法が異なる場合の比較,日本建築学会2017年度大会(中国)学術講演梗概集, (2017), pp. 271-272. abstract

東 健太,磯部大吾郎: 建物の解体効率・解体時の安全性向上に向けた発破解体計画の検討,日本機械学会第30回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.17-4, (2017). abstract

K. Higashi and D. Isobe: Study on Selection Schemes of Blasted Columns of Buildings to Improve Efficiency and to Secure Safety during Demolition, Abstracts of the 2nd International Conference on Computational Engineering and Science for Safety and Environmental Problems (COMPSAFE2017), (2017), Chengdu, China. abstract

磯部大吾郎: 建築物の崩壊解析手法の開発とその適用例,日本機械学会2018年度年次大会講演論文集 〔2018.9.9-12,吹田〕, No.18-1, (2018), F013004. abstract

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