ＣＦＴラチス構造を連層耐震壁とする多層ラーメン架構の研究 [ PDF

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(1)CFT ラチス構造を連層耐震要素とする多層ラーメン架構の研究. 熊杏子 1. 序論. 構である．CFTラチス構造の柱材はCFT，梁と斜材は純. RC連層耐震壁付き多層ラーメン架構は，最下層の位. 鉄骨である．CFTラチス構造の両側のラーメン部分（付. 置で耐震壁を曲げ降伏させることによって建物全体とし. 帯ラーメン）は純鉄骨で，梁端は剛接合とピン接合のも. ての曲げ変形が卓越し，耐震上望ましい全体崩壊機構を. のがある．骨組の層数は6，12であり，スパン数は3で. 実現できるとされている 1)．しかし，RC耐震壁では曲. ある．単位床面積あたりの重量は全層で0.9 tf/m2（=8.82. げ降伏部分の耐力劣化が問題となる．また，純鉄骨軸力. kN/m2）とし，骨組モデルは平面図に示す網掛け部分の. 材も曲げ座屈や局部座屈による急激な耐力劣化は避けら. 重量を負担するものとする．. れない．これに対して，弦材がコンクリート充填鋼管. 3. 解析モデルの設計. （以下CFT）のラチス構造では，繰返し荷重に対しても. 骨組モデルは，図2に示すように，最下層CFT柱が軸. 弦材の曲げ座屈を回避でき，耐力劣化を抑制できる 2)．. 方向に伸び，付帯ラーメンの梁端に塑性ヒンジが生じる. そこで，鋼構造ラーメン架構に柱が CFTで，それをつ. ことによって，塑性崩壊機構を形成することを前提に設. なぐ水平材と斜材が純鉄骨のラチス（CFTラチス構造）. 計する．. を連層耐震壁状に設置し，CFT柱を降伏させる骨組シス. 3.1 設計条件. テムを考えた．このような CFTラチス構造は変形性能. 地盤は第Ⅱ種，標準せん断力係数は 1.0，地域係数は. に富み，多層ラーメン架構の耐震性能を向上させ，骨. 1.0，設計用1 次固有周期Tは 0.02h（h：建物高さ），骨. 組全体を曲げ変形優先にする．. 組の Ds 値は 0.25 とし，必要保有水平耐力の高さ方向は. これまで19種類の設計法によってこの骨組を設計し，. Ai 分布に従う．. この骨組システムの実現可能性を解析的に検討した．紙. 3.2 CFTラチスの安定挙動の条件. 面に限りがあるため，全設計法のうち，設計法10，13，. CFTラチス構造が機能するには，CFT部材を引張降伏. 14，17，18で設計した骨組（表1）について，骨組の概. させ，曲げ座屈を避ける必要がある．そのためには，安. 要，設計法，および解析結果を述べる．. 定挙動の条件ⅠとⅡを満たす必要がある 2) ．安定挙動の. 2. 解析骨組モデル. 条件Ⅰは，CFTラチスが曲げを受けたときに，座屈を回. 解析骨組モデルは，図１に示すように弦材である柱が. 避するための条件である．CFTラチス構造が負担する軸. CFTのラチス構造を連層耐震要素とする多層ラーメン架. 力 Nが N S よりも小さければCFT部材は座屈しない．図. 2). CFTラチス構造. 3のSの状態の時，両CFT部材の鋼管は引張と圧縮で降. 6m. 伏しているので互いに相殺されて，簡単に次式で表される 2) ．. 6m. ⋅Pcu = 10m. 6m. ⋅ Ac ⋅c. B. ≥ N L (1). ここで，NL は長期の軸力，αは低減係数（=1/3）であり，. 10m. Acはコンクリート部分の断面積，c. (a)平面図. B. はコンクリートの. 圧縮強度で，60MPaとした．安定挙動の条件IIは，CFT. 24m. 6@4m. 24m. 6@4m. 部材が繰返し軸力を受ける場合にオリジナルの圧縮耐力を保持するためのものである．もし，ひび割れが生じている区間の座屈長さL kvがある限界値Lkcr2 より短いと，曲げ座屈する前にひび割れが閉じてコンクリートは抵抗力 10m. 6m. 10m. 10m. 6m. 10m. (b)6 層モデル立面図 (c)12層モデル立面図図1 骨組解析モデル. を回復する．Lkcr2 については，文献2)において図4のような結果が得られており，CFT鋼管の径厚比D/t を50とすると，塑性伸び歪. 37-1. pr. は3%が上限で，コンクリート強.

(2) M1. 2Pcr. S Hi. Py・h H1. H1. 度. B. 0 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. D/t 図4 安定挙動の条件Ⅱ. 図3 安定挙動の条件Ⅰ. は30MPaが下限と考えられるので，簡単には次式が. σ y = 400MPa σB = 30MPa. 2. Pcr・h. tension chord yielding. - 2 Py. 図2 塑性崩壊機構. 4. M. = 1% 1.5% 2% 3%. 6. NS. 0. pr. 8. compression chord buckling. H6 Hi. 10. N. N. N. L kcr2 / D. M2. no buckling. H12. もに，それぞれ全層において同一断面である．. 成立する．. 付帯ラーメンの梁は，床支配面積に対応する鉛直分 (2). Lkv ≤ 4D. 布荷重のみに対して設計し，全層で同一断面としてい. L kv はコンクリートにひび割れが生じた区間の座屈長さ. る．また柱は，軸力比が2/3以下となるように断面を決. で，隣接部材が弾性に留まっているとすれば，CFT柱の. 定し，3 層毎に断面を変化させている．. 第１層の内法高さ h0 の 1/2と考えてよいので簡単に次式. 3.4 設計法14. が成立する． h D≥ 0 8 3.3 設計法10,13,17,18 . CFTラチスの安定挙動の条件を満たすことを前提と (3). し，設計法14では図2の塑性崩壊機構において，最下層CFT柱の塑性伸びによる仮想仕事が，設計用地震荷. CFTラチスの安定挙動の条件を満たすことを前提とし，. 重がなす外力の仮想仕事の1/2と等しいとして，CFT柱. 設計法10，13では図2の塑性崩壊機構において，最下層. の鋼管の必要降伏軸力を求め，全層で同一断面とした．. CFT柱の塑性伸びによる仮想仕事が，設計用地震荷重が. また，付帯ラーメン梁端のヒンジの回転による仮想. なす外力の仮想仕事と等しいとして，CFT柱の鋼管の必. 仕事が外力による仮想仕事の1/2と等しいとして，梁の. 要降伏軸力を求め，全層で同一断面としている．また，設. 断面を求め，柱梁耐力比を1.5として付帯ラーメン柱の. 計法17，18によって設計した骨組は，CFTラチス部分が. 断面を求めた．斜材の設計は他の設計法と同様である．. 外力によって受ける曲げモーメントに従って，CFT柱の. 4. 解析概要. 断面を高さ方向に変化させている．（設計法17は3層毎，. 4.1 解析手法と条件. 設計法18は4層ごと）以上から得られたCFT柱の断面寸. 解析はファイバーモデルの柱梁要素を用いた弾塑性. 法（円形鋼管の径 -厚）を表1 に示す．. 骨組に対するもので，解析プログラムは一次元有限要. 斜材は設計用地震荷重から得られた第１層の圧縮軸力. 素法による．骨組の各接合部は剛節とし，最下層柱脚. に対して，X形の斜材は引張側が降伏しないように，K形. は固定とする．ただし，付帯ラーメン梁端はは剛接合. は圧縮側が座屈しないように設計した．斜材，水平材と. とピン接合がある（表1）．静的解析においての劣化域. 表2 入力地震動. 表1 設計方法とCFT 弦材断面寸法設計法モデル名. 水平力分担率付帯ラーメン CFTラチス付帯ラーメン梁端接合形式. CFT断面 6層骨組. 10. 10R-A. 100％. 0％. 剛接合. 1-6F 700-14 (50) 1-12F 1100-22.0 (50). 13. 10P-A. 100％. 0％. ピン接合. 1-6F 700-14 (50) 1-12F 1324-26.5 (50). 14. 05R-A. 50％. 50％. 剛接合. 1-6F 600-12 (50) 1-12F 4-6F 475-9.5 (50). 17. 10P-3. 100％. 0％. ピン接合 1-3F 650-16.3 (40). 18. 10P-4. 100％. 0％. ピン接合. -. 最大加速度最大速度継続時間 (cm/s/s) (cm/s) (sec.) 896.2 100 15. 地震記録名；方向. 12層骨組. El Centro;NS Taft;NS. 841.1. 100. 15. Hachinohe;NS. 555.8. 100. 15. 850-17 (50). 10-12F 540-10.8 (50) 7-9F. 816-20.4 (40). 4-6F. 966-32.2 (30). u= 1.25. cσB y R1. 1-3F 1089-36.3 (30) 9-12F. 495-9.9 (50). 0. 5-8F. 840-21.0 (40). (a) コンクリート. 1-4F 1089-36.3 (30) * （）は径厚比. 37-2. co. r. /2. r. R2. 0. 0.05. (b) 鋼材. 図5 応力- 歪関係モデル. y.

(3) 8000. 8000. 4F. Design Base Shear ▽ 5F. 6F. 2000. 6000. 3F 4F Design Base Shear ▽ 5F. 4000. 6F. 2000. 0.01 0.02 Story Drift (rad). (a) 10R-A (6F). 0.01 0.02 Story Drift(rad). 9F 10F 11F. 2500. 2F. 9000. 4F 5F 6F Base Shear Design ▽ 7F 8F. 6000. 9F 10F 11F. 3000. 12F. 12F. 0. 0.01 0.02 Story Drift(rad). 0.03. (e) 10R-A (12F). 0. 0.01 0.02 Story Drift(rad). 4000. 6F. 2000. 0.03. 0. 2F. 1F. 4F 5F 6F Design Base Shear 7F ▽ 8F 9F 10F 11F. 3000. 12F. 2F. 9000. 3F. 4F 5F 6F Design Base Shear ▽ 7F 8F. 6000. 9F 10F 11F. 3000 12F. 0. 0 0. (f)10P-A (12F). 0.03. (d)10P-3 (6F). 3F. 6000. 0.03. 0.01 0.02 Story Drift(rad). 1.2 10 4. 9000. 0. 0. 0.01 0.02 Story Drift(rad). 1F 3F. 4F Design Bace Shear ▽ 5F. (c)05R-A (6F). Story Shear Force(kN). 4F 5F 6F 7F Design Base Shear 8F ▽. Story Shear Force(kN). 3F. 3F. 6000. 0 0. 1.2 10 4 1F. 5000. 6F. 2000. (b)10P-A (6F). 1F 2F. 4F Design Base Shear ▽ 5F. 4000. 0.03. 1.2 10 4. 7500. 3F. 0 0. 0.03. 1 104. Story Shear Force(kN). 6000. 0. 0 0. 2F 2F. Story Shear Force(kN). Story Shear Force(kN). Story Shear Force (kN). 6000. 1F. 1F 2F. 3F. 4000. 8000. 1F. 2F. Story Shear Force(kN). 1F. Story Shear Force(kN). 8000. 0.01 0.02 Story Drift(rad). 0. 0.03. (g) 05R-A (12F). 0.01 0.02 Story Drift(rad). 0.03. (h)10P-3 (12F). (a) 10R-A (6F) (b) 05R-A (6F) 図7 骨組の変形. 6. 6. 5. 5. 5. 4. 4. 4. 4. 3. 3. STORY. 6. 5. STORY. 6. STORY. STORY. 図6 層せん断力- 層間変形角関係. 3. 3. 2. 2. 2. 2. 1. 1. 1. 1. 0. 0. 0.01 0.02 0.03 Story Drift (rad.). 0.01 0.02 0.03 Story Drift (rad.). 0. 0.01 0.02 0.03 Story Drift (rad.). 0. 0.01 0.02 0.03 Story Drift (rad.). (a)10R-A (6F) (b)10P-A (6F) (c)05R-A (6F) (d)10P-3 (6F) 12. 12. まで解析を行った．動的解析における減衰定数は，１次. 10. 10. 10. 10. 8. 8. 8. 8. STORY. と２次の減衰が 2％のレーリー型とする． 4.2 解析変数解析変数は，層数（6，12層）と設計法（1∼19）である．ここで紹介する設計法によって設計された骨組に. 6. 6. STORY. 12. STORY. 12. STORY. は変位制御とし，最上層変位が建物高さの2％に達する. 6. 6. 4. 4. 4. 4. 2. 2. 2. 2. 0. 0.01 0.02 0.03 Story Drift (rad.). 0. 0.01 0.02 0.03 Story Drift (rad.). 0. 0.01 0.02 0.03 Story Drift (rad.). 0. 0.01 0.02 0.03 Story Drift (rad.). は，表1のようにモデル名を決めた．入力地震動は最大. (e)10R-A (12F) (f)10P-A (12F) (g)05R-A (12F) (h) 10P-3 (12F). 速度を 100cm/sに規準化した El Centro 1940，Hachinohe. 図8 最大層間変形角. 1968，Taft 1952の NS成分とする（表 2）．ここでは El. スシアーを十分上回っている．また，最下層から上部の. Centro波による解析結果を示す．. 変形は安定しており，CFTラチスがうまく機能したこと. 4.3 材料の応力ー歪関係. がわかる．10P-4もほとんど同じ荷重変形関係を示した．. 解析に用いた各材料の応力-歪関係を図5に示す．コ. 5.2 骨組の変形. ンクリートの応力 - 歪関係はピークまではPopovics 関. 図7に静的解析終了時の骨組の変形図を示す．設計で. 数，それ以後は耐力一定とする．鋼材のスケルトンは繰. 意図した通り，最下層CFT柱に軸伸びが生じ，骨組の全. 返し則は大井モデルによる．曲線はMenegotto-Pinto関. 体崩壊機構が形成された．他の設計法で設計した骨組も. 数である．. 同様の変形をした．また，X形の斜材は塑性化したが，. 5. 静的解析結果. K形の斜材では座屈や塑性化は見られなかった．. 5.1 層せん断力- 層間変形角関係. 6. 地震応答解析結果. 図6に各骨組の静的な層せん断力-層間変形角関係を. 6.1 最大層間変形角. 示す．すべてのモデルで１階の層せん断力が設計用ベー. 図8に地震応答解析における層間変形角の最大応答を. 3). 4). 37-3.

(4) 0.5~1 1~2 2~3 3~4 4~5 5~6 6~7. MAX=15.4 (a) 10R-A (6F) . MAX=13.9 MAX=18.3 (b)10P-A (6F) (c)05R-A (6F). MAX=5.2 MAX=7.7 MAX=5.2 (e) 10R-A (12F) (f) 10P-A (12F) (g) 05R-A (12F) 図9 累積塑性変形倍率分布. 7~8 8~ 1~5 5~10 10~15 15~. MAX=13.7 (d)10P-3 (6F). MAX=21.8 (h) 10P-3 (12F). MAX=9.3 (i) 10P-4 (12F). 示す．図中の●と▲はそれぞれ動的解析における層間変. により回避できるものと思われる．なお，全ての地震波. 形角の左右の最大応答を表している．どの骨組も最大層. で同様の結果を得た．. 間変形角は高さ方向にほぼ均一である．つまり，最下層. 7. 結論. より上部は剛体的に変位し，骨組の全体崩壊機構が形成. CFTラチス構造を連層耐震要素とする多層ラーメン架. されている．12層骨組では，CFT断面を高さ方向に変化. 構を19種類の設計法により設計し，解析を行った結果，. させる設計を行った骨組（10P-3,10P-4）で中間層での最. 以下の結論を得た．. 大層間変形角の増加が見られた．これは，中間層のCFT. (1)CFTラチス連層耐震要素を持つ多層ラーメン架構は，. 柱にも軸伸びが生じたことが原因であると思われる．な. CFT柱の最下層部分に軸伸びが生じ，設計で意図した通. お，全ての地震波で同様の結果を得た．. りの骨組の全体崩壊機構を形成した．. 6.2 架構内の損傷分布. (2)地震応答解析における最大層間変形角の応答は，どの. 図9に地震応答解析における各骨組の累積塑性変形倍. 骨組も高さ方向にほぼ均一に分布したことから，最下層. 率（損傷率）の分布を示す．●は鉄骨部材端要素が曲げ. より上部は剛体的に挙動し，CFTラチスがうまく機能し. 回転によってその値が0.5以上になる場合，○はCFT弦. たことがわかる．. 材が軸方向変形によって1.0以上になる場合を表してい. (3)CFT断面を高さ方向に変化させた場合，12 層骨組で. る．各骨組の損傷率の最大値を各図の下に示す．. 最大層間変形角の増加および第4層への損傷の集中見ら. 6層骨組は，10P-3でCFT断面を切り替えた第4層CFT. れることから，二次の振動モードの影響を受けやすくな. 柱に損傷が見られるが，損傷率の最大値は10P-Aと差は. ることがわかる．. なく，最下層CFT柱に損傷が集中している．つまり，6. 参考文献 1)日本建築学会：鉄筋コンクリート造建物の終局強度型耐震設計指針・同解説，1990.11. 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.129-135，1999.8. 3)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劣化を伴う簡易部材モデル，日本建築学会構造系論文報告集，No.437，pp.115-124，1992.7. 4)Menegotto,M and Pinto P E：Method of Analysis for Cyclically Liaded RC Frames Including Changes in Geometory and Non-Elastic Behaviour of Elements under Combined Normal Force and Beading，IABSE Congress Reports of the Working Commission Band13，1973.. 層骨組では，CFT 断面を変化させた影響は極めて少なく，CFTラチス構造が有効に作用したことが分かる． 12層骨組では，CFT断面を高さ方向に変化させた骨組（10P-3,10P-4）で第4層のCFT柱で損傷が最大値に達している．これは，二次の振動モードの影響を受けたためと考えられる．CFT断面を4層毎に切り替えた場合（10P4），第4層部分の損傷は緩和され，損傷第5，6層にも損傷が分散される．また，CFT柱をつなぐ水平材にもやや大きい損傷が見られるが，水平材の寸法を調整すること. 37-4.

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