JP5618200B2 - Collapse simulation program for wooden buildings - Google Patents

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Description

この発明は、地震時における木造建築物の倒壊に至るまでの時刻歴応答解析を行う木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムに関するものである。   The present invention relates to a collapse simulation program for a wooden building that performs a time history response analysis until the collapse of the wooden building during an earthquake.

大規模地震において既存木造建築物に大きな被害が出たことから木造建築物の耐震性能が注目されるようになり、研究分野においても木造建築物の実物大の振動台実験などが行われるようになってきた。しかし、実物大の振動台実験では、膨大な費用と労力及び時間が掛かってしまうという問題があった。   The earthquake damage performance of wooden buildings has been attracting attention due to the great damage to existing wooden buildings in a large-scale earthquake, and the full-scale shaking table test of wooden buildings has also been conducted in the research field. It has become. However, the full-scale shaking table experiment has a problem of enormous costs, labor and time.

そこで、近年では、コンピュータの高性能化も相まって、建築物の地震時の挙動をシミュレーションプログラムによって計算・シミュレートすることにより建築物の時刻歴応答解析が行われるようになってきている。   Therefore, in recent years, along with the improvement in the performance of computers, time history response analysis of buildings has been performed by calculating and simulating the behavior of buildings during earthquakes using a simulation program.

このような建築物の時刻歴応答解析としては、従来、マトリックス法に代表される有限要素法(Finite Element Method:FEM)を用いたシミュレーションプログラムにより行われることが一般的であった。   Conventionally, the time history response analysis of such a building is generally performed by a simulation program using a finite element method (FEM) typified by a matrix method.

しかし、有限要素法では、全体剛性マトリックスを計算していかなければならないため、倒壊まで追跡するには極端な非線形性を考慮しなければならず、特に、部材の破断(木材の折損)、亀裂の進展といった極端に破壊が進行した状態において計算の中で不釣合い力を処理することが難問であった。特に、木造建築物では、倒壊限界は層間変形角が1/5rad.を超える大変形域に達することもあり、有限要素法によるシミュレーションプログラムによって、変形が進行した状態から倒壊に至るまでの木造建築物の挙動を、地震時の実際の建築物の挙動と一致するように精度よく計算・シミュレートすることは甚だ困難であった。   However, in the finite element method, the total stiffness matrix must be calculated, so extreme non-linearity must be taken into account in order to trace to collapse, especially breakage of members (breakage of wood), cracks It was a difficult problem to deal with the unbalanced force in the calculation in the state where the destruction progressed extremely such as the progress of. In particular, with wooden buildings, the collapse limit can reach a large deformation range where the interlaminar deformation angle exceeds 1/5 rad. With a simulation program based on the finite element method, wooden buildings from the state where deformation progressed to collapse It was extremely difficult to accurately calculate and simulate the behavior of objects so as to match the actual behavior of buildings during an earthquake.

この問題を解決するため、本発明者は、破壊が進行した大変形域から倒壊に至るまでの地震時の実際の挙動を精度よくシミュレートするには、非連続体解析法の1つである個別要素法(Distinct Element Method:DEM)を用いることが有効ではないかと考え、個別要素法を基本原理とした本発明に係るシミュレーションプログラムを開発するに至った。この個別要素法を用いたシミュレーション手法は、土木分野で土砂や岩盤の崩壊などの非連続体の挙動を解析する手法として開発されたものであり、本発明者が適用を試みるまでは木造建築物の地震時の応答解析に個別要素法が用いられることはなかった。   In order to solve this problem, the present inventor is one of the discontinuous body analysis methods for accurately simulating the actual behavior at the time of the earthquake from the large deformation region where the fracture has progressed to the collapse. We thought that it would be effective to use the Distinct Element Method (DEM), and developed a simulation program according to the present invention based on the Discrete Element Method. This simulation method using the discrete element method was developed as a technique for analyzing the behavior of non-continuous bodies such as earth and sand and bedrock collapse in the civil engineering field. Until the inventor tries to apply it, it is a wooden building. The individual element method was not used for response analysis during earthquakes.

なお、地震時の応答解析ではないが個別要素法を建築物に応用した例としては、特許文献1に「建造物崩壊シミュレーション方法」が開示されている。しかし、この特許文献1に記載の建造物崩壊シミュレーション方法は、RC(鉄筋コンクリート)造の建築物を爆破により崩壊させる際のシミュレーション方法であり、爆破により粉々になったRC造の建築物に適用することはできるが、木造建築物の地震時の時刻歴応答解析に適用できるものではなかった。   In addition, although it is not the response analysis at the time of an earthquake, as an example which applied the individual element method to the building, the "building collapse simulation method" is disclosed by patent document 1. FIG. However, the building collapse simulation method described in Patent Document 1 is a simulation method when an RC (steel reinforced concrete) building is collapsed by blasting, and is applied to an RC building shattered by blasting. However, it could not be applied to time history response analysis of wooden buildings during earthquakes.

特開平7−21148号公報JP 7-21148 A

そこで、この発明は、前記従来技術の問題を解決し、地震時における木造建築物の倒壊に至るまでの時刻歴応答解析を地震時の実際の挙動と一致するよう高精度に行うことができる木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, and can perform a time history response analysis up to collapse of a wooden building at the time of an earthquake with high accuracy so as to match the actual behavior at the time of an earthquake. The purpose is to provide a building collapse simulation program.

前記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、地震時における木造建築物の倒壊に至るまでの時刻歴応答解析をコンピュータに実行させるための木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムであって、複数の節点と複数種類のバネとを組み合わせて前記木造建築物をモデル化した解析モデルの情報と、当該解析モデルに含まれるバネの種類に応じたパラメータ情報と、を入力ファイルから読み込む第1ステップと、前記第1ステップで入力ファイルから読み込んだパラメータ情報に基づき、前記解析モデルのバネの種類に応じた要素剛性マトリックスを決定する第2ステップと、前記第2ステップで決定した要素剛性マトリックスにより、個別要素法を用いて各バネに作用する応力を算出する第3ステップと、前記第3ステップで算出した各バネに作用する応力を、各バネが接続される節点ごとに加算する第4ステップと、を有し、前記解析モデルは、前記木造建築物の軸組部材が弾塑性バネ及び梁要素によってモデル化されているとともに、この軸組部材の弾塑性バネに対応する前記パラメータ情報には、当該軸組部材の梁要素の曲げ強度を示す最大曲げモーメントが含まれており、第3ステップにおいて、軸組部材の弾塑性バネに作用する応力を算出する際、当該軸組部材の梁要素に加わる曲げモーメントと、前記最大曲げモーメントとを比較し、その比較結果に基づき、当該軸組部材の折損を判定することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is a collapse simulation program for a wooden building for causing a computer to execute a time history response analysis until the collapse of the wooden building at the time of an earthquake. First , the information of the analysis model obtained by modeling the wooden building by combining a plurality of nodes and a plurality of types of springs and the parameter information corresponding to the type of the spring included in the analysis model is read from the input file. A step, a second step of determining an element stiffness matrix according to the type of spring of the analysis model based on the parameter information read from the input file in the first step, and an element stiffness matrix determined in the second step a third step of calculating the stress acting on each spring with distinct element method, in the third step The stress acting on each spring out, a fourth step of adding for each node of each spring is connected, it has the analytical model, framing member elastoplastic spring and beam element of the wooden building And the parameter information corresponding to the elastic-plastic spring of this frame member includes the maximum bending moment indicating the bending strength of the beam element of the frame member, and in the third step , When calculating the stress acting on the elastic-plastic spring of the shaft member, the bending moment applied to the beam element of the shaft member is compared with the maximum bending moment, and based on the comparison result, It is characterized by determining breakage .

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムにおいて、前記軸組部材の折損の判定は、前記軸組部材の梁要素に加わる曲げモーメントが、前記最大曲げモーメントを超えてゼロの回転角に達したときに行われることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the collapse simulation program for a wooden building according to the first aspect, the breakage of the frame member is determined by a bending moment applied to a beam element of the frame member being the maximum bending. It is performed when the rotation angle reaches zero after exceeding the moment .

請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムにおいて、前記解析モデルは、さらに接合部の弾塑性バネ、接合部の弾塑性回転バネ、鉛直構面及び水平構面のトラスバネ、圧縮筋違バネ、引張筋違バネに分けてモデル化されており、前記入力ファイルには、これらモデル化されたバネの種類に応じたパラメータ情報が含まれていることを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the collapse simulation program for a wooden building according to claim 1 or 2, wherein the analysis model further includes an elastic-plastic spring at the joint, an elastic-plastic rotary spring at the joint, and a vertical plane. and Torasubane horizontal Plane, compression muscle differences spring, is modeled by dividing the tension Suji違spring, wherein the input file, the parameter information according to the type of these modeled spring is included It is characterized by.

請求項4に記載の発明は、請求項1ないし3のいずれかに記載の木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムにおいて、前記解析モデルの基礎反力、各階水平力、地盤絶対変位、各階絶対変位の各計算値を前記入力ファイルに規定された時間刻み毎に算出し、時刻歴データとして出力ファイルに出力することをコンピュータに実行させることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the collapse simulation program for a wooden building according to any one of the first to third aspects , each of the basic reaction force, the horizontal force of each floor, the absolute displacement of the ground, and the absolute displacement of each floor of the analysis model. calculating a calculated value for each increment the input file specified time, and characterized by causing a computer to execute the outputting to the output file as time history data.

請求項5に記載の発明は、請求項に記載の木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムにおいて、前記出力ファイルには、前記解析モデルの各要素の座標の時刻歴データが保存されている軌跡ファイルと、前記各計算値の時刻歴データが保存された計算結果ファイルと、計算後の解析モデルの要素及びバネに関する情報が保存された解析継続ファイルと、が含まれており、前記解析モデルの各要素の座標の時刻歴データ、前記各計算値の時刻歴データ、計算後の解析モデルの要素及びバネに関する情報を出力させるステップをコンピュータに実行させることを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the collapse simulation program for a wooden building according to the fourth aspect , the output file includes a trajectory file in which time history data of coordinates of each element of the analysis model is stored. A calculation result file in which time history data of each calculation value is stored, and an analysis continuation file in which information on the analysis model after the calculation and information on the spring are stored, and each element of the analysis model The computer is caused to output a step of outputting information on the time history data of the coordinates, the time history data of each calculated value, the elements of the analysis model after the calculation, and the spring.

この発明は、前記のようであって、請求項1に記載の発明によれば、地震時における木造建築物の倒壊に至るまでの時刻歴応答解析をコンピュータに実行させるための木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムであって、複数の節点と複数種類のバネとを組み合わせて前記木造建築物をモデル化した解析モデルの情報と、当該解析モデルに含まれるバネの種類に応じたパラメータ情報と、を入力ファイルから読み込む第1ステップと、前記第1ステップで入力ファイルから読み込んだパラメータ情報に基づき、前記解析モデルのバネの種類に応じた要素剛性マトリックスを決定する第2ステップと、前記第2ステップで決定した要素剛性マトリックスにより、個別要素法を用いて各バネに作用する応力を算出する第3ステップと、前記第3ステップで算出した各バネに作用する応力を、各バネが接続される節点ごとに加算する第4ステップと、を有し、前記解析モデルは、前記木造建築物の軸組部材が弾塑性バネ及び梁要素によってモデル化されているとともに、この軸組部材の弾塑性バネに対応する前記パラメータ情報には、当該軸組部材の梁要素の曲げ強度を示す最大曲げモーメントが含まれており、第3ステップにおいて、軸組部材の弾塑性バネに作用する応力を算出する際、当該軸組部材の梁要素に加わる曲げモーメントと、前記最大曲げモーメントとを比較し、その比較結果に基づき、当該軸組部材の折損を判定するので、有限要素法をはじめとする従来のシミュレーションプログラムでは精度よくシミュレートすることができなかった変形が進行した状態から倒壊に至るまでの木造建築物の挙動を地震時の実際の建築物の挙動と一致するように精度よく計算・シミュレートすることができる。このため、地震時における木造建築物の倒壊に至るまでの時刻歴応答解析を地震時の実際の挙動と一致するよう高精度に行うことができ、特に通し柱の折損や、垂れ壁がついた柱の横架材接合部での折損現象を解析で表現することが可能となる。
The present invention is as described above. According to the invention described in claim 1, the collapse of the wooden building for causing the computer to execute a time history response analysis until the collapse of the wooden building at the time of the earthquake. It is a simulation program , and inputs information on an analysis model obtained by modeling the wooden building by combining a plurality of nodes and a plurality of types of springs, and parameter information corresponding to the types of springs included in the analysis model. A first step of reading from a file; a second step of determining an element stiffness matrix according to the type of spring of the analysis model based on the parameter information read from the input file in the first step; and determining in the second step by the element stiffness matrix, and a third step of calculating the stress acting on each spring with distinct element method, the first The stress acting on each spring calculated in step, a fourth step of adding for each node of each spring is connected, it has the analytical model, framing members of the wooden buildings, and elastic-plastic spring The parameter information that is modeled by the beam element and that corresponds to the elastic-plastic spring of the frame member includes a maximum bending moment that indicates the bending strength of the beam element of the frame member, and In the step, when calculating the stress acting on the elastic-plastic spring of the shaft member, the bending moment applied to the beam element of the shaft member is compared with the maximum bending moment, and based on the comparison result, the shaft member is compared. since determining the breakage of the member, collapse from a state in which deformation can not be accurately simulated in the conventional simulation program, including finite element method has progressed The behavior of the wooden buildings of up to can be accurately calculated, simulated to match the behavior of the actual building during an earthquake. For this reason, the pillar of the time history response analysis leading up to the collapse of the wooden buildings at the time of the earthquake can be performed with high accuracy to match the actual behavior at the time of the earthquake, which was especially broken or continuous columns, with a hanging wall It is possible to express the breakage phenomenon at the horizontal member joint of the analysis by analysis.

請求項2に記載の発明によれば、請求項1に記載の木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムにおいて、前記軸組部材の折損の判定は、前記軸組部材の梁要素に加わる曲げモーメントが、前記最大曲げモーメントを超えてゼロの回転角に達したときに行われるので、通し柱の折損や、垂れ壁がついた柱の横架材接合部での折損現象を解析で精度良く表現することができる。
According to a second aspect of the present invention, in the collapse simulation program for a wooden building according to the first aspect, the determination of the breakage of the frame member is performed by the bending moment applied to the beam element of the frame member. Since this is done when the maximum bending moment is exceeded and the rotation angle reaches zero, the breakage phenomenon of the through column and the breakage phenomenon at the horizontal member joint of the column with the hanging wall can be expressed accurately. .

請求項3に記載の発明によれば、請求項1又は2に記載の木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムにおいて、前記解析モデルは、さらに接合部の弾塑性バネ、接合部の弾塑性回転バネ、鉛直構面及び水平構面のトラスバネ、圧縮筋違バネ、引張筋違バネに分けてモデル化されており、前記入力ファイルには、これらモデル化されたバネの種類に応じたパラメータ情報が含まれているので、前記作用効果に加え、軸組構法で建造された木造建築物の構造特性を活かし、更に精度よく計算・シミュレートすることができる。
According to the invention described in claim 3, in the collapse simulation program for a wooden building according to claim 1 or 2, the analysis model further includes an elastic-plastic spring of a joint, an elastic-plastic rotary spring of the joint, a vertical Plane and horizontal Plane Torasubane, compression muscle differences spring, is modeled by dividing the tension Suji違spring, the input file contains the parameter information corresponding to the type of modeled springs Therefore, in addition to the above-described effects, the structural characteristics of the wooden building constructed by the frame construction method can be utilized to perform calculation / simulation with higher accuracy.

請求項4に記載の発明によれば、請求項1ないし3のいずれかに記載の木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムにおいて、前記解析モデルの基礎反力、各階水平力、地盤絶対変位、各階絶対変位の各計算値を前記入力ファイルに規定された時間刻み毎に算出し、時刻歴データとして出力ファイルに出力することをコンピュータに実行させるので、前記作用効果に加え、計算結果の分析が容易となり、木造建築物の耐震設計や震災時の被害の低減など様々な研究に資することができる。
According to a fourth aspect of the present invention, in the collapse simulation program for a wooden building according to any one of the first to third aspects, the basic reaction force, the horizontal force of each floor, the absolute displacement of the ground, the absolute displacement of each floor of the analysis model calculating a respective calculated value for each time step, which is defined in the input file, since it causes the computer to execute an output to the output file as time history data, in addition to the operational effect, the calculation results analysis is facilitated, It can contribute to various researches such as seismic design of wooden buildings and reduction of damage caused by the earthquake.

請求項5に記載の発明によれば、請求項に記載の木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムにおいて、前記出力ファイルには、前記解析モデルの各要素の座標の時刻歴データが保存されている軌跡ファイルと、前記各計算値の時刻歴データが保存された計算結果ファイルと、計算後の解析モデルの要素及びバネに関する情報が保存された解析継続ファイルと、が含まれており、前記解析モデルの各要素の座標の時刻歴データ、前記各計算値の時刻歴データ、計算後の解析モデルの要素及びバネに関する情報を出力させるステップをコンピュータに実行させるので、前記作用効果に加え、計算結果の利用が容易となり、時刻歴応答解析をアニメーションや3D画像などで視覚化して確認することも容易となる。 According to a fifth aspect of the present invention, in the collapse simulation program for a wooden building according to the fourth aspect , a trajectory in which time history data of coordinates of each element of the analysis model is stored in the output file. File, a calculation result file in which time history data of each calculation value is stored, and an analysis continuation file in which information on elements and springs of the analysis model after calculation are stored. Since the computer executes the step of outputting the time history data of the coordinates of each element, the time history data of each calculated value, the elements of the analysis model after the calculation and the spring, the use of the calculation result in addition to the above-described effects. It becomes easy to visualize and confirm the time history response analysis with animation, 3D images, or the like.

個別要素法による岩盤の崩壊シミュレーションの概念図である。It is a conceptual diagram of the rock collapse simulation by the individual element method. 従来の個別要素法で計算する力の説明図である。It is explanatory drawing of the force calculated with the conventional separate element method. 軸組のモデル化の概念図である。It is a conceptual diagram of modeling of a shaft group. 同上のモデル化に用いた復元力特性の説明図である。It is explanatory drawing of the restoring force characteristic used for the modeling same as the above. 同上のモデル化に用いた骨格曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the skeleton curve used for modeling same as the above. 接合部のモデル化の概念図である。It is a conceptual diagram of modeling of a junction part. 同上のモデル化に用いた弾塑性バネの復元力特性を示すグラフである。It is a graph which shows the restoring force characteristic of the elastic-plastic spring used for modeling same as the above. 同上のモデル化に用いた弾塑性回転バネの復元力特性を示すグラフである。It is a graph which shows the restoring force characteristic of the elastic-plastic rotation spring used for modeling same as the above. 鉛直構面のモデル化の概念図である。It is a conceptual diagram of modeling of a vertical composition. 鉛直構面のモデル化に用いた復元力特性の説明図である。It is explanatory drawing of the restoring force characteristic used for modeling of a vertical composition. 筋違のモデル化の概念図である。It is a conceptual diagram of modeling of a struggle. 本発明の実施例に係るプログラム計算の流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow of the program calculation which concerns on the Example of this invention. 解析モデルファイルの作成の流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow of creation of an analysis model file. 軸組ファイルのフォーマットを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the format of a shaft group file. 軸組モデルの各部の説明図である。It is explanatory drawing of each part of a shaft set model. 構面ファイルのフォーマットを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the format of a composition file. 構面モデルの各部の説明図である。It is explanatory drawing of each part of a surface model. 筋違ファイルのフォーマットを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the format of a struggle file. 筋違モデルの各部の説明図である。It is explanatory drawing of each part of a struggle model. 重量ファイルのフォーマットを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the format of a weight file. 解析モデルの重量指定を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the weight designation | designated of an analysis model. 解析モデルの確認画面の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the confirmation screen of an analysis model. 解析モデルの外観の詳細設定ウィンドの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the detailed setting window of the external appearance of an analysis model. パラメータファイルのフォーマットを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the format of a parameter file. パラメータファイルに軸組バネの設定をする際のフォーマットを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the format at the time of setting a shaft group spring to a parameter file. パラメータファイルに接合部バネの設定をする際のフォーマットを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the format at the time of setting a junction spring to a parameter file. パラメータファイルに回転バネの設定をする際のフォーマットを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the format at the time of setting a rotation spring to a parameter file. パラメータファイルに構面バネの設定をする際のフォーマットを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the format at the time of setting a surface spring to a parameter file. パラメータファイルに筋違バネの設定をする際のフォーマットを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the format at the time of setting a muscle spring in a parameter file. 各外力入力モードのイメージを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the image of each external force input mode. 外力ファイルの地震波入力時のフォーマットを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the format at the time of the seismic wave input of an external force file. 外力ファイルのプッシュオーバー解析1のフォーマットを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the format of the pushover analysis 1 of an external force file. 外力ファイルのプッシュオーバー解析2のフォーマットを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the format of the pushover analysis 2 of an external force file. 計算条件ファイルのフォーマットを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the format of a calculation condition file. 計算プログラムの主要な計算の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of main calculation of a calculation program. 実験対象の木造住宅の各階平面図である。It is a floor plan of each floor of the wooden house to be tested. 兵庫県南部地震の際に観測された地震波形(JMA Kobe)を150%に増幅した波形の加速度応答スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the acceleration response spectrum of the waveform which amplified the earthquake waveform (JMA Kobe) observed in the case of the Hyogoken Nanbu Earthquake to 150%. 1階の層間変位の時刻歴波形を振動台実験と解析モデルのシミュレーションとを比較して示すグラフである。It is a graph which shows the time history waveform of the interlayer displacement of the 1st floor in comparison with a shaking table experiment and simulation of an analysis model.

[個別要素法]
先ず、本発明に係るプログラムの基本理論である個別要素法の概要を説明する。
背景技術で述べたように、地震時の木造建築物の倒壊までの時刻歴応答解析を精度よく追跡できる解析手法として、本発明に係るプログラムでは、従来の建築分野における構造解析で一般的に用いられてきた有限要素法の代わりに、各要素に作用する応力を個別に計算して、全体剛性マトリックスを解く必要なく、加速度、速度、変位増分等を求めることができる個別要素法を基本理論として採用した。個別要素法は、元来、図1に示したような土壌や岩盤の崩壊を計算するために開発された「非連続体解析法(バラバラな物体の挙動を計算する手法)」であるので、大変形域から倒壊に至るまでの建物の挙動解析を自然に行うことが可能である。
[Individual element method]
First, the outline of the individual element method, which is the basic theory of the program according to the present invention, will be described.
As described in the background art, the program according to the present invention is generally used in the structural analysis in the conventional building field as an analysis method capable of accurately tracking the time history response analysis until the collapse of the wooden building at the time of the earthquake. Instead of the finite element method that has been used, the basic theory is the individual element method that can calculate acceleration, velocity, displacement increment, etc. without having to solve the overall stiffness matrix by calculating the stress acting on each element individually. Adopted. Since the individual element method is originally a “discontinuous body analysis method (a method for calculating the behavior of disjoint objects)” developed to calculate the collapse of soil and rock mass as shown in FIG. It is possible to naturally analyze the behavior of buildings from large deformation areas to collapse.

なお、個別要素法は、数値解析手法の中では動的陽解法のカテゴリーに入るものであり、従来の個別要素法を用いた解析手法では、図2に示したように、専ら物体と物体が接触した際にその反発力と摩擦力を計算するのみであった。このため、梁要素やトラス要素などの建築物の構造解析で一般的に用いられている構造要素が存在しなかった。そのため、建築分野では個別要素法を用いた研究例そのものが少なく、現状では、木造建築物を対象として個別要素法を用いた時刻歴応答解析ツールは存在しない状況である。   The individual element method is in the category of dynamic explicit method among the numerical analysis methods. In the analysis method using the conventional individual element method, as shown in FIG. It was only necessary to calculate the repulsive force and frictional force. For this reason, there are no structural elements generally used in structural analysis of buildings such as beam elements and truss elements. For this reason, there are few examples of research using the individual element method in the building field, and at present, there is no time history response analysis tool using the individual element method for wooden buildings.

(数値解析手法)
次に、この個別要素法の数値解析法について説明する。
解析モデルは、有限要素法と同様、節点とバネとを組み合わせていくことで構築する。あるバネiにおいて両端の節点1、2間の時刻t-1における全体座標系での変位ベクトル、応力ベクトルを下記(式1)、バネiの変位ベクトル[ Di ]t-1、応力ベクトル[ Fi ]t-1の時刻t-1における部材座標系での変位ベクトル、応力ベクトルを下記(式2)、各ベクトルの時刻t-1〜tのΔt間の増分を下記(式3)とし、時刻t-1において外力の作用によりバネiの両端の節点1、2に[Δdi ]tの変位増分があったとすると、要素剛性マトリックス[ Ki ]t、減衰マトリックス[ Ci ]tのバネiでは下記(式4)によって[ fi ]tを算出することができる。
(Numerical analysis method)
Next, the numerical analysis method of the individual element method will be described.
Similar to the finite element method, the analysis model is constructed by combining nodes and springs. For a spring i, the displacement vector and stress vector in the global coordinate system at the time t-1 between the nodes 1 and 2 at both ends are as follows (formula 1), the displacement vector [Di] t-1 of the spring i, and the stress vector [Fi ] displacement vector in the local coordinate system at time t-1 of t-1, the stress vector following (equation 2), the increment between Δt time t-1 to t for each vector as follows (equation 3), the time Assuming that there is a displacement increment of [Δdi] t at the nodes 1 and 2 at both ends of the spring i due to the action of an external force at t-1, the element stiffness matrix [Ki] t and the spring i of the damping matrix [Ci] t have the following ( [Fi] t can be calculated by Equation 4).

ここで、全体座標系 → 部材座標系の座標変換マトリックスを[ Ti ]tとすると前記(式4)は、下記(式5)と表わすことができる。 Here, when the coordinate transformation matrix of the entire coordinate system → the member coordinate system is [Ti] t , the above (Formula 4) can be expressed as the following (Formula 5).

前記式5を各バネにおいて計算し、各節点における応力ベクトル[ fi ]t1、[ fi ]t2を算出する。この応力ベクトルを、ある節点Aに接続されるすべてのバネにおいて加算することで、節点Aに作用する応力ベクトル[ FA ]tを算出する(式6)。 Formula 5 is calculated for each spring, and stress vectors [fi] t1 and [fi] t2 at each node are calculated. The stress vector [F A ] t acting on the node A is calculated by adding the stress vector to all the springs connected to the node A (Formula 6).

この式によって算出された応力ベクトルをNewmarkのβ法(平均加速度法 β=1/4)によって数値積分を行い、時刻tにおける加速度[ aA ]t、速度[ vA ]t、変位増分[ΔDA ]tを算出する(式7)。 The stress vector calculated by this formula is numerically integrated by Newmark's β method (average acceleration method β = 1/4), and acceleration [a A ] t , velocity [v A ] t at time t , displacement increment [ΔD A ] t is calculated (formula 7).

以上の計算を各要素、各時刻について行うことで、外力に対するモデル全体の応答を算出していく。このように、全体剛性マトリックスを解かずに各要素で個別に応力を算出する点が従来の有限要素法にはない個別要素法の特徴である。つまり、時刻が進むことによる要素間の応力の伝播によって釣り合いを保つため、不釣合い力の処理や、崩壊後の挙動などは特別な処理をすることなく解析をすることができる。   By performing the above calculation for each element and each time, the response of the entire model to the external force is calculated. Thus, the point that the stress is calculated individually for each element without solving the entire stiffness matrix is a feature of the individual element method that is not found in the conventional finite element method. In other words, since the balance is maintained by the propagation of stress between the elements as time advances, the processing of unbalanced force and the behavior after collapse can be analyzed without any special processing.

(解析モデルの構築)
次に、木造建築物の各構成部材のモデル化手法について説明する。本発明では、軸組構法により建造された木造建築物をモデル化するにあたって、各構成部材とその接合部を、軸組、接合部、鉛直構面及び垂直構面、筋違(すじかい)に分けてモデル化を行った。
(Construction of analysis model)
Next, a method for modeling each component member of the wooden building will be described. In the present invention, when modeling a wooden building constructed by a frame construction method, each component member and its joint are made into a shaft, joint, vertical composition, vertical composition, and streak. Modeled separately.

(軸組のモデル化)
先ず、軸組のモデル化について説明する。
図3に示すように、柱、束、梁、桁、窓台、まぐさ等の軸組部材は、部材の折損を考慮するために弾塑性回転バネ(塑性ヒンジ)+弾性梁要素でモデル化を行った。このモデルの入力された荷重と変形の関係を表わす復元力特性(履歴特性)は、図4に示した履歴則のものを用いた。ここで、部材の曲げ強度は、実験結果や文献などにより設定し、断面係数に従い最大曲げモーメントを決定した。
また、図5に示すように、この骨格曲線は、M−θ関係で定義されており、最大曲げモーメント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。
このように設定することで、通し柱の折損や、垂れ壁がついた柱の横架材接合部での折損現象を解析で表現することが可能となった。
(Modeling of shaft)
First, the modeling of the shaft group will be described.
As shown in Fig. 3, the frame members such as columns, bundles, beams, girders, window bases, lintels, etc. are modeled with elastic-plastic rotating springs (plastic hinges) + elastic beam elements in order to take account of breakage of the members. Went. As the restoring force characteristic (history characteristic) representing the relationship between the input load and deformation of this model, the hysteresis law shown in FIG. 4 was used. Here, the bending strength of the member was set based on experimental results and literatures, and the maximum bending moment was determined according to the section modulus.
Further, as shown in FIG. 5, this skeleton curve is defined by the M-θ relationship, and when the maximum bending moment is exceeded, the moment begins to decrease, and when the bending moment reaches a rotation angle of zero, the member breaks down. The rotation spring between the members is changed to a pin joint.
By setting in this way, it became possible to analyze and analyze the breakage phenomenon of the through column and the breakage phenomenon at the horizontal member joint of the column with the hanging wall.

(接合部のモデル化)
次に、軸組間の接合部のモデル化について説明する。
図6に示すように、軸組間の接合部は、弾塑性回転バネ+弾塑性バネ(せん断に対しては剛)を用いてモデル化を行った。圧縮・引張の弾塑性バネ(以下、接合部バネという)の復元力特性は、図7に示す片側弾性+片側スリップ型のものを用いており、この骨格曲線は実験データを元にして設定した。
また、弾塑性回転バネの履歴特性は、図8に示すスリップ型のものを用い、文献等から骨格曲線を決定した。なお、この弾塑性回転バネは、強軸、弱軸の各方向に独立に作用するように設定している。
(Modeling of joints)
Next, modeling of the joint between the shaft groups will be described.
As shown in FIG. 6, the joint portion between the shaft groups was modeled using an elasto-plastic rotating spring + an elasto-plastic spring (rigid against shear). The restoring force characteristics of the compression / tensile elasto-plastic spring (hereinafter referred to as the joint spring) are of the one-side elasticity + one-side slip type shown in FIG. 7, and this skeleton curve was set based on experimental data. .
The hysteresis characteristics of the elasto-plastic rotary spring used the slip type shown in FIG. 8, and the skeletal curve was determined from the literature. The elastic-plastic rotary spring is set so as to act independently in each direction of the strong axis and the weak axis.

(鉛直構面、水平構面のモデル化)
次に、鉛直構面及び水平構面のモデル化について説明する。
図9に示すように、壁、垂れ壁、腰壁などの鉛直構面は、トラスバネでブレース置換することでせん断力のモデル化を行った。復元力特性は、図10に示すバイリニア+スリップ型の履歴則を用いた。
また、床、屋根などの水平構面も同様にトラス要素でブレース置換することでモデル化し、復元力特性も同様にバイリニア+スリップ型の履歴則を用いた。なお、図示する骨格曲線は、文献や実験結果を参考に設定した。
(Modeling of vertical and horizontal surfaces)
Next, modeling of the vertical composition and the horizontal composition will be described.
As shown in FIG. 9, the shearing force was modeled by replacing braces with truss springs for vertical surfaces such as walls, hanging walls, and waist walls. For the restoring force characteristics, the bilinear + slip type hysteresis law shown in FIG. 10 was used.
Similarly, horizontal surfaces such as floors and roofs were modeled by replacing the braces with truss elements, and the restoring force characteristics were also based on bilinear + slip type hysteresis rules. The illustrated skeleton curve was set with reference to literature and experimental results.

(筋違のモデル化)
次に、筋違のモデル化について説明する。
図11に示すように、筋違部材は、1本の筋違に対して圧縮と引張の2本のトラス要素を配置することでモデル化を行った。圧縮筋違のバネは引張り方向の力には作用せず、引張筋違のバネは圧縮方向のバネには作用しないように設定することにより、筋違耐力壁の非対称な水平復元力を表現している。また、圧縮筋違は、フレームとの接合点を横架材に設定することで、圧縮筋違による梁・桁の突き上げ挙動をモデル化した。なお、復元力特性は、構面のバネと同様にバイリニア+スリップ型の履歴則を採用した(図10参照)。
(Modeling of struggles)
Next, the modeling of differences will be described.
As shown in FIG. 11, the strut member was modeled by arranging two truss elements, compression and tension, for one streak. By setting the non-compressed spring to not act on the force in the tensile direction and the non-tensioned spring to not act on the spring in the compressive direction, the asymmetric horizontal restoring force of the stiffening wall is expressed. ing. In addition, we designed the beam and girder push-up behavior due to the difference in compression by setting the joint point with the frame on the horizontal member. As the restoring force characteristic, a bilinear + slip type hysteresis law was adopted as in the case of the spring of the construction (see FIG. 10).

なお、各構成部材のモデル化にあたっては、数値積分は平均積分法とし、減衰は瞬間剛性比例型で、下り勾配では0%になるものとして設定した。   In modeling each component member, numerical integration was set to be an average integration method, attenuation was set to be an instantaneous stiffness proportional type, and 0% was set for a downward slope.

以下に、本発明の実施例に係る木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムについて図面を参照して説明する。   Below, the collapse simulation program of the wooden building which concerns on the Example of this invention is demonstrated with reference to drawings.

(計算の概要)
先ず、本発明の実施例に係るプログラムの概要について図12を用いて説明する。図12に示す計算プログラム(calc.exe)が、本発明の一実施例として例示する木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムであり、図中のgui.exeは、計算プログラムの支援ソフトであるインターフェースプログラムである。この計算プログラム(calc.exe)は、図12に示すように、後述の解析モデルファイル(test.mod)、パラメータファイル(parm.csv)、外力条件ファイル(load.csv)、計算条件ファイル(default.ini)の計4つの入力ファイル(表1参照)に保存されている情報に基づいて、規定された時間刻み(=Δt0)毎の所定の計算をコンピュータに実行させ、軌跡ファイル(out.trj)、計算結果ファイル(detaout.csv)、解析継続ファイル(cont.mod)の3つの出力ファイル(表2参照)を出力する木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムである。
(Summary of calculation)
First, an outline of a program according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The calculation program (calc.exe) shown in FIG. 12 is a wooden building collapse simulation program exemplified as an embodiment of the present invention, and gui.exe in the figure is an interface program that is support software for the calculation program. is there. As shown in FIG. 12, the calculation program (calc.exe) includes an analysis model file (test.mod), a parameter file (parm.csv), an external force condition file (load.csv), a calculation condition file (default) .ini) based on information stored in a total of four input files (see Table 1), the computer executes a predetermined calculation for each specified time step (= Δt 0 ), and a trajectory file (out. trj) is a wooden building collapse simulation program that outputs three output files (see Table 2): a calculation result file (detaout.csv) and an analysis continuation file (cont.mod).

また、インターフェースプログラム(gui.exe)は、計算プログラム(calc.exe)のインターフェースプログラムとして、入力ファイルである後述の解析モデルファイルの作成支援や解析モデルを3次元(3D)画像として可視化すること、出力ファイルである軌跡ファイルに保存された解析モデルの各要素の座標の時刻歴データをアニメーションにして可視化すること、などをコンピュータに実行させるプログラムである。   The interface program (gui.exe) is an interface program for the calculation program (calc.exe), and supports the creation of an analysis model file to be described later, which is an input file, and visualizes the analysis model as a three-dimensional (3D) image. This is a program that causes a computer to execute the visualization of the time history data of the coordinates of each element of the analysis model stored in the locus file, which is an output file, as an animation.

[解析モデルファイル]
解析モデルファイルは、図13に示すように、解析モデルの部材端部の座標などの情報が入力された軸組ファイル(frame.csv)、構面ファイル(wall.csv)、筋違ファイル(brace.csv)、重量ファイル(weight.csv)の4つのCSVファイル(カンマ区切り形式のtextファイル)からインターフェースプログラム(gui.exe)で作成されるファイルであり、解析モデルの要素、バネに関する情報が入力されたファイルである。前述のように、本発明の解析モデルは、軸組、接合部、鉛直構面、垂直構面、筋違に分けてモデル化されているので、解析モデルファイルもこれらの解析モデルと合致するように、軸組ファイル、構面ファイル、筋違ファイル、重量ファイルの4種類のフォーマットのCSVファイルから後述の各モデルの部材端部の座標などの各種情報を入力して、インターフェースプログラム(gui.exe)で解析モデルとして可視化できるようになっている。
[Analysis model file]
As shown in FIG. 13, the analysis model file includes an axis file (frame.csv), a surface file (wall.csv), a striation file (brace) to which information such as the coordinates of the end part of the analysis model is input. .csv) and weight file (weight.csv) are created by the interface program (gui.exe) from 4 CSV files (comma separated text file), and information on analysis model elements and springs is input. File. As described above, the analysis model of the present invention is modeled by dividing it into a shaft group, a joint, a vertical composition, a vertical composition, and a striation, so that the analysis model file also matches these analysis models. In the interface program (gui.exe), various information such as the coordinates of the member end of each model, which will be described later, is input from a CSV file of four types of formats, a frame file, a surface file, a striation file, and a weight file. ) Can be visualized as an analysis model.

(軸組ファイル)
軸組ファイル(frame.csv)は、図14に示すように、1行が軸組部材の1つと対応した13列からなるフォーマットのCSVファイルとなっており、解析モデルの軸組及び軸組間の接合部に関する情報が入力されるファイルである。表3に示すように、1列目は、軸組の種類を入力する部位であり、梁や桁などの横架材の場合は1、柱や束などの柱材の場合は2が入力される。2〜4列目は、軸組部材の端部1(図15参照)の絶対座標がXYZ順に入力され、5〜7列目は、軸組部材の端部2(図15参照)の絶対座標がXYZ順に入力される部位である。8列目は、軸組部材の端部1の接合部の勝ち負けが入力される部位であり、勝ちの場合は1が、負けの場合は0が入力される。端部に接合部が無い場合は、1が入力される。9列目は、8列目と同様に軸組部材の端部2の勝ち負けが入力される部位である。10列目は、軸組部材の断面の幅、11列目は、軸組部材の断面の成(せい:高さ)が入力され、12列目は、当該軸組部材のパラメータID(バネ番号)が入力され、13列目は、軸組部材の両端の接合部のパラメータIDが入力される部位である。このパラメータIDは、後述のパラメータファイルで指定したパラメータIDの番号と同一とする必要がある。また、座標の単位は全てメートルであり、芯−芯の座標で入力される。
(Axis file)
As shown in FIG. 14, the axis group file (frame.csv) is a CSV file with a format consisting of 13 columns in which one row corresponds to one of the axis group members. It is a file to which information on the joint part of is input. As shown in Table 3, the first column is a part for inputting the type of shaft set, and 1 is input for horizontal members such as beams and girders, and 2 is input for column members such as columns and bundles. The In the second to fourth columns, the absolute coordinates of the end 1 (see FIG. 15) of the shaft member are input in XYZ order, and in the fifth to seventh columns, the absolute coordinates of the end 2 (see FIG. 15) of the shaft member. Are sites that are input in XYZ order. The eighth column is a portion where the winning or losing of the joint portion of the end portion 1 of the shaft assembly member is input. When winning, 1 is input, and when losing, 0 is input. If there is no joint at the end, 1 is entered. The ninth row is a portion where the winning or losing of the end portion 2 of the shaft assembly member is inputted as in the eighth row. The tenth column is the cross-sectional width of the shaft assembly member, the eleventh column is the cross-section component (sei: height), and the twelfth column is the parameter ID (spring number) of the shaft assembly member. ) Is input, and the 13th column is a portion where the parameter IDs of the joint portions at both ends of the shaft assembly member are input. This parameter ID must be the same as the parameter ID number specified in the parameter file described later. Also, all coordinate units are meters, and are input in the core-core coordinates.

なお、部材の端部の座標が同一の場合、インターフェースプログラム(gui.exe)により解析モデルの接合部が自動で生成される。その際、「負け」となる部材は、芯−芯の座標で入力されているので相手の部材の幅の分自動でオフセットされる。また、3次元で座標入力するフォーマットであるが、Y座標(図15参照)を全て0とすることで、2次元のシミュレーションも可能である。   When the coordinates of the end portions of the members are the same, the joint portion of the analysis model is automatically generated by the interface program (gui.exe). At this time, since the member to be “losing” is input in the core-core coordinates, it is automatically offset by the width of the counterpart member. Further, although the coordinate input format is three-dimensional, two-dimensional simulation is possible by setting all the Y coordinates (see FIG. 15) to zero.

(構面ファイル)
構面ファイル(wall.csv)は、図16に示すように、1行が桟木などで囲われた各構面の1つに対応した7列からなるフォーマットのCSVファイルとなっており、解析モデルの鉛直構面及び水平構面に関する情報が入力されるファイルである。表4に示すように、1〜3列目は、各構面の端部1(図17参照)の絶対座標がXYZの順に入力され、4〜6列目は、各構面の端部2(図17参照)の絶対座標がXYZの順に入力される部位である。軸組ファイルと同様に、座標の単位は全てメートルであり、芯−芯の座標で入力される。7列目は、構面のパラメータIDが入力される部位である。このパラメータIDは、後述のパラメータファイルで指定したID番号と同一とする必要がある。
なお、構面の端部には、軸組部材の端部が必要とされ、壁に開口部が有る場合は、軸組ファイルに開口部上下の横架材(窓台、まぐさ)を追加し、垂れ壁、腰壁を構面ファイルに追加する。
(Composite file)
As shown in FIG. 16, the composition file (wall.csv) is a CSV file in a format consisting of 7 columns corresponding to one of each composition surface surrounded by piers. This is a file into which information on the vertical composition and horizontal composition of the image is input. As shown in Table 4, in the first to third columns, the absolute coordinates of the end 1 (see FIG. 17) of each composition surface are input in the order of XYZ, and in the fourth to sixth columns, the end 2 of each composition surface. This is a part where absolute coordinates (see FIG. 17) are input in the order of XYZ. As with the axis file, all coordinate units are meters and are entered in core-core coordinates. The seventh column is a region where the composition parameter ID is input. This parameter ID must be the same as the ID number specified in the parameter file described later.
In addition, the end of the frame is required at the end of the construction surface, and if there is an opening on the wall, add horizontal material (window base, lintel) above and below the opening to the axis file And add the drooping wall and the waist wall to the composition file.

(筋違ファイル)
筋違ファイル(brace.csv)は、図18に示すように、1行が筋違部材の1つに対応した7列からなるフォーマットのCSVファイルとなっており、解析モデルの圧縮筋違及び引張筋違に関する情報が入力されるファイルである。表5に示すように、1〜3列目は、筋違部材の端部1(図19参照)の絶対座標がXYZの順に入力され、4〜6列目は、筋違部材の端部2(図19参照)の絶対座標がXYZの順に入力される部位である。筋違ファイルも座標の単位は全てメートルであり、芯−芯の座標で入力される。7列目は、筋違部材のパラメータIDが入力される部位であり、このパラメータIDは、後述のパラメータファイルで指定したID番号と同一とする必要がある。
なお、筋違部材の端部にも、軸組部材の端部が必要とされ、筋違を襷掛けで入れる場合は、片筋違が別にあるものとして2行に分けて入力する。
(Different file)
As shown in FIG. 18, the striation file (brace.csv) is a CSV file with a format consisting of seven columns with one line corresponding to one of the striation members. This file is used to input information about the struggle. As shown in Table 5, in the first to third columns, the absolute coordinates of the end 1 of the strut member (see FIG. 19) are input in the order of XYZ, and in the fourth to sixth columns, the end 2 of the stagger member. This is a part where absolute coordinates (see FIG. 19) are input in the order of XYZ. The unit of coordinates of the striation file is all meters, and is input in the core-core coordinates. The seventh column is a part where the parameter ID of the muscle member is input, and this parameter ID needs to be the same as the ID number specified in the parameter file described later.
It should be noted that the end of the strut member is also required at the end of the strut member, and when struts are put on the hook, the input is divided into two lines assuming that there is a single streak.

(重量ファイル)
重量ファイル(weight.csv)は、図20、表6に示すように、1行目が、解析モデルの階数、2行目が、解析モデルの各階の高さ、3行目が、解析モデルの各層の重量、が入力される最大5列まで入力可能なフォーマットのCSVファイルとなっている。
2行目の1列目は、GL(グラウンドレベル)(図21のh0)、2列目以降は、2階床レベル(図21のh1)、3階床レベル(図示せず)・・・と順次各階の床レベルがメートル単位で入力され、最後の列には、小屋梁のレベル(図21のh2)が入力される部位となっている。
3行目は、図21に示すように、解析モデルを、各階床を中心として串団子置換した場合の等価質量がkN単位で入力される部位となっており、最初の列は1階の下半分の重量が入力され、最後の列は最上階の上半分+小屋組の重量が加算されて入力される。
なお、ここで入力された重量は、当該高さに存在する要素の数で除され、均等に分配される。
(Weight file)
In the weight file (weight.csv), as shown in FIG. 20 and Table 6, the first line is the rank of the analysis model, the second line is the height of each floor of the analysis model, and the third line is the analysis model. It is a CSV file in a format that can input up to 5 columns in which the weight of each layer is input.
The first column of the second row is GL (ground level) (h0 in FIG. 21), the second and subsequent columns are the second floor level (h1 in FIG. 21), the third floor level (not shown),... The floor level of each floor is input in units of meters, and the level of the roof beam (h2 in FIG. 21) is input in the last column.
As shown in FIG. 21, the third row is a part where the equivalent mass when the analysis model is replaced by skewered dumping centered on each floor is input in kN units, and the first column is below the first floor. Half of the weight is entered, and the last column is entered with the top half of the top floor plus the weight of the cabin set.
The weight input here is divided by the number of elements present at the height, and is distributed evenly.

以上のように、軸組ファイル(frame.csv)、構面ファイル(wall.csv)、筋違ファイル(brace.csv)、重量ファイル(weight.csv)の4つのCSVファイルを入力すると、前述のインターフェースプログラム(gui.exe)を起動して、所定の操作をすることにより、各ファイルに入力された前述の各モデルの絶対座標などの情報を読み込み、図22に示すように、自動で3D(次元)画像として表示可能となり、その解析モデルを解析モデルファイルとして保存することができるようになる。   As described above, if you input four CSV files, the axis file (frame.csv), the surface file (wall.csv), the strut file (brace.csv), and the weight file (weight.csv), By starting the interface program (gui.exe) and performing a predetermined operation, information such as the absolute coordinates of each model described above input to each file is read, and as shown in FIG. (Dimensional) images can be displayed, and the analysis model can be saved as an analysis model file.

また、本実施例に係るインターフェースプログラム(gui.exe)では、マウス、Ctrlボタン、画面上のボタンなどを操作することにより、確認画面で視覚的に解析モデルを確認することができるだけでなく(図22参照)、図23に示すように、解析モデルの外観、壁の透過率、光源の位置、地盤のメッシュの数(図22参照)、相対位置表示等が変更可能なようにプログラミングされている。   In addition, the interface program (gui.exe) according to the present embodiment can not only visually check the analysis model on the confirmation screen by operating the mouse, the Ctrl button, the button on the screen, etc. 23), as shown in FIG. 23, the appearance of the analysis model, the wall transmittance, the position of the light source, the number of ground meshes (see FIG. 22), the relative position display, etc. are programmed to be changeable. .

[パラメータファイル]
次に、パラメータファイルについて説明する。
パラメータファイル(parm.csv)は、図24に示すように、1行が解析モデルでモデル化する際に置き換えるバネの1つと対応するCSVファイルとなっており、1列目には、置き換えるバネ毎(例えば、異なる仕様の壁が混在する場合は仕様毎)にパラメータIDが割り振られる。そして、2列目には、前述のモデル化手法に従って、表7に示すように、各部材や接合部などのモデル化するバネの種類に応じて1〜7の数値が入力され、3列目以降には、2列目に入力されたバネの種類に応じて異なる各種パラメータが複数列に亘って入力されるフォーマットとなっている。
以下、バネの種類毎に、入力するパラメータについて説明する。
[Parameter file]
Next, the parameter file will be described.
As shown in FIG. 24, the parameter file (parm.csv) is a CSV file corresponding to one of the springs to be replaced when one line is modeled with the analysis model. A parameter ID is assigned to each wall (for example, for each specification when walls with different specifications coexist). Then, in the second column, according to the modeling method described above, as shown in Table 7, numerical values of 1 to 7 are input according to the types of springs to be modeled such as members and joints. Thereafter, the format is such that various parameters that differ according to the type of spring input in the second column are input over a plurality of columns.
Hereinafter, parameters to be input for each type of spring will be described.

(軸組部材のバネの設定)
バネの種類が軸組バネである場合、即ち、パラメータファイルに柱、束、梁、桁、窓台、まぐさなどの軸組部材のパラメータを入力する場合は、図25、表8に示すように、2列目には、軸組バネを表わす1が入力される。そして、軸組部材は、前述のように、弾塑性回転バネ(塑性ヒンジ)+弾性梁要素によりモデル化されるので、バネのパラメータとして、3列目には、軸組部材のヤング係数(縦弾性係数)[kN/m2=10-6GPa]が入力され、4、5列目には、軸組部材の断面2次モーメント[m4]が(例えば、軸組部材が梁である場合は、幅、成の順番で)入力され、6、7列目には、最大曲げモーメント「kNm」(図5のMp)が入力され、8列目には、軸組部材の断面積[m2]が入力されるフォーマットとなっている(表8も参照)。
(Spring setting of shaft assembly member)
When the type of spring is a frame spring, that is, when parameters of a frame member such as columns, bundles, beams, girders, windows, and lintels are input to the parameter file, as shown in FIG. In the second column, 1 representing the shaft spring is input. Since the shaft assembly member is modeled by an elastic-plastic rotation spring (plastic hinge) + elastic beam element as described above, the Young's modulus (vertical length) of the shaft assembly member is set as the spring parameter in the third row. Elastic modulus) [kN / m 2 = 10 −6 GPa] is input, and in the fourth and fifth columns, the cross-sectional secondary moment [m 4 ] of the shaft assembly member (for example, the shaft assembly member is a beam) Are input in the order of width and width, the maximum bending moment “kNm” (Mp in FIG. 5) is input in the sixth and seventh columns, and the cross-sectional area [m 2 ] is input (see also Table 8).

(接合部のバネの設定)
バネの種類が接合部バネである場合、即ち、パラメータファイルに接合部のパラメータを入力する場合は、前述のように、接合部は、弾塑性回転バネ+弾塑性バネ(せん断に対しては剛)(=接合部バネ)でモデル化されるので、接合部バネと、回転バネとに分けて入力される。
(Joint spring setting)
When the type of spring is a joint spring, that is, when the parameter of the joint is input to the parameter file, as described above, the joint is composed of an elasto-plastic rotating spring + an elasto-plastic spring (which is rigid against shearing). ) (= Joint Spring), the input is divided into the joint spring and the rotary spring.

接合部の弾塑性バネのパラメータは、図26、表9に示すように、2列目には、接合部の接合部バネを表わす2が入力され、3〜5列目には、図7で示した復元力特性の1〜3次剛性[kN/m]が入力され、6,7列目には、その骨格曲線の変曲点D1,D2[m]が入力される(図7参照)。 As shown in FIG. 26 and Table 9, the parameters of the elasto-plastic springs of the joints are input 2 in the second column, which represents the joint springs of the joints, and in the third to fifth columns, FIG. The first to third stiffnesses [kN / m] of the restoring force characteristics shown are input, and the inflection points D 1 and D 2 [m] of the skeleton curve are input in the sixth and seventh columns (FIG. 7). reference).

接合部の回転バネのパラメータは、図27、表10に示すように、2列目には、接合部の回転バネを表わす3が入力され、3〜5列目には、図8で示した復元力特性の1〜3次剛性[kN/m]が入力され、6,7列目には、その骨格曲線の変曲点D1,D2[m]が入力される(図8参照)。 As shown in FIG. 27 and Table 10, the parameter of the rotational spring of the joint is input as 3 representing the rotational spring of the joint in the second row, and FIG. 8 shows the third through fifth rows. The first to third stiffness [kN / m] of the restoring force characteristic is input, and the inflection points D 1 and D 2 [m] of the skeleton curve are input to the sixth and seventh columns (see FIG. 8). .

(構面のバネの設定)
バネの種類が構面バネである場合、即ち、パラメータファイルに鉛直構面又は水平構面のパラメータを入力する場合は、2列目には、構面バネを表わす5が入力される。鉛直構面又は水平構面は、前述のように、トラス要素でブレース置換することでモデル化されるので、図28、表11に示すように、3〜6列目には、図10で示した復元力特性の折れ点の荷重P1〜P4[kN]が入力され、7〜10列目には、復元力特性の折れ点の変位D1〜D4[m]が入力され、11列目には、バネの減衰定数が入力される。
(Set surface spring)
When the type of spring is a composition spring, that is, when a vertical composition or horizontal composition parameter is input to the parameter file, 5 representing the composition spring is input in the second column. As described above, the vertical or horizontal surface is modeled by replacing the brace with a truss element. As shown in FIG. 28 and Table 11, the third to sixth columns are shown in FIG. The load P 1 to P 4 [kN] at the break point of the restoring force characteristic is input, and the displacement D 1 to D 4 [m] of the break point of the restoring force characteristic is input to the 7th to 10th columns. In the column, a spring damping constant is input.

この構面バネのパラメータ情報は、2本のブレース置換バネに自動的に寸法、角度補正して計算に用いられるので、実験結果などから1P(0.91m)×3P(2.73m)の寸法の構面の荷重変形関係(図10で示したバイリニア+スリップ型の復元力特性)を求めて前記荷重P1〜P4、変位D1〜D4などの入力値をパラメータとして入力する。 Since the parameter information of this surface spring is automatically used for calculation after correcting the dimensions and angles of the two brace replacement springs, the structure of the dimensions of 1P (0.91m) x 3P (2.73m) is obtained from the experimental results. The surface load deformation relationship (bilinear + slip type restoring force characteristics shown in FIG. 10) is obtained, and input values such as the loads P 1 to P 4 and displacements D 1 to D 4 are input as parameters.

(筋違のバネの設定)
バネの種類が筋違バネである場合、即ち、パラメータファイルに筋違部材のパラメータを入力する場合は、筋違バネは、前述のように、圧縮筋違のバネは引張り方向の力には作用せず、引張筋違のバネは圧縮方向のバネには作用しないものとして、1本の筋違に対して圧縮と引張の2本のトラス要素を配置することでモデル化を行うので、1つの筋違部材を引張筋違バネ、圧縮筋違バネに分けて入力する。また、引張筋違と圧縮筋違は、一対で1つの筋違をモデル化しているため、パラメータIDは、引張筋違のID(例:601)+100が圧縮筋違のID(例:701)となるように割り振る必要がある。
(Setting the wrong spring)
When the type of spring is a staggered spring, that is, when a staggered member parameter is input to the parameter file, the staggered spring acts on the force in the tensile direction as described above. Since the model does not act on the spring in the compression direction, it is modeled by arranging two truss elements for compression and tension for one strut. Input the stiffeners by dividing them into tension stiffeners and compression stiffeners. In addition, since the tensile muscle difference and the compression muscle difference are modeled as a pair of one muscle difference, the parameter ID is the ID of the tensile muscle difference (example: 601) +100 is the ID of the compression muscle difference (example: 701). Need to be allocated.

パラメータファイルに引張筋違バネのパラメータを入力する場合は、2列目には、引張筋違を表わす6が入力され、圧縮筋違バネのパラメータを入力する場合は、2列目には、圧縮筋違を表わす7が入力される。   When inputting the parameter of the tension bar in the parameter file, 6 representing the tension bar is input in the second column, and when the parameter of the compression bar is input, the compression is in the second column. 7 representing a struggle is input.

そして、筋違バネは、図29、表12に示すように、構面バネと同様にトラス要素でブレース置換することでモデル化されるので、3〜6列目には、図10で示した復元力特性の折れ点の荷重P1〜P4[kN]が入力され、7〜10列目には、復元力特性の折れ点の変位D1〜D4[m]が入力され、11列目には、バネの減衰定数が入力される。
なお、筋違バネも構面バネと同様、実験結果などから1P(0.91m)×3P(2.73m)の寸法の筋違構面の荷重変形関係(図10で示したバイリニア+スリップ型の復元力特性)を求めてパラメータとして入力する。
Then, as shown in FIG. 29 and Table 12, the stirrup spring is modeled by replacing the brace with a truss element in the same manner as the surface spring, so the third to sixth columns are shown in FIG. Restoring force characteristic break point loads P 1 to P 4 [kN] are input, and in the seventh to tenth columns, restoring force characteristic bending point displacements D 1 to D 4 [m] are input, and eleventh column. The eye receives the spring damping constant.
Similar to the surface spring, the muscle deformation spring is based on the experimental results, etc., and the load deformation relationship of the muscle irregular surface with dimensions of 1P (0.91m) x 3P (2.73m) (bilinear + slip type restoration shown in Fig. 10). Force characteristics) and input as parameters.

[外力条件ファイル]
次に、外力条件ファイルについて説明する。
本実施例に係る計算プログラム(calc.exe)は、「地震波入力」、「プッシュオーバー解析1」、「プッシュオーバー解析2」の解析モデルへの地震力の掛け方が相違する3つのモードが実行可能にプログラミングされている。この「地震波入力」のモードは、図30(a)に示した通り、地盤レベルの要素全てに強制外乱入力を行うモードであり、「プッシュオーバー解析1」のモードは、図30(b)に示した通り、地盤レベルの要素を固定して解析モデルのある高さの要素全てを水平方向に強制変位を与えるモードであり、「プッシュオーバー解析2」のモードは、図30(c)に示した通り、地盤レベルの要素を固定して解析モデルの全てに水平方向の重力加速度を掛けるモードである。
[External force condition file]
Next, the external force condition file will be described.
The calculation program (calc.exe) according to the present embodiment executes three modes in which the seismic force is applied to the analysis models of “seismic wave input”, “pushover analysis 1”, and “pushover analysis 2”. It is programmed as possible. This “seismic wave input” mode is a mode in which forced disturbance input is applied to all ground level elements as shown in FIG. 30 (a), and the “pushover analysis 1” mode is shown in FIG. 30 (b). As shown, this is a mode in which ground level elements are fixed and all elements at a certain height of the analysis model are forced to be displaced in the horizontal direction. The “pushover analysis 2” mode is shown in FIG. As described above, this is a mode in which the ground level elements are fixed and the gravity acceleration in the horizontal direction is applied to all the analysis models.

これらのモードに対応するため、外力条件ファイル(load.csv)には、前記3つのモードを実行する際に読み込む地震波等の外力の情報を入力する「地震波入力」、「プッシュオーバー解析1」、「プッシュオーバー解析2」のCSVファイルから入力する3つの入力フォーマットがある。
「地震波入力」のフォーマットは、図31に示すように、1行目がX方向の地震波、2行目がY方向の地震波、3行目がZ方向の地震波をそれぞれ入力する部位であり、表13に示すように、1列目には、入力フォーマットを選択するための各モードに応じた数値が入力される部位となっている。「地震波入力」の場合は1が、「プッシュオーバー解析1」の場合は2が、「プッシュオーバー解析2」の場合は3が入力され、「固定」の場合は、0が入力される。なお、この「固定」のモードは、地震力を掛けないモードである。
In order to support these modes, the external force condition file (load.csv) inputs information on external forces such as seismic waves to be read when executing the three modes, “seismic wave input”, “pushover analysis 1”, There are three input formats to be input from the “pushover analysis 2” CSV file.
As shown in FIG. 31, the format of “seismic wave input” is a part for inputting an earthquake wave in the X direction on the first line, an earthquake wave in the Y direction on the second line, and an earthquake wave in the Z direction on the third line. As shown in FIG. 13, the first column is a part where a numerical value corresponding to each mode for selecting an input format is input. 1 is input in the case of “seismic wave input”, 2 is input in the case of “pushover analysis 1”, 3 is input in the case of “pushover analysis 2”, and 0 is input in the case of “fixed”. The “fixed” mode is a mode in which no seismic force is applied.

2列目には、入力地震波の時刻歴ファイル(変位変形の時刻歴が1列に入力されたファイル)の名前が入力され、3列目には、2列目に入力した地震波の時刻歴ファイルの周波数が[Hz]単位で入力され、4列目には、地震波の時刻歴ファイルに入力されている数値の単位が[m]に対する倍率で入力される。例えば、[cm]の場合は0.01、[mm]の場合は0.001、[m]の場合は1.0が入力される。
そして、5列目は、地震波を増幅させる際の倍率である入力倍率が入力される部位であり、ここにマイナスを指定して入力すると正負逆方向(逆位相)の外乱入力となる。
In the second column, the name of the time history file of the input seismic wave (the file in which the time history of displacement deformation is input in the first column) is input, and in the third column, the time history file of the seismic wave input in the second column Are input in units of [Hz], and in the fourth column, the units of numerical values input in the seismic time history file are input at a magnification relative to [m]. For example, 0.01 is input for [cm], 0.001 for [mm], and 1.0 for [m].
The fifth column is a portion to which an input magnification, which is a magnification for amplifying the seismic wave, is input. If a negative value is specified and input here, a disturbance input in the positive / negative reverse direction (reverse phase) is obtained.

「プッシュオーバー解析1」のフォーマットは、図32に示すように、1行目がX方向の加力、2行目がY方向の加力、3行目がZ方向の加力をそれぞれ入力する部位であり、表14に示すように、1列目には、「地震波入力」のフォーマットと同様に、入力フォーマットを選択するための各モードに応じた数値が入力される部位となっており、「プッシュオーバー解析1」を選択する2が入力される。   In the format of “Pushover Analysis 1”, as shown in FIG. 32, the first line inputs the X direction force, the second line the Y direction force, and the third line the Z direction force. As shown in Table 14, in the first column, as in the “seismic wave input” format, a numerical value corresponding to each mode for selecting an input format is input in the first column. 2 for selecting “pushover analysis 1” is input.

そして、2、3列目は、空欄とされ、4列目には、加力点の高さが[m]単位で入力され、5列目には、強制変位のスピードである加力速度が[m/sec]の単位で入力される。ここにマイナスを指定して入力すると正負逆方向の加力となる。   The second and third columns are blank. In the fourth column, the height of the applied point is input in units of [m]. In the fifth column, the applied force speed, which is the speed of forced displacement, is [ m / sec]. If you enter a negative value here, the force will be applied in the opposite direction.

「プッシュオーバー解析2」のフォーマットも、「プッシュオーバー解析1」と同様に図33に示すように、1行目がX方向の加力、2行目がY方向の加力、3行目がZ方向の加力をそれぞれ入力する部位であり、表15に示すように、1列目には、「プッシュオーバー解析2」を選択する3が入力され、2〜4列目は、空欄とされ、5列目には、加力点の高さが[m]単位で入力され、5列目には、解析モデルに加える水平力の加速度が[G]の単位で入力される。ここに入力する値は、解析モデルに加える水平力の大きさを、0[G]から徐々に増して行って1秒後に達する値が重力加速度1[G]の何倍になるかで指定するものであり、マイナスを指定して入力すると正負逆方向の加力となる。   The format of “pushover analysis 2” is the same as that of “pushover analysis 1”, as shown in FIG. 33, the first line is the X direction force, the second line is the Y direction force, and the third line is Each of the Z-direction force inputs is input. As shown in Table 15, 3 for selecting “pushover analysis 2” is input in the first column, and the second to fourth columns are blank. In the fifth column, the height of the applied point is input in units of [m], and in the fifth column, the acceleration of the horizontal force applied to the analysis model is input in units of [G]. The value to be input here is specified by the number of times the value of the gravitational acceleration 1 [G] that is reached after 1 second after gradually increasing the magnitude of the horizontal force applied to the analysis model from 0 [G]. If you specify a minus and enter it, the force will be applied in the opposite direction.

[計算条件ファイル]
次に、計算条件ファイルについて説明する。
計算条件ファイル(default.ini)は、図34に示すように、2行からなるCSVのファイルのフォーマットから入力されるファイルであり、1行目には、計算条件の情報が保存され、2行目には、前述のインターフェースプログラム(gui.exe)で解析モデルを見る際の視点の情報が保存されたファイルである。この計算条件ファイルは、計算条件の情報や視点の情報が予め設定されて保存されており、ユーザがエディタやメモ帳などのtextファイルを編集できるソフトを使って、必要な個所を編集・修正することで使用する。
[Calculation condition file]
Next, the calculation condition file will be described.
As shown in FIG. 34, the calculation condition file (default.ini) is a file input from the CSV file format consisting of two lines. The first line stores information on the calculation conditions. The eye is a file in which information on the viewpoint when the analysis model is viewed with the interface program (gui.exe) described above is stored. In this calculation condition file, calculation condition information and viewpoint information are set and stored in advance, and a user can edit and correct necessary portions by using software that can edit a text file such as an editor or notepad. Use it.

このCSVのファイルの1列目には、表16に示すように、本実施例に係る計算プログラム(calc.exe)で計算する計算回数が保存されており、2列目には、計算の際にインクリメントで増やす時間刻み(=Δt0)が保存されている。この計算回数×時間のインクリメント値(Δt0)が時刻歴応答解析を行う時刻である規定時間Tとなる(図35参照)。
また、3列目には、出力の頻度、即ち、計算結果を出力する頻度が保存されている。例えば、ここで10000と指定すると、10000回計算する毎に1回、動画用のスナップショットが出力ファイルである後述の軌跡ファイル(out.trj)に記録され、その1/10の1000回に1回、分析用の荷重・変形情報などが出力ファイルである後述の計算結果ファイル(dataout.csv)に時刻歴データとして記録される。
In the first column of the CSV file, as shown in Table 16, the number of calculations performed by the calculation program (calc.exe) according to the present embodiment is stored. The time increment (= Δt 0 ) that is incremented is stored. The increment value (Δt 0 ) of the number of times of calculation × time is a specified time T that is a time when the time history response analysis is performed (see FIG. 35).
The third column stores the frequency of output, that is, the frequency of outputting the calculation result. For example, if 10000 is specified here, a snapshot for a moving image is recorded in a later-described trajectory file (out.trj), which is an output file, every time 10000 times are calculated, and 1 in 1000 times that of 1/10. Times, analysis load / deformation information, etc. are recorded as time history data in a calculation result file (dataout.csv) described later, which is an output file.

[計算の主要部の流れ]
次に、図35を用いて計算プログラム(calc.exe)の主要な計算の流れを説明する。
計算が開始されると、先ず、前述の入力ファイル〔解析モデルファイル(test.mod)、パラメータファイル(parm.csv)、外力条件ファイル(load.csv)、計算条件ファイル(default.ini)〕から必要な情報を読み込み(ステップ1)、解析モデルの初期値をセットする(ステップ2)。そして、時刻tにt=0(ステップ3)、バネ番号i(パラメータID)に最小値(図示実施例の場合i=1)を代入し(ステップ4)、外力条件ファイルで指定したモード及び計算条件に従って時刻tにおける外力を解析モデルに入力して計算を開始する(ステップ5)。
[Main flow of calculation]
Next, the main calculation flow of the calculation program (calc.exe) will be described with reference to FIG.
When the calculation starts, first, from the above input file [analysis model file (test.mod), parameter file (parm.csv), external force condition file (load.csv), calculation condition file (default.ini)] Necessary information is read (step 1), and an initial value of the analysis model is set (step 2). Then, at time t, t = 0 (step 3), and the minimum value (i = 1 in the illustrated embodiment) is substituted into the spring number i (parameter ID) (step 4), and the mode and calculation specified in the external force condition file The external force at time t is input to the analysis model according to the conditions, and calculation is started (step 5).

次に、ステップ6に進み、バネ番号iのバネは、バネの種類が軸組バネであるか否かが判断される。具体的には、前述のパラメータファイルの1列目がiのバネは、同行の2列目の数値が1か否かで判断され、1である場合は、ステップ7に進み、そうでない場合は、ステップ9に進む。ステップ7では、パラメータファイルの同行の3列目以降に記録されたパラメータ情報から軸組バネであるバネiの前述の式4で示した要素剛性マトリックス[ Ki ]tを決定して(ステップ7)、前述の式4、式5に基づきバネiに作用する応力ベクトル[ Fi ]tを算出する(ステップ8)。
なお、バネの種類が軸組バネである場合の要素剛性マトリックス[ Ki ]は下記式となる。
Next, the process proceeds to step 6 where it is determined whether or not the spring of the spring number i is a shaft assembly spring. Specifically, the i-th spring in the first column of the parameter file is determined based on whether the value in the second column of the same row is 1, and if it is 1, the process proceeds to step 7; , Go to Step 9. In step 7, the element stiffness matrix [Ki] t shown in the above-described equation 4 of the spring i which is a frame spring is determined from the parameter information recorded in the third column and thereafter in the parameter file (step 7). Then, the stress vector [F i ] t acting on the spring i is calculated based on the above formulas 4 and 5 (step 8).
The element stiffness matrix [Ki] when the type of spring is a shaft spring is expressed by the following equation.

バネiが軸組バネでなくステップ9に進んだ場合は、同様にパラメータファイルの2列目の数値が2か否かでバネiが接合部バネか否かが判断され、2である場合は、ステップ10に進み、そうでない場合は、ステップ12に進む。ステップ10では、パラメータファイルの同行の3列目以降に記録されたパラメータ情報から接合部バネ(圧縮・引張の弾塑性バネ)であるバネiの要素剛性マトリックス[ Ki ]tを決定して(ステップ10)、前述の式4、式5に基づき、バネiに作用する応力ベクトル[ Fi ]tを算出する(ステップ11)。
なお、バネの種類が接合部バネである場合の要素剛性マトリックス[ Ki ]は下記式となる。
If the spring i is not a shaft assembly spring and the process proceeds to step 9, it is determined whether the spring i is a joint spring based on whether the value in the second column of the parameter file is 2 or not. , Go to step 10, otherwise go to step 12. In step 10, the element stiffness matrix [Ki] t of the spring i which is a joint spring (compression spring / compression elastic-plastic spring) is determined from the parameter information recorded in the third and subsequent columns of the parameter file (step 10). 10) The stress vector [F i ] t acting on the spring i is calculated based on the above-described equations 4 and 5 (step 11).
The element stiffness matrix [Ki] when the type of spring is a joint spring is expressed by the following equation.

バネiが接合部バネでもなくステップ12に進んだ場合は、同様にパラメータファイルの2列目の数値が3か否かでバネiが回転バネか否かが判断され、3である場合は、ステップ13に進み、そうでない場合は、ステップ15に進む。ステップ13では、パラメータファイルの同行の3列目以降に記録されたパラメータ情報から回転バネであるバネiの要素剛性マトリックス[ Ki ]tを決定して(ステップ13)、前述の式4、式5に基づき、バネiに作用する応力ベクトル[ Fi ]tを算出する(ステップ14)。
なお、バネの種類が回転バネである場合の要素剛性マトリックス[ Ki ]は下記式となる。
If the spring i is not a joint spring and the process proceeds to step 12, it is determined whether the spring i is a rotary spring based on whether the value in the second row of the parameter file is 3, and if it is 3, Proceed to step 13, otherwise proceed to step 15. In step 13, the element stiffness matrix [Ki] t of the spring i, which is a rotary spring, is determined from the parameter information recorded in the third and subsequent columns of the parameter file (step 13). Based on the above, a stress vector [F i ] t acting on the spring i is calculated (step 14).
The element stiffness matrix [Ki] when the type of spring is a rotary spring is expressed by the following equation.

バネiが回転バネでもなくステップ15に進んだ場合は、同様にパラメータファイルの2列目の数値が4か否かでバネiが構面バネか否かが判断され、4である場合は、ステップ16に進み、そうでない場合は、ステップ18に進む。ステップ16では、パラメータファイルの同行の3列目以降に記録されたパラメータ情報から構面バネであるバネiの要素剛性マトリックス[ Ki ]tを決定して(ステップ16)、前述の式4、式5に基づき、バネiに作用する応力ベクトル[ Fi ]tを算出する(ステップ17)。
なお、バネの種類が構面バネである場合の要素剛性マトリックス[ Ki ]は下記式となる。
If the spring i is not a rotary spring and the process proceeds to step 15, it is determined whether the spring i is a surface spring by determining whether the value in the second column of the parameter file is 4 or not. Proceed to step 16, otherwise proceed to step 18. In step 16, the element stiffness matrix [Ki] t of the spring i, which is a surface spring, is determined from the parameter information recorded in the third and subsequent columns of the parameter file (step 16). Based on 5, a stress vector [F i ] t acting on the spring i is calculated (step 17).
The element stiffness matrix [Ki] when the type of spring is a surface spring is expressed by the following equation.

バネiが構面バネでもなくステップ18に進んだ場合は、同様にパラメータファイルの2列目の数値が5か否かでバネiが圧縮筋違バネか否かが判断され、5である場合は、ステップ19に進み、そうでない場合は、ステップ21に進む。ステップ19では、パラメータファイルの同行の3列目以降に記録されたパラメータ情報から圧縮筋違バネであるバネiの要素剛性マトリックス[ Ki ]tを決定して(ステップ19)、前述の式4、式5に基づき、バネiに作用する応力ベクトル[ Fi ]tを算出する(ステップ20)。
なお、バネが圧縮筋違バネである場合の要素剛性マトリックス[ Ki ]は前記構面バネと同じ式となる。但し、圧縮筋違バネであるバネiは引張り方向の力には作用しないものとして応力ベクトル[ Fi ]tを算出する。
If the spring i is not a surface spring and the process proceeds to step 18, it is similarly determined whether the spring i is a compression spring or not according to whether the value in the second column of the parameter file is 5 or not. Proceeds to step 19, otherwise proceeds to step 21. In step 19, the element stiffness matrix [Ki] t of the spring i which is a compression stirrup spring is determined from the parameter information recorded in the third and subsequent columns of the parameter file (step 19). Based on Equation 5, a stress vector [F i ] t acting on the spring i is calculated (step 20).
The element stiffness matrix [Ki] when the spring is a compression spring is the same as that of the surface spring. However, the stress vector [F i ] t is calculated on the assumption that the spring i, which is a compression spring, does not act on the force in the tension direction.

ステップ21に進んだ場合は、自動的にバネiが引張筋違バネとなるので、引張筋違バネであるバネiの要素剛性マトリックス[ Ki ]tを決定して(ステップ21)、前述の式4、式5に基づき、バネiは圧縮方向には作用しないものとしてバネiに作用する応力ベクトル[ Fi ]tを算出する(ステップ22)。 When the process proceeds to step 21, the spring i automatically becomes a tension spring, so the element stiffness matrix [Ki] t of the spring i which is the tension spring is determined (step 21), and the above-described formula 4. Based on Equation 5, the stress vector [F i ] t acting on the spring i is calculated assuming that the spring i does not act in the compression direction (step 22).

以上のように、バネiに作用する応力ベクトル[ Fi ]tを算出すると、ステップ23に進み、バネ番号iがパラメータIDの最大値imaxに達したか否かが判断されて、バネ番号iがまだ最大値imaxに達していない場合は、ステップ24でバネ番号iを1つインクリメントしてステップ6に戻り、次のバネi+1の応力ベクトルを算出する。 As described above, when the stress vector [F i ] t acting on the spring i is calculated, the process proceeds to step 23 where it is determined whether or not the spring number i has reached the maximum value i max of the parameter ID. If i has not yet reached the maximum value i max , the spring number i is incremented by 1 in step 24 and the process returns to step 6 to calculate the stress vector of the next spring i + 1.

そして、全てのバネについて応力ベクトルを求めたらステップ23でバネ番号iがパラメータIDの最大値imaxに達したものと判断されて、ステップ25に進み、節点Aについての応力ベクトルの算出を開始する。ステップ25では、節点番号Aに節点番号の最小値(図示の場合は1)が代入され、前述の式6に示したように、ある節点Aに接続されている全てのバネに作用する応力ベクトルを加算することで節点Aに作用する応力ベクトル[ FA ]tを算出する(ステップ26)。
なお、節点番号は、解析データファイルの情報から前述のインターフェースプログラムにより自動的に付与される番号である。
When the stress vectors are obtained for all the springs, it is determined in step 23 that the spring number i has reached the maximum value i max of the parameter ID, the process proceeds to step 25, and the calculation of the stress vector for the node A is started. . In step 25, the minimum value of the node number (1 in the case of illustration) is substituted for the node number A, and the stress vector acting on all the springs connected to a certain node A as shown in Equation 6 above. Is added to calculate the stress vector [F A ] t acting on the node A (step 26).
The node number is a number automatically assigned by the above-described interface program from the information in the analysis data file.

そして、前述の式7に示したように、算出された節点Aの応力ベクトルをNewmarkのβ法(平均加速度法 β=1/4)によって数値積分を行い、時刻tにおける加速度[ aA ]t、速度[ vA ]t、変位増分[ΔDA ]tをそれぞれ算出する(ステップ27〜29)。これらの各計算値を算出すると、ステップ30に進み、節点番号Aが最大値Amaxに達したか否かが判断されて、節点番号Aがまだ最大値Amaxに達していない場合は、ステップ31で節点番号Aを1つインクリメントしてステップ26に戻り、次の節点A+1の応力ベクトルなどの前記各計算値の算出を節点番号Aが最大値Amaxに達するまで繰り返す。 Then, as shown in Equation 7 above, the calculated stress vector of the node A is numerically integrated by Newmark's β method (average acceleration method β = 1/4), and the acceleration [a A ] t at time t is calculated. , Speed [v A ] t and displacement increment [ΔD A ] t are calculated (steps 27 to 29). After calculating each of these calculated values, the flow proceeds to step 30, if the node numbers A is determined whether reaches the maximum value A max, node number A has not yet reached the maximum value A max, the step At 31, the node number A is incremented by one and the process returns to step 26, and the calculation of the calculated values such as the stress vector of the next node A + 1 is repeated until the node number A reaches the maximum value Amax .

以上のように、全ての節点について前記計算が終了すると、ステップ30で節点番号Aが最大値Amaxに達したものと判断されてステップ32に進み、時刻tが規定時間Tに達したか否かが判断され、規定時間Tに達していない場合は、ステップ33で時刻tを計算条件ファイルの2列目に規定された時間刻みΔt0だけインクリメントしてステップ5に戻り、次の時刻t+Δt0のときの外力を解析モデルに入力して前述の計算を繰り返す。そして、時刻tが規定時間Tに達した場合は、前述の各計算値から所定の計算により[基礎反力]、「各階水平力」、「地盤絶対変位」、「各階特定点の絶対変位」を求めて出力ファイルとして後述の軌跡ファイル(out.trj)、計算結果ファイル(dataout.csv)に時刻歴データとして前記計算結果を出力して保存し(ステップ34)、計算を終了する。
なお、この規定時間Tは、前述の計算条件ファイルに入力された計算回数×時間のインクリメント値(Δt0)で規定される。
As described above, when the calculation is completed for all the nodes, it is determined in step 30 that the node number A has reached the maximum value A max and the process proceeds to step 32, and whether or not the time t has reached the specified time T. If the specified time T has not been reached, the time t is incremented by the time increment Δt 0 specified in the second column of the calculation condition file in step 33 and the process returns to step 5 to the next time t + Δt 0. Input the external force at the time to the analysis model and repeat the above calculation. When the time t reaches the specified time T, the [basic reaction force], “horizontal force on each floor”, “absolute ground displacement”, and “absolute displacement at each floor specific point” are calculated from the calculated values described above. The calculation result is output and saved as time history data in a later-described trajectory file (out.trj) and calculation result file (dataout.csv) as an output file (step 34), and the calculation is terminated.
The specified time T is specified by the number of calculations input to the above-described calculation condition file × time increment value (Δt 0 ).

[出力ファイル]
次に、出力ファイルについて説明する。
前述のように、本実施例に係る計算プログラムは、出力ファイルとして軌跡ファイル(out.trj)、計算結果ファイル(detaout.csv)、解析継続ファイル(cont.mod)の3つファイル(表2参照)に計算結果等を出力する(図12、表2参照)。
[Output file]
Next, the output file will be described.
As described above, the calculation program according to the present embodiment has three files (refer to Table 2): a trajectory file (out.trj), a calculation result file (detaout.csv), and an analysis continuation file (cont.mod) as output files. The calculation result and the like are output to (see FIG. 12, Table 2).

(軌跡ファイル)
軌跡ファイル(out.trj)は、解析モデルの各要素(部材や接合部)の座標の時刻歴データが本実施例に係る計算プログラムから出力されて保存されているファイルであり、前述のインターフェースプログラムで閲覧するためのファイルである。
(Track file)
The trajectory file (out.trj) is a file in which the time history data of the coordinates of each element (member or joint) of the analysis model is output and saved from the calculation program according to the present embodiment. It is a file for browsing with.

(計算結果ファイル)
計算結果ファイル(detaout.csv)は、[基礎反力]、「各階水平力」、「地盤絶対変位」、「各階絶対変位」の順番で数値が並んだCSVファイルであり、周期は前述の計算条件ファイル(default.ini)で指定した[計算回数×時間のインクリメント値(Δt0)]の逆数となっている。この「各階絶対変位」は、解析モデルの各階床の四隅の絶対変位が時刻歴で記録されている。
なお、1階層せん断力(ベースシア:base shearing force)=基礎反力、所定階iの層せん断力=i階以上の階の水平力の和、i階の相関変位=(i+1階の絶対変位)−(i階の絶対変位)として求めた。
(Calculation result file)
The calculation result file (detaout.csv) is a CSV file in which numerical values are arranged in the order of [basic reaction force], “horizontal force on each floor”, “absolute displacement on the ground”, and “absolute displacement on each floor”, and the cycle is calculated as described above. This is the reciprocal of [number of calculations × time increment value (Δt 0 )] specified in the condition file (default.ini). In this “absolute displacement on each floor”, absolute displacements at the four corners of each floor of the analysis model are recorded as time histories.
1st floor shearing force (base shear: base shearing force), floor shearing force of predetermined floor i = sum of horizontal forces of floors above i floor, correlation displacement of floor i = (absolute displacement of floor i + 1) -Calculated as (absolute displacement of the i-th floor).

(解析継続ファイル)
解析継続ファイル(cont.mod)は、入力ファイルの解析モデルファイルに対応して、計算後の解析モデルの要素、バネに関する情報が入力されたファイルであり、このファイルを入力ファイルとして本実施例に係る計算プログラムでコンピュータに入力して再計算すると連続した倒壊シミュレーションが可能となる。
(Analysis continuation file)
The analysis continuation file (cont.mod) is a file in which information about the elements and springs of the analysis model after calculation is input corresponding to the analysis model file of the input file, and this file is used as an input file in this embodiment. If the calculation program is input to the computer and recalculated, continuous collapse simulation is possible.

以上のように、実施例に係る計算プログラム(calc.exe)によれば、軸組構法により建造された木造建築物を軸組の弾塑性バネ、接合部の弾塑性バネ、接合部の弾塑性回転バネ、鉛直構面及び水平構面のトラスバネ、圧縮筋違バネ、引張筋違バネに分けてモデル化して、これらのバネの種類に応じたパラメータ情報を予め入力しておいて、これらのパラメータ情報を用いて要素剛性マトリックスを決定して、バネに作用する応力ベクトルを算出するので、変形が進行した状態から倒壊に至るまでの軸組構法により建造された木造建築物の挙動を地震時の実際の建築物の挙動と一致するように精度よく計算・シミュレートすることができる。このため、地震時における木造建築物の倒壊に至るまでの時刻歴応答解析を地震時の実際の挙動と一致するよう高精度に行うことができる。   As described above, according to the calculation program (calc.exe) according to the embodiment, the wooden building constructed by the frame construction method is used for the elastic-plastic spring of the frame, the elastic-plastic spring of the joint, and the elastic-plastic of the joint. Rotating springs, vertical and horizontal surface truss springs, compression springs, and tension bars are modeled separately, and parameter information corresponding to the type of these springs is input in advance. Since the element stiffness matrix is determined using the information and the stress vector acting on the spring is calculated, the behavior of the wooden building constructed by the frame construction method from the state where the deformation has progressed to the collapse is determined at the time of the earthquake. It can be calculated and simulated with high accuracy so as to match the actual building behavior. For this reason, the time history response analysis until the wooden building collapses at the time of the earthquake can be performed with high accuracy so as to match the actual behavior at the time of the earthquake.

(効果の確認実験)
次に、前記作用効果を確認するために、各階平面図が図36に示すような寸法が7.28m×7.28m、高さが10.1mの3階建ての木造軸組構法住宅の実物大の振動台実験を行い、本発明の実施例に係る木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムである前述の計算プログラム(calc.exe)による解析結果との比較を行った。
(Effect confirmation experiment)
Next, in order to confirm the above-mentioned effects, the floor plan of each floor is as shown in FIG. 36. The actual size of a three-story wooden framed house with dimensions of 7.28 m × 7.28 m and a height of 10.1 m. A large shaking table experiment was conducted, and the result was compared with the analysis result by the above-described calculation program (calc.exe), which is a collapse simulation program of a wooden building according to an embodiment of the present invention.

解析用の重量は、木造軸組構法住宅全体をクレーンで吊った際に計測した重量に、各部材の重量の拾いによって算出した各層の重量比率を乗じることによって算出し、各質点に配分した。ちなみに、2階重量が99.1kN、3階重量が97.5kN、小屋部分重量が67.3kNであった。   The weight for analysis was calculated by multiplying the weight measured when the whole wooden framed house was suspended with a crane by the weight ratio of each layer calculated by picking up the weight of each member, and distributed to each mass point. By the way, the second floor weight was 99.1kN, the third floor weight was 97.5kN, and the cabin part weight was 67.3kN.

入力地震波は、兵庫県南部地震の際に神戸海洋気象台で観測された図37に示す加速度応答スペクトルの地震波(JMA Kobe)を150%で入力した。なお、モデル化にあたっては、数値積分は10-5秒ごとの平均積分法とし、粘性減衰は瞬間剛性比例型5%とした。 As an input seismic wave, an acceleration response spectrum seismic wave (JMA Kobe) shown in FIG. 37 observed at the Kobe Ocean Meteorological Observatory during the Hyogoken-Nanbu Earthquake was input at 150%. In the modeling, the numerical integration is an average integration method every 10 −5 seconds, and the viscous damping is 5% of the instantaneous stiffness proportional type.

図38に振動台実験で記録された前記木造軸組構法住宅の1Fの層間変位の時刻歴と前述の計算プログラムによる時刻歴応答解析とを比較して示した。太線が振動台実験であり、細線が前述の計算プログラムによる解析結果である。図38に示すように、実物大の振動台実験と解析モデルのシミュレーション結果とは略一致しており、本発明の実施例に係る木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムである前述の計算プログラムにより地震時における3階建ての前記木造軸組構法住宅の倒壊に至るまでの時刻歴応答解析を地震時の実際の挙動と一致するよう高精度に行うことができたといえる。   FIG. 38 shows a comparison between the time history of the 1F interlaminar displacement recorded in the wooden frame construction house recorded in the shaking table experiment and the time history response analysis by the aforementioned calculation program. The thick line is the shaking table experiment, and the thin line is the analysis result by the aforementioned calculation program. As shown in FIG. 38, the full-scale shaking table test and the simulation result of the analysis model are substantially the same, and the above-mentioned calculation program, which is a collapse simulation program of a wooden building according to the embodiment of the present invention, is used during an earthquake. It can be said that the time history response analysis up to the collapse of the three-story wooden frame construction house in was able to be performed with high accuracy to match the actual behavior at the time of the earthquake.

Claims (5)

地震時における木造建築物の倒壊に至るまでの時刻歴応答解析をコンピュータに実行させるための木造建築物の倒壊シミュレーションプログラムであって、
複数の節点と複数種類のバネとを組み合わせて前記木造建築物をモデル化した解析モデルの情報と、当該解析モデルに含まれるバネの種類に応じたパラメータ情報と、を入力ファイルから読み込む第1ステップと、
前記第1ステップで入力ファイルから読み込んだパラメータ情報に基づき、前記解析モデルのバネの種類に応じた要素剛性マトリックスを決定する第2ステップと、
前記第2ステップで決定した要素剛性マトリックスにより、個別要素法を用いて各バネに作用する応力を算出する第3ステップと、
前記第3ステップで算出した各バネに作用する応力を、各バネが接続される節点ごとに加算する第4ステップと、を有し、
前記解析モデルは、前記木造建築物の軸組部材が弾塑性バネ及び梁要素によってモデル化されているとともに、この軸組部材の弾塑性バネに対応する前記パラメータ情報には、当該軸組部材の梁要素の曲げ強度を示す最大曲げモーメントが含まれており、
第3ステップにおいて、軸組部材の弾塑性バネに作用する応力を算出する際、当該軸組部材の梁要素に加わる曲げモーメントと、前記最大曲げモーメントとを比較し、その比較結果に基づき、当該軸組部材の折損を判定することを特徴とする木造建築物の倒壊シミュレーションプログラム。
A wooden building collapse simulation program for causing a computer to execute a time history response analysis until a wooden building collapses during an earthquake,
A first step of reading from an input file information on an analysis model obtained by modeling the wooden building by combining a plurality of nodes and a plurality of types of springs, and parameter information corresponding to the type of spring included in the analysis model When,
A second step of determining an element stiffness matrix according to the type of spring of the analysis model based on the parameter information read from the input file in the first step;
A third step of calculating the stress acting on each spring using the individual element method by the element stiffness matrix determined in the second step ;
A fourth step of adding stress acting on each spring calculated in the third step for each node to which each spring is connected ;
In the analysis model, the frame member of the wooden building is modeled by an elastic-plastic spring and a beam element, and the parameter information corresponding to the elastic-plastic spring of the frame member includes the parameter of the frame member. The maximum bending moment indicating the bending strength of the beam element is included,
In the third step, when calculating the stress acting on the elastic-plastic spring of the shaft member, the bending moment applied to the beam element of the shaft member is compared with the maximum bending moment, and based on the comparison result, A collapse simulation program for a wooden building, characterized by determining breakage of a frame member .
前記軸組部材の折損の判定は、前記軸組部材の梁要素に加わる曲げモーメントが、前記最大曲げモーメントを超えてゼロの回転角に達したときに行われることを特徴とする請求項1記載の木造建築物の倒壊シミュレーションプログラム。The determination of breakage of the shaft member is performed when a bending moment applied to a beam element of the shaft member reaches a rotation angle of zero exceeding the maximum bending moment. Simulation program for collapse of wooden buildings. 前記解析モデルは、さらに接合部の弾塑性バネ、接合部の弾塑性回転バネ、鉛直構面及び水平構面のトラスバネ、圧縮筋違バネ、引張筋違バネに分けてモデル化されており、
前記入力ファイルには、これらモデル化されたバネの種類に応じたパラメータ情報が含まれていることを特徴とする請求項1又は2に記載の木造建築物の倒壊シミュレーションプログラム。
The analysis model is further modeled by dividing into an elastic-plastic spring at the joint, an elastic-plastic rotary spring at the joint, a truss spring with a vertical surface and a horizontal surface, a compression spring, and a tension spring.
Wherein the input file, collapse simulation program wooden structure according to claim 1 or 2, characterized in that the parameter information corresponding to the type of modeled springs are included.
前記解析モデルの基礎反力、各階水平力、地盤絶対変位、各階絶対変位の各計算値を前記入力ファイルに規定された時間刻み毎に算出し、時刻歴データとして出力ファイルに出力することをコンピュータに実行させることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の木造建築物の倒壊シミュレーションプログラム。 Basic reaction force of the analysis model, each floor horizontal force, the ground absolute displacement, each floor absolute displacement of the respective calculated values calculated for each time step, which is defined in the input file, the computer to output to the output file as time history data 4. The collapse simulation program for a wooden building according to any one of claims 1 to 3, wherein the program is executed. 前記出力ファイルには、前記解析モデルの各要素の座標の時刻歴データが保存されている軌跡ファイルと、前記各計算値の時刻歴データが保存された計算結果ファイルと、計算後の解析モデルの要素及びバネに関する情報が保存された解析継続ファイルと、が含まれており、
前記解析モデルの各要素の座標の時刻歴データ、前記各計算値の時刻歴データ、計算後の解析モデルの要素及びバネに関する情報を出力させるステップをコンピュータに実行させることを特徴とする請求項に記載の木造建築物の倒壊シミュレーションプログラム。
The output file includes a trajectory file storing time history data of coordinates of each element of the analysis model, a calculation result file storing time history data of each calculated value, and an analysis model after calculation. An analysis continuation file that stores information about elements and springs, and
Claim 4, characterized in that to execute the time history data of the coordinates of each element of said analysis model, time histories of the respective calculated values, the elements and steps of outputting information about the spring of the analysis model after calculation into the computer Simulation program for collapse of wooden buildings described in 1.
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