JP2002146718A - Earthquake-resistant design method for structure - Google Patents

Earthquake-resistant design method for structure

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently design a structure which can be constructed most economically. SOLUTION: In an earthquake-resistant design method, the components of a structure are abstracted in the first step; for each component, structural specifications required for non-linear dynamic response analysis is determined for each component, and an analytic model is set. In the second step, among the structural specifications, the design variables are set in such a manner that the characteristic values showing the non-linear behavior can be contained. In the third step, the design variable is set as a parameter, and an objective function expressing the construction cost is set for each component. In the fourth step, a plurality of levels are set for the design variables in response to the size of earthquake scale. In the fifth step, by using the orthogonal table of experimental planning method, non-linear dynamic response analysis treatment in the combination of a plurality of levels of design variables is performed, in the sixth step, by using the results of the analytic treatment, an estimating equation of dynamic behavior to be considered in the restricting conditions is prepared based on the experimental planning method, and the restricting conditions for the dynamic behavior is set. Thereafter, in the seventh step, the optimization problem is turned into formulation and the optimization value is determined based on the mathematical programming method.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、橋梁などの土
木,建築構造物の耐震設計方法に関し、特に、耐震基準
を満足しながら、より経済的な構築が可能になる構造物
の耐震設計方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a seismic design method for civil engineering and architectural structures such as bridges, and more particularly to a seismic design method for structures that can be constructed more economically while satisfying seismic standards. Things.

【0002】[0002]

【従来の技術】橋梁などの構造物を設計する際に、一般
に設計者が行っている設計手順は、まず、設計者自身の
これまでの経験に基づいて、適当に部材の大きさなどの
構造諸元(設計変数)を決定し、この構造諸元に基づ
く、試作実験やシミュレーション(構造解析)を行い、
耐力や構造物の挙動などを計算し、これらが設計上満足
すべき条件の許容値内に入っているか否かを確認し、許
容値を満足していなければ、最初に設定した構造諸元を
若干変更して、先の手順を繰り返して、許容値を満足す
る構造諸元を決定している。
2. Description of the Related Art When designing a structure such as a bridge, a design procedure which is generally performed by a designer first includes, based on the experience of the designer himself, an appropriate structure such as a size of a member. After determining the specifications (design variables), a prototype experiment and simulation (structural analysis) are performed based on these structural specifications.
Calculate the proof stress and the behavior of the structure, etc., check whether these are within the allowable values of the conditions that should be satisfied in the design, and if they do not meet the allowable values, With a slight modification, the above procedure is repeated to determine structural specifications satisfying the tolerance.

【0003】このような設計方法では、経験豊富な設計
者が行えば、数回の繰り返しで設計を行うことができる
が、あまり経験のない設計者が、例えば、汎用ソフトな
どを利用して設計しても、多大な繰り返し計算と労力が
必要になる場合が多い。
In such a design method, an experienced designer can carry out the design in several repetitions, but a less experienced designer can use a general-purpose software, for example, to design. Even so, a large amount of repetitive calculations and labor are often required.

【0004】ところで、構造物の耐震設計方法において
も、基本的な手順は、上述した手法と同じであり、例え
ば、道路橋の耐震設計については、道路橋示方書にその
設計手順が示されている。
[0004] Incidentally, the basic procedure in the seismic design method of a structure is the same as the above-mentioned method. For example, the design procedure for the seismic design of a road bridge is indicated in the road bridge specification book. I have.

【0005】しかしながら、このような従来の耐震設計
方法には、以下に説明する課題があった。
[0005] However, such a conventional seismic design method has the following problems.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】すなわち、現行の道路
橋示方書に示されている耐震設計方法は、高度の非線形
を含む複雑な解析、例えば、動的解析などを伴う場合が
あって、解析にきわめて時間がかかる。
That is, the seismic design method described in the current specification for road bridges may involve complicated analysis including highly nonlinear, for example, dynamic analysis, etc. Takes a very long time.

【0007】また、現行の道路橋示方書に示されている
耐震設計方法には、耐震安全性の確保に関する多くの制
約条件(許容値)が設定されているが、これらの制約条
件を満足させるための設計変数の値と、建設費用との関
連性が考慮されておらず、このため、耐震安全性を確保
するために、不経済な設計になり易いという問題があっ
た。
Further, in the seismic design method shown in the current specification for road bridges, many constraints (permissible values) for securing the seismic safety are set, and these constraints are satisfied. The relationship between the value of the design variable and the construction cost is not taken into account, and therefore, there is a problem that uneconomical design is apt to be made in order to ensure earthquake-resistant safety.

【0008】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的とするところは、最
も経済的に建設できる構造物を、耐震性の確保のための
繰り返し計算回数が少なく効率的に設計することができ
る耐震設計方法を提供することにある。
The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a structure which can be constructed most economically by repeatedly calculating a structure for securing earthquake resistance. An object of the present invention is to provide a seismic design method that can be designed efficiently with a small number of times.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、橋梁などの土木,建築構造物の耐震設計
方法において、前記構造物の構成要素を抽出し、前記構
成要素毎に、非線形動的応答解析に必要な構造諸元を決
定して、非線形動的応答解析モデルを設定する第1ステ
ップと、前記構造諸元を前記構成要素毎に、その非線形
挙動を示す特性値が含まれるように設計変数を設定する
第2ステップと、前記設計変数をパラメータとして、前
記各構成要素毎の建設費を表わす目的関数を設定する第
3ステップと、前記非線形挙動に対して、地震規模の大
きさに対応して、前記設計変数に複数の水準を設定する
第4ステップと、前記設計変数の前記複数の水準組合せ
における前記非線形動的応答解析処理を行う第5ステッ
プと、前記非線形動的応答解析処理の結果を用いて、制
約条件で考慮すべき動的挙動の推定式を実験計画法に基
づいて作成し、前記動的挙動の制約条件を設定する第6
ステップと、最適化問題を定式化して、数理計画法に基
づいて、前記設計変数の改良解を求める第7ステップ
と、前記第4〜第7ステップの過程を必要に応じて繰り
返すことにより最適解を決定するようにした。このよう
に構成した構造物の耐震設計方法によれば、第3ステッ
プで、設計変数をパラメータとして、各構成要素毎の建
設費を表わす目的関数を設定し、この目的関数を含んだ
形で、最適化問題を定式化して、実験計画法と数理計画
法とに基づいて、最適値を求めるので、求められた最適
値には、建設費が反映されたものとなる。また、第6ス
テップで、非線形動的応答解析処理の結果を用いて、実
験計画法に基づき、制約条件で考慮すべき動的挙動の推
定式を作成し、第7ステップで、最適化問題を定式化し
て、数理計画法に基づいて最適値を求めるので、わずか
の非線形動的応答解析結果を用いて設計変数の応答曲面
を近似できるため、きわめて効率的に最適解を決定する
ことができる。さらに、最適化問題の定式化では、各構
造要素の寸法などを設計変数として考慮せず、各構造要
素の非線形履歴特性を設計変数として考慮して、目的関
数及び制約条件の定式化を行っているため、効率的に最
適化が行える。前記第4ステップでは、前記水準を3水
準とし、前記設計変数の各水準の組合せを実験計画法の
直交表により決定することができる。前記構造物は、免
震構造を備えた橋梁であって、前記構成要素を上部構
造,各橋脚の免震支承,橋脚,基礎とすることができ
る。前記設計変数は、前記免震支承の非線形挙動を示す
特性値として、せん断バネ定数を選択し、その降伏荷重
を前記免震支承の前記設計変数に設定するとともに、前
記橋脚の非線形挙動を示す特性値として、曲げ剛性を選
択し、その降伏曲げモーメントを前記橋脚の前記設計変
数に設定することができる。前記第7ステップは、前記
第7ステップは、前記最適化問題をラグランジュ関数を
用いた双対法により解いて、前記設計変数の改良解を求
めるステップと、前記構造物の建設費および前記設計変
数の値が一定値に収束したことを判断するステップと、
得られた改良解が水準内にあるか否かを判断するステッ
プとを含むことができる。
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for seismic design of civil engineering and architectural structures, such as bridges, by extracting components of the structures, and for each of the components. A first step of determining the structural parameters required for the nonlinear dynamic response analysis and setting a nonlinear dynamic response analysis model; A second step of setting a design variable so as to be included, a third step of setting an objective function representing a construction cost for each of the components using the design variable as a parameter, and an earthquake magnitude for the nonlinear behavior. A fourth step of setting a plurality of levels for the design variable in accordance with the magnitude of the design variable; a fifth step of performing the non-linear dynamic response analysis processing on the plurality of level combinations of the design variables; Using the results of response analysis process, sixth prepared in accordance with the estimated equation of the dynamic behavior should be considered in constraints experimental design, sets the constraints of the dynamic behavior
And a seventh step of formulating an optimization problem and obtaining an improved solution of the design variables based on mathematical programming, and repeating the steps of the fourth to seventh steps as necessary. Was decided. According to the seismic design method for a structure thus configured, in the third step, an objective function representing a construction cost for each component is set using design variables as parameters, and the objective function is included in a form including the objective function. Since the optimization problem is formulated and the optimum value is obtained based on the experimental design method and the mathematical programming method, the obtained optimum value reflects the construction cost. In the sixth step, using the results of the non-linear dynamic response analysis processing, an expression for estimating the dynamic behavior to be considered in the constraint condition is created based on the experimental design method, and in the seventh step, the optimization problem is solved. Since the optimal value is obtained based on the mathematical programming based on the formulation, the response surface of the design variable can be approximated by using a small nonlinear dynamic response analysis result, so that the optimal solution can be determined extremely efficiently. Furthermore, in the formulation of the optimization problem, the objective function and constraints are formulated by not considering the dimensions of each structural element as design variables, but considering the nonlinear history characteristics of each structural element as design variables. Optimization can be performed efficiently. In the fourth step, the levels are set to three levels, and a combination of each level of the design variable can be determined by an orthogonal table of an experimental design. The structure may be a bridge having a seismic isolation structure, and the constituent elements may be a superstructure, a seismic isolation bearing of each pier, a pier, and a foundation. The design variable is a characteristic value indicating the nonlinear behavior of the seismic isolation bearing, a shear spring constant is selected, the yield load is set to the design variable of the seismic isolation bearing, and the characteristic indicating the nonlinear behavior of the pier As a value, a bending stiffness can be selected and its yield bending moment can be set to the design variable of the pier. The seventh step is a step of solving the optimization problem by a dual method using a Lagrangian function to obtain an improved solution of the design variable; and a construction cost of the structure and the design variable of the design variable. Determining that the value has converged to a constant value;
Determining whether the obtained improved solution is within the standard.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図1か
ら図5は、本発明にかかる構造物の耐震設計方法の一実
施例を示している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. 1 to 5 show an embodiment of a method for designing a structure for earthquake resistance according to the present invention.

【0011】これらの図に示した耐震設計方法は、本発
明を構造物として免震橋梁10に適用した場合を例示し
ている。本実施例の耐震設計方法は、図1に示した手順
により実行される。
The seismic design method shown in these figures exemplifies a case where the present invention is applied to a base-isolated bridge 10 as a structure. The seismic design method of the present embodiment is executed according to the procedure shown in FIG.

【0012】図1に示した設計手順では、例えば、図2
に示すような免震橋梁10を設計対象としており、ま
ず、第1ステップで、免震橋梁(構造物)10の構成要
素を抽出し、前記構成要素毎に、非線形動的応答解析に
必要な構造諸元を決定して、非線形動的応答解析モデル
を設定する。
In the design procedure shown in FIG. 1, for example, FIG.
In the first step, components of the seismic isolation bridge (structure) 10 are extracted, and the components required for the nonlinear dynamic response analysis are extracted for each component in a first step. Determine the structural specifications and set up a nonlinear dynamic response analysis model.

【0013】この場合、図2に示した免震橋梁10は、
橋桁などの上部構造12と、例えば、積層ゴムを鋼板で
サンドイッチ状に挟持した免震支承14と、6本(P1
〜P6)の橋脚16および各橋脚16の基礎18を備え
ている。
In this case, the seismic isolation bridge 10 shown in FIG.
An upper structure 12 such as a bridge girder, a seismic isolation bearing 14 in which laminated rubber is sandwiched between steel plates, and six (P1
To P6) and the foundation 18 of each pier 16.

【0014】基礎18は、地盤中に打設された複数の杭
を有していて、上部構造12と橋脚16との間に免震支
承14がそれぞれ介装されている。このような構造の免
震橋梁10では、上部構造12,免震支承14,橋脚1
6,基礎18の4部分が構成要素として抽出される。
The foundation 18 has a plurality of piles cast in the ground, and the seismic isolation bearings 14 are interposed between the superstructure 12 and the piers 16 respectively. In the seismic isolation bridge 10 having such a structure, the superstructure 12, the seismic isolation bearing 14, the pier 1
6, four parts of the foundation 18 are extracted as components.

【0015】なお、このような構造の免震橋梁10で
は、大規模地震を受けた時に免震支承14と橋脚16に
は、塑性変形を許し、基礎18は、弾性限度内に留める
という基本的な条件の下で最適設計を行う。
Incidentally, in the base-isolated bridge 10 having such a structure, when a large-scale earthquake occurs, the base-isolated bearing 14 and the pier 16 are allowed to undergo plastic deformation, and the foundation 18 is kept within the elastic limit. Design under optimal conditions.

【0016】また、この第1ステップでは、非線形動的
応答解析モデルを設定するが、免震橋梁10の非線形動
的応答解析に必要な構造諸元として、上部構造12につ
いては、複数個の橋軸方向質量ms1〜ms6と減衰定
数hsを考慮した。
In the first step, a nonlinear dynamic response analysis model is set. As the structural specifications required for the nonlinear dynamic response analysis of the base-isolated bridge 10, the upper structure 12 includes a plurality of bridges. Considering the axial masses ms1 to ms6 and the damping constant hs.

【0017】また、各橋脚16の免震支承14について
は、非線形挙動を示すせん断バネ定数kb1〜kb6、
各橋脚16については複数個の橋軸方向質量mp11〜
mp61,mp12〜mp62,mp13〜mp63と
非線形曲げ剛性kp1〜kp6と減衰定数hpとを考慮
した。
Further, as for the seismic isolation bearing 14 of each pier 16, shear spring constants kb1 to kb6 exhibiting non-linear behavior,
For each pier 16, a plurality of bridge axis direction masses mp11 to
Considering mp61, mp12 to mp62, mp13 to mp63, nonlinear bending stiffness kp1 to kp6, and damping constant hp.

【0018】さらに、各橋脚16の基礎18について
は、橋軸方向質量と回転質量mf1〜mf6、水平バネ
定数kh1〜kh6、回転バネ定数kθ1〜kθ6及び
それぞれに対する減衰定数hfをそれぞれ考慮し、図3
に示すような、免震橋梁10の非線形動的応答解析モデ
ルを設定した。
Further, regarding the foundation 18 of each pier 16, the mass in the bridge axis direction and the rotational masses mf 1 to mf 6, the horizontal spring constants kh 1 to kh 6, the rotational spring constants kθ 1 to kθ 6, and the damping constant hf for each are taken into consideration. 3
A non-linear dynamic response analysis model of the base-isolated bridge 10 as shown in FIG.

【0019】次の第2ステップでは、前述した構造諸元
を、その非線形挙動を示す特性値が含まれるように設定
し、それらを設計変数として考慮する。
In the next second step, the above-described structural parameters are set so as to include characteristic values indicating the non-linear behavior, and these are considered as design variables.

【0020】一般に本発明が対象としているような最適
設計問題においては、解析のための構造諸元を設計変数
として設定することが多いが、本実施例の場合には、非
線形挙動を示す特性値として、図4に示すような、免震
支承14のせん断のバネ定数kb1〜kb6と、図5に
示すような、橋脚16の曲げ剛性Kp1〜Kp6とを選
択し、これらの各特性値を設計変数として採用した。
In general, in an optimal design problem as an object of the present invention, structural parameters for analysis are often set as design variables. In the case of the present embodiment, however, characteristic values indicating nonlinear behavior are set. As shown in FIG. 4, the shear spring constants kb1 to kb6 of the seismic isolation bearing 14 and the bending stiffnesses Kp1 to Kp6 of the pier 16 as shown in FIG. 5 are selected, and these characteristic values are designed. Adopted as a variable.

【0021】より具体的には、免震支承14について
は、図4に示した点Aの降伏荷重Qd、また、橋脚16
については、図5に示した点Bの降伏曲げモーメントM
yを設計変数とした。
More specifically, as for the seismic isolation bearing 14, the yield load Qd at the point A shown in FIG.
About the yield bending moment M at the point B shown in FIG.
y is a design variable.

【0022】基礎18については、水平バネ定数Khと
回転バネ定数Kθが互いに従属関係となるような杭配置
を仮定し、水平バネ定数Khを設計変数として採用す
る。
As for the foundation 18, the pile arrangement is assumed such that the horizontal spring constant Kh and the rotation spring constant Kθ are dependent on each other, and the horizontal spring constant Kh is adopted as a design variable.

【0023】次の第3ステップでは、第2ステップで設
定した設計変数をパラメータとして、各構成要素毎、す
なわち、免震橋梁10の免震支承14,橋脚16,基礎
18の建設費を表わす目的関数Wを設定する。
In the next third step, the design variables set in the second step are used as parameters, and the purpose is to express the construction cost of each of the components, that is, the seismic isolation bearing 14, the pier 16 and the foundation 18 of the seismic isolation bridge 10. Set the function W.

【0024】この場合の目的関数Wは、免震支承14,
橋脚16,基礎18の各建設費を、第2ステップで決定
した設計変数の関数W(Qd,My,Kh)として表現
する。この場合、各設計変数(Qd,My,Kh)にか
かる目的関数Wの係数の値は、各設計変数(Qd,M
y,Kh)の値に対して最小の建設費を与える係数とす
る。
In this case, the objective function W is
Each construction cost of the pier 16 and the foundation 18 is expressed as a function W (Qd, My, Kh) of the design variable determined in the second step. In this case, the value of the coefficient of the objective function W for each design variable (Qd, My, Kh) is
y, Kh) is a coefficient that gives the minimum construction cost.

【0025】次の第4ステップでは、前述した非線形挙
動に対して、地震規模の大きさに対応して、設計変数に
複数の水準を設定する。本実施例の場合には、水準を3
水準(第1水準が下限値、第2水準が中間値、第3水準
が上限値)とし、前述した設計変数(Qd,My,K
h)との組合せを実験計画法の直交表により決定するよ
うにした。
In the next fourth step, a plurality of levels are set as design variables in response to the magnitude of the earthquake scale with respect to the above-described nonlinear behavior. In the case of this embodiment, the level is 3
The levels (the first level is the lower limit, the second level is the intermediate value, the third level is the upper limit), and the design variables (Qd, My, K
The combination with h) was determined by an orthogonal table of the design of experiment.

【0026】すなわち、第4ステップでは、第1ステッ
プで設定した解析モデルの大規模地震動に対する非線形
動的挙動を、第2ステップで設定した設計変数(Qd,
My,Kh)の3水準値の組み合わせについて決定す
る。
That is, in the fourth step, the non-linear dynamic behavior of the analytical model set in the first step with respect to large-scale earthquake motion is converted into the design variables (Qd,
(My, Kh).

【0027】この場合、各設計変数(Qd,My,K
h)の3水準の組み合わせは、後述する実験計画法の直
交表に従い決定することになるが、この際に必要となる
解析回数は、設計変数の数が4個までの場合には、9
回、13個までの場合には、27回となる。
In this case, each design variable (Qd, My, K
The combination of the three levels of h) is determined according to the orthogonal table of the experimental design described later, and the number of analysis required at this time is 9 when the number of design variables is four.
In the case of 13 times, it becomes 27 times.

【0028】ところで、解析の基本モデルを図3に示す
ように決定していると、解析時に着目している設計変数
の値を変更するだけなので、時間的には、わずかな時間
での解析が可能になる。なお、設計変数(Qd,My,
Kh)の水準値を設定する場合には、第1水準(設計変
数の下限値)の値を、例えば、地震規模が比較的小さい
震度法レベルで与えるようにすれば、より実際的な設計
が可能になる。
By the way, if the basic model of the analysis is determined as shown in FIG. 3, only the value of the design variable of interest at the time of the analysis is changed, so that the analysis in a short time is required. Will be possible. The design variables (Qd, My,
When the level value of Kh) is set, the value of the first level (the lower limit value of the design variable) is given, for example, at the seismic intensity method level where the magnitude of the earthquake is relatively small. Will be possible.

【0029】これは、実務設計において、従来からの設
計手法である震度法により断面諸元が決定されることが
少なくなり、それより大規模な地震動を想定した地震時
保有水平耐力法により断面諸元が決定されることが多く
なっている実情に沿わせることができる。
This is because in the practical design, the cross-sectional data is less determined by the seismic intensity method, which is a conventional design technique, and the cross-sectional data is determined by the seismic holding horizontal strength method assuming a larger earthquake motion. It can be in line with the fact that the source is increasingly determined.

【0030】次の第5ステップでは、設計変数(Qd,
My,Kh)の複数の水準の組合せにおける非線形動的
応答解析処理が行われる。このステップでは、第1ステ
ップで設定した解析モデルの大規模地震動に対する非線
形動的挙動を、第2ステップで設定した設計変数(Q
d,My,Kh)で設定した設計変数の3水準値の組み
合わせについて解析する。
In the next fifth step, the design variables (Qd,
My, Kh) is subjected to nonlinear dynamic response analysis processing in a combination of a plurality of levels. In this step, the nonlinear dynamic behavior of the analytical model set in the first step with respect to the large-scale earthquake motion is converted into the design variable (Q
(d, My, Kh) is analyzed for the combination of the three levels of the design variables set in (d, My, Kh).

【0031】この場合、着目する非線形動的挙動の制約
条件として、免震支承14の最大応答水平変位(δ
b)、橋脚16の最大応答水平変位(δp)、基礎18
の最大応答水平変位(δf)を考慮する。
In this case, as the constraint condition of the nonlinear dynamic behavior of interest, the maximum response horizontal displacement (δ
b), maximum response horizontal displacement (δp) of the pier 16, foundation 18
The maximum response horizontal displacement (δf) is considered.

【0032】次の第6ステップでは、第5ステップにお
ける非線形動的応答解析処理の結果を用いて、制約条件
で考慮すべき動的挙動の推定式を実験計画法に基づいて
作成し、動的挙動の制約条件を設定する。
In the next sixth step, using the result of the nonlinear dynamic response analysis processing in the fifth step, an expression for estimating the dynamic behavior to be considered in the constraint condition is created based on the experimental design method. Set constraints on behavior.

【0033】すなわち、このステップでは、第5ステッ
プの非線形動的解析結果を用いて、Chebyshevの直行多
項式より、制約条件で考慮すべき動的挙動、すなわち、
免震支承14の最大応答水平変位(δb)、橋脚16の
最大応答水平変位(δp)、基礎18の最大応答水平変
位(δf)の推定式を設計変数(Qd,My,Kh)の
関数として設定する。
That is, in this step, using the nonlinear dynamic analysis result of the fifth step, the dynamic behavior to be considered in the constraint condition, that is, the Chebyshev orthogonal polynomial,
Equations for estimating the maximum response horizontal displacement (δb) of the base-isolated bearing 14, the maximum response horizontal displacement (δp) of the pier 16, and the maximum response horizontal displacement (δf) of the foundation 18 as functions of the design variables (Qd, My, Kh). Set.

【0034】続く第7ステップでは、前記各ステップに
より最適化問題を定式化して、数理計画法に基づいて、
前記設計変数の改良解を求める過程を必要に応じて繰り
返すことにより最適値を求める。
In the following seventh step, the optimization problem is formulated by the above steps, and based on mathematical programming,
The optimum value is obtained by repeating the process of obtaining the improved solution of the design variable as needed.

【0035】この第7ステップには、最適化問題をラグ
ランジュ関数を用いた双対法により解いて、設計変数
(Qd,My,Kh)の改良解を求める第7a,7bステ
ップと、改良解が一定値に収束しているかか否かを判断
する第7cステップと、得られた改良解が水準内にある
か否かを判断する第7dステップとが含まれている。
In the seventh step, the optimization problem is solved by a dual method using a Lagrange function to obtain improved solutions of the design variables (Qd, My, Kh). The method includes a step 7c for determining whether or not the value converges to a value and a step 7d for determining whether or not the obtained improved solution is within a standard.

【0036】第7aステップでは、第3ステップで設定
した目的関数W(Qd,My,Kh)及び第5および第
6ステップで求めたδb,δp,δfの制約条件式を用
いて設計変数(Qd,My,Kh)の最適値を決定する
最適化問題を定式化する。
In step 7a, the design variable (Qd, Qd) is calculated using the objective function W (Qd, My, Kh) set in step 3 and the constraint equations δb, δp, δf obtained in steps 5 and 6. , My, Kh) is formulated as an optimization problem.

【0037】第7bステップでは、設計変数(Qd,M
y,Kh)の改良解Qd’,My’,Kh’を決定す
る。これは、第7aステップで設定した最適化問題を変
数分離型の凸近似設計問題に近似し、これをラグランジ
ュ関数を用いた双対法により解き設計変数の改良解Q
d’,My’,Kh’および目的関数Wの改良解を決定
する。この場合、得られる改良解の精度を保持するた
め、設計変数のmove limitに関する製薬条件も考慮す
る。
In step 7b, the design variables (Qd, M
(y, Kh) are determined as improved solutions Qd ', My', Kh '. This is because the optimization problem set in the step 7a is approximated to a convex approximation design problem of a variable separation type, which is solved by a dual method using a Lagrangian function to improve the design variable Q
Determine the improved solutions of d ′, My ′, Kh ′ and the objective function W. In this case, in order to maintain the accuracy of the obtained improved solution, pharmaceutical conditions regarding the move limit of the design variable are also considered.

【0038】第7cステップでは、第7bステップで求
めた設計変数及び目的関数の改良値の収束性を判定し、
収束条件を満足していれば、次の第7dステップに移行
し、収束条件を満足していなければ第7bステップに戻
り、さらに別の改良解を決定することになる。
In step 7c, the convergence of the design variables and the improved value of the objective function obtained in step 7b is determined.
If the convergence condition is satisfied, the process proceeds to the next step 7d. If the convergence condition is not satisfied, the process returns to step 7b to determine another improved solution.

【0039】第7dステップでは、第7cステップで求
めた収束解が、第4ステップで設定した各設計変数の3
水準値の範囲内にあるか否かを判定する。収束解(改良
解)が設定した水準領域内にある場合は、動的挙動の推
定式の領域内で最適解が得られたこととなり手順が終了
する。
In the step 7d, the convergence solution obtained in the step 7c is set to 3 of the design variables set in the step 4.
It is determined whether the value is within the range of the level value. When the convergence solution (improved solution) is within the set level region, the optimal solution has been obtained within the region of the dynamic behavior estimation formula, and the procedure ends.

【0040】一方、収束解(改良解)が設定した水準領
域外にある場合は、第4ステップに戻り、改良解を中央
値とする新たな設計変数の3水準値を設定し、以後の各
ステップを繰り返すことにより、最適解を決定すること
ができる。
On the other hand, if the convergence solution (improved solution) is out of the set level region, the process returns to the fourth step, and three levels of new design variables are set with the improved solution as the median value. By repeating the steps, an optimal solution can be determined.

【0041】さて、以上のように構成した免震橋梁10
の耐震設計方法によれば、第3ステップで、設計変数を
パラメータとして、各構成要素毎、すなわち、免震橋梁
10の免震支承14,橋脚16,基礎18の建設費を表
わす目的関数Wを設定し、この目的関数Wを含んだ形
で、最適化問題を定式化して、実験計画法と数理計画法
とに基づいて、最適値を求めるので、求められた最適値
には、建設費が反映されたものとなる。
The seismic isolation bridge 10 constructed as described above is now described.
According to the seismic design method described above, in the third step, the objective function W representing the construction cost of the seismic isolation bearing 14, the pier 16, and the foundation 18 of each component, that is, the seismic isolation bridge 10, is set using the design variables as parameters. The optimization problem is formulated in a form including the objective function W, and the optimal value is calculated based on the experimental design method and the mathematical programming method. It will be reflected.

【0042】また、第6ステップで、実験計画法に基づ
いて、わずかの解析結果を用いて、橋梁の非線形挙動の
設計変数に関する応答曲面を推定することができ、第7
ステップで、最適化問題を定式化して、数理計画法に基
づいて最適値を求めるので、きわめて効率的に最適解を
決定することができる。
Further, in the sixth step, based on the experimental design method, it is possible to estimate the response surface relating to the design variable of the nonlinear behavior of the bridge using a small amount of analysis results.
In the step, the optimization problem is formulated and the optimal value is obtained based on the mathematical programming, so that the optimal solution can be determined very efficiently.

【0043】さらに、最適化問題の定式化では、各構造
要素の寸法などを設計変数として考慮せず、各構造要素
の非線形履歴特性を設計変数として考慮し目的関数及び
制約条件の定式化を行っているため、効率的に最適化が
行える。
Further, in formulating the optimization problem, the objective function and the constraint conditions are formulated by considering the non-linear hysteresis characteristics of each structural element as design variables without considering the dimensions of each structural element as design variables. Therefore, optimization can be performed efficiently.

【0044】次に、本発明のより具体的な設計方法につ
いて説明する。この具体例は、図2に示した構造の免震
橋梁10の耐震設計に本発明を適用した場合である。解
析モデルの設定(図1の第1ステップに対応)この具体
例では、免震橋梁10が、橋長220m(40m+40
m+60m+40m+40m),全幅員12.0mの5
径間連続鋼鈑桁橋であり、6基の鉄筋コンクリート橋脚
16(P1〜P6)ないしは(i=1,2,…,6)及
び場所打ち杭基礎18(i=1,2,…,6)で支持さ
れている場合を想定した。
Next, a more specific design method of the present invention will be described. This specific example is a case where the present invention is applied to the seismic design of the base-isolated bridge 10 having the structure shown in FIG. Setting of analysis model (corresponding to the first step in FIG. 1) In this specific example, the base-isolated bridge 10 has a bridge length of 220 m (40 m + 40 m).
m + 60m + 40m + 40m), 5 with a total width of 12.0m
It is a continuous span steel girder bridge with six reinforced concrete piers 16 (P1 to P6) or (i = 1, 2,..., 6) and a cast-in-place pile foundation 18 (i = 1, 2,..., 6). It is assumed that it is supported.

【0045】基礎18の地盤条件,杭などの下部構造の
使用材料及び上部構造12からの鉛直荷重を、それぞれ
図6および表1に示すように設定した。
The ground conditions of the foundation 18, the materials used for the lower structure such as piles, and the vertical load from the upper structure 12 were set as shown in FIG. 6 and Table 1, respectively.

【0046】[0046]

【表1】 [Table 1]

【0047】このような構成の免震橋脚10において、
第1ステップで説明したように、橋軸方向の地震動に着
目してモデル化すると、図3に示した解析モデルが得ら
れる。
In the seismic isolation pier 10 having such a configuration,
As described in the first step, when the modeling is performed by focusing on the ground motion in the bridge axis direction, an analysis model shown in FIG. 3 is obtained.

【0048】ここで、図3に示した符号、msk,mp
ij,mfiは、それぞれ、上部構造12の橋軸方向質
量,橋脚16(i)の橋軸方向質量,フーチングの橋軸
方向質量と回転質量である。
Here, the codes shown in FIG.
ij and mfi are the mass in the bridge axis direction of the upper structure 12, the mass in the bridge axis direction of the pier 16 (i), the mass in the bridge axis direction of the footing, and the rotating mass, respectively.

【0049】また、kbi,kpi,khi及びkθi
は、それぞれ橋脚16(i)の免震支承14の非線形せ
ん断バネ定数,橋脚16(i)の非線形曲げ剛性,橋脚
16(i)の基礎一地盤の水平バネ定数及び回転バネ定
数である。
Also, kbi, kpi, khi and kθi
Are the nonlinear shear spring constant of the seismic isolation bearing 14 of the pier 16 (i), the nonlinear bending stiffness of the pier 16 (i), the horizontal spring constant of the foundation ground of the pier 16 (i), and the rotating spring constant, respectively.

【0050】さらに、hs,hp,hfは、それぞれ上
部構造12の水平振動に対する減衰定数、橋脚16の水
平振動に対する減衰定数及び基礎構造の水平と回転振動
に対する減衰定数である。
Further, hs, hp, and hf are a damping constant for the horizontal vibration of the upper structure 12, a damping constant for the horizontal vibration of the pier 16, and a damping constant for the horizontal and rotational vibrations of the foundation structure, respectively.

【0051】本具体例では、上部構造12の減衰定数は
弾性域における減衰を考慮してhs=0.02とし、橋脚
16の減衰定数は、非線形履歴モデルを用いているため
hp=0.02とし、基礎18の減衰定数は逸散減衰を考
慮してhf=0.1と仮定した。
In this specific example, the damping constant of the upper structure 12 is set to hs = 0.02 in consideration of the damping in the elastic region, and the damping constant of the pier 16 is set to hp = 0.02 since the nonlinear hysteresis model is used. The damping constant of the foundation 18 was assumed to be hf = 0.1 in consideration of the dissipation damping.

【0052】(2)設計変数の設定(図1の第2ステッ
プに対応) 免震支承14の非線形履歴特性と設計変数Qdの設定 図7は、免震支承14の履歴特性をパイリニアモデルで
近似した水平荷重Hと水平変位Uの関係を示したもので
あり、非線形時刻歴応答解析で一般的に用いられている
ものである。
(2) Setting of design variables (corresponding to the second step in FIG. 1) Setting of non-linear hysteresis characteristic of seismic isolation bearing 14 and design variable Qd FIG. It shows an approximate relationship between the horizontal load H and the horizontal displacement U, which is generally used in nonlinear time history response analysis.

【0053】この免震支承14の動的特性を1個の代表
的なパラメータで定義しようとする場合、色々な特性値
を選ぶことができるが、エネルギー吸収量を支配するパ
ラメータとしては、降伏荷重Qdと2次剛性kb2が重要
となる。
When the dynamic characteristics of the seismic isolation bearing 14 are to be defined by one typical parameter, various characteristic values can be selected. The parameters governing the amount of energy absorption include the yield load. Qd and the secondary rigidity k b2 are important.

【0054】また、実際の免震橋梁に使われている鉛プ
ラグ入り積層ゴム支承(LRB)では、免震支承の1次剛
性kb1は、作用する死荷重反力(垂直力)の大きさによ
り決定され、水平方向の降伏荷重Qdの大きさに関係な
く一定であること、及び1次剛性kb1と2次剛性kb2
比は、6.5となること、
In a laminated rubber bearing (LRB) containing lead plugs used in an actual seismic isolation bridge, the primary rigidity k b1 of the seismic isolation bearing is determined by the magnitude of the dead load reaction force (normal force) acting thereon. Is determined irrespective of the magnitude of the horizontal yield load Qd, and the ratio between the primary stiffness k b1 and the secondary stiffness k b2 is 6.5;

【0055】さらに、Qdを与えればそれに対応する製
作費が求まること等を考慮し、本具体例では、免震支承
14の降伏荷重Qdを設計変数とした。従って、以後の
非線形時刻歴応答解析においては、Qdの値を与えれば
必然的にそれに対応する図7のバイリニアモデルが定義
される。
Further, in consideration of the fact that if Qd is given, a corresponding production cost is required, the yield load Qd of the seismic isolation bearing 14 is used as a design variable in this specific example. Therefore, in the subsequent nonlinear time history response analysis, if the value of Qd is given, the corresponding bilinear model in FIG. 7 is necessarily defined.

【0056】橋脚16の非線形履歴特性と設計変数M
yの設定 銑筋コンクリート橋脚16の非線形履歴特性は、その基
部に主たる塑性ヒンジが生じる場合を想定し、塑性ヒン
ジ区間で非線形履歴特性を代表させることとした。
The nonlinear history characteristic of the pier 16 and the design variable M
Setting of y The non-linear hysteresis characteristic of the reinforced concrete pier 16 is assumed to represent the non-linear hysteresis characteristic in the plastic hinge section, assuming a case where a main plastic hinge occurs at the base.

【0057】鉄筋コンクリート橋脚16の非線形履歴特
性としては、非線形時刻歴応答解析で一般に用いられて
いる図8に示すような、剛性低下型のTakedaモデルを用
いる。この橋脚16の動的特性を1個の代表的なパラメ
ータで定義しようとする場合、免震支承14と同様にエ
ネルギー吸収量を支配するパラメータとして、降伏曲げ
モーメントMyが重要な要素となる。
As a nonlinear hysteresis characteristic of the reinforced concrete bridge pier 16, a Takeda model of a reduced rigidity type as shown in FIG. 8, which is generally used in a nonlinear time history response analysis, is used. When the dynamic characteristics of the pier 16 are to be defined by one typical parameter, the yield bending moment My is an important factor as a parameter that governs the amount of energy absorption as in the case of the seismic isolation bearing 14.

【0058】ここで、My及びその履歴挙動は、橋脚1
6の断面形状及び鉄筋量によって異なるが、本具体例で
は、施工性及び経済性の関係から、断面形状は一定値で
与えられるものとし、鉄筋量の変化によりMy及び非線
形履歴挙動が支配されるものとした。
Here, My and its hysteresis behavior are described by the pier 1
6, the cross-sectional shape is given as a constant value from the viewpoint of workability and economy, and My and the non-linear hysteretic behavior are governed by changes in the reinforcing bar amount. It was taken.

【0059】断面形状が一定のもとでは、鉄筋量によっ
て降伏曲げモーメントMy及び降伏時の回転角θyは変
化するが、Myとθyは1対1対応となるため、Myを与
えることにより非線形挙動を定義することができ、それ
に対応する建設費もMyの関数として明確に表現するこ
とができる。
When the cross-sectional shape is constant, the yield bending moment My and the rotation angle θy at the time of yield change depending on the amount of rebar, but My and θy have a one-to-one correspondence. Can be defined, and the corresponding construction cost can be clearly expressed as a function of My.

【0060】このような理由から、本具体例では、橋脚
16の非線形挙動及び目的関数値を定義するシンボル化
した値として降伏曲げモーメントMyを橋脚の設計変数
とした。
For this reason, in this specific example, the yielding bending moment My is used as a pier design variable as a symbolized value that defines the nonlinear behavior of the pier 16 and the objective function value.

【0061】基礎−地盤系の動的バネ定数と設計変数
kh 基礎−地盤の動的バネ定数は、架橋地の地盤条件と基礎
の形状によって決定される。非線形時刻歴応答解析のモ
デルとしては、基礎本体の非線形履歴特性及び地盤の非
線形履歴特性を直接用いて解析することも可能である
が、本具体例では、基礎構造に塑性化が生じないと仮定
し、地盤の塑性化のみを考慮した線形バネモデルで表現
することとした。
The dynamic spring constant of the foundation-ground system and the design variable kh The dynamic spring constant of the foundation-ground is determined by the ground conditions of the bridge and the shape of the foundation. As a model of the nonlinear time history response analysis, it is possible to directly use the nonlinear history characteristics of the foundation body and the nonlinear history characteristics of the ground, but in this specific example, it is assumed that plasticization does not occur in the foundation structure. Then, it was decided to express it with a linear spring model that considered only the plasticization of the ground.

【0062】線形バネ定数は、動的挙動を考慮したバネ
定数でありフーチング下面で等価な変位を与える水平バ
ネ及び回転バネとして与えている。ここで水平及び回転
バネ定数は、杭の配置及び杭の形状によって大きく変化
するが、本具体例では、橋紬直角方向の杭列数は一定と
し、橋軸方向の杭列数を最小間隔で変化させることによ
り、上記二つのバネ定数は1対1対応となると仮定してい
る。
The linear spring constant is a spring constant in consideration of the dynamic behavior, and is given as a horizontal spring and a rotary spring that give equivalent displacement on the underside of the footing. Here, the horizontal and rotation spring constants vary greatly depending on the arrangement of the piles and the shape of the piles, but in this specific example, the number of pile rows in the direction perpendicular to the bridge is constant, and the number of pile rows in the bridge axis direction is set at the minimum interval. It is assumed that the above two spring constants have a one-to-one correspondence by changing.

【0063】このような条件においては、水平バネ定数
が求まれば、回転バネ定数もその従属関数として一義的
に決定することができ、ある水平バネ定数Khに対して
建設費が最小となる杭径を決定すればよいこととなる。
このような理由から、本具体例では、杭基礎の動的挙動
及び目的関数値を定義するシンボル化した値として、水
平バネ定数Khを杭基礎の設計変数として採用した。
Under such conditions, once the horizontal spring constant is determined, the rotational spring constant can be uniquely determined as its dependent function, and the pile with the minimum construction cost for a certain horizontal spring constant Kh is obtained. It is only necessary to determine the diameter.
For this reason, in this specific example, the horizontal spring constant Kh is adopted as a design variable of the pile foundation as a symbolized value that defines the dynamic behavior and the objective function value of the pile foundation.

【0064】(3)目的関数Wの設定(図1の第3ステ
ップに対応) 目的関数Wの定式化 本発明における最適設計問題においては、免震支承1
4,橋脚16及び基礎18の建設費の和を目的関数Wと
した。この場合、前述した如く、橋脚16の免震支承1
4の建設費Wbiは、Qdの関数として、また、橋脚1
6の建設費Wpiは、Myの関数として、さらに、橋脚
16の基礎18の建設費Wfは、khの関数として表さ
れ、目的関数Wは、次式で示すことができる。
(3) Setting of the objective function W (corresponding to the third step in FIG. 1) Formulation of the objective function W In the optimal design problem in the present invention, the seismic isolation bearing 1
4, the sum of the construction costs of the pier 16 and the foundation 18 was defined as the objective function W. In this case, as described above, the seismic isolation bearing 1 of the pier 16 is used.
4 is a function of Qd,
The construction cost Wpi of No. 6 is expressed as a function of My, and the construction cost Wf of the foundation 18 of the pier 16 is expressed as a function of kh. The objective function W can be expressed by the following equation.

【0065】[0065]

【式1】 (Equation 1)

【0066】ここに、np:橋脚16の基数(=6)で
あり、Wbi:橋脚16の免震支承14の製作費であ
り、Wpi:橋脚16の建設費であり、Wfi:橋脚i
の基礎18の建設費とする。
Here, np: the radix of the pier 16 (= 6), Wbi: the production cost of the seismic isolation bearing 14 of the pier 16, Wpi: the construction cost of the pier 16, Wfi: the pier i
The construction cost of the foundation 18.

【0067】次に、Wbi,Wpi,Wfiと設計変数
との関係式について説明する。 a.免震支承14の降伏荷重Qdiと製作費Wbiとの
関係式本具体例では,上部構造12の重量は、一定値と
しているため、地震力が作用しない場合には、各橋脚1
6に作用する鉛直荷重が一定値となる。図9に死荷重反
力Rdi=4500kN(i=1,6),5490kN
(i=2,5),7150kN(i=3,4)の場合の
免震支承14の降伏荷重Qdと製作費Wbiとの関係を
プロットしたグラフを示している。
Next, a relational expression between Wbi, Wpi, Wfi and a design variable will be described. a. Relational expression between yield load Qdi of seismic isolation bearing 14 and manufacturing cost Wbi In this specific example, the weight of superstructure 12 is a constant value.
The vertical load acting on 6 has a constant value. FIG. 9 shows dead load reaction force Rdi = 4500 kN (i = 1, 6) and 5490 kN.
The graph which plotted the relationship between the yield load Qd of the base-isolated bearing 14 and the production cost Wbi in the case of (i = 2, 5) and 7150 kN (i = 3, 4) is shown.

【0068】図9を見ると明らかなように、降伏荷重Q
dと製作費Wbiとの関係式は、単純な一次式で定式化
でき、死荷重反力Rdiが増加するに伴い製作費も増加
する。この関係式は、以下のように表わされる。 Wbi=1.02Qdi+9000(千円)(i=1,6) Wbi=1.84Qdi+9100(千円)(i=2,5) Wbi=4.08Qdi+9250(千円)(i=3,4) (4)
As apparent from FIG. 9, the yield load Q
The relational expression between d and the production cost Wbi can be formulated by a simple linear expression, and the production cost increases as the dead load reaction force Rdi increases. This relational expression is expressed as follows. Wbi = 1.02 Qdi + 9000 (thousand yen) (i = 1, 6) Wbi = 1.84 Qdi + 9100 (thousand yen) (i = 2.5) Wbi = 4.08 Qdi + 9250 (thousand yen) (i = 3, 4) (4) )

【0069】b.橋脚16の降伏曲げモーメントMyi
と建設費Wpiとの関係式一般に上部構造12からの死
荷重反力と使用するコンクリートおよび,鉄筋の材質が
既知である場合、橋脚16の降伏曲げモーメントMyi
と建設費Wpiとの関係は、橋脚16の断面寸法と鉄筋
量により異なるが、本具体例では、断面寸法が一定値で
与えられるものとする。
B. Yield bending moment Myi of pier 16
In general, when the dead load reaction force from the superstructure 12 and the materials of concrete and reinforcing steel to be used are known, the yield bending moment Myi of the pier 16 is known.
And the construction cost Wpi vary depending on the cross-sectional dimension of the pier 16 and the amount of rebar, but in this specific example, it is assumed that the cross-sectional dimension is given as a constant value.

【0070】図10に、橋軸方向の柱幅を2.5m,橋
軸直角方向の柱幅を5.0mの一定値とし、鉄筋量を変
化させることにより得られる降伏曲げモーメントモーメ
ントMyiと建設費Wpiとの関係を示している。
FIG. 10 shows the yield bending moment Myi and the construction obtained by changing the amount of reinforcing steel by setting the column width in the bridge axis direction to a constant value of 2.5 m and the column width in the direction perpendicular to the bridge axis to a constant value of 5.0 m. The relationship with the cost Wpi is shown.

【0071】一般的に、降伏曲げモーメントMyiと建
設費Wpiと関係は、橋脚16に作用する鉛直方向の力
(死荷重反力)の大きさにより異なった関係となるが、
図2に示した免震橋梁10では、その影響がわずかであ
ったので,各橋脚16とも図10に示す降伏曲げモーメ
ントMyiと建設費Wpiとの関係を採用した。この場
合の関係式を以下に示す。 Wpi=0.056Myi+5250(千円) (5)
In general, the relationship between the yield bending moment Myi and the construction cost Wpi differs depending on the magnitude of the vertical force (dead load reaction force) acting on the pier 16.
In the seismic isolation bridge 10 shown in FIG. 2, the influence was slight, so the relationship between the yield bending moment Myi and the construction cost Wpi shown in FIG. 10 was adopted for each pier 16. The relational expression in this case is shown below. Wpi = 0.056 Myi + 5250 (thousand yen) (5)

【0072】c.基礎一地盤系の水平バネ定数Khiと
建設費Wfiの関係式一般に地盤条件と杭基礎の使用材
料が既知である場合,橋脚16の基礎一地盤系の水平バ
ネ定数Khiを算出する際に支配的な要素となるのは,
杭の形状及び杭の配置である。
C. Relational expression between the horizontal spring constant Khi of the foundation and the ground system and the construction cost Wfi In general, when the ground conditions and the material used for the pile foundation are known, it is dominant in calculating the horizontal spring constant Khi of the foundation-ground system of the pier 16. Elements are
The shape of the pile and the arrangement of the pile.

【0073】本具体例では、橋棚方向の地震勤に着目し
ているため、全ての杭基礎の橋軸直角方向の杭配列は、
3列とし,杭径と橋軸方向の杭配置を変化させて建設費
Wfiとの関係式を求めた。
In this specific example, since the focus is on the seismic duty in the bridge shelf direction, the pile arrangement of all the pile foundations in the direction perpendicular to the bridge axis is as follows.
With three rows, the relational expression between the pile diameter and the pile arrangement in the bridge axis direction and the construction cost Wfi was obtained.

【0074】図11に、一般的に使用される杭径100
0mm,1200m,1500mmとした場合の橋軸方
向の杭列数を2列,3列,4列と変化させて得られた水
平バネ定数Khiと建設費Wfiとの関係をプロットし
たグラフを示している。
FIG. 11 shows a pile diameter 100 generally used.
The graph which plotted the relationship between the horizontal spring constant Khi and the construction cost Wfi obtained by changing the number of pile rows in the bridge axis direction in the case of 0 mm, 1200 m, and 1500 mm to 2, 3, and 4 rows. I have.

【0075】図11から判るように、いずれの杭径につ
いても簡単な一次式で関係式を定式化でき,図2に示し
た免震橋脚10では、杭径1000mmと同1200m
mの場合の水平バネ定数Khiと建設費Wfiの関係
は、ほぼ同一の一次式で定式化できること、および、杭
径1500mmの杭基礎よりも経済的に構築できること
が判った。
As can be seen from FIG. 11, a simple linear expression can be used to formulate a relational expression for any pile diameter, and the seismic isolation pier 10 shown in FIG.
It was found that the relationship between the horizontal spring constant Khi and the construction cost Wfi in the case of m can be formulated by almost the same linear equation, and that the construction can be more economical than a pile foundation having a pile diameter of 1500 mm.

【0076】本具体例では、水平バネ定数Khiと建設
費Wfiの関係が3変数の中で最も離散的であることを
考慮し、杭径1000mmと同1200mmの場合を包
括した関係式として定式化し、これを採用することにし
た。基礎一地盤系の水平バネ定数Khiと建設費Wfi
の関係式を以下に示す。 Wfi=0.0063Khi(千円)(i=1,‥・,6) (6)
In this specific example, considering that the relationship between the horizontal spring constant Khi and the construction cost Wfi is the most discrete among the three variables, it is formulated as a relational expression covering the case of a pile diameter of 1000 mm and a pile diameter of 1200 mm. , Decided to adopt this. Horizontal spring constant Khi of foundation-ground system and construction cost Wfi
Is shown below. Wfi = 0.0063Khi (thousand yen) (i = 1, ‥, 6) (6)

【0077】(4)非線形動的応答解析の方法(図1の
第5ステップに対応) 本具体例では、直接積分法のNewmark−β法により非線
形時刻歴応答解析を行った。ここで、β=1/4とし、
積分時間間隔は、0.01秒、収束誤差は、0.000
1以下とした。なお、減衰マトリックスは、Rayle
ish減衰とし、本具体例では、主要なモードとして1
次モードと3次モードを選んだ。
(4) Method of Nonlinear Dynamic Response Analysis (corresponding to the fifth step in FIG. 1) In this specific example, nonlinear time history response analysis was performed by the Newmark-β method of the direct integration method. Here, β = 1/4,
Integration time interval is 0.01 seconds, convergence error is 0.000
1 or less. Note that the attenuation matrix is Rayle
In this specific example, the main mode is 1
Next mode and third mode were selected.

【0078】(5)非線形動的挙動の制約条件の設定
(図1の第6ステップに対応) 非線形動的挙動の制約条件の定式化 本具体例は、非線形時刻歴応答解析で得られる免震支承
14の橋脚16及び基礎18の最大応答水平変位に着目
し、最適設計問題の制約条件を定式化した。大規模地震
を受けた時の橋脚16の免震支承14の最大応答水平変
位(免震支承14の水平方向の最大変形量)をδbi、
橋脚16の最大応答水平変位(橋脚16の水平方向の最
大曲げ変形量)をδpi、橋脚16の基礎18の最大応
答水平変位(フーチング天端の水平方向の最大変位)を
δfiとすると、非線形動的挙動の制約条件式は、次式
で与えられる。 δbi−δbai≦0 δpi−δpai≦0 δfi−δfai≦0 (i=1,2,…,6) (7)
(5) Setting of constraints for nonlinear dynamic behavior (corresponding to the sixth step in FIG. 1) Formulation of constraints for nonlinear dynamic behavior This specific example is based on seismic isolation obtained by nonlinear time history response analysis. Focusing on the maximum response horizontal displacement of the pier 16 of the bearing 14 and the foundation 18, the constraints of the optimal design problem were formulated. The maximum response horizontal displacement of the seismic isolation bearing 14 of the pier 16 when receiving a large-scale earthquake (the maximum horizontal deformation of the seismic isolation bearing 14) is δbi,
Assuming that the maximum response horizontal displacement of the pier 16 (the maximum bending deformation in the horizontal direction of the pier 16) is δpi and the maximum response horizontal displacement of the foundation 18 of the pier 16 (the maximum horizontal displacement of the footing top) is δfi, the nonlinear dynamic The constraint equation for the dynamic behavior is given by the following equation. δbi−δbai ≦ 0 δpi−δpai ≦ 0 δfi−δfai ≦ 0 (i = 1, 2,..., 6) (7)

【0079】ここに,δbai:橋脚16の免震支承1
4の許容水平変位、δpai:橋脚16の許容水平変
位、δfai:橋脚16の基礎18の許容水平変位とす
る。上式における非線形動的挙動の許容水平変位の設定
方法は、十分解明されていないのが現状であるが、ここ
では,道路橋示方書に示されている地震時保有水平耐力
法による許容変位を考慮することとし、以下にδba
i,δbai,δfaiの設定方法を説明する。
Here, δbai: seismic isolation bearing 1 of pier 16
4, the allowable horizontal displacement of the pier 16 and δfai: the allowable horizontal displacement of the foundation 18 of the pier 16. The method of setting the allowable horizontal displacement of the nonlinear dynamic behavior in the above equation is not fully understood at present, but here, the allowable displacement by the seismic holding capacity method during earthquakes shown in the specification for road bridges is described. Δba
The setting method of i, δbai, δfai will be described.

【0080】免震支承14の許容水平変位δbaiの
設定 橋脚16の免震支承14の許容水平変位δbaiは、道
路橋示方書に従い、ゴム厚に許容せん断ひずみ250%
を乗じて算出する。ここで、免震支承14のゴム厚は、
設計変数Qdiの値によって異なるが、本具体例では、
既往の設計例から橋脚16に作用する死荷重反力の10
%を免震支承14の水平方向の降伏荷重Qdiとした場
合のゴム厚を目安として許容水平変位δbaiを設定し
た。
Setting of Allowable Horizontal Displacement δbai of Seismic Isolation Bearing 14 The allowable horizontal displacement δbai of the seismic isolation bearing 14 of the pier 16 is determined by setting the allowable shear strain 250% to the rubber thickness in accordance with the specification for road bridges.
Multiplied by. Here, the rubber thickness of the seismic isolation bearing 14 is
Although it depends on the value of the design variable Qdi, in this specific example,
From the previous design example, the dead load reaction force
The allowable horizontal displacement δbai was set using the rubber thickness as a guide when% is defined as the horizontal yield load Qdi of the seismic isolation bearing 14.

【0081】橋脚16の許容水平変位δpaiの設定 橋脚16の許容水平変位δbaiは、道路示方書に従い
以下の式により算出する。 δbai=μai×δyi (8) ここで、μaiは、橋脚16の許容塑性率であり、δy
iは、橋脚16の降伏変位とする。式(8)における橋
脚16の許容塑性率μaiは、次式で表わされる。
Setting of Allowable Horizontal Displacement δpai of Pier 16 The allowable horizontal displacement δbai of the pier 16 is calculated by the following equation according to the road specification. δbai = μai × δyi (8) where μai is the allowable plasticity of the pier 16 and δy
i is the yield displacement of the pier 16. The allowable plastic modulus μai of the pier 16 in Expression (8) is expressed by the following expression.

【0082】 μai=1+(δui−δyi)/αδyi (9) ここに、δuiは、橋脚16の終局変位であり、αは、
安全係数である。なお、安全係数αは、道路橋示方書に
示されているように、免震橋梁10の場合には、通常橋
梁の2倍となる。
Μai = 1 + (δui−δyi) / αδyi (9) where δui is the ultimate displacement of the pier 16 and α is
It is a safety factor. The safety coefficient α is twice as large as that of a normal bridge in the case of the base-isolated bridge 10 as shown in the road bridge specification book.

【0083】ここで、本具体例では、設計変数Myiの
変化に伴いμaiおよびδyiは、変化するが、図2に
示した免震橋梁10では、許容水平変位μai×δyi
がほぼ一定値となったため、橋脚16の許容水平変位δ
paiは、設計変数Myiの値に関係なく一定値として
設定した。
Here, in this specific example, μai and δyi change as the design variable Myi changes, but in the base-isolated bridge 10 shown in FIG. 2, the allowable horizontal displacement μai × δyi
Is substantially constant, the allowable horizontal displacement δ of the pier 16 is
pai was set as a constant value regardless of the value of the design variable Myi.

【0084】基礎18の許容水平変位δfaiの設定 橋脚16の基礎18の許容水平変位δfaiは、基礎構
造に大きな損傷や主たる非線形性を生じさせないように
設定するとともに、橋梁全体の安全性も考慮して設定し
た。
Setting of Allowable Horizontal Displacement δfai of Foundation 18 The allowable horizontal displacement δfai of the foundation 18 of the pier 16 is set so as not to cause major damage or major non-linearity to the foundation structure, and also takes into consideration the safety of the entire bridge. Set.

【0085】本具体例では、地震時の桁間衝突等の問題
を考慮して、上部構造12の位置での変形の和に着目
し、免震支承14,橋脚16及び基礎18の変形の和が
50.0cm程度以下となるように基礎18の許容水平
変位δfaiを設定した。
In this example, the sum of the deformations at the position of the superstructure 12 is considered and the sum of the deformations of the seismic isolation bearing 14, the pier 16, and the foundation 18 is considered in consideration of the problem of girder collision during an earthquake. Is set to be about 50.0 cm or less.

【0086】(6)実験計画法による最大応答水平変位
の推定式の導入(図1の第4および第6ステップに対
応) 実験計画法の概要 実験計画法とは、システムのある特性を実験によって明
らかにしたい時、その測定値を統計学的に解析し、その
結果を用いて実験値を精度よくシミュレーションするた
めの一手法である.いま、例えば、実験によって得られ
る特性値zが、x1,x2,…,xnの要因によって影
響を受けるものとすると、z=f(x1,x2,…,x
n)と表される。
(6) Introduction of an equation for estimating the maximum response horizontal displacement by the experimental design method (corresponding to the fourth and sixth steps in FIG. 1) Outline of the experimental design method It is a method to analyze the measured value statistically when it is necessary to clarify it, and to simulate the experimental value accurately using the result. Now, for example, assuming that a characteristic value z obtained by an experiment is affected by the factors of x1, x2,..., Xn, z = f (x1, x2,.
n).

【0087】この場合、各要因を3つの水準(3個の異
なる値)に変化させ、各因子の水準の組み合わせにおけ
る特性値zを実験により求め、これらの値を用いてzの
推定式を決定する方法をn因子3水準型実験と称してい
る。
In this case, each factor is changed to three levels (three different values), the characteristic value z in the combination of the levels of each factor is obtained by experiment, and an estimation formula of z is determined using these values. This method is called an n-factor three-level experiment.

【0088】本具体例は、耐震設計の対象が免震橋梁1
0であって、橋軸方向に対称形であることから、免震支
承14の降伏荷重Qdl〜Qd3,橋脚16の降伏曲げモー
メントMy1〜My3、基礎18の杭のバネ定数Kh1
〜Kh3の合計9個の設計変数を因子として設定し、非
線形時刻歴応答解析法により得られた免震支承14,橋
脚16,基掟18の各最大応答水平変位δbi,δp
i,δfi(以下、これらをδmax=[δbi,δp
i,δfi]Tと表わす)を特性値とし、n因子3水準
型実験の結果を用いてδmaxの推定式を導入した。
In this example, the target of the seismic design is the seismic isolation bridge 1.
0, which is symmetrical in the bridge axis direction, the yield loads Qdl to Qd3 of the seismic isolation bearing 14, the yield bending moments My1 to My3 of the pier 16, and the spring constant Kh1 of the pile of the foundation 18
To Kh3, the maximum response horizontal displacements δbi, δp of the base-isolated bearing 14, pier 16, and foundation 18 obtained by the nonlinear time-history response analysis method.
i, δfi (hereinafter referred to as δmax = [δbi, δp
i, δfi] T), and an estimation formula of δmax was introduced using the results of an n-factor three-level experiment.

【0089】この場合、因子の総数が9個であるので、
公知文献(田口玄一著、実験計画法、丸善株式会社発
行)より、以下の表2に示す直交表における各因子の3
つの水準レベル(1,2,3)の組み合わせ27通りに
ついて解析(実験)を行い、それぞれのδmaxを求
め、以下の式(10)に示すChebyshevの直交
多項式を用いて、推定式を導入した。 y=b0+b1(A−A’)+b2{(A−A’)2−(a2−1)h2/12} +…… (10) ここに、Aは、変数であり、A’は、水準平均値、a
は、水準数、hは、水準間隔、b0,b1,b2は、各
次数項の係数である。
In this case, since the total number of factors is nine,
From known literature (Genichi Taguchi, Design of Experiments, published by Maruzen Co., Ltd.), 3 of each factor in the orthogonal table shown in Table 2 below
Analysis (experiment) was performed for 27 combinations of the two level levels (1, 2, 3), δmax was determined, and an estimation formula was introduced using the Chebyshev orthogonal polynomial shown in the following formula (10). y = b0 + b1 (A- A ') + b2 {(A-A') 2 - (a 2 -1) h 2/12} + ...... (10) here, A is variable, A 'is Average level, a
Is a level number, h is a level interval, and b0, b1, and b2 are coefficients of each order term.

【0090】[0090]

【表2】 [Table 2]

【0091】9因子のすべての離散的な水準の組合せ総
数は、19683個となるが、上記の統計的手法を用い
ることにより、わずかに27個の離散的な水準の組合せ
の解析値を用いて、精度よく推定することができる。
The total number of combinations of all discrete levels of the nine factors is 19683. By using the above-described statistical method, the analysis value of only 27 discrete levels is used. , Can be accurately estimated.

【0092】なお、実験計画法の手法においては、設計
変数が4個までの場合には、直交表における9通りの解
析で推定式を導入することができ、設計変数が13個ま
での場合には、本具体例と同様に27通りの解析で導入
することができる。
In the experiment design method, when the number of design variables is four, the estimation formula can be introduced by nine kinds of analysis in the orthogonal table. Can be introduced by 27 kinds of analysis as in this specific example.

【0093】初期水準値の設定 本具体例で用いている解析モデルの各設計変数Qdl〜
Qd3,My1〜My3,Kh1〜Kh3の第1〜第3
水準の初期値を、以下の表3に示すように設定し、それ
ぞれの水準値を用いて、表2の組合せについて非線形時
刻歴解析を行った。
Setting of Initial Level Values Each design variable Qdl- of the analysis model used in this example is
First to third of Qd3, My1 to My3, Kh1 to Kh3
The initial values of the levels were set as shown in Table 3 below, and nonlinear time history analysis was performed on the combinations in Table 2 using the respective level values.

【0094】[0094]

【表3】 [Table 3]

【0095】この表に示した初期水準値については、理
論的には、水準値間の差が一定値となるように無作為に
設定することもできるが、本具体例では、初期水準値を
既往の設計例を参考にして、以下のように設定した。
The initial level values shown in this table can theoretically be set at random so that the difference between the level values is constant, but in this specific example, the initial level value is The following settings were made with reference to the existing design examples.

【0096】a.免震支承14の降伏荷重Qdiの水準
値 免震支承14の降伏荷重Qdiは、常時の水平変位の増
大を抑え免震効果を期待できる範囲で設定した。本具体
例では、支持する上部構造重量の最も小さい両端の橋脚
16に着目し、その重量の10%を降伏荷重とするもの
を第1水準とし、20%を降伏荷重とするものを第2水
準とし、30%を降伏荷重とするものを第3水準とし
た。
A. Level value of the yield load Qdi of the seismic isolation bearing 14 The yield load Qdi of the seismic isolation bearing 14 was set within a range where the increase in the horizontal displacement at all times could be expected and the seismic isolation effect could be expected. In this specific example, attention is paid to the piers 16 at both ends having the smallest weight of the superstructure to be supported, and the 10% of the weight of the pier 16 is defined as the first level, and the 20% is defined as the second level. The one having a yield load of 30% was defined as a third level.

【0097】b.橋脚16の降伏曲げモーメントMyi
の水準値 橋脚16の降伏曲げモーメントMyiの水準値は、震度
法レベルの地震動に対して、安全である範囲内で設定し
た。本具体例では、橋軸方向の柱幅を2.5mで一定と
し、直径が25mmの鉄筋を2段配筋した場合の降伏曲
げモーメントを第1水準とし、直径が29mmの鉄筋を
2段配筋した場合の降伏曲げモーメントを第2水準と
し、直径が32mmの鉄筋を2段配筋した場合の降伏曲
げモーメントを第3水準とした。
B. Yield bending moment Myi of pier 16
The level value of the yield bending moment Myi of the pier 16 was set within a range that is safe against seismic intensity level ground motion. In this specific example, the column width in the bridge axis direction is fixed at 2.5 m, the yield bending moment when two steps of reinforcing bars having a diameter of 25 mm are arranged is the first level, and two steps of reinforcing bars having a diameter of 29 mm are arranged. The yielding bending moment when the bar was reinforced was set to the second level, and the yielding bending moment when the reinforcing bar having a diameter of 32 mm was arranged in two steps was set to the third level.

【0098】c.基礎−地盤系の水平バネ定数Khiの
水準値 基礎−地盤系の水平バネ定数Khiの水準値は、橋軸直
角方向の杭列数を3列で一定とし、径1000mmの杭
を2列橋軸方向に配置した場合の水平バネ定数を第1水
準とし、同3列に配置した場合の水平バネ定数を第2水
準とし、同4列に配置した場合の水平バネ定数を第3水
準とした。
C. The level value of the horizontal spring constant Khi of the foundation-soil system The level value of the horizontal spring constant Khi of the foundation-soil system is such that the number of piles in the direction perpendicular to the bridge axis is constant in three rows, and a pile of 1000 mm in diameter is a two-row bridge axis. The horizontal spring constant when arranged in the same direction was set to the first level, the horizontal spring constant when arranged in the same three rows was set to the second level, and the horizontal spring constant when arranged in the same four rows was set to the third level.

【0099】最大応答水平変位の推定式の導入 以上に述べた方法により、免震支承14,橋脚16,基
礎18の最大応答水平変位の推定式を導入した。例とし
て、以下に橋脚16(i=1…6)の免震支承14の最
大応答変位の推定式を示す。
Introducing an equation for estimating the maximum response horizontal displacement The equation for estimating the maximum response horizontal displacement of the base-isolated bearing 14, the pier 16, and the foundation 18 was introduced by the method described above. As an example, a formula for estimating the maximum response displacement of the seismic isolation bearing 14 of the pier 16 (i = 1... 6) is shown below.

【0100】[0100]

【式3】 (Equation 3)

【0101】以下に示した表4は、表2に示した27通
りの組合せについて、解析値と推定式より得られた推定
値を比較したものである。解析値と推定値との誤差は、
いずれも5%以下となっていて、精度よく応答水平変位
を推定できることを確認した。
Table 4 below shows a comparison between the analysis values and the estimated values obtained from the estimation formulas for the 27 combinations shown in Table 2. The error between the analytical value and the estimated value is
In each case, it was 5% or less, and it was confirmed that the response horizontal displacement could be accurately estimated.

【0102】[0102]

【表4】 [Table 4]

【0103】(7)最適設計問題の定式化及び最適化手
法(図1の第7ステップに対応) 前述した推定式を用いて非線形動的挙動の制約条件を定
式化し、目的関数Wを最小にするよう設計変数Qdi,
Myi,Khiを決定する最適化問題を以下のように定
式化する。
(7) Formulation of optimization design problem and optimization method (corresponding to the seventh step in FIG. 1) Constraints on nonlinear dynamic behavior are formulated using the above-mentioned estimation formula, and objective function W is minimized. Design variables Qdi,
The optimization problem for determining Myi and Khi is formulated as follows.

【0104】[0104]

【式4】 (Equation 4)

【0105】なお、本具体例では、式(12)で示した
最適設計問題を解く手法として、ラグランジュ関数を用
いた双対法を採用しているが、この方法により最適解を
求めるアルゴリズム自体は、公知であって、例えば、
「大久保禎二,谷脇一弘、双対理論および部材のSub
optimizationによるトラス構造物の最適設
計法」土木学会論文集1984年10月に詳述されてい
る。
In this example, the dual method using the Lagrange function is employed as a method for solving the optimal design problem represented by the equation (12). Is known, for example,
"Tadaji Okubo, Kazuhiro Taniwaki, Dual Theory and Sub of Materials
Optimizing Design of Truss Structures by Optimization ", Transactions of the Japan Society of Civil Engineers, October 1984.

【0106】(8)最適設計例 設計に用いた大規模地震動 以上述べた方法により免震橋梁の最適耐震設計を行っ
た。設計例に用いた地震動としては,道路橋示方書で規
定されている標準加速度波形(タイプII地震動−II
種地盤−3,兵庫県南部地震,大阪ガス葺合供給所構内
地盤上)を用いた。
(8) Example of Optimal Design Large-Scale Earthquake Ground Motion Used for Design The optimal seismic design of the base-isolated bridge was performed by the method described above. The ground motion used in the design example is a standard acceleration waveform (type II ground motion-II
Seed ground-3, Hyogoken-Nanbu Earthquake, Osaka gas roofing supply station ground).

【0107】許容水平変位 各構造要素の許容水平変位としては,地震時保有水平耐
力法で規定している許容水平変位を採用した。免震支承
14の許容水平変位δbaiは、各橋脚16に作用する
死荷重反力の10%を免震支承14の降伏荷重とした場
合のゴム厚に250%を乗じて算出した。本設計例で
は、各橋脚16のゴム厚が13.5cm程度であったた
め、許容水平変位δbaiを34.0cmとした。
Allowable Horizontal Displacement As the allowable horizontal displacement of each structural element, the allowable horizontal displacement specified by the horizontal strength holding method at the time of earthquake was adopted. The allowable horizontal displacement δbai of the seismic isolation bearing 14 was calculated by multiplying the rubber thickness when the yield load of the seismic isolation bearing 14 by 10% of the dead load reaction force acting on each pier 16 by 250%. In the present design example, since the rubber thickness of each pier 16 was about 13.5 cm, the allowable horizontal displacement δbai was set to 34.0 cm.

【0108】橋脚16の許容水平変位δpaiは,各橋
脚16の降伏変位に許容塑性率を乗じて算出した。本設
計例では、各橋脚16の許容水平変位δpaiは、死荷
重反力の差による影響は少なくほぼ一定値となることを
碓認し、14.0cmに設定した。
The allowable horizontal displacement δpai of the pier 16 was calculated by multiplying the yield displacement of each pier 16 by the allowable plasticity factor. In the present design example, the allowable horizontal displacement δpai of each pier 16 was set to 14.0 cm, since it was confirmed that the influence of the difference in dead load reaction force was small and the value was almost constant.

【0109】基礎18の許容水平変位δfaiは、基礎
18,橋脚16及び免震支承14の変形の和が50.0
cm程度以下となるように設定した。本設計例では、δ
bai,δpai値を考慮し、各橋脚16の基礎18の
許容水平変位δfaiを3.0cmとした。この値は、
震度法による許容水平変位1.5cmの2倍に相当して
いる。
The allowable horizontal displacement δfai of the foundation 18 is such that the sum of the deformations of the foundation 18, the pier 16 and the seismic isolation bearing 14 is 50.0.
cm or less. In this design example, δ
Considering the values of bai and δpai, the allowable horizontal displacement δfai of the foundation 18 of each pier 16 was set to 3.0 cm. This value is
This corresponds to twice the allowable horizontal displacement of 1.5 cm according to the seismic intensity method.

【0110】なお、本設計例では、許容水平変位が変化
した場合の最適値の変化をみるため、橋脚16の許容水
平変位δpaiを12.0cm,16.0cmとした場
合の最適設計も行い、各設計条件に対する最適解を比較
した。
In the present design example, in order to see the change of the optimum value when the allowable horizontal displacement changes, the optimum design when the allowable horizontal displacement δpai of the pier 16 is set to 12.0 cm and 16.0 cm is also performed. The optimal solutions for each design condition were compared.

【0111】各設計変数の最適値の比較 免震支承14の許容水平変位δbaiを34.0cm、
基礎18の許容水平変位的δfaiを3.0cmとし、
かつ橋脚16の許容水平変位δpaiを16.0cm,
14.0cm,12.0cmと変化させた場合の設計変
数Qdi,Myi,Khiの最適値の比較を表5に示し
ている。
Comparison of optimal values of design variables Allowable horizontal displacement δbai of base-isolated bearing 14 is 34.0 cm,
The allowable horizontal displacement δfai of the foundation 18 is 3.0 cm,
And the allowable horizontal displacement δpai of the pier 16 is 16.0 cm,
Table 5 shows a comparison between the optimum values of the design variables Qdi, Myi, and Khi when the values are changed to 14.0 cm and 12.0 cm.

【0112】この場合、各設計変数の初期値として第2
水準の値を用い、設計変数の1回の改良における改良限
度(movelimit)は、いずれの場合も20%とした。な
お、各設計変数の初期値を変化させた場合に同一の最適
解が得られるか確認するため、免震支承14の許容水平
変位δbaiを34.0cm、橋脚16の許容水平変位
δpaiを16cm,基礎18の許容水平変位δfai
を3.0cmとし、各設計変数の初期値として、表3の
第1水準値及び第3水準値を用いた場合の最適解を表6
に示している。
In this case, the initial value of each design variable is
The level limit was used and the move limit for a single improvement of the design variables was 20% in each case. In order to confirm whether the same optimal solution can be obtained when the initial values of the respective design variables are changed, the allowable horizontal displacement δbai of the base-isolated bearing 14 is 34.0 cm, the allowable horizontal displacement δpai of the pier 16 is 16 cm, Allowable horizontal displacement δfai of foundation 18
Is set to 3.0 cm, and the optimal solution when the first level value and the third level value in Table 3 are used as the initial values of the design variables is shown in Table 6.
Is shown in

【0113】[0113]

【表5】 [Table 5]

【0114】[0114]

【表6】 [Table 6]

【0115】表5及び表6のITE欄に示すように、い
ずれの設計条件の最適値も最大10回の繰り返し改良に
より求められており、本発明の最適化手法により、きわ
めて能率的に最適解が求められることが明らかとなっ
た。ここで各制約条件の最適解においては、δb,δp
およびδfに関する制約条件が全てアクティブとなって
いる。
As shown in the ITE column of Tables 5 and 6, the optimum values of any of the design conditions are obtained by repetitive improvement of up to 10 times. It became clear that was required. Here, in the optimal solution of each constraint, δb, δp
And δf are all active.

【0116】また、表6に示す各設計変数の初期値を変
化させて得られた最適解は、全く同じ値となっており、
本発明で述べた方法により全域的な最適解が得られてい
ると判断することができる。
The optimal solutions obtained by changing the initial values of the design variables shown in Table 6 have exactly the same values.
It can be determined that the overall optimal solution is obtained by the method described in the present invention.

【0117】なお,最大応答水平変位は、水準1,2,
3の値を用いて実験計画法により決定されているため、
設計変数の改良の過程で改良値が第1水準あるいは第3
水準の外側にくる場合には、正確な制約条件が得られな
いため、異なる方向に改良することがあり得る。従って
設計変数が第1水準あるいは第3水準の範囲を越えて改
良が行われる場合には、改めてその近傍の最大応答変位
曲面を近似し直す必要がある。
Note that the maximum response horizontal displacement is the level 1, 2,
Since it was determined by the experimental design method using the value of 3,
In the process of improving the design variables, the improved value becomes the first level or the third level.
If it is outside the level, it may be possible to improve in a different direction because the exact constraints are not obtained. Therefore, when the design variables are improved beyond the range of the first or third level, it is necessary to reapply the maximum response displacement surface in the vicinity thereof.

【0118】表5に示す最適値における降伏震度すなわ
ち各構造要素の降伏耐力をその要素より上部にある要素
の重量で除した値は、免震支承14については、0.1
1〜0.31の範囲,橋脚16については、0.29〜
0.42の範囲となっている。
The yield seismic intensity at the optimum value shown in Table 5, that is, the value obtained by dividing the yield strength of each structural element by the weight of the element above the element is 0.1% for the seismic isolation bearing 14.
In the range of 1 to 0.31, for the pier 16, 0.29 to
The range is 0.42.

【0119】また、最適値における最大応答塑性率すな
わち各構造要素の最大応答変位を降伏変位で除した値
は,免震支承14については、10.8〜24.1の範
囲、橋脚16については、2.61〜3.86の範囲と
なっている。
The maximum response plasticity at the optimum value, that is, the value obtained by dividing the maximum response displacement of each structural element by the yield displacement, is in the range of 10.8 to 24.1 for the seismic isolation bearing 14, and for the pier 16 , 2.61 to 3.86.

【0120】各橋脚16の免震支承14の降伏荷重Qd
の最適値を比較すると、死荷重反力が大きいため単位Q
dの建設費が、他の橋脚16のそれと比較して大きくな
る橋脚16(P3,P4)の免震支承14の降伏震度が
他の橋脚16と比べて小さくなっている。
The yield load Qd of the seismic isolation bearing 14 of each pier 16
Comparing the optimal values of
The construction cost of d is larger than that of the other piers 16, and the yield strength of the seismic isolation bearing 14 of the pier 16 (P3, P4) is smaller than that of the other piers 16.

【0121】さらに、橋脚16の最適値についても、橋
脚16(P3,P4)の降伏震度が小さくなっている。
これらのことは、死荷重反力が大きく建設単価が大きい
橋脚16の免震支承14及び橋脚16を他の橋脚より塑
性変形しやすくし、剛性の大きい他の橋脚16に地震力
を多く負担させる方が、免震橋梁10の建設費を最小化
するという観点から、より効果的となる事を示してい
る。
Further, regarding the optimum value of the pier 16, the yield seismic intensity of the pier 16 (P3, P4) is small.
These facts make the seismic isolation bearing 14 and the pier 16 of the pier 16 having a large dead load reaction force and a large construction unit cost more easily plastically deform than the other piers, and cause the other piers 16 having a large rigidity to bear more seismic force. This is more effective from the viewpoint of minimizing the construction cost of the seismic isolation bridge 10.

【0122】この傾向は、橋脚16の許容水平変位δp
aiが大きくなる従い顕著になっていることが判明し
た。 最適値の信頼性の確認 表5で得られた最適値の信頼性を確認するため、設計変
数の最適値を用いて非線形時刻歴応答解析を行い、推定
式で算出される最大応答水平変位との誤差を確認した。
This tendency is caused by the allowable horizontal displacement δp of the pier 16.
It was found that as ai became larger, it became more prominent. Confirmation of the reliability of the optimal value To confirm the reliability of the optimal value obtained in Table 5, a nonlinear time history response analysis was performed using the optimal value of the design variable, and the maximum response horizontal displacement calculated by the estimation formula was calculated. Was confirmed.

【0123】表7に橋脚16の許容水平変位δpaiを
14.0cmとした場合の比較表を示している。
Table 7 shows a comparison table when the allowable horizontal displacement δpai of the pier 16 is 14.0 cm.

【0124】[0124]

【表7】 [Table 7]

【0125】表7に示した結果から、最大応答水平変位
の推定値と非線形時刻歴応答解析による最大応答水平変
位の誤差は、いずれも10%以内で、平均誤差は4.5
%となっていて、実験計画法の手法により精度よく最大
応答水平変位が推定できることが確認できた。
From the results shown in Table 7, the error of the estimated value of the maximum response horizontal displacement and the error of the maximum response horizontal displacement based on the nonlinear time history response analysis are all within 10%, and the average error is 4.5.
%, And it was confirmed that the maximum response horizontal displacement can be accurately estimated by the method of experimental design.

【0126】表7において橋脚16の誤差が他の構造要
素の誤差に比べ若干大きくなっているが、これは、橋脚
天端の水平変位が橋脚基部の回転角のわずかな変化によ
っても大きな変化を受けるためであると思われる。
In Table 7, the error of the pier 16 is slightly larger than the errors of the other structural elements. This is because the horizontal displacement of the top of the pier shows a large change even by a slight change of the rotation angle of the pier base. It seems to be receiving.

【0127】なお、上記実施例や具体例では、本発明を
免震橋梁に適用した場合を例示したが、本発明の実施
は、これに限定されることはなく、免震構造を採用しな
い橋梁の耐震設計や、橋梁以外の免震構造物および非免
震構造物の耐震設計に適用することもできる。
In the above embodiments and the specific examples, the case where the present invention is applied to a seismic isolation bridge is illustrated. However, the present invention is not limited to this, and a bridge without a seismic isolation structure is used. It can also be applied to the seismic design of non-seismic structures and non-seismic structures other than bridges.

【0128】[0128]

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
かかる構造物の耐震設計方法によれば、最も経済的に建
設できる構造物を、耐震性を確保のための繰り返し計算
回数が少なく効率的に設計することができる。
As described in detail above, according to the seismic design method for a structure according to the present invention, a structure which can be constructed most economically can be constructed with a small number of repetitive calculations for securing the earthquake resistance. It can be designed efficiently.

【0129】また、最適化の過程を数理計画法の手法を
用いて計算機により行っているので、構造物が最も経済
的となる設計変数の値を、理論的に正確に、かつ、計算
機により自動的に、短時間で決定することができる。
Further, since the optimization process is performed by a computer using a mathematical programming method, the values of the design variables that make the structure most economical can be theoretically accurately and automatically calculated by the computer. Can be determined in a short time.

【0130】この場合、本発明では、実験計画法とラグ
ランジェ関数を用いた双対法(数理計画法)とを組み合
わせることで、複雑な非線形動的挙動を示す構造物の、
複数の構成要素の非線形動的特性の全域的で、かつ、も
っとも経済的な最適値を、非常に少ない反復改良で効率
的に設計することができる。
In this case, according to the present invention, by combining the experimental design method and the dual method (mathematical programming method) using the Lagrange function, the structure exhibiting a complicated nonlinear dynamic behavior can be obtained.
The global and most economical optimal values of the non-linear dynamic properties of a plurality of components can be efficiently designed with very little iterative improvement.

【0131】また、大規模地震を受け非線形動的挙動を
示す橋梁の最適設計問題の定式化において、各構造要素
の非線形履歴特性の代表値を象徴的な連続設計変数とし
て取り扱うことにより、複維な非線形動的挙動を取り扱
う最適設計問題を単純にすることができる。
Further, in formulating an optimal design problem for a bridge exhibiting non-linear dynamic behavior in response to a large-scale earthquake, a representative value of the non-linear hysteresis characteristic of each structural element is treated as a symbolic continuous design variable. Optimal design problems dealing with complex nonlinear dynamic behavior can be simplified.

【0132】さらに、実験計画法の手法を用いることに
より、大規模地震を受ける多径間橋梁システムの非線形
時刻歴応答変位を、設計変数が4個までの場合には、9
回の非線形解析、設計変数が13個までの場合には、2
7回の非線形解析を行い、えられた解析結果を利用する
ことにより、精度よく推定式を導入することができる。
Further, by using the experimental design method, the nonlinear time-history response displacement of a multi-span bridge system subjected to a large-scale earthquake is calculated as 9 when the number of design variables is four.
Nonlinear analysis, when the number of design variables is up to 13, 2
By performing the nonlinear analysis seven times and using the obtained analysis results, it is possible to introduce an estimation formula with high accuracy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明にかかる構造物の耐震設計方法の設計手
順を順に示すフローチャート図である。
FIG. 1 is a flowchart showing the design procedure of a method of designing a structure for earthquake resistance according to the present invention.

【図2】図1の設計方法を適用する免震橋梁の説明図で
ある。
FIG. 2 is an explanatory view of a base-isolated bridge to which the design method of FIG. 1 is applied.

【図3】図2に示した免震橋梁の非線形時刻歴応答解析
モデルの説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a nonlinear time history response analysis model of the base-isolated bridge shown in FIG. 2;

【図4】図2に示した免震橋梁の免震支承の非線形履歴
特性図である。
FIG. 4 is a non-linear hysteresis characteristic diagram of a base-isolated bearing of the base-isolated bridge shown in FIG. 2;

【図5】図2に示した免震橋脚の橋脚の非線形履歴特性
図である。
FIG. 5 is a non-linear hysteresis characteristic diagram of the pier of the base-isolated pier shown in FIG.

【図6】本発明の具体例で想定した免震橋梁の地盤条件
の説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram of ground conditions of a base-isolated bridge assumed in a specific example of the present invention.

【図7】本発明の具体例で想定した免震支承のバイリニ
アモデルの特性図である。
FIG. 7 is a characteristic diagram of a bilinear model of a seismic isolation bearing assumed in a specific example of the present invention.

【図8】本発明の具体例で想定した橋脚のバイリニアモ
デルの特性図である。
FIG. 8 is a characteristic diagram of a bilinear model of a pier assumed in a specific example of the present invention.

【図9】本発明の具体例で想定した免震支承の降伏荷重
と製作費との関係を示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing a relationship between a yield load of a base-isolated bearing and a manufacturing cost assumed in a specific example of the present invention.

【図10】本発明の具体例で想定した橋脚の曲げモーメ
ントと建設費との関係を示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing a relationship between a bending moment of a pier and a construction cost assumed in a specific example of the present invention.

【図11】本発明の具体例で想定した杭基礎の水平バネ
定数と建設費との関係を示すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing a relationship between a horizontal spring constant of a pile foundation and a construction cost assumed in a specific example of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 免震橋梁 12 上部構造 14 免震支承 16 橋脚 18 基礎 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Seismic isolation bridge 12 Superstructure 14 Seismic isolation bearing 16 Pier 18 Foundation

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 橋梁などの土木,建築構造物の耐震設計
方法において、 前記構造物の構成要素を抽出し、前記構成要素毎に、非
線形動的応答解析に必要な構造諸元を決定して、非線形
動的応答解析モデルを設定する第1ステップと、 前記構造諸元を前記構成要素毎に、その非線形挙動を示
す特性値が含まれるように設計変数を設定する第2ステ
ップと、 前記設計変数をパラメータとして、前記各構成要素毎の
建設費を表わす目的関数を設定する第3ステップと、 前記非線形挙動に対して、地震規模の大きさに対応し
て、前記設計変数に複数の水準を設定する第4ステップ
と、 前記設計変数の前記複数の水準組合せにおける前記非線
形動的応答解析処理を行う第5ステップと、 前記非線形動的応答解析処理の結果を用いて、制約条件
で考慮すべき動的挙動の推定式を実験計画法に基づいて
作成し、前記動的挙動の制約条件を設定する第6ステッ
プと、 最適化問題を定式化して、数理計画法に基づいて、前記
設計変数の改良解を求める第7ステップと、 前記第4〜第7ステップの過程を必要に応じて繰り返す
ことにより最適解を決定する構造物の耐震設計方法。
1. A seismic design method for civil engineering and architectural structures such as bridges, the method comprising: extracting structural elements of the structure; and determining structural parameters required for nonlinear dynamic response analysis for each of the structural elements. A first step of setting a non-linear dynamic response analysis model; a second step of setting a design variable so as to include a characteristic value indicating the non-linear behavior of the structural parameters for each of the constituent elements; A third step of setting an objective function representing a construction cost for each of the constituent elements using a variable as a parameter; A fourth step of setting; a fifth step of performing the non-linear dynamic response analysis processing at the plurality of level combinations of the design variables; and considering a constraint condition using a result of the non-linear dynamic response analysis processing. A sixth step of creating an estimation formula of exponential dynamic behavior based on an experimental design and setting the constraints of the dynamic behavior; and formulating an optimization problem, and formulating the design variable based on a mathematical programming method. And a seismic design method for a structure that determines an optimal solution by repeating the processes of the fourth to seventh steps as necessary.
【請求項2】 前記第4ステップでは、前記水準を3水
準とし、前記設計変数との組合せを実験計画法の直交表
により決定することを特徴とする請求項1記載の構造物
の耐震設計方法。
2. The seismic design method for a structure according to claim 1, wherein in the fourth step, the level is set to three levels, and a combination with the design variable is determined by an orthogonal table of an experimental design method. .
【請求項3】 前記構造物は、免震構造を備えた橋梁で
あって、前記構成要素を上部構造,各橋脚の免震支承,
橋脚,基礎とすることを特徴とする請求項1または2記
載の構造物の耐震設計方法。
3. The structure according to claim 1, wherein the structure is a bridge having a seismic isolation structure.
3. The method of claim 1, wherein the pier and the foundation are used.
【請求項4】 前記設計変数は、前記免震支承の非線形
挙動を示す特性値として、せん断バネ定数を選択し、そ
の降伏荷重を前記免震支承の前記設計変数に設定すると
ともに、前記橋脚の非線形挙動を示す特性値として、曲
げ剛性を選択し、その降伏曲げモーメントを前記橋脚の
前記設計変数に設定することを特徴とする請求項3記載
の構造物の耐震設計方法。
4. The design variable selects a shear spring constant as a characteristic value indicating the non-linear behavior of the seismic isolation bearing, sets a yield load thereof to the design variable of the seismic isolation bearing, and sets the design variable of the pier. The method according to claim 3, wherein bending stiffness is selected as the characteristic value indicating the non-linear behavior, and the yield bending moment is set as the design variable of the pier.
【請求項5】 前記第7ステップは、前記最適化問題を
ラグランジュ関数を用いた双対法により解いて、前記設
計変数の改良解を求めるステップと、 前記構造物の建設費および前記設計変数の値が一定値に
収束したことを判断するステップと、 得られた改良解が水準内にあるか否かを判断するステッ
プとを含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1
項記載の構造物の耐震設計方法。
5. The seventh step is to solve the optimization problem by a dual method using a Lagrangian function to obtain an improved solution of the design variable; and the construction cost of the structure and the value of the design variable 5. The method according to claim 1, further comprising: judging that has converged to a constant value; and judging whether or not the obtained improved solution is within a standard.
Seismic design method for structures described in the section.
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