昨冬、テニスセンターの空気膜ドームが吹雪の中で倒壊し、技術者たちは送風システムの故障による内圧低下か、膜の継ぎ目の致命的な破断という2つの仮説に直面しました。この事故を解明するため、我々の法医学分析チームはRhino 3Dでドームの形状を再現し、厳密なマルチフィジックス研究を実施しました。SAP2000による構造解析とAnsys Fluentによる流体力学を組み合わせることで、倒壊の正確なシーケンスを特定することに成功しました。
連成シミュレーション：Ansys Fluentにおける積雪荷重と風荷重 🌀
Rhino 3DモデルはNURBSサーフェスとしてAnsys Fluentにエクスポートされ、90 km/hの突風プロファイルと45 kg/m2の積雪を伴う風域が設定されました。並行して、SAP2000では膜が設計内圧250 Paのケーブル・膜要素としてモデル化されました。CFDシミュレーションにより、風荷重下では風上側の面に作用する動圧が後方のカバーに負圧を生じさせ、長手方向の継ぎ目にかかる張力が増大することが明らかになりました。結果は、内圧が180 Paを下回ると、PVC素材の弾性限界を23%超える過度な変形が生じることを示しました。
要因の検証：送風機故障 vs. 継ぎ目破断 🔍
データの比較は決定的でした。シミュレーションは、継ぎ目の破断であれば非対称で急速な倒壊を引き起こしたであろう一方、送風機の故障は事故画像で観察された変形パターンと一致する、進行性かつ対称的な沈下を生じさせることを示しました。SAP2000から抽出された内圧対時間の曲線は、送風機の停電に典型的な、250 Paから0 Paへの4秒間での線形的な低下を示しました。これにより、倒壊は膜の破断ではなく、加圧システムの電気的故障によって引き起こされたことが確認されました。
非対称な積雪荷重下での空気膜ドームの動的不安定性を正確にシミュレートするためには、有限要素解析においてどのような剛性および構造減衰パラメータをモデル化すべきでしょうか？
(追記：倒壊をシミュレートするのは簡単です。難しいのは、プログラムがクラッシュしないようにすることです。)