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樹木の重力応答と生存戦略から学んだ巨大空間構造の最適設計法

公募研究

研究領域植物の力学的最適化戦略に基づくサステナブル構造システムの基盤創成
研究課題/領域番号 19H05369
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 複合領域
研究機関京都大学

研究代表者

張 景耀  京都大学, 工学研究科, 准教授 (50546736)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円)
2020年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2019年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
キーワード空間構造 / 構造最適化 / 構造解析 / 形状計測 / 成長戦略 / 最適設計法 / 樹木 / 重力応答 / 生存戦略 / 成長応力
研究開始時の研究の概要

空間構造は、美しい形態と合理的力学特性の有機的融合により、少ない材料で高い構造性能と大きな無柱空間を実現している。一方で、樹木は、重力を抵抗しながら自身の体を上方へとのばす仕組みを獲得し、ついに地上で最も巨大な生物である樹木へと進化を遂げた。本研究では、樹木の重力応答と生存戦略を学んで、空間構造のブレークスルー的進化に寄与し、木本植物の重力屈性の力学的メカニズムの解明にも貢献したい。

研究実績の概要

本研究では、地上で最も巨大な生物へと進化した樹木に習い、美しい形態と合理的力学特性を有機的に融合した新たな空間構造システムの創出に挑戦する。三つの有機的連携の課題に対して、それぞれの研究成果は以下のようにまとめられる。
① 成長応力分布解析:幹または枝の外周応力を計測した前提で、その内部に生じる成長応力の分布を数値的に解く手法を提案した。ここで、材料の異方性も含まれている。また、成長応力の原理に基づいて、新たな構造形式(ラーメン構造、トラス構造)の提案にも試みた。さらに、木の成長に伴う成長応力分布をシミュレーションするため、構造解析の有限要素法に基づいた手法を開発した。
② 張力構造最適化:高い対称性(六面体群・八面体群)を利用したテンセグリティ構造の形状決定法と安定性条件を誘導した。また、大きな空間を覆えるドーム状・テンセグリティ構造の位相最適化手法を提案した。さらに、木材の強度的異方性および成長応力をヒントとし、異なる材質を利用した2次元張力トラス構造の最適化手法を提案した。
③ 樹形計測と解析:自動運転で利用されているLiDARを用いて、木の形状にかかわる大規模な点群データを取得した。樹木の実測データに基づいて、L-systemの記号記述法および遺伝的アルゴリズムを用いて、計測された樹木の(位相的)成長規則を同定した。さらに、同定した樹木の成長規則に従い、空間カバー率を最大化する木状建築(群)創生法を提案した。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2021 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 5件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (6件)

  • [国際共同研究] 海南大学/土木工程系(中国)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [雑誌論文] Optimization for energy absorption of 3-dimensional tensegrity lattice with truncated octahedral units2021

    • 著者名/発表者名
      Zhang Jingyao、Ohsaki Makoto、Rimoli Julian J.、Kogiso Kosuke
    • 雑誌名

      Composite Structures

      巻: 267 ページ: 113903-113903

    • DOI

      10.1016/j.compstruct.2021.113903

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Shape optimization of free-form shell structures combining static and dynamic behaviors2021

    • 著者名/発表者名
      Jiang Baoshi、Zhang Jingyao、Ohsaki Makoto
    • 雑誌名

      Structures

      巻: 29 ページ: 1791-1807

    • DOI

      10.1016/j.istruc.2020.12.045

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Topology optimization and shape design method for large-span tensegrity structures with reciprocal struts2020

    • 著者名/発表者名
      Su Yan、Zhang Jingyao、Ohsaki Makoto、Wu Yue
    • 雑誌名

      International Journal of Solids and Structures

      巻: 206 ページ: 9-22

    • DOI

      10.1016/j.ijsolstr.2020.09.002

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Closed-Form Solutions for the Form-Finding of Regular Tensegrity Structures by Group Elements2020

    • 著者名/発表者名
      Zhang Qian、Wang Xinyu、Cai Jianguo、Zhang Jingyao、Feng Jian
    • 雑誌名

      Symmetry

      巻: 12 号: 3 ページ: 374-374

    • DOI

      10.3390/sym12030374

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] A numerical method for form finding and shape optimization of reciprocal structures2019

    • 著者名/発表者名
      Su Yan、Ohsaki Makoto、Wu Yue、Zhang Jingyao
    • 雑誌名

      Engineering Structures

      巻: 198 ページ: 109510-109510

    • DOI

      10.1016/j.engstruct.2019.109510

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 樹木の成長応力を参考にした平面ラーメンの構造計画2020

    • 著者名/発表者名
      寺辻奏芽,張景耀
    • 学会等名
      日本建築学会大会学術講演梗概集(関東)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書 2019 実績報告書
  • [学会発表] 切頂二十面体テンセグリティの自己釣合と安定性条件2020

    • 著者名/発表者名
      小木曽浩介,張景耀, 大崎純
    • 学会等名
      日本建築学会大会学術講演梗概集(関東)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Tensile truss topology optimization using genetic algorithm2020

    • 著者名/発表者名
      周越,張景耀
    • 学会等名
      日本建築学会大会学術講演梗概集(関東)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書 2019 実績報告書
  • [学会発表] 3D スキャナを用いた植物の形状測定と応力解析2020

    • 著者名/発表者名
      杉本涼太朗,張景耀
    • 学会等名
      日本建築学会大会学術講演梗概集(関東)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書 2019 実績報告書
  • [学会発表] 順序統計量に基づいた遺伝的アルゴリズムの性能評価2019

    • 著者名/発表者名
      周越,張景耀
    • 学会等名
      日本建築学会大会学術講演梗概集(北陸)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Topology Optimization of Two-dimensional Tensile Trusses using Genetic Algorithm2019

    • 著者名/発表者名
      周越,張景耀
    • 学会等名
      第14回 コロキウム構造形態の解析と創生
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2021-12-27  

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