2018 Fiscal Year Annual Research Report
Highly developed CFD method of wind load prediction and ensemble estimation for wind resistant performance based on big data
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17H01303
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
田村 哲郎 東京工業大学, 環境・社会理工学院, 教授 (90251660)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河合 英徳 東京工業大学, 環境・社会理工学院, 助教 (00735376)
坪倉 誠 神戸大学, システム情報学研究科, 教授 (40313366)
吉川 優 大成建設株式会社技術センター, その他部局等, 課長 (60393667)
小野 佳之 株式会社大林組技術研究所, 都市環境技術研究部, 課長 (70393593)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 風荷重 / 耐風設計 / ビックデータ / LES / アンサンブル推定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
実在する建築物を想定したとき、最近の建築物では、日射遮蔽の目的から外壁に縦フィン、横リブなどの環境配慮型の建築パーツが取り付けられることが多く、また高層住宅では、バルコニーなどで大きな風圧が発生することが指摘されている。ここでは、建築パーツに作用する風荷重をLESにより算定し、両者を比較検討して耐風性能を確認するとともに、建築物を対象とするCFDを行う際に、どこまで実形状を再現するかについて検討した。一方、都市に対しては、ビッグデータを活用して地表被覆を再現した数10km範囲の地域の風の流れのLESを実施し、高い建築物で構成される都市被覆の上空で乱流境界層が発達する場合については、都市キャノピーの影響下での平均風速および乱流特性を明らかにし、設計風速の評価を行った。また、局所地形の影響を受けた地域に建つ高層建物群を対象にLES解析を実施し、建物に近寄った斜面により平均風速、乱れの強さおよび最大瞬間風速が大きく変化し、その結果、変動圧力も影響を受け、ときに大きなピーク風圧が発生することを確認した。さらに必要解像度と乱流モデル選定に基づく計算負荷の最適化を進めるために、蓄積された計算例に基づいて計算精度を吟味しながら最低限必要な計算条件を吟味した。計算負荷が低減されても十分な精度の解が得られる計算領域、解像度の計算条件、ならびに乱流場を適切に再現するためのLESのSGSモデルの選定方法を提示した。また、風向によって建築物の空力特性の変化する様子を踏まえながら、空力特性の風向依存性を効率的に把握する方法を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は、建築物まわりの風の乱流場を対象とした高精度計算手法の構築をめざし、解析技術の実証を行うことを目的とした。計算モデルの作成に関して、都市スケールから建築物の部材スケールまで幅の広い対象物の再現性について吟味し、必要なスケールの選定のための考え方を提示した。その結果、合理的風荷重推定のためのCFD技術の準備が達成された。また、都市あるいは地形の影響を受ける地域を対象とし、その計算モデルを作成する上での、地表形態を表現するビッグデータの活用性を明らかにし、また、計算技術については、必要解像度あるいは乱流モデルの適切な選定方法を提示し、CFD技術を大きく発展させる成果が得られた。以上より、現在までの進捗状況は計画を上回っているものと判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、最終年度にあたり、CFD の特徴を活かしながら、スケールの異なる現象を組み合わせた風荷重関連の情報を獲得し、統計的推定に基づく耐風性能評価の知見をまとめることになる。
まず、気象ビッグデータを用いて、気象スケールでの大気境界層・突風の非定常な特性を取り入れながら、都市での工学的な風の変動特性に関するLES（気象スケール事象と都市を組み合わせた融合解析）を実施する。建築物に強風が作用する場合の適切な流入変動風の流れを明らかにするとともに低周波乱流成分のエネルギー散逸過程を吟味した上で、都市・建築物へのインパクトを評価する。
続いて、実在都市（数10km 範囲）の中にある建築物に作用する風荷重のLES 評価をめざし、都市の比較的広い領域の中に当該建築物まわりの狭い範囲の解析領域を重合させて、微細な格子生成を行う。二つの領域を組み合わせた解析から、広域で正確に再現された強風が当該建築物へ作用する場合の風荷重を算定する。
さらに、実被害例を対象とした強風・突風解析に基づくリスク評価と減災概念の導入をめざし、近年の不安定大気により発生した強風・突風の災害に関して、気象モデルとの融合により得られた計算結果の情報をまとめ、建築物の強度情報を組み合わせることで、リスク評価を実施し、推定値のばらつきまで考慮した減災の方策を示す。
最後に、風荷重評価に必要な各種推定値の不確定性に関する定量化を実施し、それらのばらつきに基づき、風速・風圧・風力・荷重のアンサンブル統計値を算定する方法を明らかにする。
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