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[弾塑性地震応答解析ソフト]SS21/DynamicPRO

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(写真)濱尾 博文 様
上島 弘之 様
会社名
株式会社エス・キューブ・アソシエイツ 様
事業内容:
構造設計監理・技術開発
所在地:
京都府京都市

詳細な地盤解析で液状化を評価した免震建物の設計

今回の免震建物の設計で弊社プログラムはどの程度ご利用いただきましたか。

上部構造は一貫構造計算ソフト『SS3』を使用しました。『SS3』の計算結果(スパン長・重量・軸力等)を免震層の配置計画ソフト『IsolationPRO』に転送し、免震層の基本計画に利用しています。

(イメージ『SS21/IsolationPRO』
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▲『SS21/IsolationPRO』

免震建物の時刻歴応答解析は質点系の地震応答解析ソフト『DynamicPRO』を使用しました。上部構造の偏心率を0.15以下、免震層の偏心率を0.03以下にしています。解放工学的基盤における地震波の作成では『正弦波合成法による地震波作成プログラム』を使って「神戸位相波」「乱数位相波」「八戸位相波」を作成しました。

(イメージ『SS21/正弦波合成法による地震波作成プログラム』
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▲『SS21/正弦波合成法による地震波作成プログラム』

建設地は2種地盤ですが、一部の地層で液状化の可能性がありました。液状化地盤としての表層地盤の地震応答解析は、等価線形解析による地震応答解析プログラム『ShakePRO-L』を使い、FL値による液状化判定結果を利用する手法により設計を進めました。設計値の検証として、逐次非線形解析プログラム『ShakePRO』による有効応力解析の結果と等価線形解析による結果を比較し、設計値が応答値を満足することを確認しています。

免震層の配置計画は順調に進みましたか。

敷地の制約から免震層のクリアランスが50cmになりました。初めは鉛プラグ入り積層ゴムを建物の外周部に配置し、すべり支承を組み合わせました。長周期化を計る過程で鉛プラグ入り積層ゴムの一部をすべり支承にすることで周期が4秒程度になり上部構造の応答せん断力はかなり抑えることができたのですが、免震層の応答変位が思うように収まりません。そこでオイルダンパーを追加しましたが、これが応答変位の抑制によく効いて設計目標をクリアしました。

(イメージ『SS21/DynamicPRO』
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▲『SS21/DynamicPRO』

液状化地盤の解析についてお聞かせください。

建設地が2種地盤でしたので、計画当初は液状化層を地盤改良することで告示免震による設計も考えたのですが、行政に確認したところ認めてもらえませんでした。液状化の可能性のある層を含む表層地盤を時刻歴地震応答解析し、大臣認定を取得することになりました。液状化地盤の解析手法としては日本建築学会の「建物と地盤の動的相互作用を考慮した応答解析と耐震設計」に掲載されている「液状化層については補正N値Naから液状化抵抗比を求めてFL値による液状化判定を行った結果を、等価線形解析に反映させる手法」を採用し設計を進めました。液状化層の地盤変形だけがかなり大きくなりましたが、杭の設計はその地盤変形状態を用いて杭の応答変位法により進めました。

(イメージ)『SS21/ShakePRO-L』(等価線形解析に液状化の影響を考慮)
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▲『SS21/ShakePRO-L』(等価線形解析に液状化の影響を考慮)

最終的には、等価線形解析による解析の影響を検証しています。逐次非線形解析プログラム『ShakePRO』による液状化の影響を考慮した「有効応力解析」の結果と比較し、『ShakePRO-L』にFL値による液状化判定結果を利用することで液状化の影響を考慮した「等価線形解析」による結果の妥当性を確認しました。液状化層の変位の最大値は等価線形解析が大きめに出ていて杭の設計については有効応力解析の結果に対しても問題無いことが確認できました。逐次非線形解析により得られる設計用地震波でも上部構造の応答値を確認しました。応答せん断力は有効応力解析の結果が等価線形解析よりも少し大きな値を示しましたが、もともと上部構造の設計用せん断力は等価線形解析による応答値に対して余裕を持たせていましたので設計値に対しては問題無いことが確認できました。

大臣認定の設計図書の中で、地盤の解析に関連して「等価線形解析」と「有効応力解析」による解析結果のシミュレーションも行ったとお聞きしました。

一般に等価線形解析は、地盤の歪みが1%を超えると精度が悪くなり適用範囲を超えると言われています。今回の液状化の可能性のある地層を含む地盤解析も、1つの解析手法とは言え「等価線形解析」を利用していますので、より適用範囲が広く液状化する地盤解析で利用されている「有効応力解析」との結果の違いを確認したいと思いました。そこで、今回採用した解放工学的基盤波に0.1から1.0まで0.1刻みで倍率を変えて各解析手法の結果を比較しました。結果は地盤歪みが1%程度まではよく似た応答結果が得られましたが、そのあたりを超えると違いが広がりました。建設地の地盤による1例ではありますが、一般的に言われていることと同様の結果を示しました。それぞれの結果を1つのグラフで重ねて確認することで、地震動が大きくなっていく過程で各地層がどのような挙動を示すのかがイメージできましたし、等価線形解析の結果がどのように得られているかも確認できました。

▼等価線形解析(ShakePRO-L)と逐次非線形解析(ShakePRO)の最大応答値を比較

(イメージ)告示波加速度×0.1
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▲告示波加速度×0.1

(イメージ)告示波加速度×0.5
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▲告示波加速度×0.5

(イメージ)告示波加速度×1.0
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▲告示波加速度×1.0

その他、ユニオンシステムに対してご意見・ご感想などあれば教えてください。

ユニオンシステムのサポートセンターはもちろんのことユニオンシステムの弊社ご担当者様を通して、解析プログラムに関する情報や技術的内容に関する情報を数多くいただき、かつアドバイスいただける環境をつくっていただけたことが大変助かりました。

本日は、ありがとうございました。


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