JP2018100494A

JP2018100494A - 被震時損傷評価機能付き建築物

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Publication number: JP2018100494A
Application number: JP2016245373A
Authority: JP
Inventors: 哲慎益田; Akichika Masuda; 鈴木　強; Tsuyoshi Suzuki; 強鈴木
Original assignee: MASUDA KENSETSU KK
Current assignee: MASUDA KENSETSU KK
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2018-06-28
Anticipated expiration: 2036-12-19
Also published as: JP6672133B2

Abstract

【課題】地震後の強度評価、あるいは修復箇所を提示することのできる被震時損傷評価機能付き建築物の提供を目的とする。【解決手段】地震時に評価対象建築部１に負荷される地震動を計測する地震計２と、構成部材を地震時の応力負担要素としてモデル化した解析モデルに前記地震計２からの出力を適用して地震動による挙動をシミュレートし、塑性化により強度劣化したモデル構成要素を抽出する解析ユニット３と、前記強度劣化したモデル構成要素を表示するディスプレイ部４とを有する被震時損傷評価機能付き建築物【選択図】図１

Description

本発明は、被震時損傷評価機能付き建築物に関するものである。

従来、地震による建築物への損傷を評価するプログラムとしては、特許文献１に記載の倒壊シミュレーションプログラムが提案されている。

この従来例において、この従来例において、シミュレーションプログラムは、個別要素法を使用することにより家屋の構造を節点とバネとを組み合わせることによりモデリングする。以上のようにして生成されたモデルに地震動を入力すると、所定時刻における全バネの応力ベクトル、およびこれらをもとに各節点の加速度、速度、変位増分が演算され、構造体の倒壊状態が求められる。

特開２０１２-８３８１３号公報

しかし、上述した従来例におけるシミュレーションプログラムは、所定の地震動による構造体の倒壊の可否等を判定して地震に対する耐性を評価することを目的とするものであるために、地震後の未倒壊建築物に対する構造的評価に適しないという問題がある。

また、地震動は、観測点から数キロメートル離れただけで大きく異なる場合があることが観察されているのに対し、シミュレーションプログラムにおいて入力される地震動データは、一般に地震観測網上での計測結果であり、当該建築物への影響を正確に評価するには適しないという問題もある。

本発明は、以上の欠点を解消すべくなされたものであって、地震後の強度評価、あるいは修復箇所を提示することのできる被震時損傷評価機能付き建築物の提供を目的とする。

また、本発明の他の目的は、所定の建築物に被震時損傷評価機能を付加することのできる被震建築物安全評価システムの提供にある。

本発明によれば上記目的は、
地震時に評価対象建築部１に負荷される地震動を計測する地震計２と、
構成部材を地震時の応力負担要素としてモデル化した解析モデルに前記地震計２からの出力を適用して地震動による挙動をシミュレートし、塑性化により強度劣化したモデル構成要素を抽出する解析ユニット３と、
前記強度劣化したモデル構成要素を表示するディスプレイ部４とを有する被震時損傷評価機能付き建築物を提供することにより達成される。

本発明において、家屋等の評価対象建築部１には予め地震動に対する挙動をモデル化した解析モデルが生成されており、地震が発生した際には、地震計２により実際に観測された地震動を解析モデルに適用することにより構成部材の挙動をシミュレートすることができる。

解析モデルは、評価対象建築部１を構成する構成部材を地震動に対する応力負担要素としてモデル化してあるために、シミュレーションにより塑性化し、最大荷重を超え、さらに、破断して耐力が完全に喪失した状態を評価対象建築部１の外観にかかわらず、判定することができる。

この結果、地震後、評価対象建築部１が未倒壊状態であったり、あるいは外観に変化が見られなかった場合であっても、目視不能箇所に発生している損傷箇所を知ることができるために、地震後の居住可能性、補強計画、あるいは保険適用時の評価等を正確に行うことが可能になる。

また、上記目的を達成するための本発明の他の態様として、
前記地震計２が評価対象建築部１の基礎から適宜間隔離隔した領域に設置される被震時損傷評価機能付き建築物を構成することができる。

地震計２は評価対象建築部１の土台等に設置することも可能であるが、評価対象建築部１の基礎から適宜間隔離隔した位置に設置すると、地盤面の地震による挙動を正確に計測することができる。

さらに、上記目的を達成するための本発明の他の態様として、
前記評価対象建築部１が軸組工法による木造建築物であり、
前記解析モデルは、軸組を弾塑性バネ、接合部を弾塑性バネと弾塑性回転バネ、鉛直構面及び水平構面をトラスバネ、筋違を圧縮筋違バネと引張筋違バネによりモデル化して構成されるとともに、
前記解析ユニット３は、個別要素法を用いて、所定時刻における前記各バネに対するモーメントを成分として含む応力ベクトルを算出し、塑性化後のバネを強度劣化要素として抽出する被震時損傷評価機能付き建築物を構成することができる。

解析ユニット３は、評価対象建築部１の地震動に対する挙動を解析し、物性的に劣化した構成部材を抽出可能であれば種々の周知の構造計算、構造解析手法を採用することができる。個別要素法は、有限要素法のような連続したメッシュを持たない粒子法に属し、有限要素法のように仮想仕事の原理に基づき系全体としてエネルギー最小となるような解を求めるという拘束がなく、粒子要素の運動を物理学の基本原理に従って解けばよいために、コンピュータの計算負荷を軽減させることが可能になる。

また、通常の個別要素法においては、物体と物体とが接触した際にその反発力摩擦力を計算するのみで、梁要素等の建築物の構造要素が存在しないが、各構造要素をバネでモデル化する本発明において、各構造要素の特定が可能になり、劣化要素を具体的に抽出することが可能になる。

以上の解析ユニット３としては、上述した特許文献１に記載され、「ｗａｌｌｓｔａｔ」として実用化されている倒壊シミュレーションプログラムを利用することができる。

さらに、上記目的を達成するための本発明の他の態様として、
前記解析ユニット３は、前記地震計２からの出力が所定値を超えた際に自動起動する被震時損傷評価機能付き建築物を構成することができる。

地震計２からの出力を作動開始トリガとして利用する本発明において、所定震度の地震の発生とともに評価対象建築部１の構成部材に対する評価が開始されるために、例えば、家屋倒壊の危険に繋がる構成部材の塑性化が確認された際には、避難警報を吹鳴させる等、被害回避行動をいち早く促すことが可能になる。

また、上記被震時損傷評価機能付き建築物には、
評価対象建築部１に設置した地震計２と、
前記評価対象建築部１の構成部材を地震時の応力負担要素としてモデル化した解析モデルに前記地震計２からの出力を適用して地震動による挙動をシミュレートし、塑性化により強度劣化したモデル構成要素を抽出するシミュレーション部５と、
前記強度劣化したモデル構成要素を表示するディスプレイ部４とを有する被震建築物安全評価システムを使用することができる。

この場合、前記シミュレーション部５が、インターネット（Ｎ）を介して前記地震計２に接続されるサーバ装置に搭載される被震建築物安全評価システムを構成することができる。

シミュレーション部５を評価対象建築部１からサーバ装置に移設することにより、評価対象建築部１の倒壊に伴うシミュレーション部５の動作停止の危険性を低下させることができる。また、サーバによる管理は、複数棟の解析モデル、シミュレーション結果の集中管理を可能にするために、地震後の被害状況の現地検証と、シミュレーション結果との照合によるシミュレーション部５の改良等のデータを収集することが可能になる。

さらに、上記被震建築物安全評価システムを使用することにより
地震動計測部１４と、
評価対象建築１の構成部材を地震時の応力負担要素としてモデル化した解析モデルを格納し、該解析モデルに前記地震動計測部１４からの出力を適用して地震動による挙動をシミュレートし、塑性化により強度劣化したモデル構成要素を抽出するシミュレーション部５と、
前記強度劣化したモデル構成要素を表示するディスプレイ部４とを同一筐体に収容した被震建築物安全評価装置を構成することができる。

本発明によれば、地震後の強度評価、あるいは修復箇所を提示することができる。

本発明を示す図である。モデル構成要素を示す図で、（ａ）は軸組部材の解析モデル、（ｂ）は軸組部材の骨格曲線、（ｃ）は軸組間の接合部を示す解析モデル、（ｄ）は（ｃ）の弾塑性バネの復元力特性、（ｅ）は（ｃ）の弾塑性回転バネの復元力特性を示す図である。モデル構成要素を示す図で、（ａ）は構面の解析モデル、（ｂ）はトラスバネの復元力特性、（ｃ）は筋違の解析モデルを示す図である。ディスプレイ部の表示画面を示す図で、（ａ）は地震前、（ｂ）は地震初期、（ｃ）は地震中期、（ｄ）は地震終了時の画面である。本発明の他の実施の形態を示す図である。被震建築物安全評価装置を示す図である。

図１に示すように、被震時損傷評価機能付き建築物は評価対象建築部１と、この評価対象建築部１の被震時の損傷程度を評価する被震建築物安全評価システム７とから構成される。

被震建築物安全評価システム７は、上記評価対象建築部１に負荷された地震動を計測するための地震計２と、解析ユニット３、およびディスプレイ部４を有して地震計２に接続される室内装置８とから構成される。

解析ユニット３は、モデル格納部９、演算部１０、および表示演算部１１を備えたシミュレーション部５と、上記ディスプレイ部４、およびシミュレーション部５を制御する制御部１２とを有し、シミュレーション部５は、汎用コンピュータシステム上で特許文献１に記載され、「ｗａｌｌｓｔａｔ」として実用化されている倒壊シミュレーションプログラムを走行させることにより実現される。

以下、上記特許文献１、および「ｗａｌｌｓｔａｔ」の技術説明に基づいてシミュレーション部５の構成を説明する。まず、シミュレーション部５のモデル格納部９には、評価対象建築部１の構造を解析して得られた解析モデルが格納される。

解析モデルはマトリックス法と同様に節点とバネを組み合わせていくことにより構築され、各構成部材とその接合部は、軸組、接合部、鉛直構面、垂直構面、および筋違に分けてモデル化される。

柱、束、梁、桁、窓台、まぐさ等の軸組部材は、図２（ａ）に示すように、弾塑性回転バネ(塑性ヒンジ)と弾性梁要素でモデル化される。図２（ｂ）は軸組部材の骨格曲線であり、Ｍ-θ関係で定義され、最大曲げモーメント（Ｍ_p）を超えるとモーメントが低下し始め、曲げモーメントがゼロの回転角に達すると、部材が折損したとみなし、部材間の回転バネをピン接合に変更する。

また、軸組部材には、地震動が与えられた際の力学的挙動を決定する構造的パラメータとして、ヤング係数、断面２次モーメント、最大曲げモーメント、断面積が与えられる。

また、軸組間の接合部は、図２（ｃ）に示すように、弾塑性回転バネとせん断に対して剛な弾塑性バネによりモデル化が行われる。接合部の弾塑性バネは図２（ｄ）に示す復元力特性が想定され、該復元力特性における１ないし３次剛性（Ｋ_s1、Ｋ_s2、Ｋ_s3）、およびその骨格曲線の変曲点Ｄ₁、Ｄ₂がパラメータとして与えられる。

さらに、接合部の弾塑性回転バネは図２（ｅ）に示す復元力特性を有し、パラメータとして、復元力特性の１ないし３次剛性（Ｋ_s1、Ｋ_s2、Ｋ_s3）、およびその骨格曲線の変曲点Ｄ₁、Ｄ₂が各々パラメーとして与えられる。

壁、垂れ壁、腰壁等の鉛直構面、および床、屋根などの水平構面は軸力のみを伝えるトラスバネでプレース置換することで図３（ａ）に示すように、せん断力のモデル化が行われる。構面バネに対しては、図３（ｂ）に示すように、バイリニアモデルとスリップモデルを合成した復元力特性が想定され、該復元力特性のバネ荷重の折れ点P₁、P₂、P₃、変位の折れ点Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃およびバネの減衰定数がパラメータとして与えられる。

さらに、筋違バネに対しては、図３（ｃ）に示すように、１本の筋違に対して圧縮と引張の２本のトラス用を配置することでモデル化が行われ、復元力特性は上述した構面バネと同様に、バイオリニアモデルとスリップモデルを合成したものとされる。また、筋違バネに対するパラメータとして、復元力特性のバネ荷重の折れ点P、変位の折れ点、およびバネの減衰定数が設定される。

上記演算部１０は、上記地震計２からの出力を解析モデルに与えて各要素、各バネの変位、荷重、モーメント等を求める。地震計２は、時間に対するＸ、Ｙ、Ｚ方向の変位を出力し、必要に応じて所定のフォーマットのファイルに格納される。

また、演算部１０は、個別要素法を使用して上記地震計２からの出力を外力としてモデルに加えた際の各時刻におけるモデル全体の応答を算出する。モデル全体の応答の算出は、個々のバネごとに独立した２階常微分方程式をたて、これを差分近似し、時間領域においてステップ・バイ・ステップで前進的に解くことにより、各バネの挙動を追跡することにより行われる。

すなわち、あるバネ（ｉ）の両端間の時刻（ｔ-１）における部材座標系での応力ベクトルの時刻（ｔ-１）から（ｔ）までのΔt間の増分[Δf_i]_tは、時刻（ｔ-1）から（ｔ）までの変位ベクトルの増分を[Δd_i]_tとすると、
[Δf_i]_t = [K_i]_t[Δd_i]_t-1 但し、[K_i]_tはバネ（ｉ）の剛性マトリックス
で与えられ、
時刻（ｔ）における応力ベクトル[f_i]_tはバネ（ｉ）の減衰マトリックスを[C_i]_tとすると、
[f_i]_t = [f_i]_t-1 + [Δf_i]_t +[C_i]_t[Δd_i]_t-1
で与えることができる。

したがって、全体座標系から部材座標系の座標変換マトリックスを[T_i]_tとすると、時刻tにおける全体座標系での応力ベクトル[F_i]_tは、
[F_i]_t = [T_i]_t ^-1[f_i]_t
で与えられる。

演算部１０は、まず、以上のようにして単独でのバネの応力ベクトル[F_i]_tを全てのバネに対して算出した後、バネの節点に作用する応力ベクトルを、節点に接続されるバネの応力ベクトルの和として算出する。

この後、上記各接点における応力ベクトルをNewmarkのβ法（平均化速度法 β = 1/4）によって数値積分を行うことにより時刻（ｔ）における加速度[a]_t、速度[v]_t、変位増分[ΔD]_tを全節点に対して求める。

以上の全てのバネに対する応力ベクトルの演算、およびこれに続く加速度、速度、変位増分の演算を所定の時間間隔で地震終了、すなわち、地震計２の出力がなくなるまで繰り返す。

上記応力ベクトルには成分としてモーメントが含まれており、地震終了時における上記モーメント値をもとに、塑性化をはじめた状態、最大荷重を超え負勾配領域となった状態、および耐力が完全に喪失した状態を区別し、該当する要素を表示演算部１１に出力する。

表示演算部１１は、上記モデルの初期状態、および必要に応じて各要素の移動軌跡に基づくモデルの変形状態をディスプレイ部４に出力し、塑性化等、上述した損傷要素をディスプレイ部４上で、例えば塑性化をはじめた要素を黄色、最大荷重を超えた要素をオレンジ、耐力を完全に喪失した要素を赤色で色分けして表示する。

図４はディスプレイ部４における表示例を示すもので、（ａ）はモデル格納部に格納される解析モデルを表示演算部においてディスプレイ部４に表示した状態である。この状態から地震が発生し、地震計２からの出力が所定の閾値を超えると、演算部におけるシミュレーションが開始され、シミュレーションの進行に伴って、解析モデルは、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に変化する。

上述したように、本例において塑性化をはじめた要素は黄色（図４においてハッチングを施して示される。）、最大荷重を超えた要素はオレンジ（図４において打点して示される。）、耐力を完全に喪失した要素（図４において黒塗りで示される。）で示される。

図４に示す例においては、地震の進行に伴って、まず、（ｂ）に示すように、一部の部材に塑性化と最大荷重超過が発生し、（ｃ）に示すように、徐々にこれら塑性化と最大荷重超過部材が増加するとともに、耐力喪失部材が発生し始める。この後、さらに、地震動が継続すると、（ｄ）に示すように、さらに耐力喪失部材が増加する。

表示演算部１１は、上述したように、演算部１０において抽出された損傷箇所を指示するだけでなく、図４（ｄ）に示すように、演算部１０において算出された部材の変位を倒壊も含めて表示する。

したがって本例において、図４（ｂ）、あるいは（ｃ）に示すように、外観に何らの変化が生じていない場合であっても、目視不能箇所に損傷箇所があることを知ることができ、さらに、この状態を基準として、新たな想定地震動を与えてシミュレーションを行うことによって、さらなる地震発生時の倒壊等を予測することも可能である。

また、シミュレーション中に所定の条件、例えば、塑性化部材が発生したこと、塑性化部材の割合が所定比率に達したこと、あるいは最大荷重超過部材が発生したことを条件として、家屋からの退避警報を発生させるように構成すると、倒壊前の早い段階での避難が可能になる。

図５に複数の評価対象建築部１の安全評価を行うことのできる被震建築物安全評価システム７を示す。本例における被震建築物安全評価システム７は、評価対象建築部１に配置される地震計２、および室内装置８と、インターネット（Ｎ）を介して各室内装置８に接続されるシミュレーションサーバ６とから構成される。

室内装置８は、制御部１２と、制御部１２の制御により動作するディスプレイ部４、および入力部１３を備えており、制御部１２は、地震計２が予め設定された地震力を超える出力を出力したこと、あるいは後述するシミュレーションサーバ６からの稼働指令を入出力部１３が受領したことを検出した場合、各評価対象建築部１に予め設定された家屋ＩＤとともに地震計２の出力を入出力部１３にセットし、シミュレーションサーバ６に送信する。

シミュレーションサーバ６は、制御部６ａと、入出力部６ｂと、シミュレーション部５とを有し、シミュレーション部５には、上述した実施の形態と同様に、モデル格納部９、演算部１０、および表示演算部１１が含まれる。

モデル格納部９には、建物ＩＤに対応する解析モデルが格納されており、制御部６ａは、入出力部６ｂが地震計２の出力を受信したことを検知すると、対応する建物ＩＤから対応する解析モデルを抽出し、演算部１０でシミュレーションを開始させる。

演算部１０でのシミュレーション結果は、逐一入出力部６ｂから対応する評価対象建築部１に送信され、ディスプレイ部４に表示され、危険状態が検出された場合には、図示しない警報装置等を吹鳴させる。

以上においては、ディスプレイ部４での解析モデルの表示を行う表示演算部１１をシミュレーションサーバ６に配置する場合を示したが、評価対象建築部１の室内装置８にもモデル表示機能を配置し、シミュレーションサーバ６の表示演算部１１において抽出された劣化部材情報、および各部材の変位情報のみを室内装置８に送信するように構成して室内装置８のディスプレイ部４に変形等を含めて表示させることもできる。

また、本例による被震建築物安全評価システム７は、モデル格納、シミュレーション演算、劣化部材の抽出が被震の影響を受けないシミュレーションサーバ６により行われれば、例えば、ディスプレイ部４をシミュレーションサーバに加える等、適宜の変形が可能である。

また、上述した各実施の形態においては、地震計２とシミュレーション部５とは別体に構成される場合を示したが、上述した被震時損傷評価機能付き建築物の室内装置８と地震計２とを同一筐体１５内に格納して被震建築物安全評価装置を構成することができる。

すなわち、被震建築物安全評価装置は、モデル格納部９、演算部１０、表示演算部１１を備えたシミュレーション部５、ディスプレイ部４、および地震計２と、これらの動作を制御する制御部１２とを配置して形成される。

この場合、図６に示すように、地震計２として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術により製造された小型加速度センサにより形成される地震動計測部１４を使用することにより筐体１５を小型化することができる。

このように構成することにより、例えば、スマートフォン等の携帯型通信端末装置に組み込まれた加速度センサを地震動計測部１４として、メモリをモデル格納部９として、さらに、上記メモリにシミュレーションソフトをインストールすることにより、携帯型通信端末装置を被震建築物安全評価装置として利用することができる。

１評価対象建築部
２地震計
３解析ユニット
４ディスプレイ部
５シミュレーション部
６サーバ装置
１４地震動計測部

Claims

地震時に評価対象建築部に負荷される地震動を計測する地震計と、
構成部材を地震時の応力負担要素としてモデル化した解析モデルに前記地震計からの出力を適用して地震動による挙動をシミュレートし、塑性化により強度劣化したモデル構成要素を抽出する解析ユニットと、
前記強度劣化したモデル構成要素を表示するディスプレイ部とを有する被震時損傷評価機能付き建築物。
前記地震計が評価対象建築部の基礎から適宜間隔離隔した領域に設置される請求項１記載の被震時損傷評価機能付き建築物。
前記評価対象建築部が軸組工法による木造建築物であり、
前記解析モデルは、軸組を弾塑性バネ、接合部を弾塑性バネと弾塑性回転バネ、鉛直構面及び水平構面をトラスバネ、筋違を圧縮筋違バネと引張筋違バネによりモデル化して構成されるとともに、
前記解析ユニットは、個別要素法を用いて、所定時刻における前記各バネに対するモーメントを成分として含む応力ベクトルを算出し、塑性化後のバネを強度劣化要素として抽出する請求項１または２記載の被震時損傷評価機能付き建築物。
前記解析ユニットは、前記地震計からの出力が所定値を超えた際に自動起動する請求項１、２または３記載の被震時損傷評価機能付き建築物。
評価対象建築部に設置した地震計と、
前記評価対象建築部の構成部材を地震時の応力負担要素としてモデル化した解析モデルに前記地震計からの出力を適用して地震動による挙動をシミュレートし、塑性化により強度劣化したモデル構成要素を抽出するシミュレーション部と、
前記強度劣化したモデル構成要素を表示するディスプレイ部とを有する被震建築物安全評価システム。
前記シミュレーション部が、インターネットを介して前記地震計に接続されるサーバ装置に搭載される請求項５記載の被震建築物安全評価システム。
地震動計測部と、
評価対象建築の構成部材を地震時の応力負担要素としてモデル化した解析モデルを格納し、該解析モデルに前記地震動計測部からの出力を適用して地震動による挙動をシミュレートし、塑性化により強度劣化したモデル構成要素を抽出するシミュレーション部と、
前記強度劣化したモデル構成要素を表示するディスプレイ部とを同一筐体に収容した被震建築物安全評価装置。