シェルの動的安定、耐震・制振・免震構造

シェル・空間構造、鉄骨構造、地震リスク解析、グリッド計算、
構 加藤(史)・中澤・柴田研究室 Key 座屈設計、耐震・免震・制振／shellandspatialstructures,
造 S.Kato,Nakazawa,ShibataLab. Word steelstructures,seismicriskanalysis,gridcomputing,
buckling,vibrationcontrol(baseisolation)
加藤・中澤（現在転出中、H21 より復帰）・柴田研究室では，建築・土木構造物の中でも，シェル・空間構造、鉄骨
構造を対象としています。空間構造や鉄骨構造は，内部に柱の無い大きな空間の構造で，1）小中学校の体育館や大
規模なスポーツ施設や工場等、2）発電所で作られる冷却塔（図 3）や石油などの貯蔵タンクなどに使われています。
この種の構造は公共性が高く，地震，風，積雪に対して十分にその安全性を確保しなければなりません。研究室では，
(1)空間構造物に地震が作用したとき，どのように揺れるか（挙動の分析），(2)どの程度の地震にまで安全か（耐震性
の検討）
，(3)どのように設計をすればより安全か（設計法の提案）
，また，
そのときの被害の予測（地震リスク解析）、最近では，(4)少量でリサイ
クルできる材料と構法を用いた超軽量構造，(4)効率的解析のためのグリ
ッド計算システムについても研究しています。
テーマ 1：シェル･空間構造物の座屈設計
シェル・空間構造は軽量構造として実現できるので，構成部材は細く，
または，薄くなります。このため，構造物全体の座屈や部材の座屈の検
討が極めて重要となります。(1)接合部の実験による挙動の解明，(2)部
材の座屈や塑性化を考慮した解析プログラムを開発するとともに，企業
との共同研究として，ボールジョイント接合による立体トラスのシステ
ムの開発を行ってきました。最近の研究では，(1)蓄積されたデータを
基に空間構造の座屈設計法の開発，(2)これまでに開発した構造解析ソ
フト群の統合化を進め，(3)可視化システム（SPACE mini）を他大学と共
同研究し，学部･大学院での教育にも用いています（図１）
。
テーマ 2：シェル･空間構造物の免震･制振
空間的な広がりを持つ空間構造は，超高層や中高層ビルなどの縦型
の構造物とは異なった揺れ方をします。体育館やスポーツホールなど
の空間構造は，震災時には避難所や防災拠点として利用されるので，
耐震性の向上が必要です。大地震に対する空間構造物の応答性状や崩
壊性状を分析することに加え，耐震性能の評価方法として，(1)空間構
造の限界性能や限界耐力計算法に関する研究，(2)位相差入力を受ける
ドームの地震応答性状，空間構造の免震・制振に関する研究としては，
(3)中間層免震ドームの地震応答性状と設計法，(4)粘弾性ダンパーや制
振ブレースを有する空間構造物の耐震性能評価，(5)制振ブレースを用
いたアーチおよび山形トラス構造の耐震補強法，(６)また、その工法によ
る地震被害軽減効果の分析に関する研究を行っています。
●は塑性ヒンジ
図１
SPACE mini システムの表示例
免震層
(b)免震層
(a)非免震
図２ 大地震時の中間層免震ドームの揺れ
（非免震の場合，ドームは大きく揺れるのに対し，
免震層でドームの応答は大きく低減される。）
(a)ＲＣ造（冷却塔）
(b)膜構造（HP 曲面）
放射環状格子モデル
織格子モデル
テーマ 3：鉄筋コンクリートシェルと膜構造の構成式
シェル・空間構造の中には，東京ドームのような空気膜構造や冷却塔
などの鉄筋コンクリートシェル（ＲＣシェル）などがあります。これら
の構造を安全に建てるためには，材料の持っている物理的な性質（構成
則と言われる応力ひずみ関係式）を決定する必要があります。建築物用
膜材料は一般に膜材料 A 種と呼ばれる四フツ化エチレン樹脂コーティッ
ドガラス繊維平織物です。(1)複雑な２軸応力下での構成則（織格子モデル）
の開発するとともに，(2)施工時解析，(3)クリープおよび応力緩和に関す
る研究も行っています。ＲＣシェルにいては，(4)複雑な２軸応力下での
構成則（放射環状格子モデル）を開発するとともに，(5)冷却塔の振動・崩
壊挙動分析，(6)RC 円筒／球殻の崩壊挙動の分析を行っています。
図３ ＲＣおよび膜構造の構成則モデル
テーマ４：歴史的構造物の力学的挙動の分析
現在の空間構造の元祖であるドームやアーチは古くからあります。古代
ローマのパンテオンは，直径が約 42m もあるドームです。古代のドーム建
築の研究は，建築史の立場からの研究がほとんどですが，構造解析の立場
からドームを含めた空間構造の設計技術の変遷を考察しています。サン
タ・マリア・デル・フィオーレ大聖堂（フィレンツェ，イタリア）やハギ
ヤ・ソフィア寺院（イスタンブール，トルコ）を対象とし，有限要素法に
よる構造解析を行っています（図 4）
。また，他大学と共同研究を行い，こ
れらの研究をもとに歴史的なドームの耐震診断・補強（レトロフィット）
に関して検討しています。
教授：加藤史郎／ShiroKato
Staff 准教授：中澤祥二／ShojiNakazawa
(20年度は転出、21年度に復帰)
准教授：柴田良一／RyoichiShibata
Email
Web
ハギヤソフィア寺院の全景
有限要素法モデル
（イスタンブール，トルコ）
図４ 歴史的構造物の力学的挙動の分析
[email protected]（加藤）
[email protected]（中澤）
[email protected]（柴田）
http://www.st.tutrp.tut.ac.jp/