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日本建築学会大会学術講演梗概集（北陸） 2010年 9 月

E-Simulator による鋼構造超高層骨組の仮想震動実験と骨組解析の比較
数値震動台
並列計算
崩壊解析

超高層ビル
弾塑性解析
骨組解析

正会員
同
同
同

ソリッド要素非線形有限要素法
鉄骨構造○宮村 倫司*1
小檜山 雅之*3
堀 宗朗*5
梶原 浩一*7

正会員
同同同

磯部 大吾郎*2
大崎 純*4
秋葉 博*6
井根 達比古*80.9688，1.0518，1.1763 Hz であった．減衰は 1 次に対して

1．はじめに防災科学技術研究所兵庫耐震工学研究センターで開発が進2%の初期剛性比例型とし，その係数は固有値解析の結果からめられている数値震動台 (E-Simulator)1) は，建築，土木構造0.02071 とする．計算は東大の T2K（CPU: AMD Quad Core

物の解析に必要な構成則や破壊法則を組み込んだ汎用的な並Opteron 2.3 GHz，使用コア数：24 node×8 core/node = 192

列有限要素解析のためのソフトウェアとなる．E-Simulator のcore）で行う．入力地震波は 1995 年兵庫県南部地震の JR 鷹

開発は，並列有限要素解析コード ADVENTURECluster2)をベ取観測波の主要動を含む 10 秒の区間を抽出したものである．

ースとして進められている．本研究では，E-Simulator による自重載荷の後に長辺方向（X 軸方向，EW 成分），短辺方向

31 層鋼構造超高層骨組の仮想震動実験（地震応答解析）の結（Y 軸方向，NS 成分）及び上下方向（Z 軸方向，UD 成分）

果と，骨組解析による結果を比較する．に入力する．入力加速度の時刻歴波形，加速度応答スペクト

2. E-Simulator による鋼構造超高層骨組の仮想震動実験

ルは前報 5)に示している．

2.1 解析モデル

自重載荷解析（静解析）の後で時刻 10 秒までの大変形弾本研究のために設計された実在しない 31 階建て超高層事塑性地震応答解析を行った．T2K による計算時間は平均務所ビル（31 層モデル）の仮想震動実験3)-5)を行う．メッシ

12,312 s/step となる．図 1 に建物全体および応力が大きい 22

ュは前報 5) と同じものである．地上の層数は 31，軒高は階付近について，時刻 4.99 秒における変形（変位倍率 20129.7m であり，平面形状は 50.4 m×36.0 m の長方形である．

倍）に相当塑性歪のコンターを重ねた結果を示す．また，図架構形式は，センターコア形式の S 造であり，コアには制震2 に 31 階隅柱の最大変位時（時刻 6.21 秒）における相当塑

ブレースを配置している．スラブはエレベータ部分を除いて性歪の分布（変位倍率 10 倍）を示す．1 階柱の下部が塑性化全面に配置されているものとする．

している．相対変位の時刻歴は次節に示す．

メッシュは六面体一次要素により生成し，ウェブ，フランジ等の板材の要素分割は，すべて板厚方向に二層とする．板3. 骨組解析
3.1 ASI-Gauss 法

厚方向に直交する方向については，接合部付近では要素寸法

E-Simulatorによるソリッド要素を用いた解析結果との比較を 70 mm 程度とする．スラブは平板としてソリッド要素で分のために，梁要素による解析を実施する．梁要素による解析

割する．フランジとスラブを接続するスタッドのモデル化はには，大規模骨組構造の構造解析において最小限のコストで省略し，フランジ上部の節点とスラブの節点を共有節点とし計算可能である，ASI-Gauss法6)を使用した．これは，梁要素て接続する．制震ブレースはガセットプレート間を結ぶトラの数値積分点を材料性状に合わせて順応的にシフトすることス要素でモデル化する．1 階柱脚は 2 階床下の梁と同じ形状により，最小限の計算コストを実現した手法である．モデルの弾性基礎梁に取り付ける．基礎梁のヤング率は通常の鋼材の規模は90,648自由度となり，CPU: Intel Core2 (1.86 GHz×2)の 5.5 倍とする．の計算機環境で15,358秒（地震波10秒）の計算時間を要する．

31 層モデルのメッシュの規模は六面体一次要素 15,592,786個，剛体梁 78,686 個，トラス 372 本，固着接触面のスレーブ

ASI-Gauss法による解析を以下では骨組解析と呼ぶ．
3.2 解析結果

節点 1,503,130 個，節点 24,765,275 個（約 7429 万自由度）と材料定数は 2.1 節に示した値とする．図 3 に伏図を示す．

なる．鋼材のヤング率は 205 GPa，ポアソン比は 0.3，降伏応

図 4 に時刻 5.2 秒における変形図（変位拡大なし）を示す．

力は 330 MPa，加工硬化係数は 1/1000（移動硬化，バイリニ

色は降伏関数の値を表しており，赤は降伏していることを示ア），密度 7.86×103 kg/m3 とする．鉄筋コンクリートのスラす．1 階のコアの柱下部，および，トラス要素でモデル化さブについては，ヤング率が 22.7 GPa，ポアソン比が 0.2 の弾れたブレースが塑性化している．23 階および 32 階（屋上性体とする．非構造部の固定荷重と積載荷重はスラブの密度階）床面における隅柱 X1-Y1（図 3 の左下の位置）中央の相を割り増すことにより考慮する．

対変位時刻歴を図 5 に示す．データ処理の都合で時刻 8 秒ま2.2 仮想震動実験の結果での結果を示している．骨組解析の結果の方が，相対変位がこれまでに前節で示したメッシュを簡略化したモデルに対やや大きくなっている．この理由のひとつとして，骨組解析する解析を実施している 3, 4)．本報に示す結果は，前報 5)の解では減衰を考慮していないことが挙げられる．図 6 に，弾性析の続きである．前報に示したように，固有値解析の結果，の骨組解析と弾塑性の骨組解析の結果の比較を示す．弾塑性6 次までの固有振動数は，それぞれ 0.3074，0.3484，0.3822，解析の結果の方が，応答が小さくなっている．これは塑性化

Comparison between Virtual Shaking-Table Test of Super-Highrise
Tomoshi MIYAMURA et al.

Steel Frame Using E-Simulator and Beam Element Analysis―291―

による固有周期の変化や履歴減衰の影響であると考えられる．
図 6 の結果は，部材の塑性化が応答に影響を与えていることを示しており，図 5 に示す二つの解析結果の差には，骨組解析で塑性化領域を塑性ヒンジとしてモデル化したことによる誤差も含まれると考えられる．
4. おわりに
E-Simulator による 31 層鋼構造超高層骨組の仮想震動実験結果と骨組解析の結果を比較した．今後は，マクロモデルに生じる塑性ヒンジの精度を E-Simulator による仮想実験により評価することを試みたい．
謝辞
本研究は，独立行政法人防災科学技術研究所兵庫耐震工学研究センター・数値震動台研究開発分科会（委員長：堀宗朗

図 3 伏図（東京大学））における成果である．E-Simulator による解析

図 4 変形，塑性域分布（骨組解析）とモデル作成を担当された恩田邦蔵博士と湯山喜芳氏（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各位，-500E-Simulator
ASI-Gauss法-10002465000-500E-Simulator
ASI-Gauss法-1000

8024時間[s]1000- 500E-Simulator
ASI-Gauss法
4802460-500-1000

468E-Simulator
ASI-Gauss法
024

時間[s]

時間[s]

時間[s]

8-50-10026032F(NS)0832F(UD)500

86時間[s]相対変位[mm]02E-Simulator
ASI-Gauss法-1006E-Simulator
ASI-Gauss法

32F(EW)
5000-50時間[s]1000-10000

相対変位[mm]

相対変位[mm]0023F(UD)

23F(NS)500

相対変位[mm]

参考文献
1) 堀，野口，井根，土木学会地震工学論文集, 2007
2) (株)アライドエンジニアリング, http://www.alde.co.jp/
3) 宮村他，日本建築学会大会梗概集, B1, 363-364, 20084) M. Ohsaki et al., Earthquake Eng. Struct. Dyn., 38, 635-654,
20095) 宮村他，日本建築学会大会梗概集, B1, 399-400, 20096) 磯部，チョウ，日本建築学会構造系論文集，第579号, 2004

相対変位[mm]

工学システム学類）に謝意を表する．

1000

23F(EW)

相対変位[mm]

ASI-Gauss 法による解析を担当された新垣裕太氏（筑波大学1000

図 5 23 階・32 階床面における隅柱中央の相対変位時刻歴に関する E-Simulator と骨組解析の比較

1000

1000

500

0-500

弾性解析
弾塑性解析-10000240-500

弾性解析
弾塑性解析

- 100060824Y1通り

24時間[s]

Y6通り

505000-100068204時間[s]686832F(UD)0- 50-100

弾性解析
弾塑性解析
24時間[s]相対変位[mm]

相対変位[mm]

相対変位[mm]
弾性解析
弾塑性解析

- 1000弾性解析
弾塑性解析
0-500-500

0832F(NS)0-50-100

6100032F(EW)
500

0時間[s]

時間[s]100023F(UD)500

相対変位[mm]

相対変位[mm]

相対変位[mm]

図 1 変形・相当応力分布

5023F(NS)

23F(EW)

68弾性解析
弾塑性解析
024時間[s]図 6 ASI-Gauss 法による弾性解析と弾塑性解析のX1通り

相対変位時刻歴の比較

図 2 相当塑性歪分布*1 日本大学工学部情報工学科 専任講師・博士（工）*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 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）*4 広島大学大学院工学研究科建築学専攻 教授・博士（工）*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 主任研究員・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 招聘研究員・博士（工）*1 Lecturer, Dept. of Computer Science, Nihon University, Dr. Eng.
*2 Assoc. Prof., Dept. of Eng. Mech. and Energy, University of Tsukuba, Dr. Eng.
*3 Assoc. Prof., Dept. of System Design Eng., Keio University, Dr. Informatics*4 Prof., Dept. of Architecture, Hiroshima Univ., Dr. Eng.
*5 Prof., Earthquake Research Institute, The University of Tokyo, Ph. D.
*6 President, Allied Engineering Corporation, Dr. Eng.
*7 Senior Researcher, NIED, Dr. Eng.
*8 Invited Researcher, NIED, Dr. Eng.

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