CFTトラス梁を用いた鋼構造多層ラーメン架構の耐震性能に関する研究 [ PDF
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(2) 材は骨組の剛性を満足するよう設計を行った．. お，コンクリートは引張に対しては抵抗しないものす る．鋼材の応力−歪関係については履歴曲線は秋山等. 3.2 解析方法 3.2 . の規則に従い，スケルトン部分を順次履歴曲線として. 解析はファイバーモデルの柱梁要素を用いた弾塑性. 消費していくものとする．ただし，バウジンガー部分の. 骨組に対する静的漸増載荷解析あるいは地震応答解析. 取り扱いとスケルトン部分の移動は大井等に従い，ス. である．解析プログラムは1次元有限要素法によるもの. ケルトン曲線と除荷・バウジンガー曲線にはMenegotto-. を用いる．要素は曲げ変形，軸方向変形のみ考慮し，せ. Pinto モデルを用いる．なお，図 5(d)に示す局部座屈を. ん断変形は無視する．断面は応力繊維で構成され，断面. 考慮した応力-歪関係モデルは中空鋼管弦材及びH形鋼. 力と断面剛性は数値積分で与えられる．動的解析にお. 梁に用いた．ここで，中空鋼管弦材において耐力低下を. ける数値積分にはNewmarkβ法（β=1/4）を用いる．各. 始める歪ε bu と耐力低下後の応力σ ps， 第 1劣化勾配τ. 部材断面要素の形状及び分割方法を図 4 に示す．. 表 1 各部材断面一覧. 静的漸増載荷解析における外力分布は Ai 分布とし， 劣化域は変位制御とする．地震応答解析を行う際，弦材. CFT弦材. と腹材の各交点に対して梁上の全質量を配分させた質. 中空鋼管弦材. 量を集中質量として扱う．減衰定数は 1次と2次の減衰 が 2％のレーリー型とし，入力地震動は El Centro;NS， Taft;NS，Yokohamaの計3波に対して地動最大速度を100 及び150kineに増幅した地震動を用いている．本梗概に. (a) 1 スパンラーメン架構 部材. 斜材. H形鋼梁. 柱材. Story 5-6 3-4 1-2 5-6 3-4 1-2 5-6 3-4 1-2 5-6 3-4 1-2 5-6 3-4 1-2. C-type CV-type V-type ○-166.26*5.54(30) ○-206.15*6.87(30) ○-226.39*7.55(30) ○-162.02*8.10(20) ○-154.20*7.71(20) ○-200.89*10.04(20) ○-184.74*9.24(20) ○-220.63*11.03(20) ○-200.58*10.03(20) ○-118.37*5.92 ○-129.85*6.49 ○-136.17*6.81. H-611*306*14*19 H-690*345*16*22 H-729*364*17*23 □-438.07*14.60 □-494.15*16.47 □-522.00*17.40 最下層CFT-bMpの2倍のbMpを持つH形鋼. 基礎梁. おいては El Centro NS（地動最大速度：150kine）につい. (b) 3 スパンラーメン架構. ての解析結果を記載している．. 部材. Story 5-6 3-4 1-2 5-6 3-4 1-2 5-6 3-4 1-2. CFT弦材. 3.3 各材料の応力−歪関係モデル 3.3 各材料の応力−歪関係モデル. 斜材. 各材料の応力−歪関係モデルを図5に示す．円形CFT. 柱材 基礎梁. 部材のコンクリートは，ピークまでは Popovics モデル. C3-type L=10.0m L=20.0m ○-122.96*4.10(30) ○-217.04*7.23(30) ○-157.85*5.26(30) ○-260.15*8.67(30) ○-175.19*5.84(30) ○-282.51*9.42(30) ○-96.13*4.81(20) ○-130.25*6.51(20) ○-105.45*5.27(20) ○-139.99*7.00(20) ○-110.58*5.53(20) ○-145.42*7.27(20) □-564.05*18.80(30) □-631.52*21.05(30) □-665.35*22.18(30) 最下層CFT-bMpの2倍のbMpを持つH形鋼. * 1） ()内の数値は鋼管の径厚比を示している． * 2）CFT-bMp：CFT トラス梁の全塑性モーメント. 6@4.0m. 6.7m. 6@4.0m. を用い，それ以降は拘束効果により耐力一定とする．な. 6.7m. CFT 弦材 14.0m. 14.0m. (a) 平面図. (b) 軸組図. (c) 軸組図. （トラス梁）. （H 形鋼梁）. 鋼管弦材. H 形鋼梁. σ. σ. cσB. 6.7m. skeleton curve. 6.7m. ε. 0. 10.0m. (a) 平面図. a part of skeleton curve. Δεp ΨΔεp. (60MPa). 20.0m. 柱材. 斜材 図 4 各部材断面要素の形状及び分割方法. 14.0m. (A) 6 層 1 スパン架構. 10.0m. H-type. εco εr / 2. εr. ε. unloading and Bauschinger curve. (a) コンクリートの応力歪関係 (b) 鋼材の履歴 σ. σ. 6@4.0m. σu= 1.25 σy σy (361.6MPa) R1. σbu σy. R2. τbE -0.005E. σps E. 10.0m. 20.0m. 10.0m. 0. (b) 軸組図 (B) 6 層 3 スパン架構 図 3 解析骨組モデル. 0.05. ε. 0. εbu. εbu+0.01. (c) 鋼材の応力歪関係 (d) 局部座屈を考慮した 応力歪関係 図 5 応力ー歪関係モデル 27-2. ε.
(3) 1600. 4F 800. 5F. 6F 400. 4F 5F. 800. 6F 400. Q =958.13kN 1/150. 0 0. 0.005. 0. 1/150. 0 0.025. 3F 4F. 800. 5F. 6F 400. B. C W=766.50kN. 0.01 0.015 0.02 Story Drift(rad.). 1200. Q =958.13kN. B. 0.03. 0. 0.005. (a) C-type. C W=766.50kN 0. 1/150. 0. 0.01 0.015 0.02 Story Drift(rad.). 1F. 0.025. 0.03. 0. (b) CV-type. 0.005. 3F. 1200. 4F 5F. 800. 6F 400. 4F 5F. 1500. 6F Q =2737.51kN B. B. 0.03. C W=766.50kN 0. 1/150. 0 0.025. 3F 3000. Q =958.13kN. QB=958.13kN C0W=766.50kN. 0.01 0.015 0.02 Story Drift(rad.). 2F. 2F. 2F 3F. 1200. Story Shear Force(kN). Story Shear Force(kN). Story Shear Force(kN). 3F. 1F. 1F. 2F. 2F 1200. 4500. 1600. 1F. Story Shear Force(kN). 1600. 1F. Story Shear Force(kN). 1600. 0. 0.005. (c) V-type. 1/150. 0. 0.01 0.015 0.02 Story Drift(rad.). 0.025. 0.03. 0. 0.005. (d) H-type. C W=2190.01kN 0. 0.01 0.015 0.02 Story Drift(rad.). 0.025. 0.03. (e) C3-type. 1600. 5000. 1200. 1200. 4000. 800 400 0 -400 -800 -1200. QB=958.13kN. -1600 -0.02-0.015 -0.01-0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 1F-Story Drift(rad.). 800 400 0 -400 -800 -1200. QB=958.13kN. -1600 -0.02-0.015 -0.01-0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 1F-Story Drift(rad.). (a) C-type. 800 400 0 -400 -800 -1200. QB=958.13kN. -1600 -0.02-0.015 -0.01-0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 1F-Story Drift(rad.). (b) CV-type. 1F-Story Shear Force(kN). 1600. 1200. 1F-Story Shear Force(kN). 1600. 1200. 1F-Story Shear Force(kN). 1600. 1F-Story Shear Force(kN). 1F-Story Shear Force(kN). 図 6 最上層水平変位が建物高さの 2％時における各層の層せん断力 - 層間変形角関係 800 400 0 -400 -800 -1200. QB=958.13kN. -1600 -0.02-0.015 -0.01-0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 1F-Story Drift(rad.). (c) V-type. 3000 2000 1000 0 -1000 -2000 -3000 -4000. QB=2737.51kN. -5000 -0.02-0.015 -0.01-0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 1F-Story Drift(rad.). (d) H-type. (e) C3-type. 図 7 繰り返し載荷時における各骨組の履歴性状 は越智等 3） に従い，H形鋼梁において上記の値は山田. 等. 4）. 1.2. に従った．また，局部座屈を考慮した要素の長さ. （内柱の層間変形角の平均値） （ 平 均 層 間 変 形 角 2％ 時 に お け る 層 間 変 形 角 ）. b. は断面せいとする．なお，この応力 - 歪関係においては 圧縮側から引張側に移行する際の剛性の低下は考慮し ていない． 4. 静的漸増載荷解析結果 静的漸増載荷解析結果 4. 静的解析は一方向載荷及び繰り返し載荷を行った．. 1 0.8 0.6 0.4. 1F 2F 3F. 0.2. 4F 5F 6F. 0 0. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1. 1.2. （外柱の層間変形角平均値） （ 平 均 層 間 変 形 角 2％ 時 に お け る 層 間 変 形 角 ）. 図6は各骨組の平均層間変形角2％時における各層の層. 図 8 3 スパン架構における外柱及び内柱の. せん断力−層間変形角関係を示す．図 6より，1スパン. 層間変形角関係. 架構において，H-typeは C，CV 及び V-typeより剛性が 低いことが分かる．一方，V-typeは C及び CV-typeと比. 5. 地震応答解析結果 5. 地震応答解析結果. べ，初期剛性・初期曲線にそれほど差が生じていない．. 図9に各骨組の累積塑性変形倍率（損傷率）の分布を. これは CFT 弦材にはコンクリートが充填されているの. 示す．●は CFT 弦材又は中空鋼管弦材が軸方向変形に. に対し，中空鋼管弦材は CFT 弦材より鋼管断面積が大. よって1.0以上になる場合，及び H形鋼梁又は柱材が曲. きいためである．3スパン架構における C3-typeでは，1. げ変形によって 1.0以上になる場合を表している．1ス. スパン架構の C-type と同様な形状を示している．. パン架構において，C，CV-typeでは梁端部に用いたCFT. 図7は繰返し載荷時における各骨組の履歴性状につい. 弦材部分で殆どのエネルギーを吸収しており，想定し. て，第1層の層せん断力及び層間変形角を用いて表して. た塑性崩壊機構が形成されている．なお，C-type では. いる．繰返し載荷は平均層間変形角± 2％の振幅で計. CFT下弦材において損傷が分散されているためCV-type. 3.5サイクル行った．図 7より，H-typeは C，CV 及び V-. に比べ損傷の最大値は小さくなっている．一方，V-type. type と比べ履歴ループの面積が小さく，エネルギー吸. では梁端部の下弦材で特に損傷が集中しており曲げ座. 収能力が乏しいことが分かる．又，C，CV，C3-typeで. 屈及び局部座屈が生じていた．H-typeでは，C，CV 及. は繰返し荷重を受けても耐力は低下せず，安定した挙. び V-type に比べ骨組の剛性が低いために最下層柱脚に. 動を示すのに対し，V-type では繰返し荷重を受けるた. 大きな損傷が生じている．又，各層の柱頭・柱脚に損傷. びに耐力劣化が生じている．図 8は C3-typeにおいて繰. が生じているが，これは H 形鋼梁の断面寸法を調整し. 返し載荷時の各層における外柱と内柱の層間変形角を. て CFT 梁付き骨組と同耐力となるよう設計を行ったの. 比較した図である．図8より，各層共に外柱と内柱の層. で柱梁耐力比 COF=1.12 程度と小さくなったためであ. 間変形角がほぼ一致しており，CFT 弦材の伸び変形が. る．3スパン架構である C3-typeでは，各スパンにおい. 抑制されていないことが分かる．. て1スパン架構と同様に梁端部の引張側弦材の軸方向変 27-3.
(4) 1-3 3-5. 5-7 7-9. 9-11 11-15. 15-20 20-. MAX 45.81 MAX 15.72. MAX 48.39 MAX 33.00. (a) C-type. MAX 42.03. (b) CV-type. (c) V-type. (d) H-type. (e) C3-type. 図 9 損傷分布 形によって多くのエネルギーを吸収しており，多スパ. 1F-Story Shear Force(kN) 2000 1000 0 -1000 -2000. ン架構に用いた場合においても想定した塑性崩壊機構 を形成していることが分かる．. Design Base Shear. 0. 5. 10. 15. η. 図 10は CV，V，H-typeにおける第 1層層せん断力の. Time(sec) CFT. 60. 時刻歴と各骨組で1番損傷の大きな部材に対しての累積. 40 20. 塑性変形倍率（損傷率）ηの時刻歴を示している．なお， CV-typeにおいては損傷の1番大きな中空鋼管弦材の累. 0. 0. 5. 15. Time(sec) Vacant. 20 15 10 5 0. 積塑性変形倍率も同時に示す．累積塑性変形倍率ηの時 刻歴における1点鎖線は鋼管トラス梁については鋼管ト ラス構造設計施工指針・同解説 1） より求めた局部座屈. Local buckling. 0. 5. 10. 15. Time(sec). (a) CV-type. 発生点であり，H 形鋼については解析上局部座屈が発 1F-Story Shear Force(kN). 生した点を示している．これは，鋼管トラス梁及びH形. 2000 1000 0 -1000 -2000. 鋼梁付き骨組において局部座屈発生点が変形能力の限 界と考えられるからである 1)．一方，CFTトラス梁では 適切な局部座屈の予測法がないが，少なくとも鋼管ト. η. ラス梁よりは時期が遅い ．又，万一局部座屈が生じて. 40. Design Base Shear. 0. 5. 10. 15. Time(sec). 60. 2）. Local Buckling. 20. も発生点から破断まで多くのサイクルを有することが これまでの研究より確認されており. 10. η. 0. 0. 5. 10. 15. Time(sec). ，径厚比 D/t=30. 2,5）. (b) V-type. の C F T トラス梁では破断までの累積塑性変形倍率. 1F-Story Shear Force(kN) 2000 1000 0 -1000 -2000. ηmax=100 と示されている． 図 10 より，V，H-type ではどちらも早期に局部座屈 発生点に達していることが分かる．一方，CV-typeでは. Design Base Shear. 0. 5. 10. 15. Time(sec). η. CFT 弦材が破断するまで，或いは中空鋼管弦材が局部 座屈発生点に達するまで十分余裕があることが分かる．. 20 15 10 5 0. Local Buckling. 0. 5. 10. 15. Time(sec). 6. 結論 6. . (c) H-type 図 10 第 1 層層せん断力時刻歴及び. 以上の解析結果より，以下の結論を得た．. 累積塑性変形倍率時刻歴関係. （1）CFT トラス梁を用いた構造システムは従来の純鉄 骨構造システムより優れた耐震性能を有している．. 参考文献 1）日本建築学会：鋼管トラス構造設計施工指針・同解説，2002.12. 2）河野昭彦，松井千秋：弦材にコンクリートを充填した平行弦鋼管トラスの変形能力， 日本建築学会構造系論文集，第 522 号，pp.129-135，1998.8. 3）越智健之，山下正弘，小川厚治，黒羽啓明，村瀬良秀：引張・圧縮を受ける円形鋼 管部材の局部座屈および履歴挙動，日本建築学会構造系論文報告集 ,No417，pp.53-61， 1990.11. 4）山田哲，秋山宏，桑村仁：局部座屈を伴う H 形断面鋼部材の劣化挙動，日本建築学 会論文報告集，第 454 号，179-186，1993.12. 5）河野昭彦，松井千秋，中島隆裕，高木潤一：繰返し軸方向力を受けるコンクリート 充填鋼管部材の座屈挙動とエネルギー吸収能力に関する実験的研究， 日本建築学会構造 系論文集，第 482 号，pp.131-140，1996.4.. （2）梁端部にのみ CFT トラスを用いることにより，全 区間 CFT トラスを用いた骨組と同等の耐震性能が得ら れる． （3）CFT トラス梁を多スパンラーメン架構に用いた場 合でも CFT トラスの優れた変形性能を発揮することが 出来る． 27-4.
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