特開 2023-169420 構造計算支援装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023169420

(43)【公開日】2023-11-29

(54)【発明の名称】構造計算支援装置

(51)【国際特許分類】

   G06F 30/23 20200101AFI20231121BHJP

   G06F 30/13 20200101ALI20231121BHJP

【ＦＩ】

G06F30/23

G06F30/13

【審査請求】有

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023169458

(22)【出願日】2023-09-29

(62)【分割の表示】P 2019204398の分割

【原出願日】2019-11-12

(71)【出願人】

【識別番号】517362853

【氏名又は名称】株式会社アークデータ研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100153268

【弁理士】

【氏名又は名称】吉原 朋重

(72)【発明者】

【氏名】吉沢 俊正

(57)【要約】

【課題】
建築物について、実用的、かつ、簡素化された前提を備える構造計算モデルによって構造分析を行う。
【解決手段】
建築物の構造分析を有限要素法によって行う構造計算支援装置であって、前記建築物のモデル化される一の要素において、垂直な壁柱を備える壁エレメント置換を施すことによって生成される第１の剛性マトリクスと、前記垂直な壁柱に直交する水平な壁柱を備える壁エレメント置換を施すことによって生成される第２の剛性マトリクスと、の行列上同じ位置にある成分どうしを足して生成する第３の剛性マトリクスを用いて、前記建築物のモデル化を行う。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

建築物の構造分析を有限要素法によって行う構造計算支援装置であって、
前記建築物のモデル化される一の要素において、垂直な壁柱を備える壁エレメント置換を施すことによって生成される第１の剛性マトリクスと、前記垂直な壁柱に直交する水平な壁柱を備える壁エレメント置換を施すことによって生成される第２の剛性マトリクスと、の行列上同じ位置にある成分どうしを足して生成する第３の剛性マトリクスを用いて、前記建築物のモデル化を行うことを特徴とする構造計算支援装置。

【請求項2】

前記第１の剛性マトリクスと前記第２の剛性マトリクスとが、４つの同一節点について生成される剛性マトリクスであることを特徴とする請求項１に記載の構造計算支援装置。

【請求項3】

前記垂直な壁柱が、前記一の要素において、左上側に位置する第１の節点と右上側に位置する第２の節点とで形成される上側線と、左下側に位置する第３の節点と右下側に位置する第４の節点とで形成される下側線と、を結ぶ垂直材であり、
前記水平な壁柱が、前記一の要素において、前記第１の節点と前記第３の節点とで形成される左側線と、前記第２の節点と前記第４の節点とで形成される右側線と、を結ぶ水平材であることを特徴とする請求項２に記載の構造計算支援装置。

【請求項4】

前記垂直な壁柱と前記上側線との交点、前記垂直な壁柱と前記下側線との交点、前記水平な壁柱と前記左側線との交点及び前記水平な壁柱と前記右側線との交点に、軸応力を測定する軸ばね、せん断応力を測定するせん断ばね及び曲げ応力を測定する回転ばねが配置され、前記軸ばね、前記せん断ばね及び前記回転ばねの各測定値に基づいて、各節点の変位量を算出することを特徴とする請求項３に記載の構造計算支援装置。

【請求項5】

前記一の要素の節点における応力の大きさを表すベクトルが、前記第３の剛性マトリクスに、右側から各節点における変位量の大きさを表すベクトルを乗じたものと等しくなるという剛性方程式を生成することによって、前記建築物の構造分析を行うことを特徴とする請求項４に記載の構造計算支援装置。

【請求項6】

建築物の構造分析を有限要素法によって行う装置において行われる構造計算支援方法であって、
前記建築物のモデル化される一の要素において、垂直な壁柱を備える壁エレメント置換を施すことによって生成される第１の剛性マトリクスと、前記垂直な壁柱に直交する水平な壁柱を備える壁エレメント置換を施すことによって生成される第２の剛性マトリクスと、の行列上同じ位置にある成分どうしを足して生成する第３の剛性マトリクスを用いて、前記建築物のモデル化を行うことを特徴とする構造計算支援方法。

【請求項7】

前記第１の剛性マトリクスと前記第２の剛性マトリクスとが、４つの同一節点について生成される剛性マトリクスであることを特徴とする請求項６に記載の構造計算支援方法。

【請求項8】

前記垂直な壁柱が、前記一の要素において、左上側に位置する第１の節点と右上側に位置する第２の節点とで形成される上側線と、左下側に位置する第３の節点と右下側に位置する第４の節点とで形成される下側線と、を結ぶ垂直材であり、
前記水平な壁柱が、前記一の要素において、前記第１の節点と前記第３の節点とで形成される左側線と、前記第２の節点と前記第４の節点とで形成される右側線と、を結ぶ水平材であることを特徴とする請求項７に記載の構造計算支援方法。

【請求項9】

前記垂直な壁柱と前記上側線との交点、前記垂直な壁柱と前記下側線との交点、前記水平な壁柱と前記左側線との交点及び前記水平な壁柱と前記右側線との交点に、軸応力を測定する軸ばね、せん断応力を測定するせん断ばね及び曲げ応力を測定する回転ばねが配置され、前記軸ばね、前記せん断ばね及び前記回転ばねの各測定値に基づいて、各節点の変位量を算出することを特徴とする請求項８に記載の構造計算支援方法。

【請求項10】

前記一の要素の節点における応力の大きさを表すベクトルが、前記第３の剛性マトリクスに、右側から各節点における変位量の大きさを表すベクトルを乗じたものと等しくなるという剛性方程式を生成することによって、前記建築物の構造分析を行うことを特徴とする請求項９に記載の構造計算支援方法。

【請求項11】

コンピューターに、請求項６乃至１０の何れか一に記載の方法を実行させるための構造計算支援プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

建築物の構造分析を有限要素法によって行う装置の技術に関する。

【背景技術】

【0002】

ＣＬＴは１９９５年頃からオーストリアを中心として発展し、現在では、イギリスやスイス、イタリアなどヨーロッパ各国でも様々な建築物に利用されている。また、カナダやアメリカ、オーストラリアでもＣＬＴを使った高層建築が建てられるなど、ＣＬＴの利用は近年になり各国で急速な伸びを見せている。

【0003】

日本では２０１３年１２月に製造規格となるＪＡＳ（日本農林規格）が制定され、２０１６年４月にＣＬＴ関連の建築基準法告示が公布・施行された。これらにより、ＣＬＴの一般利用がスタートした。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】建築技術２０１７年２月号、Ｎｏ．８０５、平成２９年１月１７日発行、株式会社建築技術

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＣＬＴ材を使用する部位のモデル化手法として、非特許文献１の１１１頁図１１で示されるようなモデルが提案されているが、各要素の外側にばねを配置する必要があるなど、構造計算モデルの前提が複雑であるという問題点がある。

【0006】

そこで本発明では、上記問題点に鑑み、建築物について、実用的、かつ、簡素化された前提を備える構造計算モデルによって構造分析を行う構造計算支援装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

開示する構造計算支援装置の一形態は、建築物の構造分析を有限要素法によって行う構造計算支援装置であって、前記建築物のモデル化される一の要素において、垂直な壁柱を備える壁エレメント置換を施すことによって生成される第１の剛性マトリクスと、前記垂直な壁柱に直交する水平な壁柱を備える壁エレメント置換を施すことによって生成される第２の剛性マトリクスと、の行列上同じ位置にある成分どうしを足して生成する第３の剛性マトリクスを用いて、前記建築物のモデル化を行うことを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

開示する構造計算支援装置は、建築物について、実用的、かつ、簡素化された前提を備える構造計算モデルによって構造分析を行う。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施の形態に係る壁エレメント置換（壁柱：垂直材）を説明する図である。

【図2】本実施の形態に係る第１の剛性マトリクスを説明する図である。

【図3】本実施の形態に係る壁エレメント置換（壁柱：水平材）を説明する図である。

【図4】本実施の形態に係る第２の剛性マトリクスを説明する図である。

【図5】本実施の形態に係る壁エレメント置換（壁柱：垂直材＋水平材）を説明する図である。

【図6】本実施の形態に係る壁エレメント置換（壁柱：垂直材＋水平材）を説明する図である。

【図7】本実施の形態に係る第３の剛性マトリクスを説明する図である。

【図8】本実施の形態に係る構造計算支援装置のハードウエア構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について説明する。
（本実施の形態に係る構造計算支援装置の動作原理）

【0011】

図１乃至７を用いて、本実施の形態に係る構造計算支援装置（以下、単に「本装置」という。）１の動作原理について説明する。図１、３、５、６は、本装置１におけるモデル化の手法を説明する図であり、図２、４、７は、本装置１におけるモデル化で取り扱う剛性マトリクスを説明するための図である。

【0012】

本装置１は、ＣＬＴ（Cross Laminated Timber）材２を使用する建築物４の構造分析を有限要素法によって行う。従って、本装置１は、構造分析の対象となる建築物４を要素６に分割し、要素６毎の応力や変形を求め、所定の箇所において要素６に関する分析を積み重ねることによって、建築物４における所定の箇所の構造分析を行う。

【0013】

図１、３、５、６で示すように、一の要素６は、左上側に位置する第１の節点１０、右上側に位置する第２の節点１２、左下側に位置する第３の節点１４、右下側に位置する第４の節点１６を備える。ここで、第１の節点１０と第２の節点１２とを結ぶ線を上側線１８と呼び、第３の節点１４と第４の節点１６とを結ぶ線を下側線２０と呼び、第１の節点１０と第３の節点１４とを結ぶ線を左側線２２と呼び、第２の節点１２と第４の節点１６とを結ぶ線を右側線２４と呼ぶ。

【0014】

図１で示すように、本装置１では、一の要素６において、建築物４の壁エレメント置換２８を行う。壁エレメント置換２８によるモデル化においては、上側線１８と下側線２０との中点どうしを結ぶ垂直材である壁柱２６を備えるものと想定する。

【0015】

図２で示すように、壁エレメント置換２８によるモデル化によって、一の要素６の節点１０、１２、１４、１６における応力の大きさを表すベクトルが、第１の剛性マトリクス３４に、右側から各節点１０、１２、１４、１６における変位量の大きさを表すベクトルを乗じた剛性方程式が生成される。第１の剛性マトリクス３４は、建築物４のモデル化される一の要素６において、垂直な壁柱２６を備える壁エレメント置換２８を施すことによって生成される剛性マトリクスである。

【0016】

図３で示すように、本装置１では、一の要素６において、建築物４の壁エレメント置換３２を行う。壁エレメント置換３２によるモデル化においては、左側線２２と右側線２４との中点どうしを結ぶ水平材である壁柱３０を備えるものと想定する。なお、壁柱２６と壁柱３０とは直交する。

【0017】

図４で示すように、壁エレメント置換３２によるモデル化によって、一の要素６の節点１０、１２、１４、１６における応力の大きさを表すベクトルが、第２の剛性マトリクス３６に、右側から各節点１０、１２、１４、１６における変位量の大きさを表すベクトルを乗じた剛性方程式が生成される。第２の剛性マトリクス３６は、建築物４のモデル化される一の要素６において、水平な壁柱３０を備える壁エレメント置換３２を施すことによって生成される剛性マトリクスである。

【0018】

図５及び６で示すように、壁エレメント置換２８、３２の節点１０、１２、１４、１６が同一であるため、本装置１は、壁エレメント置換２８、３２の合成を行うことによって、一の要素６におけるモデル化を行う。つまり、本装置１は、一の要素６において、第１の剛性マトリクス３４及び第２の剛性マトリクス３６それぞれの行列上同じ位置にある成分どうしを足した第３の剛性マトリクス３８を生成する。

【0019】

図７で示すように、壁エレメント置換２８、３２を合成したモデル化によって、一の要素６の節点１０、１２、１４、１６における応力の大きさを表すベクトルが、第３の剛性マトリクス３８に、右側から各節点１０、１２、１４、１６における変位量の大きさを表すベクトルを乗じた剛性方程式が生成される。

【0020】

本装置１による建築物４のモデル化において、壁柱２６、３０と線１８、２０、２２、２４との交点それぞれには、軸応力を測定する軸ばね４０、せん断応力を測定するせん断ばね４２及び曲げ応力を測定する回転ばね４４が配置される。そして、本装置１は、軸ばね４０、せん断ばね４２及び回転ばね４４の各測定値に基づいて、各節点１０、１２、１４、１６の変位量、応力等を算出する。

【0021】

図７で示すように、本装置１は、第３の剛性マトリクス３８を備える剛性方程式によって建築物４をモデル化して、建築物４における所定の箇所の構造分析を行う。

【0022】

上記動作原理によって、本装置１は、ＣＬＴ材２を使用する建築物４について、実用的、かつ、簡素化された前提を備える構造計算モデルによって構造分析を行う。
（本実施の形態に係る構造計算支援装置のハードウエア構成例）

【0023】

図８を用いて、本装置１のハードウエア構成例について説明する。図８は、本装置１のハードウエア構成の一例を示す図である。図８で示すように、本装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５２、ＲＯＭ（Read-Only Memory）５４、ＲＡＭ（Random Access Memory）５６、補助記憶装置５８、通信Ｉ／Ｆ６０、入力装置６２、出力装置（表示装置）６４、記録媒体Ｉ／Ｆ６６を有する。

【0024】

ＣＰＵ５２は、ＲＯＭ５４に記憶されたプログラムを実行する装置であり、ＲＡＭ５６に展開（ロード）されたデータを、プログラムの命令に従って演算処理し、本装置１全体を制御する。ＲＯＭ５４は、ＣＰＵ５２が実行するプログラムやデータを記憶している。ＲＡＭ５６は、ＣＰＵ５２でＲＯＭ５４に記憶されたプログラムを実行する際に、実行するプログラムやデータが展開（ロード）され、演算の間、演算データを一時的に保持する。

【0025】

補助記憶装置５８は、基本ソフトウエアであるＯＳ（Operating System）や本実施の形態に係るアプリケーションプログラムなどを、関連するデータとともに記憶する装置であり、例えば、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）やフラッシュメモリなどである。

【0026】

通信Ｉ／Ｆ６０は、有線・無線ＬＡＮ（Local Area Network）、インターネットなどの通信ネットワークに接続し、通信機能を提供する他装置とデータの授受を行うためのインターフェースである。

【0027】

入力装置６２は、キーボードやタッチパネルなど本装置１にデータ入力を行うための装置である。本装置１は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等で構成される装置であり、本装置１が有する機能をユーザーが利用する際や各種設定を行う際のユーザーインターフェースとして機能する装置である。
記録媒体Ｉ／Ｆ６６は、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、ＵＳＢメモリなどの記録媒体６８とデータの送受信を行うためのインターフェースである。

【0028】

本装置１が有する各手段は、ＣＰＵ５２が、ＲＯＭ５４又は補助記憶装置５８に記憶された各手段に対応するプログラムを実行することにより実現される形態としても良い。また、本装置１が有する各手段は、当該各手段に関する処理をハードウエアとして実現される形態としても良い。また、通信Ｉ／Ｆ６０を介して外部サーバー装置から本発明に係るプログラムを読み込ませたり、記録媒体Ｉ／Ｆ６６を介して記録媒体６８から本発明に係るプログラムを読み込ませたりして、本装置１に当該プログラムを実行させる形態としても良い。

【0029】

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲において、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0030】

１ 構造計算支援装置
２ ＣＬＴ（Cross Laminated Timber）材
４ ＣＬＴ材を使用する建築物
６ 有限要素法における要素
８ 節点
１０ 第１の節点
１２ 第２の節点
１４ 第３の節点
１６ 第４の節点
１８ 上側線
２０ 下側線
２２ 左側線
２４ 右側線
２６ 垂直な壁柱
２８ 垂直な壁柱を備える壁エレメント置換
３０ 水平な壁柱
３２ 水平な壁柱を備える壁エレメント置換
３４ 第１の剛性マトリクス
３６ 第２の剛性マトリクス
３８ 第３の剛性マトリクス
４０ 軸ばね
４２ せん断ばね
４４ 回転ばね
５２ ＣＰＵ
５４ ＲＯＭ
５６ ＲＡＭ
５８ 補助記憶装置
６０ 通信インターフェース
６２ 入力装置
６４ 出力装置
６６ 記憶媒体インターフェース
６８ 記憶媒体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】