東京大学&防災科学技術研究所
東京大学大地震研究所,3/24,2008
超高層ビルの
大規模耐震シミュレーション
独立行政法人 防災科学技術研究所
数値震動台(E-Simulator)開発委員会
堀宗朗(東京大学)
梶原浩一(防災科学技術研究所)
井根達比古(防災科学技術研究所)
E-SIMULATOR開発の背景
『地震防災研究基盤の効果的な整備のあり
方について』に対する答申
地震災害時空間シミュレーション・システム
数値震動台を中心要素
都市全体を丸ごとシミュレーション
数値震動台のための三次元実大震動実験
E-Defenseの開発
E-SIMULATOR開発の経緯
1 9 9 5 年阪神・淡路大震災の教訓: 構造物の破壊
『地震防災研究基盤の効果的な整備の
あり方について』に対する答申
平成9年9月3日航空・電子等技術審議会
実物大の構造モ デル実験を 使っ た破壊過程の解明
寸法効果:
構造物の挙動がサイズに依存
実大三次元震動台の開発
地震災害時空間シミュレーション・システム
数値震動台を中心要素
都市全体を丸ごとシミュレーション
数値震動台 のための三次元実大震動実験
E-Defense の開発
構造物数値解析の現状
計算科学の発展
 ハードウェアの進歩
 ソフトウェアの高度化
製造業全般での設計支援
自動車,航空機,船舶,電子機器等
建設分野
 建設構造物に特化した構造要素の開発
 建築・社会基盤構造物の耐震設計に利用
 崩壊の手前までのシミュレーションはほぼ完成
超大規模数値計算の必要性
構造要素を使った地震応答計算が可能な今日,
何故,超大規模計算が必要か?
崩壊過程のばらつきの予測が可能
 ばらつきは局所的不均一性に起因
 構造要素のチューンアップが無用
計算科学の難問
 超大規模数値計算の計算時間は劇的に増加
 地震という繰り返し荷重が引き起こす,複雑な挙動の数値計算
 構造物に特有の,平たい板の数値計算
計算科学の難問の説明
超大規模数値計算の計算時間
 計算規模をNとすると計算時間はN logN
 計算規模が10倍になると計算時間は30倍
繰り返し荷重が引き起こす複雑な挙動
 力がかかったり抜けたりするため,損傷が蓄積
 力がかかる度に生じる損傷を精度良く計算する必要性
構造物に特有の平たい板
 水平方向の力と厚さ方向の力では異なる板の揺れ方
 損傷の度合いによって揺れ方が複雑に変化
E-SIMULATORの開発理念
現状の手法を凌駕する,構造物の耐震シミュレー
ション手法の開発
 E-DEFENSEの実験を補完
 超大規模数値計算
 計算精度と空間分解能(詳細さ)を向上
 崩壊過程のばらつきの評価
 目標
 高い信頼性と精度の,構造物耐震性評価
 機能・居住性等の新しい耐震性能の評価
数値震動台の特徴
E-DEFENSEの実大実験に匹敵する,構造物の崩
壊過程の詳細なシミュレーション
ソリッド要素を使った大規模空間離散化
 延性破壊
 脆性破壊
局所的塑性化・局所的座屈の追跡
亀裂の追跡
不均一性に起因する地震応答のばらつき
 複数の解析モデルを使うシミュレーション
構造要素とソリッド要素
構造要素
構造部材の特性を
モデル化
ソリッド要素
構造材料の特性を
モデル化
構造物
構造要素を使ったモデル
ソリッド要素を使ったモデル
構造要素モデル
ソリッド要素モデル
計算量
小
大
計算精度
工夫が必要
高い
破壊
工夫が必要
ばらつき評価可
数値震動台の要素
マルチスケール
数値解析
構造
材料
部材
建築:超高層,低層,木造 ・・・
土木:橋梁,地盤,トンネル ・・・
超大規模計算
非線形性
不連続性
金属:せん断・座屈
コンクリート:亀裂
地盤:せん断・液状化
対象構造物
破壊モデル
超高層ビル
3次元CADデータ
ソリッド要素を用いたモデル
モデル
ソリッド要素を用いたモデル
モデル
ソリッド要素を用いたモデル
1階部分
解析モデル
ソリッド要素を用いたモデル
接合部付近のメッシュ
厚さの異なるフランジの接合部
ソリッド要素を用いたモデル
ガセットプレート・ダイヤフラム・スチフナ
モデルの詳細
31F
1階の天井
(2Fの床)
剛体プレート
(剛体梁)
基礎梁
基礎梁+剛体プレート
モデルの詳細
モデルの詳細
ガセット・プレート 取り付け部
モデルの詳細
計算結果
固有振動モード(1次)
計算結果
固有振動モード(2次)
計算結果
固有振動モード(6次)
計算結果
固有振動モードの比較
 ゆっくりした前後の揺れ
 ねじれを伴う左右の揺れ
 早いクネクネした揺れ
計算結果
阪神淡路大震災の地震動の2倍を入力
揺れは15倍に表示
計算結果
損傷の度合い 青:無,緑:有,赤:損傷大
計算結果
損傷の度合い 青:無,緑:有,赤:損傷大
超高層ビルの耐震シミュレーション
 阪神・淡路大震災の地震波やそれを拡大した地震波を使
い,地震による揺れや建物の損傷を再現できることが確
認された.
 超高層ビルでは多数の箇所に小さい損傷が複雑に起こり
崩壊に至るが,この計算では損傷一つ一つを細かいとこ
ろまで正確に表現できることが確認された.
 従来の方法ではこのような細かい損傷を精密に扱うことは
困難である.E-Simulatorではこれらの損傷を厳密に再現で
き,高い予測精度が見込まれる.
不均一性に起因するばらつき
設計で問題となる構造全体の耐力にはさほどばらつか
ない.しかし,材料の不均一性や構造の施工性に起因
して,破壊時の局所的な挙動にはばらつきが生じる.
座屈する方向は右か左か?
亀裂はどのように進展するか?
コンクリート供試体
円柱供試体
骨材1つ1つをモデル化
破壊過程
円柱供試体
一様引張
白 モルタル
灰 骨材
赤 亀裂
破壊過程
円柱供試体
一様引張
亀裂の進展
破壊のばらつき
亀裂が発生した頻度
青 少
黄 中
赤 多
都市地震シミュレーション
地震動シミュレーション(防災科研)
都市地震シミュレーション
市販のGIS(TDM)
都市地震シミュレーション
市販のGIS(TDM)
E-SIMULATORの開発計画
平成20年度:E-Defense実大実験の再現
 4F鉄骨造建物
 RC橋脚実験
非構造部材も含めた詳細なモデル化
損傷過程の再現とばらつきの評価
平成21年度以降




各種構造物への適用
スーパーコンピュータの利用
都市の地震災害予測の高度化
国際利用の検討
実大実験と超大規模数値計算の融合
ダウンロード

パワーポイント