大象传媒

システム情報系　磯部 大吾郎　教授

　日本の建物は耐震性に优れていると言われますが、実际に大きな地震が起こった际にはたくさんの要因が复合的に重なることで、思わぬ被害が生じることがあります。例えば、东京都心ではビルとビルの间隔が数10センチしか离れていないところがあります。隣り合う建物の高さや强度が异なると、揺れの周期がずれ、建物同士が衝突して壊れる可能性もあります。耐震设计では、建物単独で地震の揺れに耐えられる强度は设定されていますが、外侧から大きなものがぶつかるような衝撃は考虑されていません。同様に、津波に関しても、浮力や漂流物に対する设计指针はまだ十分に整备されていないのが现状です。东日本大震灾を契机に、建物にモノがぶつかることも想定し、これに耐え、壊れずに残るための设计が重要视されるようになっています。

　壊れない建物を设计するには、壊れる条件や衝撃の种类と壊れ方の関係などを理解しなくてはなりません。しかし建物の倒壊は日常的に起こることではありませんし、そのような実験を実施することも困难です。そこで登场するのがシミュレーション技术。磯部さんは「有限要素法」という手法を用いて、さまざまな力、衝撃によって建物が倒壊する挙动をシミュレーションし、そのメカニズムを解析しています。

　2001年9月11日の米国同时多発テロによる世界贸易センタービル倒壊のシミュレーションも行いました。ビルの高层部で発生した火灾が最初の崩壊の原因ですが、その衝撃だけでビル全体があれほどの速度で崩れ去るとはとても考えられません。シミュレーション结果を解析したところ、飞行机が突入した际の衝撃波の伝わり方が推定できました。この衝撃波によって、床を支える梁の接合部が外れ、建物全体を贯くコア柱にかかっていた荷重が一気に消失。その反动でコア柱が縦（铅直）方向に引っ张られ、その连锁によって急速に崩れていったものと推定されました。通常、建物は铅直方向に大きな力で引っ张られることまでは想定していないため、柱の継ぎ目も铅直方向の力には弱い构造になっています。そのせいで、ビル全体が积み木崩しのように一瞬で崩れてしまったのでしょう。こういったことが明らかになるにつれ、アメリカでは建筑基準が変わり、柱を途中で分けて衝撃が全体に伝わらなくする工法が採られるようになりました。

世界贸易センタービル倒壊のシミュレーションはいくつもありますが、ビル1栋を丸ごとモデル化してシミュレーションし、衝撃波の影响を実証したのは磯部さんの研究だけであり、世界的に注目されました。衝撃波が伝播する様子を解析できたのは、磯部さんが开発した有限要素法による倒壊シミュレーション技术の成果でした。有限要素法は、复雑な形状や性质を持つ物体を単纯な形に分割し、个々の要素を简単なモデルに置き换えて表现した后、これらを再构成して全体の挙动を予测するものです。

　日本で最初にこの手法が导入されたのは、船舶工学の分野でした。タンカーや军舰などの船体构造の设计や流体解析から、日本のシミュレーション技术は発展しました。磯部さんはその分野の出身です。この手法は汎用性が高くプログラミングも容易なため、この方法を応用して、より高速でスムーズに动くロボットの设计などにも取り组んでいます。また、このシミュレーションを応用すると、爆薬によるビルの解体时の挙动も再现できます。磯部さんはその研究も行っており、実在するビルを発破解体する颁骋映画制作のアドバイザーを务めたこともあります。

　 　 　

　シミュレーション技术は、事故や灾害をきっかけに、后追い的に研究が进むという侧面は否めません。しかしシミュレーションによって、建物内での强度のバランスや、建物にかかる力をうまく逃がす构造などに関する知见が得られます。その积み重ねが、より安全で灾害に强い建物の设计指针を実现するのです。

文責：広報室 サイエンスコミュニケーター

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