テーマ解説

数値解析グループの設立と業務内容
Computer-Aided Enginenering (CAE) Service on Multi-Fields of Buildings
試験研究センター

新技術開発支援室

数値解析グループ

1. はじめに2年間の準備期間を経て、このたび数値解析グループ

3. 業務内容
3. 1 保有する解析ソフトと機能の業務を開始しました。当グループは試験研究センター

保有する解析ソフトの一覧と解析機能の概要を表-1にに設置され、新技術開発支援室に所属します（p.65組織示します。このうち、LS-DYNAとNX-Nastranは汎用有図参照）。

限要素解析ソフトであり、LS-DYNAは構造力学解析、当グループには高度な知識と経験を有し、さらに構造物の破壊現象など、実挙動をよく理解している技術員を流体力学解析、熱力学解析を含む、きわめて広範囲な解析内容に対して対応可能です。

配置し、数値解析をサポートいたします。主な業務は新表-1

技術開発支援室や他部門の業務をサポートして技術開発その他の依頼案件に貢献することであり、独自の委託業

保有解析ソフトの一覧

解析ソフト名解析機能LS-DYNA

汎用有限要素解析

本稿では、数値解析業務の目的や業務内容を解説する

FEMAP

汎用有限要素解析

とともに、これまでに実施した解析事例や保有ソフトと+NX-Nastran

務も扱います。

その機能を紹介します。

梁要素による非線形平面骨組解析1)、2)

梁要素による非線形立体骨組解析

3)

平面応力解析

3)

ソリッド要素による有限要素解析

DRAIN-2DX
DRAIN-3DX

2. 数値解析業務の目的
数値解析の目的は、実現象をできるだけ正確に模擬し（FEMAP：プリポスト処理プログラム）

1)、2)

VECTOR 2
VECTOR 3て必要な数値情報を得ることにあります。そのため、実験結果との不断の照査を欠かすことはできませんし、実現象を理論的に把握することが創意工夫や新たな技術開

4）

ご要望に応じて、汎用有限要素解析ソフトADINA 、
5）

Marc を用いた解析も対応可能です。

発の展開につながります。
当法人は構造物や構造部材・接合部、熱、音、風などに関する実験業務を長年にわたって実施してきました。

3. 2 対象業務
当グループの主な対象業務は以下のとおりです。

実験による性能確認は技術開発に欠かせない手続きです（1） 技術開発支援が、多額の経費と時間を伴う場合があります。このよう（2） 構造物、構造部材・接合部の安全性に関する検討な場合に数値解析を援用することで、実験費用や開発期（3） 音、熱、気流等建築環境要素に関する検討間の削減に貢献することを当グループの主業務と考えて（1）技術開発支援では、多額の予算と時間が必要な、います。

実験を伴う技術開発に対し、数値解析を援用することによって予算と時間を節約できる場合があります。
（2）構造物、構造部材・接合部の安全性に関する検討
では、地震、台風、津波などの外乱に対する詳細な応答
37

GBRC Vol.38 No.2 2013.4

情報が求められる場合があります。これらの外乱に対し事前相談に当たっては、解析内容に応じて専門知識をて、建物やそれを構成する部材・接合部の安全性の余裕有する技術員が対応いたします。解析目的やご要望に応はどの程度かといった情報を提供いたします。許容限度

じて、適切な解析方法を提案させていただきますので、を超えて大きな変形領域における応答情報（建物が倒壊お気軽にお問い合わせください。お問い合わせ先は、本するか否かも含めて）が必要な場合は、幾何非線形や材稿の最後に示しています。

料非線形に加えて局部座屈や破断などの現象を考慮した解析技術が必要不可欠です。これらの高度な解析技術に

5. 解析事例

より、変形集中部位の局所的な数値情報に対するご要望

5. 1 鉄骨造の技術開発における解析事例6）にも対応いたします。

鉄骨造の技術開発を目的とした実験業務支援のための（3）建築環境要素に関する検討では、①室内温熱環境解析事例として、MC鉄塔（図-2）の平面トラス（図-3）や居室の遮音・防音解析、②火災時の構造部材熱伝導解に対する梁要素を用いた立体骨組解析を紹介します。本析、室内気流解析やビル風予測、を対象としており、実件は関西電力（株）、（株）酒井鉄工所との共同の研究成果験と併せた評価手法が設計上有益となります。

です。

具体的な解析内容として以下が挙げられます。

平面トラスのメッシュ分割図を図-4に示します。図-5（1） 構造部材・接合部の応力・変形解析に、ファイバー梁要素による非線形立体骨組解析プログ（2） 構造物の詳細な応力・変形解析（大地震に対するラムDRAIN-3DX倒壊現象を含む）

1），2）を用いた解析結果として、図-4に示す平面トラス下側の圧縮斜材の軸力Nと軸歪εの関係（3） 地盤内の杭や基礎部材の応力・変形解析を示します。斜材に座屈が生じると、圧縮歪と引張歪が（4） 燃焼解析それぞれ正・負方向に進展します。分岐点の軸力、すな（5） 台風、津波などの流体解析

わち座屈荷重と座屈モード（長さ）は、解析と実験で対（6） 熱伝導、環境振動、音響解析応しています。

その他、熱と流体など、多分野連成解析（マルチフィジックス）も対象とします。
これらの3次元立体解析を実施することが可能です。

この事例では、DRAIN-3DXによる解析結果から、実験は立体でなく平面骨組で実施すればよいことが確認でき、また、試験変数が低減できました。

また、動画などにより解析結果をわかりやすく提示することもできます。

4. 解析業務の流れ
解析業務の一般的な流れを図-1に示します。

図-2

図-3
図-1
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解析業務の流れ

MC鉄塔の全体図

MC鉄塔の構面（パネル）の側面図

図-7 変形図の鳥瞰図（ADINA）

5.2 土質基礎構造における解析事例
地盤内の杭や基礎部材の解析事例として、RC 基礎杭の先端開口部補強部品（先端沓）の有限要素応力・変形解析を紹介します。RC 基礎杭と先端沓の形状の軸対称性を考

図-4 平面トラスのメッシュ分割図

N AS

300

t N max(=253kN)
a N max(=245kN)

250

N HS
N HL
引張方向

引張歪(実験)圧縮歪(実験)引張歪(解析)圧縮歪(解析)圧縮軸力N (kN)350

行いました。本件は越智建設（株）からの依頼案件です。
RC 基礎杭と先端沓の構造設計図を図-8 に示します。解析では、RC 基礎杭および先端沓の応力値が許容応力度以200下かどうかを照査し、開発対象である補強部品の構造安全150性を確認しました。図-9 に、杭先端部の RC 基礎杭、先端100

圧縮方向50軸方向歪ε0-0.005

慮し、軸対称ソリッド要素を用いた静的応力・変形解析を

00.0050.01沓および地盤の鉛直方向応力コンター図の鉛直断面図を示します。軸対称性を考慮し、右半分の断面を示しています。

図-5 圧縮斜材軸力と軸歪関係図

また、図-4 の平面トラスに対し、汎用有限要素解析ソ
フト ADINA4)により静的増分解析を行いました。面外変形

建物
基礎地盤

杭の状態を示す変形図を図-6 に、鳥瞰図を図-7 に示します。
先端沓ADINA4)では大変形時における幾何非線形、材料非線形を精密に考慮しているため、構面外たわみが下側の圧縮斜材(ⅰ) 鉛直断面図(ⅱ) 平面図(a) 建物と RC 基礎杭および先端沓の関係と先端沓の形状に集中するという、実験で観察された座屈モードが再現できており、設計用の座屈長さの評価が可能となりました。
(b) RC 基礎杭の水平断面図

図-6 構面外変形図（ADINA）(c) RC 基礎杭および先端沓の鉛直断面図
図-8

解析対象の RC 基礎杭と先端開口部補強部品（先端沓）（一部誤りがありましたので、差し替えております）

コンクリート杭図-10 に、ADINA4)による時刻歴応答解析の結果得られ地盤た、加振中の変形図と部材に作用する 2 軸まわりの曲げモーメント分布図を重ねて表示した図を示します。このように、部材断面に生じる断面力を可視化することで、応力やA部歪の設計情報を効率よく照査することが可能です。また、先端沓

動画などで応答解析結果をリアルに分かりやすく表示することもできます。
YX(a) RC 基礎杭、先端沓および周辺地盤のメッシュ分割図

図-10(b) A 部拡大図

変形図および 2 軸まわりの曲げモーメント図(ADINA)

図-9 杭先端部の RC 基礎杭、先端沓、地盤のメッシュ分割図お

図-11、図-12 に、Marc5)による時刻歴応答解析結果の変よび鉛直方向応力コンター図（鉛直断面図）形図を示します。図-11 は柱・梁を梁要素、床スラブをシ5.3 実大実験再現計算の解析事例

ェル要素でモデル化したものです。入力地震波の加速度振

防災科学技術研究所兵庫耐震工学研究センター
7)（E-Defense） で 2007 年 9 月、実大 4 層鋼構造建物の完全崩壊再現実験が実施されました

7)、8)、9)。写真-1 に試験幅を実験時の 200%として加振した場合に、図のように最下層に変形が集中して倒壊しました。この倒壊モードは実験と対応しています。

7)

体である実大 4 層鋼構造建物 を示します。この実大 4 層鉄骨造建物に対して、汎用有限要素解析ソフト ADINA4)と MARC5)を用いて、実験の模擬計算を行いました。

図-11 倒壊過程の変形図(梁要素モデル、Marc)
写真-1

実大 4 層鉄骨造建物（E-ディフェンス提供）

7)（一部誤りがありましたので、差し替えております）

GBRC Vol.38 No.2 2013.4

図-12は図-11のモデルの柱頭および柱脚をシェル要素

このように、実際の構造特性を精密に反映したモデルでモデル化したもので、入力地震波の加速度振幅は実験を用いた計算によって、建物が倒壊に至る現象を詳細に時の100%です。このモデルでは、図-13に示すように柱追跡することができ、建物の安全性に関する定量的な評頭・柱脚での局部座屈が計算できており、倒壊モードと価を行うことが可能です。

加速度振幅が実験と一致しました。
問い合わせ先試験研究センター
新技術開発支援室〒 565-0873

数値解析グループ

大阪府吹田市藤白台 5-8-1

TEL：06-6834-5317

FAX：06-6834-1230

E － Mail：g-sim@gbrc.or.jp
担当：市岡 有香子

【参考文献】
1）V. Parakash, G. H. Powell, S. Campbell: DRAIN-3DX BASE
PROGRAM DESCRIPTION AND USER GUIDE, Version
1.10, R e p o r t N o . U C B / S E M M -94/07, U n i v e r s i t y o f
California、Berkeley, 1994.8 （PEER: DRAIN-3DX）
図-12

倒壊過程の変形図（柱頭・柱脚シェル要素モデル、Marc）

2）http://peer.berkeley.edu/nisee/nisee.html（PEER: DRAIN-3DX）3）http://www.civ.utoronto.ca/vector/（Vector2、Vector 3）4）http://www.adina.com/index.shtml（ADINA）
5）http://www.mscsoftware.co.jp/products/marc（Marc）
6）足 立将人，井根達比古，田川浩之，山田容丈，長尾研治，
峯宣廣，竹内信雄，内川啓：MC鉄塔の高耐久化構造の開発，
GBRC2013年4月号．
7）http://www.bosai.go.jp/hyogo/research/project/steel0.html
8）吹 田啓一郎，松岡祐一，山田哲，島田侑子，赤澤資貴，多田元英，大崎純，笠井和彦：実大4層建物完全崩壊実験の概要（E-ディフェンス鋼構造建物実験研究 その21），日本建築学会大会学術講演梗概集（中国），2008年9月

図-13

柱頭・柱脚部の局部座屈状況（柱頭・柱脚シェル要素モデル、Marc）

9）山下拓三，大崎純，宮村倫司，小桧山雅之，堀宗朗，秋葉博，
梶原浩一：E－Simulatorによる実大4層鋼構造骨組の震動台
実験の高精度有限要素解析，日本建築学会大会学術講演梗
概集（東海），2012年9月

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