骨組構造の動的地震崩壊解析コードの開発


 1995年1月に発生した兵庫県南部地震は大きな被害をもたらしたが, 特に縦方向の地震波に対する建築構造物の強度設計の見直しが図られている. そのため,3軸方向へ加振される構造物に対する簡便な崩壊モード解析法の出現が望まれている.
 個別要素法(DEM)や不連続変形法(DDA)などの手法を用いた 爆破解体解析や地震崩壊解析などの数値例は過去にも存在するが, 従来の有限要素解析コードでは,このような強非線形性・不連続性を持つ問題を解くには非常に複雑なプロセスが必要となり,崩壊にまで至る解析例は稀少である.
 本研究では,微小変形・大変形,静的・動的,単調負荷・繰り返し負荷の如何に関わらず,骨組構造の有限要素解析において有効であることが立証されている 順応型 Shifted Integration 法(ASI法)をさらに改良した,ASI-Gauss法を骨組構造の地震崩壊解析に適用した.
 ASI法とは,弾性要素における数値積分点は線形解析に対する最適位置 (3次はり要素の場合はガウス積分点,線形チモシェンコはり要素の場合は 中央点)に置き,全塑性断面の発生直後に,その点に正確に塑性ヒンジが形成されるように数値積分点をシフトする手法で,通常の有限要素法に比べ格段に少ない要素数で高精度の解が得られ,また 従来の有限要素解析コードへのインプリメントが容易であることが大きな特長である.さらに,ASI-Gauss法とは,弾性域での精度向上を目指し,線形チモシェンコはり要素2要素を一組の部材とし,部材単位でガウス積分点位置に応力評価点が配置されるように数値積分点をシフトする手法である.特に弾性応答解に格段の改善が認められ,ASI法よりもさらに精度が向上した.
 本研究で用いたアルゴリズムでは,数値積分点をシフトすることによりある要素の特定の断面に仮想ヒンジを発生させ,それと同時にその要素の断面力を解放し,破断を表現する.この操作により,部材が破断し飛散するような問題も解析が可能となる.



3連棟モデルの棟間衝突解析結果

 1985年メキシコ・ミチオアカン地震Ms8.1では,震源地から400 kmも離れたメキシコ市において,特定の固有周期を有する高層建築物が長周期地震動により多数倒壊した.倒壊した建築物の中には,3棟がエキスパンション・ジョイントにより連結されたトラテロルコ団地のNuevo Leon棟が含まれていた.この建物はRC造であるが,地震により南棟の1棟を残し,北棟と中央棟の2棟が完全に倒壊してしまった.これは,建築構造の耐力低下や地盤の不同沈下に伴う固有周期の変化,軟弱地盤が引き起こす地震波の伝播位相差などにより,隣接する建物が異なる揺れ方をした上,長周期地震動に伴う共振現象が重なり,隣接する建物同士の衝突が生じたからと考えられる.このように,固有周期の長い高層建築物は長周期地震動下で長時間に亘り大きく揺れるため,隣接する建物間の距離が短い場合に棟間衝突が起こる危険性が出てくる.特に都市部に高層建築物が近接している箇所が多数存在する我が国では,これは憂々しき問題である.
 メキシコ地震の際に倒壊したNuevo Leon棟を模擬した3連棟モデルを作成し,その棟間衝突による崩壊現象を再現した.1985年当時のメキシコにおける設計基準を参考にし,ベースシアー係数を0.06,床荷重を400 kg/m2,軸力比を0.5と高めの値に設定してNuevo Leon棟モデルを作成した.元来Nuevo Leon棟はRC造であるが,ここでは破断臨界値等に対するパラメータスタディを容易にするためにS造に置き換え,SM490(柱),SS400(はり)のものを部材性状として使用し,レンガ壁は鋼材の10-3倍の剛性を有するトラス構造,床の剛性は鋼材の100倍とした.また,減衰率は5%とした.1棟当りの幅は53.1 m,奥行き12.4 m,高さ42.02 mである.棟間距離は設計値通りに10cmとした.調査事例より3連棟間で最大25%程度の固有周期の相違が確認されたため,北棟のみ長辺方向の固有周期が25 %増しになるように柱の強度を設定した.
 1棟のみの場合には,破断箇所は見られたが崩壊には至らなかった.しかし,3棟が隣接し,北棟のみ固有周期が異なる場合には,40 s過ぎから2.2 sほどの周期の捩れを伴いながら大きな揺れが生じ,主に北棟と中央棟が衝突し合う様子が観察された後,70 s付近で中央棟が倒壊し始め,次いで北棟が倒壊した.        (この研究成果は2010年3月7日放送,NHKスペシャル「メガクエイク」で放映された.)

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関連文献(Books):

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八木 勇治,大澤 義明(編著),磯部大吾郎(共著),巨大地震による複合災害, 第6章 地震による建物の崩壊挙動を再現する, 筑波大学出版会,ISBN:978-4-904074-38-1, 2015.

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D. Isobe and S. Tanaka: Damage Estimation of a Steel-Framed Building under Tsunami Flow Occurring after Earthquake, Earthquakes - Forecast, Prognosis and Earthquake Resistant Construction (Editor: Valentina Svalova), InTech, ISBN:978-1-78923-950-8, pp. 229-248, 2018. Open Access

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宮村倫司,大崎 純,小檜山雅之,磯部大吾郎,秋葉 博,堀 宗朗,梶原浩一,井根達比古: 数値震動台プロトタイプによる鋼構造超高層骨組および4層骨組の仮想震動実験, 日本建築学会2009年度大会(東北)学術講演梗概集B-1, (2009), pp.399-400. abstract

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磯部大吾郎,太田 外氣晴,井上 智広,松枝 富士雄: 長周期地震動を受ける隣接建築物の棟間衝突・崩壊解析, 第13回日本地震工学シンポジウム論文集, (2010), pp.4324-4329. abstract

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宮村 倫司, 大崎 純, 小檜山 雅之, 張 景耀, 磯部 大吾郎, 秋葉 博, 堀 宗朗, 山下 拓三, 梶原 浩一: 崩壊解析のための鋼構造骨組の高精度有限要素モデル, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第16巻, (2011). abstract

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D. Isobe and Y.Q. Dong: Sequential Analysis of Steel Frame Building Subjected to Seismic Excitation, Tsunami, and Debris Collision, Proceedings of the 18th International Conference on Finite Elements in Flow Problems (FEF2015), (2015), Taipei, Taiwan. abstract

D. Isobe: Finite Element Analysis on Behaviors of Furniture and Ceiling during Seismic Excitation, the 3rd German-Japanese Workshop on Computational Mechanics, (2015), Munich, Germany. abstract

D. Isobe, T. Yamamoto, H. Tagawa, T. Yamashita and T. Sasaki: Finite Element Analysis of Ceiling Collapse during Seismic Excitation, the 1st Pan American Congress on Computational Mechanics (PANACM 2015), (2015), Buenos Aires, Argentina. abstract

片桐 雅人,磯部大吾郎: 建物内のドア枠を対象とした地震時挙動解析, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第20巻, (2015). abstract

荻野 弘明,磯部大吾郎: 地震・津波作用下における津波避難ビルの動的解析, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第20巻, (2015). abstract

磯部大吾郎,山本 卓也,田川 浩之,山下 拓三,佐々木智大: 地震時における体育館施設内の天井落下解析, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第20巻, (2015). abstract

D. Isobe and K. Kuroda: Numerical Simulation on Collapse Behaviors of CTV Building Caused by the 2011 New Zealand Earthquake, Thematic Plenary Lecture, Abstracts of the International Conference on Computational Methods (ICCM2015), (2015), Auckland, New Zealand. abstract

片桐 雅人,磯部大吾郎: 地震動下における鋼構造建物内のドア枠変形挙動解析,日本建築学会2015年度大会(関東)学術講演梗概集, (2015), pp. 333-334. abstract

磯部大吾郎,山本 卓也,田川 浩之,山下 拓三,佐々木智大: 大空間建築物の地震時における天井落下に関する数値解析的研究 その2.局所落下現象の再現,日本建築学会2015年度大会(関東)学術講演梗概集, (2015), pp. 335-336. abstract

荻野 弘明,磯部大吾郎: 津波避難ビルの安全性評価に関する数値解析的研究,日本建築学会2015年度大会(関東)学術講演梗概集, (2015), pp. 367-368. abstract

高寺 健太,磯部大吾郎: 隣接建築物の棟間距離に関する設計支援に向けた棟間衝突解析,日本建築学会2015年度大会(関東)学術講演梗概集, (2015), pp. 369-370. abstract

大屋 朋子, 浅井 光輝, 伊津野和行, 磯部大吾郎: 粒子法による流体剛体連成解析の定式化の差異による精度確認,日本機械学会第28回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.15-19, (2015). abstract

藤原 嵩士, 磯部大吾郎, 田川 浩之, 山下 拓三, 佐々木智大: 地震時の体育館内における天井落下現象の再現解析,日本機械学会第28回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.15-19, (2015). abstract

荻野 弘明, 田中 聖三, 磯部大吾郎: 地震応答・津波作用解析による津波避難ビルの安全性評価,日本機械学会第28回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.15-19, (2015). abstract

D. Isobe: Recent Applications of the ASI-Gauss Code on Structural Collapse and Motion Analysis, the 3rd International Workshops on Advances in Computational Mechanics (IWACOM-III), (2015), Tokyo, Japan. abstract

三浦 利季,山下 拓三, 磯部大吾郎: 有限要素法を用いた家具・什器の地震時挙動解析, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第21巻, (2016). abstract

田中 聖三,荻野 弘明, 磯部大吾郎: 津波避難ビルの損傷評価のための津波伝播解析, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第21巻, (2016). abstract

D. Isobe, M. Katagiri, T. Fujiwara and T. Miura: A Finite Element Approach to Analyze Motion Behaviors of Indoor Non-Structural Components of Buildings, European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering 2016 (ECCOMAS2016), (2016), Crete, Greece. 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

T. Miura, T. Yamashita and D. Isobe: Finite Element Motion Analysis of Furniture under Seismic Excitation, Proceedings of the 12th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XII), (2016), Seoul, Korea. abstract

S. Tanaka, H. Ogino and D. Isobe: Development of Tsunami Analysis Method for Estimation of Damage of Evacuation Building by Tsunami Impacts, Proceedings of the 12th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XII), (2016), Seoul, Korea. abstract

磯部大吾郎,片桐 雅人: 地震動下におけるRC 造建物内のドア枠変形挙動解析,日本建築学会2016年度大会(九州)学術講演梗概集, (2016), pp. 1185-1186. abstract

大屋 朋子, 浅井 光輝, 伊津野和行, 磯部大吾郎: 粒子法による流体剛体連成解析法による橋梁流出シミュレーションとV&V,日本機械学会第29回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.16-4, (2016). abstract

藤原 嵩士, 磯部大吾郎, 田川 浩之, 山下 拓三, 佐々木智大: 吊りボルトと構造ブレース材の座屈を考慮した吊り天井を有する体育館の地震時挙動解析,日本機械学会第29回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.16-4, (2016). abstract

三浦 利季,山下 拓三, 磯部大吾郎: RC建物内に配置した家具の地震時挙動解析, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第22巻, (2017). abstract

小林 康一,磯部大吾郎: 耐震対策が施された家具の地震時挙動解析, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第22巻, (2017). abstract

佐藤 和輝,磯部大吾郎: RC造建物内のドアに関する地震時挙動解析, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第22巻, (2017). abstract

大野 剛義,田中 聖三, 磯部大吾郎: 津波波力による体育館の崩壊解析, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第22巻, (2017). abstract

福島 寛二,田中 聖三, 磯部大吾郎: 自由表面を持つ流体中を移動する剛体球の挙動を対象とした3次元流体FEM-個別要素法連成解析, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第22巻, (2017). abstract

三浦 利季,山下 拓三, 磯部大吾郎: RC造建物内に配置した家具の地震時挙動に関する有限要素解析, 日本建築学会2017年度大会(中国)学術講演梗概集, (2017), pp. 411-412. abstract

小林 康一,磯部大吾郎: 有限要素解析による家具の耐震対策の検証,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

佐藤 和輝,磯部大吾郎: ドア枠との接触を考慮したドアの地震時挙動解析,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

金野 圭祐,磯部大吾郎: ASI-Gauss法を用いたサーバーラックの地震時挙動解析,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. Kobayashi, T. Miura, T. Yamashita and D. Isobe: Seismic Motion Analysis of Furniture Placed in a Reinforced Concrete Building using FEM, Abstracts of the 2nd International Conference on Computational Engineering and Science for Safety and Environmental Problems (COMPSAFE2017), (2017), Chengdu, China. abstract

K. Fukushima, S. Tanaka and D. Isobe: Coupling Analysis of FEM for Free-Surface Fluids and Rigid Body, Abstracts of the 2nd International Conference on Computational Engineering and Science for Safety and Environmental Problems (COMPSAFE2017), (2017), Chengdu, China. abstract

D. Isobe, T. Fujiwara, T. Yamashita, H. Tagawa and T. Sasaki: Collapse Simulation of Wide-Area Suspended Ceiling System Using the ASI-Gauss Code, Abstracts of the 2nd International Conference on Computational Engineering and Science for Safety and Environmental Problems (COMPSAFE2017), (2017), Chengdu, China. abstract

前田 弘徳,山下 拓三,磯部大吾郎: 耐震対策を施した吊り天井の地震時挙動解析計算工学講演会論文集CD-ROM, 第23巻, (2018). abstract

原 倖平,浅井 光輝,磯部大吾郎,田中聖三:ASI-Gauss法による阿蘇大橋崩落プロセスの検証,計算工学講演会論文集CD-ROM, 第23巻, (2018). abstract

大村 浩之,磯部大吾郎: 箱型段差吊り天井が取り付けられた音響施設の地震時挙動解析計算工学講演会論文集CD-ROM, 第23巻, (2018). abstract

T. Toyoshi, T. Yamashita, D. Isobe, K. Matsuzaki and H. Tomozawa: Development of Augmented Reality Experience System of Indoor Damage due to Earthquake, Proceedings of the 13th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XIII), (2018), New York, USA. abstract

佐藤 和輝, 磯部大吾郎: 建物内に設置されたドアの地震時変形挙動解析,日本建築学会2018年度大会(東北)学術講演梗概集, (2018), pp. 541-542. abstract

小林 康一,山下 拓三, 内藤 昌彦, 磯部大吾郎: ASI-Gauss法を用いた1方向地震波加振時の家具の挙動解析,日本建築学会2018年度大会(東北)学術講演梗概集, (2018), pp. 543-544. abstract

前田 弘徳, 山下 拓三, 磯部大吾郎: 耐震対策の有無による体育館吊り天井の地震時挙動の比較,日本建築学会2018年度大会(東北)学術講演梗概集, (2018), pp. 549-550. abstract

大村 浩之, 磯部大吾郎: 箱型段差吊り天井の地震時落下挙動解析,日本建築学会2018年度大会(東北)学術講演梗概集, (2018), pp. 1019-1020. 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

K. Maeda, T. Yamashita and D. Isobe: Motion Analysis of Earthquake-Resistant and Non-Resistant Ceilings under Seismic Excitation, Proceedings of the 7th International Conference on Protection of Structures against Hazards (PSH2018), (2018), Hanoi, Vietnam. abstract

H. Omura and D. Isobe: Collapse Analysis of Ceilings Suspended in Concert Halls, Proceedings of the 7th International Conference on Protection of Structures against Hazards (PSH2018), (2018), Hanoi, Vietnam. abstract

K. Hara, M. Asai and D. Isobe: Verification on Collapse Process of Aso Bridge during the 2016 Kumamoto Earthquakes by ASI-Gauss Method, Proceedings of the 7th International Conference on Protection of Structures against Hazards (PSH2018), (2018), Hanoi, Vietnam. abstract

D. Isobe and S. Tanaka: Collapse Analysis of a Steel Frame Building under Tsunami Flow, Keynote Lecture, Proceedings of the 7th International Conference on Protection of Structures against Hazards (PSH2018), (2018), Hanoi, Vietnam. abstract

大村 浩之,磯部大吾郎: 箱型段差吊り天井を取り付けたコンサートホールの地震時天井脱落シミュレーション,日本機械学会第31回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.18-8, (2018). abstract

原 倖平,浅井 光輝, 磯部大吾郎, 田中 聖三:ASI-Gauss 法による阿蘇大橋崩落プロセスの検証,日本機械学会第31回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.18-8, (2018). abstract

吉見 宙,磯部大吾郎: 阪神・淡路大震災時における阪神高速道路3号神戸線の挙動解析,計算工学講演会論文集CD-ROM, 第24巻, (2019). abstract

武田 拓,磯部大吾郎: 制振ブレースの損傷を考慮した超高層鋼構造骨組の長時間時挙動解析,計算工学講演会論文集CD-ROM, 第24巻, (2019). abstract

大村 浩之,磯部大吾郎: 音響施設における吊り天井の地震時脱落挙動と耐震化方法に関する数値解析的研究,計算工学講演会論文集CD-ROM, 第24巻, (2019). abstract

D. Isobe, K. Kobayashi, K. Sato, K. Maeda and H. Omura: Numerical Studies on Seismic Motion Behaviors of Non-Structural Components in Buildings, Proceedings of the ECCOMAS Thematic Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering (COMPDYN2019), (2019), Crete, Greece. abstract

武田 拓, 磯部大吾郎: 座屈拘束ブレースを設置した超高層鋼構造骨組の長時間地震時挙動解析,日本建築学会2019年度大会(北陸)学術講演梗概集, (2019), pp. 347-348. abstract

大村 浩之, 山下 拓三, 磯部大吾郎: 天井落下シミュレーションを用いた体育館吊り天井の耐震化方法に関する検討,日本建築学会2019年度大会(北陸)学術講演梗概集, (2019), pp. 1009-1010. abstract

金野 圭祐,山下 拓三,磯部大吾郎: ねじのゆるみを考慮した電子装置用ラックの地震時挙動再現解析,日本機械学会第32回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.19-19, (2019). abstract

大村 浩之, 山下 拓三, 磯部大吾郎: 吊り天井脱落解析技術の高精度化および天井耐震化に関する数値解析的検討,日本機械学会第32回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.19-19, (2019). abstract

磯部大吾郎: 室内被害シミュレーションの高度化研究,日本地震工学会・大会-2019梗概集,(2019). abstract

D. Isobe and S. Tanaka: Damage Estimation of a Steel-Framed Building under Tsunami and Debris Flow, Keynote Lecture, Proceedings of the 7th Asia-Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM2019), (2019), Taipei, Taiwan. abstract

K. Hara, M. Asai, D. Isobe and S. Tanaka: Wooden Houses Collapse Simulation during Earthquake and Tsunami at a City Level base on the ASI-Gauss Finite Element Method, Proceedings of the 7th Asia-Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM2019), (2019), Taipei, Taiwan. abstract

H. Omura, T. Yamashita and D. Isobe: Numerical Analysis of Suspended Ceiling Collapse Using ASI-Gauss Technique, Proceedings of the 7th Asia-Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM2019), (2019), Taipei, Taiwan. abstract

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