3 次元 FEM による SRC 柱の H 形鋼局部座屈解析

3 次元 FEM による SRC 柱の H 形鋼局部座屈解析 

 

東北大学大学院  学生会員    ○白濱  永才      東北大学大学院  正会員      内藤  英樹 東北大学大学院    正会員      秋山  充良      オリエンタル建設㈱  正会員      高田  真人

東北大学大学院  フェロー    鈴木  基行

1. はじめに 

正負交番荷重を受ける

SRC

柱では，かぶりコンクリートの剥落後も

H

形鋼が曲げ耐力を有することで，優 れた塑性変形能が期待できる．しかし，著者らが行った

SRC

柱の正負交番載荷実験では，

H

形鋼の局部座屈 後に鋼材が破断することで，脆性的に水平耐力を失う結果となった¹⁾．そこで，本研究では，

H

形鋼の局部 座屈発生点を終局とした靭性能評価法を構築するための基礎的研究として，

FEM

モデルによる

SRC

柱におけ るH形鋼(以下，SRC鉄骨)の局部座屈の再現解析を行った．さらに，裸鉄骨とSRC鉄骨の座屈解析の結果を比 較することで，

SRC

鉄骨の局部座屈性状と座屈抵抗性の向上効果を検討する．

2. 座屈解析モデル 

有限要素解析プログラムMARCを用いて，図−1に示すようにフーチング面から上部のH形鋼を

4

節点シェ ル要素によりモデル化する．

H

形鋼の基部は下端固定とし，鋼材の応力−ひずみ関係は，降伏後の剛性を初

期剛性の

1/100

とするバイリニアモデルと移動硬化則を仮定した．また，SRC構造におけるコンクリートの

効果は，図−1に示す

H

形鋼の拘束条件を与えることで考慮する．図−1の

(1)

に示す圧縮トラス要素の配置は，

かぶり剥落区間においてH形鋼のフランジ外側のコンクリートによる座屈抑制効果を無視している．著者ら¹⁾ の正負交番載荷実験のうち，フランジ幅厚比が最も大きい供試体において，

H

形鋼フランジ外側のコンクリ ートが剥落した後に

H

形鋼の局部座屈が生じたことから，図

3. 解析結果 

−1の

(1)

のモデル化を行った．

の比較 

断面寸法

500

×

500mm

，せん断 ス

を表−2 に示す．

N

(外側)

(1)

トラス要素

(3) (

外側

) (

内側

)

(1) 圧縮トラス要素 (圧縮剛性のみ) フランジの内側への変形のみを拘束 

※実験時のかぶり剥落区間に配置 (2) 弾性トラス要素 (圧縮剛性と引張剛性)  

フランジの内側と外側への変形を拘束 (3) ウェブの面外変形を拘束

(2)

3.1 実験結果と

著者ら¹⁾の実験供試体

(

パン

1500mm

，軸力なし

)

と村田ら²⁾の実験供試体

(

断 面寸法

420

×

420mm

，せん断スパン

1110mm

，軸力

86kN)

との比較を行う．これらの供試体諸元を表−1 に示す．

座屈解析から得られる天端変位は，柱基部に設置した変 位計の値を用いてフーチングからの鋼材の伸び出しによ る回転変位を付加した^2）．解析による座屈発生点は，フ ランジ端部とフランジ−ウェブ接合部の水平変位が分岐 する点とした．なお，鈴木らは³⁾，充腹形の鉄

骨コンクリート柱の正負交番載荷実験において，

H形鋼の局部座屈が生じる際には，軸力のおよ

そ

9

割程度を

H

形鋼が負担していることを報告 している．そこで，

SRC

鉄骨の座屈解析を行う 際には，軸力の全てをH形鋼が負担すると仮定 した．

実験結果と解析結果との比較

図−1 

H

形鋼の座屈解析モデル

表−1  供試体諸元 H形鋼

供試体

番号 H×B×t_w×t_f (mm)

フランジ 幅厚比

降伏強度 (MPa)

コンクリ ート強度 (MPa) No.1S¹⁾ 300×200×10×15 6.7 376 25.3 No.2S¹⁾ 300×80×10×15 2.7 293 24.4 No.3S¹⁾ 300×250×10×15 8.3 293 25.2 No.4S¹⁾ 300×250×10×15 8.3 293 28.6 D1²⁾ 250×250×10×10 12.5 304 30.4

o.2S

では，実験結果と同様に，解析結果にお

Key Words

：

SRC

柱，

H

形鋼の局部座屈，

FEM

解析，有限変位解析

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8579

宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉

6

-

6

-

06 TEL

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土木学会第60回年次学術講演会（平成17年9月）

-985- 5-493

表−2 

SRC

鉄骨の座屈解析結果 

解析結果 実験結果

供試体

番号 塑性化区間 (mm)

座屈区間 (mm)

天端変位^注) (mm)

塑性化区間 (mm)

かぶり剥落 区間(mm)

座屈区間 (mm)

天端変位 (mm)

No.1S 275 175 94.1 (14.1) 250 300 200 143 No.2S 450 --- --- 250 500 --- --- No.3S 325 175 93.8 (23.8) 350 200 100 123 No.4S 325 175 93.8 (23.8) 350 200 200 106

D1 225 150 36.6 (6.6) 200 250 --- 40 注) 括弧内はフーチングからの鋼材の伸び出しの影響 (かぶり剥落時の鉛直変位計による計測値)

No.3Sでは，変位計の値に大きな誤差が含まれたことから，No.4Sの実験結果を用いた．

いても

H

形鋼フランジの局部座屈は生じなかった．その他 の著者らの供試体では，座屈発生点における天端変位を過 小評価する傾向が確認されたが，塑性化区間や座屈区間な どの局部座屈性状を概ね再現できた．また，軸力を載荷し た

D1

供試体でも座屈発生点を妥当に評価できた．

3.2 SRC 鉄骨の局部座屈性状 

著者らの供試体でフランジ幅厚比が最も大きい

No.4S

の

H

，

H

形鋼の局部座屈に着目した靭性能評価法を

H

か：正負交番荷重を受けるSRC柱の塑性曲率分布のモデル化および軸方向鉄筋の座屈に着目した靭性能評価，

形鋼について，

SRC

鉄骨と裸鉄骨の解析結果を比較する ことで，コンクリートによる拘束が

H

形鋼の局部座屈性状 に及ぼす影響を検討する．図−2 に示す両者の荷重−変位 関係の比較により，SRC鉄骨では，H形鋼の座屈抵抗性が 大きく向上していることが確認できる．また，図−3 に示 す

H

形鋼の局部座屈による変形図から，裸鉄骨では，フラ ンジ−ウェブ接合部を支点として，フランジの両側端部が それぞれ内側と外側に変形することで，

H

形鋼全体にねじ れ変形が生じているが，SRC鉄骨では，フランジの端部が いずれも外側に変形する座屈形状へと変化した．また，別 途行った図−1 の

(1)

に示す圧縮トラス要素の配置区間を変 化させた

SRC

鉄骨の解析結果により，

H

形鋼の座屈区間の 変化は荷重−変位関係における座屈発生点に大きく影響し

ないことを確認した．以上より，SRC鉄骨では，コンクリートの拘束により

H

形鋼の座屈形状が変化するこ とで，

H

形鋼の座屈抵抗性が向上し，その結果，優れた塑性変形能を有することが明らかとなった．

4. まとめ 

–100 –50 0 50 100

–400 –200 0 200

400 (

(

裸鉄骨

)

座屈発生点

SRC)

裸鉄骨 SRC鉄骨

水平変位 (mm)

水平荷重

(kN)

図−2 

SRC

鉄骨の座屈抵抗性の向上

(

外側

) (

内側

) (

外側

)

裸鉄骨

SRC

鉄骨

図−3 

H

形鋼の局部座屈形状

本研究では 構築するため，

FEM

解析により，SRC柱における 形鋼の局部座屈性状を検討した．その結果，

1)H

形鋼の局部座屈が生じる大変形域では，

H

形鋼のフランジ 外側のコンクリートが大きく損傷していることから，その座屈抑制効果は無視できること，2)SRC 構造では，

コンクリートが

H

形鋼ウェブの面外変形とフランジの内側への変形を拘束することで，裸鉄骨とは異なる座屈 形状となり，座屈抵抗性が大きく向上すること，を示した．

参考文献  1)内藤英樹ほ

構造工学論文集，Vol.51A，pp.1415-1424，2005.  2)村田清満ほか：鉄骨鉄筋コンクリート柱の変形性能の定量評価に関す る研究，土木学会論文集，No.619/I-47，pp.235-251，1999.  3)鈴木敏郎ほか：一定軸力下において繰り返し曲げを受ける 鉄骨コンクリート部材の履歴特性および塑性変形能力に関する研究，日本建築学会構造系論文集，No.490，pp.207-214，1996.

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