JP5002376B2 - 設計シミュレーションシステム、設計シミュレーション方法、設計シミュレーションプログラム、及び記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、設計シミュレーションシステムに関し、さらに詳しくは、建造物に設置する制振部材の適正な数と配置位置を決定する設計シミュレーションシステムに関するものである。

地震が多発する日本では、建造物は、その規模に応じた耐震強度を有するように設計されている。阪神大震災以降、一般の住宅の価値を評価する基準に耐震強度が含まれるようになっている。また、特に、高層建造物においては、地震の揺れを抑えて居住性を高めるために制振部材を備えるものが増えており、建造物の規模或いは形状により制振部材の数や配置が適正になるように設計される。一般には、建築に先立って設計段階でコンピュータによるシミュレーショにより建造物の構造解析を行なって制振部材の数と配置位置が決定される。

また、制振部材に関する従来技術として特許文献１には、柱粱架構内に適切にブレース等の耐震要素を高減衰装置を介在させて設置することにより、構造物に高い減衰機能を持たせ、地震や風等の外乱による構造物の揺れを低減する高減衰構造物について開示されている。
また、特許文献２には、建物の周辺の情報に対応した制振装置の種類を記憶しておき、入力された建物の周辺の情報に基づいて、制振装置の種類を選択して表示する制振装置決定装置について開示されている。
特許第５１３３５６号 特開２００７−１０７２０６公報

しかしながら、従来の建造物に制振部材を組み込む際の設計方法は、各建造物ごとに地震応答解析を行い、その結果に基づいて必要減衰量を算定して制振部材の数と配置位置を決定していた。そのため、建造物の数、種類が多くなるとシミュレーションに多大の時間とコストを要するといった問題がある。

また、特許文献１に開示されている従来技術は、高減衰装置の減衰係数を、３次の振動モードに対する減衰定数の最大値と、１次の振動モードに対する減衰定数の最大値との間に設定するので、各建物ごとに３次と1次の振動モードを計算する必要があり、その結果により高減衰装置の種類が増加するといった問題がある。
また、特許文献２に開示されている従来技術においては、制振装置の種類を選択するためには、建物の周辺の情報を正確に入力する必要があり、情報の精度により誤った制振装置を選択する虞がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、予め、類似の構造特性を有する建造物を２つの要素により分解してマトリックスを構成し、このマトリックスの外郭に沿って位置する建造物を代表建造物の候補とし、その候補の中から所定の代表建造物を選択し、この代表建造物をシミュレーションにより地震応答解析を行って必要減衰量を算定することにより、代表建造物以外の建造物に対して地震応答解析を省略することが可能となり、シミュレーションの時間とコストを削減すると共に、制振部材の数と配置位置を精度良く決定することができる設計シミュレーションシステム及び方法を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、振動を吸収する制振部材を備えた建造物の設計シミュレーションシステムであって、耐震要素を使用した建造物の剛性、重量、耐力に係る特性値を算定する特性値算定手段と、所定の地震波を与えた時に該建造物の設計目標を満足する必要減衰量を算定する必要減衰量算定手段と、該必要減衰量算定手段により算定された必要減衰量に基づいて該建造物に必要な制振部材数を算定する制振部材数算定手段と、該制振装置数算定手段により算定された数の制振部材を該建造物のどの位置に配置するかを決定する制振部材配置位置決定手段と、該制振部材配置位置決定手段により決定した配置位置により該建造物の偏心率が適正な値になるか否かを判定する偏心率判定手段と、を備え、類似の構造特性を有する複数の建造物の中から予め選択された複数の代表建造物についての特性値を前記特性値算定手段により夫々算定し、前記必要減衰量算定手段により必要減衰量を夫々算定し、算定された前記特性値及び前記必要減衰量に基づいて前記制振部材数算定手段により前記代表建造物以外の建造物に使用する制振部材の数を算定し、前記制振部材配置位置決定手段により配置位置を夫々決定することを特徴とする。

制振部材を建造物に設置するためには、建造物の必要減衰量を予め知る必要がある。この必要減衰量を算定するためには、建造物に所定の地震波を与えて、地震応答解析を行わなければならない。従って、基本的には各建造物ごとに地震応答解析を行う必要がある。しかし、類似の構造特性を有する建造物の場合は、代表建造物の地震応答解析の結果を反映すれば、他の建造物との間に必要減衰量に大きな誤差が出ないことが知られている。そこで本発明では、類似の構造特性を有する複数の建造物の中から予め選択された複数の代表建造物に対して特性値と必要減衰量を夫々算定し、算定された特性値及び必要減衰量に基づいて、代表建造物以外の建造物に使用する制振部材の数を算定し、配置位置を夫々決定する。これにより、代表建造物以外の建造物に対して地震応答解析を省略することが可能となり、シミュレーションの時間とコストを削減すると共に、制振部材の数と配置位置を精度良く決定することができる。

請求項２は、振動を吸収する制振部材を備えた建造物の設計シミュレーション方法であって、特性値算定手段が、耐震要素を使用した建造物の剛性、重量、耐力に係る特性値を算定するステップと、必要減衰量算定手段が、所定の地震波を与えた時に該建造物の設計目標を満足する必要減衰量を算定するステップと、制振部材数算定手段が、前記必要減衰量算定手段により算定された必要減衰量に基づいて該建造物に必要な制振部材数を算定するステップと、制振部材配置位置決定手段が、前記制振部材数算定手段により算定された数の制振部材を該建造物のどの位置に配置するかを決定するステップと、偏心率判定手段が、前記制振部材配置位置決定手段により決定した配置位置により該建造物の偏心率が適正な値になるか否かを判定するステップと、を備え、類似の構造特性を有する複数の建造物の中から予め選択された複数の代表建造物についての特性値を前記特性値算定手段により夫々算定し、前記必要減衰量算定手段により必要減衰量を夫々算定し、算定された前記特性値及び前記必要減衰量に基づいて前記制振部材数算定手段により前記代表建造物以外の建造物に使用する制振部材の数を算定し、前記制振部材配置位置決定手段により配置位置を夫々決定することを特徴とする。
本発明は請求項１と同様の作用効果を奏する。

請求項３は、コンピュータに請求項２に記載の設計シミュレーション方法を実行させるための設計シミュレーションプログラムである。
本発明によれば、本発明の設計シミュレーション方法をコンピュータが制御可能なＯＳに従ってプログラミングすることにより、そのＯＳを備えたコンピュータであれば同じ処理方法により制御することができる。
請求項４は、請求項３に記載の設計シミュレーションプログラムをコンピュータが読み取り可能な形式で記録したことを特徴とする。
本発明によれば、設計シミュレーションプログラムをコンピュータが読み取り可能な形式で記録媒体に記録することにより、この記録媒体を持ち運ぶことにより何処でもプログラムを稼動することができる。

本発明によれば、類似の構造特性を有する複数の建造物の中から予め選択された複数の代表建造物に対して特性値と必要減衰量を夫々算定し、算定された特性値及び必要減衰量に基づいて、代表建造物以外の建造物に使用する制振部材の数を算定し、配置位置を夫々決定するので、代表建造物以外の建造物に対して地震応答解析を省略することが可能となり、シミュレーションの時間とコストを削減すると共に、制振部材の数と配置位置を精度良く決定することができる。
また、建造物全体の必要減衰係数Ｃｒｅｑが求められれば、制振部材１つの減衰係数Ｃで除算することにより、必要な制振部材の数ｎが求められるので、代表建造物のシミュレーションにより求めた減衰定数ｈから容易に必要減衰係数Ｃｒｅｑと制振装置の数ｎを求めることができる。

また、ｎを偶数とし、且つ、Ｘ，Ｙ方向共に同数制振部材を配置するので、建造物に制振部材を配置した場合に、偏心率を可能な限り抑えることができる。
また、対象となる建造物を２つの要素に分解してマトリックスを構成し、このマトリックスの外郭に沿って位置する建造物を代表建造物の候補とするので、マトリックス内部の対象建造物の地震応答解析を省略することができる。
また、本発明の設計シミュレーション方法をコンピュータが制御可能なＯＳに従ってプログラミングすることにより、そのＯＳを備えたコンピュータであれば同じ処理方法により制御することができる。
また、設計シミュレーションプログラムをコンピュータが読み取り可能な形式で記録媒体に記録することにより、この記録媒体を持ち運ぶことにより何処でもプログラムを稼動することができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の設計シミュレーションシステム１００の機能ブロック図である。この設計シミュレーションシステム１００は、建造物の振動を吸収する制振装置を備えた建造物の設計シミュレーション装置であって、フレーム、パネル、ユニット等の耐震要素１を使用した建造物の剛性、重量、耐力に係る特性値を算定する特性値算定手段２と、所定の地震波３を与えた時に建造物の設計目標を満足する必要減衰量ｈを算定する必要減衰量算定手段４と、必要減衰量算定手段４により算定された必要減衰量ｈに基づいて建造物に必要な制振部材数ｎを算定する制振部材数算定手段６と、制振部材数算定手段６により算定された数ｎの制振部材を建造物のどの位置に配置するかを決定する制振部材配置位置決定手段７と、制振部材配置位置決定手段７により決定した配置位置により建造物の偏心率が適正な値になるか否かを判定する偏心率判定手段８と、を備えて構成されている。尚、制振部材配置位置決定手段７は、偏心率判定手段８によりフィードバックがかかり、偏心率が適正な値でない場合は、再度、制振部材の配置をし直すように構成されている。
そして、類似の構造特性を有する複数の建造物の中から予め選択された複数の代表建造物に対して特性値算定手段２により特性値を夫々算定する。また、必要減衰量算定手段４により必要減衰量を夫々算定し、算定された特性値及び必要減衰量に基づいて、制振装置数算定手段６により代表建造物以外の建造物に使用する制振部材の数を算定し、制振部材配置位置決定手段７により配置位置を夫々決定する。尚、本実施形態では各手段をハードウェアにより構成しているが、コンピュータ等の情報処理装置により、各手段をソフトウェアにより構成してプログラムの手順により各機能を実行するようにしても良い。

即ち、制振部材を建造物に設置するためには、建造物の必要減衰量ｈを予め知る必要がある。この必要減衰量ｈを算定するためには、建造物に所定の地震波３を与えて、地震応答解析を行わなければならない。従って、基本的には各建造物ごとに地震応答解析を行う必要がある。しかし、類似の構造特性を有する建造物の場合は、代表建造物の地震応答解析の結果を反映すれば、他の建造物との間に必要減衰量ｈに大きな誤差が出ないことが知られている。そこで本実施形態では、類似の構造特性を有する複数の建造物の中から予め選択された複数の代表建造物に対して特性値と必要減衰量を夫々算定し、算定された特性値及び必要減衰量に基づいて、代表建造物以外の建造物に使用する制振部材の数ｎを算定し、配置位置を夫々決定する。これにより、代表建造物以外の建造物に対して地震応答解析を省略することが可能となり、シミュレーションの時間とコストを削減すると共に、制振部材の数と配置位置を精度良く決定することができる。

図２は代表建造物を選択する一例を示すマトリックス５０の図である。例えば、類似の構造特性を有する複数の建造物が２階建てと仮定すると、縦軸に１階の重量Ｗ１（屯：ｔ）を表し、横軸に２階の重量Ｗ２（ｔ）を表し、各建造物が×印のように分布しているものとする。例えば、建造物ａは１階の重量が５ｔで２階の重量が５ｔであり、比較的小型の総２階の建造物であることが分かる。また、建造物ｃは、１階の重量が２７ｔで２階の重量が５ｔであり、１階の建屋面積が大きく、２階の建屋面積が小さいことが分かる。また、建造物ｅは、１階の重量が３５ｔで２階の重量も３５ｔであり、比較的大型の総２階の建造物であることが分かる。このように類似の構造特性を有する全ての建造物の１階と２階の建造物の重量をマトリックス５０上にプロットすることにより、図のような分布ができる。そして、マトリックス５０の外郭１１上に沿って位置する建造物ａ〜ｆを代表建造物の候補とし、その中から代表建造物を選択する（実際には、１０００棟の中から２０棟位を選択する）。尚、マトリックス５０を構成する要素として１階と２階の重量を選んだが、これに限らず、間口の大きさと戸並び数を要素としてマトリックスを構成しても良い。
即ち、本実施形態では、地震応答解析の回数を省略するために、代表建造物を選択する。その一つの方法として、類似の構造特性を有する全ての建造物（対象建造物）を２つの要素に分解してマトリックス５０を構成し、このマトリックス５０の外郭１１に沿って位置する建造物ａ〜ｆを代表建造物の候補とする。従って、マトリックス５０の外郭の内部に分布する建造物は、必ず代表建造物ａ〜ｆの何れかに包含される。これにより、マトリックス５０内部の対象建造物の地震応答解析を省略することができる。

図３は固有周期Ｔと等価減衰定数ｈの関係式を算定する方法を説明する図である。図３（ａ）は、桁方向（Ｘ方向）の減衰定数ｈと固有周期の関係をプロットした図である。縦軸に減衰定数ｈ、横軸に固有周期Ｔを表す。この図では、ａ〜ｆまでの建造物をプロットした図である。そして、各プロットを包含するように直線５１を引くと、その直線の近似式がｈ＝０．４Ｔ−０．１４４になったと仮定する。ここで、例えばａ点の建造物の必要減衰量ｈｒｅｑを求める場合は、ａ点から引いた垂線が直線５１と交わる点Ｐとすると、Ｐ点の減衰定数ｈは約０．０３となる。従って、本来プロットしたときの建造物ａの減衰定数ｈは約０．０１５であるが、本発明の手法で求めた減衰定数は２倍の０．０３となり、この値が建造物ａの必要減衰定数ｈｒｅｑとなる。このように、求まった必要減衰定数ｈｒｅｑは必ず建造物ａが必要とする減衰定数ｈより大きくなる。これにより、単純な手法により最適な必要減衰定数ｈｒｅｑを求めることができる。他の建造物についても同様である。
図３（ｂ）は妻方向（Ｙ方向）の減衰定数ｈと固有周期の関係をプロットした図である。当然直線５２の勾配が異なるが、基本的に図３（ａ）と考え方は同様であるので、説明を省略する。

図４は本発明の設計シミュレーションシステム１００の動作を説明するフローチャートである。尚、このフローチャートは、図２の実施形態で説明した代表建造物の必要減衰量ｈを求めるフローチャートである。図１を参照して説明する。まず、フレーム、パネル、ユニット等の耐震要素１を決定する（Ｓ１）。これらの耐震要素１は建造物のプランが決定されると必然的に決まる要素である。次に、ステップＳ１で決定された耐震要素１を使用した建造物の剛性、重量、耐力に係る特性値を特性値算定手段２により算定する（Ｓ２）。ここで、算定された特性値に制限を与えるために、固有周期Ｔを所定の値（例えば０．４秒）以下になるようにステップＳ２を繰り返す（Ｓ３）。ステップＳ３で固有周期Ｔが所定の値になるように特性値が算定されると（Ｓ３でＹＥＳ）、所定の地震波３を与えた時に建造物の設計目標を満足する必要減衰量ｈ（減衰定数）を算定する（Ｓ４）。次に、必要減衰量算定手段４により算定された必要減衰量ｈに基づいて建造物に必要な制振部材数ｎを算定する（Ｓ５）。ここで、建造物の代表的な特性として、剛性、質量、耐力がある。この中で剛性をＫ、質量をＭとしたとき、ω＝（Ｋ／Ｍ）^1/2と表せる。また、必要減衰量算定手段４により算定された減衰定数をｈとした場合、必要減衰係数ＣｒｅｑはＣｒｅｑ＝２ｈ／ω・Ｋにより求められる。従って、建造物全体の必要減衰係数Ｃｒｅｑが求められれば、制振部材１つの減衰係数Ｃで除算することにより、必要な制振部材の数ｎが求められる。これにより、代表建造物のシミュレーションにより求めた減衰定数ｈから容易に必要減衰係数Ｃｒｅｑと制振装置の数ｎを求めることができる。

次に、制振部材の数ｎが決定すると、代表建造物に制振部材を配置する（Ｓ６）。そのとき、制振部材の数ｎを偶数とし、且つ、Ｘ，Ｙ方向共に同数配置する。即ち、建造物の床平面の形は一般的に矩形である。従って制振部材の数ｎが求まれば、その制振部材をバランスよく配置するために、数は偶数であることが好ましい。ここで、制振部材を配置する位置は、代表建造物の偏心が最小になるように配置されなければならない。そこで偏心率を例えば５％以下か否かをチェックして（Ｓ７）、５％以下でなければ（Ｓ７でＮＯ）ステップＳ６に戻って配置をやり直す。即ち、建造物の偏心率を少なくするためには、制振機能をバランスよく機能させることが重要である。従って、座標的にＸ，Ｙ方向には同数制振部材を配置することが好ましい。これにより、建造物に制振部材を配置した場合に、偏心率を可能な限り抑えることができる。

図５は代表建造物により算定した必要減衰量ｈに基づいて、類似の構造特性を有する他の建造物の制振部材の数ｎと配置を決定する動作を説明するフローチャートである。図３のステップＳ１〜Ｓ４により算定した必要減衰量ｈに基づいてＣｒｅｑ＝２ｈ／ω・Ｋを計算して、制振部材１つの減衰係数Ｃで除算することにより必要制振部材の数ｎを算定する（Ｓ１０）。次に、制振部材の数ｎが決定すると、代表建造物に制振部材を配置する（Ｓ１１）。そのとき、制振部材の数ｎを偶数とし、且つ、Ｘ，Ｙ方向共に同数配置する。即ち、建造物の床平面の形は一般的に矩形である。従って制振部材の数ｎが求まれば、その制振部材をバランスよく配置するために、数は偶数であることが好ましい。ここで、制振部材を配置する位置は、代表建造物の偏心が最小になるように配置されなければならない。そこで偏心率を例えば５％以下か否かをチェックして（Ｓ１２）、５％以下でなければ（Ｓ１２でＮＯ）ステップＳ１１に戻って配置をやり直す。
このように、本実施形態によれば、図３のステップＳ１〜Ｓ４を省略して制振装置の数ｎと配置を決定することができる。

本発明の設計シミュレーションシステム１００の機能ブロック図である。 代表建造物を選択する一例を示すマトリックス５０の図である。 固有周期Ｔと等価減衰定数ｈの関係式を算定する方法を説明する図である。 本発明の設計シミュレーションシステム１００の動作を説明するフローチャートである。 代表建造物により算定した必要減衰量ｈに基づいて、類似の構造特性を有する他の建造物の制振部材の数ｎと配置を決定する動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 耐震要素、２ 特性値算定手段、３ 地震波、４ 必要減衰量算定手段、５ 制振部材性能、６ 制振部材数算定手段、７ 制振装置配置位置決定手段、８ 偏心率判定手段、５０ マトリックス、１００ 設計シミュレーションシステム

Claims (4)

1. 振動を吸収する制振部材を備えた建造物の設計シミュレーションシステムであって、
   耐震要素を使用した建造物の剛性、重量、耐力に係る特性値を算定する特性値算定手段と、
   所定の地震波を与えた時に該建造物の設計目標を満足する必要減衰量を算定する必要減衰量算定手段と、
   該必要減衰量算定手段により算定された必要減衰量に基づいて該建造物に必要な制振部材数を算定する制振部材数算定手段と、
   該制振部材数算定手段により算定された数の制振部材を該建造物のどの位置に配置するかを決定する制振部材配置位置決定手段と、
   該制振部材配置位置決定手段により決定した配置位置により該建造物の偏心率が適正な値になるか否かを判定する偏心率判定手段と、を備え、
   類似の構造特性を有する複数の建造物の中から予め選択された複数の代表建造物についての特性値を前記特性値算定手段により夫々算定し、前記必要減衰量算定手段により必要減衰量を夫々算定し、算定された前記特性値及び前記必要減衰量に基づいて前記制振部材数算定手段により前記代表建造物以外の建造物に使用する制振部材の数を算定し、前記制振部材配置位置決定手段により配置位置を夫々決定することを特徴とする設計シミュレーションシステム。
2. 振動を吸収する制振部材を備えた建造物の設計シミュレーション方法であって、
   特性値算定手段が、耐震要素を使用した建造物の剛性、重量、耐力に係る特性値を算定するステップと、
   必要減衰量算定手段が、所定の地震波を与えた時に該建造物の設計目標を満足する必要減衰量を算定するステップと、
   制振部材数算定手段が、前記必要減衰量算定手段により算定された必要減衰量に基づいて該建造物に必要な制振部材数を算定するステップと、
   制振部材配置位置決定手段が、前記制振部材数算定手段により算定された数の制振部材を該建造物のどの位置に配置するかを決定するステップと、
   偏心率判定手段が、前記制振部材配置位置決定手段により決定した配置位置により該建造物の偏心率が適正な値になるか否かを判定するステップと、を備え、
   類似の構造特性を有する複数の建造物の中から予め選択された複数の代表建造物についての特性値を前記特性値算定手段により夫々算定し、前記必要減衰量算定手段により必要減衰量を夫々算定し、算定された前記特性値及び前記必要減衰量に基づいて前記制振部材数算定手段により前記代表建造物以外の建造物に使用する制振部材の数を算定し、前記制振部材配置位置決定手段により配置位置を夫々決定することを特徴とする設計シミュレーション方法。
3. コンピュータに請求項２に記載の設計シミュレーション方法を実行させるための設計シミュレーションプログラム。
4. 請求項３に記載の設計シミュレーションプログラムをコンピュータが読み取り可能な形式で記録したことを特徴とする記録媒体。

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