可撓筋違架構による制震構造の研究(その2) : 可撓筋違架構の解析とその特性

1.序論

可携筋違架構による制震構造の研究(その

2)

可携筋違架構の解析とその特性

小 高 昭 夫

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ODAKA

Shear walls in reinforced concreate structur巴sand bracings in ste巴1frame structures has been considered to more effective elem巴ntsfor earthquake and wind force

However， these lateral resistant巴l巴ments0任enpossese too high rigidity to all巴viat epower-ful earthquake force且gainstframed structure， and mor巴overin spite of a great amount of capacity carrying ov巴rloads， these structures are apt to becom巴rath巴rmore brittle

So we mainly analytically have dev巴lopeda reasonabl巴earthquakeresistant el巴ments， namely so-colled f1exible curved bracings， of which especially steel structure is formed.ltis considered that framed structure having bracings like this may be given more moderate and realistic rigidity and ductility

The fram巴dstructures having curved bracings is analiz巴dby means of th巴theoretical methods which is shown in part1

I

t

is shown that the framed structure having curved bracings be able to more moderat巴and realistic rigidity and ductility by adjust angle of curved bracing. 式を制震構造と呼ぶこととする。 構造物において，水平力に抵抗させるための抵抗要素 としては，剛節ラーメン(壁式ラ メンも含む)，および 耐震壁，筋違を含むラーメン等がある。ところが超高層 ビノレにおける抵抗要素は，剛節ラーメンが主たるもので あったが，少しでも変形を小さくするために剛性を増大 させ，更にねばりを増加させるための種々の要素が考究 されている。 通常の耐震壁や筋違を含む架構では剛性が大きくかっ せ ん 断 破 壊 の よ う な も ろ い 破 壊 を 生 じ る 恐 れ が あ る の で， これらの欠点をおぎなうため種々の抵抗要素が考案 されている。すなわち剛性を上層から下層へ，また平面 的にも調節ができ，さらにねばりのある曲げ破壊に近い 破壊性状を付与することが出来る抵抗要素を考案するこ とによって，構造物の国有周期が自由に調節でき，ねば りのある構造物が形成できる。そしてこのような構造形 さて制j震構造としての抵抗要素に関する研究は，耐震 壁にスリットを設けたスリット式耐震壁に関する研究(1) が最初である。剛節ラーメンに

PC

板または鉄筋コンク リー卜の耐震援を挿入し，剛節ラーメンと数カ所におい て特殊の接合法によって接合した可携耐震壁の曲げせん 断実験(2)および剛節ラーメンに挿入する壁体にスリット 状の子しを設けた可携耐震壁の復元力特性に関する研究(3) がある。また鉄骨フレ←スを挿入した

PC

板または鉄骨 コンクリートの耐震壁を製作して， ラーメンと接合した 構造体に対する実験(4)品)等が発表されている。 鉄骨構造における制震構造に関する研究については， 鉄骨構造の剛節ラーメンの隅角部に筋違を設けた場合に 対する実験的研究(6) 各種の筋違の形式に対して，剛性， 耐力を実験的に考究した研究(7)お よ び 剛 節 ラ ー メ ン に 鋼 板を挿入した所謂鋼板耐震壁の研究(7)，(8)等がある。

224 小 高 昭 夫

問 口 内 閃 争

可 挽 耐 置 蹄 逮 ラーメン 世V型商量 X型筋進 図 l 可携筋違と通常の筋違 これらの研究は高層建築物における剛性を調節し，ね ばりのある構造物を形成するための制震構造の研究とい える。 本論文においては，上記の目的に沿った制震構造とし て，筋違の形式を変化させることによって，剛性の調節 ができ，曲げ破壊に近いねばりのある構造形式を見出そ うとするものである。すなわち図lに示すように通常の 筋違付架構と異なり，一種のアーチ状の筋違を有する架 構を可携耐震筋違と称することとする。筋違をアーチ状 にすることによって，次に示すように可携性があり，同 時に筋違としての効果を具備しているので，耐震効果が 期待できるものと考えられる。 (1) 筋違としての座屈が生じにくいので，十分な耐力， 剛性が期待できる。 (2) 可携筋違はライズ(d)を調節することによって，比 較的安定性のある適度の剛性が期待でき，剛性の調 節が可能である。 (3) 可携筋違の変形は軸方向力よりも曲げの影響が大 きく，架構の破壊形式は曲げ破壊に近く，靭性も大 きいと考えられる。 (4) 高層架構の場合，筋違架構の上層では曲げ変形の 影響が大きく，剛性が低下するが可携筋違架構は， 曲げ変形が小さいので耐力，剛性の低下は上盾にお いても小さい。 このような理由によって，制震構造としての可携筋違 架構について，弾塑性解析によって耐力，剛性等を理論 的に考察し，制震構造としての可能性が追求される。 2.可境耐震筋違の基礎的考察(解析例1) 解析例として，図2に示されるl層架構を例とし，前 論文(10)における弾塑性解析(1)によって解析し，可携耐震 表 l 架構の形式及部材断面等 型式

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図3 せん断力と変位の関係 筋違の剛性，耐力が検討され，架構の形式および部材断 面等は表 lに示される。 また，解析上可携耐震筋違は，曲線材ではなく，直線 材の連続と考え

o

主外/hl6:屈の生じない断面を選んで解析 する。この理由は前論文において示される曲線材として の解析と，直線材の連続としての解析について5層建物 に対して弾性解析を行い，直線材の分割を密にすれば正 解が得られることを確かめたからである。 解析結果は図3ー図6に示される。図3はせん断力と 変位の関係を示す。図4は剛性低下率について，図 5は 終局耐力比について，それぞれの形式ごとに比較できる ように示される。 図3，図4および図5から明かなように可携耐震筋違 のライズdを調節することによって，適当な剛性，靭性 X型 柱 梁 H -300 x 150 x 65 x 9， A=46.78cm'， 1 =7210cm

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4

Zp = 542 . lcm' 筋 違

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-150x 150 x 4.5 x 4.5， A=25.67cm'， 1 =896c回大 Zp= 151cm' 諸 常 数!η=2.4t/cm'， E = 2100t/cm'， G =900t/cm'

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可 掛 耐 震 筋 違 終局耐力と終局変位 逆V型 筋 違 例 析 解 X型 筋 違 図 7 図 6

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およびPd.効果を考慮した弾性解析が行われる。 解析結果は図8 図11に示される。図8は5層のせん 断力と変位の関係で，接合部パネノレのせん断変形および

P

d.効果の影響を考慮した場合と無視された場合が示さ れる。ここに

σc=N/A

で柱の鉛直時軸方向応力度であ り， fcは柱の座胞応力度である。 図

9

および図

1

0

は接合部パネノレのせん断変形おまび

P

d.効果を考慮した場合と無視した場合に対する剛性低 '下率と層関部材角の関係が示される。ここにkは接合部 パネルのせん断変形および

P

d.効果を無視した場合の初 期剛性で kは接合部パネノレのせん断変形およびPd.効 果を考慮した場合の各段階における剛性を示す。また図 9はX型，逆V型筋違に対して，図

1

0

はラーメンおよび 可携筋違β=200，β=60固に対して示される。図11は架構 の弾性限最大層せん断力と層間変位の関係が示される。 図8より明かなように，細長い架構では，接合部パネ ノレのせん断変形と

P

d.効果による幾何学的非線形性の影

1

.

0

が期待できることが明かである。また図6は終局耐力お よび終局変位とライズdとの関係を示す。図より終局耐 力および終局変位についても，可携耐震筋違は， X型， 逆

V

型筋違とラーメンとの中間にあり，ライズ

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の変化 につれてスムースな変化を示している。

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終局耐力比 図5

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3

.

接合部パネルのせん断変形のみを考慮し，かつ Pd.効果による影響について(解析例2) 解析例として図?に示される

1

0

層架構を設定した。ま た解析における部材断面等は表2に示される。解析にさ いして，増分水平荷重d.Pは各層に1ステッフ毎に0.2 ton宛作用させ，定軸方向カPは各層に8.0ton作用させ る。

226 表2 部材断面等 小 高 昭 夫 部 柱 日 400x 200 x 8 x 13， A=84.12cm'， I = 23， 700cm4 材 断 梁 H-490X199x9X14， A = 101. 3cm'， I = 41， 900cm 4 面 _{筋 違}

_口

_{175x 175 x 6 x 6， A=39.63cm' I = 1，860cm}4 諸 常 数 σ'y=2. 4t/cm'， E = 2100t/cm'，

G

=810t/口n' 5 Qλ ctonl 3 2 鏡台部パネル白せん断 ー一変形なし， P l>効果なし 一一按合部門才、ルのせん断 変形あり， P l>効果あり 士士士 X型， 逆V型 節 違 =tご 可 挽 筋 違{β=20・) ご2ご.可挽筋違(同=60・〉 ゴご.ラーメン 1.0 1.5 o(cm) Q5 図8 5層 C

，

df

，=0.2) のせん断力と変位 E 嬢告卸パネル回せん断変形， P l>効果無視田場合由初期剛性 k :'陵台卸パネル由せん断変形， P l>効果考慮町場合由初期附性

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図 9 パネノレのせん断変形， P LI効果による 剛性低下率と層間部材角 響は，とくにラーメンに於て顕著で逆V型およびX型筋 著違架構でもかなり大きく，可携筋違はこの中間にある。 また，図10より明かなように，高層になるほど接合部 パネノレのせん断変形と

P

ム効果の影響は大きく，剛性低 下も大きいことが明かである。 架構の各部材が最初に降伏する弾性限最大せん断力 Qmaxは，逆V型およびX型筋著違架構の場合には層間 変位が小さいほど大きいが，ラーメンや可撲筋違では， 層間変位が最大となるせん断力が存在することが図11よ り明かである。 これらの結果より適当な変形にするようなせん断力を 有する可携筋違を選定することが可能であると推定され る。

4

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接合部パネルの全変形と

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d.効果を考慮した 弾塑性解析(鮒刊lJ3) n U 民 一 . M 勺 L

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σ'raj.) 図10 パネノレのせん断変形， P LI効果による 剛性低下率と層間部材角

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1(~副〉ft制(cm) 図11 弾性限最大層せん断力と層間変位

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柱の軸方向応力度 f， :柱の座屈応力度 解析例として，図12に示される 10層の架構に対して， 接合部パネルのせん断変形とPd.効果を考慮した弾塑性 解析を行い可携耐震筋違の剛性および耐力を検討する。 解析における部材断面等は表3に示される。また解析に おける増分水平荷重d.Pは各層に lステップ毎に0.2ton ずつ作用させ，定軸方向力Pは各層に 5ton作用させ

表3 部材断面等 階 断 面 断 面 Ccm'積〉 断面_ト 2次モメン_Ccm 塑性係数(c*耐〕 4) 7~11 H-446X199x 8 X12 84.30 28，700 1，450.30 音 日 梁 2~6 H-450x200X 9 X14 96.76 33，500 1，679.06 材 6 ~10 H -500 x 200 x 10 x 16 114.20 47，800 2，175.17 断 柱 1~5 H-506x201X11X19 131.30 56，500 2，540.98 面 筋 遠

口

-175x 175 x 6 x 6 39.63 1，860 257.16 諸 常 数 σ)'=2.4t/四n'， E = 2100t/cm'， G = 810t/cm' *ボックス断蘭は等価なH型断面として算定

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50'"ー」 ラーメン 逆V型筋違 可操筋違

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60ヲ 図12 解析モデノレ る。 解析結果は図13一 図16に示される。図13は最大せん断 力と層間変位の関係で，図14は層せん断力と層間変位の 関係でそれぞれラーメン，可携筋違の場合におけるβ = 60'， 45'， 20。および逆V型筋違架構について示すととも に， 1層 5層について，崩壊までの過程も示される。 図16は剛性低下率と層間部材角の関係で， 1層， 3層， および5層に対して示される。 図13，図14によれば，逆V型筋違は耐力は大きいが層 間変位は小さし、。言い替えれば靭性が小さい。これに比 較して可携耐震筋違は，ライズdを調節すれば(β を調節 すれば〕耐力はラーメンの数倍にも達し，靭性もラーメ ンと同程度期待できることが明かである。 さらに図15，図16，に示される層せん断力と層間変位 および剛性低下率と層間部材角の関係によれば，逆V型 筋違架構の破壊形式は軸方向力によるものであり，剛性 Q

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(cm) 図14終局時における層間最大変位

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( e )逆V型筋違 力および終局変形についても可携耐震筋違はX型， 逆V型筋違とラーメンの中間にあり， ライズdの変 化につれてスムースな変化を示す。 (2) 高さ方向に細長い架構においては，柱@梁接合部 パネノレのせん断変形とPム効果に幾何学的非線形の 影響は， とくにラーメンにおいて顕著に表れ，可擦 耐震筋違はラーメンとX型，逆V型筋違の中間とな る。また高層になるほど，柱。梁接合部パネノレのせ ん断変形と

P

ム効果の影響は大きく，剛性低下も大 きい。 可榛耐震筋違は，ライズdを調節することによっ 耐力はラーメンの数倍にも達し，粘りもラーメ て， (3) 層せん断力と層間変位 (Q~8曲線〕 低下率は小さいが急激な破壊を生じている。 一方可携耐震筋違は，曲げで崩壊し崩壊に歪るまで， 剛性や靭性においてもハランスのとれた挙動を示してい ることが明かである。 可 携 耐 震 筋 違 を 有 す る 架 橋 に つ い て 解 析 し 耐 震 筋 違 をアーチ状に設け，アーチのライズを調節することによ って，岡山生の調節が可能で，靭性のある構造形式を見い だすことができる。すなわち， (1) 可 撰 耐 震 筋 違 の ラ イ ズdを調節することによっ て，適度な耐性および靭性が得られる。また終局耐 図 15

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結論

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層間部材角

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( c ) 5層の剛性低下率と層間部材角 図 16 剛性低下率と層間部材角 ンと同じ程度期待できる。また，逆V型筋違架構の 破壊形式は軸方向力によるもので，剛性低下率は小 さいが，急激な破壊(脆い破壊)を生じる。一方可 携耐震筋違は曲げで崩壊し，崩壊に至るまで剛性や 靭性からも，バランスのとれた挙動を示す。 これらの結果から，可携耐震筋違は制震構造として， その耐力，問。性ならびに靭性から考察して，通常の筋違 架構やラーメンと比較して優れた構造形式といえる。 謝 辞 本論文は東急建設株式会社技術研究所，本田義博氏が 研究生として解析したものである。また竹中工務広技術 研究所，主席研究員斉藤勝彦氏には有益なる助言を厚う した。ここに感謝の意を表する。 参考文献 (1)大森信次，遠山幸三他:スリット耐震壁の実験的研 究 その

1

;日本建築学会論文報告集号外:昭和

4

1

年 10月 その2 日本建築学会論文報告集号外:昭和44年 8月 その3;日本建築学会論文報告集号外:昭和45年 9月 (2) 山口育雄，小林昌一他:可携耐震壁に関する研究， 日本建築学会大会学術講演梗概集:昭和46年11月 (3) 鈴木雄，近藤昭二他:可携耐震壁(TAC)の復 元力特性;日本建築学会大会学術講演梗概集・昭和

4

4

年

8

月

(

4

)

杉田稔，三浦康夫:鉄骨プレース入り

PC

板に関す る実験的研究，日本建築学会大会学術講演梗概集， 昭和46年11月 (5) 狩野芳一，桑原達夫他:プレース入り耐震壁の実験 的研究， その 1;日本建築学会大会学術講演梗概集.昭和 45年9月 その2;日本建築学会大会学術講演梗概集.昭和 46年11月 (6) 加藤勉，平田康浩他，可携剛性プレースの研究， 日本建築学会大会学術講演梗概集:昭和

4

4

年

8

月

(

7

)

高 橋 康 彦 ， 岡 田 宏 鉄 骨 プ レ ー ス 付 き ラ ー メ ン の 実験的研究;日本建築学会大会学術講演梗概集 昭 和

4

4

年

8

月 (8)見村博明，秋山 宏.張力場を形成する鋼板耐震壁 の復元力特性;日本建築学会論文報告集260号:昭 和52年10月 (9) 藤本盛久，尾崎昌凡他.鋼板耐震壁付き鉄骨ラーメ ンに関する実験的研究，その1ーその4 日本建築 学会大会学術講演梗概集:昭和52年10月 (10) 小高昭夫:可携筋違架構による制震構造の研究(そ の1)構造物の弾塑性解析法 愛知工業大学研究報 告

2

2

号，

1

9

8

7

，

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.

( 受 理 昭 和62年1月25日〕