日本建築学会大会学術講演梗概集（関東） 2011 年 8 月

20117

E--Simulator による４層層鋼構造骨組の仮想震震動実験と骨組解析のの比較
E--Simulator
並列計算
並崩壊解析
崩E-Defense
弾塑性解析
骨組解析

正会員
正同
同
同

ソリッド要素非線形形有限要素法
鋼構造造

1．はじめに○宮
宮村 倫司*1
大崎大 純*3
堀 宗朗*5山下
山 拓三*7

正会員
同同同

磯部 大吾郎郎*2
小檜山 雅之之*4*6
秋葉 博
梶原 浩一*8

非構造材である
非る各層の外壁パパネルを，上下下層の梁を結ぶぶ弾

防災科学技術研
防研究所兵庫耐震震工学研究センター（E-Deefense） 塑性性のせん断ばね
ね要素でモデルル化し，その構構成則のパラメ
メーで開開発が進めら れている数値
値震動台 (E-Siimulator)1) は， 建築， タをを文献 5)に基づづき同定していいる．これを CaseC
2a のモデデル
土木
木構造物の解析析に必要な構成則や破壊法法則を組み込んんだ汎に取取り付けている．

用的的な並列有限要要素解析ソフトウェアとなる．E-Simulatoor の2. 2 構成則と密度度2))

開発
発は，並列有 限要素解析コード ADVENNTURECluster をベ鋼材の構成則に
鋼には非線形（区区分線形）等方方硬化則を用いい，られている．本ース
スとして進めら
本研究では，EE-Simulator にによる

ブラ
ラインド解析でで公開された単単軸引張試験結結果によって硬硬化4 層鋼構造骨組層（図 1）の仮想震動実験（（地震応答解析析）の係数数を定める．ス
スラブのコンク
クリートについいては，バイリ
リニ結果果 3)と，骨組解解析の結果を比比較する．

アのの移動硬化則ととする．スラブ
ブ以外の各部材材は全て鋼でああり，2. E-Simulator
Eにによる 4 層鋼構構造骨組の仮想想震動実験

密度度は 7.86×103 kg/m3 とする． 一方，非構造造材や防護装置置の重量量を含む積載荷荷重は，スラブ
ブ密度 2.3×1003 kg/m3 を積載載荷

ここでは文献こ3)に示した仮想想震動実験の概概要を示す．
2.1 解析モデル

重にに相当する密度度で割り増すこことで表現するる．

平成
平 19 年 9 月
月に E-Defense で実施された
た 4 層鋼構造骨骨組完
全崩
崩壊実験4)

2.3 固有値解析，減衰，計算環環境の結結果を仮想震震動実験により再現するためめに，固有値解析の結固結果から Case 2a の 4 次ままでの固有周期期はブララインド解析コンテストにおける公開デデータを用いてて六面

0.830
03，0.8203，00.5555，0.27000 秒となった．静的な自重載載荷体ソソリッド一次要要素による有限要素モデル
ルを作成した． この

解析
析の後に，ブラインド解析でで公開された JRJ 鷹取波（0.66 倍）

メッッシュの要素数
数は 5,181,8800, 節点数は 7,523,295, 自由
由度数に対対する実大実験験における震動
動台上加速度のの EW，NS，UDは 22,569,885 でである．H 形鋼
鋼のウェブ，フフランジ等の板板材の成分分を 3 方向に入入力（Case 1：220 秒，Case 2a：18 秒）してて，素分割は，板厚厚方向に 2 層としている．
層各層のスラブブの形
要素

時刻
刻歴応答解析をを行った．減衰衰はレイリー減減衰とし，減衰衰定

状はは平板として，，要素分割は板板厚方向 2 層とする．フラ層ランジ

数はは 1 次と 4 次（（X 方向の 1 次次と 2 次）に対対して 0.02 としした．とス
スラブを接続すするスタッドのモデル化はは省略し，フラランジ

解析
析には防災科学学技術研究所のの SGI Altix 4700（CPU：I4Intel

上部部の節点とスララブの節点を共共有節点としてて接続する．

Itaniium 1.66 GHz, 使用コア数 ：1 node×256
6 core/node = 256

柱脚については柱は 2 種類のモモデルを作成ししている．固定定モデcore）を用いた．自重載荷解析
析の計算時間はは 2,414 秒，地地震

ル（Case 1）でははベースプレートと柱を一一体としてメッッシュ

応答
答解析の 1 ステ
テップの計算時
時間は平均 1,106 秒となった
た．

切り，ベースププレート下面を固定していいる．回転ばね
ねモデを切3. ASI-Gauss 法にによる骨組解析
析ル（Case 2a）ででは建築学会規規準に一部準拠拠した弾性回転転ばね

E--Simulatorによるソリッド要要素を用いた解解析結果との比比較（ばばね定数：4.8886×104 kNmm）を用いる．地面に垂直なな軸周のたために，梁要素素による解析をを実施する．梁梁要素による解解析

は，大規模骨組組構造の構造解解析において最最小限のコストでりのの回転ばねの係係数は，他の軸のばねの係係数の 10 倍ととする． には柱のの下面とベーススプレート上面の柱が取り付けられる部部分に計算算可能であるA
ASI-Gauss法6)をを使用した．ここれは，梁要素素のは，多点拘束条件件（MPC）で表された剛体体プレートを取取り付

数値
値積分点を材料料性状に合わせせて順応的にシシフトすることとに中心を回転ばねねで接続していいる．
け，それぞれの中より，最小限の要要素分割で高精精度な解析を実実現した手法でである．スラブは等価価な剛性およびび密度の梁要素素でモデル化しし，合成成梁効果は考慮慮しない．柱脚脚は固定とする
る．鋼材の構成成則はババイリニア型のの等方硬化則ととする．また，減衰は考慮ししない．モデルの規模
模は4,158自由度度となる．20秒
秒間の入力に対対して，CPU: Intel Xeeon 2 GHz ×1のの計算機で約555分の計算時間間となるる．ASI-Gauss法
法による解析をを以下では骨組組解析と呼ぶ．
4. 実大実験，仮想実想震動実験，骨骨組解析の比較
較
4層層鋼構造骨組のE-Defenseにによる実大実験
験，E-Simulatoorによる
る仮想震動実験
験，ASI-Gauss法
法による骨組解析についてて，1層のの層間変形角（X方向，Y方方向）の比較をを図2～5に示す
す．

図14 層鋼構造骨組
層

図2，4は仮想震動
動実験のCase 11，図3，5はCase 2aとの比較
較でCom
mparison betw
ween Virtual Shhaking-Table Test
Tof 4-storyy Steele al.
Tomoshi MIYAMURA etFraame Using E-Simulator and Beeam Element Analysis― 233 ―

0.015Experiment
Case 1
ASI-Gauss

0.010.0050

図2 1層層間変形角（X方向）
Case1との比較-0.005-0.01-0.015

0510Time (sec.)

15200.015
Experiment
Case 2a
ASI-Gauss

0.010.0050

図3 1層層間変形角（X方向）
Case2aとの比較-0.005-0.01-0.015
0510Time (sec.)

150.0250.020.015
0.010.005
0-0.005-0.01

20

Experiment
Case 1ASI-Gauss

図4 1層層間変形角（Y方向）
Case1との比較
0510Time (sec.)

150.0250.020.015
0.010.005
0-0.005-0.01

20

Experiment
Case 2a
ASI-Gauss

図5 1層層間変形角（Y方向）
Case2aとの比較
0510Time (sec.)

1520ある．どちらの方向においても，約3秒から8秒において層間た，鋼材に対して複合硬化則を基本とし implicit なルールを変形角が大きい．この区間においてE-SimulatorのCase 2aはX用いた構成則を開発している．

方向，Y方向共に実験結果をよく再現している．それに対し謝辞て，骨組解析では，X方向については良好な結果であるもの

本研究は，（独）防災科学技術研究所兵庫耐震工学研究セの，Y方向についてはかなり小さい変形角となっている．一ンター・数値震動台研究開発分科会（委員長：堀宗朗（東京方，約8秒以降の層間変形角が小さい区間では，X方向につい大学））における成果である．E-Simulator による解析とモデてはE-Simulatorの結果の方が，Y方向では骨組解析の結果のル作成を担当された恩田邦蔵氏，湯山喜芳氏，大山知信氏

方が実験結果に近い．この区間では弾性振動となっているた（株式会社アライドエンジニアリング）をはじめとする関係

め，その振幅は8秒付近の応答に影響されると考えられる．

各位，ASI-Gauss 法による解析を担当された韓元相氏（筑波大5. おわりに学大学院システム情報工学研究科）に謝意を表する．

4 層鋼構造骨組に対して，E-Defense による実大実験，E-

参考文献
1) 堀，野口，井根，土木学会地震工学論文集, 2007
Simulator による仮想震動実験，ASI-Gauss 法による骨組解析2) (株)アライドエンジニアリング, http://www.alde.co.jp/の結果を比較した．柱脚に回転ばねを入れた Case 2a モデル
3) 宮村他，日本機械学会計算力学部門第22回計算力学講演会を用いた E-Simulator による解析は，層間変形角が大きい約 8
講演論文集，No. 09-21 (CD-ROM), No. 1808，2009
秒までの応答を骨組解析よりも良好に再現している．現在，
4) 吹田他，日本建築学会構造系論文集, 第635号, 2009
E-Simulator の解析モデルを更に高精度化するために，合成梁， 5) 赤澤他，建築学会近畿支部研究報告集，48, 構造系, 20086) 磯部，チョウ，日本建築学会構造系論文集，第579号, 2004
柱脚，外壁をより精密にモデル化したメッシュを作成し，ま*1 日本大学工学部情報工学科 専任講師・博士（工）（防災科学技術研究所兵庫耐震工学研究センター 客員研究員）*2 筑波大学大学院構造エネルギー工学専攻 准教授・博士（工）*3 広島大学大学院工学研究科建築学専攻 教授・博士（工）*4 慶應義塾大学理工学部システムデザイン工学科 准教授・博士（情報）*5 東京大学地震研究所 教授・Ph. D.
*6 株式会社アライドエンジニアリング 社長・博士（工）*7 防災科学技術研究所兵庫耐震工学研究センター 契約研究員・博士（工）*8 防災科学技術研究所兵庫耐震工学研究センター 主任研究員・博士（工）*1 Lecturer, Dept. of Computer Science, Nihon University, Dr. Eng.
(Visiting Researcher, NIED)*2 Assoc. Prof., Dept. of Eng. Mech. and Energy, University of Tsukuba, Dr. Eng.
*3 Prof., Dept. of Architecture, Hiroshima Univ., Dr. Eng.
*4 Assoc. Prof., Dept. of System Design Eng., Keio University, Dr. Informatics*5 Prof., Earthquake Research Institute, The University of Tokyo, Ph. D.
*6 President, Allied Engineering Corporation, Dr. Eng.
*7 Contract Researcher, NIED, Dr. Eng.
*8 Senior Researcher, NIED, Dr. Eng.

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