2020 Fiscal Year Annual Research Report
Validation of numerical analysis model for structural seismic response analysis
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18H03795
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| Research Institution | Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology |
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Principal Investigator |
堀 宗朗 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門, 部門長 (00219205)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
本山 紘希 香川大学, 四国危機管理教育・研究・地域連携推進機構, 寄附研究部門教員 (00732281)
澤田 昌孝 一般財団法人電力中央研究所, 地球工学研究所, 上席研究員 (80371417)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 地震応答解析 / 大規模数値計算 / 解析モデル自動構築 / 不確定性定量化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究業績の概要は，仮想供試体と位置付けた超大規模解析モデルの改良，超多数解析モデルのモデル構築の改良，解析モデルの妥当性確認の理論考案，である．
超大規模解析モデルの改良に関して，仮想供試体の自由度1,000万の解析モデルに対し，適切な構造要素を導入し，自由度を下げながら，解析精度を逆に上げることができるハイブリッド解析モデルを検討した．ハイブリッド解析モデルの要諦は，高次の多項式が使える構造要素を，部材の適切な箇所に配置することである．このため，梁・曲がり梁と板・シェルの理論を再構築し，少数の構造要素が多数のソリッド要素の代替となることを示した．
超多数解析モデルの構築の改良は，ハイブリッド解析モデルに対しても，超多数解析モデルが構築できるようにすることを意図している．前述の梁・曲がり梁と板・シェルの理論では，テンソル形式で表現される3次元構成則の一部が，1次元と2次元の構成則に変換されることを理論的に分析している．この分析に基づき，3次元構成則のモデルパラメータの不確定性がどのように構造要素に引きつかれるかを考察した．構造要素の接触剥離に関しても，ソリッド要素の接触剥離と同様の取り扱いが可能であること考察した．
解析モデルの妥当性確認の方法論に関しては，主応力座標系を利用した可視化に成功した．2階対称テンソルである主応力の方向を滑らかに繋ぐ直交曲線座標系が唯一存在することを証明し，その座標系を可視化するプログラムのプログラムを開発した．流体で多用される流線に対応し，固体では主応力の流れが使われる．主応力の流れが滑らかになることが，解析モデルに些末のミスがないことの必要条件となる．一方，互いに交わらない曲線群となる流線と異なり，主応力座標は直交する3つの曲線群を形成する．この結果，網羅的に解析モデルのミスを見つけられることになる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
超大規模解析モデルの改良となる，超大規模ハイブリッド解析モデルは，実用にも適した合理的な解析モデルである．ソリッド要素は，複雑な形状の物体に柔軟に適用できるものの，高精度の計算には多数の要素が必要となる．一方，構造要素は，特定の形状の物体にしか適用できないものの，少数の要素で高精度の計算ができる．構造要素とソリッド要素の長所を活かし，短所を補う，ハイブリッド解析モデルが構築できるようになったことは，満足できる進捗状況である．
ハイブリッド解析モデルに対しても，超多数解析モデルが構築できるようになったことは，本研究課題の目的である解析モデルの妥当性確認を達成する上で重要な進捗である．材料や接合部に不確定性があっても，構造物の応答に大きく影響する不確定性とさほど影響しない不確定性がある．構造物地震応答解析の場合，不確定性の影響の大小は，入力の地震動にも依存する．超多数解析モデルを使った高性能計算で，この点が明確になったことは，重要である．
高性能計算の利用を前提に，超大規模ハイブリッド解析モデルを使うことで，要素寸法や時間刻みに関する数値解析収束性の検証が可能となり，その結果，数値解析の誤差が正確に評価できるようになった．超多数解析モデルを使うことで，正しく，応答に影響する不確定性と応答に影響しない不確定性を区別できるようになった．この二点は，地震応答解析に供する解析モデルの妥当性を検証する上での必須の要件である．高度な解析モデルを使う地震応答解析を実用する際，解析モデルの妥当性を合理的，客観的，汎用的に確認できるような研究成果である．
以上，3つの研究作業は概ね順調に進捗しており，本研究課題の目的である解析モデルの妥当性を確認する方法論の提示は達成可能と判断している．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題は概ね順調に進捗しているため，現時点で，当初の研究計画を変更・修正する必要はない．高性能計算の利用を前提に，超大規模ハイブリッド解析モデルと超多数解析モデルを使う地震応答解析の数値実験を進めることになる．なお，第2階層のスーパーコンピュータと位置付けられている海洋研究開発機構の第4世代地球シミュレータが利用できるようになったため，この利用も視野に入れて，具体的な数値実験の計画を検討し，実施することになる．
超大規模ハイブリッド解析モデルと超多数解析モデルを構築する際，形状が複雑な構造物や，複数の部材が接合する箇所では，解析モデル自動作成プログラムの限界のため，解析モデルに不備が生じる可能性があることが判明した．プログラムの改良は必須であるが，それとは別に，解析モデルの不備が判定できる手法の開発も必要とされる．
本研究課題は，解析モデルの妥当性を確認する方法論を提示することが目的であるが，解析モデルに不備があることは想定されていない．妥当性確認と不備判定は異なる目的であるが，似通っている部分もあるため，妥当性確認の方法論を不備判定に適用することは可能である．
実際，本年度に開発した主応力座標系を表示するプログラムは，不備判定にも有効である．解析モデルの不備のある個所で，主応力座標の軸が不自然に歪むからである．同種の判定は流線を使っても可能であるが，流線は1方向の曲線群しか作らないことに比べ，主応力座標系は互いに直交する3方向の曲線群を作る．この特徴は不備判定には有効であると考えている．
以上，本研究課題は，当初の計画にそって推進する予定である．また，本年度の研究で露見した解析モデルの不備の判定に関して，解析モデルの妥当性確認の方法論を適用するこを検討することも考えている．
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