構造解析

構造設計は、地震中に各部材に生じる力や変形を算定し、それに対する安全性を確認して行われます。その力や変形を算定するプロセスが構造解析です。一般的に構造設計は、部材が劣化しない範囲で⾏われますが、それでは想定外の地震に対する挙動を評価することはできません。

そこで、当社では構造解析技術を高度化し、通常の設計では考慮しない劣化特性まで取り込んだ挙動評価⽅法を構築して精度の高い建物耐震性評価を行います。それにより、建物が倒壊に至るまでの挙動と倒壊に対する余裕度を定量化することができます。
対象物は、超高層建物や、制震・免震建物、各種発電所施設や中低層の重要施設、大空間を有する特殊構造物、通信鉄塔、煙突、さらにはタンク、プラント等土木構造物など、多岐にわたります。

時刻歴応答解析	建物を質量とばねで簡略的にモデル化したせん断型モデルや、構造物を構成する柱や梁、ブレース、壁を忠実にモデル化した立体3次元骨組モデルなど、目的に応じて適切に選択した解析モデルに地震動の時刻歴を入力して時々刻々の応答を算定することにより、地震時の構造物の挙動を評価することができます。
非線形３次元FEM解析	構造部材は、小さな変形の範囲は線形（力を抜くと元に戻る）挙動をしますが、それより大きい変形を受けると損傷を生じ、元に戻らない状態に至ります。そのような部材の非線形挙動を精確に評価するために、部材の形状をそのままメッシュにより細かく分割してモデル化する非線形3次元FEM解析を用いて、大変形時の部材挙動を評価します。
劣化挙動解析	建物が設計で想定したレベルを超える地震動を受けて大きく変形すると、鉄骨の梁端が破断したり、柱脚が局部座屈したりします。このような部材の劣化挙動を取り込んだ解析により、建物が倒壊に至るまでの挙動と倒壊に対する余裕度を定量化することができます。

既存超高層建築物の耐震安全性評価・制震改修設計業務

長年の研究で培ってきた各種解析技術を駆使して、これら既存超高層建築物の耐震安全性評価や制震改修設計に取り組み、東京と大阪に建つ複数の超高層建築物について、サイト波や長周期地震動を含む設計当時のレベルを超える地震動に対する耐震安全性評価や制震改修設計を実施しています。

地震時の建物挙動を評価する時刻歴応答解析では、大変形により特性が劣化することを取り込んだ劣化挙動解析を行い、地震中に構造部材が劣化することはないか、劣化したとしても建物が倒壊につながるような大変形には至らないか、を慎重に評価します。変形が集中してその部材挙動が建物挙動に大きく影響すると考えられる特別な部材については、非線形3次元FEM解析により劣化を含めた挙動を別途評価します。このように建物全体及び各部について詳細に検討し、総合的に耐震安全性を評価します。

各種構造解析技術を用いた火力発電所の構造設計と耐震性評価

大型石炭火力発電ボイラーの支持架構は、最上部の特大トップガーダーからボイラーを吊り下げているため、中央部に大きな吹抜けがある等、一般建築物とは異なる特殊な架構形状を有しています。また、柱スパン、階高が大きく、高さは６０ｍを超えます。支持架構の構成部材は、鉄骨柱、鉄骨梁、鉛直ブレース、水平ブレース等多岐にわたり、地震力には主に各フレームに配置された鉛直ブレースが抵抗します。

当社では、主要耐震要素である鉛直ブレースについて、座屈後の挙動を適切に表現できる復元力履歴特性を取り入れて、３次元立体骨組解析モデルによる地震応答解析を実施し、また床の柔性やねじれの影響を考慮することによって部材レベルでの耐震安全性評価を可能にしています。

また、埋立地などの軟弱地盤に立地される場合が多い火力発電所では、杭も含めた基礎および上部架構の耐震安全性を検討する必要がありますが、それを可能にする地盤、杭、上部架構の連成を考慮する相互作用モデルの高度化に取り組んでいます。

容器構造物の地震時荷重に関する時刻歴応答解析を用いた検討

近年の火力発電や代替エネルギー発電の需要の高まりを受けて、それらに使用する燃料の貯蔵施設（容器構造物）の耐震安全性の検討が求められています。容器構造物に対する従来の設計では地震による動的効果を静的荷重として考慮しますが、大地震に対する応答や動的な検討は通常実施されていません。しかしながら、容器構造物は容器に比べて貯蔵物の重量が大きく、特に大地震時には貯蔵物自体の動きが容器構造物全体の応答に大きな影響を与えかねません。

当社が保有する3次元FEMプログラムを用い、貯蔵物と容器間の荷重伝達を考慮した非線形時刻歴応答解析を行うことから、貯蔵物の地震慣性力が容器に及ぼす圧力の性状や分布を考察できます。容器構造物の地震時動的性状を精密に検討するために、関連解析技術の向上に努めています。