3次元フレーム構造物の波動伝播特性に関する研究; チモシェンコ梁理論の導入

Wave propagation properties of framed structures based on the Timoshenko beam theory

宮崎 明美

Miyazaki, Akemi

構造物が衝撃的外力を受けたとき、構造物内部では応力波が発生し、接合部や境界における反射や透過を繰返しながら伝播する。この伝播現象を解明することは、いまだ未解明である構造物の接合部等におけるエネルギー逸散現象を解明するための有効な知見となることが期待される。従来の振動モデルでは質量が離散的に扱われているため、対象となる周波数範囲に上限が生じ、伝播現象を正確に表現することができない。一方、質量を連続的に扱った振動モデル(連続体モデル)は周波数範囲の制限がなく波動現象も扱えるため、慣性項の影響という観点からは振動・波動現象の忠実な再現が可能である。本研究では、原子力プラント全容の実運用時における動的現象シミュレーションシステム(3次元仮想振動台)の開発において、特に配管系構造物における応力波伝播現象及び減衰機構の解明を目的とする。著者らはこれまで、連続体モデルを基礎とする3次元フレーム構造物の波動伝播解析手法を開発してきた。本論文では、せん断変形が憂慮される配管系構造物に本手法を適用するためにチモシェンコ梁理論を導入し、梁のせん断波の伝播を厳密に扱える3次元フレーム要素の定式化を示す。また、チモシェンコ梁理論と従来梁理論を比較し、従来梁理論の適用範囲を明示し、本手法の有効性を述べる。

Since it is generally difficult to predict the occurrence of natural disasters such as earthquakes, a performance management system that always maintains the safety and functionalities of structures is required, especially for critical ones like nuclear power plants. In order to realize such a system, it is becoming important to carry out modeling procedures and analyses in detail to better understand the real phenomena. Such details are important in understanding the phenomena occurring in frame structures such as piping systems which are considered to be one of the vulnerable parts in nuclear power plants. The aim of our research is to solve the dynamic behavior of piping systems in nuclear power plants which are complicated assemblages of parts. The spectral element method is adopted in this work and the formulation considering a shear deformation of a frame element is described. The Timoshenko beam theory is introduced for the purpose of this formulation. The validity of the presented element will be shown through comparisons made with the conventional beam.