強震下におけるCFT多層骨組の柱梁接合部局部の最適設計法に関する研究 [ PDF
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(2) 2 . 2 接合部パネル要素 復元力特性には改訂 C F T 指針に記載される簡易 モデル変数を適用する 1 ) ．降伏耐力点は，累加モデ ルの鋼管降伏時に相当する． モデル断面は図 6 に示すようにコンクリート. 1) 加力条件は，図 1 0 に示すような角型 CFT 柱と H. アーチ幅 aD，鋼管ウェブ厚 b t とし，a，b をパネル. 応す る逆 対 称の 梁 端鉛 直 荷重 P を作 用 す るも の. 次にモ デ ル 精 度 の 検 証の 代 表 例 を 示 す ．実験 概 要を以下に示す 5 ) ． 型鋼 梁 で 構 成 さ れ た 外 ダ イ ヤ フ ラ ム十字 型骨組 試験体に，軸力比 0 .3 の一定軸力 N と地震力に対. 係数 と し て 耐 力を 調 節 す る ．鋼材 及 び コ ン クリ ー. である．. トに は 柱 と 同 様の モ デ ル を 使 用す る ．尚，図中 の. 2) 柱鋼管は□ -200 × 4.5mm，梁は H-200 × 130 × 6. 2 本の斜材が接合部パネル要素に該当する．その. × 9mm，ダイヤフラム寸法は幅 h s =53mm，厚さ. 他，点線は剛部材，○はピン接合を表している．. t s =9.0mm である．鋼管は STKR400，その他の鋼材. モデル精 度の検証 として，図 7 に示すよ うなせ. は SM490 であり，コンクリート圧縮強度は 37.7N/. ん断変形角 p =5. 0% までの単調せん断漸増載荷及び. mm 2 である．. p. = p y ，p u ，5 . 0 % における各 2 サイクル繰返し漸増. 実験結果と解析結果の比較を図 1 1 に示す．破線. 載荷を行った．. が 実験 値 ， 実 線 が 解 析 値 を 表 し て い る ．. 図 8 にモデル 変数の再 現性を 示す．本モデル は. （a ）（b ）は共に良く一致している．（c ）におい. 降伏 耐 力 に 対 して 若 干 安 全 側 であ る が ，パネ ル 係. ては，各サイクルにおける最大変形を捉えている．. 数によるモデル化は妥当であると判断した．. 以上より，本モデルは C F T 柱梁接合部の実挙動 を概ね 捉 え て いる こ と を 確 認 した ．よっ て ，以降. 2 . 3 実験との整合性. 接合部局部の履歴性状の誤差による影響を踏まえ，. 以 上 よ り 定 義さ れ た 接 合 部 局部 要 素 及 び 接 合部. 本 モデ ル を 用 い て 骨 組 解 析 を 行 う ．. パネル要素を用いて，図 9 に示すような C F T 柱梁. 接合部局部要素. 柱. 接合部モデルを提案する． 図中の 4 本の短材が接合部局部要素，2 本の斜材 が接 合 部 パ ネ ル要 素 に 該 当 す る．その 他 ，点線 は. 短材 斜材 点線 ● ○. 梁. 剛部 材 ，黒丸 は 剛 接 合 ，白丸 は ピ ン 接 合を 表 し て いる．. bt. 図 9 柱梁接合部モデル 100. N=0. 3N0. N. aD. P. aD. 解析値. 100. 0 -50. 550. H. P. FEC35 梁端荷重－梁部材角関係. 実験値. 50. 200 1500. P. (kN) 150. 梁端荷重P. t. 接合部パネル要素. 接合部パネル要素 剛部材 ピン接合. 550. 斜材 点線 ○. 接合部局部要素 接合部パネル要素 剛部材 剛接合 ピン接合. 900. 200 2000. 100. -100. 900. -150. -4. -2. 0 2 梁部材角R. 6 (%). 4. 図 1 0 骨組試験体 （a ）梁端荷重－梁部材角関係. D D 図 6 接合部パネルモデル. (kN) 1000. 図 7 載荷条件. (kN) 800. FEC35 パネルせん断力－せん断変形角関係. 実験値. 解析値. FEC35 フランジ軸方向力－局部変形関係. 実験値. 解析値. 600 500. 800 500. Q p u 600 p. p. Qy. p. Qu. Qy 0. 400 フランジ軸方向力F. 1000. Q(kN) パネルせん断力Q. 1000. Q(kN). 0. -500. 200 0 -200 -400. 400. -600 -500. 200. 0. -1000. 解析値 モデル変数 0. 0.5. 1. 1.5. 2. 2.5. 3. 3.5. γ(%). -1000. 解析値 モデル変数 -1. 0. p. （a）単調載荷. 1. 2. 3. -2. 0. 2. 4. 6 (%). （b ）パネルせん断力－. 図 8 モデル変数の再現性. 0. 0.5. 1. 1.5. 2. 3. 3.5. 接合部局部変形関係. 図 1 1 実験結果と解析結果の比較. 39-2. 2.5. 4 (%). （c ）梁フランジ軸方向力－. パネルせん断変形角関係. （b）繰返し載重. -800. 局部変形ΔD/D. せん断変形角γ. γ(%). p. -4.
(3) M ry. 2.5 2. 1 0.5. 0.8. 1. 3 [%]. 1.2 1.4 1.6 1.8 2 接合部係数. 6000. 12000. 5@3750 22750. 5@3750 22750 5000 Q[kN]. 4000. 4000. 3F 2000. 4F. 層せん断力. 層せん断力. 5000 Q[kN]. 2F. 6000. 6F. 1. 8F 7F 9F. 2000. 0. 0. 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 θ[rad] 層間変形角. （a）6 層骨組 図13. 6F. 10F 11F. 0. 12F 0. 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 θ[rad] 層間変形角. （b）12 層骨組. 層せん断力－層間変形角関係（骨組 A ）. 2 1.5 1 0.5. 1. 1.2 1.4 1.6 1.8 2 接合部係数. α. 0 0.8. 1. 1.2 1.4 1.6 1.8 2 接合部係数. α. 図 1 4 無次元化変形（静的）. 2F 3F 4F 5F. 3000. 1000. α. （c ）12 層骨組 A （d ）12 層骨組 B. 12000. 1F. 5F 1000. 1.2 1.4 1.6 1.8 2 接合部係数. 梁端部 接合部局部 柱端部 接合部パネル. 2.5. 1.5. 0.8. 4000. 4000. 12000. 1F. 1. 3 [%]. 2. 0. 図 1 2 解析骨組（左: 6 層骨組 A，右: 6 層骨組 B）. 3000. 0.8. 梁端部 接合部局部 柱端部 接合部パネル. 0.5. 3@6000. 1. 0. α. 無次元化変形量. 無次元化変形量. @6000 12000. 軸組図. 2 1.5. 0.5. 0. (3.1). @6000 3@6000. 梁端部 接合部局部 柱端部 接合部パネル. 2.5. 1.5. 2.5. 伏図. 3 [%]. 梁端部 接合部局部 柱端部 接合部パネル. （a ）6 層骨組 A （b ）6 層骨組 B. . M Pb. 3 [%]. 無次元化変形量. 比較検討のため，前年度と同様に，柱梁耐力比 2.0， パネルアスペクト比 1 . 3 ，外ダイヤフラム形式の骨 組を採用し， =0.8,1.0,1.2,1.3,1.5,2.0 における結果を示 す．. 3 . 2 静的解析 荷重条件は，最上層水平変位が建物高さの 2 ％に 達するまでの一方向載荷であり，外力分布は A i 分 布に基づくものとする．図 1 3 に骨組 A の = 0 . 8 と =2.0 における層せん断力 Q －層間変形角θ関係を 示す．6 層骨組では 3 層，1 2 層骨組では 5 層におい て変形 が 最 大 とな る ．以降 ，各骨 組 の 最 大 変形 層 の中柱 を 照査 部 位 とし ，結果 を 示 す． 3 . 2 . 1 無次元化変形 損傷 に つ い て，接合 部 局 部 は 無次 元 化 局 部 変 形 Δ D / D の最大値 3 ) ，接合部パネルはせん断変形角 p の最大値，柱及び梁は接合部から 1 0 0 m m までを端 部と見なし算出した歪の最大値で評価する．図 1 4 に各部 材 の 損 傷状 況 を 示 す ．接合 部 パ ネ ル の変 形 が大きく，そのため， の値によらず，全ての骨組 において，梁端部に損傷集中は発生していない．ま た，6 層骨組の = 0 . 8 において接合部局部の変形が 急増し，12 層骨組の =1.2 と =1.3 を比較すると，接 合部パネ ル の変 形 量の 大 きな 変 化が 確 認で き る．. 無次元化変形量. 3 ．骨組解析 3 . 1 解析概要 解析は，一次元有限要素モデルに基づく幾何学 的非線形性を考慮した骨組解析プログラム 6 ) による 静的及び地震応答解析である．鉛直荷重及び質量 は柱梁接合部及び梁中央に集中荷重として与えた． 解析骨組は図 1 2 に示すような斜線部構面の 6 層 及び 1 2 層 3 スパン骨組である．各部材断面の設計 要件は，1 次設計用地震下において許容応力度以下 であること及び最大層間変形角が 1 / 2 0 0 以下である こと を 余地 な く 満た す も のと す る． 設計 用 層 せ ん断 力 は 第 二 種地 盤 を 対 象 とし ，A i 分布に従うものとする．地域係数 Z = 1 . 0 ，設計用固 有周期 T=0.03h( h: 建物高さ) であり，単位床面積当 たりの重量は 8 k N / m 2 である．柱梁は各層同一断面 とし，柱断面は節点柱梁耐力比で決まるものとす る． 入力地震波には地動最大速度 PGV を 100kine に増 幅した LA2 0 波を使用した． 解析変数は層数，スパン，柱梁耐力比，パネルア スペクト比，ダイヤフラム形式及び式 ( 3 . 1 ) で表さ れる接合部係数 とする 7 ) ．M r y は接合部局部の最 大耐力，M P b は梁の全塑性モーメントであり，ダイ ヤフ ラ ム 寸 法 に よ っ て の値 を 調 整 す る ．今回 は. 3 . 3 動的解析 3 . 3 . 1 無次元化変形 図 1 5 に接合部係数 と各部材の損傷の関係図を 示す．静的 解 析 時 と 同様 に ，接合 部 パ ネ ル の変 形 が大きく，そのため， の値によらず，全ての骨組 において ，梁端 部に 損 傷集 中 は発 生 して い ない ． ここで，図 1 1 （b ）の実験結果に接合部局部変形 が含まれている可能性及び改訂 C F T 指針の簡易モ デル変 数 に 安 全率 が 含 ま れ て いる 可 能 性 が 考 えら れる．よっ て ，以降 本 モ デ ル は接 合 部 パ ネ ル の強 度を過 度 に 安 全側 評 価 し て い る可 能 性 が あ る こと に留意 し な けれ ば な ら な い．. 39-3.
(4) 1. 1.5 1. 5 4 3 2. 0.5. 0.5. 1. 0. 0. 0. 0.8. 1. α. 1.2 1.4 1.6 1.8 2 接合部係数. 0.8. 1. α. 1.2 1.4 1.6 1.8 2 接合部係数. 無次元化変形量. 2 1.5 1 0.5 0 0.8. 1. 値. 0.8. エネルギー吸収量. エネルギー吸収量. 20 0. 0.8. 1. 1.2 1.3 1.5 接合部係数. 2. 1. α. 1.2 1.4 1.6 1.8 2 接合部係数. 能 性が あ る と 判 断 で き る ． 20. 梁 接合部パネル 柱 接合部局部. 60 40 20. 15. 10. 5. 0.8. 1. 1.2 1.4 1.6 1.8 2 接合部係数. α. 骨組A 骨組B. 15. 10. 5. 0 0.8. 1. 1.2 1.4 1.6 1.8 2 接合部係数. α. 図 1 8 累積無次元化局部変形. 40 20. 0.8. 1. 1.2 1.3 1.5 接合部係数. 2. α. 梁 接合部パネル 柱 接合部局部. 80 エネルギー吸収量. エネルギー吸収量. 80. 20 ΔD/D[%]. 骨組A 骨組B. （a ）6 層骨組 （b ）1 2 層骨組. 100 [%]. 梁 接合部パネル 柱 接合部局部. ΔD/D[%]. 0. （a ）6 層骨組 A （b ）6 層骨組 B 100 [%]. 傾向があり，6 層骨組 B では 15% を超えている．よっ て， = 0 . 8 においては，ひび割れ・破断を生じる可. 60. 0. α. Δ D/ D の関係を示す．過去の研究においては，. Δ D/ D=15 ～ 20% でひび割れ・破断を生じる傾向. 80. 40. と接合部局部の損傷の累積. が見られる 8)9) ． Δ D/D は =0.8 において急増する. 100 [%]. 60. α. 0.5. 無次元化変形( 動的). 梁 接合部パネル 柱 接合部局部. 80. 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 接合部係数. 1. 3 . 3 . 2 エネルギー吸収量 図 1 6 に接合部係数 と各部材のエネルギー吸収 量の割合の関係図を示す． の推移による接合部 局部 の 値 の大 き な 変化 が 確 認で き る ． 100 [%]. 0. α. 図 1 8 に接合部係数. 1.5. （c ）12 層骨組 A （d ）12 層骨組 B 図 15. 2. 3 . 3 . 4 累積無次元化局部変形. 2. 0. α. 1.2 1.4 1.6 1.8 2 接合部係数. 3. 図 1 7 累積塑性変形倍率. 梁端部 接合部局部 柱端部 接合部パネル. 2.5. 4. （a ）6 層骨組 （b ）1 2 層骨組. 累積無次元化変形量. 梁端部 接合部局部 柱端部 接合部パネル. 2.5 無次元化変形量. 3 [%]. 5. 1 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 接合部係数. （a ）6 層骨組 A （b ）6 層骨組 B 3 [%]. 骨組A 骨組B. 6 累積塑性変形倍率. 1.5. 6. 2. 7 η. 骨組A 骨組B. 累積無次元化変形量. 2. 7 η. 梁端部 接合部局部 柱端部 接合部パネル. 2.5 無次元化変形量. 2.5 無次元化変形量. 3 [%]. 梁端部 接合部局部 柱端部 接合部パネル. 累積塑性変形倍率. 3 [%]. 4 ．結論 本 C F T 柱梁接合部モデルを用いた骨組解析にお いては ，強震 下 に お い ても 梁 端 部 に 損 傷集 中 は 見 られな か っ た ．但し ，接合 部 パ ネ ル の強 度 を 過 度 に安全 評 価 し てい る 可 能 性 が あり ，今後 の 検 討 が 必 要で あ る ． 【参考文献】. 60. 1 ) 日本建築学会：コンクリート充填鋼管構造設計施工指針 2 ) 孟令樺，大井謙一，高梨晃一：鉄骨骨組地震応答解析のための耐力. 40. 劣化を伴う簡易部材モデル，日本建築学会構造系論文集，N o . 4 3 7 ， pp.115-124，1992.7. 20. 3 ) 孫玉平，崎野建治，吉岡智和：直線型横補強筋により拘束された高 0. 0.8. 1. 1.2 1.3 1.5 接合部係数. 2. α. 0. 0.8. 1. 1.2 1.3 1.5 接合部係数. 2. α. 強度 RC 柱の曲げ性状，日本建築学会構造系論文集，第 486 号，pp.95 106，1996.8. （c ）12 層骨組 A （d ）12 層骨組 B. 4 ) 河野昭彦，松井千秋，村井望：コンクリート充填角型鋼管柱と H 型 鋼梁のダイヤフラム補強型接合部の局部変形に対する荷重－変形関. 図 1 6 エネルギー吸収量. 係モデル，鋼構造論文集 第 5 巻 第 1 7 号，p p9 3 － 1 04 , 1 99 8. 3 . 3 . 3 累積塑性変形倍率 図 1 7 に接合部係数 と梁の損傷 の関係図を示 す． は接合部局部から梁せい分を端部と見なし， 解析 終 了 時 の エネ ル ギ ー 吸 収 量を 弾 性 エ ネ ル ギー で除することで算出した． の推移による梁の損 傷緩和が確認でき，全ての骨組において ≦ 5 であ るた め ，梁端 部 の 破 断 に対 し ，十分 に 余 裕 が ある と判断できる．. 5 ) 河野昭彦，松井千秋，村井望：コンクリート充填角形柱鋼管と H 形 鋼梁からなるダイヤフラム補強型接合ラーメン架構の荷重－変形関 係モデル，鋼構造論文集 第 5 巻 第 1 7 号，p p 1 1 5 － 1 2 7 ,1 9 9 8 6)A. Kawano and K. Sakino:Seismic resistance of CFT trusses, Engineering Structures, pp.607-619,25,2003 7 ) 2 0 0 7 年度版建築物の構造関連技術基準解説書，国土交通省監修 8 ) 新都市ハウジング協会：C F T 柱梁接合部パネルの弾塑性性状に関す る実験報告書，199 9. 3 9 ) 松井千秋，河野昭彦，李熾曙：中空およびコンクリート充填角形鋼 管柱と H 形綱梁の新接合形式に関する実験的研究，日本建築学会構 造系論文集，No.486，pp133-142，1996. 8. 39-4.
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