JP7143982B2

JP7143982B2 - シミュレーション装置

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Publication number: JP7143982B2
Application number: JP2018226659A
Authority: JP
Inventors: 拓也木下; 遼和多田; 明伸 ▲高▼田; 琢也鈴木; 喜政重野; 徹宇佐美; 俊彦西村
Original assignee: Takenaka Corp
Current assignee: Takenaka Corp
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2038-12-03
Also published as: JP2020091537A

Description

本発明は、シミュレーション装置に関する。

従来、点検対象部材の決定方法が知られている（例えば、特許文献１）。この点検対象部材の決定方法では、着目部材をファイバー要素の集合体またはシェル要素の集合体としてモデル化している。

また、解析対象物を構成する構造部材の断面を仮想的に分割したファイバー要素とし、それらのファイバー要素を用いて構造解析を行う構造解析方法が知られている（例えば、特許文献２）。

また、杭評価チャートの作成方法が知られている（例えば、特許文献３）。この杭評価チャートの作成方法では、ファイバーモデルなどの断面変形性能の非線形解析等が用いられている。

また、高耐震性能の鉄筋コンクリート部材が知られている（例えば、特許文献４）。この鉄筋コンクリート部材の解析には、ファイバーモデルが用いられている。

また、コンクリート柱強度計算装置が知られている（例えば、特許文献５）。このコンクリート柱強度計算装置は、コンクリート柱を軸方向、円周方向および半径方向の複数の要素に分割し、設定されたパラメータに基づいて複数の要素それぞれをモデリングする。そして、コンクリート柱強度計算装置は、複数の要素に応力と歪みの関係を与え、有限要素法を用いた応力解析により各要素の歪み値および変位量を算出する。

特許第5395602号公報特開2016-095599号公報特開2009-257017号公報特許第3236187号公報特開2009-211452号公報

鋼管と当該鋼管の内部に充填されるコンクリートとを含んで構成されるＣＦＴ（Concrete Filled Steel Tube）構造の柱（以下、単に「ＣＦＴ柱」と称する。）が知られている。ＣＦＴ柱は火災発生時に複雑な挙動を示すため、火災シミュレーションを実行する際の計算負荷は膨大であり、ＣＦＴ柱を含む建物全体の性能検証をすることは難しい、という課題がある。

本発明は上記事実に鑑みて、ＣＦＴ柱についての火災に関するシミュレーションを実行する際に、解析負荷を低減させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のシミュレーション装置は、鋼管と前記鋼管の内部に充填されるコンクリートとを含んで構成されるＣＦＴ（Concrete Filled Steel Tube）構造の柱に関するシミュレーションを実行するシミュレーション装置であって、ファイバーモデルとしてモデル化された前記ＣＦＴ構造の柱を表すＣＦＴ柱モデルに基づいて、前記ＣＦＴ構造の柱を含む建物において火災が発生した際のシミュレーションを実行し、前記ＣＦＴ柱モデルの変化に関する情報を取得するシミュレーション部を含むシミュレーション装置である。本発明のシミュレーション装置によれば、ＣＦＴ構造の柱についての火災に関するシミュレーションを実行する際に、解析負荷を低減させることができる。また、立体架構シミュレーションを行うことにより、建物の耐火性能をより正確に把握することができる。

本発明の前記ＣＦＴ柱モデルは、前記鋼管のファイバーの要素を表す鋼管ファイバー要素と、前記コンクリートのファイバーの要素を表すコンクリートファイバー要素とを含んで構成され、前記鋼管ファイバー要素と前記コンクリートファイバー要素とは、前記ＣＦＴ柱モデルが表す柱の鉛直方向の挙動については互いに無拘束であるとしてモデル化され、前記ＣＦＴ柱モデルが表す柱の水平方向の挙動については互いに拘束であるとしてモデル化されているようにすることができる。これにより、ＣＦＴ構造の柱についての火災に関するシミュレーションを実行する際に、ＣＦＴ構造の柱の性質を適切に考慮しつつ、解析負荷を低減させることができる。

本発明の前記シミュレーション部は、前記シミュレーションを開始するときには、前記鋼管ファイバー要素と前記コンクリートファイバー要素とが前記鉛直方向の挙動について互いに拘束であるとし、前記シミュレーションが実行されている際に予め設定した条件が満たされたときから、前記鋼管ファイバー要素と前記コンクリートファイバー要素とが前記鉛直方向の挙動について互いに無拘束であるようにすることができる。これにより、ＣＦＴ構造の柱についての火災に関するシミュレーションを実行する際に、ＣＦＴ構造の柱の性質を適切に考慮しつつ、解析負荷を低減させることができる。

本発明の前記ＣＦＴ柱モデルのうちの柱脚仕口部を表す柱脚仕口部基準節点と、前記コンクリートファイバー要素に含まれる複数の分割節点のうちの柱脚側端部を表す柱脚側端部節点との関係は、ユニバーサルジョイントであるとしてモデル化されているようにすることができる。これにより、ＣＦＴ構造の柱についての火災に関するシミュレーションを実行する際に、ＣＦＴ構造の柱に充填されるコンクリートの性質を適切に考慮しつつ、解析負荷を低減させることができる。

本発明の前記柱脚仕口部基準節点と前記柱脚側端部節点との関係は、前記ＣＦＴ柱モデルの水平方向を表す二軸（ｘ軸，ｙ軸）において、有限の回転剛性を有する前記ユニバーサルジョイントであるものとしてモデル化することができる。また、前記柱脚仕口部基準節点と前記柱脚側端部節点との関係は、前記ＣＦＴ柱モデルの水平方向を表す二軸（ｘ軸，ｙ軸）において、有限の回転剛性を有しない前記ユニバーサルジョイントであるものとしてモデル化することもできる。これにより、ＣＦＴ構造の柱についての火災に関するシミュレーションを実行する際に、ＣＦＴ構造の柱に充填されるコンクリートの性質を適切に考慮しつつ、解析負荷を低減させることができる。

本発明の前記コンクリートファイバー要素に含まれる複数の分割節点のうちの、同一層の分割節点の各々は多点拘束であるとしてモデル化されているようにすることができる。これにより、ＣＦＴ構造の柱についての火災に関するシミュレーションを実行する際に、ＣＦＴ構造の柱に充填されるコンクリートの性質を適切に考慮しつつ、解析負荷を低減させることができる。

本発明の前記コンクリートファイバー要素に含まれる複数の分割節点のうちの、同一層の分割節点の各々は、前記ＣＦＴ柱モデルの６自由度（ｘ軸方向，ｙ軸方向，ｚ軸方向，ｘ軸周り，ｙ軸周り，及びｚ軸周り）に対して、有限の剛性を有するバネ要素で互いに接続されているとしてモデル化することができる。これにより、ＣＦＴ構造の柱についての火災に関するシミュレーションを実行する際に、ＣＦＴ構造の柱に充填されるコンクリートの性質を適切に考慮しつつ、解析負荷を低減させることができる。

本発明によれば、ＣＦＴ構造の柱についての火災に関するシミュレーションを実行する際に、解析負荷を低減させることができる、という効果が得られる。

第１実施形態に係るシミュレーション装置の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の立体架構モデルを説明するための説明図である。本実施形態のＣＦＴ柱モデルを説明するための説明図である。本実施形態のＣＦＴ柱モデルを説明するための説明図である。ＣＦＴ柱の挙動を説明するための説明図である。本実施形態のＨ型鋼大梁及びスラブのファイバーモデルを説明するための説明図である。Ｈ型鋼大梁及びスラブのファイバーモデルの各要素間の拘束関係を説明するための説明図である。ＣＦＴ柱モデルの温度の算出方法を説明するための説明図である。本実施形態のシミュレーション処理ルーチンの一例を示す図である。立体架構モデルを用いたシミュレーションの変位コンター図の一例である。実大試験体による実験の概要と３次元ソリッドＦＥＭモデルの概要とファイバーモデルの概要とを説明するための説明図である。実大試験体におけるＣＦＴ柱の柱頭の鉛直変位の比較結果を示す図である。火災時のＣＦＴ柱の一般的な挙動を示す図である。実大試験体におけるＣＦＴ柱の柱頭の回転角の比較結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

＜シミュレーション装置のシステム構成＞

図１は、本実施形態に係るシミュレーション装置１００の構成の一例を示すブロック図である。シミュレーション装置１００は、機能的には、図１に示すように、受付部１０、コンピュータ２０、及び出力部４０を含んだ構成で表すことができる。本実施形態に係るシミュレーション装置１００は、鋼管と当該鋼管の内部に充填されるコンクリートとを含んで構成されるＣＦＴ柱に関するシミュレーションを実行する。

受付部１０は、シミュレーションの対象である建物を表す立体架構モデルを受け付ける。立体架構モデルには、シミュレーションの対象である建物の各箇所の情報が反映されている。

また、受付部１０は、シミュレーションを実行する際の設定条件を表す設定情報を受け付ける。設定情報には、火災発生範囲を表す情報と、耐火被覆量を表す情報と、対象の加熱部材を表す情報と、立体架構モデルが表す建物の積載荷重及び補正荷重に関する情報とが含まれている。設定情報に含まれる各情報は、ユーザによって設定される。なお、受付部１０は、例えば、キーボード、マウス、及び外部装置等によって実現される。

コンピュータ２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、各処理ルーチンを実現するためのプログラム等を記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、記憶手段としてのメモリ、ネットワークインタフェース等を含んで構成されている。コンピュータ２０は、機能的には、図１に示すように、取得部２２と、立体架構モデル記憶部２４と、設定条件記憶部２６と、設定部２８と、シミュレーション部３０とを備えている。

取得部２２は、受付部１０によって受け付けられた立体架構モデルに関する情報を立体架構モデル記憶部２４に格納する。また、取得部２２は、受付部１０によって受け付けられた設定情報を、設定条件記憶部２６に格納する。

立体架構モデル記憶部２４には、シミュレーションの対象の立体架構モデルが格納される。設定条件記憶部２６には、シミュレーションの実行条件を表す設定情報が格納される。

図２に立体架構モデルを説明するための説明図を示す。図２に示されるように、立体架構モデルＲは対象の建物を表すモデルである。この立体架構モデルＲに基づき、後述の立体架構シミュレーションが実行される。なお、図２に示される立体架構モデルＲは、ワイヤー表示された立体架構モデルである。

設定部２８は、設定条件記憶部２６に格納された設定情報に基づいて、シミュレーションを行う際の各種条件を設定する。

例えば、設定部２８は、設定情報のうちの火災発生範囲を表す情報に基づいて、図２に示される立体架構モデルＲのうちの火災発生範囲を設定する。これにより、火災発生範囲において、仮想的な火災が発生したものとしてシミュレーションが実行される。

また、設定部２８は、火災発生範囲に応じて、図２に示される立体架構モデルＲのうちの加熱部材を設定する。図２に示される例では、１６階のＸ４‐Ｙ４通りのＣＦＴ柱及びＨ型鋼大梁と１６階のＸ９‐Ｙ２通りのＣＦＴ柱及びＨ型鋼大梁とが、加熱部材として設定されている。なお、図２のＸの例では、ＣＦＴ柱Ｘ１とＨ型鋼大梁Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４とが加熱部材として設定されている。

また、設定部２８は、設定情報のうちの耐火被覆量を表す情報に基づいて、火災発生範囲の付近のＨ型鋼大梁の耐火被覆量を設定する。図２に示される例では、１６階のＸ４‐Ｙ４通りのＨ型鋼大梁の耐火被覆量と、１６階のＸ９‐Ｙ２通りのＨ型鋼大梁の耐火被覆量とが設定される。

次に、設定部２８は、設定条件記憶部２６に格納された設定情報に基づいて、立体架構モデル記憶部２４に格納された立体架構モデルのうちのＣＦＴ柱を表す箇所をファイバーモデルとしてモデル化する。なお、ＣＦＴ柱のファイバーモデルを、以下単に「ＣＦＴ柱モデル」と称する。

図３及び図４に、本実施形態のＣＦＴ柱モデルを説明するための説明図を示す。図３には、ＣＦＴ柱の断面とＣＦＴ柱モデルの断面とが示されている。また、図４には、ＣＦＴ柱の断面と鉛直方向（Ｚ方向）に延びたＣＦＴ柱モデルが示されている。

図３及び図４に示されるように、本実施形態のＣＦＴ柱モデルは、鋼管のファイバーの要素を表す鋼管ファイバー要素Ｐ_Ｆと、コンクリートのファイバーの要素を表すコンクリートファイバー要素Ｃ_Ｆとを含んで構成されている。図３に示されるように、本実施形態では、鋼管Ｐと鋼管Ｐ内に充填されるコンクリートＣとから構成されるＣＦＴ柱を、鋼管ファイバー要素Ｐ_Ｆとコンクリートファイバー要素Ｃ_Ｆとによってモデル化する。

なお、本実施形態では、コンクリートを加熱する際の外周から中央への温度分布の差を考慮するために、図３に示されるように、一例として、３層の箱型断面及び１層の中央部正方形断面からなる４層のファイバー要素によって、ＣＦＴ柱のうちのコンクリートファイバー要素Ｃ_Ｆをモデル化する。なお、図３の黒点は、積分点の位置を表す。

また、図４に示されるように、鋼管ファイバー要素Ｐ_Ｆとコンクリートファイバー要素Ｃ_Ｆとは、ＣＦＴ柱モデルＭが表す柱の鉛直方向の挙動については互いに無拘束であるとしてモデル化され、ＣＦＴ柱モデルが表す柱の水平方向の挙動については互いに拘束であるとしてモデル化されている。

図４に示されるように、コンクリートファイバー要素Ｃ_Ｆに含まれる複数の分割節点のうちの、同一層の分割節点の各々は多点拘束（又は「ＭＰＣ（Multi-point Constraint）拘束」ともいう。）であるとしてモデル化されている。なお、図４に示される丸印は、分割節点を表す。図４に示される例では、ファイバーモデルは２１分割とされている。

具体的には、ＣＦＴ柱モデルＭのうちの各高さの分割節点の各々について、コンクリートファイバー要素Ｃ_Ｆに含まれる分割節点と鋼管ファイバー要素Ｐ_Ｆに含まれる分割節点とは、鉛直方向（Ｚ方向）の相対変位のみを許容するトランスレータコネクタで接合されている（図中では「スライダー接合」と表記））。

また、図４に示されるように、ＣＦＴ柱モデルＭのうちの柱脚仕口部を表す柱脚仕口部基準節点Ｓ_Ｂと、コンクリートファイバー要素Ｃ_Ｆに含まれる複数の分割節点のうちの柱脚側端部を表す柱脚側端部節点Ｃ_Ｂとの関係は、ユニバーサルジョイント（図中では「２方向ピン接合」と表記）であるとしてモデル化されている。コンクリートファイバー要素Ｃ_Ｆのうちの柱脚側端部節点Ｃ_Ｂは、鉛直方向を支持するため、柱脚仕口部基準節点Ｓ_Ｂと柱脚側端部節点Ｃ_Ｂとは、Ｘ軸周り及びＹ軸周りともにユニバーサルジョイントとされる。

また、ＣＦＴ柱モデルのうちの柱脚仕口部を表す柱脚仕口部基準節点Ｓ_Ｂと、鋼管ファイバー要素Ｐ_Ｆに含まれる複数の分割節点のうちの柱脚側端部を表す柱脚側端部節点Ｐ_Ｂとの関係は、ＭＰＣ拘束であるとしてモデル化されている。また、ＣＦＴ柱モデルのうちの柱頭仕口部を表す柱頭仕口部基準節点Ｓ_Ｔと、鋼管ファイバー要素Ｐ_Ｆに含まれる複数の分割節点のうちの柱頭側端部を表す柱頭側端部節点Ｐ_Ｔとの関係は、ＭＰＣ拘束であるとしてモデル化されている。

更に、コンクリートファイバー要素Ｃ_Ｆの柱頭側端部節点Ｃ_Ｔは鋼管ファイバー要素Ｐ_Ｆに含まれる柱頭側端部節点Ｐ_Ｔより上に移動しないように、トランスレータコネクタによってストップオプションが与えられている（図中では「スライダー接合（一方向のみ）」と表記）。これにより、ＣＦＴ柱が加熱される過程において、鋼管がコンクリートの柱頭から離間し、鉛直方向に伸び出す状況を適切に模擬することができる。

図５に、ＣＦＴ柱モデルの挙動を説明するための説明図を示す。図５に示されるように、ＣＦＴ柱が加熱されると鋼管Ｐの熱膨張によって鋼管Ｐが伸び出す。この状態を模擬するため、本実施形態のＣＦＴ柱モデルにおいては、コンクリートファイバー要素Ｃ_Ｆのうちの柱頭側端部節点Ｃ_Ｔと鋼管ファイバー要素Ｐ_Ｆのうちの柱頭側端部節点Ｐ_Ｔとは、トランスレータコネクタによって接合されている。これにより、ＣＦＴ柱が加熱された際の鋼管の伸び出しを模擬することができる。

また、図５に示されるように、ＣＦＴ柱に対する加熱が継続し鋼管Ｐが降伏状態となった場合、鋼管Ｐは元の位置へ戻る。この状態を模擬するため、本実施形態のＣＦＴ柱モデルにおいては、コンクリートファイバー要素Ｃ_Ｆの柱頭側端部節点Ｃ_Ｔが鋼管ファイバー要素Ｐ_Ｆの柱頭側端部節点Ｐ_Ｔより上に移動しないように、トランスレータコネクタによってストップオプションが与えられている。これにより、ＣＦＴ柱の鋼管Ｐが降伏状態となったときに鋼管Ｐが元の位置に戻る挙動を模擬することができる。

このように、本実施形態においては、ＣＦＴ柱が加熱された際の挙動を適切に模擬するためのモデル化がなされる。これにより、ＣＦＴ柱が加熱された際のシミュレーションを適切に実行することができる。

次に、設定部２８は、設定条件記憶部２６に格納された設定情報に基づいて、立体架構モデル記憶部２４に格納された立体架構モデルのうちのＣＦＴ柱以外の箇所をモデル化する。

例えば、設定部２８は、設定条件記憶部２６に格納された設定情報に基づいて、加熱部材のＨ型鋼大梁及びスラブをファイバーモデルとしてモデル化する。図６に、Ｈ型鋼大梁Ｂ及びスラブＳＬのファイバーモデルを説明するための説明図を示す。図６に示される例では、Ｈ型鋼大梁Ｂとその上部にあるスラブＳＬとがファイバーモデルとしてモデル化されている。なお、図６の黒点は、積分点の位置を表す。

図７に、Ｈ型鋼大梁及びスラブのファイバーモデルの各要素間の拘束関係を説明するための説明図を示す。図７に示されるように、各分割節点において、スラブＳＬのコンクリートファイバー要素はＨ型鋼のファイバー要素とＭＰＣ拘束される。図７に示される例では、Ｈ型鋼のファイバーモデルは１１分割とされており、仕口部基準節点が含まれている。

また、設定部２８は、加熱部材として設定されたＣＦＴ柱以外のＣＦＴ柱については、箱型の鋼管断面を表す鋼管ファイバー要素と、矩形の内部コンクリート断面を表すコンクリートファイバー要素との２要素からなるファイバー要素によってモデル化する。

また、設定部２８は、ＣＦＴ柱以外の柱については、鉛直方向において２分割してファイバー要素によってモデル化する。また、設定部２８は、加熱部材として設定された大梁以外の大梁について、大梁の部材長を６分割してファイバー要素によってモデル化する。

また、設定部２８は、設定条件記憶部２６に格納された設定情報のうちの、積載荷重及び補正荷重に関する情報に基づいて、立体架構モデルが表す建物の積載荷重及び補正荷重を設定する。なお、積載荷重及び補正荷重に関しては、長期の荷重解析及び軸力チェックを経た上で設定されるようにしてもよい。

シミュレーション部３０は、設定部２８によってファイバーモデルとしてモデル化されたＣＦＴ柱モデルを含む立体架構モデルに基づいて、ＣＦＴ柱を含む建物において火災が発生した際の立体架構シミュレーションを実行する。

なお、高温時のＣＦＴ柱の鋼管及び内部に充填されたコンクリートの熱的特性に関しては、周知の熱的特性値が設定される。また、コンクリートと鋼の応力‐歪関係、コンクリートと鋼の熱膨張ひずみ、コンクリートの引張側特性、及びコンクリートの過渡ひずみに関しても、周知の特性値が用いられる。

シミュレーション部３０は、設定部２８によって設定された加熱部材の伝熱解析を行い、加熱部材の各箇所の温度を表す温度分布を算出する。

なお、上記図４に示されるように、本実施形態のＣＦＴ柱モデルは、５層のファイバー要素としてモデル化される。このため、中央の層に対応するコンクリートファイバー要素を除くファイバー要素の各々は、図８に示されるように、中空の角型断面Ｋで表される。

シミュレーション部３０は、図８に示されるように、伝熱解析により得られた温度分布に応じて、中空の角型断面Ｋの外周部の各コーナー部及び各辺中央部（図中の黒丸）の温度の平均を、中空の角型断面Ｋの外周部の温度として算出する。また、シミュレーション部３０は、図８に示されるように、伝熱解析により得られた温度分布に応じて、中空の角型断面Ｋの内周部の各コーナー部及び各辺中央部（図中の黒丸）の温度を求める。例えば、その平均を、中空の角型断面Ｋの内周部の温度として算出する。そして、シミュレーション部３０は、外周部の温度と内周部の温度とを平均して、中空の角型断面Ｋの温度を求める。

また、シミュレーション部３０は、加熱部材の各箇所の温度を表す温度分布と、コンクリートと鋼の応力‐歪関係、コンクリートと鋼の熱膨張ひずみ、コンクリートの引張側特性、及びコンクリートの過渡ひずみと、ＣＦＴ柱モデルが表す建物の各階の積載荷重及び補正荷重とに応じて、立体架構モデルの熱変形解析を行う。

そして、シミュレーション部３０は、立体架構モデルにおける、ＣＦＴ柱モデルの変化に関する情報を逐次取得する。例えば、シミュレーション部３０は、ＣＦＴ柱モデルの変化に関する情報の一例として、ＣＦＴ柱モデルの各箇所の変位及び回転角を逐次取得する。

出力部４０は、シミュレーション部３０によって得られたＣＦＴ柱モデルの変化に関する情報を結果として出力する。出力部４０は、例えばディスプレイ等によって実現される。

シミュレーション装置１００のユーザである設計者は、出力部４０に表示されたＣＦＴ柱モデルの変化に関する情報を確認する。そしてユーザは、ＣＦＴ柱モデルの変化に関する情報を参考にして、対象の建物の耐火に関する検討又は耐火設計を行う。

＜シミュレーション装置の作用＞

次に、シミュレーション装置１００の作用について説明する。

対象の建物の立体架構モデルと設定情報とがシミュレーション装置１００の受付部１０に入力されると、受付部１０は、立体架構モデルと設定情報とを受け付ける。そして、コンピュータ２０の取得部２２は、受付部１０により受け付けられた立体架構モデルと設定情報とを取得する。

次に、取得部２２は、立体架構モデルを立体架構モデル記憶部２４に格納する。また、取得部２２は、設定情報を設定条件記憶部２６に格納する。そして、シミュレーション装置１００は、シミュレーション開始の指示信号を受け付けると、図９に示されるシミュレーション処理ルーチンを実行する。

＜シミュレーション処理ルーチン＞

ステップＳ１００において、設定部２８は、立体架構モデル記憶部２４に格納された立体架構モデルを読み出し、シミュレーション対象のモデルとして設定する。

ステップＳ１０２において、設定部２８は、設定条件記憶部２６に格納された設定情報のうちの火災発生範囲を表す情報及び耐火被覆量を表す情報を読み出す。そして、設定部２８は、上記ステップＳ１００で設定された立体架構モデルのうちの火災発生範囲を設定する。また、設定部２８は、上記ステップＳ１００で設定された立体架構モデルのうちの各箇所の耐火被覆量を設定する。

ステップＳ１０４において、設定部２８は、設定条件記憶部２６に格納された設定情報のうちの加熱部材を表す情報を読み出す。そして、設定部２８は、上記ステップＳ１０２で設定された火災発生範囲に応じて、上記ステップＳ１００で設定された立体架構モデルのうちの加熱部材を設定する。

ステップＳ１０６において、設定部２８は、上記ステップＳ１０４で設定された加熱部材のうちのＣＦＴ柱をファイバー要素化して、ＣＦＴ柱モデルを設定する。また、設定部２８は、上記ステップＳ１０４で設定された加熱部材のうちのＨ型鋼大梁及びスラブをファイバー要素化する。また、設定部２８は、その他の部材をファイバー要素化する。

ステップＳ１０８において、設定部２８は、設定条件記憶部２６に格納された設定情報のうちの、積載荷重及び補正荷重に関する情報を読み出す。そして、設定部２８は、積載荷重及び補正荷重に関する情報に基づいて、立体架構モデルが表す建物の積載荷重及び補正荷重を設定する。

ステップＳ１１０において、シミュレーション部３０は、上記ステップＳ１００～ステップＳ１０８でファイバーモデルとしてモデル化されたＣＦＴ柱モデルを含む立体架構モデルに基づいて、火災が発生した際の立体架構シミュレーションを実行する。

ステップＳ１１２において、シミュレーション部３０は、上記ステップＳ１０４で設定された加熱部材の温度解析を行い、加熱部材の各箇所の温度を表す温度分布を算出する。

ステップＳ１１４において、シミュレーション部３０は、上記ステップＳ１１２で算出された加熱部材の各箇所の温度を表す温度分布と、ＣＦＴ柱モデルの各特性値と、上記ステップＳ１１８で設定された立体架構モデルが表す建物の積載荷重及び補正荷重とに応じて、立体架構モデルの熱変形解析を行う。

ステップＳ１１６において、シミュレーション部３０は、上記ステップＳ１１２で得られた解析結果と、上記ステップＳ１１４で得られた立体架構モデルの熱変形解析の解析結果とを、所定の記憶部（図示省略）に逐次格納する。ステップＳ１１２～ステップＳ１１６の処理が繰り返されることにより、各時刻の温度解析結果及び各時刻の熱変形解析結果が得られる。

ステップＳ１１８において、シミュレーション部３０は、シミュレーションを終了させるか否かを判定する。例えば、シミュレーション部３０は、シミュレーション開始から予め設定された時間を経過した場合には、シミュレーションを終了させる。

ステップＳ１２０において、シミュレーション部３０は、上記ステップＳ１１６で記憶された解析結果をシミュレーション結果として出力して、シミュレーション処理ルーチンを終了する。

出力部４０は、シミュレーション部３０によって得られたＣＦＴ柱モデルの変化に関する情報を結果として出力する。

以上詳細に説明したように、本実施形態のシミュレーション装置は、ファイバーモデルとしてモデル化されたＣＦＴ柱を表すＣＦＴ柱モデルに基づいて、ＣＦＴ柱を含む建物において火災が発生した際の立体架構シミュレーションを実行し、ＣＦＴ柱モデルの変化に関する情報を取得する。これにより、ＣＦＴ柱についての火災に関するシミュレーションを実行する際に、解析負荷を低減させることができる。また、立体架構シミュレーションを行うことにより、建物の耐火性能をより正確に把握することができる。

また、本実施形態のＣＦＴ柱モデルは、鋼管のファイバーの要素を表す鋼管ファイバー要素と、コンクリートのファイバーの要素を表すコンクリートファイバー要素とを含んで構成され、鋼管ファイバー要素とコンクリートファイバー要素とは、ＣＦＴ柱モデルが表す柱の鉛直方向の挙動については互いに無拘束であるとしてモデル化され、ＣＦＴ柱モデルが表す柱の水平方向の挙動については互いに拘束であるとしてモデル化されている。これにより、ＣＦＴ柱についての火災に関するシミュレーションを実行する際に、ＣＦＴ柱の性質を適切に考慮しつつ、解析負荷を低減させることができる。

また、本実施形態においては、ＣＦＴ柱モデルのうちの柱脚仕口部を表す柱脚仕口部基準節点と、コンクリートファイバー要素に含まれる複数の分割節点のうちの柱脚側端部を表す柱脚側端部節点との関係は、ユニバーサルジョイントであるとしてモデル化されている。また、本実施形態においては、コンクリートファイバー要素に含まれる複数の分割節点のうちの、同一層の分割節点の各々はＭＰＣ拘束であるとしてモデル化されている。これにより、ＣＦＴ柱についての火災に関するシミュレーションを実行する際に、ＣＦＴ柱に充填されるコンクリートの性質を適切に考慮しつつ、解析負荷を低減させることができる。

＜実施例＞

次に、実施例を示す。本実施例では、上記図４に示される立体架構モデルＲを用いてシミュレーションを行った。図１０に、立体架構モデルＲを用いたシミュレーションの変位コンター図を示す。

図１０に示される結果は、上記図４に示される立体架構モデルＲの１６階のＸ４‐Ｙ４通り付近のＣＦＴ柱モデルの経時変化である。図１０に示される（ａ）は、加熱開始からの経過時間が０分であるときの立体架構モデルＲの状態であり、（ｂ）は、加熱開始からの経過時間が３０分であるときの立体架構モデルＲの状態である。図１０に示される（ｂ）においては点線内のＣＦＴ柱が変形し始めていることがわかる。また、図１０に示される（ｃ）は、加熱開始からの経過時間が３６分であるときの立体架構モデルＲの状態であり、図１０に示される（ｄ）は、加熱開始からの経過時間が４９分であるときの立体架構モデルＲの状態である。加熱開始から時間が経過するにつれて、ＣＦＴ柱の変位が大きくなり、加熱された際のＣＦＴ柱の挙動が適切に模擬されていることがわかる。

次に、比較実験の結果を示す。本実験では、実大試験体による実験と３次元ソリッドＦＥＭモデルによるシミュレーション実験と本実施形態のファイバーモデルによるシミュレーション実験とを行った。

［実大試験体による実験概要］

実大試験体による実験の概要を図１１（ａ）に示す。実大試験体による実験は、図１１（ａ）に示されるように、炉内で加熱を受ける下部柱と加熱を受けない上部柱を一体とする試験体で行った。下部柱の脚部は固定条件になるようＰＣ鋼棒で緊結し、上部柱の頂部は鉛直加力用のジャッキと接続した。また、火災時の梁の伸びだしにより柱に生じる水平方向の強制変形を模擬するため、上下柱をつなぐ接合部には水平加力用のジャッキを設置した。

実大試験体は、初めに上部柱の頂部から鉛直軸力を載荷した後、炉内温度の上昇に伴い下部柱を加熱し、それと同時に、柱の部材角があらかじめ定めた最大部材角に達するように、上下柱の接合部に一定速度で水平方向の強制変位を与え、最大部材角到達後は固定した。炉内温度の上昇は、ISO384に規定された標準加熱温度曲線に従った。

［３次元ソリッドＦＥＭモデルの概要］

ＣＦＴ柱を表す３次元ソリッドＦＥＭモデルによる解析の概要を図１１（ｂ）に示す。３次元ソリッドＦＥＭモデルの鋼管については、鋼管のトッププレートとベースプレートを剛板要素とし、それ以外の鋼管の側面部はシェル要素でモデル化した。また、ＣＦＴ柱の内部に充填されるコンクリートは六面体ソリッド要素（四隅コーナー部は三角柱ソリッド要素）でモデル化した。また、鋼管シェル要素の内側の面と充填されるコンクリートソリッド要素の外側の面との間には、摩擦無しの単純接触を定義した。また、３次元ソリッドＦＥＭモデルのうち、加熱部より上部の非加熱部は、鋼管と内部コンクリートとをそれぞれ１要素のファイバー要素でモデル化し、それらを重複定義した。

３次元ソリッドＦＥＭモデルの高温時の材料特性は、内部に充填されるコンクリート及び外周の鋼管共に、コンクリート強度を実大試験体と同じ（Ｆｃ５０）とする他は、本実施形態のファイバーモデルのモデル化と同じ方針により定めた。ただし、コンクリートの引張側特性として、２０℃引張強度を参考文献（日本建築学会，「鉄筋コンクリート構造計算規準・同解説」，2010）に記載の、曲げ引張強度の平均値より算定した。

また、高温時のコンクリートの引張応力‐ひずみ関係には、参考文献（出雲淳一，島弘，岡村甫，「面内力を受ける鉄筋コンクリート板要素の解析モデル」，コンクリート工学，Vol.25，No.9，pp.107-120，1987.9）に記載の式を採用した。同式における、ひび割れ後の引張応力の再分配に関わる指数ｃの設定においては、ＣＦＴ柱のコンクリートの内部に鉄筋が無いことから、ｃ＝１とした。また、引張応力度が発生している要素にも熱膨張を同様に考慮した。また、断面内の各節点に入力する温度荷重分布は、実験から得られた温度分布を線形に補間して求めた。また、支持条件は、ベースプレートを完全固定とし、非加熱部柱頭を水平変位のみ拘束するローラー支持とした。

［ファイバーモデルの概要］

ファイバーモデルによる解析の概要を図１１（ｃ）に示す。加熱範囲のＣＦＴ柱については、本実施形態のファイバーモデルと同様にモデル化した。従って、図１１（ｃ）に示されるファイバーモデルの加熱部は、本実施形態のＣＦＴ柱モデルＭと同様である。また、ＣＦＴ柱モデルＭの断面内の温度は、実験で求められた温度分布を線形に補間して用いた他は、上記図８に示される算出方法と同じ方針で定めた。また、非加熱部の柱は、３次元ソリッドＦＥＭモデルと同様に鋼管と内部コンクリートの２要素からなるファイバー要素でモデル化した。

［実験結果］

実大試験体、３次元ソリッドＦＥＭモデル、及び本実施形態のファイバーモデルについて、柱頭位置の鉛直変位及び柱頭の回転角を比較した結果を以下に示す。

（１）柱頭の鉛直変位

図１２に、ＣＦＴ柱の柱頭の鉛直変位の比較結果を示す。また、図１３に、火災時のＣＦＴ柱の一般的な挙動を示す。図１２に黒実線で示されるとおり、実験から得られた鉛直の変位は、図１３中の（１）～（４）に示される火災時のＣＦＴ柱の一般的な挙動と同様の挙動が確認されている。なお、図１３中の（１）～（４）は、（１）加熱初期の鋼管温度上昇による伸び変形が生じる領域（鋼管伸張域）、（２）鋼管の塑性変形や局部座屈により収縮が生じる領域（鋼管収縮域）、（３）鋼管の負担していた軸力が充填コンクリートに移行し性状が安定する領域（安定域）、（４）充填コンクリートの温度上昇に伴う破壊から急激な収縮変形が生じる領域（破壊域）である。

これに対し、３次元ソリッドＦＥＭモデル及びファイバーモデルについては、実験結果と同様に、図１３の（１）～（４）の挙動と同じ傾向が得られている。また、実験では６０分を超えたあたりで急激に鉛直変位が大きくなっているのに対し、３次元ソリッドＦＥＭモデルは５９分、ファイバーモデルは５４分で軸力支持能力を喪失していることがわかる。よって、これらのモデルは、実験結果を安全側に再現できていることが確認された。また、本実施形態のファイバーモデルは、火災時のＣＦＴ柱の挙動を適切に模擬できていることが確認された。

（２）柱頭の回転角

図１４に、ＣＦＴ柱の柱頭の回転角の比較結果を示す。図１４に示されるように、３次元ソリッドＦＥＭモデル及びファイバーモデルから得られた柱頭の回転角は、実験より得られた柱頭の回転角をおおむね模擬できていることが確認できる。本実験により、本ファイバーモデルは既往の実験結果と同様の挙動を再現できることが確認された。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

例えば、本実施形態では、火災が発生した際の立体架構シミュレーションを実行する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、立体架構シミュレーションとは異なるシミュレーションによって、火災が発生した際のＣＦＴ柱の挙動を模擬するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、シミュレーションを開始するときから、鋼管ファイバー要素とコンクリートファイバー要素とが鉛直方向の挙動については互いに無拘束であるとしている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、シミュレーションを開始するときには、鋼管ファイバー要素とコンクリートファイバー要素とは、鉛直方向の挙動については互いに拘束であるとし、シミュレーションが実行されている際に予め設定した条件が満たされたときから、鋼管ファイバー要素とコンクリートファイバー要素とが鉛直方向の挙動について互いに無拘束であるようにしてもよい。予め設定した条件の一例としては、コンクリートファイバー要素が所定の温度以上であることが挙げられる。この場合には、コンクリートファイバー要素が所定の温度以上となったときから、鋼管ファイバー要素とコンクリートファイバー要素とが鉛直方向の挙動について互いに無拘束となる。

また、上記実施形態では、柱脚仕口部基準節点と柱脚側端部節点との関係は、単にユニバーサルジョイントであるとしてモデル化する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、柱脚仕口部基準節点と柱脚側端部節点との関係は、ＣＦＴ柱モデルの水平方向を表す二軸（ｘ軸，ｙ軸）において、有限の回転剛性を有するユニバーサルジョイントであるとしてモデル化してもよい。または、柱脚仕口部基準節点と柱脚側端部節点との関係は、ＣＦＴ柱モデルの水平方向を表す二軸（ｘ軸，ｙ軸）において、有限の回転剛性を有しない（例えば、回転剛性が０）ユニバーサルジョイントであるとしてモデル化するようにすることもできる。

また、上記実施形態では、コンクリートファイバー要素に含まれる複数の分割節点のうちの、同一層の分割節点の各々はＭＰＣ拘束であるとしてモデル化されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、コンクリートファイバー要素に含まれる複数の分割節点のうちの、同一層の分割節点の各々は、ＣＦＴ柱モデルの６自由度（ｘ軸方向，ｙ軸方向，ｚ軸方向，ｘ軸周り，ｙ軸周り，及びｚ軸周り）に対して、有限の剛性を有するバネ要素で互いに接続されているとしてモデル化してもよい。

また、上記実施形態のシミュレーション部３０は、伝熱解析により得られた温度分布に応じて、加熱部材の各箇所の温度を表す温度分布を算出する場合（例えば、図８を参照）を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、シミュレーション部３０は、伝熱解析以外に、実験に基づき得られた温度分布に応じて、加熱部材の温度分布を算出するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、温度解析及び熱変形解析を一体としてシミュレーションする場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、温度解析と熱変形解析とを独立のシミュレーションとしてもよい。この場合には、温度解析及び熱変形解析についての解析結果の記憶と繰り返し処理とが別々に実行される。

また、上記では本発明に係るプログラムが記憶部（図示省略）に予め記憶（インストール）されている態様を説明したが、本発明に係るプログラムは、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ及びマイクロＳＤカード等の記録媒体に記録されている形態で提供することも可能である。

１０受付部
２０コンピュータ
２２取得部
２４立体架構モデル記憶部
２６設定条件記憶部
２８設定部
３０シミュレーション部
４０出力部
１００シミュレーション装置
Ｃ_Ｆコンクリートファイバー要素
Ｐ_Ｆ鋼管ファイバー要素

Claims

鋼管と前記鋼管の内部に充填されるコンクリートとを含んで構成されるＣＦＴ（Concrete Filled Steel Tube）構造の柱に関するシミュレーションを実行するシミュレーション装置であって、
ファイバーモデルとしてモデル化された前記ＣＦＴ構造の柱を表すＣＦＴ柱モデルであって、ＣＦＴ柱モデルを平面視した際の外周に前記鋼管のファイバーの要素を表す鋼管ファイバー要素が位置し、ＣＦＴ柱モデルを平面視した際の前記鋼管ファイバー要素の内側に前記コンクリートのファイバーの要素を表す複数のコンクリートファイバー要素が位置しているＣＦＴ柱モデルに基づいて、前記ＣＦＴ構造の柱を含む建物において火災が発生した際のシミュレーションを実行し、前記ＣＦＴ柱モデルの変化に関する情報を取得するシミュレーション部
を含むシミュレーション装置。
前記鋼管ファイバー要素と前記コンクリートファイバー要素とは、前記ＣＦＴ柱モデルが表す柱の鉛直方向の挙動については互いに無拘束であるとしてモデル化され、前記ＣＦＴ柱モデルが表す柱の水平方向の挙動については互いに拘束であるとしてモデル化されている、
請求項１に記載のシミュレーション装置。
前記ＣＦＴ柱モデルのうちの柱脚仕口部を表す柱脚仕口部基準節点と、前記コンクリートのファイバーの要素を表すコンクリートファイバー要素に含まれる複数の分割節点のうちの柱脚側端部を表す柱脚側端部節点との関係は、ユニバーサルジョイントであるとしてモデル化されている、
請求項１又は請求項２に記載のシミュレーション装置。
前記コンクリートのファイバーの要素を表すコンクリートファイバー要素に含まれる複数の分割節点のうちの、同一層の分割節点の各々は多点拘束であるとしてモデル化されている、
請求項１～請求項３の何れか１項に記載のシミュレーション装置。