ＣＦＴ圧縮ブレースにより耐震補強したＲＣ造建物の性能改善効果に関する解析的研究 [ PDF

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(1)ＣＦＴ圧縮ブレースにより耐震補強したＲＣ造建物の性能改善効果に関する解析的研究. 西田裕一 400. １．はじめに. 400. 著者らは，文献 1)において，圧縮抵抗型のブレース. 500. を用いた RC 造建物の耐震補強法を提案し，この補強効 600. 500. 柱. 案補強法は，従来から頻用されてきた鉄骨枠付ブレー. 梁 4-D25. 10-D19. ス補強に比して簡便に設置でき，同等以上の補強効果. 700. 4-D25 4-D25. 果について実験的に調べてきた．この実験において，提. を有することが示されている．本論では，この補強法を. 基礎梁 4-D25. 図２断面詳細図. RC 造学校校舎に適用した際の補強効果について解析的な検討を行う．解析対象としたのは，既存不適格の３階. たこのタイプの平面計画は，耐震診断の統計調査を. 建て RC 造学校校舎を模擬した構造モデルである．. 行った文献 2)の研究において最も頻度が多いものに対. ブレースが圧縮力を負担すると，ブレースが柱頭に. 応する．この建物モデルの重量は 13kN/m2 とし，スラブ. 取り付く柱には引張力が導入されることになる．この. の支配面積に応じて配分している．本研究では，桁行方. 時に考えられる補強架構の破壊形式は，接合部破壊を. 向の A 通りについてのみ解析を行う．. 除くと，ブレースの座屈，風上側柱の引張降伏，基礎の. 図２に柱及び梁の断面図を示す．柱は 500 × 500mm. 浮き上がりの３通りに区分できる．本論では，この３通. の正方形断面で，梁はせい 600mm，幅 400mm とした．. りの破壊形式により最大水平耐力が決定される構造モ. 基礎梁についてはせいを700mmに変えてモデル化した．. デルを作成し，その地震応答性状の比較を行う．. 柱と梁は各階全て同一断面とした．鋼材の降伏強度は 295MPa で，コンクリートの圧縮強度は 18MPa と仮定し. ２．解析モデルの作成. た．これらは，1971 年から 1981 年の間に建設された建. 2.1 対象建物. 物を想定している．1981 年以前に建設された学校建築. 本研究で解析対象とする建物の立面図及び１階平面. の震災事例では，柱や壁などの鉛直部材の破壊が先行. 図を図１に示す．この建物は３階建の学校校舎を模擬. する場合が多い．これを便宜的に考慮するために，解析. しており，長辺方向 10 スパン，短辺方向 1 スパンとし. モデルでは図２の梁主筋の断面積を2倍として梁の剛性. た．１教室あたり桁行 2 スパン，梁間 1 スパンを想定し. と耐力を上昇させている．. 4500. で断面の応力状態を表現する手法を用いて梁要素の剛性マトリックスを作成し，これらを全体剛性マトリックスに組み込ん. 45000. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. だ非線形の 2 次元構造解析プロ. 11. グラム 3) を用いて行った．廊下. B. 2600. 3. に対応する Model-NR を基本モデルとして，補強を施した３種 A. 図１立面図及び１階平面図 47-1. 表１に本論で検討する解析モデルの一覧を示す．無補強建物. 9800. 2. 7200. 1. 本解析は，ファイバーモデル 10200. 3400 3400 3400. 2.2 解析モデル. 類の建物モデルを作成した．図.

(2) 表１解析モデル一覧. る．これは，圧縮に対しては１層柱の 3 倍程度の軸剛性. CFTブレースモデル名. を持ち，引張に対しては，耐力，剛性ともに零となるト破壊形式. 鋼管. コンクリート強度. (mm). (MPa). Model-NR. ?. ?. Model-RB. 200×200×6. 20.5. ブレース座屈. Model-RF 300×300×12. 33.6. 風上柱の引張降伏. Model-RR 300×300×12. 33.6. 基礎の浮き上がり. ラス材である．基礎の浮き上がり挙動に対しては，基礎梁がこれに曲げ抵抗すると考えられるので , 図２の断面. 柱の曲げ破壊. を持つ基礎梁を解析モデルに組み込んでいる．コンクリートの構成則は Popovics モデル 4)を，鉄筋の構成則は完全弾塑性モデルを用いた．ブレース鋼管の構成則は Bauschinger 効果を考慮した大井・高梨モデル. ３に表１の骨組モデルの立面図と基礎の支持条件を示. 5). を採用した．. す．Model-RB ∼ Model-RR は，各層の③−④スパンと ⑧−⑨スパンに１本ずつブレースを設置して補強を. ３．静的解析. 行った例である．本研究で提案しているブレースは圧. 静的解析では，表２の Ai 分布に従う外力分布を仮定. 縮のみに作用するため，各層最低２本のブレースが必. し，水平力を全柱梁節点に分配して一方向に漸増載荷. 要となる．ブレースはそれぞれの破壊形式を実現でき. した．. るように断面を設定した．Model-RR と Model-RFは同一. 各層の荷重−変形関係を図５に示す．図の縦軸は，各. の断面としている．ブレースの節点は図４に示すよう. 層の層せん断力を A 通り架構モデルの全重量で除して. に設けた．ブレースとフレームの接合部は圧縮力のみ. 無次元化した値としている．横軸は，各層の層間変形角. を負担する剛な要素とし，ブレースの両端及び中央部. である．全層の平均層間変形角が，それぞれ 0.005rad.，. にヒンジ領域を設け，中央部には材軸直交方向に l/1000. 0.01rad.，0.015rad.，0.02rad. に達した時点での各層の変. （l：ブレース材長）の初期たわみを与えた．この条件に. 形を□や×などの印で示している．また，全層の平均層. より，ブレースの座屈や風上柱の引張降伏といった実. 間変形角が 0.02rad. 時の降伏ヒンジの発生状況を図６. 験における各種変形挙動の特徴を精度よく追随できる. に，その時の変形状況を図７に示す．図６では，降伏ヒ. ことが文献 1)において示されている．なお，柱梁接合. ンジの発生点を●，ブレースの座屈を○，柱の引張降伏. 部の詳細については，図に示すように接合部内は剛域. を矢印で表している．また，図７は計算された変形を水. とし，ヒンジ領域長さは柱については柱せいの半分，梁. 平方向に 20 倍，鉛直方向に 3 倍して表現している．. については梁せいとした．. 図５∼図７より，Model-NR では，１層柱の柱頭と柱. Model-NR ∼ Model-RF は基礎の浮き上がりを考慮し. 脚に塑性ヒンジが形成され，１層部分の層崩壊により. ないため１層柱脚を固定条件としている．これに対し. 水平耐力が決定している．その時のベースシアー係数. Model-RR は，基礎の浮き上がりを模擬するため，両端. は 0.27 に留まった．本解析法では，柱のせん断破壊を. の柱を除いた１層柱の下に非線形弾性バネを設けてい. 表現できないので，最大耐力以降の耐力低下はそれほ. 表２ Ai に従う外力分布層i W i (MN) SW i (MN). Model-NR. ai. Ai. Q i (MN) ⊿Q i (MN). 3. 2.81. 2.81. 0.33. 1.35. 3.80. 3.80. 2. 2.81. 5.62. 0.67. 1.14. 6.41. 2.61. 1. 2.81. 8.43. 1.00. 1.00. 8.43. 2.02. 剛域ヒンジ領域. Model-RB , Model-RF. ヒンジ領域. 剛域 l. 初期たわみ l /1000. 柱梁接合部. Model-RR. 図３解析モデルの立面図. 図４線材モデル化詳細 47-2.

(3) 層せん断力/全重量. 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0. 層せん断力/全重量. 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0. 3層 2層 1層. 3層 2層 1層. 0.005rad 0.01rad 0.015rad 0.02rad. Model-NR. Model-RB. Model-RF. Model-RR. Model-RB. Model-NR. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 層間変形角 (10-2rad). 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 層間変形角 (10-2rad) 3層 2層 1層. 0.005rad 0.01rad 0.015rad 0.02rad. 3層 2層 1層. 0.005rad 0.01rad 0.015rad 0.02rad. 0.005rad 0.01rad 0.015rad 0.02rad. Model-RR 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 層間変形角 (10-2rad). Model-RF 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 層間変形角 (10-2rad). 図７平均層間平均角 0.02rad. 時における変形図. 図５荷重−変形関係. Model-RB Model-NR. Model-RF. Model-RR. 図６平均層間平均角 0.02rad. 時のヒンジ発生状況. ど顕著なものとなっていない．また図５より，特定層の. の場合，補強架構３層分が全体として曲げ変形する．こ. 破壊が先行すると他の層は除荷され保有耐力は発揮さ. の破壊形式は，落階を防止しつつ主筋の降伏に伴うエ. れないことがわかる．. ネルギーの吸収が期待できる．ベースシアー係数は. ブレースの座屈を想定した Model-RB では，図に示す. Model-NR の 0.27 から 0.54 と上昇し，水平耐力はおよそ. ように，１層の層間変形角が 0.005rad. 程度で，ブレー. 2 倍となった．最大耐力後の耐力低下も Model-RB に比. スに座屈が生じ最大耐力が決定した．その時のベース. べて小さく，安定した挙動が確認できる．補強に際し. シアー係数は0.45となり，Model-NRのそれと比較して，. て，大きな靭性指標が必要となる場合は，柱の引張降伏. 1.7 倍の値となった．水平力に対してブレースによる１. を先行させる補強計画が望ましいことが分かる．. 構面の耐震補強を行うことで，大きな構造性能の向上. Model-RR では，図６と図７から分かるように，⑦−. が期待できることが分かる．図５よりブレース座屈後. ⑧スパンと⑧−⑨スパンの基礎梁が曲げ降伏し，基礎. は，徐々に水平耐力が小さくなるが，平均層間変形角が. の浮き上がりによって最大耐力を発揮している．図５. 0.02rad. の大変形時においても，Model-NR の 1.3 倍以上. において，Model-RR は Model-RFに比べ若干最大耐力が. の水平耐力を保持していることが分かる．但し，図６と. 小さいが，荷重−変形関係はほぼ同じで，耐力低下は顕. 図７から分かるように，最終破壊状況は，Model-NR と. 著でない．水平耐力が１層柱の引張降伏もしくは基礎. 同じく１層の層崩壊となる．. の浮き上がりのいずれかによって決定されたとしても，. Model-RF では，図６と図７に示すとおり，１層の風. 建物全体の耐震性能は大きく変化しないことが予測さ. 上柱が引張降伏し，全体降伏型の破壊形式となった．こ. れる． 47-3.

(4) ４．動的解析. 構造モデルを圧縮ブレースで補強した建物モデル. 前節で示した解析モデルの地震時の挙動を比較する. （Model-RB，Model-RF，Model-RR）の水平耐力は，ベー. ために，Newmark のβ法を用いて時刻歴の動的応答解. スシアー係数で，0.45，0.54，0.52 に増加した．. 析を行う．減衰は 2% の Rayleigh 型とする．入力波は，. 3) Model-RB では，1 層部分のブレースの座屈により水. El Centro，Taft，八戸の NS 成分で，これらの最大速度. 平耐力が低下する荷重−変形関係となったが，Model-. を 50kine に増幅して用いた．図８に各地震動に対する. RF と Model-RR では，全体降伏機構を形成しつつ最. 応答結果を示す．図の縦軸は層位置で，横軸は層間変形. 大耐力発揮以降も安定した変形性能を示す荷重−変. 角の最大応答値である．なお，せん断柱の限界変形角を. 形関係が得られた．. 0.005rad. と仮定して図に示し，変形量の目安としてい. 4) El Centro 波，Taft 波，八戸波を 50kine に増幅させた地. る．. 震動を入力した動的応答解析の結果，Model-NR では. 静的解析の結果から推察できるように Model-NR は，. １層に変形が集中し最大応答層間変形角は 0.021rad.. 各波において１層が大きく変形し，層崩壊が危惧され. となった．Model-RB は，ブレースの座屈により１層. る結果となった．１層の最大応答層間変形角はそれぞ. において若干変形が大きくなるが，最大応答層間変. れ 0.021rad.，0.013rad.，0.006rad. であった．Model-RB. 形角は 0.008rad. となった。Model-RF と Model-RR は. は，ブレースによる補強効果によって１層の最大変形. 応答変位が各層ほぼ一定となるとともに最大層間変. をそれぞれ 0.008rad.，0.007rad.，0.004rad. に低減するこ. 形角もおよそ 0.005rad. 以下の応答に留まった．. とができている．しかしながら，１層ブレースに座屈が. 5) 本補強法を適用した建物は，破壊形式が１層柱の引. 生じることを考慮すれば，大地震において１層に変形. 張降伏から基礎の浮き上がりに変化しても応答性状. が集中することを避けることはできない．一方でModel-. は大きく変化しないことがわかった．. RF，及び Model-RR は，各層ともに最大応答層間変形角が一様化され，且つおよそ 0.005rad 以内に留めることが. 参考文献. でき，補強によって層崩壊を防止することが可能であ. 1)北島幸一郎，宮西紀彰，下畠啓志，永瀬慎治，中原浩之，崎野健治：圧縮抵抗ブレースによる既存 RC 造架構の耐震補強法. ることが示された．また，破壊形式が１層柱の引張降伏. の開発研究（その１−４），日本建築学会大会学術講演梗概集，. から基礎の浮き上がりに変化しても，応答性状は大き. C-2，pp.781-788，2008.8.. く変化しないことが分かった．. 2)日本コンクリート工学協会九州支部，九州・沖縄の地域特性に配慮した RC 造建築物の恒久・応急的な耐震補強法の開発研究に関する研究専門委員会：九州・沖縄地区における既存鉄. ５．まとめ. 筋コンクリート建物の耐震性能と耐震補強法開発，2004.2.. 本研究では，著者らが提案する CFT 圧縮抵抗型ブ. 3)Kawano, A., Griffith, M.C., Joshi, H.R. and Warner, R.F.：Analysys. レースをRC造建物に適用した際の耐震補強効果につい. of the Behavior and Collapse of Concrete Frames Subjected to Severe Ground Motion , Reserch Report No.R163 , Department of Civil and. て静的および動的解析により調べた．解析対象とした. Environmental Engineering , The Univercity of Adelaide, Australia ,. 建物は，３階建ての既存不適格 RC 造学校校舎を模擬し. Nov. 1998.. たもので，この構造モデルを基本として，補強を施した. 4)Popovics, S.,: Numerical Approach to Complete Stress-Strain Curve of Concrete, Cement and Concrete Research, Vol.3, pp.583-599, 1973.. ３種類の建物モデルを作成した．得られた結果を以下. 5)孟令樺，大井謙一，高梨晃一：鉄骨骨組地震応答解析のため. に列挙する．. 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. 1) 既存不適格建物を模擬した構造モデル（Model-NR）. 集，第 437 号，pp.115-124，2002.8.. においては，水平耐力が 3. ベースシア係数で0.27とうとしたプッシュオーバー解析では１層の層崩. 層. なり，外力が Ai 分布に従. Model-NR Model-RB Model-RF Model-RR. Model-NR Model-RB Model-RF Model-RR. Model-NR Model-RB Model-RF Model-RR. 2. 壊現象を起こした． 2) ブレースの座屈，風上柱の引張降伏，基礎の浮き上がりにより最大耐力が決定するように，上記の. 1 0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 1.5 最大応答層間変形角(10-2rad) 最大応答層間変形角(10-2rad) 最大応答層間変形角(10-2rad). El Centro 波. Taft 波. 図８層間変形角の最大応答値 47-4. 八戸波.

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