既存鉄骨造およびCFT 造超高層建築物の巨大地震に対する損傷特性評価と損傷低減法 [ PDF

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(1)既存鉄骨造および CFT 造超高層建築物の巨大地震に対する損傷特性評価と損傷低減法. 藤井雅之. 1. 序. 面は曲げを加える方向に対して直交する方向に微小要. 都市機能を支えている超高層建築物が想定レベル以. 素に分割し，図2 のように，部材の材長方向の分割は塑. 上の強震動を被った場合，鉛直荷重によるP- 効果およ. 性化する領域を材端に設定し塑性域の長さを部材の断. び鉄骨の局部座屈やコンクリートの歪軟化などの部材. 面せいに等しいとして分割する．図3に本論で用いるブ. の局所的な耐力劣化の影響により，一方向への変形累. レース支持型シアパネルダンパーを示す．. 積や過大な残留変形が発生することが想定され，建物. 動的解析は Newmark 法( =1/4)による微小時間増分. の継続使用性や安全性の確保が困難になることが懸念. に対して行い，減衰は架構モデルの1次固有モードに対. されている．今後高い確率で発生すると予想される東. して減衰定数が 2% となる初期剛性比例型とした．. 海，東南海，南海地震に伴う長周期地震動や上町断層. 2.2 耐力劣化を考慮した部材要素の応力 - 歪関係. 1). 2). 2). 帯地震に伴う長周期パルス地震動などの巨大地震に対. 図 4に S造，CFT造部材に使用する鋼材およびコンク. する超高層建築物の損傷特性を検討したとき，多くの. リートの応力‐歪関係のスケルトンカーブ 4)を示す．図. 建物が耐震改修を必要とする可能性がある．. 4(a)において鋼材の局部座屈に起因する耐力劣化を考慮. 既報において，鉄骨（以下 S），コンクリート充填. する場合，歪が局部座屈発生時の. 鋼管（以下 CFT）造構造部材の各種劣化要因を考慮し. 力の劣化勾配を与える．この劣化勾配や. た部材要素モデルを提示し，部材実験との比較により精. 材の幅厚比や降伏応力に影響を受けて変化する．図. 度の検証を行っている．本論では部材要素モデルの骨. 4(b)においてコンクリートの歪軟化に起因する耐力劣. 組への適用性を骨組実験との比較により検証した上で，. 化を考慮する場合，歪が圧縮強度時歪に達した以後に. 既存超高層建築物の代表例となるS造，CFT造超高層骨. 応力の劣化勾配を与える．この劣化勾配や. 組を作成し，巨大地震に対する損傷特性を層間変形角，. 管の幅厚比や降伏応力および充填コンクリートの圧縮. 累積塑性変形倍率，塑性率などの観点から考察する．ま. 強度に影響を受けて変化する．本論において，履歴型. た，履歴型ダンパーを全層配置，下層部配置 5)した S 造. ダンパー構成部材では部材の耐力劣化は考慮しない．. 骨組の損傷低減効果の検証を行い，ダンパー配置が建. なお，鋼材とコンクリートの履歴則については，既報 4). 物の地震応答に及ぼす影響を考察する．. を参照されたい．. 3). 4). m. に達した以後に応の値は，鋼. m. cd. の値は，鋼. 2.3 骨組実験との比較による解析精度の検証 2. 解析手法の概要と精度検証. 提案した解析手法により既往の E-ディフェンス振動. 2.1 解析手法の概要. 台実験 7)に用いられた S 造 21 層骨組（80m）を作成し，. 解析は有限要素法に基づく弾塑性解析6)であり，鉛直. 実験結果と解析結果の応答結果を比較することによっ. 荷重による P- 効果を考慮する．図 1 のように，部材断. て解析精度の検証を行う．図5 のように，解析モデルは. フランジ. フランジ. ウェブ. ウェブ充填. ウェブ. 圧縮側. フランジ. コンクリート. (a) 角形鋼管柱. (b) CFT 造柱. rd・. 塑性域. D1 D2. 梁. c. 0. 劣化あり m cd. 引張側. シアパネル柱. 支持ブレース. Ec. -. y. -. u. 0. c. cd. ピン支持. (a) 鋼材（S 造，CFT 造）. 柱. 図 2 材長方向の分割. 劣化なし. 圧縮側. Es. 梁. D2. 劣化あり m. (c) H 形鋼梁. 図 1 断面方向の分割 D1. 劣化なし. m. 図 3 ダンパーモデル. (b) 充填コンクリート. 図 4 応力 - 歪関係のスケルトンカーブ.

(2) 実験骨組と同様の方法で，4層の架構を下層にモデル化. なる．しかし S 造 FB 柱に対応する CFT造柱は，S 造 FA. し，上層は想定した 21 層骨組と質量および剛性が同一. 柱に対応する CFT 造柱に比べ幅厚比が大きく耐力劣化. となる縮約モデルで構成した．入力地震動は El Centro. 特性が著しく異なるため，FA’ と表現する．. NS 波と C-SAN EW 波 8)（東海，東南海地震）である．. 図7に履歴型ダンパー付30層骨組の軸組図を示す．骨. 図6に各層の最大層間変形角の応答結果を示す．長周. 組はcFB-bFBとし，ダンパー配置は全層，下層部2/3層，. 期地震動である C-SAN EW 波に対しても，解析結果は. 下層部 1/3 層に配置する 3 種類とした．20層骨組も同様. 実験結果を概ね良く追跡できている．. である．ダンパー系の設計は，ダンパー系の水平力分担率. がダンパー系の有効な履歴減衰効果が期待でき. 3. 解析計画. る範囲を満たしつつ，水平力分担率の適正値にできる. 3.1 解析対象骨組の設計. だけ近い値となるように設計した 12)．. 解析対象骨組は既存超高層事務所ビルの代表例とし. 3.2 解析対象地震波の概要および損傷評価法. て作成した 20 層，30 層平面骨組とした．以下に示す解. 動的解析に使用した長周期地震動は継続時間や周期. 析対象骨組は，既存超高層建築物で採用されてきたク. 特性が異なるように選定した9波とし，長周期パルス地. ライテリアを満足するように設計を行った．表 1に各. 震動は長周期成分を多く含む 2波とした．また，地震規. 骨組の骨組名および 1 次固有周期を示す．. 模が増大した場合に，どの程度の地震動レベルから部. 図 7 に S 造骨組の軸組図を示す．S 造骨組は，構造計. 材の耐力劣化の影響が生じ始めるかを検証するために，. 画や使用材料の時系列変化を参考にし，既存超高層. 地震動倍率を 0.5 ∼ 3.0 と増加させてそれぞれの段階. 建築物の平均的な層数，階高，材料強度を持つように. で動的解析を行う IDA（Incremental Dynamic Analysis）. 作成した．鋼材は 4 9 0N/mm 級とし，各層の重量は. を模擬地震波4波に対して行った．本梗概では長周期地. 7.84kN/m2 とした．1980 ∼ 90 年代に建設されたS造超高. 震動から東海，東南海地震時の名古屋市における予測. 層建築にはFBランクの部材が使用されている例もある. 波である C-SAN EW 波 8) ，長周期パルス波から上町断. ことから 11)，全部材 FA ランクとした骨組（以下，cFA-. 層帯地震時の大阪府堺市における予測波であるUMT23-. bFA：cFAは柱，bFA は梁のランクを示す），梁部材のみ. D06 EW 波 13)の応答結果を示す．IDA 結果は長周期領域. FB ランクとした骨組（以下，cFA-FB），全部材 FB ラン. で Sv=0.8~1.2m/s となる Art-Hachi波 14)の結果を示す．表. クとした骨組（以下，cFB-FB）の 3 種類を設計した．. 2に地震波の諸元を，図8に速度応答スペクトルを示す．. CFT 造骨組は S 造骨組に対して各層の剛性がほぼ同. 本論では文献15)に示される性能判断基準表を参考に，. 9). 10). 2. 一になるように設計した．CFT 造柱部材の部材判定式. K1 K2. M1 M2. (a) 想定骨組. K3. (b) 縮約化. (c) 解析モデル. 層 ●. 実験結果解析結果. 20 15. 10. 10. 5. 5. 0. 0.01. 0.02. 0.03. Rmax [rad] (a) El Centro NS. ○ ●. 15. 0. (b) S30,CFT30 (c) DS30-33 (d) DS30-66 (e) DS30-100. 表 1 解析対象骨組の骨組名および 1 次固有周期. 層 ○. (a) S20,CFT20. 図 7 解析対象骨組の軸組図. 図 5 解析モデルの概要 20. 5.0 m. 81.0 m 19@4.0 m = 76.0 m. 80.0 m. M1. 5.0 m. M1. 121.0 m 29@4.0 m = 116.0 m. によると本解析で使用するCFT造柱は全てFAランクと. 0.01. 実験結果解析結果. 0.02. 0.03. Rmax [rad] (b) C-SAN EW. 図 6 各層の最大層間変形角. 20層骨組. 30層骨組. 1次固有周期 1次固有周期構造種別骨組名構造種別骨組名 [s] [s] S20-cFA-bFA 2.36 S30-cFA-bFA 3.61 S造 S造 S20-cFA-bFB 2.38 S30-cFA-bFB 3.57 S20-cFB-bFB 2.32 S30-cFB-bFB 3.54 CFT20-cFA-bFA 2.32 CFT30-cFA-bFA 3.47 CFT造 CFT造 CFT20-cFA-bFB 2.34 CFT30-cFA-bFB 3.43 CFT20-cFA'-bFB 2.26 CFT30-cFA'-bFB 3.32 DS20-33% 2.20 DS30-33% 3.38 ダンパー付ダンパー付 DS20-66% 2.13 DS30-66% 3.29 S造 S造 DS20-100% 2.12 DS30-100% 3.22.

(3) 層間変形角 R ，部材累積塑性変形倍率率. ，部材塑性. の安全限界値をそれぞれ R S L = 1 / 7 5 ，. SL. SL. 4 . 2 長周期パルス地震動に対する検討. = 13 . 5 ，. 図 10 に UMT23-D06 EW 波に対する 20，30 層骨組の. = 5. 0 とし損傷評価を行った．. 最大層間変形角 Rmax と柱の塑性率. max. を示す．20 層骨. 組において，S 造，CFT造ともに Rmax が 1/50 を超えてお 4. 解析結果. り，中間層柱の. 4.1 長周期地震動に対する検討. 100%，66% では応答を小さくできたが，Rmax は安全限. 図 9 に C-SAN EW 波に対する 20 層骨組の最大層間変. 界値を超え，中間層柱は塑性化した．DS20-33%ではダ. 形角 Rmax と梁の累積塑性変形倍率. ンパー設置層の上層での Rmax が 0.03 に達し，中間層柱. び. max. max. を示す．Rmax およ. の値は，S造，CFT造ともに安全限界値を超えた．. の. max. max. が1.0を超え塑性化している．DS20-. の値は著しく大きくなった．30 層骨組において. S20-cFB-bFB では，下層部で FB 柱部材が損傷しエネル. も，S造，CFT造骨組の応答は安全限界を超えた．DS30-. ギーを吸収したため. 66，33% では，ダンパー設置層より上層において応答. max. の応答が小さくなった．DS20. 骨組では全てのダンパー配置において Rmax および. が増幅する現象が見られ，中間層柱が塑性化した．. max. の応答を安全限界値以下に低減できている．30 層骨組. 4.3 IDA による損傷特性の評価. における応答結果では，安全限界値以下の応答となり，. 図 11 に Art-Hachi波の地震動倍率 =3.0に対する30層. ダンパーの損傷低減効果はあまり見られなかった．. 骨組の最大層間変形角 Rmax を示す．S30-cFB-bFBの下層部の応答は，S30-cFA-bFB，CFT30-cFA’-FB に比べて著. 表 2 検討地震波の諸元. しく大きくなった．DS30骨組においてはダンパーによ. 継続時間 [s] PGA [m/s 2] PGV [m/s] 地震動名対象地震名 C-SAN EW 327.7 1.86 0.49 東海，東南海地震 UMT23-D06 EW 41.0 8.86 1.63 上町断層帯地震 Art-Hachi 163.8 4.67 0.64 ―. り下層部の損傷が低減されているが，DS30-33%ではダンパー設置層の上層での応答が著しく増幅した．図 12(a)に S，CFT 造 30 層骨組の 1 層の層間変形角 R. Sv [m/s]. C-SAN-EW UMT23D06-EW Art-Hachi ( =1.0) Art-Hachi ( =2.0) Art-Hachi ( =3.0). 4 3 2. の時刻歴応答を示す．S30-cFB-bFB では約 30 秒から一方向への変形が顕著になり，75.94s で数値が発散する現象が見られた．また，S30-cFA-bFB に比べて CFT30cFA’-FB の残留変形は僅かに大きくなった．図 12(b)の. 1 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. S30-cFB-bFB における 1 層内柱の曲げモーメント M- 層. 周期 [s]. 間変形角 R の関係に示すように，部材の耐力劣化の影. 図 8 速度応答スペクトル（減衰定数 h=0.05）層 20. 20 ○ ▲. 15. ◇. S20-cFA-bFB S20-cFB-bFB CFT20-cFA'-bFB. ○ △. 15. ◇. ▲. 20. DS20-100% DS20-66% DS20-33%. S20-cFA-bFB S20-cFB-bFB CFT20-cFA'-bFB. ○. 層. 層. ◇. 15. ○. 層. ○. 20. △ ◇. DS20-100% DS20-66% DS20-33%. 層. ▲. 30. ◇. S30-cFA-bFB S30-cFB-bFB CFT30-cFA'-bFB. 25. 15 20. 10. 10. 10. 10. 5. 5. 5. 5. 15 10 5. 0. 0.01. 0.02. 0.03. 0. 0.01. 0.02. Rmax [rad]. 0.03. 0. 0.01. 0.02. (a) S 造，CFT 造骨組. (b) DS 造骨組. 0.03. 層 ▲. 15. ◇. S20-cFA-bFB S20-cFB-bFB CFT20-cFA'-bFB. 層 ○ △. 15. ◇. 0.02. 0.03. 0. 0.01. 0.02. Rmax [rad] (b) DS 造骨組. 0.03. Rmax [rad] (c) S 造，DS 造骨組. (ⅰ) 最大層間変形角. 層 20 ○. 0.01. (a) S 造，CFT 造骨組. (ⅰ) 最大層間変形角 20. 0. Rmax [rad]. Rmax [rad]. 層. 20. DS20-100% DS20-66% DS20-33%. 層. 20 ○ ▲. 15. ◇. S20-cFA-bFB S20-cFB-bFB CFT20-cFA'-bFB. ○ △. 15. 10. 10. 10. 10. 5. 5. 5. 5. ◇. 30. DS20-100% DS20-66% DS20-33%. ○. 25. ▲ ◇. 20. S20-cFA-bFB S20-cFB-bFB CFT20-cFA'-bFB. 15 10 5. 0. 5. 10. 15. 20. 0. 5. 10. 15. max. (a) S 造，CFT 造骨組. 20 max. (b) DS 造骨組. 0. 2. 4. 6. 8. 0. 2. 4. 6. max. (a) S 造，CFT 造骨組. 8. 0. 2. 4. max. (b) DS 造骨組. 6. 8 max. (c) S 造，DS 造骨組. (ⅱ) 梁の累積塑性変形倍率. (ⅱ) 柱の塑性率. 図 9 C-SAN EW 波に対する応答結果. 図 10 UMT23-D06 EW 波に対する応答結果.

(4) 響により履歴ループが一方向へ移行しながら小さくなっていることから，1 層柱の局部座屈により骨組が崩壊に至ったと考えられる．図 13 に各 30 層骨組の残留変形図を示す．S，CFT 造 30層骨組では顕著な下層部変形集中現象16)が見られた． DS30-33%ではダンパー設置層より上層において大きな残留変形が生じ，中間層柱の塑性化が見られた．全ての骨組において，地震応答が安全限界値を超えたとき部材の耐力劣化の影響が生じ始めた．20 層骨組においても同様である． 5. 結本論では，既存 S，CFT造超高層骨組の巨大地震に対する損傷特性の検証を行った．長周期地震動に対する応答では下層部に変形が集中し損傷も大きくなり，長周期パルス地震動に対しては中間層における柱の損傷が著しく大きくなった．IDA では，地震動倍率が大きくなるにつれて一方向への変形累積が増大し，応答が安全限界を超えたとき部材の耐力劣化が顕著に見られた．地震動倍率 =3.0において 1 層柱の局部座屈により S30-cFB-bFB が崩壊した．履歴型ダンパー付骨組では，ダンパー配置層において損傷低減効果は確認できたが，ダンパーを部分配置した骨組では，ダンパー設置層より上層において変形および損傷が増幅する現象が見られた．層. 層. 30 25 20. ▲ ◇. S30-cFA-bFB 25 S30-cFB-bFB CFT30-cFA'-bFB. 15. 10. 10. 5. 5. 0. ○ △ ◇. 20. 15. 0.01 0.02 0.03 0.04. 0. DS30-100% DS30-66% DS30-33%. M [kNm] 12000. 0.04 S30-cFA-bFB. 8000. S30-cFB-bFB CFT30-cFA'-bFB. 0.02. 4000 0. 0. S30-cFB-bFB. -4000. -0.02 0.01 0.02 0.03 0.04. Rmax [rad] (a) S 造，CFT 造骨組. 1) 金紋廷，荒木慶一等：極大地震動に対する超高層純ラーメン鋼構造建物の動的応答に及ぼすP- 効果の影響，日本建築学会構造系論文集，第 644 号，pp.1861-1868，2009. 2) 建築研究所：長周期地震動に対する超高層建築物等の安全対策に関する検討，建築研究資料，第 127 号，pp.311-443，2010. 3) 多賀謙蔵，亀井功等：上町断層帯地震に対する設計用地震動ならびに設計法に関する研究，日本建築学会近畿支部研究報告集，第 51 号，pp.1-4，2011. 4) 白涌滔，河野昭彦等：Constitutive Models for Hollow Steel Tubes and Concrete Filled Steel Tubes Considering the Strength Deterioration，日本建築学会構造系論文集，第 677 号，pp.1141-1150，2012. 5) 島田侑，北村春幸等：超高層建物の下層階に部分配置する履歴型ダンパーの効果と影響に関する検討，日本建築学会構造系論文集，第 649 号，pp.549-557，2010． 6) Kawano,A.，and Warner,R.F.：Nonlinear Analysis of the Time-Dependent Behaviour of Reinforced Concrete Frames，Research Report No.R125， Department of Civil and Environmental Engineering，The University of Adelaide，1995. 7) 防災科学技術研究所「ASEBI」：E-ディフェンスを用いた長周期地震動を受ける高層建物の震動台実験， 2011. 8) 国土交通省中部地方整備局ほかコンソーシアム：名古屋三の丸地区における地域特性を考慮した耐震改修のための基盤地震動の作成（概要版），2004. 9) 日本建築センター：評定・評価を踏まえた高層建築物の構造設計実務，2006. 10) 日本構造技術者協会：耐震構造設計ハンドブック，2008. 11) 日本建築学会：長周期地震動と建物の耐震性，2007. 12) 建築研究所，日本鉄鋼連盟：履歴型ダンパー付鋼構造骨組の設計法，2002. 13) 大阪府都市整備部事業管理課：大阪府平成19年度想定標準地震動，2007. 14) 北村春幸，馬谷原伴恵等：時刻歴応答解析結果をもとにエネルギーの釣合に基づく耐震設計法を適用した建築物の耐震性評価法の提案，日本建築学会構造系論文集，第632号，pp.1755-1763， 2008. 15) 北村春幸，宮内洋二等：性能設計における耐震性能判断基準値に関する研究―JSCA耐震性能メニューの安全限界値と余裕度レベルの検討―，日本建築学会構造系論文集，第604号，pp.183-191,2006. 16) 上谷宏二，田川浩：梁降伏型骨組の動的崩壊過程における変形集中現象，日本建築学会構造系論文集，第 483 号，pp.51-60，1996.. R [rad]. 30 ○. 参考文献 . -0.04. 0. 60. Rmax [rad] (b) DS 造骨組. 図 11 最大層間変形角 (Art-Hachi 波 =3.0). 劣化あり. -8000. 120. 180. 時間 [s]. 劣化なし. -12000 -0.04 -0.02. 0. 0.02 0.04. R [rad]. (a) 1 層の層間変形角の時刻歴応答 (b) 1 層内柱の M-R 関係図 12 層間変形角の時刻歴応答と M-R 関係 (Art-Hachi 波 =3.0). 劣化あり →崩壊. (a) S30-cFA-bFB. (b) S30-cFB-bFB. (c) CFT30-cFA’-bFB. (d) DS30-33%. (e) DS30-66%. 図 13 Art-Hachi 波 =3.0 に対する各 30 層骨組の残留変形図 (変形× 30 倍). (f) DS30-100%.

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