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平面建築骨組の指定設計ひずみに対する地震応答制約設計法

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(1)

【論  文

1

UDC  :624

.

042

.

1 :624

.

072

   日 本 建築 学 会 構 造 系 論 文報告集 第430号

     

・

亅991年12月

Joumal of Struct

・

Constr

.

 Engng

,

 AIJ

,

 No

.

430

,

 Dec

.

,

1991

平 面 建

築

骨

組

の

指 定 設

計

ひ

ず

み

に

対

す

る

地

震 応 答

制約

設 計

法

EARTHQUAKE

−

RESPONSE

 

CONSTRAINED

 

DESIGN

 

OF

 

PLANE

 

FRAMES

       

FOR

 

SPECIFIED

 

DESIGN

 

STRAINS

    

中

村 恒 善

*

,

小

坂 郁 夫

* *

Tsun

の

yoshi

 

NAKAMURA

 and  

lleua

 

KOSAKA

Am ・th・

d

・

f

 ea・thquak… e・p… ec ・n・t・ained  

d

・・

ig

・ ・

f

・ plane f・am ・ f・・sp・cifi・

d

・et ・f 

d

・,

ig

。 strains  is 

developed

 on  the 

basis

 of  the authors

’

design

 method  

for

 specified  

fundamental

 natural

period and  strain  mode

,

 

The

 

bend

重ng  stifflless  of each member  with  a  specified  

depth

 is designed ・・ th・t・a・h 

SRSS

 m ・mber

−

end  fib・e ・t・ai・ w ・uld t・

k

・ ・n a ・pecifi・

d

 val・ ・

.

 

Th

, validity 。f・th。 propQsed method  is 

demonstrated

 through  the result  of  time 

history

 analysis on  so

−designed

 

frames

subjected  to ten spect 【um

−

cQmpatible  artificial  earthquakes

.

Kegworzts

:ρ伽 8加 〃彫

,

  strain  constrained  

desigri

,

  eartheua 々e resPonse  strain

,

 

fundUmental

 strain

      

mode

、

 sPectrttm  compatible  arttfiCial  earthqttakes

,

∫’伽 θ∬ 廊 fgη

      

平 面 建築骨組, ひずみ制 約 設 計, 地 震応答ひずみ

,

1次ひずみモ

ー

ド

,

ス ペ ク トル適          合 人工 地震 動

,

剛 性 設 計 1

.

序

 

通 常の建築骨 組の構 造 設 計の実 務にお け る耐震 安 全 性         の判 定は

2

段 階の検 定によ り行わ れ ること が多い。 第

一

段階で は,耐用年数 中に経 験す る可 能性が高い地 震 動 (レ ベ ル 1地 震動 )群に対して骨 組 が 許容範囲内の弾 性 挙 動 を示すこ と を 確 認 する。 第二段階で は, 過 去の最 強 地 震 動や将来予 想さ れ る最 強 地 震 動 (レベル

2

地 震 動 )に対 し て骨組の各要素に生 じる非 弾 性 変 形 量が

,

そ の要 素の 変形性能 か ら定 め ら れる許 容 範囲内にあ ることを確 認す る

。

こ れ らの検定の た めに は

,

2個の レベ ル の地 震 外 乱 に対 する応 答 量 を種々 の解 析 手 段 を用い て予測し

,

そ の 結 果か ら骨 組の安全性の判 定を行うことにな る。 低 層 骨 組の設 計 時に は, 地震 外 乱 を 同 等の検 定 効果を持つ と思 わ れる静 的 水平力に置き換えて骨組の応 力に対す る検 定 を行うこと が多い。 高 層 骨組 を対 象と し た場 合やより精 度の高い検定が必 要な場 合に は, 設 計 用と して採 用さ れ る地 震 外 乱に対す る時 刻 歴 応 答 解 析など を用い て各 種の 応 答 量 を予測す るこ とに な る。 本 論 文で は

,

2個の レベ ル の設 計 用 地 震 動群に対す る建 築ラ

ー

メ ンの応 答 値を制 御 する設 計 法の た め の基 礎 理 論の う ちで

,

レ ベ ル 1設 計 用 地震 動群を対 象と し た 弾 性 応 答制 御 法を主に提示す る

。

ま た

,

弾 性 応 答 制 御され た 骨組の レ ベ ル 2設 計 用 地 震 動 群下での弾塑性 挙 動 例 も示し, 本論の弾 性 応 答 制御 法が弾 塑性応答制 御 法の基 礎 理論と な り う ることも例 証 する

。

 

骨組の応答 量の 評 価 手 法が確 立さ れ れ ば

,

その評価法 に基づい て予 測さ れ る応 答 量が指 定値ま た は指 定 値 以 下 とな る骨 組 を設計す る手 法 (応 答 制約設計法 ) を展 開 す る こと がで き る。本 論 文 著 者は これ まで に「弾 性 建築ラ

ー

メ ン の全 部 材の曲 げ剛 性 や 断 面寸法まで も 直 接 設 計 対象 と し た設 計理論」を構 成 する た めの基 礎理論を展 開して き た3 )

−

5)

.

文献 3>で は

,

設 計 用 水 平 力の下で の弾 性平 面 建 築 骨組の ひずみ制 約 剛 性 設 計 法を示 し た。 文 献4) で は

,

1次 固 有周期と 1次の固 有モ

ー

ド (1次の ひずみ モ

ー

ド) を指 定し た弾 性 平 面 建築骨組の剛 性 設 計 法 を示 し た

。

こ れ ら は

,

「設 計 者の経 験や設 計資 料に基づいて 初 期 設 計 を行い

,

骨 組 解 析 法 を用いて繰り返 し計 算を 行 うこ と によっ て応答量 を許 容範 囲内に収 める通 常の設 計 手 法」とは逆の手 順を採 用し た手 法で あ る。 す な わ ち

,

設 計 問題 を骨 組解析の逆 問 題と してと ら え

,

直 接 的な解 法 手 順に よ り得ら れ た閉 形 解 を新たに提 示し た もの であ る。

 

本 論 文で は

,.

ま ず, 中村恒 善らの せ ん 断 型構造 物モ デ ル の 強 震 時 応 答 変 位 制 約設計法llを 弾 性平面建 築 骨 組の 本論 文の概要 は 日本建築 学 会 大会 (東北 )1991 年 9月において 発 表 し たe 煉 都 大 学工学纒 緯 科 教

tW

・

・

工博

・

Ph

・

D

 

P・・f

・

・

D・P… f A・chi ・ec… e

,

 Facul・y ・f E。gi。ee,i。g

,

 U。i.

.

。f       Kyoto

,

 Dr

.

 E皿g

.

*糠 紅 芸灘 大 学工芸学 部造 形 工 学科 助手

・

工修 R・ ・e・ ・chA ・s・・

−

D・p・

.

・fA・chi ・ec・一 ・dD , 、ig。

,

 F。 , 。1,y 。fE。

、

       

gineering and Design

,

 Kyoto Institute of  Technology

,

 M

,

 Eng

.

(2)

平均 最大ひずみ応答の制約 設 計 法に拡 張し

,

レ ベ ル

1

設

   :

/

計用地 震 動 群に対す る各部 材の ひずみの 2 乗和平 方 根 法 (

SRSS

法 )に よ る評価値 が 指 定 値と な る よ う な骨組 の各部材の曲げ剛性を求

iP

登

こと がで き る

殺

計法 を 示 す。

 

「初 期 設 計 され た骨組の応 答 量 をSRSS 法な どで予 測 し

,

その応答量 が 指 定 値に近づ く よ うに感 度 解

析

法な ど に基づ いて設計変 更す る手順 を 繰 り返 す手 法 」と比較し て

,

本論の設 計 法は論 理 構成の方法が異な っ て お り

,

以 下の利点を有して い る

。

(

1

)通常の設 計 手 順を合理的 に行 う 方 法と して感 度 解 析法 が よ ぐ知られ て い るカミ

,

SRSS

法に よ る予 測 値 を 制 御対 象と した感 度 係 数を求 め る こと は容易で は ない

。

感度係数が得られた場 合でも 多 数 回の繰 返し計算が必 要と な る

。

これに対し て

,

本 論 文で は1次 固 有 周期と 1次ひずみモ

ー

ド制御設 計 骨 組の 閉形 解 (通常の 解析 問 題の逆 問題の解 )を利 用 すること に よ り

,

少ない繰返 し計 算で設 計 骨 組を得る こと がで き る

。

特に

,SRSS

法におい て 1次モ

ー

ドの み を採 用す る場 合に は

,

繰 返し計 算 を必 要と し ない

。

(2)各 部 材 のひずみ を任 意に指定し た場 合には 設計骨組が存在し な い (設 計 解が ない )場 合 が あり

,

感 度解析法な どで は計 算が終 了する まで解の存 在の有 無の判定が で きな い。 こ れ に対して

,

本 論 文の理論 展 開で は

,

ひずみ の指 定 方法 が限 定さ れ る が

,

設計問題 と設 計 解を同時に取り扱っ て いる た め

,

解の存在す る ひずみの指定方法 となっ て いる。

 

2

段 階の検 定 時にお ける制約条 件を同時に含んだ設計 問題の解 法

,

すな わ ち, 両レベル の地 震 勤群に対する制 約 条件を同 時に満足 させ る設 計 法を建築ラ

ー

メ ン につ い て直接 展 開 した研究は こ れまで に提示 さ れてい な い

。

こ の よ う な設 計法の 理論展 開の手 順と して, まず

,

レ ベル 1地 震 動 群に対す る設 計 法を展 開し

,

その設 計 解を利用 し てレベル 2地 震外乱に対 する設 計 法を 展開する手 順が 考え ら

』

れ る。 この考え方に基づい て

,

本論文著 者の中 村 恒 善らは

,

指 定さ れ たデ ザ イン ス ペク トル に適 合 するレ ベ ル

1

設 計 用 地 震 動 群の下で の せん断型 構造 物モ デル の 平均 最 大 弾 性 層 間相 対変 位 応 答 値が指定 値に

一

致す る よ う に剛 性 を選定す る手法 を提 示し た])

。

さ らに, そ の指 定値と弾 性 限レ ベ ル の比 を0

.

5

〜

O

.

7程 度に設定し た場 合に は各 層の非弾性 変 形 量は比較的小さ く

,

特に指定 値 を

一

様と し た例 題では

,

設計モデルが

.

「相 似増 幅型レベ ル 2用デザ インスペ ク トル適 合設 計 用 地 震動群」の下で 生じ る平均 最 大 弾 塑 性 層 問相対 変 位応 答 分 布 が

一

様に近 い特性 を示 すこと を明ら かに したILZ )

。

し か し , せ ん断 型構造 物モ デルの設 計理論で は

,

設計 解と して層の剛 性

 

を 得るこ とがで き て も

,

骨 組の各 部材の曲げ剛性ま たは 断 面 寸 法の選 定 指 針は得 ら れ ない

。

そのた め

,

各 部 材レ

 

ベ ル の断 面選定のた めに は

,

録

初か ら建 築

7

一

メ ンを対 象と し た 理論 を展 開す る 必要があ

・

る

。

一 80 一

 

本論文で は

,

レベ ル 1設 計 用 地 震 動群に対して特 別な 制 約 条件の下で設 計された骨 組の レ ベ ル 2地 震 動 群の下 で の弾塑性応 答 解 析 結 果も提 示 す る

。

この時の弾 塑 性 最 大 応 答 量は. レベ ル 1設 計 用地震

勲

群下の弾性 応 答 量と 特別 な

蘭

係に

.

あるごと を示す。

・

こ れ は以 下で述べ る2段 階応答制御の た め の理論 展 開手 順 を建 築ラ

ー

メ ン に適 用 し た場 合の妥当性 を例 証するための もの であ る。 塑 性率 などの塑性 変形の大 き さとレ ベ ル

1

地震 外 乱に対す る設 計 条 件との関係などの よ り詳 細な弾塑性挙動の 特 徴と そ れに基づ く

2

段 階応 答 制 御 法につ い ては今 後の論文に お い て発表の予定であ

.

る

。

な お

,

レベ ル

1

とレベル

2

設計 用 地 震 外乱の設定に は さま ざ ま な立 場が あ る が

,

こ こで は

,

設 計 用 応 答スペ ク トル適 合 地 震 動 群を用いた設計例

,

弾 塑 性 解 析結果 を示す

。

レベ ル 2設 計 用 応 答スペ ク トル は レベ ル 1設計用応 答スペ ク トル の係数倍と す る立場を とり

,

こ こ で は

2

倍の例 を示 す

。

 

本論 文の ひずみ制 約 設 計 理 論に よ り設計さ れ る骨組は 以 下の よ う な特 徴を有し て い る

.

(1 )設計用応 答ス ペ ク トル に適合す る多数の地 震 動 群に対 する最大応答量の 分 散は

,一

般の骨 組で は, 層 変 位

,

層 間 相対 変位, 節点 回 転 角

,

部 材ひずみと順 次 大き く な る

。

しか し

,

以 下の 章で明らか と す る よ うに

,

本 理 論により設 計し た骨組で は

,

節 点 回転角と梁 端 縁ひずみ の最 大 応答量 の分散は同 程 度と なり

,

レ ベ ル 1設 計 用 地 震 動に対す る ひずみ制 約 が 達 成さ れ ている

。

(2 )部 材 や 骨 組の安 全 率の指 標に 弾 性 限に対す る応 答 量の比 を採 用す る と き

,

その安全率 の判 定にはひずみ を判 定 指 標と する こと がで き る

。

す な わち

,

全 部材の ひずみ を指 定し た骨 組は

,

全部材の安 全 率や全 層の層 間相対 変 位に関す る安全率を指定し た骨 組 に相 当す る

。

(3)本 理 論は

,

「レ ベ ル 1設 計 用 応 答ス ペ ク トルの係数 倍の レベ ル 2設 計 用応答ス ペ ク トル に適 合 する地 震動群」の作 用 下で の各種の制 約条件もある程 度 の精 度で満た せるよ うな設 計理論を展 開する際の基 礎と な る2)。

 

な お

,

本論文では

,

地 震 動に よ り生じ る各部材の材 端 縁ひず みの み を制 約 対 象とし

,

その 部材の曲 げ剛 性 を設 計 変 数と す る

。

こ の ような曲げ剛 性の み を 設計 変 数と し た設 計 法で も

,

あらか じめ

,

死荷重に よ る曲 げひずみや 軸力による ひずみ を控 除した指定 値を採 用し

,

若 干の

,

繰 返し計 算 を行 うことに よっ て部 材サ イズの 設計 を 行 う こ とも可 能で あ る

。

2.

レベ ル

1

地震時応答ひずみ制 約 設 計問 題 2

.

1 対 象 骨組           1  こ こ で は

,

図

一

1に示 す よ う な部 材 中 心 線 形 状と部 材 せ い が指 定さ れ た∫層 8 ス パ ン の弾 性 平 面 建築骨組 を 対 象と し, 全部 材の 曲げ 剛 性 を 設 計変数 と する

。

曲げ剛 性が定まれば そ れに対 応す る部 材 断 面 を 選 定でき る。

(3)

ハbde‘ゴ,k) k

−

t1→

k−一

→

k−

tk→ k

− 7−

→

k一

乏

。

→ {       図

一1

 設 計 対 象 骨組

不

架

…

*

霊

不

↓

下 病 ⊥  第 ノ層の階高 を

h

,

,

左か ら 左番 目の ス パ ン長 を

tiC

と す る

。

ノ層の左か ら

h

番 目の梁, 柱 をそ れ ぞ れ (ノ

,

k

) 梁

,

(

j

,k

)柱と呼ぶ

。

地中 梁は (O, 旬 梁である。 け, 

h

) 梁

,

(

j

,h

)柱の曲げ剛 性 をそ れ ぞれ

K

抽 ゐ

.

h と し , 部 材せ い を

2d

蹴

,2

 

dCj.

h とする

。

長さ部 材せ い比

1

,/2

dBSk,

 

hi

/2 

dCXit

をλ。」

,

iC

,

λCSit で表す

。

部 材 断 面は 2 軸 対 称で部 材せい の み指 定さ れて い る とする

。

 

こ こで は, 伸びな し変形の仮 定に基づいた 理論を構成 し

,

全 部 材の曲げ変形に よる材 端 縁ひずみ値を制 約 対 象 と する

。

骨組の 変形 は

,

図

一

2の ように節点 回 転 角 θ,

.

iC と柱 部 材 角

R

,に よ り表 現で きる

。

第

j

層 質量の合 計値 をm 」とす る

。

こ こ で は回転 慣 性 を考 慮し ないこ と とす る

。

こ のと き

,

運 動 方程 式 数は層 数と同じ∫個と な る。 各 層の層 間変形角

R

,(

f

個 )を独 立な変 位 成分 と す る と

,

静 的縮 約の逆の手続きに より

,

げ+ ユ)(s +1) 個の 節 点 回 転 角 ej

.

itも すべ て定ま る。 2

.

2  設 計 用 地 震 動

 

設 計 用 地 震 動と して は以 下の よ うに指 定さ れ た 応答ス ペ ク トル に適 合す る

一

群の地 震 動 を採 用す る

。

   SD

=SD

(

T

;

h

)

・

………・

・

……一 ・

……

て1)

   Sv

=Sv

〔

T

;ん)

・

≒(2π/T)

SD

(

T

:

h

)

…

 ……・

…

(2) こ こ で,

h

は 減衰 定 数

,

 SD(T ;h )は固 有 周 期 T の 単 調 増 加 関 数であ る。 R 図

一

2 骨 組の変形 rk

2.

3  応 答 量 関 係 式

 

振 動 時の骨 組の変形は

,

図

一

2に示すように,

.

節 点回 転 角と柱 部 材 角に よ り表 現する こと がで き る

。

た わ み角 法 公式を採用す ることにより

,

材 端 縁ひずみ

,

材端モ

ー

メ ン ト

,

節点 回 転 角

,

柱 部 材 角の間の関係が 以下の よ う に表現で きる

。

【

材 端 縁ひずみ】 (梁 左 端 縁ひずみ)

   

・毎= (2殊 +

e

、

,

iC. 、)/

ft

。、

,

,

一 一 一 ・

厂

・

…・

……

(3 ) (梁 右 端 縁ひずみ)

   

ε譯xκ

=

(

eJ,

iC十2eJ

.

κ+1)/λ8丿

,

ガ

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

一

・

・

・

・

…

 

(4)

(柱 上 端 縁ひずみ)

   

ε

9j

.

h

=一

(

2

 

eJ,

k 十

e1−

1

、

h

−

3R,)/

λ

』∴配

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

(

5

 

) (柱 下 端 縁ひずみ)

   

εきJ

,

iC=

一

(

e

,

、

、t+2θ∫

.

、

.

k

−

3R 丿)/

iCj

.

k

・

…………

(6) 【材 端モ

ー

メン 碍 (梁 左 端モ

ー

メ ン ト)

   

M 盞」

,

・

.=

K

」

,

itε

k

」

,

it/

dSJ、

it

…・

・

………・

…・

・

…・

(7 ) (梁 右 端モ

ー

メン ト)

   M

§、

.

k

=

κ,

、

。ε惷、

,

、/

d

、J

.

h

・

…・

…・

・

;

F− …・

…・

……

(8) (柱 上 端モ

ー

メ ン ト)

   1

曜

9A

陀=

一.

J

,

、

産ε

9

∫

,

尾/

dC

」

,

k

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

(

9

) (柱 下 端モ

ー

メ ン ト

1

   

〃き丿

、

h==

一

ゐ

,

、εき、

,

、/

d

、,

、

、

7−

一 …・

…・

・

・

・

……

(lo) 各節点ま わ りのモ

ー

メ

1

ン トの釣 合 式 (節 点方程 式 )は次 式 とな る

。

【

節 点 方程 式】

2

 

K

,

.

t(

2

 

ej,

h十e」

,

k+1)       十

2K

∫

,

it

−

1{

2

 

e

」

.

k 十島

,

κ

.

1)      

1

,

2

」ン

,

尾(

2

θゴ

,

産十e,

−

1

,

盈

一3R

ノ)

tk−

1     

h

∫

 

2j」

+

1

,

lt(2 

ej.

tS十

e

,+1

,

s

−

3R ノ

+

L) 十        ん川

=

0        

…’

…………・

…・

・

……・

……

(ll)

 

以 上の (3)

一

(

11

)式は

,

自 由 振 動 時お よ び強 制 振 動 時 (地 震 外 乱 時 )のすべ て の時 刻に おいて成 立 すべ き式 であ る。  骨 組の n 次 固 有 周 期お よ び n 次固有値 を そ れぞ れ T。

,

Ωn と すると

,

骨組が n 次モ

ー

ドで非減 衰 自 由 振 動 して い る と きの運 動 方程式は n 次モ

ー

ドに対応する

R

}n ,

,

θ臥に関 する次の表 現に帰せら れ る

。

【運動方程 式】       s

+

1

     

プ

 

  

 

  

 

Σ]6JSk(θ蜜渥十θ

ri

,

,

,

−

2R 望 n) )

   

m ・Ω

嘱

Rチ 1ん ・+旦

  

hi

        s+1

     

Σ 6/1

.

,

.

鼠θ

VIL

+ θ野1

、

厂 2R 翼1}      

_

h

=

1

      

嫉 1

   

=

o

’

… ’

(12 )

一 81 −一一

(4)

2

,

4 材 端 縁ひず みの SRSS 応 答 評 価 式

』

 与え ら れ た設計用 地震動に対す る骨 組の応 答 量 を 琴乗 和 平 方 根法 (SRSS 法)を 用いて評 価する

。

       

、

      ノ

   

(ε盞iMman )2

=

Σ (vc‘距8皆」ε躓κ) 2

・

・

…

 

1・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

(13)       i

;

1       J

   

鳳 。剛 ) 2

=

Σ (ゾ‘ls 活1ε跚 2

−

…・

一 …・

・

…・

(

14

)       i

=

1       ノ

   

(ε客丿淑max ,) !

=

Σユ(ン[白

8

旨,ε

9

海> 2

・

7・

一・

・

…

 

一・

・

・

・

・

・

・

…

 

(15)       t

=

1       f

   

(εお、脚

.

、} 2

=

Σ (〃〔齢

S

顕}ε跏2

……・

………

(

16

)       i

=

1 こ こ で

,

vU)は

i

次の刺 激 関 数 を

,

 

S

馳よ

i

次の 固有周期 と

i

次の減 衰 定 数に対 応す る変 位 応 答ス ペ ク トル値を表 し

,

ε臥 な ど は 固

有

ベ ク トル に対 応

す

るひずみ成 分を表 す。 2

.

5

 

地 震応 答ひず み 制 約 設計問 題  設計問 題は以下の よ うに述べ ること ができ る。

【

設計問題

SCDE

 1

】

 

(

2

)式に適 合す る設 計 用 地 震 動 群の下で生じ る 材端縁ひずみの

SRSS

法に よる評 価 値 ((

13

}

一

(

16

) 式 )が 以下の (17), (18)式で与え られる値と

一

致 する よ うな骨 組の, すべ ての

部

材の曲 げ剛 性 を見い だせ

。

(平 均 最 大ひずみ指 定 値 )

   

Max

(ε

kj

,

Nntax〕, ε砦J

,

Mmax 〕〉

=

EBJ

、

パ

・

……・

(17)

   

Max (εぎ,

,

MmaXl

,

 

εとj

,

Mmax ))

=

iCJ

,

κ

…・

・

・

…

(18)

こ こ で, 9B」

,

k

,

 

iCJ

.

ilは指 定 値

。

    

・・

2

.

6  平 面 建 築 骨 組の地 震 時 応 答 制 約 設 計 上の因 難 点  ひずみ制 約 設 計 問題 は 上 記の よ うに述べ ら れ るが

,

ひ ずみの 指 定 値の与え方に よっ て は解が存在 し な かっ た り

,

解が存 在してもそ の解を得るこ と が困 難である こと が多い 。

 

中村恒 善らの提 示し た せ ん断型構造 物モ デル の層 間相 対 変位の制 約 法1) を 多 層多スパ ン骨 組の ひずみ制 約 設 計 に まで拡 張 する場 合に は, 著 者らの提 案に よる 「1次 固 有 周 期お よび

1

次ひずみ モ

ー

ド制 御設 計 骨 組の 閉 形 解4 〕」を利 用して文献 1)と同様の手順 を採 用 すること が有 効な手法である と考え られ る

。

その場合に お い ても

,

多層多ス パ ン骨組の ひずみ制約設 計 法には以 下の 困 難 点 が存在す る

。

(1 )

 

「1次 固 有 周 期お よ び 1次ひずみ モ

ー

ド制 御設 計 骨 組 唱 は

,

1次ひずみ モ

ー

ド時の 異な るスパ ン位置の 同

一

層の梁ひずみが (部 材 長 /せい比)に逆 比 例するな どの 特 別な性質を有す る

。

とこ ろが

,

高 次モ

ー

ド時に は 1次モ

ー

ドと同様の 関係が存 在す る と は 限 らない

。

そ の た め

,

地震 時の時々刻々 の ひずみ応 答 値の部 材間 相 互に は特 別の関 係が 生 じ ない

。

すな わ ち

,

次章で述べ る1次

一

82

一

ひずみ モ

ー

ド指 定 時の 2f 十1個の α J とβ∫の パ ラメ

ー

タ

ー

を変 更 した だ け で は全 部 材の ひずみ を制約する こと がで き ない

。

な お

,

文 献4)の設 計 解を利用 し ない場 合 に は1次ひずみ モ

ー

ドを指 定す るこ と す ら 困難で ある

。

(2) 応 答ス ペ ク トル に適 合 する設計用 地 震 動 群の下で 生じる最大 応 答 量の分 散は

,一

般の骨組で は

,

層 変 位

,

層 間 相 対変位

,

節点回転角, 部 材ひずみの順で大きい

。

その た め

,

変 位の 最大 応 答 量の 予 測に 使用 さ れ る

SRSS

評価式と同 様の (13)

〜

(

16

)式の

SRSS

評 価 式 で部 材ひずみの最大 応 答 値が予 測 可 能で あ る と は 必ずし も言 え ない。

3.1

次 固 有 周期お よび 1 次ひずみ モ

ー

ド制約 設 計 3

.

1 設計問題と設 計 解

 

最初に

,

4 章以 降の地 震 時ひずみ応答制約理論の展 開 に必 要な [1次固有周期と 1次ひず みモ

ー

ド制 御 設 計 問 題

SCDF

]と その設 計 解を文 献4}か ら抜粋し て示す

。

[設 計 問 題

SCDFj

.一

次 固 有値の制約条 件

   

Ω、=

9a 

(Ωa

・

:指 定 値)尸

・

・

…………・

(

19

) と

一

次ひずみモ

ー

ドの制 約 条 件     ε

kSic

/(α ,/λS」

,

κ)

=

ε慧∫

,

it/(σ jfλBj

,

κ)

    

; ・

3

、

,

、/(β、/

毎

.、)

…・

・

………一 ・

……・

・

(20)

[

三

1

羅

獣

係 数

一

一・

・

(21・

]

を満た し

,

(3 )

一

(12>式の すべ て が 満た され る よ うな部材の曲 げ剛 性

Kj,

ll

,

  J」

,

itを見いだせ

。

 

こ こで

,

αノ

,

β丿は ひずみ モ

ー

ド(ひず み 比 率 )を指 定 する ための係 数で, その比の みが意 味を持つ量であ り, (21)式を満足 す る範 囲で設 計 者が任 意に与え ること が できる。 偽

,

β,は層 位置に の み関 係す るの で, 同

一

層の 梁の ひずみ は λBi

.

itに逆 比 例し, 柱部 材の ひずみ は λC 」

.

k に逆 比 例して指 定さ れ るこ と に な る

。

層 位 置の異な る部 材間の ひずみ の比 率はα」

,

β,の 値を適 宜 指 定する こと に よ り定 ま る

。

 設 計 解は次 式で与 え ら れ る4}

。

 

 

 

」、

,

iC

一

諾

萼

(

£

f調

略

…

鶏

・ρ

・

・

・

・

・…

 

 

 

晦

」

弩

誌

鶉掣藩

・

略

(

略

R

∂

  

 

  

一

遥畿艷鶉

}

1)島

盈

1(

略

R

∂        

…・

………・

・

………

(23) こ こ で

,

R尸 (2 as

−

i/9十αi/

9

十βc/3)島

 

また

,

驫hは各ス パ ンの層せ ん断力 分 担率を表す係数

(5)

で, 以 下の条件を満た す範 囲 内で設 計者が任 意に設 定で き る

。

      s      Σ

e

,

,

魔 

=

=

 

1

  (

j

=

1

〜

f

)

・

……・

・

………

(24)       h

=

1      

ej

,

.>

0 ・

・

・

・

・

…

 

一・

・

9・

・

・

・

…

 

一・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 (25) 3

.

2 ユ次固有 周 期お よ び 1次ひずみ モ

ー

ド制 御設 計 骨     組の性 質 (

1

)

1

次 固 有 周 期の指 定 値と設 計 解との 関係   (22)

,

(23)式 より

,

骨 組 形 状や 1次ひずみ モ

ー

ドが 同じで

1

次 固有 周 期の み が異なるとい うクラス の多数の 骨組の設 計解群は

1

次固有値 Ωa に比 例 する こ と がわ か る。 す な わ ち

,

1次 固 有 周 期 T、の 2 乗に反比例す る。 そのた め

,

こ の ク ラ ス の中の 1個の設 計骨組と

1

次ひ ず みモ

ー

ドが同じで 1次 固有 周 期の みが異な る別の骨組の 設 計 解を得るに は

,

当 初の骨 組の全 部 材の曲げ剛 性を1 次 固 有 周 期の平 方 根に逆 比 例させ た値 を 採 用す れ ば よ い。 両 骨組の高次モ

ー

ドも刺 激 関 数 も同

一

であり

,

新た に固有値解 析を行う 必要は な い

。

こ れ は文 献1 )の せ ん 断 型 構 造 物モデル につ い て明らか に さ れ た性 質と同様の 性 質であ る。  通 常の建 築 骨 組では SRSS 評価法の計 算に おい て 1 次モ

ー

ドが占め る割 合が大 きい

。

そこで

,

こ の性質を利 用し て

,

1次モ

ー

ド成 分を主 要な 調整パ ラメ タ

ー

とし て 骨 組の応 答 量 を 変 更し た骨 組 を容易 に見いだ すこと がで き る。 (2 > せ ん断 力 分 担 率が特 別な骨 組の挙動特 性  前 章の 困 難 点 を解 決す る た めに, (

22

), (23)式で表 さ れ る部 材 曲 げ剛 性 を有 する建 築 骨 組の う ちで

,

セ ッ ト バ ッ ク して い な い平 面 骨 組で, せ ん断 力分 担率を次 式の よ うに層 位 置に関 係な く, ス パン位置のみ に関 係 すると し た クラ ス の設 計 解 群 を利 用す る

。

 せん断 力 分 担 率 :     畠

,

陀

=

ξぺ

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

tt・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

一・

・

・

…

 (26)  こ の ク ラ ス の設 計骨組の挙 動 特 性は以 下となる

。

この 骨組は ユ次モ

ー

ドにおいて も高 次モ

ー

ドに おい ても

,

す な わ ち

,

地震 時お よ び自 由 振 動 時のい か な る時刻におい て も

,

同

一

層の節 点 回 転 角は常に同じ と な る性質を有し てい る

。

    

6

し

.

iC= θ ゴ

・

・

一・

一一・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

一・

幽

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 (27 ) す な わ ち

,

地震 応 答 時におい て

,

同

一

層の梁 群の ひずみ の比率お よ び

向一

層の柱 群の ひずみ の比 率はそ れ ぞ れ常 に

一

定と な る。

・

 (26)式の制限 を付加し た 1次 固 有 周 期および1次ひ ずみ モ

ー

ド制 御 設 計骨組が (27 )式に示す変形 特 性 を有 する こ との証 明の詳 細は文 献4 )に述べ た が

,

概 略は以 下で あ る

。

(i) (26)式 を満足 す る よ う せ ん断 力 分 担 率を設 定し た多層 多ス パン骨 組の部 材 剛 性は左右対称な 多 層 1スパ ン骨組の部 材 剛 性の重ね合わ せ で表現で き る。 (

ii

> 左 右 対 称 な 多 層 1スパン骨 組の節点 回転 角は 任 意の柱 部 材 角 を 与え た時にも左 右 対 称で あ るこ と は自 明で あ る

。

(

iii

)重ね合わ せ に使用す る複数の多層 1ス パ ン骨組に 同

一

の柱 部材 角を与え た時の節 点回 転 角が (27 )式の θ,の よ うにすぺ て同 じ 大 き さにな る と仮 定 す る

。

(

iv

) こ の仮 定が成り立てば

,

多 層 多ス パ ン骨 組 に任 意の柱 部 材 角 を 与え た と きの変形も左右対称な多 層 1スパ ン骨組の 変形の重ね合わ せで表現で き るD (v ) こ の 多層多スパ ン骨組の変形が節点方程 式お よ び層方程 式 を満 足す るこ とを示す こと ができ る

。

(vi 

7

た わみ角 法 問 題の解の唯

一

性か ら (27 )式 の仮 定 は 成 立 す ること が 証 明さ れ る

。

4.

レベ ル

1

地 震 時 平 均 最 大ひずみ 応 答 制 約 設 計 法

4.1

 困難点の解 決 法   2章で述べ た 困 難 点は感度 解 析 型の アプロ

ー

チ で は解 決が容易では ない。 ところ が

,

本 論 文で は

,

陽な閉 形 解 を利用す ること に よ り以 下の (1 )

,

(2)の よ うに解 決 す るこ と がで き る。 困 難 点が解 決で き れ ば, (26 )式を 満足 す る 「1次 固 有 周 期および 1次ひずみ モ

ー

ド制 御 設 計骨組4ト 」を対 象と す ることに よっ て多 層 多スパ ン骨 組 の全部 材のひず み を制 約する こと が可 能とな る

。

(1 )

3

章 より

,

(26)式 を 満 足 する 「1次 固有周期お よ び

1

次ひずみモ

ー

ド制 御 設 計 骨 組 」の場 合に は

,

すべ て の モ

ー

ドにおけ る節 点 回 転 角は層ごとに同 じ値で あ り

,

地 震 応 答 時においても常に節 点 回転 角は層ご と に同 じ値と な ること が分かる

。

こ の設 計 骨 組で は

,

梁の 両端 の節点 回転 角が常に同じ である の で, 節点回転 角と梁 端 縁ひずみ は常に次 式の関 係 となる

。

   

ε

S

」

,

k

;

ε昌」

.

κ

=

3θ,/JLB」

.

it

…

 一・

…

 一・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

(28 ) ま た

,

地 震時におけ る同

一

層の いず れの柱の両 端の節点 回 転 角と部 材 角 もそ れ ぞ れ常に同

一

とな り, 同

一

層の柱 に生じ る ひずみの大き さの比 率は常に

一

定である

。

ゆえ に

,

特 定の ス パ ン位 置の梁と柱の地 震 時の ひずみに注 目 して

,

(20)式の a」 とβ,を変 更する ことに よっ て その 部 材の ひずみ の制 約が行え れ ば

,

他の ス パ ン位 置の梁 と 柱の ひずみの 制約も同 時に行え る こと と な る。 (2 ) 常に (28 )式の関 係が成 立す る た め

,

(13)

,

(14) 式の ひずみの

SRSS

評 価 式は次 式の よ う に節 点回 転 角 の

SRSS

評 価式の定 数倍とな る

。

 

 

 

e・・

,

・

・

・

…

’

・・Sblmax )

一

λ

洗

鶏

・・ の ・

謝

・

…

・29・ (28)

,

(29>式よ り

,

多 数の外 乱に対す る本 骨 組の節 点 回 転 角と梁 端 縁ひずみ の最 大応 答量の分散の 度 合い は同

一

で あ り

,

本 論 文の ひずみ の

SRSS

評 価 値は有 効で あ る

。

同

一

層の柱 群の材 端 縁ひずみ の大き さの比率は常に 同 じであり

,

その値 は 柱部 材 角と 上下の節 点回転 角に よ り表 現す ること がで き る

。

その た め

,

柱ひずみ の最 大 応

一

83

一

(6)

答 量の 分 散の度 合い も梁ひずみ の場 合と 同程 度と な る。 本論文の ひずみの

SRSS

評 価 値の有 効 性は

,

次 章にお け る時刻歴応答 解析 結果に よっ て も検証さ れ る

。

4.

2

有 効な解が得ら れ る設 計 問題  上 記の考え方に基づ い て

,

「骨 組の全 部 材の地 震 時 最 大ひずみ応答の

SRSS

法 予 測値を指 定 値と

一

致させ る とい う制 約 条 件 下の設 計 問 題 」の う ち

,

特に次の問 題 を 考え る。

1

設計

問ee

 

SCDE

 21   (

2

)式に適合す る設計 用地 震 動群の下で生じ る 材 端縁ひずみの

SRSS

法に よ る評価値 ((

13

>

一

(16 ) 式 )が以 下の (30 ), (31 )式で与え られ る値と

一

致 す る よ う な骨組の, すべての部 材の曲 げ 剛性を見い だ せ。 (最 大ひずみ指 定 値 )     ε

kJmmx

)

=

ε聾i

,

nymax:==∂j/?LBj

.

it

・

・

・

・

…t−・

・

・

…

(

30

)

.

    ε

k

,

、

脚 麒 尸β∫/λc ∫

、

ピ

・

・

………・

…・

・

…・

(31> ∂,

,

β,はひずみ指 定 用 係 数

。

4

.

3  設 計 解 誘 導 手順  3章に示 し た骨 組の特 徴を利用 す る と, 1次 固 有 周 期 と 1次ひずみ モ

ー

ドを主 要な制 御パ ラメタ

ー

とす る解 法 手 順が構 成で き

,

10回程 度の収 束 計 算で設 計 骨 組 を得 ること がで き る。 収束回数が特に少な く て す むの は, こ の種の構 造 物で は 1次 成 分が卓 越する こと と, 「1次 固 有 周 期お よ び 1次ひずみモ

ー

ド制 御 設 計骨組 」の解に収 束 計 算が不 要な閉 形解を使用す る か ら である

。

  設 計 解の誘 導 手 順は 以下と な る

。

(ス テッ プ1> 初 期設 計 骨 組の 1次 固有周 期 と 1次ひず みモ

ー

ドを設 定 する。 こ こ で

,

初期

1

次ひずみモ

ー

ドの 指定は ひずみ の最 終 目 標 SRSS 法 予 測 値と同じモ

ー

ド と し, 初期 1次 固 有 周 期は 全 応答が 1次モ

ー

ドのみで表 現され ると仮 定し た式を用い て求め る。 (ス テ ップ2)文 献4)の 「1次固有周期と 1次ひずみ モ

ー

ド制 御 設 計 解 」を用い て骨 組の各 部 材の剛 性 を算 出する

。

せ ん 断 力 分 担 率は (

26

)式を満足 す る よ う設 定す る

。

(ステッ プ3)上記 (1 )で設 計さ れ た骨 組の 固 有 値 解 析を行い

,

地震 時 最大 ひず み 応 答 量の

SRSS

評 価を行 う。 (ステッ プ4 )

3

章で示 し た骨 組の性 質を利 用して

,

ひず みの

SRSS

法評価 値が すべ て指定値 以 下と な る よ う1 次固有周期の設 定 を変 更 する。 予 測 値が指定 値の ε近 傍 (小さ な正の指 定 値 )に入っ た ら手続き を終了 する

。

(ス テ ッ プ5)上 記の骨 組の応 答ひずみ値 (

SRSS

評 価 値 ) と指 定ひずみ値の比 率の逆数を前回の

1

次 ひずみ モ

ー

ド に乗 じ たモ

ー

ドを次の 1次ひずみ モ

ー

ド と し て採 用 す る

。

84

一

(ステッ プ

6

)上記の (ス テップ4), (ス テップ5)の 1 次 固 有 周 期と1次ひずみ モ

ー

ドを採 用し て

,

(ス テッ プ 2)へ 戻る

。

 以 上の手 続きに より, 地 震 時の ひずみ制 約 設 計 骨 組 を 得るごとがで きる。

5.

弾 性 設 計 骨 組の応 答 解 析によ る検 証  こ こで は図

一

3に示 す 最 も単 純な等ス パ ン モデルの設 計 例およ び その設 計骨組 を対 象と し た時 刻 歴 応 答 解 析に よ る検 証結果 を提 示する

。

3, 4章の理 論 展 開は

一

般 骨 組 を対 象 とし ており

,

文 献 3)

,

4)の設 計 例と同様に ス パ ン長が均 等で ない多 層 多ス パ ン骨 組の設計 例を示す こ と も容 易であるが, こ こ で は, 3, 4章で展 開した設 計 理 論 とその検 証 を より分か りや すく示 すこと を目的と し ている

。

ま た, こ の設 計 例は

,

6章で示す骨 組の弾 塑性 挙動の性 質を明ら

・

かにす る た めの基 本モデル と して も使 用す る

。

【レ ベ ル 1地震外 乱に対する ひずみ制 御 設 計 例】  ひずみの指 定 方 法 が 同じ5, 10, 15層の骨組およびひ ずみの 指定 方 法 が 異な る 10層 骨 組の設 計 例 を 示 す。 ひ ずみの指 定 値お よび部 材の せ いをそ れ ぞ れ表

一

1の よう に与え る

。

  柱の 断 面 を図

一

4の よ うに箱 型 断 面 とし

,

梁の断 面 を

H

形断 面と する

。

各 層の重 量は 1ス パ ン当り 35tonfで あ る

。

弾 性係 数は2100t/cm2 で ある。 各ス パ ンへ の層 せ ん断 力 分 配 率 ξらκは同

一

値とした。  こ こ で は,

Newmark −Hall

の提 示 し た デザ イン ス ペ ク トル61を採用 す る (図

一5

)

。

そこでの設 計 用レ ベ ル 1地 震 動の地 動 加速 度

,

速 度

,

変 位の最 大 値 を 以 下とする

。

 (最 大 地 動 加速度 ) 201

.

O cm /sec2

………・

…・

…

(32>   (最大地動速度 )  

25.Ocm

/sec

………・

・

…・

…

(33)  (最 大地動 変 位 )   18

.

75cm

・

・

………・

…・

(34) 平 均応 答ス ペ ク トル の加速度, 速 度, 変位の最 大 値は上       600c囗     600cm −

  ■

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

■

  ■

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

●

  ■

 

 

 

 

 

 

■

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

   

 

 

■

 

 

   

■

   

 

 

,

   

 

 

■

.

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

●

 

 

 

 

 

 

匿

.

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

噂

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

.

コ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

コ

 

 

 

 

 

 

 

†

…

甲

ー ∴ … 十 …

曲

:

.

 

 

 

 

 

 

■

 

 

 

 

 

 

■

 

 

 

 

 

 

■

 

 

 

 

 

 

一

.

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

・

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

一

.

   

 

 

.

 

 

   

噂

 

 

   

■

   

 

 

,

 

.

   

 

 

.

   

 

 

■

 

 

   

一

 

 

   

−

 

一

 

 

 

 

 

 

■

 

 

 

 

 

 

■

 

 

 

 

 

■

 

 

 

 

 

●

 

■

   

 

 

一

   

 

 

■

 

 

   

■

 

 

   

●

 

コ

   

 

 

ロ

   

 

 

 

 

 

   

コ

 

 

   

コ

・

十 =

・

甲

=

・

÷

・

=

}

・

= オ  

■

   

 

 

匿

   

 

 

,

 

 

   

.

 

 

   

■

 

.

 

 

 

 

 

 

匿

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

.

 

■

   

 

 

■

   

 

 

■

 

 

   

.

 

 

   

■

ロ

コ

 

.

ロ

 

,

ロ

.

.

 

.

  …

…

十

…

  :

  …

・

…

 i

.

・

一

・

  …

 

 

ロ

 

 

 

ロ

 

コ

 

ロ

 

ロ

 

ロ

 

ロ

  …

 

 

.

 

ぞ

 

 

ロ

ロ

  …

・

…

i

・

…

・

。

.

哩

.

■

叫

  …

.

 

.

 

.

 

ロ

 

し

 

 

.

 

.

 

コ

  …

’

‘

”

ム:

’

”

図

一

3 代 表 骨 組モデル 冒 O 器 ロ 8

の

 

(7)

表

一

1 ひずみ指 定値と部 材せい 設 訓 列1 部材端 縁歪指定値 {xlo

一

弓 ) 部材せ い(cm ) 層 梁  柱 層 梁 柱 54

.

75  4

,

76550   50 47

.

62  4

.

76460   50 37

.

62  4

,

76360   55 27

.

62  4

,

76265   50 17

.

62  4

,

76165   60 o3

.

81 ogo 設計例3 部 材 端 縁歪 指 定 値 (xlO

−

4) 部材せ い(cm ) 層 梁   柱 層 梁 柱 154

。

75  4

,

751555   50 146

.

正9  4

.

761460   55 137

.

62  4

.

761365   55 127

。

62  4

,

761265   55 117

.

62  4

,

76ll70  

55

107

.

62  4

.

761070   昼o 97

.

62  4

.

76975   60 87

,

62  4

.

76875   60 77

.

62  4

.

76775   60 67

,

62  4

.

75675   65 57

,

62  4

.

76575   65 47

,

62  4

.

175480   65 37

.

62  4

.

75380   65 27

,

62  4

.

75280   65 17

,

62  4

.

76180   70 03

,

81 095 設計 例2 部材端 縁歪指定値 (x10

’

4) 部 材 せい(cm ) 層 梁   柱 層 梁 柱 104

.

76  4

.

761045   50 巳 6

.

19

 

4.

76955   5G 87

,

52  4

,

76860   50 τ 7

.

52  4

.

76760   55 67

.

52  4

.

76665   55 57

.

62  4

.

76565   55 47

.

62  4

,

76470   60 37

,

62  4

,

76370   60 27

.

62  4

.

75270   60 1 τ

.

62  4

.

76170   60 o3

.

81 0100 設計例4 部 材端 縁 歪指 定 値     (x10

−

4} 部 材せい(cm ) 層 梁   柱 層 梁 柱 102

.

38  2

。

381075   60 94

.

29  3

.

33975   60 85

.

τ1  3

.

81875   60 75

.

19  4

.

29775   50

65

.

67

 

4.

76675

 

50

57

.

14  4

.

76575   50 47

,

62  4

.

76480   65 38

.

10  4

.

76380   65 28

.

57  4

.

76280   55

17

,

62

 

4.

76180

  70 02

.

38 oloo   2d

幽

画

幽

蚤

図

一

4 部材断 面 形 状 Sv {cm/6e の 1005D25 1t

.

5 6

.

25     0

.

IZ5    ゆ

,

 

Z5    0

,

5     1

.

0     2

.

D     4

.

O       TCeee} 図

一

5 Newmark

.

Hallのデ ザ イン スペ ク トル 記の値に 以下の倍 率を乗じ た値と な る。  (加 速 度 倍 率 )  3

.

21

−

O

.

 68

・

ln

(100×

h

)

………

(35)  (速 度 倍 率 )  2

.

31

−

O

.

41

・

ln

(100×

h

)

………

(36)   (変位倍率 ) 

1.82− 0.

27・

ln

(100×

h

)

…・

・

…・

(37> 設 計 骨 組の 減衰定 数

h

は固有振 動 数 比 例 型と し

,

1次 モ

ー

ドの減衰 定数を

2

%とする。 (32>

一

(37}式よ り, 減衰 定数

2

% の変位 応 答ス ペ ク トル の主 要な部 分は以 下の よ うに表せ る

。

    

SDi

(

T

:

0.

02

)

=

13

.

94 T2    (T≦0

.

58)     

Spr

(

T

 :

0.

02

)

=8.06

 τ     (

T

>0

.

58)  設 計 例 1

〜

3は中層部の梁の材 端 縁ひずみ の指 定 値 を 同

一

値と し, すべ ての柱の材 端 縁ひずみ の指 定 値 を梁の 指 定 値よ り小さい同

一

値と し た。骨 組の設 計 条 件の う ち

,

変 位の制 限などに余裕が あ る場 合に は

,

こ の ように梁の ひずみ を柱のひずみ よ り大き な同

一

値に指 定 する ことに よ り, 中 層部の梁の弾 性 限に対す る安 全 率が柱 より小さ な 同

一

値 とな り

,

激 震に対して も塑性変形が特 定の層に 偏らない と期 待さ れ る骨組を設計す ること がで き る。  設 計 例4は施工上の制 約など を考 慮に入 れ て部材せい を数 層に わ たっ て同

一

と し た

。

ま た

,

上層 部の鞭 振り現 象 を抑え るた めに上 層部の層 間 相 対 変 位を徐々 に小さ く す る目 的で, 梁, 柱の ひずみ の指 定 値を上層 部に向かっ て漸 減する よ う指 定し た

。

一

85

一

(8)

表

一2

 断 面2次モ

ー

メントと部 材 肉 厚 設 計例 11 断面2次モ

ー

メ ント (x105

・

cm4 ) 部材肉厚(cm ) 層 梁   柱 層 梁   柱 50

.

67  1

.

345L95   Lτ9 41

.

20  2

.

1241

,

98  3

.

07 31

.

79

 

3.

153

呂

.

14

 

3.

43

22

.

45  3

.

83

.

23

.

37  3

.

12 12

.

16  5

.

5512

。

91  4

.

95 o5

.

20 02

.

52 設 計例

3

断 面2次モ

ー

メン ト (xlO5

・

cm う 部材肉厚 (cm ) 層 梁   柱 層 梁  柱 15O

.

45  0

.

8215O

.

・

92  1

.

04 141

.

OO  L59141

.

63

.

 1

,

56 13129   2

.

07131

.

65  2

.

09 121

.

66  2

.

60122

.

17

 

2

』

2

112

.

19  2

.

93112

.

28  3

.

14 102

.

43  3

.

69102

.

56  2

,

97 92

.

97  3

.

9592

.

53  3

.

23 83

.

21  4

.

2882

.

75  3

.

56 73

.

46  4

.

5972

.

99  3

.

88 53

.

64  5

.

4163

,

17  3

.

47 54

.

20  5

.

5452

.

98  3

.

57 44

.

34  5

.

7743

,

09  3

.

75 34

.

50  5

.

953321   3

.

90 24

.

62  6

.

0723

.

31  4

,

00 13

.

駐8  8

.

5912

.

80  4

.

58 o7

.

28 o3

.

04 設計 例2 断面2次モ

ー

メ ン ト (xlO5

・

cm ‘ ) 部材肉厚(cm ) 層 梁  柱 層 梁   柱 100

.

41  0

.

90loL51   1

.

15 91

,

05  1

,

6492

.

32  2

.

25

81 ,

35

 

2.

1382

.

27  3

.

09 7L73   2:9573

.

02  3

.

18 52

.

31  3

,

3163 」4  3

.

55 52

.

54  3』053

.

51  4

.

35 4340   4

,

3843

.

38  3

.

66 33

,

29  4

.

6533

.

51  3

.

94 23

.

46  4

.

8423

.

B3  4

.

14

12

』

4

  6

.

6013

.

18  6

.

31 o6

.

88 o2

.

40

.

設計例4 断面2次モ

ー

メン ト (x10 區

・

cm う 部材 肉厚 (cm ) 層 梁  柱 層 梁   柱 101

.

75  2

.

80lo1

.

43

 

2.

17

92

.

27  3

.

4291

,

89  2

.

73 82

.

63  3

.

9382

.

21  3

.

21 73

.

31  4

.

3772

.

85  3

.

65 63

.

72  4

.

6163

.

25  3

.

90 53

.

94  5

.

0753

.

47

 

4,

40

44

.

47  5

.

1343

.

18  4

.

05 34

.

47  5

.

5233

.

19  4

.

37 24

.

28  5

.

9423

,

03  4

.

72 14

.

14 10

.

3312

,

93  5

.

81 014

.

了5 05

.

64 表

一

3 1次固有 周期

一

次 固有周期 (sec ) 設計 例1 設計例2 設計例3 設計例4 0

.

540

.

941

.

240

,

76  梁

,

柱の断 面

2

次モ

ー

メ ン ト と肉 厚 が 表

一

2の よ うに 求まる

。

ま た

,

その骨組の

1

次 固 有 周 期 を 表

一

3に示 す。 【時 刻歴 応答 解析に よ る検 証

1

 本 設 計 法の妥 当性を検証す る た め, 設 計 用レベル 1応 答スペ ク トル に適合す る人工地 震 波に対する時 刻 歴 応 答 解 析を 実 施 し た

。

 レベ ル

1

人 工 地 震 波は, 減 衰 定 数2% に対す るNew

−

mark

・

Hall

の設 計 用 速 度 応 答スペ ク トル を タ

ー

ゲッ

.

トス ペ ク トル とし て

,

各地 震 波の速 度 応 答ス ペ ク トル 値が タ

ー

ゲ ッ トス ペ ク トル に等しく な るよ う SIM ΩKE プロ グラム7) を 用 い て 10波 作 成 し た

。

そ の時の タ

ー

ゲッ ト ス ペ ク トル のコ ン トロ

ー

ル点は 次の

6

点であ る

。

    (T(sec )

,

 

s。

{cm /s))

一

(o

.

02

,

0

.

 64)

,

      (0

.

03

,

 0

.

960)

,

 (0

.

125

,

 10

.

96)

,

 (0

.

579

,

 50

.

75),       (3

.

78

,

50

.

75)

,

 (5

.

OO.

 

38。

41} また

,

包 絡 関 数と して は

,

次 式で表現さ れ る

Jennings

型の もの を採 用 し た

。

位相特性は

一

様 乱 数を 用い た

。

    ζ(

t

)

;

O

.

205g

・

(t/3)3    (

0.

0

≦t〈3

.

0

)     ζ(t)

=

0

.

205g         (

3.

0

≦

t

く

12.5

)     ζ(t)

=

0

.

205g

・

exp [

−

0

.

24 (t

−

12

,

5月                           (

12.

5

≦

t

く25

.

0 )  設計例

1〜3

の骨組の梁

,

柱の時 刻歴 応答解析に よ る 最大ひずみ応答値の 平均 値と平均 値±標 準 偏 差 を 図

一

6 に示 す。 層 間 相 対変位の 応 答量 を同様に 図

一7

に示す

。

図

一

6

,

7よ り本 設計法に よ り設計さ れ た 骨組は, 設計 用応答ス ペ ク トル適 合 人工地 震 波の下で生じ る平 均 最 大 応答ひずみ値が各 指 定 値と良 好な精 度で

一

致し

,

かつ

,

分 散も小さい ことが わ か る

。

 な お

,

上 記の検 証に は単 純 骨組を対 象と して いる が

,

3, 4章の理 論で設 計さ れ る等スパ ン長で ない 骨組の 各 部 材の ひ ずみ の応 答量につ いて は

,

3

,

4 章の理論 展 開 か ら単純骨 組の応 答量を基に容 易に換 算が可 能で

,

そ の 応 答量は単 純 骨 組と同じ精 度で あ るこ と は明ら か であ るe

一 86 一

(9)

層 543210 層 109875543210 o

伽

「

1

,.

,

・,

■

齒

‘ ■

1181

幽

1

● ■

111

.

.

昌 oP

.

勘 ,

」 卩

8

■

} ,

●

鹽

■

1

■

1

.

.

●

,

} 1

.

1

.

■.

1

鹽

■●

■.

層 54321 指定 値 平 均 ±σ 層  5432109875543210   111111 2   4    6   8   10 梁ひず み (xlO

−

a)       設 計 例 1 2   4   6   8   10 梁ひず み (麗10

’

4) 層 10987654321 設 計 例2   543210 層  11 且 111 2   4   6    B    10 柱 ひ ず み (x10

−

4) 2   4    6   8   10 柱ひずみ (xlO

−

1) Z46810     2468       柱ひずみ (xiO

−

4) 梁ひずみ (xlO

−

4)       設 計 例 3       図

一

6 部 材の最 大ひず み 応答 値

6

.

弾 性 時ひずみ制 御 骨 組の弾 塑性挙 動 10  弾性 時の 固有 周 期が同じ1質 点 弾 性モデル と1質 点 弾 塑 性モ デル の同

一

地 震 外 乱に対する応 答変位を 比較する と

,

塑 性 変 形 量が そ れほど大 き くない場合に は

,

弾塑 性 モデルの応 答量 は弾 性モデル とほ ぼ同じであ るこ と が知 ら れて い る。 これに対し て

,

多 層 多スパ ン骨組の場合に は

,

骨 組を規定す るパ ラ メ タ

ー

が多数 存 在す る た め

,

弾 性骨組と弾 塑性骨組の応 答 量 間の関 係 を

一

般 的に述べ る こ とは困 難で ある

。

 塑 性 変 形が指 定し た各層に ほ ぼ均 等に分 散する多層 多 スパ ン骨 組 を設 計 するた めに, これ ま で に, 種々 の形 状 の骨 組に対す る多数の応 答 解 析 結 果が提 示さ れて き た

。

こ れ らの手 法で骨 組を得る た め に は, 必要と す る設 計精 度に応じて 多数 回の繰 返し計 算が必 要 とな る

。

これ に対 層 54321 層 1098 了 654321 0      1      2   層 間相 対 変 位 〔c口鹽}     設 計 例 1 !1111811Il

齢

lI1111

じ

1 ■ 11   54321D9876543Z1 層  111111 指定 値 平均 ±σ

.

.

11

}

1

}

lo

,

1 含

.

.

冒

■

■

.

1

■

,

■

11

.

.

■

鹽

■

●

II

.

.鹽

■

層

 

,1

嚠

o         t         2   層 間棺 対変 位 (cm)     設 計 例 3 0      1      2   層 間相 対 変 位 (cの     設 計 例 2         図

一

7  最 大 層 間相 対 変 位 応 答 値 して, 本論文では部材の最 大ひずみ値を直 接 指 定す る設 計法 を提示し て い る の で

,

特定層のすべて の梁の最 大ひ ずみ値 を 均

一

に指定 した設 計 骨 組を直接 的に得る こ と が で き る

。

この よ う な骨 組を対 象とする ことによ り, 塑 性 変 形が特定 層に の み ほ ぼ均 等に分 散 する多 層 多ス パ ン骨 組が容易に得ら れ る

。

特に

,

あら か じめレベ ル 1地 震 外 乱に対して特徴を持っ た挙 動を示 す 骨 組 を対 象 とし てい るの で多数の弾塑性応答 解析を 必要と せず

,

系 統 だっ た 弾 塑 性 応 答 制 御理 論 を展 開で き る可 能 性がある

。

以 下に, 弾 塑 性 応 答 量制 御の考え方と骨 組の応 答 解析 結 果に よ る 例 証 を示す

。

 

本 論 文の弾 性設計 法を 用い た 弾 塑性応答量制 御の考え 方を以 下の (1)

一

(3 )に示す

。

(1} 弾 性 限の変 形 量に対す る設計用外乱 時の最 大変形 量の大きさの比率の逆 数 を 「余裕率 」と定 義する

。

余裕 率は そ れ ぞれ の最 大 応 答時の ひずみ を指 標と し て計算で きる。 (2) 応 答スペ ク トル が レベ ル 1地 震 動群と相 似な地 震 動 群に対 し て は, 各 部 材 間の余 裕率の比 率はレ ベ ル 1設 計 用 地 震 動 群に対 する設 計 時の比 率と同じであ る

。

そ の ため

,

レベ ル 1設 計 用 地 震 動 群に対して余 裕 率を他の部 材 よ り小 さ な 同

一

・

値 に指 定し た すべ て の梁の レベ ル 2設 計用地 震 動群下での塑性 変 形の程 度は ほぼ同

一

と な り

,

その他の余裕率の大き な部材は弾性 挙 動 をす る

。

(3) 設 計 者が指 定し た多数の層の梁が同 程 度 塑 性域に 入る場 合に は, 各層の層間相対変位は仮 想 弾 性 骨組の層 問相対 変 位と ほ ぼ同 じ応 答量 を 示 す

。

この場 合 に は あ ら

一 87 一

図

表 一 1   ひ ず み 指 定値 と 部 材 せ い 設 訓 列 1 部材端 縁歪指定値 { xlo 一弓 ) 部材 せ い ( cm ) 層 梁   柱 層 梁 柱 54 . 75   4 , 76550   50 47 . 62   4 . 76460   50 37 . 62   4 , 76360   55 27 . 62   4 , 76265   50 17 . 62   4 , 76165   60 o3 . 81 ogo 設計例 3 部 材 端 縁歪 指 定 値 ( xlO − 4 )
表 一2  断 面 2 次 モ ー メ ン ト と 部 材 肉 厚 設 計例 11 断面 2 次 モ ー メ ン ト ( x105 ・ cm4 ) 部材肉厚( cm ) 層 梁   柱 層 梁   柱 50 . 67   1 . 345L95   L τ 9 41 . 20   2 . 1241 , 98   3 . 07 31 . 79   3. 153 呂 . 14   3. 43 22 . 45   3 . 83 .23 . 37   3 . 12 12 . 16   5 . 5512 。 91  

参照

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