シェルの動的安定、耐震・制振・免震構造

シェル・空間構造、鉄骨構造、地震リスク解析、グリッド計算、
構 加藤(史)・中澤・柴田研究室 Key 座屈設計、耐震・免震・制振/shellandspatialstructures,
造 S.Kato,Nakazawa,ShibataLab. Word steelstructures,seismicriskanalysis,gridcomputing,
buckling,vibrationcontrol(baseisolation)
加藤・中澤(現在転出中、H21 より復帰)・柴田研究室では,建築・土木構造物の中でも,シェル・空間構造、鉄骨
構造を対象としています。空間構造や鉄骨構造は,内部に柱の無い大きな空間の構造で,1)小中学校の体育館や大
規模なスポーツ施設や工場等、2)発電所で作られる冷却塔(図 3)や石油などの貯蔵タンクなどに使われています。
この種の構造は公共性が高く,地震,風,積雪に対して十分にその安全性を確保しなければなりません。研究室では,
(1)空間構造物に地震が作用したとき,どのように揺れるか(挙動の分析),(2)どの程度の地震にまで安全か(耐震性
の検討)
,(3)どのように設計をすればより安全か(設計法の提案)
,また,
そのときの被害の予測(地震リスク解析)、最近では,(4)少量でリサイ
クルできる材料と構法を用いた超軽量構造,(4)効率的解析のためのグリ
ッド計算システムについても研究しています。
テーマ 1:シェル・空間構造物の座屈設計
シェル・空間構造は軽量構造として実現できるので,構成部材は細く,
または,薄くなります。このため,構造物全体の座屈や部材の座屈の検
討が極めて重要となります。(1)接合部の実験による挙動の解明,(2)部
材の座屈や塑性化を考慮した解析プログラムを開発するとともに,企業
との共同研究として,ボールジョイント接合による立体トラスのシステ
ムの開発を行ってきました。最近の研究では,(1)蓄積されたデータを
基に空間構造の座屈設計法の開発,(2)これまでに開発した構造解析ソ
フト群の統合化を進め,(3)可視化システム(SPACE mini)を他大学と共
同研究し,学部・大学院での教育にも用いています(図1)
。
テーマ 2:シェル・空間構造物の免震・制振
空間的な広がりを持つ空間構造は,超高層や中高層ビルなどの縦型
の構造物とは異なった揺れ方をします。体育館やスポーツホールなど
の空間構造は,震災時には避難所や防災拠点として利用されるので,
耐震性の向上が必要です。大地震に対する空間構造物の応答性状や崩
壊性状を分析することに加え,耐震性能の評価方法として,(1)空間構
造の限界性能や限界耐力計算法に関する研究,(2)位相差入力を受ける
ドームの地震応答性状,空間構造の免震・制振に関する研究としては,
(3)中間層免震ドームの地震応答性状と設計法,(4)粘弾性ダンパーや制
振ブレースを有する空間構造物の耐震性能評価,(5)制振ブレースを用
いたアーチおよび山形トラス構造の耐震補強法,(6)また、その工法によ
る地震被害軽減効果の分析に関する研究を行っています。
●は塑性ヒンジ
図1
SPACE mini システムの表示例
免震層
(b)免震層
(a)非免震
図2 大地震時の中間層免震ドームの揺れ
(非免震の場合,ドームは大きく揺れるのに対し,
免震層でドームの応答は大きく低減される。)
(a)RC造(冷却塔)
(b)膜構造(HP 曲面)
放射環状格子モデル
織格子モデル
テーマ 3:鉄筋コンクリートシェルと膜構造の構成式
シェル・空間構造の中には,東京ドームのような空気膜構造や冷却塔
などの鉄筋コンクリートシェル(RCシェル)などがあります。これら
の構造を安全に建てるためには,材料の持っている物理的な性質(構成
則と言われる応力ひずみ関係式)を決定する必要があります。建築物用
膜材料は一般に膜材料 A 種と呼ばれる四フツ化エチレン樹脂コーティッ
ドガラス繊維平織物です。(1)複雑な2軸応力下での構成則(織格子モデル)
の開発するとともに,(2)施工時解析,(3)クリープおよび応力緩和に関す
る研究も行っています。RCシェルにいては,(4)複雑な2軸応力下での
構成則(放射環状格子モデル)を開発するとともに,(5)冷却塔の振動・崩
壊挙動分析,(6)RC 円筒/球殻の崩壊挙動の分析を行っています。
図3 RCおよび膜構造の構成則モデル
テーマ4:歴史的構造物の力学的挙動の分析
現在の空間構造の元祖であるドームやアーチは古くからあります。古代
ローマのパンテオンは,直径が約 42m もあるドームです。古代のドーム建
築の研究は,建築史の立場からの研究がほとんどですが,構造解析の立場
からドームを含めた空間構造の設計技術の変遷を考察しています。サン
タ・マリア・デル・フィオーレ大聖堂(フィレンツェ,イタリア)やハギ
ヤ・ソフィア寺院(イスタンブール,トルコ)を対象とし,有限要素法に
よる構造解析を行っています(図 4)
。また,他大学と共同研究を行い,こ
れらの研究をもとに歴史的なドームの耐震診断・補強(レトロフィット)
に関して検討しています。
教授:加藤史郎/ShiroKato
Staff 准教授:中澤祥二/ShojiNakazawa
(20年度は転出、21年度に復帰)
准教授:柴田良一/RyoichiShibata
Email
Web
ハギヤソフィア寺院の全景
有限要素法モデル
(イスタンブール,トルコ)
図4 歴史的構造物の力学的挙動の分析
[email protected](加藤)
[email protected](中澤)
[email protected](柴田)
http://www.st.tutrp.tut.ac.jp/