転倒降伏耐震壁に関する研究 [ PDF

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(1)転倒降伏耐震壁に関する研究 −２層転倒降伏耐震壁および CFT フレームの静的性状に関する研究−. 峯松徹１研究目的. １）塑性変形は主として、最上層および最下層の短柱と. 中低層建物に用いられる従来型の鉄筋コンクリート. 繋梁のみに生じ、壁板を含む他の部分は弾性体とし. 造連層耐震壁の主な役割は、. て挙動するように設計が可能である。. １）大きな転倒モーメントを負担する。. ２）変形モードは従来の耐震壁と異なり、フレームと同. ２）層崩壊を防止し、地震時の応答層間変形角を高さ方. じ変形モードである。即ち、床スラブ位置で回転を. 向に沿って一様化する。. 生じない。. の二つが考えられる。. ３）基礎の条件に応じて、引張側柱の降伏機構時軸力を. ただし、上記の二つの役割を耐震壁に期待する場合、. 制御することが出来る。４）繋梁は比較的小変形時に降伏するので、履歴ダン. 以下の２点に注意が必要である。１）耐震壁の引張側柱の全主筋が降伏する時の引張軸力. パーとして機能する。. に抵抗できる基礎を設計する必要がある。. 上記の特徴のうち 1)、2)項については、転倒降伏耐. ２）１層においては、耐震壁には大きな塑性ヒンジが形. 震壁の最下層を取り出した 1 層部分縮尺模型実験によ. 成されるが、この塑性ヒンジのせん断破壊を確実に. り、検証されている 1)。また、3)、4)項については、試. 防止する必要がある。. 設計をされた6層建物について、静的および動的応答解. 耐震壁のせん断破壊を確実に防止するためには、設. 析を行うことにより、その有効性が検証されている２）。. 計用せん断力とせん断耐力を精度良く評価する必要が. 本論は壁板に鋼板を用いた２層の転倒降伏耐震壁架. あるが、このことは必ずしも容易ではない。また、性能. 構を持つ建物及びCFT純フレームの実験的研究であり、. 設計の手法を用いて耐震壁の設計を行う場合、以下の. 次のことを研究目的としている。. 問題点がある。. １）転倒降伏耐震壁の耐震性能（特に履歴ダンパー効. １）耐震壁の下層部分には、地震時に大きなせん断力が. 果）の検証。. 作用するため、せん断ひび割れの発生を防ぐことは. ２）転倒降伏耐震壁および CFT 純フレームの静的挙動. 困難な場合が多く、中小地震時にもせん断ひび割れ. を解析によりどこまで説明できるかの検証。. が発生しやすい。. ２実験計画. ２）地震時の応答変形を出来るだけ小さくするために. 試験体は、2 層(最上層と最下層を想定）1 スパンの中. は、小さな変形時にエネルギーを吸収することが望. 央開口型転倒降伏耐震壁、片側開口型転倒降伏耐震壁、. ましいが、耐震壁のエネルギー吸収能力はそれほど. CFT 純フレームの、計 3 体を製作した。なお、試験体製. 優れているとは言い難い。. 作に当っての共通仕様を以下に述べる。1）柱は100×100. 以上のような背景の下に提案されたのが、本論の研. × 4.5mm の CFT 柱とする。2）梁(繋梁）は H-100 × 100. 究対象である転倒降伏耐震壁である。転倒降伏耐震壁. ×6×8mmとする。3）試験体の幅は柱芯距離で1200mm. の主な特徴を以下に述べる。. とする。4)試験体の高さは 1700mm とする。以下、3 体の試験体の詳細について述べる。 2WCO 試験体：繋梁を 2 階床梁の中央に設置した中央開口転倒降伏耐震壁試験体で、中央の開口は200mm。耐震壁部分は RC ではなく鋼板(t=3.2mm)とする。柱頭、柱脚の短柱は柱幅 D(100mm)である。（図 2a 参照）。 2WSO試験体：詳細は2WCO試験体と変わらないが、開. a)せん断降伏 b)曲げ降伏 c)回転降伏 d)転倒降伏図 1 連層耐震壁の各種降伏機構. 口部を片側に寄せているため、2WCO 試験体と比較してより高い水平剛性を期待できる。（図 2b 参照）。. 47-1.

(2) 178. コンクリート充填. コンクリート充填. コンクリート充填. 350. 450 150150. 572. Ｈ-100. 450. 8. 1700. □-100. 100. □-100. 4.5. 900. 単位：mm. 1200. 100 6. H=100 100 6 8. 672. 4.5. 鋼板 PL-572 t=3.2. 鋼板 PL-800 t=3.2. 1700. 8. 178. 口-100 100. 6. 1700. Ｈ-100 100. 672. コンクリート充填. 300. 4.5. 1200. 単位：mm. 1200. 100. (a)2WCO 試験体 (b)2WSO 試験体 (c)2CFTF 試験体図 2 各試験体の詳細図表 1 材料の力学的性質 H- 100 H- 100 2WCO. 100 100. 6. σy. σu. cσB. (MPa). (MPa). (MPa). 342. 461. 8 Fr ange. 6. 8 Web. 346. 473. 100- 4.5）. 417. 478. 235. 340. Steel Tube(□- 100. Wal l Panel (t=3.2) Concr ete H- 100 H- 100 2WSO. 100 100. 6 6. 8 Fr ange. 342. 461. 8 Web. 346. 473. 100- 4.5）. 415. 470. 253. 342. Wal l Panel (t=3.2) Concr ete 2CFTF. H- 100. 100 100. 6 6. 壁部分を除いた試験体であり、CFT 柱とＨ鋼の梁よりなる（図 2c 参照）。試験体に用いた鋼材の力学的性質と、コンクリート. 28.8. Steel Tube(□- 100. H- 100. 2CFTF 試験体：2WCO 試験体、2WSO 試験体から耐震. の試験時材齢における力学的性質を表 1 に示す。加力装置の概略図を図 3 に示す。試験体には、12 層建物の 1 層に生じる軸力に対応する鉛直荷重 300kN(6m. 28.8 8 Fr ange. 342. 461. 8 Web. 346. 473. 100- 4.5）. 428. 487. Steel Tube(□- 100 Concr ete. × 6m スパン建物の 1/5 スケールを想定している)を固定荷重として載荷した。また、上部Ｌ型フレームは１台. 28.8. σy：降伏応力度 σu：引張強さ cσB：コンクリートのシリンダー強度. の鉛直油圧ジャッキにより常に下部 L 型フレームと平行を保つようにした。水平力は油圧ジャッキにより繰返し載荷を行った。載荷プログラムは正負交番漸増振. カウンターバランス装置Ｗ=300kN. 幅繰返し載荷で、各変位振幅で3回の繰返し載荷を行っ. ピン. た。2体の耐震壁試験体に関しては、δ/h=0.02rad.まで、. L型フレーム（上梁）面外補剛装置. CFT 試験体に関してはδ /h=0.025rad. まで載荷した。. ロードセル(50ton). ピン. ピン. 3 実験結果と結果の考察. ロードセル(30ton). 試験体ジャッキ（5０ton）ピン. 図４に各試験体の水平荷重 - 平均層間変形角(以降δ /. W. L型フレーム（下梁）. h と示す)関係を示す。図中の□、○プロットはそれぞれ. ストッパー鉛直ジャッキ（2０ton）. 正加力. 繋梁の降伏時、CFT 柱脚の降伏時を示している。中央開. 負加力. 口試験体に関しては、δ /h=0.0025rad. 程度で繋梁が降伏. 200 繋梁ウェブに亀裂発生. 200. 100. 100. 100. 0. -100. 水平力(kN). 200. 水平力(kN). 水平力(kN). 図 3 加力装置概略図. 0. -100. -100. 繋梁降伏 -200. CFT柱脚降伏 -2.0. -1.0. 0.0. -2. 1.0. 層間変形角(10 rad.). 2.0. 0. 繋梁降伏 CFT柱脚降伏. -200 -2.0. -1.0. 0.0. -2. 1.0. 2.0. 層間変形角(10 rad.). -200. CFT柱脚降伏 -2.0. -1.0. 0.0. 1.0. 層間変形角(10-2rad.). (a)2WCO 試験体 (b)2WSO 試験体 (c)2CFTF 試験体図 4 各試験体の荷重 - 変形関係 47-2. 2.0.

(3) し、δ /h=0.01rad.程度で CFT柱脚が降伏していることが. 0.5. 等価粘性減衰定数 heq. 見て取れる。片側開口試験体に関しては、繋梁の累積塑性変形量が大きいため歪み硬化の影響が顕著になり、最大耐力において中央開口試験体を若干上回っている。 δ/h=0.0025rad.程度で繋梁が降伏し、0.01rad.程度でCFT 柱脚が降伏しているのは同様である。また、δ / h=0.0175rad.の3サイクル目において耐力が急激に低下しているのは、繋梁ウェブに局部座屈に起因する亀裂が生じたためである(写真 1）。CFT 試験体に関しては２体の. 0.4. 0.3. 0.2. 0.1. 0 0.0. 転倒降伏耐震壁試験体と比較して初期剛性は小さく、最. 中央開口試験体片側開口試験体 CFTフレーム試験体. 0.5. 1.0. 1.5. -2. 2.0. 2.5. 層間変形角(10 rad.). 大耐力も半分程度となっている。. 図 5 等価粘性減衰定数 - δ /h 関係いると言える。また、δ /h=0.0025rad. という比較的小さな層間変形時から繋梁の履歴ダンパー効果により高いエネルギー吸収能力が期待でき、δ /h=0.01rad. 程度で CFT 柱降伏後、理想的な転倒モーメント降伏機構を形成し安定した復元力特性を有しているといえる。これが、本研. 亀裂. 究で提案する転倒降伏耐震壁の特性である。 2WCO試験体、2WSO試験体及び2CFTF試験体の実験中の状況を写真 2 に示す。. 写真 1 繋梁ウェブの亀裂発生時(δ /h=0.0075rad.). 4 実験結果の解析による評価本節においては、実験により得られた荷重-変形関係. 図 5 に等価粘性減衰定数(heq)- 層間変形角関係を示. を解析によりどの程度の精度で評価できるかの検証を. す。等価粘性減衰定数は 3 回の繰返し載荷の内の 1 サイ. 行う。解析には、線材要素を用いた有限要素法による 2. クル目の値を各変位振幅ごとに示している。CFT 試験. 剛強な梁. 体と比較して、２体の転倒降伏耐震壁試験体は、ごく早期から層間変形角の増加に伴い、等価粘性減衰定数が上昇している。これはダンパー部材(繋梁)の早期降伏による塑性変形の進展によるもので、その後CFT柱脚の降伏による転倒モーメント降伏機構になることで安定してエネルギーを吸収していることが分かる。以上のことをまとめると2WCO試験体、2WSO試験体. 試験体部分. は、耐震壁特有の高い水平剛性及び水平耐力を保有して. パンダグラフ部分. 図 6 解析モデル(2WCO 試験体). (a)2WCO 試験体 (b)2WSO 試験体 (c)2CFTF 試験体写真 2 各試験体の実験中の状況 47-3.

(4) 200. 100. 100. 100. 0. -100. 水平力(kN). 200. 水平力(kN). 水平力(kN). 200. 0. -100. 解析値実験値. -200 -2.0. -1.0. 0.0. -2. 1.0. 層間変形角(10 rad.). (a)2WCO 試験体. -100. 解析値. -200. 2.0. 0. 実験値 -2.0. -1.0. 0.0. -2. 1.0. 2.0. 層間変形角(10 rad.). (b)2WSO 試験体. 実験値. -200. 解析値 -2.0. -1.0. 0.0. -2. 1.0. 2.0. 層間変形角(10 rad.). (c)2CFTF 試験. 図 7 荷重 - 変形関係(実験値と解析値の比較) 表 2 実験値と解析値の比較(初期剛性と最大耐力). 次元骨組解析プログラム(材料非線形性、幾何学的非線型性を考慮) 3)を用いる。部材はファイバーモデルにより評価する。材料の構成則は、鋼材は大井・秋山モデルとし，コンクリートは CFT 部材であることから耐力劣化のない. 実験値解析値初期剛性最大耐力初期剛性最大耐力 Kex/Kal Hex/Hal Kex(kN/mm) Hex(kN) Kal(kN/mm) Hal(kN) 2WCO 13.79 192 14.16 198 0.97 0.97 2WSO 21.86 205 21.97 201 0.99 1.02 2CFTF 5.42 109 6.68 120 0.81 0.91. 崎野・孫モデルとした。２体の転倒降伏耐震壁試験体の鋼板は、等価な剛性を有する弾性ブレースに. 4 結論. 置換した。また、ヒンジ領域は柱幅、梁せい D とした。. 本論においては、３種類の試験体に関する実験およ. 2WCO試験体の解析モデルを図6に示す。解析モデル. び解析を行い、以下の結論を得た。. は、試験体モデル、パンダグラフ、そしてその 2 つを連. （1）耐震壁の変形性状は、柱頭、柱脚に形成される塑性. 結する剛強な梁よりなっている。加力装置の上下Ｌ型. ヒンジと繋梁の変形性状に支配され、エネルギー吸. 梁は鉛直ジャッキにより常に平行に保たれた状態で変. 収能力の大きい安定した復元力特性を示した。また、. 位するためこのような解析モデルとなっている。2WSO. 繋梁は、小さな層間変形角でせん断降伏し、繰り返. 試験体、2CFTF 試験体も同様の解析モデルをとなって. し載荷時において大きなエネルギーを吸収すること. いる。図 7 に各試験体の荷重 - 変形関係の実験値と解析. から、履歴ダンパーとしての性能を持つことが期待. 値を合わせて示す。また、表2 に各試験体の実験および. できる。. 解析における初期剛性、最大耐力を示す。2WCO試験体. （2）線材要素を用いた 2 次元骨組解析プログラムによ. は、実験値と解析値を比較して初期剛性、最大耐力とも. り、転倒モーメント降伏機構を形成する耐震壁試験. に解析誤差は 3 ％と非常に精度良く評価できている。. 体の実験結果を非常に精度良く評価出来る。また、. 2WSO 試験体は、2WCO試験体と最大耐力は同程度であ. CFT 純フレーム試験体に関しても比較的精度良く評. るが、初期剛性は 1.5 倍程度となっている。実験におい. 価できる。. てウェブに亀裂が生じたためδ /h=0.0175rad. 以降、耐力. 参考文献. が低下しているが、δ /h=0.0175rad. 以前の剛性、耐力は. 1) 崎野建治 , 上枝豊 , 日高桃子 , ：転倒降伏耐震壁に関. ともに非常に精度良く評価できており解析誤差は 2％以. する実験的研究, 日本建築学会研究報告, 日本建築学. 内に収まっている。2CFTF試験体は2WCO試験体、2WSO. 会構造系論文集 , No584, pp.177 − 184, 2004.10. 試験体と比較して、初期剛性は 25％程度、最大耐力は. 2)日高桃子 , 崎野建治 , , 峯松徹：転倒降伏耐震壁の提案. 50％程度である。解析において、最大耐力は解析誤差は. とその構造特性に関する解析的研究, 日本建築学会構. 9％と精度良く評価できているが、初期剛性に関しては. 造系論文集 , No587, pp.139 − 146, 2005.1. 解析誤差は 19％である。これは、鋼管の溶接等による. 3) Kawano, A, Griffith M. C., Joshi, H.R. and Warner, R.F,:. 残留歪みの影響をより強く受けたためと思われる。. Analysis of the Behavior and Collapse of Concrete Frames. 2CFTF 試験体に関しては解析値が実験値をやや上回る. Subjected to Seismic Ground Motion, Research Report. 結果となったが比較的精度良く評価できていると言え. No.R163, Department of Civil and Environmental Engi-. る。. neering, The University of Adelaide,Australia,1998. 11 47-4.

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