平成23年度建築基準整備促進事業
27-2. 長周期地震動に対する鉄骨造建築物の
安全性検証方法に関する検討
事業報告
鹿島建設株式会社 株式会社 大林組 清水建設株式会社 大成建設株式会社 株式会社 竹中工務店 株式会社 小堀鐸二研究所2012年4月11日
長周期地震動入力時には骨組を構成する部材は、多数回の繰り返し変形を受ける が、繰り返し数が部材および接合部に及ぼす影響については、不明な点が多い。 ⇒（イ）多数回繰り返し荷重を受ける鉄骨造建築物の構造実験の実施 ⇒部材、接合部、部分架構および実大レベルの骨組の限界性能を把握。 27-2. 長周期地震動に対する鉄骨造建築物の安全性検証方法に関する検討
本検討の背景
建物の構造特性は建物強度，架構形式の違いによる影響が大きいので、応答解析 で長周期地震動下の耐震性能を検討する必要あり。実建物の地震観測も重要。 ⇒ （ロ）長周期地震動に対する鉄骨造の応答評価の実施 ⇒ （ハ）超高層鉄骨造建築物の地震観測の実施 東日本大震災時の応答挙動 の調査結果を耐震安全性評価 へ反映。 ⇒ （二）東日本大震災によるS 造高層建築物の挙動調査と反 映項目の整理・検討実施体制
学識経験者 【委員長】 森田耕次教授 (東京電機大学) 【学識委員】 中島正愛教授 (京都大学) 山田哲准教授 (東京工業大学) 【研究委員会（平成23年度）】 建築研究所 鹿島 小堀鐸研 大成 竹中 大林 清水 幹事会社 事業主体 共同 研究 指導 助言 実験WG 解析WG 観測WG 柱 梁 部分 骨組 梁端 国土技術政策 総合研究所 （協力委員） 本委員会 推進委員会 震災分析 WG部材・部分架構実験（梁部材１）
実験概要
H22年度と異なる幅厚比ランクの梁部材を対象とした載荷実験を実施し、多数回繰返し変 位履歴下における梁部材の保有性能を把握。 ⇒ H22年度の成果を拡充 ・縮 尺：実大相当 ・梁断面形状：H形 ・梁の幅厚比ランク：フランジFA、ウェブFD ・試験体数：6体 ・実験パラメータ： ①変位振幅：一定振幅、変動振幅 ②スラブの有無 実験状況 実験状況 実験イメージ 実験イメージ 実験パラメータ 試験体名 梁断面（鋼種） スラブ有 無 変位振幅 AD-2 BH-600×200 ×9×16 (SM490A) なし ±2δp AD-2.5 ±2.5δp AD-3 ±3δp AD-R1 変動振幅1 AD-R2 変動振幅2 AD-2-S あり ±2δp ※δp ：純鉄骨梁の全塑性耐力に対応する梁弾性変形計算値 （21.9mm） A-A’断面 局部座屈の 発生・成長 梁部材 柱部材 A A’ 0 8 16 24 32 変 位 振幅 （塑性 率） 繰返し数N 3.0 2.5 2.0 0 -2.0 -2.5 -3.0 変動振幅1 0 16 32 変 位振幅 （塑性 率 ） 繰返し数N 2.25 2.5 2.0 0 -2.0 -2.5 -2.25 変動振幅パターン 変動振幅パターン 変動振幅2(イ)多数回繰り返し荷重を受ける鉄骨造建築物の構造実験の実施
部材・部分架構実験（梁部材２）
実験結果
1) ウェブ、フランジの順で局部座屈→緩やかに耐力低下→き裂により耐力低下顕著 2) 一定振幅載荷：90％耐力時の「変位振幅（塑性率） -繰返し数関係」回帰式を提案 3) スラブの影響：純鉄骨梁と比べて局部座屈による耐力低下が顕著。 合成梁の剛性を考慮して塑性率を補正 → 純鉄骨梁と同様に評価 4) 変動振幅載荷： 90％耐力時の累積損傷度（Ｄ90%）を回帰式を用いて評価 → 変動振幅1：Ｄ90%=1.018, 変動振幅2：Ｄ90%= 0.716 最終破壊状況 最終破壊状況 荷重 荷重--変形関係変形関係 変位振幅－繰返し数関係 変位振幅－繰返し数関係 1 10 1 10 100 1000 変 位振幅 (塑性率 )δ /δp 繰返し数(0.9Qmax時)N90% AD(0.9Qmax) AD回帰式 BA(0.9Qmax) BD(0.9Qmax) H23年度 H22年度 AD-2-S (δ/δp)×cN90%0.161=4.09 AD-2-S(塑性率補正) (δ/δp)×cN90%0.123=3.72 (δ/δp)×cN90%0.161=3.65 AD-3 AD-2-S 局部座屈 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 -100 -50 0 50 100 Qp -Qp Qmax(+2c) -Qmax(-2c) 0.9Qmax(+11c) -0.9Qmax(-8c) 破断(+70c) せん 断力 Q( kN ) 1/200 1/100 1/50 梁部材角(rad.) 梁部材変形δ(mm) 1δp 2δp 3δp AD-3部材・部分架構実験（柱梁接合部の梁端溶接部１）
実験概要
(1) 塑性率１以下の小変位振幅における疲労寿命の把握 (2) 変動振幅履歴下における累積損傷度評価法の妥当性検証 (3) 床スラブの存在，梁断面寸法の相違が疲労寿命に与える影響評価 ・試験体数 ： ８体 ・縮尺 ： 実大相当 ・梁断面 ： BH-600×200×12×19 / BH–800×300×16×32 ・実験パラメータ ： 〔梁端接合形式〕 現場溶接形式 / 工場溶接形式 〔載荷パターン〕 一定振幅（塑性率0.9～3.0） / 変動振幅 〔スラブの有・無〕 鉄骨梁 / 合成梁 加力装置 加力装置 梁端接合形式 梁端接合形式 （現場溶接形式） （現場溶接形式） （工場溶接形式）（工場溶接形式） 柱 梁 振幅 振幅 サイクル サイクル 破壊するまで 破壊するまで 一定振幅載荷例 一定振幅載荷例 サイクル サイクル 変動振幅載荷例 変動振幅載荷例 振幅 振幅実験結果
（1） 変位振幅と90％耐力時繰返し数の関係およ び変位振幅とフランジ破断時繰返し数の関係 ⇒ 梁端接合形式別の実験回帰式 〔実験範囲〕 梁せい 600，800 mm 塑性率 0.9 ～ 3.0 （2）合成梁の塑性率μ ‘として，正曲げ側塑性率 μ＋と負曲げ側塑性率μ－の平均を用いることで， 合成梁の疲労寿命は鉄骨梁と同様の回帰式で 評価できる。 （3) 変動振幅載荷実験 （ Miner則の検証 ） ・ 90％耐力時に対する累積損傷度 ： 0.6 ・ フランジ破断に対する累積損傷度 ： 0.6 ' δ δ -Q Qp K c p p ' K s δp -δ -p μ =δδ+ / p μ =δδ- / 鉄骨梁 全塑性耐力 cK：合成梁剛性 sK：鉄骨梁剛性 合成梁の塑性率：μ'=(δ/δp' + δ/δp) / 2 0.1 1 10 1 10 100 1000 変位振幅（塑性率） 破断までの繰返し数 工場形式H-600 現場形式H-600 H-800 合成梁 μ=0.9部材・部分架構実験（柱梁接合部の梁端溶接部２）
実験概要
①細長比，②軸力比および③構造種別を実験因子 とし，小振幅領域(1.2δp) での定振幅多数回繰返し載 荷時の柱の保有性能の把握を行った。 ・縮 尺：1/2程度 ・試験体数：5体 ・柱断面形状：溶接組立箱形断面（SM490A） ・実験因子 ①細長比：大(30.8)，中(23.1)，小(15.4) ②軸力比：一定軸力(0.3，0.6)，変動軸力(0↔0.6) ③構造種別：S造，CFT造 試験体 試験体概要概要 加力方法（建研式） 加力方法（建研式） 水平力 水平力 軸力 軸力 試験体 試験体 せん断力Q 軸力Na 溶接組立箱形断面 □-330x330x12(SM490A) 柱高さ 2000 ， 3000,4000 柱幅 330 柱せい 330 板厚 12部材・部分架構実験（柱部材１）
1.0 2.0 1 10 100 変位振幅 δh/ δp 累積塑性変形倍率 ηp8 20 40 60 1.2 1.4 1.6 1.8 2.2 2.4 6 4 200 400600 2 1.0 2.0 10 100 変位振幅 δh/ δp 繰り返し数 N 8 20 40 6080 800 1.2 1.4 1.6 1.8 2.2 2.4 6 4 200 400600
実験結果
･全ての
S造試験体で柱頭・柱脚部の
局部座屈により耐力低下
･
変位振幅
と
繰り返し数
や
累積塑性変形倍率
の関係は、両対数軸上で概ね
直
線に分布
，
各指標に高い相関性
があることを確認
･
細長比が小さい
場合や
変動軸力下
では ，
繰り返し数
，
累積塑性変形倍率
は
小さい
変位振幅
変位振幅
-
-
累積塑性変形倍率関係
累積塑性変形倍率関係
変位振幅
変位振幅
-
-
繰り返し数関係
繰り返し数関係
S造，細長比:中，一定軸力(0.3)の場合 直線回帰式：δh/δp・N0.113=2.389 相関係数：1.000 S造 細長比：小 変動軸力(0↔0.6) 昨年度試験体 S造 細長比：大 変動軸力(0↔0.6) CFT造 細長比：中 変動軸力(0↔0.6) S造 細長比：中 一定軸力(0.3) S造 細長比：中 一定軸力(0.6) S造，細長比:中，一定軸力(0.3)の場合 直線回帰式：δh/δp・ηp0.164=3.016 相関係数：1.000 S造 細長比：小 変動軸力(0↔0.6) 昨年度試験体 S造 細長比：大 変動軸力(0↔0.6) CFT造 細長比：中 変動軸力(0↔0.6) S造 細長比：中 一定軸力(0.3) S造 細長比：中 一定軸力(0.6)部材・部分架構実験（柱部材２）
実験概要
柱梁接合部部分架構を取り出した試験体に対し定変位の多数回繰り返し加力を実施し， 各パラメータが及ぼす梁端の破壊性状へ影響を把握する。 ・縮 尺： 2/3程度 ・試験体： 5体，柱：400×19/32，梁BH：500×200×12×19，柱軸力比0.3 ・実験パラメータ： 〔パネル梁耐力比〕 強パネル（1.3）/弱パネル（0.8） 〔載荷パターン〕 塑性率振幅（1.3～3.0） 〔梁端ウェブ高力ボルト〕 せん断のみに対し設計/曲げ耐力確保 加力状況 加力状況 水平力 水平力 梁 梁 柱 柱 実験対象部分架構実験対象部分架構実験対象部分架構 梁端ディテール 梁端ディテール （ウェブボルト：せん断のみ） （ウェブボルト：せん断のみ） 梁：BH500×200×12×19 （SM490A） スカラップ底 まわし溶接 内ダイアフラム PL-25(SM490A) スカラップ：R35 柱：□400×19/32 （SM490A）部材・部分架構実験（柱梁接合部部分架構１）
実験結果
・破壊は，いずれも３５Ｒスカラップ底（回し溶接）を起点とした梁フランジ母材の破断。 ・塑性率振幅が大きいほど，破面に占める脆性破面の割合は大きい。 ・塑性率振幅と破断繰り返し回数Ｎｆの間には，両対数軸上でほぼ線形関係にある。 ・弱パネル試験体は，同一の塑性率振幅の強パネル試験体よりもＮｆは少ない傾向 にある。 ・ウェブ高力ボルトに曲げ耐力を付与した試験体はＮｆが多くなる傾向にある。 フランジ破断状況 フランジ破断状況 ((μμ=3.0=3.0）） 履歴ループ（塑性率振幅 履歴ループ（塑性率振幅μμ=2.0)=2.0) 塑性率振幅と破断寿命の関係塑性率振幅と破断寿命の関係 1 2 3 4 1 10 100 塑性 率振 幅( = B δ/ B δp ) 破断寿命Nf S3.0 W2.0 S1.3 S2.0B S2.0 μ・Nf 0.23=3.04 -400 -200 0 200 400 -80 -40 0 40 80 Q( kN ) 梁変位 (mm) S2.0 BQp 梁フランジ破断 -BQp部材・部分架構実験（柱梁接合部部分架構２）
0 2 4 6 8 10 0 50 100 150 200 250 AIC003 AIC004 OSKH02 KOGAKUIN TOMAKOM AI (秒) (cm/s) (h=0.05)
目的
・建物耐力の異なる超高層建物の長周期地震時の部材挙動の差異把握解析対象・モデル
・30階鉄骨造超高層モデル建物（建物耐力の異なる２種）解析条件等
・長周期地震動を入力として時間刻み等調整して解析 ・柱梁の繰り返し履歴を確認 →最悪想定し共振 RFL 30FL 1FL 2FL 4. 0 4.0 5.5 12 1. 5 10FL 15FL 20FL 25FLまとめ
・弱モデル→強モデル 梁塑性化回数は減少、柱塑性化程度は進展 長周期地震動(平均+σ) 梁部材塑性化繰り返し回数(愛知津島平均+σ) モデ ル 合計 1.0～ 1.5 1.5～ 2.5 2.5～ 4.0 4.0 以上 弱 36 12 19 5 0 強 29 14 12 3 0 ‐30000 ‐20000 ‐10000 0 10000 20000 -8000 -4000 0 4000 8000 M‐N (kN) (kN.m) ‐0.01 ‐0.005 0 0.005 0.01 240 270 300 330 360 390 420 部材角(rad) (rad) (sec) ‐30000 ‐20000 ‐10000 0 10000 20000 -8000 -4000 0 4000 8000 M‐N (kN) (kN.m) ‐0.01 ‐0.005 0 0.005 0.01 240 270 300 330 360 390 420 部材角(rad) (rad) (sec) 隅柱脚軸力-モーメント,部材角時刻歴 (愛知津島平均+σ) (a)弱モデル (b)強モデル（ロ）長周期地震動に対する鉄骨造の応答評価１
目的
・架構形式の異なる超高層建物の長周期地震時の部材挙動の差異把握解析対象・モデル
・50階鉄骨造超高層モデル建物（短スパンS50L）まとめ
梁塑性化回数は最大32回、塑性率大きめ 柱軸力比は0.9程度の可能性、塑性化回数は数回 梁部材塑性化繰り返し回数(愛知津島平均+σ) モデ ル 合計 1.0～ 1.5 1.5～ 2.5 2.5～ 4.0 4.0 以上 S50L 32 7 14 10 1 隅柱脚軸力-モーメント, 部材角時刻歴 (愛知津島平均+σ) 4.0 4.0 20 0.0今後の課題
・梁端破断,局部座屈後の部材及び建物挙動把握
・高軸圧下の柱挙動の確認
-40000 -30000 -20000 -10000 0 10000 20000 30000 40000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 MpN S50隅柱応答 軸力N(kN) モーメントM(kN.m) ‐0.003 ‐0.002 ‐0.001 0 0.001 0.002 0.003 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 S50隅柱部材角 (rad) (s) S50L（ロ）長周期地震動に対する鉄骨造の応答評価２
(二)(ハ)東日本大震災挙動分析および反映項目整理・検討１
（独）建築研究所で強震観測を行った建物A（宮城県）、建物B（埼玉県)と 本事業で観測を行った建物C（東京都）について、せん断質点系の解析モ デルを用い、観測記録を入力地震動とした地震応答解析を実施 ①同定手法を用いた振動特性の評価（時刻歴での1次,2次の振動数と減 衰の推移を分析、評価） ②地震応答解析に基づく各建物の最大層間変形や減衰の影響評価 ③観測された加速度記録と応答解析結果の比較④建物Bの履歴型ダンパーの損傷評価（EL Centro NS 50kineとの比較）
1）建物Aは柱梁がわずかに降伏する応答変形、建物B、Cはダンパーが 降伏するレベルの応答変形。 2) 加速度応答は、同定解析の減衰を用いる方が観測記録に近い。 3) 建物Bのダンパーの損傷は、EL Centro NSによる解析の半分程度 （ただし、ダンパー保有性能はそれに比べ十分大きい）。 4) 今回の地震はEL Centro NSに比べ、塑性振幅の繰返し回数が多い。 1）建物Aは柱梁がわずかに降伏する応答変形、建物B、Cはダンパーが 降伏するレベルの応答変形。 2) 加速度応答は、同定解析の減衰を用いる方が観測記録に近い。 3) 建物Bのダンパーの損傷は、EL Centro NSによる解析の半分程度 （ただし、ダンパー保有性能はそれに比べ十分大きい）。 4) 今回の地震はEL Centro NSに比べ、塑性振幅の繰返し回数が多い。 ① 建物Bの同定解析結果 ② 各建物の最大層間変形角 建物A（宮城） 建物B（埼玉） 建物C（東京） ③ 最大加速度の比較 建物C（東京） 最大層間変形角 ダンパーの損傷 累積塑性変形倍率と塑性率の関係 ④ 建物BのEL Centro NS との比較
0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.01 0.1 1 10 100 X1次 (減衰定数) (最大変形cm) 建物D（東京都）について、 ① ARXモデルによる動特性（固有周期・減衰）評価 ② ①の結果を用いた地震応答解析による観測記録のシミュレーション ③ 地震応答解析による■表層地盤増幅■入力損失の評価 0 0.0025 0.005 5 10 15 20 25 30 地下記録入力 公園記録入力 1 (階) (rad) 0 100 200 300 400 500 5 10 15 20 25 30 地下記録入力 公園記録入力 1 (階) (Gal) 3.40 3.50 3.60 3.70 3.80 3.90 4.00 4.10 0.01 0.1 1 10 100 X1次 固有周期(秒) (最大変形cm) 反映項目 ①建物固有周期：振幅依存性あり、振幅大時長周期化の可能性、耐震性評価に幅を考慮 ②建物減衰：3次までは各次一定に近い、シミュレーションは適切に設定する必要 ③地表面観測記録による解析：地盤条件や基礎条件を考慮した基礎入力動を用いる必要 ④地震動のエネルギ⑤多数の繰り返し変形：従来の設計用入力地震動を上回り繰り返し 多数、累積塑性変形倍率等の判定指標必要 60 120 180 240 300 360 -150 -100 -50 0 50 100 150 解析33F 観測33F (s) (Gal) 60 120 180 240 300 360 -60 0 60 解析33F 観測33F (s) (cm) ARXモデルによる動特性 地震応答解析-観測比較 表層地盤及び入力損失の影響 周期 減衰 変位 加速度 加速度 変位
