JP6863824B2 - 地震応答解析方法および地震応答解析プログラム - Google Patents
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Description
図5は、従来技術における自由地盤節点の設定方法を模式的に示す説明図である。
図5は、上記連成解析モデルのうち地中部分を抜き出したものであり、図5Aは上面視図、図5Bは側面視図である。
一般に、建物は複数の杭54(図5の例では杭54A〜54Iの9本)で支持されている。
各杭54A〜54Iの近傍には、それぞれ自由地盤節点56(56x,56y)が設けられている。自由地盤節点56は、解析の目的に応じて1〜複数の基準方向毎に設けられる。図5Aの例では、連成解析モデルの座標軸に対応して2方向(x方向、y方向)に自由地盤節点56が設けられている。
各杭54A〜54Iと自由地盤節点56x〜56yとは、杭54A〜54I上の節点55と地盤ばね58x,58yで接合している。
また、図5Bに示すように、自由地盤節点56は、杭54の長さ方向にも複数設けられる。図5Bの例では、所定の杭長さDごとに13個の自由地盤節点56dが設けられている。それぞれの自由地盤節点56dは、対応する杭長さ方向上の位置にある杭54上の節点55と地盤ばね58dで接合している。
このような自由地盤節点数の増加に対応するには、プログラム上で多くのメモリを用意する必要があるという課題がある。また、プログラム上でメモリを用意しようとしても、計算機(パーソナルコンピュータ等)のメモリが不足している場合には、解析を行うことができないという課題がある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、地震応答解析時におけるモデルを合理化することにある。
請求項2の発明にかかる地震応答解析方法は、前記自由地盤節点を前記杭の長さ方向に複数設定し、杭長さ方向上の各位置における前記基準方向毎の前記自由地盤節点を一点に集約させる、ことを特徴とする。
請求項3の発明にかかる地震応答解析方法は、それぞれの前記自由地盤節点に対して地震時における変位量を入力し、前記自由地盤節点と前記杭との間の地盤ばね要素のばね定数と、それぞれの前記杭が負担する軸力と、前記変位量とに基づいて、地震時にそれぞれの前記杭に発生する応力を算出する、ことを特徴とする。
請求項4の発明にかかる地震応答解析プログラムは、請求項1から3のいずれか1項記載の地震応答解析方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。
本実施の形態では、本発明にかかる地震応答解析プログラムをコンピュータで実行する場合について説明する。
図4は、地震応答解析プログラムを実行するコンピュータ100の構成を示すブロック図である。
コンピュータ100は、CPU102と、不図示のインターフェース回路およびバスラインを介して接続されたROM104、RAM106、ハードディスク装置108、ディスク装置110、キーボード112、マウス114、ディスプレイ116、プリンタ118、入出力インターフェース120などを有している。
ROM104は制御プログラムなどを格納し、RAM106はワーキングエリアを提供するものである。
ハードディスク装置108は、本発明にかかる地震応答解析プログラムを格納している。
ディスク装置110はCDやDVDなどの記録媒体に対してデータの記録および/または再生を行うものである。
キーボード112およびマウス114は、操作者による操作入力を受け付けるものである。
ディスプレイ116はデータを表示出力するものであり、プリンタ118はデータを印刷出力するものであり、ディスプレイ116およびプリンタ118によってデータを出力する。
入出力インターフェース120は、他の情報機器等との間でデータの授受を行うものである。
地震応答解析プログラムは、建物と建物を支持する複数の杭とからなる構造物と、それぞれの杭に対して所定の基準方向毎に設定された自由地盤節点と、を含む地盤−杭−建物連成系(連成解析モデル)を用い、地震時における構造物の応答を解析する。
本実施の形態では、連成解析モデルへの入力を「地震時の自由地盤変位(変位量)」とし、解析の主な出力として「杭・柱・梁・壁等の各部材における応力と変形」を得るものとする。
図1に示す連成解析モデル10は、建物12、地盤中で建物12を支持する複数の杭14、杭14の遠方に位置する自由地盤160、自由地盤160と杭14とを接続する地盤ばね18を含んでいる。なお、後述するように、自由地盤160は、所定の基準方向毎および杭14の長さ方向に複数設定された自由地盤節点16(図2参照)で表される。
解析の際には、予め地震時における各深度の自由地盤変位を計算しておき、それを対応する深さ(杭長さ方向上の位置)の自由地盤節点に与える。与えられた自由地盤変位は、地盤ばね18を介して杭14に荷重を作用させる。そして、それらの荷重によって例えば杭14に生じる応力が出力となる。
すなわち、例えば杭14に発生する応力を算出する場合には、それぞれの自由地盤節点16に対して地震時における変位量を入力し、自由地盤節点16と杭14との間の地盤ばね18のばね定数と、それぞれの杭14が負担する軸力と、上記変位量とに基づいて、地震時にそれぞれの杭14に発生する応力を算出する。
このため、これらの条件を反映した解析を行い、地震時における構造物の応答をシミュレーションする。
地震力によって建物12が紙面右方向に転倒しようとする力(矢印A)が生じるが、この力により紙面左側の杭14は上方に持ち上げられるため(矢印B)、杭14が負担する軸力は小さくなる傾向がある。一方、紙面右の杭14は、建物12が転倒しようとする力に対して突っ張るため(矢印C)、杭14が負担する軸力は大きくなる傾向がある。
図2は、連成解析モデル10における自由地盤節点の設定方法を模式的に示す説明図である。
図2は、図1の連成解析モデル10のうち地中部分を抜き出したものであり、図2Aは上面視図、図2Bは側面視図である。
図2には、9本の杭14A〜14Iを図示している。上述のように、従来は1つの杭14に対して、それぞれ基準方向毎に自由地盤節点を設定していた。一方、本実施の形態では、各基準方向(x方向、y方向)の自由地盤節点16(16,16y)の位置を、各杭14A〜14Iから無限遠方としている。これにより、各杭14A〜14Iと各基準方向の自由地盤節点16とを結ぶ地盤ばね18の角度が同一とみなせる。そのため、杭14A〜14Iごとに設ける必要があった自由地盤節点16を、無限遠方の節点1つに集約することができる。
すなわち、連成解析モデル10では、それぞれの杭14A〜14Iから基準方向に無限遠方とみなせる位置に自由地盤節点16(16x,16y)を設定し、複数の杭14A〜14Iにおける基準方向毎の自由地盤節点を一点に集約させている。
なお、従来技術と同様、各杭14A〜14Iと自由地盤節点16x,16yとは、杭14A〜14I上の節点15において地盤ばね18x〜18yを介して接続されている。図2Aでは、図面の視認性が低下するのを防止する観点から、各杭14と各自由地盤節点16との接続線は一部のみ図示している。
したがって、連成解析モデル10の自由地盤節点16の数は「方向×杭長さ方向分割数」となる。解析対象となる杭の本数をN本とすると、従来手法と比較して自由地盤節点数を1/N個に削減することができる。
図3は、従来技術と本発明との比較を模式的に示す図である。説明の便宜上、図3では自由地盤節点16を一方向にのみ設定している。
図3Aは、従来技術における自由地盤節点の設定方法である。従来技術では、杭14A〜14Cに対して、それぞれ別個に自由地盤節点16A〜16Cを設定していた。それぞれの杭14A〜14Cと自由地盤節点16A〜16Cとを結ぶ地盤ばね18A〜18Cのばね定数をk、各自由地盤節点16A〜16Cと対応する杭長さ方向上の位置における杭14A〜14Cとの間で生じる相対変位(変位量)をδとすると、変位δが生じた際に各杭14A〜14Cに作用する荷重PA〜PCは、P1=P2=P3=k×δとなる。
例えば、図3Bでは、杭14Aと自由地盤節点16を結ぶ線および杭14Cと自由地盤節点16を結ぶ線と、自由地盤変位の作用する方向線とに角度が生じており、この分杭14A,14Cにおける自由地盤変位が小さくなる(δA=δC=δ×cosθ)。
すなわち、各杭に作用する荷重P1〜P3は
P1 = k×δ1 = k×δ×cosθ
P2 = k×δ2 = k×δ
P3 = k×δ3 = k×δ×cosθ
となり、従来技術と解析結果が異なってしまう。
なお、本実施の形態では、連成解析モデルに地震時の自由地盤変位を入力し、出力として杭応力を得るものとしたが、本発明の適用はこれに限らず、連成解析モデルを用いた各種パラメータの解析に適用可能である。
12 建物
14(14A−14I,14d) 杭
16(16x,16y,16d) 自由地盤節点
18(18x,18y,18d) 地盤ばね
Claims (4)
- 建物と前記建物を支持する複数の杭とからなる構造物と、それぞれの前記杭に対して所定の基準方向毎に設定された自由地盤節点と、を含む連成解析モデルを用い、地震時における前記構造物の応答を解析する地震応答解析方法であって、
それぞれの前記杭から前記基準方向に無限遠方とみなせる位置に前記自由地盤節点を設定し、複数の前記杭における前記基準方向毎の前記自由地盤節点を一点に集約させる、
ことを特徴とする地震応答解析方法。 - 前記自由地盤節点を前記杭の長さ方向に複数設定し、
杭長さ方向上の各位置における前記基準方向毎の前記自由地盤節点を一点に集約させる、
ことを特徴とする請求項1記載の地震応答解析方法。 - それぞれの前記自由地盤節点に対して地震時における変位量を入力し、前記自由地盤節点と前記杭との間の地盤ばねのばね定数と、それぞれの前記杭が負担する軸力と、前記変位量とに基づいて、地震時にそれぞれの前記杭に発生する応力を算出する、
ことを特徴とする請求項1または2記載の地震応答解析方法。 - 請求項1から3のいずれか1項記載の地震応答解析方法をコンピュータに実行させるための地震応答解析プログラム。
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