免震構造物の地震時損傷度評価法に関する研究 学位論文内容の要旨

学 位 論 文 題 名

博 士 （ 工 学 ） 菊 地    優

免震構造物の地震時損傷度評価法に関する研究

学位論文内容の要旨

  

免 震 構 造 と は 、 建 物 の 重 量を 支持 し つつ 水！

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方 向に は乗 らか く 変形 する 構造 要素 を 建物 基 礎 部に 設置 する こと で 建物 を地 震動 から 絶 縁す る構 造様 式 であ り、 耐震 設計 の 有丿 丿な 選択 肢 の ， 一 っ と し て 近 年 注 ロ さ れて いる 。 本論 文は 、こ の新 し い構 造様 式で ある 免 震構 造に 若ヒ

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し 、 免 震 構 造 物 の 地 震 峙 安 全 性 の 評 価 を 行 う た め の手 法の 提案 、 なら びに 各種 の検 討 を行 つ ており、全5章よ り構成される。

  

第

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章 は 「 序 論 」 で あ り、 免 震構 造に 関す る礼 会 的・ 技術 的背 景 につ いて 述べ 、さ ら に免 震 備 造に

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剿す る 既往 の伽f究を 整理・概観することで、解 決すべき課題の抽Hいをi・rい、以下に氷 す3点を研究H的 として掲げた。

  (1)

免震装置の 復元力特性の把握と復元カ モデルの提案

  

＠免震構造物 の地震時挙動の把握と応答予 測法の開発

  

＠ 免 震 構 造 物 の 地 震 時 損 傷 度 評 佃

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法 の 提 案 と 設 計 に 対 す る 留 意 点 の

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川

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第2章 「積 層 ゴム の丿 丿学 的 特性 」で は、 兜震 構 造を 具現 化す るLで巌 も重 要 とな る免 震装 陛 の カ 学 的 特 性 に つ い て 検 討 し た 。 本 研 究 で は 、 免 震装 越と して 巌 も一 般的 に川 いら れ てい る 積 層 ゴ ム を 対 象 し た 。 積 層 ゴム は、 ゴ ムを 薄い シー ト状 に して 鋼板 と接 着さ せ 交．

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に 機瑙 さ せ た 僻 造 を 有 す る 。 初 め に 、 積 層 ゴ ム を 理 想 化 し た数 理モ デル に 越換 して 、積 嚠ゴ ム が建 築 竹 造 物 を 支 持 で き る よ う な 高い 鉛直 剛 性を 発揮 する こと を 理論 的に 示し た。 続 いて 、f貞魍 ゴ ム の加 力実 験を 彳了 い 、様 々な 条件 の下 で の復 元力 特性 に つい て倹 討し た。 実 験の 対象 とし た 積 艪ゴ ムは 、高 減衰 積 層ゴ ムと 鉛入 り積 層 ゴムである。 これらの積眉ゴムは減哀性 能をI´、j也 し 、免 震備 造を 実現 す る上 で別 途、 減衰 装 越を必要とし ない利点をイ・ fしている 。いずれの私 層 ゴム もせ ん断 ひず み に応 じて

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覆 歴ル ープ が複 雑 に変 化す る性 質を

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する 。 した がっ て、 こ れらの積層ゴム をJ1］いた免震構造物の挙動 を把握するために、積層ゴムの復・ノじ丿丿特性を統゛

的に表現できる 復元丿丿モデルを提案した。提案した復元丿丿モデルが、これまでイくIlJ．能であっ た人変形に至る 荷重変形関係を適確に表現で きることを示した。

  

第3章 「免 震 構造 物の 振動 特 性」 では 、免 震構 造 物の 振動 特性 およ び地震11｜の 挙動について 述 べ た 。 初 め に 、 免 震 借 造 物 を

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質 点 振 動 モ デ ル に 置 換 し て 基 本 的 な 振 勁 特性 につ い て考 察 し、免震構造物 の振動特性が上部構造を Ji0とした1質点振動モデルに近 い特性であることをヵ・ミ し た。 続い て、

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階 建鉄筋コ ンクリート造建物を上音ls構 造とする彡色震構造物の振 動台尖験を尖 施 して 、免 震構 造物 の 地震 時の 挙動 を検 証 した。免震装 置には;t2章で加丿丿実験を ォfった積卿

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ゴ ム を Hlい 、 設 計 で 想 定 す る 地 震 動 レ ベ ル （1次 ，2次 設 計 レ ベ ル ） か ら 極 大 地 震 動 レ ベ ル ま で の ん ‖ 振 を 行 っ た 。 設 計 レ ペ ル の ヵ ‖ 振 で は 、 積 層 ゴ ム の 種 類 をtlqわ ず 、 上 部 構 造 の 応 答D‖ 迷 度 の 低 減 効 果 が 得 ら れ た 。 さ ら に 、 免 震 構 造 を 採J1jし 上 音Is備 造 を 現 行 の 両 、J震 言 殳 計 購 準 に 則 つ て 設 計 を 行 っ た 場 合 に は 、2次 設 計 レ ベ ル に お い て も‑｜ 部 債 造 は 弾 性 状 態 を 維 持 で き る よ う な 地 震 丿 亅 の 低 減 効 釆 が 雛 認 さ れ た 。 極 人 地 震 レ ベ ル の ん ‖ 振 で は 、 ． 上 二 部 構 造 に 著 し い 損 傷 が 生 じ た が 、f轟 鴈 ニ ，J゛ ´ 、 に は り の 損f蔚 は 認 め ら れ な か っ た 。J一 ネ ル ギ ・ 一 応 答 に 慕 づ ぃ た 免 震 備 造 物 のI.c.蕎 予 洲 り ： にI l弸 す る 検 討 で は 、 総 入 カ エ ネ ル ギ ー 、 最 大 瞬 間 入 カ エ オ 、 ル ギ ― 、 戚 大 瞬 間 損 傷 工 彳 丶 ル ギ ‥ の3挿 類 の エ ネ ル ギ ー 景 と 免 震 装 置 の 最 大 変 形 の 棚 関 性 に つ い て 検 討 し 、 最 大 瞬 f田 損 傷 工 オ 、 ル ギ ー ー が 展 も 高 い 棚 関 ′H： が あ る こ と を 示 し た 。 最 後 に 、 第2聾 で 提 案 し た 積 層 ゴ ム の 復 元 丿 丿 ， で デ ル を 川 い て 、 振 動 台 実 験 結 果 の 再 現 を 試 み た 。 最 人 応 答 値 の 比 較 で は 、 解 析 結 果 は 実 ， 畷{占HIに 対 し て25％ 程 度 の 差 で あ っ た 。 免 震 装 置 の 荷 重 変 形r翊 係 に 闇 し て は 、 実 験 に 用 い た す べ て のf轟 晒 ゴ ム の 荷 重 変 形 関 係 を 良 なrに 表 現 し 、 床 心 答 ス ペ ク ト ル の 比 較 に よ っ て 応 答 の 周)堋 ｜t t1ニ に つ い て も 実 験 結 果 を 良 好 に 再 現 で き た 。 上 部 備 造 の 非 線 形 挙 動 に つ い て は 、 秤 鴈 の 鴈 せ んmf丿 丿 と 鴈{闇 変 形 の 関 係 に つ い て 実 験 結 果 と 良 いj、 亅 ・J む が 得 ら れ 、 部 材 の 損 傷 の 程 度 に つ い て も 実j瞼 オ 占 果 とr司 様 の 損 傷 状 況 と な っ た 。 地 震 応 答 解 析 結 果 と 振 動 台 実 験 ネ む 果 と に 良 いjヰfBがi： ； ら れ た こ と で 、 本i研 究 で 提 案 し た 積 層 ゴ ム の 復 元 カ モ デ ル の 動 丿 亅 学 的 適 用 性 に つ い ても t t‑当′ ルを 示 した ー

  第4帝 ｜ 免 震wJ豊 物 の 地 震 畤 損 傷 度 評 仰i」 で は 、 地 震 に 対 す る 免 震1欝 造 物 の ． ｜ ， ・ ．iBl拵 造 のj員 傷 をfl存 ネ 論 『l'r・ り ： をJ‖ い て 評finiし た 。 地 震 時 損 傷 度 の 評tfn結 果 を ゑ や ネmに 検 討 す る こ と で 、 免 震 j轟 造 物 の 地 え ｜ ミii1′ だ 令1′1： に 刈 す る 一 般 的 な 傾I＾jを 探 り 、 免 震t拵 造 物 の 設 言tに 対 す る 留 意 点 に つ い てj旨 捕l‑た 。oJめ に 、 建 築j薄 造 物 の 地 震 時 損 傷 確 率 の 評fiiに 関 す る 既 衵 ： のfW究 に つ い て 検 討 を'〕 ・ い 、 小M究 で 川 い る ぺ き 損 傷 確 率 のi；r fffii手 法 な ら び に 確 率 モ デ ル の 策 定 を 彳 了 っ た 。 地 震 動 の 不 冊jとrltに 問 す る 情 報 の 欠9.‖ や 免 震 備 造 物 の 非 線 形 の 応 答 特 性 等 を 考 慮 し た 各 種 の 予 f繭 倹i、j結 泉 よ り 、 地 震 動 をm定 的 に 与 え 多 数 の サ ン プ ル を 効 率n´ 、Jに う き 生 さ せ て 地 震 応 答 解 析 を 試tJす る こ と で4H傷 度, T filをirう 方 法 をf欝 築 し た 。 こ の ん ガ ； に は 、 免 震tl欝 造 物 の 非 線 形 応 答4ヤ1：1をI｜gM靜 ｜ 盡のjぬ 傷 雛 キ！ にi白 ：接nっ に 反映 でき る 利ーr1があ る 。免 震t驚造4勿 を 規定 す る各 ノ く ラ メ‑‑‑夕 ‥Iこ 闇 ，4ろ 感 腹nマ 析 で は 、 ．i｜ 部 備 造 の 損 傷 に は 上 部 備 造 の 『 午 伏 耐)Jの ば ら っ き が 最 も 人 き な 彩 貧 【 を 捜 は す こ と がl川 ら か と な っ た 。 そ こ で 、 上 轟fjl捧 造 のl午f火 而J丿 丿 の み に ば ら っ き を ′jえ 、免i´ZfH造と ！ ーて のpiJjqJを2．（ ）‥ イ ．〔1秒 の 範I川で 設 定して、t・ ．部構造の『c‑伏而j丿丿を パラ メ‑  <7‥ ト ト たjH傷 腰 ‖ti線 を 算 定 し た ‥ 薙 礎I司 定 で あ る ゎ ： ヨ ミ1丙 造 と 免 震 構 造 の 損 傷 度mI線 を 比 較 した ネ ；｜f− ！、 ｜. i'flij持jftの 損傷 硫葺 ！ は、 ね ：来 構 造よ り も免 震t博造 の 方が 『午 伏耐ブ丿の変化 に対 し て 敏 感I丶 二 変 化 す る こ と が 明 ら か と な っ た 。 続 い て 、 一 定 超 過 硫 率 の 下 で ．IJ 7LK儲 造 の5乍 容 塑 t′ft キ ： と 必 唖 『 午I人 川/jの 問 係 を 求 め た 。 わ ： 来t舟 造 で は 荊 ： 容 朔 性 串 を 増 や す こ と で 、 必 要 降 伏 剛 丿 丿 が 急 激 に 減 少 う る 紺 果 が 得 ら れ た が 、 こ れ は 花 来 備 造 で は 備 造 物 の 卿 ll： 化 に ‥tい 履 歴 工 ネ ル ギ ‥ 吸 収 がJUj侍 で き る こ と に よ る 。 ー 方 、 免 震 構 造 で は 訥 容 塑rft； キ ！ を 亅 曽1J [Iさ せ た と し て も 、nt氷fi雑J竃 ほ ど 必 擾 『 午 伏 剛 カ は 低 減 さ れ な い 。 こ の 原 凶 に つ い て 究 「9jす る た め に 、I質 点 振 動 系 の 弾 嚠1′t： 定 常f心 答 に つ い て 考 察 し た 。 免 震 備 造 物 の 上 部 備 造 に は 、 免 震 装 隠 と い う フ イ ル 夕 ← ・ を 介 し て 、 免 震}lv造 の 周jWに ほ ぼ 対 応 し た 周Mの 地 震 丿 丿 が 作HJす る と 見 な せ る 。 こ の よ う な 1i'1j LjfnJ或 で 作fTJす る 地 震 カ に 対 し て は 、 慣 性 カ や 減 衰 ブ 丿 に よ る 動 的 な 抵 抗 が 小 さ い こ と か ら 、t｜ 姦Ijt掩J盤 が 『 午 伏 襾 ｜ カ に 達 す る と 急i敏 に̲L部t捧 造 の 塑 ′ は 変 形 が 進 行 ，8． る こ と に な る 。

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したがって、免震t拵造を採用する場合の上部構造の設言tIでは、降伏後の翻 はの統保よりも弾 性状態をネft持することが重要であると結論づけた。

  

第

5

帝

f

結論

J

で は、 本 論文 の結 論を 述べると ともに、今後の課題と展望について言及し たー

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学位論文審査の要旨

学 位 論 文 題 名

免震構造物の地震時損傷度評価法に関する研究

  

免 震 構 造 と は 、 構造 物を 支 持し つつ 水平 方向 に は柔 らか ＜変 形す る 構造 要素 を構 造 物基 礎 部 に 設 置 す る こ と で地 震動 か ら構 造物 を絶 縁す る 構造 形式 であ る。 免 震構 造は 、耐 震 設計 の 有カ な 選択

JJ

攴 のー っと し て近 年注 目さ れ てお り、 今後 一層 普及することが期待さ れている。

  

本 論 文 は 、 こ の 新し い構 造 形式 であ る免 震構 造 に着 目し 、免 震備 造 物の 地震 時損 傷 度を 評 価 す る た め の 于

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： を 提 案 し て い る 。 本 論 文 の 主 要 な 成 果 は 次 の

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ー 虹 に 要 約 さ れ る 。

  

の 免 震 装

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（

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州 噺 ゴ ム ） の 復 元 丿 丿 特 性 の 把 握 と 復 元 丿 丿 モ デ ル の 提 案

  

◎免震構造物の 地震時挙動の把握と地震応答 予測法の開発

  

◎ 免 震 構 造 物 の 地 震 時 損 傷 確 率 評 価 法 の 提 案 と 設 計 に 対 す る 留 意 点 の

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出

  

積 層 ゴ ム は 、 免 震構 造を 具 現化 する 上で 最も 重 要な 装置 であ る。 基 本的 に、 積層 ゴ ムに は 構造 物 を安 定rIりに 支持 し なが ら水 平方 向 ヘ柔 らか く変 形す ることが要求される。 一方、減衰 性 能 の 向 上 を 目 的 とし て様 々 な工 夫が 施さ れる よ うに なり 、積 層ゴ ム のカ 学的 特性 が 多様 化 し単 純 なカ ぎ： モデ ルで は 免震 性能 の把 握 が困 難と なる 状況 が問題視されている。 そこで、本 論 文 で は 、 現 往 主 流 と な り つ っ あ る 減 衰 機能 内包 型の 積 層ゴ ム（ 高減 衰積 層 ゴム

2

種 類と 鉛 入 り 積 層 ゴ ム

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種類 ） を対 象と した カu力実 験を 実 施し 、こ れら の積 贋 ゴム の有 する 復 元力 特 性を 詳 荊0に ォ ピ握 した 。い ずれ の 積層 ゴム もせ ん断 ひ ずみ に応 じて 履 麗ル ープ が複 雑に変化 し、 あ る変 形レ ペル を越 え ると ハー ドニ ン グが 生． じる 複雑 な復元力特性を有して いることが 明ら か とな った 。続 いて 、 積層 ゴム の復 元 力特 性を 適切 に表 現できる復元丿丿モデ ルを新たに 提 案 し た 。 提 案 さ れた 復元 カ モデ ルを 用い て実 験 結果 をシ ミュ レー ト した とこ ろ、 既 往の モ デルでは表現がイ くLIJ．能である複ギ佳な荷重変形関係が非常に高い精度で表現され、提案された モデルの妥当性が 実証されている。

  

免 震 構造 は斬 しい

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拵 造形 式で あ ることにより、宋だ ・人地震を経験しておらず、 終局挙動に つ い て は 不 明 な 点 が多 い。 木 論文 では 、実 在す る 免震 建物 を忠 実に 再 現し た免 震試 験 体の 振 動 台 実 験 を 行 い 、 免震 構造 物 の地 震時 挙動 を詳 細 に解 明し た。 免震 構 造を 採胴 する こ とで 、

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攻 二

一 元

   

   

祐 浩

   

   

山 藤

田

城 石

佐 山

授 授

授 授

教 教

教 教

査 査

査 査

主 副

副 副

基 礎 固 定 で あ る 構造 より も応 答加 速 度の 大幅 な低 減 効果 をjW待で きる こ と、 およ び基 礎固 定 で あ る 構 造 で は 損傷 が生 じる こと が 避け られ ない 地 震動 レペ ルに おい て も構 造物 が弾 性状 態 を 維 持 で き る 地 震カ の低 減効 果を 期 待で きる こと を 示し た。 免震 構造 物 の終 局挙 動に つい て は 、 現 在 一 般 的 に用 いら れて いる 免 震装 置と 上部 構 造の 組み 合わ せで は 、免 震装 ほよ りも 上 部 構造 の方 が著 しく 損 傷を 受け 、免 震 装置 には 十分 な余 裕 があ るこ とを

1

川 らか にした。続い て 、 振 動 台 実 験 をシ ミュ レー トす る ため に、 先に 提 案さ れた 積層 ゴム の 復元 カモ デル を用 い て 免 震 備 造 物 の 地震 応答 解析 を行 っ た。 通常 、免 震 構造 物の 振動 特性 は 免震 装置 部分 に変 形 が集rilし亅｜ 部・キ艝造を剛体とした1質 点振動系に近い性状を示すことから、免震装置の適切な モ デ ル 化 が 応 答 予測 精度 に大 きく 影 響す る。 提案 さ れた 復元 カモ デル を

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い たと ころ 、最 大 応 答 値 の み な ら ず、 免震 装置 や上 部 構造 の荷 重変 形 関係 、応 答ス ベク ト ルに つい て、 実験 結 果 と 解 析 結 果 に は非 常に 良い 対応 が 見ら れた 。し た がっ て、 提案 され た 斛析 手法 によ り免 震 構 造 物 の 地 震 時 挙 動 が 非 常 に 高 い 精 度 で 予 測 で き る こ と を 結 論 づ け て い る 。

  

免震 備造 物の 地震 時 安全 性に つい て は、 未だ 評価 手法 が碓立されてお らず、統― 的な見解 を 得 る に 平 っ て いな い。 そこ で、 先 に行 った 振動 台 実験 から 得ら れた 免 震構 造物 の地 震時 終 局 挙動 を踏 まえ 、免 震 構造 物の 上部 構 造の 損傷 に着 目し た 地震 時損 傷確 率評

fIi

法を新たに提 案 した 。提 案さ れた 方 法は 、免 震構 造 物の 非線 形応 答特 性を損傷確率に 適Lフjに反映させるた め、効！臀的に 発生させたサンプル群の地 震応答カ覃析を試行することで損傷確率を評finiする方 法 であ る。 この ヵ凵 ： によ り、 網羅的に設定 した様々な免震備造物の損 傷{ 毎を算定し免震構 造 物 の 地 震 時 損 傷度 評価 の一 般化 を 計っ た。 建築 構 造物 を対 象と して 現 行の 耐震 規準 に基 づ く 設計 を行 った 構造 物 に免 震構 造を 施 した 場合 には 損傷 稲！率が圧倒的 に低減されることを定 量的に詞t価し た。カ‖えて、免震傭造物の 上部キ冓造は一度塑性化す ると急激に塑性変形が進行 す る免 震+拵造 特有 の応 答性 状 を明 らか にし た。 免 震構 造物 の上 部 構造 では 、基 礎固定の構造 で 期 待 さ れ る 韜 性化 によ る履 歴吸 収 エネ ルギ ーが も たら す応 答の 低減 効 果を 期待 でき ず、 塑 性化後の靭性を む征保する設計よりも弾性状態を維持できる設言・t．が重要であると結論づけた。

  

こ れ を 要 す る に、 著者 は、 免震 構 造物 の地 震時 損 傷度 を評 価す るた め に斬 たな 手法 を提 案 し 、免 震備 造の 有効 性 を実 証す る様 々 な新 知見 を得 てい る こと から 、建 築j静造 学の進歩に貢 献するところ大 なるものがある。

  

よ っ て 皆 酋 は 、 北 海 道 大 学 博 士 （ 工 学 ） の 学 位 を 授 与 さ れ る 資 格 あ る も の と 認 め る 。

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