超高層建築物の耐震性能に及ぼす部材の耐力劣化の影響に関する研究 [ PDF

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超高層建築物の耐震性能に及ぼす部材の耐力劣化の影響に関する研究

江頭　翔一 １．序 　超高層建築物が想定を超えるレベルの地震動や長周 期地震動を被った場合，鉛直荷重による P- 効果によ り下層部で一方向への変形累積が進み，急激な崩壊を 招く可能性がある1 )_{．また部材の耐力劣化の影響によ} り部材端の剛性が低下することでこの現象は加速され 建築物の継続使用性や安全性の確保がより困難になる ことが予想されるが，これらに関する検証は十分に ではない．そのため，鉛直荷重による P- 効果及び部 材の耐力劣化を適切に考慮した解析モデルを用いて想 定レベルを超える地震動に対して 時刻歴応答解析を 行い，それらが超高層建築物の耐震性能に与える影響 について明らかにする必要がある． 　本報では，高強度コンクリートに対応するためにコ ンクリートの応力‐歪関係の拡張と精度検証，既報2 ) で使用した鉄筋コンクリート構造（以下 R C 造）骨 組を対象とした Incremental Dynamic Analysis（以下

IDA），高強度材料を使用した RC 造（以下 HiRC 造）超 高層建築物の各種地震動に対する時刻歴応答解析と考 察，構造種別の違いよる P- 効果及び部材の耐力劣化 の影響について考察する． ２．解析手法の概要 　解析は有限要素法に基づく弾塑性解析3 )_{であり，鉛} 直荷重による P- 効果は考慮する．図 1，図 2 に解析 する際の断面及び材長方向の分割を示す．動的解析は Newmark 法(=1/4)による微小時間増分に対して行い， 減衰は架構モデルの 1 次固有モードに対して R C 造で は 3 ％となる初期剛性比例型とした． ３．耐力劣化を考慮した応力‐歪関係モデル 　解析に使用する耐力劣化を考慮した応力 - 歪関係モ デルを図 3 に示す．鋼材では図 3 (a)に示すように，曲 げ座屈（主筋）や局部座屈（鉄骨）が発生する時の 歪 _m以降の領域において劣化勾配を与える．歪 _mや 劣化勾配は鉄骨の幅厚比（主筋では座屈長さ）や降 伏応力により変化する．コンクリートでは図 3 (b)に示 すように，圧縮強度時の 歪に達した以降に劣化勾配 を与え圧縮強度が _cdで一定となる．劣化勾配や _cd，_cd の値は拘束効果やコンクリート強度により変化をす る．鋼材とコンクリートの履歴則については既報4 )_を 参照されたい． 　これまで使用していたコンクリートの応力‐歪関 係モデルは，高強度コンクリートに適用する際に _{c d} が不適切な値とる．そこでコンクリート強度が 6 0N / mm2_{を超えるものは } c=60 としてcdを算定するように 変更することで問題の解消と精度検証を行い，概ね 良好な結果が得られた．図 4 に載荷形式と精度検証の 結果の一例 を示す． 図 2 　材長方向分割 図 1 　断面分割 図 3 　使用する応力 - 歪関係 ( b ) 　コンクリート (a)　主筋   E_s _m _m -_y -_u 引 張 側 0 劣 化 無 視 劣 化 考 慮 圧 縮 側 図 4 　部材実験との精度検証 (b)　繰返し載荷6) , 7) ( a ) 　単調圧縮載荷5 ) -5 0 5 -500 0 500 Q [kN] R [%] 実験結果 解析結果 Q N 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0 20 40 60 80 100  [N/mm2]  実験結果 解析結果 N か ぶ り コ ン ク リ ー ト コ ア コ ン ク リ ー ト 剛 域D/4D 塑 性 域 DD/4剛 域   E_c 劣 化 無 視 劣 化 考 慮 _c _c 圧 縮 側 0 _cd _cd

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４．解析計画 　既報4)_{で作成した 30 層の RC 造骨組に対して IDA を} 行う際に対象地震動の追加，新たに作成した 30 層の HiRC 造骨組に対して IDA とその他長周期地震動を対 象に時刻歴応答解析を行う．既往の時系列調査9 )_を参 考に RC 造骨組は 2000 年以前，HiRC 造骨組は 2000 年以 降の代表例となるよう想定している．これらは既存 超高層建築物で採用されているクライテリア8 )_を満足 することを確認している．HiRC 造骨組の諸元を表 1， 表 2 に示す． 0 1 2 3 4 5 6 Art-Hachi BCJ-L2 0 1 2 3 4 Period (s) S v ( cm /s ) ※　減衰定数h=0.05 　解析変数は，図 6 に示すようにせん断補強筋比の量 で劣化勾配と劣化後の耐力が変化するためせん断補 強筋比（p_w=0.50，p_w=0.85，p_w=1.20）及び耐力劣化の有無 となっている． 　地震波諸元を表 3 に示す．図 7 に本報で詳述する ART-HACHI，BCJ-L2，C-SAN EW，UMT32A02 の応答 スペク トルを 示す ． ５．解析結果および考察 　RC 造骨組に対して IDA を行った結果，Yokohama 波， JSCA-KOBE 波については顕著な耐力劣化の影響が現れ なかったため，顕著に現れた BCJ-L2 波について詳述 する．図 8 に PGV（Peak Ground Velocity：地震動の 最大地動加速度）と最大層間変形角の関係について 示す．せん断補強筋量が多いものほど耐力劣化によ る応答値への影響が小さくなることがわかる．ここ で 全ての骨組において耐力劣化の影響が顕著になる PGV=2.0m/s 付近(原波を 2.5 倍した場合)についての層 間変形角と残留変形角を図 9 ，図 1 0 に示す．耐力劣 化を考慮した場合，層間変形角においてその影響は 下層部に大きく現れていることがわかる．残留変形 0 40 80 120 160 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04R[rad] [s] 劣化なし 劣化あり 0 1 2 3 4 5 6 C-SAN EW UMT23D06 EW 0 1 2 3 4 Period (s) S v ( cm /s ) ※　減衰定数h=0.05 図 7 　速度応答スペクトル 図 1 3 　1 層の層間変形角の時刻歴応答 高さh [m] せん断 補強 筋比pw せん断 補強筋 主筋 (心筋) コンクリート 強度 [N/mm2] 0.50 0.85 1.20 KSS785 SD490 (SD685) 60～80 91.5 表 1 　Hi RC 造骨組の使用材料諸元 F FL 柱 [mm] 梁 [mm] 30-21 R-22 750×750 20-6 21-8 800×800 5-1 6-7 850×850 600×900 600×800 表 2 　Hi RC 造骨組の各階部材断面 -10000 0 10000 -6 0 6 R [%] M [kNm] 劣化なし 0.50-劣化あり 0.85-劣化あり 1.20-劣化あり 図 6 　帯筋比の影響 継続 時間 (s) P GA (m/s2) P GV (m/s) A RT-H ACHI10) _{163.8 4.67 0.64} BCJ-L211) _{120.0 3.56 0.80} JSCA -KO BE12) 60.0 4.70 0.55 Y okoha ma13) 80.0 3.50 0.60 TK Y007 NS14) 300.0 1.93 0.28 CH B009 NS14) _{300.0 1.79 0.48} MYG004 N S14) _{300.0 27.0 1.53} KK -WO S EW15) _{297.9 0.69 0.25} TS-Y KL N S15) _{200.0 4.99 0.70} C-SAN EW16) _{327.7 1.86 0.49} UMT23D06 EW(パ ルス波 )17) _{40.9 8.86 1.63} U MT32A 02 NS(パ ルス波)17) _{40.9 3.87 1.18} 観測 波 予測 波 模 擬地 震 波 地 震 波 表 3 　地震波諸元 0 0.03 0.06 0.09 0.12 0 1 2 3 4 R_max [rad] P G V [m /s ] 図 8　PGV と最大層間変形角 図 1 1 　骨組図 図 1 0 　残留変形角 0 0.02 0.04 0.06 0 5 10 15 20 25 30 層 R max [rad] 0 0.02 0.04 0.06 0 5 10 15 20 25 30 層 R res [rad] □ pw=1.20 劣化なし 劣化あり ○ pw=0.50 ◇ p w=0.85 劣化あり 劣化なし □ p_w=1.20 劣化なし 劣化あり ○ p_w=0.50 ◇ p w=0.85 図 9 　層間変形角 5@6.4 m=3 2m 9 1 .5 m 2 9 @ 3 .0 m = 8 7 .0 m 4 .5 m 図 5 　骨組図

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0 0.02 0.04 0.06 0 5 10 15 20 25 30 層 Rmax [rad] 0 0.02 0.04 0.06 0 5 10 15 20 25 30 層 Rres [rad] 0 0.03 0.06 0.09 0.12 0 1 2 3 4 R_max [rad] P G V [m /s ] 角 で は 層 間 変 形 角 と 同 様 の 傾 向 が 見 ら れ る が ， Pw=0.50 の骨組では全層にわたり大きな応答値の差が 現れた．これは Pw=0.50 の骨組のみ倒壊しており，崩 壊時の骨組図である図 1 1 に示すように，下層部で大 きな変形が生じ骨組全体が傾いたためそのような結 果となっている．崩壊した Pw=0.50 の骨組の時刻歴応 答を図 1 3 に示す．20s 付近で耐力劣化の影響が現れ はじめ，7 0 s 付近で骨組が倒壊し解析が終了してお り，耐力劣化の影響が現れてすぐに倒壊に至るわけ でないことがわかる． 　Hi RC 造骨組に対して IDA と長周期地震波，長周期 パルス波を使用し解析を行った．長周期地震波，長 周期パルス波については耐力劣化の影響はほとんど 現れなかった．IDA についてはYokohama 波，JSCA-KOBE 波については高レベルに原波を増幅した場合でも劣 化の影響はほとんど現れず，ART-HACHI 波，BCJ-L2 波 については地震動を増幅させていくと耐力劣化の影 響が現れた．BCJ-L2 波を入力した時の PGV と最大層間 変形角の関係を図 1 4 に示す．この骨組についてもせ ん断補強筋量が多いものほど耐力劣化による応答値 への影響が小さくなった ．全ての骨組において耐力 劣化の影響が顕著になる PGV=2.5m/s 付近(原波を 3.0 倍 した場合) について層間変形角と残留変形角を図 1 5 ， 図 1 6 に示す．崩壊時の骨組形状や耐力劣化を考慮し た場合の各応答値の傾向はこれまでの RC 造骨組とほ ぼ同様の結果になった． ６．構造種別毎の耐力劣化の影響 　構造種別毎の耐力劣化の影響 の特徴につ いて考 察する．HiRC 造と RC 造についてはほぼ同等の挙動 を示し たため ここで は個 別に考 察しな い． H i R C 造，鉄骨構造（以下 S 造），コンクリート充填鋼管 構造（以下 CFT 造）の ART-HACHI 波を 3.0 倍に増大 させた場合の骨組図，残留変形角を図 1 9 に示す．残 留変形角より全ての骨組において耐力劣化の影響 は下層部で 大きく現れ ることが わかる． また変形 図から，Hi RC 造，S 造骨組では柱が軸方向に大きく 変形しているが，C FT 造骨組では水平方向のみに変 形いている．図 2 0 に構造種別毎の 1 層内柱柱脚部の 軸力の時刻歴応答を示す．HiRC 造，S 造の軸力は大き く減少し，時刻が進むにつれ軸方力をほとんど負担 しなくなる．これは図 2 2 に示す構造種別毎の応力 -歪関係からわかるよう HiRC 造部材と S 造部材は変形 量が大き くな るに した がい ， 期待 され る 圧縮耐力 を発 揮で きな くな る ため， 軸力を負担 でき なく な り急激な崩壊につながったと考えられる．CFT 造では コンクリートと鋼管の相互作用により圧縮耐力の低 下が緩やかであるため，急激な軸方向への大きな変 形を防ぎ，耐力劣化の影響が現れたものの崩壊に至 らなかったと考えられる． 0 40 80 120 160 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 [rad] [s] 劣化なし 劣化あり 図 14　PGV と最大層間変形角 図 1 7 　骨組図 □ pw=1.20 劣化なし 劣化あり ○ pw=0.50 ◇ pw=0.85 図 1 8 　1 層の層間変形角の時刻歴応答 □ p_w=1.20 劣化なし 劣化あり ○ p_w=0.50 ◇ p_w=0.85 図 1 6 　残留変形角 図 1 5 　層間変形角 劣化あり 劣化なし 図 1 9 　各構造種別ごとの応答 (a)　HiRC 造 (b)　S 造 (c)　CFT 造 劣化あり 劣化なし 0 0.025 0.05 0 5 10 15 20 25 30 層 Rres [rad] 0 0.025 0.05 0 5 10 15 20 25 30 層 Rres [rad] 0 0.025 0.05 0 5 10 15 20 25 30 層 劣化なし 劣化あり Rres [rad]

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７．総括 　本研究で以下の知見を得た 　1)　既報で作成した RC 造骨組に対して IDA を行っ た結果，地震によっては耐力劣化の影響が現れない 地震波があった．耐力劣化の影響が現れる場合は，主 に下層部において応答値の増幅が顕著であり，耐力 劣化を考慮しなかった場合に倒壊まで至らなくても， 考慮した場合は倒壊に至ることが明らかになった． 　2)　Hi RC 造骨組に対して長周期地震動，長周期パ ルス波，IDA を行った．長周期地震動，長周期パルス 波に関しては耐力劣化の影響は現れなかった．IDA で は既報で作成した R C 造骨組と同様に劣化の影響が 現れる地震波と現れない地震波があり，応答値の増 幅部分も下層部に集中していた． 　3)　これまでに解析を行った，HiRC 造，S 造，CFT 造骨組の応答結果を比較した．HiRC 造，S 造骨組では IDA において地震動を増幅させると軸方向に大きく変 形し崩壊する様子が観察できたが，CFT 造骨組では 図 2 1 　1 層内柱部材の応力 - 歪関係 上谷 宏二 ，田川 浩：梁降 伏型 平面 骨組 の動 的崩 壊過 程に お け る 変 形 集 中 現 象 ， 日 本 建 築 学 会 構 造 係 論 文 集 ， 第 48 3 号，pp51 -6 0，19 96 . 小俵 慶太：巨大 地震 に対 する 超高 層建 築物 の部 材の 耐力 劣 化 を 考 慮 し た 時 刻 歴 応 答 解 析 ， 九 州 大 学 修 士 論 文 ， 201 1．

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