2020 Fiscal Year Annual Research Report
弾塑性極限外乱法と事前情報を用いた制振構造物のロバスト最適設計法の高度化
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20J20811
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
明橋 弘樹 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | レジリエンス / ロバスト設計 / ダンパー最適配置 / ダブルインパルス / 剛性減衰同時設計 / 弾塑性極限外乱法 / 多目的最適化 / 実数値遺伝的アルゴリズム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度の主な研究成果は、以下の3つにまとめられる。
[1] 弾塑性多層構造物に対する剛性分布と減衰分布の同時最適化手法を提案した。弾塑性モデルに対して常に共振応答を扱うことが可能なダブルインパルスを入力に用いることで、合理的かつ信頼性の高い設計を可能としている。提案手法により、高レベル地震動に対してロバストな設計（塑性変形を全層に分散させる粘り強い設計）を得ることが可能となる。
[2] 構造設計のためのレジリエンス・復旧時間評価モデル及びこれらを指標とした粘性ダンパー最適設計法を構築した。被災後の早期復旧・業務継続の重要性が社会的にも認識されるなかで、復旧性を考慮したレジリエントな構造設計法の必要性が高まっている。提案レジリエンス・復旧時間評価モデルは、建物内の構成要素（構造躯体・非構造・設備）を機能の観点から種々の系統に分類したものであり、復旧力を復旧人員数（マンパワー）として考慮している。提案モデルを用いて、復旧シナリオの不確実性を非確率的に表現しつつ、この不確実性をダンパー設計に反映させることが可能な方法を提案した。最適化手法として、メタヒューリスティクスの一種である実数値遺伝的アルゴリズムと近傍探索を組み合わせた高精度かつ効率的なダンパー設計法を展開した。
[3] 構造躯体及びダンパーの非線形性を考慮した最適設計に関する既往研究を取りまとめ、review論文として発表した。ダンパーを用いる設計では通常、建物を弾性応答に留めることが目標とされるため、ダンパー最適化に関する研究の多くでは建物の弾性応答のみを扱っており、弾塑性建物に対するダンパー最適化を扱った研究は限られたものであった。近年、現行の法律で定められたレベルを大きく上回る地震動が観測されており、設計時の想定レベルを上回るような地震動に対する安全性も考慮した設計が必要とされつつある。
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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
本年度では、弾塑性多層建物モデルを対象としたロバスト設計及びレジリエンス設計法に関する研究を展開し、多数の成果を挙げた。具体的には、査読付き論文3編（国際専門誌であるFrontiers in Built Environment及び日本建築学会構造系論文集）として発表し、また、学会発表も行った。これらの他にも、現在査読論文及び国際会議論文として複数の研究成果を投稿中であり、当初の計画を超える速度で研究が進行している。
主な研究成果としては、1) 弾塑性多層建物に対する剛性・減衰の同時最適設計問題に対する、感度に基づく最適化問題の構築と、2) 建物のレジリエンス性能を総合的に高めるダンパー設計法の構築が挙げられる。特に後者に関して、レジリエンスを対象として最適化を行う場合、復旧シナリオを予め定める必要があるが、特定のシナリオに基づいた設計が他のシナリオに対して有効であるとは限らないという問題がある。これに対して、上下限となる2つのシナリオを用いた多目的最適化を行うことで、復旧シナリオの不確実性を設計に取り入れるという画期的な方法を提案した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度では、弾塑性多層建物モデルを対象としたロバスト設計及びレジリエンス設計に関する研究が当初の計画以上に進展した。これらの成果をさらに深化させ、次に示すような課題に取り組みたいと考えている: 1) レジリエンスモデルの拡張、2) 幅広いレベルの地震動に対するロバスト設計法、3) 弾塑性多層建物に対するインパルスを用いた極限外乱法のさらなる展開、4) 弾塑性骨組みモデルに対する最適設計法。
特に第2項目に関して、近年では、設計時の想定レベルを上回るような大振幅レベルの地震動が多数観測されている。従来の最適設計は、特定のレベルの地震動に対して実行されることがほとんどであったため、地震レベルの不確実性を直接的に考慮したものではなかった。幅広いレベルの地震動に対して有効性の高い設計を数理的に得る方法を展開することを計画している。
また、第3項目に関して、従来の弾塑性多層建物に対するインパルスを用いた極限外乱法は、床加速度・変形応答を過大評価するものであった。主な原因は、インパルスによって高次モード応答が過剰に励起されることにある。実際の断層近傍地震動に対する応答の性質を踏まえて、インパルスを用いた極限外乱に対する床加速度・変形応答の高精度化を図る。
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Research Products
(9 results)
